硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)研究

劉 萍，任有良，孫紅麗

(商洛學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系，陜西商洛 726000)

硫酸亞鐵銨 (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O 俗稱摩爾鹽，是淺藍(lán)綠色單斜透明晶體，在空氣中比一般亞鐵鹽穩(wěn)定，不易被氧化，能溶于水，不溶于酒精。因此在定量分析中常用來配置亞鐵離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

硫酸亞鐵銨的制備是無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)多年一直開設(shè)的一個(gè)典型的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱中將此實(shí)驗(yàn)作為學(xué)生的必做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗寣W(xué)生了解復(fù)鹽的一般特征和制備方法的同時(shí)，還能綜合訓(xùn)練學(xué)生水浴加熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、常壓過濾等基本操作；但按照不同版本的教材[1-7]介紹的方法實(shí)驗(yàn)時(shí)，在反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)率和純度等方面出現(xiàn)了差異，本文在大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)影響該實(shí)驗(yàn)的各種因素進(jìn)行了探究，重點(diǎn)在選取鐵的種類、鐵的去污方法和反應(yīng)時(shí)間等因素進(jìn)行了探究，并對(duì)產(chǎn)物的質(zhì)量和等級(jí)進(jìn)行了鑒定，探究出了該實(shí)驗(yàn)的最佳反應(yīng)條件。

1 實(shí)驗(yàn)原理

制備硫酸亞鐵銨比較簡單，在實(shí)驗(yàn)室中一般都是先制備FeSO4，然后在FeSO4的水溶液中加入(NH4)2SO4，即可制得硫酸亞鐵銨。

將過量的鐵溶于稀H2SO4中，可制得FeSO4，其反應(yīng)式為

向FeSO4水溶液中加入等物質(zhì)的量的(NH4)2SO4，使其全部溶解，再加熱濃縮，在冷卻過程中會(huì)析出溶解度更小的硫酸亞鐵銨，其反應(yīng)式為

FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O 在水中的溶解度比其組分FeSO4和(NH4)2SO4都要小。因此，從FeSO4和 (NH4)2SO4的混合水溶液中很容易得到結(jié)晶的摩爾鹽。

2 教材上的制備方法及存在的問題

大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)、無機(jī)及分析實(shí)驗(yàn)教材等[1-2]上的實(shí)驗(yàn)方案：在錐形瓶中放入2 g鐵屑加入20 mL 1.0 mol·L-1Na2CO3溶液，小火加熱約 10 min，以除去鐵屑表面的油污。在盛有洗凈鐵屑的錐形瓶中，加入 15 mL 3.0 mol·L-1的 H2SO4溶液，放在水浴上加熱，使鐵屑與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)（在通風(fēng)櫥中進(jìn)行）。根據(jù)已作用的鐵的質(zhì)量和反應(yīng)式中的計(jì)量關(guān)系，按m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8（或1:0.75）稱取所需硫酸銨固體的質(zhì)量，在燒杯中配制(NH4)2SO4的飽和溶液；將(NH4)2SO4的飽和溶液倒入盛FeSO4的溶液中，蒸發(fā)濃縮，抽濾得硫酸亞鐵銨晶體。

按教材介紹的方法制備硫酸亞鐵銨時(shí)主要存在的問題：鐵與硫酸完全反應(yīng)時(shí)所用時(shí)間較長；由于鐵中有雜質(zhì)，當(dāng)其與硫酸反應(yīng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生有毒、有害且具有刺激性氣味的氣體（PH3、H2S），對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境污染很大；鐵表面油污處理方法較復(fù)雜；當(dāng)做Fe3+的限量分析這一步時(shí)，硫酸亞鐵銨溶液較容易被空氣中的氧氣所氧化，造成與標(biāo)準(zhǔn)溶液目測比色時(shí)的誤差。

3 實(shí)驗(yàn)探究的內(nèi)容與方法

本文從選取不同類型的鐵屑及限量、表面除污方式、硫酸亞鐵與硫酸銨的用量比等多個(gè)因素考慮，做了大量的探究性實(shí)驗(yàn)。

3.1 熟鐵屑與生鐵屑的比較

分別稱取等量的生鐵屑和熟鐵屑，與等量的稀硫酸在其它條件相同的情況下反應(yīng)以制備硫酸亞鐵；進(jìn)而制備硫酸亞鐵銨。最后對(duì)實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)時(shí)間及產(chǎn)量等方面加以比較。

3.2 鐵屑去油污方法的比較

在利用廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨時(shí)，因其表面有油污而需要清除。傳統(tǒng)的方法是用Na2CO3溶液進(jìn)行煮沸[8-9]；本文采用直接灼燒的方法來清除。其它實(shí)驗(yàn)步驟相同于制備硫酸亞鐵銨。對(duì)比反應(yīng)時(shí)間、生成物的產(chǎn)率和純度。

3.3 鐵屑與硫酸反應(yīng)的最佳用量

分別稱取 2，3，4，5，6，7，8 g 的鐵屑，再分別加入15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液，放在水浴上加熱，并以m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8制備硫酸亞鐵銨。通過對(duì)反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)物的產(chǎn)率、純度的比較，以找出過量鐵的最佳用量。

3.4 增加尾氣吸收裝置

在用熟鐵代替生鐵反應(yīng)所述中，雖然縮短了反應(yīng)時(shí)間，但熟鐵與硫酸比生鐵與硫酸反應(yīng)時(shí)放出的有毒、有害且具有刺激性氣味的氣體（PH3、H2S）多[10-11]，易造成實(shí)驗(yàn)環(huán)境污染，因此，本文在原反應(yīng)器的基礎(chǔ)上增加了自制的尾氣吸收裝置，其中鐵屑與硫酸的反應(yīng)仍在錐形瓶中進(jìn)行，釋放的有毒有害氣體（PH3、H2S）可用 1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液直接吸收。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 制備硫酸亞鐵銨改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置

3.5 在純度檢驗(yàn)中增加油封舉措

Fe(III)的限量分析：用燒杯將去離子水煮沸5 min，以除去溶解的氧，蓋好、冷卻后備用。稱取1.00 g產(chǎn)品，置于比色管中，加入20.0 mL備用的去離子水，以溶解之，再加入 3.00 mL HCl(2.0 mol·L-1)溶液和0.05 mL KSCN(1.0 mol·L-1)溶液，最后以備用的去離子水稀釋到25.00 mL，搖勻，再在溶液上部滴加數(shù)滴植物油油封液面，與空白對(duì)照進(jìn)行比較。然后分別與標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行目測比色，以確定產(chǎn)品等級(jí)。

4 結(jié)果與討論

4.1 原料類型對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)率、純度及反應(yīng)時(shí)間的影響

分別稱取2 g左右生鐵屑和熟鐵屑做實(shí)驗(yàn)，對(duì)比鐵與稀硫酸完全反應(yīng)的時(shí)間、產(chǎn)物的產(chǎn)率及 純度；平行3次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 相同質(zhì)量的生鐵屑與熟鐵屑制備硫酸亞鐵銨對(duì)比

通過表1中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象表明：以相同質(zhì)量的生鐵屑和熟鐵屑制備硫酸亞鐵銨在其他條件相同的情況下，其反應(yīng)區(qū)別有：熟鐵屑比生鐵屑制備的硫酸亞鐵銨的產(chǎn)率稍高；熟鐵屑比生鐵屑與稀硫酸完全反應(yīng)需要的時(shí)間要成倍的減少；熟鐵屑比生鐵屑與稀硫酸在水浴加熱的條件下反應(yīng)時(shí)放出有毒、有害且具有刺激性氣味的氣體（PH3、H2S）要多；熟鐵屑與生鐵屑制備的硫酸亞鐵銨純度等級(jí)一樣。

在實(shí)驗(yàn)中，利用熟鐵屑比生鐵屑可以大大地節(jié)省時(shí)間和放出較多有毒的氣體，這完全決定于兩種鐵屑的組成成分和結(jié)構(gòu)性能。因?yàn)椋菏扈F的抗腐蝕性比生鐵的較差，所以前者與硫酸反應(yīng)的速率比后者要大；熟鐵的含碳量雖比生鐵小，但含磷、硫的雜質(zhì)并不少，故在反應(yīng)較快的情況下產(chǎn)生的有毒氣體也相對(duì)的較多。

4.2 不同用量比的硫酸亞鐵與硫酸銨對(duì)產(chǎn)率的影響

FeSO4與 (NH4)2SO4用量比分別以1:0.8和1:0.75做實(shí)驗(yàn)，平行3次，其產(chǎn)率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 FeSO4與(NH4)2SO4不同用量比的產(chǎn)率對(duì)比

由表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在其他條件相同的情況下，以m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8比m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.75制備的硫酸亞鐵銨產(chǎn)率較高。

4.3 去油污方法的比較

分別稱取2 g左右生鐵屑編號(hào)a、b，將a鐵屑放入到蒸發(fā)皿中加熱，用直接灼燒去污的方法除去鐵屑表面的油污，直至蒸發(fā)皿上空不再冒煙為止，表明鐵屑表面的油污已除凈（根據(jù)油的揮發(fā)點(diǎn)，當(dāng)鐵屑加熱到一定溫度達(dá)到油的揮發(fā)點(diǎn)時(shí)鐵屑表面的油污就會(huì)揮發(fā)掉）；再將b鐵屑以普通去油污的方法（即將其放入到150 mL錐形瓶中，加入1.0 mol·L-1的Na2CO3溶液20 mL，小火加熱約10 min，以除去鐵屑表面的油污,用堿液清洗除去堿液，并用水將鐵屑洗凈）除去其表面的油，接下來同4.1的實(shí)驗(yàn)步驟相同，制備硫酸亞鐵銨，同以上方法重復(fù)做3組這樣的實(shí)驗(yàn)，對(duì)比反應(yīng)時(shí)間、產(chǎn)物的產(chǎn)率和純度，記錄數(shù)據(jù)見表3。

表3 灼燒法與普通油污法制備硫酸亞鐵銨對(duì)比

由表3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)過程中的現(xiàn)象表明：將鐵屑放在蒸發(fā)皿中灼燒除去鐵屑表面油污的方法比普通除去鐵屑表面油污的方法制得的硫酸亞鐵銨的產(chǎn)量高，從產(chǎn)物的級(jí)別來看兩個(gè)都差不多。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用灼燒法除去鐵屑表面油污的方法比傳統(tǒng)方法簡單省事，縮短反應(yīng)的時(shí)間，且有利于反應(yīng)的發(fā)生。

4.4 鐵的用量對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)間的影響

稱取7組不同質(zhì)量的生鐵屑，經(jīng)灼燒去油后，分別與15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液反應(yīng)（放在水浴上加熱）及加入一定量的(NH4)2SO4來制備硫酸亞鐵銨。所用的時(shí)間及產(chǎn)物產(chǎn)率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同質(zhì)量的鐵制備硫酸亞鐵銨對(duì)比

由表4結(jié)果表明:過量的鐵與相同量的稀硫酸完全反應(yīng)所用的時(shí)間較短，因?yàn)檫^量的鐵大大增加了鐵與硫酸的接觸面積，從而減短了反應(yīng)時(shí)間。但是增加也不是無限制的，以硫酸能完全浸濕增加的鐵為宜。否則，鐵過量太多將會(huì)造成沒必要的原料浪費(fèi)。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，每取15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液時(shí)，鐵屑的用量以5-6 g較合適。

4.5 Fe(III)的限量分析中油封的效果

Fe(III)的限量分析時(shí)，由于產(chǎn)品溶液的配置存在著一定的時(shí)間差，比色管上部的溶液與空氣直接接觸，溶液中的Fe(II)易被空氣中的氧所氧化，故而造成比色誤差。在溶液表面滴數(shù)滴油形成油封，防止其被氧化。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，充分證實(shí)了這一點(diǎn)。

5 結(jié)論

本文在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探究出了該實(shí)驗(yàn)的最佳方案：在錐形瓶中放入5-6 g事先灼燒過的熟鐵屑，加入15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液，然后安裝好尾氣吸收裝置，放在水浴上加熱（如圖1所示），使鐵屑與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)已作用的鐵的質(zhì)量和反應(yīng)式中的計(jì)量關(guān)系，按m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8稱取所需硫酸銨固體的質(zhì)量，在燒杯中配制 (NH4)2SO4的飽和溶液；將(NH4)2SO4的飽和溶液倒入到盛FeSO4的溶液蒸發(fā)皿中，蒸發(fā)濃縮，冷卻，抽濾得到硫酸亞鐵銨晶體。做產(chǎn)品的純度檢驗(yàn)時(shí)，最好在比色管的液面上采用油封的辦法。采用最佳的實(shí)驗(yàn)方案可以大大縮短反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)率，并減少了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境的污染。

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