FeCl3溶液與Na2SO3溶液反應(yīng)過(guò)程的探究

王楠 吳曉紅

摘?要：基于對(duì)一道化學(xué)試題中FeCl3濃溶液和Na2SO3濃溶液反應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的疑問(wèn)，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)FeCl3溶液與Na2SO3溶液的反應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和理論探究，對(duì)它們之間的反應(yīng)過(guò)程提出一個(gè)比較合理的解釋.

關(guān)鍵詞：氯化鐵;亞硫酸鈉;實(shí)驗(yàn)探究

基金項(xiàng)目：寧夏回族自治區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目“共享理念下‘本碩互動(dòng)學(xué)習(xí)模式的構(gòu)建及實(shí)踐研究——以‘中學(xué)化學(xué)專題教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐課程為例”（項(xiàng)目編號(hào)：NXBJG2018013）.

作者簡(jiǎn)介：王楠（1994-），女，寧夏中衛(wèi)人，碩士研究生，研究方向：學(xué)科教學(xué)（化學(xué)）;

吳曉紅（1960-），女，寧夏銀川人，研究生，教授，研究方向：化學(xué)課程與教學(xué)論.

1?問(wèn)題提出

某中學(xué)的化學(xué)月考中有這樣一道試題：取5 mLFeCl3濃溶液于試管中，逐滴加入Na2SO3濃溶液，觀察到溶液顏色由黃色變?yōu)榧t棕色，繼續(xù)加入Na2SO3濃溶液至過(guò)量，溶液顏色加深，最終變?yōu)榧t褐色，無(wú)氣泡產(chǎn)生，無(wú)沉淀生成.

在學(xué)習(xí)了氧化還原反應(yīng)之后，可知Fe3+具有較強(qiáng)的氧化性，而Na2SO3既有氧化性也有還原性，酸性條件下電極電對(duì)Fe3+/Fe2+的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)EθA=0770V，電極電對(duì)SO42-/H2SO3的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)EθA=0172V.因此FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液，SO2-3表現(xiàn)為還原性， Fe3+可以被SO2-3還原生成Fe2+，溶液顏色會(huì)從黃色變?yōu)闇\綠色.而試題中闡述的現(xiàn)象與理論分析產(chǎn)生偏差，可知FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程.

2?思路分析

根據(jù)上述題目中闡述的現(xiàn)象，結(jié)合高中階段所學(xué)的知識(shí)，有理由懷疑最終出現(xiàn)的紅褐色物質(zhì)是Fe（OH）3膠體.生成Fe（OH）3膠體的原理可能為：Fe3+是弱堿陽(yáng)離子，在水溶液中會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+，SO2-3是弱酸根離子，在水溶液中也會(huì)發(fā)生水解反應(yīng)SO2-3+H2OHSO3-+OH-而產(chǎn)生OH-.因此FeCl3溶液中加入Na2SO3溶液可能會(huì)因?yàn)樗獾脑蛏蒄e（OH）3.FeCl3溶液和Na2SO3溶液究竟是發(fā)生了水解反應(yīng)還是氧化還原反應(yīng)呢？基于此，通過(guò)以下實(shí)驗(yàn)對(duì)FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應(yīng)進(jìn)行了探討.

3?FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液的實(shí)驗(yàn)探究

31?實(shí)驗(yàn)用品

儀器：燒杯、試管、玻璃棒、膠頭滴管.

藥品：FeCl3·6H2O、無(wú)水Na2SO3.

32?實(shí)驗(yàn)步驟

（1）配制藥品：分別稱取一定量的FeCl3·6H2O固體和無(wú)水Na2SO3粉末，加入蒸餾水溶解配制成1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液和1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液.量取一定體積1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液和1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液各兩份，加適量蒸餾水稀釋，得到05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液，以及05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液.

（2）分別量取1 mol瘙 簚

L-1、05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液各三份于試管中，每份溶液的體積為3 mL，編號(hào)1-1～1-9.在每個(gè)濃度的三份FeCl3溶液中分別滴加1 mol瘙 簚

L-1、05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液，邊滴加邊振蕩并觀察現(xiàn)象（詳細(xì)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1）.

（3）將各組溶液靜置1 h，觀察現(xiàn)象.

33?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及現(xiàn)象

34?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

（1）FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應(yīng)過(guò)程的分析

Fe3+和SO2-3發(fā)生氧化還原反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)平衡常數(shù)：

lgKθ=n（Eθ1-Eθ2）0059V=2×（0.770）V-172V）0059V≈20

Kθ=1020

Fe3+和SO2-3發(fā)生雙水解反應(yīng)的平衡常數(shù)：

K=K6WK2SP×（Ka1×Ka2）3=

（10-14）6（279×10-38）2×[（154×10-2）×（102×10-7）]3

通過(guò)上述計(jì)算可知，從反應(yīng)的熱力學(xué)分析，F(xiàn)e3+和SO2-3發(fā)生氧化還原反應(yīng)的趨勢(shì)大于兩者發(fā)生雙水解反應(yīng)的趨勢(shì)，并且發(fā)生氧化還原反應(yīng)的趨勢(shì)更大.在FeCl3溶液中加入一滴Na2SO3溶液后，取少量反應(yīng)溶液于另一個(gè)潔凈的試管中，并在試管中加入鐵氰化鉀溶液，溶液中立馬生成深藍(lán)色沉淀，證明反應(yīng)開(kāi)始時(shí)Fe3+和SO2-3確實(shí)發(fā)生了氧化還原反應(yīng)[1].但觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是溶液先變?yōu)榧t褐色的，用平行光照射時(shí)可以從側(cè)面看到光亮的“通路”，表明發(fā)生了雙水解反應(yīng).一般氧化還原反應(yīng)的活化能要大得多，反應(yīng)速率也比較小[2]，因此從動(dòng)力學(xué)角度分析，水解反應(yīng)的反應(yīng)速率較快，對(duì)反應(yīng)體系顏色的影響占據(jù)主導(dǎo)地位.通過(guò)數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析可知，F(xiàn)e3+和SO2-3離子間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)和雙水解反應(yīng)在同一反應(yīng)體系中共存并存在相互競(jìng)爭(zhēng).

（2）沉淀生成及溶解的原因分析

上述實(shí)驗(yàn)1-1和實(shí)驗(yàn)1-4都有沉淀生成，首先生成的沉淀是白色絮狀沉淀，隨著反應(yīng)地進(jìn)行變?yōu)榧t褐色.通過(guò)上述計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可知，生成的白色沉淀為Fe（OH）2，F(xiàn)e（OH）2容易被氧化生成紅褐色的Fe（OH）3沉淀.二價(jià)鐵離子能夠生成Fe（OH）2沉淀是因?yàn)镾O2-3是弱酸根離子，在水溶液中會(huì)水解，水解后的溶液顯堿性，即：SO2-3+H2OHSO3-+OH-.

H2SO3的電離平衡常數(shù)[3]為：Ka1=154×10-2;Ka2=102×10-7.

SO2-3的水解平衡常數(shù)為：Kh=KWKa2=10×10-14102×10-7=98×10-8

1 mol

L-1的Na2SO3溶液中OH-的濃度為：

[OH-]=KhC鹽=98×10-8×1=313×10-4mol·L-1

通過(guò)計(jì)算得到1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液中OH-的濃度為313×10-4 mol瘙 簚

L-1，溶液的堿性比較強(qiáng).Na2SO3溶液加入到FeCl3溶液中，溶液的pH瞬間升高，馬上生成Fe（OH）2沉淀.

Fe3+是弱堿陽(yáng)離子，在水溶液中也會(huì)水解，水解后的溶液顯酸性：

Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+

Fe（OH）3的沉淀溶解平衡常數(shù)[4]為：Ksp=279×10-39

Fe3+的水解平衡常數(shù)為：K=K3WKsp=（10×10-14）3279×10-39=36×10-4

1 mol

L-1的FeCl3溶液中H+的濃度為：Kh=[H+]3[Fe3+]=36×10-4

[H+]≈0071mol·L

通過(guò)計(jì)算可知，1 mol

L-1的FeCl3溶液中H+的濃度為00711 mo

L-1，F(xiàn)eCl3溶液中H+的濃度要遠(yuǎn)大于Na2SO3溶液中OH-的濃度.FeCl3溶液與Na2SO3溶液反應(yīng)后的溶液中H+濃度仍然很大，且氧化還原反應(yīng)也會(huì)有H+生成.在酸性較強(qiáng)的反應(yīng)溶液中生成的沉淀不穩(wěn)定，振蕩后就會(huì)溶解生成能夠發(fā)生丁達(dá)爾效應(yīng)的Fe（OH）3膠體.

（3）溶液顏色變化的原因分析

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不論FeCl3溶液和Na2SO3溶液之間量的關(guān)系如何，氧化還原反應(yīng)和雙水解反應(yīng)在同一反應(yīng)體系中同時(shí)發(fā)生，由于水解反應(yīng)的反應(yīng)速率較快，所以反應(yīng)開(kāi)始時(shí)水解反應(yīng)的顏色占據(jù)反應(yīng)體系的主導(dǎo)地位.放置一段時(shí)間后溶液顏色的變化與FeCl3溶液和Na2SO3溶液的量有關(guān)系.

當(dāng)c（Fe3+）>c（SO2-3）時(shí)，在實(shí)驗(yàn)1-2、1-3、1-6中Fe3+的濃度分別是SO2-3濃度的2倍、10倍和5倍，在雙水解反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，氧化還原反應(yīng)也在不斷地消耗Fe3+和SO2-3，同時(shí)產(chǎn)生H+，使水解反應(yīng)的平衡發(fā)生了逆向移動(dòng).隨著時(shí)間的推移，氧化還原反應(yīng)在整個(gè)反應(yīng)體系中占據(jù)了主導(dǎo)，因此放置一段時(shí)間后溶液由紅褐色變?yōu)榫G色.

當(dāng)c（Fe3+）=c（SO2-3）時(shí)，在實(shí)驗(yàn)1-1、1-5、1-9中，水解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)進(jìn)行的過(guò)程中，相對(duì)能進(jìn)行徹底的氧化還原反應(yīng)中有少量SO2-3剩余，由于氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生了H+，氧化還原反應(yīng)依舊占據(jù)反應(yīng)體系的主導(dǎo)地位，溶液由紅褐色變?yōu)榫G色.實(shí)驗(yàn)1-5和實(shí)驗(yàn)1-9由于溶液濃度較低，反應(yīng)后溶液顏色較淺.

當(dāng)c（Fe3+）

4?Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液的實(shí)驗(yàn)探究

為了進(jìn)一步論證FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應(yīng)過(guò)程的實(shí)質(zhì)，分別量取1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液各三份，在每個(gè)濃度的三份Na2SO3溶液中分別滴加1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液，編號(hào)2-1～ 2-9，繼續(xù)探究Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液的反應(yīng)現(xiàn)象.

41?實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析

通過(guò)觀察記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)FeCl3溶液與Na2SO3溶液互滴，反應(yīng)放置一段時(shí)間后所得現(xiàn)象一致，但在滴加過(guò)程中會(huì)有所不同.

（1）實(shí)驗(yàn)2溶液是從無(wú)色變?yōu)榧t色.

（2）實(shí)驗(yàn)2在Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液，開(kāi)始時(shí)溶液呈堿性，滴加FeCl3溶液首先發(fā)生雙水解反應(yīng)，生成的沉淀振蕩后不會(huì)消失，繼續(xù)滴加FeCl3溶液，溶液中H+的濃度增大，沉淀逐漸消失.

（3）實(shí)驗(yàn)2在逐滴滴加FeCl3溶液的過(guò)程中，生成的紅褐色逐漸變淺，這是因?yàn)殡S著FeCl3溶液地加入，溶液pH減小，F(xiàn)e3+水解能力降低，生成Fe（OH）3膠體的濃度減小，故溶液的顏色變淺.

5?結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究FeCl3溶液和Na2SO3溶液的反應(yīng)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

不論是FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液，還是Na2SO3溶液中滴加Na2SO3溶液，反應(yīng)最終得到的現(xiàn)象是一致的，只是在反應(yīng)過(guò)程中的部分現(xiàn)象有所不同.實(shí)驗(yàn)1是從橘黃色變?yōu)榧t褐色，而實(shí)驗(yàn)2是從無(wú)色變?yōu)榧t褐色;實(shí)驗(yàn)1生成的沉淀振蕩后迅速溶解，實(shí)驗(yàn)2生成的沉淀隨著FeCl3溶液地加入逐漸溶解;實(shí)驗(yàn)1生成的紅褐色溶液隨著Na2SO3溶液的加入而加深，實(shí)驗(yàn)2生成的紅褐色溶液隨著FeCl3溶液地加入有變淺的趨勢(shì).

FeCl3溶液和Na2SO3溶液的反應(yīng)不是簡(jiǎn)單的氧化還原反應(yīng)，而是雙水解反應(yīng)與氧化還原反應(yīng)共存并相互競(jìng)爭(zhēng)的過(guò)程.兩者等體積反應(yīng)的過(guò)程分為兩種情況：

（1）當(dāng)c（Fe3+）≥c（SO2-3）時(shí)，兩者之間發(fā)生的氧化還原反應(yīng)占據(jù)反應(yīng)體系的主導(dǎo)地位，最終反應(yīng)體系的主要成分是Fe2+，反應(yīng)的過(guò)程如下：

2Fe3++2SO2-3+H2O=2Fe2++2SO42-+2H+

SO2-3+H2OHSO3-+OH-

Fe2++2OH-=Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3（膠體）

Fe（OH）3+3H+=Fe3++3H2O

2Fe3++2SO2-3+H2O=2Fe2++2SO42-+2H+

（2）當(dāng)c（Fe3+）

參考文獻(xiàn)：

[1] 袁天祥實(shí)驗(yàn)探究溶液中鐵離子與亞硫酸根離子的反應(yīng)[J]中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2018（13）：49-50

[2]鄭玉海，張軍，吳文中硝酸銀溶液與碘化鉀溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究與思考[J]化學(xué)教育（中英文），2019，40（05）：83-85

[3]宋天佑，徐家寧，程功臻等無(wú)機(jī)化學(xué)（第二版）上冊(cè)[M]北京：高等教育出版社，2010：395

（收稿日期：2019-12-13）