對(duì)“鐵與鹽酸、硫酸溶液的反應(yīng)”實(shí)驗(yàn)藥品選擇的建議

曾華+陳勇+秦澤龍+沈光云

摘要：鐵與非氧化性酸發(fā)生反應(yīng)生成Fe2+，但淺綠色現(xiàn)象在課堂實(shí)驗(yàn)中難以快速實(shí)現(xiàn)。為解決此問題，在材料的選擇上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究，并對(duì)出現(xiàn)的諸多副反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析。發(fā)現(xiàn)用還原性鐵粉與8 mol/L鹽酸溶液反應(yīng)能快速出現(xiàn)淺綠色現(xiàn)象，適宜做課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：鐵；鹽酸溶液；稀硫酸；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005–6629（2016）12–0067–04 中圖分類號(hào)：G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

“金屬與酸的反應(yīng)”首次出現(xiàn)在人教版義務(wù)教育教科書九年級(jí)《化學(xué)》[1]下冊(cè)第八單元課題2。其次在人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《化學(xué)1》第四章第四節(jié)中，介紹了關(guān)于Fe在常溫下在濃硫酸中的鈍化反應(yīng)[2]。單質(zhì)鐵與非氧化性酸發(fā)生反應(yīng)生成Fe2+，這是毋須置疑的客觀事實(shí)。但在實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中發(fā)現(xiàn)：用含鐵金屬與稀鹽酸或稀硫酸的反應(yīng)速率過于緩慢，課堂實(shí)驗(yàn)中難以快速觀測(cè)到溶液由無色變?yōu)闇\綠色的現(xiàn)象，且常伴隨著副反應(yīng)的發(fā)生。眾多教師在對(duì)該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的解釋中選擇了回避，造成學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)論的接受度不高。

為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了常見的含鐵金屬與不同濃度的硫酸、鹽酸溶液反應(yīng)的研究實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行理論分析，以期得到在課堂實(shí)驗(yàn)中快速出現(xiàn)淺綠色現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)方案。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

普通鐵釘（規(guī)格：2寸、長(zhǎng)50mm，1.5寸、長(zhǎng)38mm；天津金利華源釘業(yè)有限公司）、A3鐵板（經(jīng)切割機(jī)處理為鐵屑，下文簡(jiǎn)稱“鐵屑”）、201不銹鋼（經(jīng)切割機(jī)處理為屑，下文簡(jiǎn)稱“不銹鋼屑”）、還原性鐵粉（分析純，廣東省化學(xué)試劑工程技術(shù)研究開發(fā)中心）、酸（選取中學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用濃度的酸：3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液、6 mol/L鹽酸溶液、8 mol/L鹽酸溶液）

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在多次重復(fù)性實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，選擇鐵釘（1.5寸、2寸）、鐵屑、不銹鋼屑、鐵粉分別與6 mol/L鹽酸溶液、8 mol/L鹽酸溶液、3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液各6mL于試管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并滴加植物油液封防止氧化，觀察、記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄反應(yīng)時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 普通鐵釘反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

由表1，表2可知，用不同規(guī)格的普通鐵釘與不同濃度酸溶液進(jìn)行反應(yīng)，淺綠色現(xiàn)象明顯，但所需時(shí)間較長(zhǎng)，1d后能觀察到明顯現(xiàn)象，且普通鐵釘中含碳量較高，均會(huì)出現(xiàn)黑色懸浮顆粒。且隨酸的濃度增大，黑色顆粒增多。

2.2 鐵屑反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

由表3可知，鐵屑與酸溶液反應(yīng)出現(xiàn)淺綠色現(xiàn)象較鐵釘顏色更淺，但所需時(shí)間仍然很長(zhǎng)，1d后能觀察到明顯現(xiàn)象，且鐵屑中含碳量較高，同樣出現(xiàn)黑色懸浮顆粒，其中硫酸溶液中出現(xiàn)的黑色顆粒較鹽酸溶液更多。

2.3 不銹鋼屑反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

由表4可知，以不銹鋼屑為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，綠色現(xiàn)象出現(xiàn)較快，尤其是第4組實(shí)驗(yàn)，在5min內(nèi)出現(xiàn)淺綠色現(xiàn)象，但不銹鋼片整體出現(xiàn)較多復(fù)雜實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，雖未觀察到黑色顆粒懸浮物，但出現(xiàn)諸多如黃綠色、藍(lán)綠色等副反應(yīng)的顏色現(xiàn)象。

2.4 鐵粉反應(yīng)實(shí)驗(yàn)

由表5可知，利用還原性鐵粉與稀鹽酸或稀硫酸反應(yīng)，淺綠色溶液現(xiàn)象明顯，且實(shí)驗(yàn)時(shí)間短，等濃度的鹽酸反應(yīng)的現(xiàn)象較稀硫酸更快[3，4]。在筆者的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，選用8 mol/L的鹽酸實(shí)驗(yàn)效果最佳。在此基礎(chǔ)上，若用酒精燈加熱試管，將會(huì)在30s內(nèi)觀察到明顯的淺綠色現(xiàn)象。

3 注意事項(xiàng)

（1）含F(xiàn)e2+的鹽溶液在酸性介質(zhì)中較穩(wěn)定，但隨著反應(yīng)進(jìn)行，仍易被氧化，故在保存含F(xiàn)e2+的鹽溶液中應(yīng)加入適量H+濃度為0.01 mol/L的相應(yīng)酸，同時(shí)添加適量（1g） 鐵粉以防止氧化。

（2）若選用鐵屑或鐵釘與酸溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，需預(yù)先用酸洗除去鐵屑表面的鐵銹。

（3）經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明：鹽酸、硫酸的濃度應(yīng)適中，濃度太小反應(yīng)速率太慢，濃度太大反應(yīng)速率太快或鈍化，且反應(yīng)時(shí)液體會(huì)沖出試管造成危險(xiǎn)。建議使用筆者推薦的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

4 討論

4.1 酸的濃度不宜過大

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，常溫下Al、Fe、Cr等金屬在大于98%的硫酸（18.4 mol/L）中發(fā)生鈍化反應(yīng)，由此可用鐵制容器盛裝冷硫酸[5]。因此，取常用濃度為3 mol/L或4 mol/L的H2SO4溶液，而不能選取濃度過大的濃硫酸。為理論上控制相應(yīng)的H+濃度，故選擇2倍濃度的鹽酸溶液。

4.2 以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度選擇含鐵金屬

含鐵金屬種類眾多，筆者選用市面上常見含鐵金屬為實(shí)驗(yàn)材料。生鐵釘為常見家用鐵釘，即常用生鐵（GBT-718-2005），除鐵外，還含有碳、硅、錳、磷和硫等元素對(duì)性質(zhì)試驗(yàn)造成影響。國標(biāo)顯示生鐵與A3鐵板的含鐵量低于不銹鋼，此外就其晶體結(jié)構(gòu)而言，不利于與酸溶液發(fā)生置換反應(yīng)。因此，鑒于Fe2+能被空氣中O2氧化原因，鐵釘與鐵屑均不宜于演示實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明，選擇鐵釘分別與6 mol/L鹽酸、3 mol/L硫酸提前一天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖可觀察到溶液中的淺綠色，但也證明了鐵釘中含有碳的黑色顆粒。此外，生鐵中含錳，在酸性介質(zhì)中以+2價(jià)的粉紅色[Mn（H2O）6]2+水合離子存在，Mn（Ⅱ）為四面體配合物，在四面體中，其晶體分裂能較八面體場(chǎng)低，所以高自旋四面體型配合物顏色較深，呈黃綠色[6]。此外，鐵釘與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)，久置溶液，會(huì)有FeSO4·7H2O綠色晶體的析出。FeSO4·7H2O晶體在空氣中易氧化為黃褐色的堿式硫酸鐵（Ⅲ）Fe（OH）SO4，因此，在酸的選擇上，宜使用鹽酸。若選擇鐵屑與8 mol/L鹽酸提前一天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可觀察到溶液中的淺綠色；若選擇4 mol/L的硫酸提前一天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，則液體中懸浮有較多的黑色顆粒會(huì)影響淺綠色的觀察。

4.3 杜絕實(shí)驗(yàn)材料選擇中的“想當(dāng)然”

有的教師認(rèn)為不銹鋼含鐵量高于生鐵，于是在課堂實(shí)驗(yàn)中選擇不銹鋼為實(shí)驗(yàn)材料，其實(shí)不然。查閱資料得知，201不銹鋼其含碳量（%）≤0.15，硅：≤0.75，錳：5.5～7.50，鉻：16.0～18.0，氮：≤0.25，磷：≤0.060，硫：≤0.030，鎳：3.50～5.50，銅：半銅0.8，高銅1.5 [GB/T20878-2007]。不銹鋼屑與鹽酸或硫酸溶液反應(yīng)，呈現(xiàn)諸多顏色變化，原因在于首先不銹鋼中鉻含量至少大于12%，且鉻的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)為3d54s1，6個(gè)價(jià)電子均可成鍵，具多種氧化態(tài)；在酸性介質(zhì)中，非鈍化的鉻十分活躍，易將不銹鋼中銅、鎳等從其溶液中置換出來；在與鹽酸溶液反應(yīng)中，鉻會(huì)先生成藍(lán)色的CrCl2溶液，進(jìn)一步被空氣氧化為綠色的CrCl3溶液，由于Cr3+離子配位能力極強(qiáng)，在鹽酸溶液中以紫色的[Cr（H2O）6]3+、藍(lán)綠色的[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O和綠色的[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O形式存在；鉻與硫酸溶液反應(yīng)生成Cr2（SO4）3與冷硫酸以紫色的 Cr2（SO4）3·18H2O、綠色的Cr2（SO4）3·6H2O與桃紅色的Cr2（SO4）3無水形式存在。其次Ni能溶于稀酸中，如與硫酸反應(yīng)生成NiSO4，在溶液中能以綠色晶體NiSO4·7H2O形式存在。同理，Ni也能與鹽酸反應(yīng)，其生成物以NiCl2·7H2O、NiCl2·6H2O、NiCl2·4H2O和NiCl2·2H2O等一系列綠色晶體形式存在[7]。因此，在表4所顯示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，觀察到的淺綠色并非完全為[Fe（H2O）6]2+所呈現(xiàn)的顏色。不銹鋼與硫酸發(fā)生反應(yīng)，局部出現(xiàn)桃紅色Cr2（SO4）3、紫色的Cr2（SO4）3·18H2O、綠色Cr2（SO4）3·6H2O，故反應(yīng)起初呈現(xiàn)淺紅綠色現(xiàn)象，隨著反應(yīng)進(jìn)行，鐵與鎳更多地參與反應(yīng)，呈現(xiàn)深綠色現(xiàn)象。不銹鋼與鹽酸反應(yīng)，現(xiàn)象較硫酸更復(fù)雜，反應(yīng)起初，由于[Cr（H2O）6]3+、[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O、[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O和[Fe（H2O）6]2+的綜合配色影響，而顯淺黃綠色；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，較多綠色晶體NiCl2·7H2O、NiCl2·6H2O、NiCl2·4H2O和NiCl2·2H2O的生成，將黃綠色掩蓋，因此可在1h后觀察到深綠色現(xiàn)象。由于不銹鋼中鉻含量很高，最終由于[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O的影響，使溶液呈現(xiàn)青色現(xiàn)象。由此，筆者認(rèn)為不銹鋼與鹽酸或硫酸溶液反應(yīng)，不宜用于金屬Fe與非氧化性酸的演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，我們建議，在中學(xué)階段的演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生實(shí)驗(yàn)中，為提高課堂效率，宜使用還原性鐵粉（分析純或優(yōu)級(jí)純）與8M的鹽酸溶液反應(yīng)，能快速出現(xiàn)淺綠色現(xiàn)象。此外，可采用加熱法提高反應(yīng)速率、滴加植物油液封以及添加過量鐵粉以防止氧化。

正是由于化學(xué)物質(zhì)種類的多樣性與性質(zhì)上的差異性，才讓世界五彩斑斕，吸引人們?nèi)ヌ骄堪l(fā)現(xiàn)其規(guī)律。中學(xué)教師應(yīng)具備扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，格物致知，本著科學(xué)的實(shí)驗(yàn)態(tài)度來研究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問題，不能單憑“想當(dāng)然”而不借助理論知識(shí)，即便是看似簡(jiǎn)單的中學(xué)實(shí)驗(yàn)，也應(yīng)以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度認(rèn)真對(duì)待，并以實(shí)驗(yàn)優(yōu)化證實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晶等.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)（下冊(cè)）[M].北京：人民教育出版社，2012：9～11.

[2]宋心琦等.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書·化學(xué)1[M].北京：人民教育出版社，2012：100～102.

[3]王程杰.關(guān)注氯離子效應(yīng)在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].化學(xué)教學(xué)，2015，（12）：53～56.

[4]談小強(qiáng).關(guān)于鋼鐵腐蝕的理論探討和實(shí)驗(yàn)分析[J].化學(xué)教學(xué)，2012，（5）：47～49.

[5]劉懷樂.理性解讀濃硫酸的吸水性、脫水性和氧化性[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2010，26（3）：29～31.

[6][7]北京師范大學(xué)，華中師范大學(xué)，南京師范大學(xué)無機(jī)化學(xué)教研室.無機(jī)化學(xué)（下冊(cè)）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：760～784.