氫氧化亞鐵被氧化生成紅褐色固體現象的探究

摘要： 從氫氧化亞鐵被氧化過程中遇到的實際問題出發，從理論與實踐兩個方面對該實驗產生的異常現象進行分析、討論。實驗中有紅褐色固體物質生成，紅褐色固體漸漸變暗。用磁鐵靠近紅褐色固體時，紅褐色固體（沉淀）中有部分固體能被磁鐵吸引。說明氫氧化亞鐵的氧化產物中含有一定量的四氧化三鐵。

關鍵詞： 氫氧化亞鐵制備； 氧化反應； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2023）09-0084-03???中圖分類號： G633.8???文獻標識碼： B

1? 問題提出

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》對“氫氧化亞鐵的制備”提出了活動建議［1］；人教版、魯科版和蘇教版教材中也都設計了該實驗：在FeSO4溶液中加入NaOH溶液［2～4］，觀察實驗現象。教材中對該實驗的現象描述為：在試管中加入NaOH溶液，產生的白色沉淀逐漸轉化為灰綠色，最后變為紅褐色固體，這是氫氧化亞鐵被空氣中的氧氣氧化為氫氧化鐵的緣故。實驗過程中發生的化學反應為：FeSO4+2NaOHFe（OH）2↓+Na2SO4、 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3。

筆者在多年的教學中一直認為，該實驗最后得到的紅褐色固體為Fe（OH）3，沒有其他物質生成。在本學期一次上課的過程中，筆者讓學生分組完成氫氧化亞鐵的制備，有一位學生站起來說，他們小組得到紅褐色沉淀的顏色又變暗了，好像紅褐色沉淀中有黑色固體產生。聽到該小組的結果后，每個小組都對自己小組的沉淀進行了認真觀察，大多數小組發現實驗中產生的紅褐色固體漸漸變暗，甚至有些發黑。紅褐色固體為什么會逐漸變暗、發黑，難道有新的物質產生了嗎？

2? 推測和設計實驗證明紅褐色固體變暗的原因

通過查閱文獻資料，發現有關該問題的研究較少，周改英等在“對氫氧化亞鐵制備實驗的商榷與建議”一文中提出［5］，白色Fe（OH）2一旦生成便會緩慢轉化為Fe3O4等物質，混合物的顏色隨時間的推移而逐漸加深，但文章中并未通過實驗證明Fe（OH）2在緩慢氧化的過程中生成Fe3O4。

實驗中紅褐色固體變暗是產生了四氧化三鐵嗎？帶著這個問題筆者和學生對紅褐色的固體進行了分析與探究。根據中學化學知識，FeO和Fe3O4均為黑色且難溶于水的固體，其中的黑色固體可能是FeO或Fe3O4。FeO和Fe3O4又是如何產生的呢？硫酸亞鐵和氫氧化鈉反應的過程，先生成了白色沉淀，一段時間后產生了少量的褐色固體Fe（OH）3，此時沉淀是Fe（OH）2和Fe（OH）3的混合物。FeO中鐵元素的價態為+2價，如果產生了氧化亞鐵，則FeO可能是白色沉淀Fe（OH）2分解的產物。在無氧的環境下，將白色氫氧化亞鐵固體放置一段時間后，若產生黑色固體，則說明紅褐色固體變暗是由于Fe（OH）2分解產生了FeO。Fe3O4中鐵元素的價態既有+2也有+3價，如果在亞鐵鹽和鐵鹽的混合溶液中加入氫氧化鈉，溶液中立即產生黑色固體，則說明紅褐色固體變暗是由亞鐵鹽、鐵鹽和氫氧化鈉共同產生了四氧化三鐵。四氧化三鐵具有磁性，用磁鐵靠近變暗的固體，若固體能被磁鐵吸引，則可說明實驗過程中紅褐色固體變暗的原因是生成了四氧化三鐵。

3? 實驗探究黑色固體的成分

3.1? 在氫氧化鈉溶液中加入少量硫酸亞鐵溶液的反應

（1） 實驗步驟：在小試管中加入10mL 8mol·L-1氫氧化鈉溶液，將膠頭滴管伸入到液面下，逐滴加入0.1mol·L-1硫酸亞鐵溶液，擠一滴，移動膠頭滴管的位置，再擠一滴……，當試管中產生了較多的白色沉淀時，停止加入硫酸亞鐵溶液［6］，立即用一橡膠塞塞住試管口，觀察實驗現象。

（2） 實驗現象：當在氫氧化鈉溶液中加入硫酸亞鐵溶液時，產生懸浮于液面的白色沉淀，沉淀慢慢下沉，一段時間后，白色沉淀沉降在試管的底部，整個過程不產生灰綠色沉淀，一段時間后試管底部的固體仍為白色。

（3） 實驗結論：在濃的氫氧化鈉溶液中加入硫酸亞鐵稀溶液，白色沉淀的顏色一直未發生改變，說明制備氫氧化亞鐵時，產生的氫氧化亞鐵若要一直保持白色狀態，需要氫氧化鈉溶液過量，防止生成的氫氧化亞鐵吸附溶液中未反應的二價鐵離子，使白色固體變為灰綠色［7］。由于試管底部的固體一直處于白色狀態，說明氫氧化亞鐵不易發生分解產生氧化亞鐵。

3.2? 在硫酸鐵溶液中加入氫氧化鈉溶液的反應

（1） 實驗步驟：在試管中加入10mL 0.1mol·L-1硫酸鐵溶液，用膠頭滴管加入2mol·L-1的氫氧化鈉溶液，一段時間后，用強力磁鐵靠近試管中的固體，觀察實驗現象。

（2） 實驗現象：在硫酸鐵溶液加入氫氧化鈉溶液，試管中立即產生紅褐色沉淀。一段時間后，紅褐色沉降在試管的底部，且固體的顏色一直處于紅褐色，用強力磁鐵靠近試管底部的紅褐色固體時，固體不能被磁鐵吸引。

（3） 實驗結論：固體的顏色一直未發生變化，且紅褐色不能被磁鐵吸引，說明氫氧化鐵沉淀未發生分解。

3.3? 亞鐵鹽和鐵鹽的混合物與氫氧化鈉溶液的反應

（1） 實驗步驟：在試管中依次加入5mL 0.2mol·L-1的硫酸亞鐵溶液和硫酸鐵溶液，然后在其中滴加幾滴2mol·L-1的氫氧化鈉溶液，當溶液中產生沉淀時，在試管外用磁鐵靠近試管底部，將磁鐵由試管底部慢慢移向液面，觀察實驗現象。

（2） 實驗現象：在硫酸亞鐵和硫酸鐵的混合溶液中滴加幾滴氫氧化鈉溶液，立即產生大量的黑色塊狀固體，且生成的黑色固體懸浮在溶液中，上層清液立即變為無色透明，其變化過程如圖1所示。當磁鐵靠近試管底部的黑色固體時，溶液中的黑色固體能被磁鐵吸引，將強力磁鐵慢慢移至液面上方時，黑色固體能隨著磁鐵的移動而移動。繼續滴加氫氧化鈉溶液，振蕩試管，整個試管中產生了黑色固體，靜置，黑色固體全部沉降在試管的底部，再用磁鐵靠近黑色固體時，黑色固體全部被磁鐵吸引到了試管的一側，試管的另一側為澄清透明溶液，實驗現象如圖2所示。

（3） 實驗結論：黑色固體能被磁鐵吸引，說明黑色固體全部為四氧化三鐵。產生四氧化三鐵的原理為：Fe2++2Fe3++8OH-Fe3O4↓+4H2O。

3.4? 在硫酸亞鐵溶液中加入氫氧化鈉溶液的反應

（1） 實驗步驟：在試管中加入少量的硫酸亞鐵溶液，然后加入氫氧化鈉溶液，振蕩試管后，靜置一段時間，在試管外用磁鐵靠近試管底部，將磁鐵由試管底部慢慢移向液面上，觀察實驗現象。

（2） 實驗現象：當氫氧化鈉滴入硫酸亞鐵溶液中，觀察到有白色沉淀生成，白色沉淀迅速轉化為灰綠色，且懸浮于液面。振蕩試管，靜置一段時間，首先在溶液上方的試管內壁產生紅褐色沉淀，溶液中的灰綠色固體逐漸變為紅褐色，當試管中的固體全部沉降在試管的底部時，用磁鐵靠近試管底部時，試管內少量的固體隨著磁鐵的移動而移動。

（3） 實驗結論：先產生的白色沉淀為氫氧化亞鐵，固體變為灰綠色是由于生成的氫氧化亞鐵吸附了未反應的二價鐵離子，振蕩試管時，灰綠色固體與空氣中的氧氣接觸，空氣中的氧氣將部分氫氧化亞鐵和被吸附的二價鐵離子氧化，生成了氫氧化鐵或三價鐵離子，生成的三價鐵離子與尚未反應的二價鐵離子在堿性環境中共同生成了四氧化三鐵。

由以上4組實驗現象可以看出，在制備氫氧化亞鐵時，白色沉淀轉化為灰綠色沉淀，一段時間變為紅褐色時，紅褐色的固體中既有氫氧化鐵，也有少量的四氧化三鐵，生成的四氧化三鐵導致紅褐色固體的顏色變暗。

4? 結語

從氫氧化亞鐵被氧化過程中遇到的實際問題出發，從理論與實踐兩個方面對該問題進行了分析和驗證，證明了氫氧化亞鐵在被氧化的過程中有少量四氧化三鐵生成。之后，在此基礎上，又通過改變亞鐵鹽和氫氧化鈉溶液的濃度，改變空氣與氫氧化亞鐵的接觸面積，在玻璃片上滴加8～10滴飽和硫酸亞鐵溶液，然后用小噴壺在硫酸亞鐵的表面噴灑少量的飽和氫氧化鈉溶液，瞬間在玻璃片上產生白色沉淀，白色沉淀又快速變成灰綠色，一段時間后灰綠色固體變為黑色固體。用小刀把玻璃片上的固體刮下，干燥后，用一段細鐵絲靠近黑色固體，黑色固體能和鐵絲之間相互吸引。通過以上實驗可得，亞鐵鹽溶液的濃度越大，空氣與氫氧化亞鐵的接觸面積越大，生成的四氧化三鐵就越多。

教師在教學中應引導學生關注實驗過程中的每一個細節，當實驗現象與預期效果不一致時，要多加思考，堅持不懈地加以探究，或許會有意外的收獲［8］。作為一名一線的化學教師，只有貴在動手，勤于實踐，才能發現更多的問題，獲得更多的啟發。

參考文獻：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］. 北京：人民教育出版社， 2020：16.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊［M］. 北京：人民教育出版社， 2019：67.

［3］王磊主編. 普通高中教科書·化學必修第一冊［M］. 濟南：山東科學技術出版社， 2019：88～89.

［4］王祖浩主編. 普通高中教科書·化學必修第二冊［M］. 南京：江蘇鳳凰教育出版社， 2020：103～104.

［5］周改英， 王玉秋， 許煥武. 對氫氧化亞鐵制備實驗的商榷與建議［J］. 化學教育， 2014，（17）：72～75.

［6］徐建飛， 張平， 杜淑賢. 制備氫氧化亞鐵實驗方案再探究［J］. 化學教學， 2015，（7）：54～57.

［7］李周平， 龐立霞. 亞鐵鹽與氫氧化鈉溶液反應的實驗改進［J］. 化學教學， 2023，（4）：71～73.

［8］李周平. 氫氧化亞鐵制備及氧化性實驗的改進［J］. 化學教學， 2023，（2）：68～71.