鋅與氯化鐵溶液反應(yīng)的再探究及思考

蔣紅年 李惠勇

摘要：鋅與氯化鐵溶液的反應(yīng)，不同文獻(xiàn)中的結(jié)論不盡相同，為搞清楚該反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，借助數(shù)字化壓力傳感器和溫度傳感器重新進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。為確定反應(yīng)過程生成沉淀的原因，對反應(yīng)前后溶液的pH進(jìn)行了測定。通過探究得出，該反應(yīng)是分為兩個(gè)階段完成的，并從理論上對此反應(yīng)機(jī)理作了解釋。

關(guān)鍵詞：鋅粉；氯化鐵溶液；壓力傳感器；溫度傳感器；反應(yīng)歷程

文章編號：1005–6629（2016）10–0042–03 中圖分類號：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1 背景

鋅與氯化鐵溶液的反應(yīng)一直以來都有許多人在探究，但是得出的結(jié)論卻不盡相同。潘明忠老師[1]認(rèn)為只要鋅粉足量就會(huì)有單質(zhì)鐵生成；劉映進(jìn)、柳兆華老師[2]認(rèn)為該反應(yīng)一開始就有氫氣生成，但即使鋅粉過量也沒有單質(zhì)鐵生成。同時(shí)該反應(yīng)還是考試的熱點(diǎn)，如2014年安徽省高考卷的第8題：

該題的答案就是D，也就是認(rèn)為Fe3+溶液和足量的Zn反應(yīng)可以全部生成鐵。筆者借助于數(shù)字化傳感器對該實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)行了探究。

2 實(shí)驗(yàn)步驟

在以往的探究中，對該反應(yīng)有無氫氣生成采用的判斷標(biāo)準(zhǔn)是有無氣泡，若有氣泡產(chǎn)生則有氫氣生成，反之則沒有。用這種方法精確度較差，若產(chǎn)生氫氣的量較少或速率較慢則無法判斷，而壓力傳感器則可以精確地捕捉到這種細(xì)微變化，所以本實(shí)驗(yàn)引入了壓力傳感器；鋅與氯化鐵溶液的反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)過程中溶液溫度升高也會(huì)使壓力增大，在實(shí)驗(yàn)過程中同時(shí)測量溫度和壓力的實(shí)時(shí)變化并借助氣體狀態(tài)方程，則可以判斷出壓力的變化是由溫度升高所致還是由產(chǎn)生氫氣所致。

實(shí)驗(yàn)方案克服了以往實(shí)驗(yàn)精度較差、判斷標(biāo)準(zhǔn)較為粗糙主觀的缺點(diǎn)，精確地判斷出該反應(yīng)分為兩個(gè)階段，并通過測定反應(yīng)前后的pH，從沉淀溶解平衡的角度，通過計(jì)算解釋了Fe3+濃度較大時(shí)不沉淀、濃度較小時(shí)卻沉淀的原因。

依據(jù)以上思路，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）配置500mL 1 mol/L的FeCl3水溶液，并用pH傳感器測定其pH約為0.70（見圖1），測得實(shí)驗(yàn)室溫度約為：4.5℃。

（2）將所配的氯化鐵溶液全部倒入一個(gè)雙頸燒瓶中，依據(jù)方程式：“3Zn+2FeCl3=2Fe+3ZnCl2”，可知鋅粉與氯化鐵按物質(zhì)的量之比為3：2的比例進(jìn)行反應(yīng)，當(dāng)FeCl3為0.5mol時(shí)，所需鋅粉為0.75mol，實(shí)驗(yàn)時(shí)加入1mol鋅粉即65g，以保證鋅粉足量、使氯化鐵完全反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示：

立即用溫度傳感器和壓力傳感器測量反應(yīng)過程中的溫度和壓強(qiáng)變化，并測量反應(yīng)進(jìn)行2000s后溶液的pH。數(shù)據(jù)如下：最高溫度30.1℃，最高壓強(qiáng)108.8kPa，反應(yīng)后溶液的pH約為4.95。

（3）向反應(yīng)后的溶液中加入足量的氫氧化鈉以溶解過量的鋅粉，充分反應(yīng)后過濾，將濾渣晾干，用磁鐵吸引濾渣，驗(yàn)證是否有單質(zhì)鐵生成。

3 實(shí)驗(yàn)過程的現(xiàn)象描述及解釋

3.1 第一階段現(xiàn)象及理論分析

前期實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)開始后，溶液溫度迅速上升，但是看不到氣泡。為了搞清楚：①這是因?yàn)橥耆珱]有氫氣產(chǎn)生呢？還是速率較慢產(chǎn)生氫氣的量較少看不出來呢？于是使用了壓力傳感器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)有稍許增大，同時(shí)溫度也升高了；②壓強(qiáng)增大是因?yàn)楫a(chǎn)生了氫氣的緣故呢？還是溫度升高的緣故呢？于是增加了溫度傳感器，同時(shí)測定溫度和壓強(qiáng)的變化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以通過氣體狀態(tài)方程進(jìn)行推算：

反應(yīng)后溶液變?yōu)闇\綠色，取反應(yīng)后的上層清液向其中加入酸性高錳酸鉀溶液，高錳酸鉀溶液迅速褪色，進(jìn)一步證明了Fe2+的存在，發(fā)生的反應(yīng)為2Fe3++Zn=2Fe2++Zn2+，反應(yīng)過程中，觀察到瓶底產(chǎn)生紅褐色絮狀沉淀，說明有Fe（OH）3生成。

所以此階段發(fā)生的反應(yīng)有：

該階段既然有FeCl3被消耗，其濃度就會(huì)減小，對反應(yīng)①來說其平衡就會(huì)逆向移動(dòng)，產(chǎn)生的Fe（OH）3濃度就會(huì)降低，為什么Fe（OH）3濃度較大的時(shí)候不沉淀、濃度較小時(shí)出現(xiàn)沉淀呢？為搞清楚這個(gè)問題，我們可用沉淀溶解平衡常數(shù)進(jìn)行分析，為此在實(shí)驗(yàn)前后我們使用pH傳感器分別測定溶液的pH，反應(yīng)前溶液的pH為0.70（見圖1），反應(yīng)后溶液的pH為4.95（見圖4）。

已知常溫下Ksp[Fe（OH）3]=2.6×10-39，剛開始時(shí)pH=0.70，此時(shí)若要使Fe3+沉淀下來，其最小濃度為c（Fe3+）=Ksp[Fe（OH）3]/c3（OH-）=2.6×100.9=20.65 mol/L，所以此時(shí)無Fe（OH）3沉淀；反應(yīng)后pH=4.95，此時(shí)若要使Fe3+沉淀下來，其最小濃度為c（Fe3+）= Ksp[Fe（OH）3]/c3（OH-）=2.6×10-11.9 mol/L，所以此時(shí)有Fe（OH）3沉淀。

為什么反應(yīng)后pH會(huì)增大呢？剛開始時(shí)反應(yīng)①的進(jìn)行程度較大，所以FeCl3溶液的酸性較強(qiáng)，加入鋅粉后氯化鐵逐漸被消耗濃度減小，使得反應(yīng)①逆向移動(dòng)，所以酸性減弱pH增大，此時(shí)Fe3+才可以沉淀下來，這也說明該階段加入鋅粉后，鋅粉主要和氯化鐵反應(yīng)。

3.2 第二階段現(xiàn)象及理論分析

15min后溶液中產(chǎn)生大量氣泡，用試管收集后放在酒精燈火焰上有爆鳴聲，證明是氫氣。

由于我們比較三價(jià)鐵與氫離子的還原順序，雖然鋅離子不處在標(biāo)態(tài)，但我們忽略此影響，因其不對還原順序產(chǎn)生影響。

由此可得，K1、K2均較大，理論上兩個(gè)反應(yīng)均可以進(jìn)行得非常完全，但由于E1>E2，應(yīng)先進(jìn)行三價(jià)鐵的還原，所以剛開始時(shí)沒有氫氣生成，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)e3+濃度逐漸減小，氧化性逐漸減弱，最終會(huì)進(jìn)行反應(yīng)2H++Zn=Zn2++H2。所以開始時(shí)沒有氫氣產(chǎn)生，一段時(shí)間后才產(chǎn)生氫氣。

4 結(jié)論及反思

4.1 鋅與氯化鐵的反應(yīng)是比較復(fù)雜的，存在多個(gè)反應(yīng)且反應(yīng)是分先后階段的

4.2 在水溶液中，在鋅粉過量時(shí)可以從氯化鐵中置換出鐵，但只是少量單質(zhì)鐵

在特定的條件下，倒是可以制出大量單質(zhì)鐵。如季曉亮、王錦化老師[3]在微波輻射下制出大量單質(zhì)鐵；楊珂、劉曉燕老師[4]在乙醚溶液中制出了單質(zhì)鐵。

4.3 反思

反觀上述高考題，在水溶液中Fe2（SO4）3既要水解又要和鋅發(fā)生氧化還原反應(yīng)，一定不可能全部轉(zhuǎn)化成單質(zhì)鐵，所以即使得到單質(zhì)鐵也一定會(huì)小于11.2g。隨著化學(xué)科學(xué)的發(fā)展，理論化學(xué)的研究取得了驚人的發(fā)展，但是理論推導(dǎo)和數(shù)學(xué)計(jì)算的結(jié)果是否正確，仍然需要用實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

對相同物質(zhì)間的反應(yīng)為什么會(huì)有如此多不同的結(jié)論呢？首先是因?yàn)榛瘜W(xué)反應(yīng)的發(fā)生受到許多條件的影響，如溫度、壓強(qiáng)、濃度、紫外線和酸堿度等，當(dāng)條件改變時(shí)有可能發(fā)生不同的反應(yīng)；其次與研究的手段有關(guān)，比如本文所述實(shí)驗(yàn)使用壓力傳感器才觀測到壓強(qiáng)的實(shí)時(shí)變化過程；再次，與研究者的心態(tài)有關(guān)，或許只做了一次實(shí)驗(yàn)，或許缺乏深入的思考，就急于成文發(fā)表。筆者在本研究中就曾出現(xiàn)過類似情況，第一次實(shí)驗(yàn)時(shí)用磁鐵沒有檢測出鐵，認(rèn)為該反應(yīng)不會(huì)有鐵生成并已成文，好在后來多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)中都得到了鐵，即該實(shí)驗(yàn)中只要鋅粉足量就一定會(huì)有鐵生成，但只是少量單質(zhì)鐵。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘明忠.鋅和三氯化鐵溶液的反應(yīng)[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2000，（8～9）：82～83.

[2]劉映進(jìn)，柳兆華.鋅和FeCl3溶液反應(yīng)有無單質(zhì)鐵析出[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，1985，（1）：4～6.

[3]季曉亮，王錦化.微波輻射條件下鋅與氯化鐵溶液反應(yīng)的研究[J].化學(xué)教育，2009，（11）：65～68.

[4]楊珂，劉曉燕 .鋅與氯化鐵溶液反應(yīng)的新研究[J].科技信息（學(xué)術(shù)研究），2008，（1）：421～423.