基于學科核心素養下的氫氧化亞鐵制備實驗改進和機理探究

袁健

【摘 要】在制備氫氧化亞鐵的實驗中，大多數除氧改進實驗的效果不甚明顯，灰綠色物質的產生原因一直有較大的爭議，筆者帶領學生在查閱大量數據和系統的分析后，進行反復的實驗探究，進而驗證了灰綠色物質產生的原因是氫氧化亞鐵膠體吸附了大量的亞鐵離子，并且還創新設計出微型化的氫氧化亞鐵制備的實驗裝置。

【關鍵詞】氫氧化亞鐵實驗改進;灰綠色;機理探究

一、問題的提出

在高中化學人教版必修一第三章第2節氫氧化亞鐵的制備中，通常描述成向盛有氫氧化鈉的溶液中滴加硫酸亞鐵溶液后，先產生白色絮狀沉淀，又迅速轉化為灰綠色，最終轉變成紅褐色沉淀。然而，在實際操作中，往往觀察不到白色沉淀，通常只出現灰綠色的情況。

對于此情況，許多學者展開了深入研究，認為灰綠色的產生主要是氫氧化亞鐵沉淀被溶解氧迅速氧化成混合型氫氧化物所導致的，但大多數除氧改進實驗的效果不甚明顯。也有學者認為是所生成的氫氧化亞鐵沉淀形成金屬氫氧化物膠體，吸附了溶液中的大量亞鐵離子導致的，且和Fe2+濃度有關，濃度越大，則灰綠色越明顯，即和溶解氧氧化無必然關系。[1]

基于灰綠色物質是由于氫氧化亞鐵白色沉淀被溶解氧氧化原理下，在實驗中，為了能明顯且長久觀察到白色沉淀的生成，學者設計了幾種常見的裝置改進。

一是采取有機物液封和長滴管滴液法來減少溶解氧的氧化的實驗裝置，然而白色沉淀通常出現的時間過短，以致觀察不明顯。除外，FeSO4試劑的前期配制耗時過長，還有氫氧化鈉溶液需進行加熱煮沸除溶解氧等預處理，都限制在課堂的演示或分組實驗的順利展開。二是制備氫氣除溶解氧后，形成還原性氣氛下制備氫氧化亞鐵，然而此裝置需要對氣密性有較高的要求，且試劑用量較大，較為浪費試劑，還需對氫氣驗純，才能確定完全除氧。三是有機物液封下，以鐵作陽極材料，電解氯化鈉溶液，然而該裝置有用到有毒或污染較大的有機物如苯等作為液封試劑，且裝置復雜，反應時間長，也不適宜在班級中進行分組實驗。[2]

二、實驗的改進及機理探究

1.實驗原理

不少學者認為是溶解氧氧化導致產生了灰綠色，因而大多數報道都是采取除氧液封等形式來減少溶液溶解氧的因素，進而制備氫氧化亞鐵沉淀。然而，為了驗證灰綠色物質的出現主要由于生成的氫氧化亞鐵膠體吸附了大量的亞鐵離子，和溶解氧無關的結論，本實驗采取了對任何原材料不進行去氧處理，即對氫氧化鈉溶液不進行加熱煮沸除氧，也不用鐵屑和稀硫酸反應產生的氫氣來排盡氫氧化鈉溶液中的空氣，進而與大多數報道采取除氧液封的方式形成明顯的對比。同時，采取不同濃度量化探究氫氧化鈉溶液對白色沉淀穩定時間的影響，以及敞口，閉口下，較明顯的現象對比，來驗證灰綠色物質的出現與溶解氧無關，而是由于生成的氫氧化亞鐵膠體吸附了大量的亞鐵離子的結論。具體的原理如下：

利用Y形三通連接管作為容器，在底端分別塞上橡皮塞，在其中一端加入少量的還原鐵粉，然后用注射器從底端中橡皮塞注入大量的稀硫酸，從而現配出FeSO4溶液，又從另一底端注射NaOH溶液，然后在頂端塞上橡皮塞，傾斜三通連接管，最后正立，形成“Y”型，即可出現大量的白色沉淀，且能保留較長的時間，涉及的化學反應方程式如下：

Fe + HSO? = FeSO + H ↑

FeSO? + 2NaOH? =? ?Fe（OH） ↓ + NaSO

2.實驗用品

裝置：三通管，注射器，橡皮管，止水夾，橡皮塞

藥品：還原鐵粉，0.1mol/L稀硫酸，不同濃度的氫氧化鈉溶液。

3.實驗步驟

（1）新制FeSO4溶液制備：

①用橡皮塞塞上三通管的底端，往其中一端加入少量還原鐵粉，上端用橡皮管套住，并套入止水夾到玻璃管處。

②用注射器往有還原鐵粉的一端注入稀硫酸。

（2）閉口環境下，不同濃度的NaOH溶液比較：

①用注射器往多個三通管另一底端分別注入不同濃度的氫氧化鈉溶液。②待兩端液體將接近三通管支點處，把上端的橡皮管用止水夾夾住。③傾斜三通管，使兩端液體交匯到上端的玻璃管處，正立三通管，觀察現象，并記錄時間。

（3）對比實驗（敞口環境）步驟

①用注射器往三通管另一底端注入5mol/L的氫氧化鈉溶液。②待兩端液體將接近三通管支點處，把上端的橡皮管用止水夾夾住。③傾斜三通管，使兩端液體交匯到上端的玻璃管處，正立三通管，觀察現象

④打開止水夾，觀察現象，并記錄時間。

4.實驗現象

氫氧化鈉溶液濃度對穩定的影響表格如下：

5.實驗分析與結論

（1）閉口環境下，不同濃度的NaOH溶液現象分析。0.1mol/L沒白色沉淀生成，主要原因是氫氧化鈉溶液被過量酸中和掉。閉口環境下，2.5mol/L，5mol/L，以及粘稠狀的NaOH溶液現象對比可發現，氫氧化鈉的濃度影響白色沉淀生成的量和穩定存在的時間，濃度越大，白色沉淀越明顯，穩定的時間越長。另外，不同濃度的NaOH溶液還影響灰綠色出現的時間，一定條件下，濃度較稀時，其灰綠色出現的時間越快。

（2）相同濃度下，閉口與敞口環境下的現象分析。NaOH溶液都為5mol/L時，敞口與閉口出現白色沉淀和灰綠色的時間基本一致，不同的是，閉口下，15min后，灰綠色并沒變化，敞口下，10min后，溶液就已經產生少量紅褐色的現象，即Fe2+已被空氣的氧氣氧化，由上述現象，說明灰綠色的產生和溶液的溶解氧濃度沒必然的聯系。

（3）實驗結論。在原試劑并沒采取除氧液封等操作下，同時采取不同濃度量化探究氫氧化鈉溶液對白色沉淀穩定時間的影響，以及敞口，閉口下，較明顯的現象對比，初步能驗證灰綠色物質與溶解氧沒必然關系，主要是氫氧化亞鐵膠體吸附了大量的Fe2+所導致的。

6.實驗的創新點

本實驗在細節處理上，有很多創新之處。

（1）儀器創新。本裝置使用玻璃三通管作為容器，較微型化，攜帶方便，節約試劑，且在實驗室為常見的玻璃儀器，注射試劑簡單，且現象能直觀觀察（普通試管會有大量的鐵粉阻礙觀察）。

（2）操作創新。不需任何原試劑除氧的預處理，試劑簡單，操作步驟較少，且隨時可以在班級進行演示實驗，或者學生動手實驗，可行性高。

（3）綠色化學創新。不需用到有毒或對環境有害的有機試劑來液封，且只需少量的藥品品種和用量，就能產生直觀的實驗現象，符合綠色化學的多快好省的思想。

【參考文獻】

[1]吳文中，氫氧化亞鐵變為灰綠色的理論探究，化學教學，2016，（9），61-63.

[2]劉彩虹，張文蘭，劉麗君.氫氧化亞鐵制備實驗的設計[J].化學教學，2014，（9）： 52-53.