氫氧化亞鐵製備實驗中減緩氧化的一種簡便方法

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陳楊展1  吳雙1  蔡雙蓮2

（1.長沙市周南中學  湖南長沙  410008）

（2.湖南大學化學化工學院  湖南長沙  410082）

採用氯化鈉水溶液配製硫酸亞鐵和氫氧化鈉的反應溶液，「鹽析」效應大大降低了溶液中的溶解氧含量，通過這種簡單方法製備出的氫氧化亞鐵白色絮狀沉澱能在較長時間穩定存在，通過分段顯示的方法，可以清晰地觀察到沉澱生成之後一系列變化的客觀現象，了解氫氧化亞鐵的不穩定性。

Fe3+、Fe2+、Fe及其重要化合物的性質和轉化關係是中學化學教學的重要內容，但氫氧化亞鐵因易於發生氧化和歧化反應而難以製備和保存，成為中學化學教學中的一個難點[1-2]，這嚴重影響學生對實驗現象的正確觀察與思考，制約相關知識的學習與拓展。影響實驗的因素包括溶解氧、Fe3+、滴加順序與速率、溶液的濃度、沉澱的緊密度及Fe(OH)2自身的Schikorr歧化反應等[1-3]，但其中最為關鍵的一環是要減少溶解氧含量，這不僅可以減緩氫氧化亞鐵的氧化，也可以防止反應原料溶液中Fe2+的氧化[4]。雖然文獻報導了許多相關研究和改進措施，但在規範性、嚴謹性和簡便適用性等方面尚不盡如意[5-8]，有的操作比較複雜或者需組裝特殊的儀器裝置，有的重現性不好，有的忽視了沉澱之後的變化現象的觀察。因此仍有必要設計一種簡單有效的方法減少並控制溶液中溶解氧的濃度，實現Fe(OH)2白色沉澱的方便製備，以及對其由白變灰、變綠、變紅褐色的一系列後續變化的完整觀察，從而客觀準確地傳授知識，引導學生不斷思考和探究[9-10]。

利用NaCl水溶液配製反應溶液，降低溶解氧濃度，通過常規的儀器操作，比較理想地實現了對氫氧化亞鐵氧化速度的控制，有利於對氫氧化亞鐵沉澱及其變化的整個過程進行觀察，有條件的學校還可以針對後續變化進行知識拓展與課外研究。

實驗原理

溶解氧指的是水中溶解的游離氧，其溶解量與溫度、壓力、鹽濃度等因素有密切關係，天然水中溶解氧的物質的量分數約為4.5×10-6~8×10-6。

升高溫度可以減少溶液中氧氣的溶解度，所以常利用煮沸操作驅除氧氣，但增加了操作步驟，並且由於反應體系是一個開放性的體系，隨著溫度的降低，氧氣還會不斷溶解到溶液中。降低壓力也可以減少溶液中的溶解氧，但在實際教學過程中，很難在隔絕空氣的減壓條件下進行實驗，或者需用特殊儀器在封閉系統中操作。還有不少文獻採用有機溶劑或者用油封液面的辦法，但事實上收效甚微，因為氧氣在多數有機液體中的溶解度明顯大於在水中的溶解度（參見表1）[11]，這種處理方式非但不能有效抑制氧氣進入反應液，有些還造成清洗困難。

表1  在298.2 K，101.3 kPa時，純有機溶劑和水中的溶解氧 

由於離子的水合作用，溶液中無機離子的濃度對氧氣的溶解度也有很大影響[12]。在大多數情況下，溫度和壓力不變時，溶解氧含量隨著鹽濃度的增加而降低，產生「鹽析」現象。這也是許多文獻所提到的反應液濃度會影響Fe(OH)2製備和保存時間之原因所在。

早在1889年，Sechenov就以下式描述了鹽濃度對氣體溶解度的影響規律[13]：

log(c0/c)=Kcs

其中，c為鹽溶液中氣體的實際濃度，c0為純水中氣體的濃度，cs為鹽溶液濃度，K為比例常數(也稱為Sechenov常數)。在混合電解質溶液中，Schumpe將該關係式修正為[14]：

log(c0/c)=∑(hi+hG)ci

式中，hi和hG分別為離子和氣體的特性參數，而ci為離子濃度，例如：hi(Na+)=0.117 1L·mol-1, hi(Cl-)=0.033 4 L·mol-1, hG(O2)=0。

由此可估算，當NaCl濃度為4 mol·L-1（約19%）時，氧氣的溶解度大約將降低75%。所以，如果以NaCl濃溶液代替純水用於配製反應原料FeSO4溶液和NaOH溶液，將大大降低溶解氧濃度。同理，在鹼溶液中，氧氣的溶解度隨著NaOH濃度的增加也迅速降低[15]，當NaOH濃度增加到6 mol·L-1時，氧氣的溶解度可以降低90%，並且溶解時的放熱效應有進一步驅趕氧氣的作用。

雖然，「鹽析」效應不能完全驅趕溶解氧，但事實上，實際教學過程本來就並不需要在完全無氧的情況下製備Fe(OH)2，而只需要把溶解氧含量降低到適當值以下，並能穩定控制其含量在操作和保存期間不明顯變化，因此，有可能通過增大溶液的鹽濃度或者NaOH鹼濃度，即可獲得穩定的低氧溶液體系，足夠製備出Fe(OH)2白色沉澱，並使之在較長時間得以保存。

實驗步驟

反應原料的準備：稱取適量分析純NaCl，用蒸餾水或自來水配製約20%的NaCl溶液，靜置待用；稱取適量分析純FeSO4，用上述20%的NaCl溶液配製約1.5 mol·L-1的FeSO4溶液，靜置待用，若實驗中用的是自來水，則需將已經用砂紙除去表面氧化物的細鐵絲浸入溶液中下部，勿露出液面，加幾滴稀硫酸，輕輕塞上磨口玻璃塞，放置過夜待用；稱取適量分析純NaOH，用上述20%的NaCl溶液配製4 mol·L-1的NaOH溶液；以上過程可以觀察到溶液中有許多細小氣泡產生，說明溶解氧在減少。

氫氧化亞鐵的製備：在潔淨試管中加入FeSO4溶液，然後加入1層NaOH溶液，立即產生沉澱（圖1a）。若在上層再小心加入幾滴FeSO4溶液，勿振動，生成的沉澱浮於液面處，並形成1層凝固層，使得底部白色沉澱可以在較長時間內穩定存在，如圖1b所示（1周後），而表面覆蓋層逐漸變色，其下部為灰綠色，上部呈現紅褐色。採用分層滴加操作，在上述過程之後，繼續加入1層NaOH溶液，最後在上面再加FeSO4溶液，在幾分鐘之後，由下至上依次可以觀察到白色沉澱、灰綠色沉澱和紅褐色沉澱，如圖1c所示。

圖1  Fe(OH)2沉澱的製備及其後續變化

結論

採用濃鹽溶液代替純水進行實驗，基本穩定控制反應液中溶解氧量在操作和保存期間不明顯變化，從而有利於實現對氫氧化亞鐵氧化速度的控制。

利用液面處緻密凝結的固體蓋住液體，阻礙空氣進入，可以使底層的Fe(OH)2白色沉澱在較長時間裡穩定存在。

結合簡單的分層滴加操作，可以分段呈現出Fe(OH)2白色沉澱及其由白變灰、變綠、變紅褐色的過程，實驗現象更客觀、更清晰、更全面。

無需特殊裝置和繁複的預處理，操作簡便，因而可以與幾乎所有文獻所報導的其他改進方法配套，靈活運用，使教學效果更佳。

[1] 嚴宣申.化學教育，2009,30（11）：74

[2] 李俊生，胡志剛.化學教學，2011（11）：67-70

[3] 吳名勝.化學教育，2010,31（9）：79-81

[4] 張愛菊，陶鎖軍，張小林.化學教學，2014（6）：56-57

[5] 劉彩虹，張文蘭，劉麗君.化學教學，2014（9）：52-53

[6] 楊曉東.化學教學，2015（2）：56-58

[7] 姜言霞，阮寶玲，畢華林，等.化學教育，2014,35（23）：47-49

[8] 周改英，王玉秋，許煥武.化學教育，2014,35（17）：72-75

[9] 宋心琦.化學教學，2013（4）：3-5

[10] 胡孝武.化學教育，2013,34（4）：76-77

[11] Sato T, Hamada Y, Sumikawa M, et al. Ind. Eng. Chem. Res., 2014, 53(49):19331-19337

[12] Janata E, Kelm M, Ershov B G. Radiat. Phys.Chem., 2002, 63(2): 157-160

[13] Sechenov M. Z. Phys. Chem., 1889, 4: 117-125

[14] Schumpe A. Chem. Eng. Sci., 1993, 48(1): 153-158

[15] Zhang C, Fan F R, Bard A J. J. Am. Chem. Soc., 2009, 131(1): 177-181

引用本文:   

陳楊展, 吳雙, 蔡雙蓮. 氫氧化亞鐵製備實驗中減緩氧化的一種簡便方法[J]. 化學教育, 2017, 38(11):  61-63 

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