茶水與亞鐵鹽作用的實驗探究

董順 程波

摘要：?實驗發(fā)現(xiàn)水楊酸、苯酚與亞鐵鹽作用均沒有明顯的現(xiàn)象，加入氧化劑后會發(fā)生顯色反應，而茶水與亞鐵鹽作用直接得到墨水，是由于茶水中的多酚類物質(zhì)與Fe2+作用生成茶多酚亞鐵絡合物，使FeⅢ/FeⅡ之間的電極電勢大幅度降低，F(xiàn)eⅡ還原性增強，更容易被氧化成茶多酚鐵的藍黑色沉淀。當加入適量的酸性物質(zhì)或還原性物質(zhì)或與Fe3+配位能力更強的物質(zhì)時，可使平衡向生成茶多酚的方向移動而使墨水再次轉(zhuǎn)化為茶水。

關鍵詞：?茶多酚;?亞鐵鹽;?水楊酸;?苯酚;?實驗探究

文章編號：?10056629（2021）07006005

中圖分類號：?G633.8

文獻標識碼：?B

1?問題提出

在進行“鐵及其化合物”教學時很多教師會利用補鐵劑說明書中“服用補鐵劑時搭配維生素C同服利于吸收，而不能和濃茶同飲”的情境，開展Fe2+與Fe3+轉(zhuǎn)化的教學，并演示如下實驗：

茶水FeSO4片墨水維生素C片茶水

一般把上述原理解釋為：?茶葉水中含大量的鞣酸，鞣酸與Fe2+生成鞣酸亞鐵，它的性質(zhì)不穩(wěn)定，很快被氧化成鞣酸鐵的絡合物而呈藍黑色，從而使茶水變成了墨水。維生素C具有還原性，可以將鞣酸鐵中的Fe3+變回Fe2+，藍黑色又消失了，重新顯現(xiàn)出茶水的顏色。

茶水中真的有鞣酸嗎？有文獻[1]顯示藍黑墨水的通用化學配方中含有鞣酸、硫酸亞鐵等成分，藍黑墨水的顯色原理與茶水變墨水的原理類似嗎？為什么鞣酸亞鐵比Fe2+更容易被氧化？墨水中加入維生素C真的很快就能變回茶水嗎？維生素C在該過程中發(fā)揮了什么作用？還有沒有其他方法能夠?qū)崿F(xiàn)該轉(zhuǎn)化？含有酚羥基（或烯醇式）的物質(zhì)可以與Fe3+發(fā)生顯色反應，茶水變墨水與酚羥基有關嗎？

普通高中化學學科安徽教研基地承擔的教育部基礎教育課程教材發(fā)展中心、課程教材研究所2019年立項課題“普通高中基于學科核心素養(yǎng)的深度學習教學改進[2019（25）]”，

教育部安徽省教研基地（化學）立項課題“促進學生深度學習的實驗教學活動設計與實施研究”

2?文獻調(diào)研及概述

2.1?茶葉中是否有鞣酸

程柱生在“茶葉中是否有鞣酸”[2]一文中指出：?因為茶葉中茶多酚的主體物質(zhì)兒茶素也具有苦澀味和收斂性，與鞣酸的苦澀味和收斂性有點類似。在最初人們還不清楚茶中的物質(zhì)為何物時就借用鞣酸的別名單寧為名，稱它為“茶單寧”“茶鞣質(zhì)”或“茶鞣酸”。當科學研究逐步弄清楚茶葉中的這種物質(zhì)是茶多酚后，發(fā)現(xiàn)它并沒有鞣酸那么重的苦澀味，兩者在化學結構、化學性質(zhì)上也有很大的區(qū)別。于是將茶中的物質(zhì)改稱為“兒茶多酚類”“多酚類化合物”或“茶多酚”。

因而，茶葉中并不含有鞣酸，而是含有茶多酚類物質(zhì)。

文中指出，茶多酚與鐵、銅、錳、銀、鋅、鋁、鉻等金屬可形成螯合物，表現(xiàn)出的抗氧化性、抑菌性和抗癌活性優(yōu)于茶多酚。

2.2?藍黑墨水的顯色原理

連成葉在“藍黑墨水字跡褪變機理探討”[4]一文中指出：?藍黑墨水的色素成分由變黑成分和著色劑兩部分組成。變黑成分是由鞣酸（C76H52O46）、沒食子酸（C7H6O5·H2O）和硫酸亞鐵（FeSO4）三種化學物質(zhì)組成的。藍黑墨水色素成分變黑的過程實際可分為兩個階段進行：?其一，在書寫之前，墨水瓶中的鞣酸和沒食子酸分別與硫酸亞鐵發(fā)生反應，生成可溶性的無色或淺色的鞣酸亞鐵和沒食子酸亞鐵，并建立動態(tài)平衡。其二，在書寫之后，經(jīng)空氣中氧氣的氧化作用，字跡上的鞣酸亞鐵和沒食子酸亞鐵漸漸變成了不溶性的黑色鞣酸鐵和黑色沒食子酸鐵，從而使有機顏料粒子被固著在紙面上。反應原理如圖2所示。

比較茶多酚類物質(zhì)及鞣酸類物質(zhì)的結構能夠發(fā)現(xiàn)，它們結構上都含有多個酚羥基。茶多酚與金屬形成配合物的結構與圖3單寧酸鐵鹽的分子結構類似。

2.3?酚類物質(zhì)與Fe3+的作用原理

在曾昭瓊主編、李景寧副主編的《有機化學》（第四版）上冊[6]中對苯酚與FeCl3作用的原理表述如下：

6C6H5OH+FeCl3H3[Fe（OC6H5）6]+3HCl

由上述方程式可知，酚類物質(zhì)與Fe3+的作用過程為可逆反應。

各類酚與FeCl3反應所顯顏色如表1所示。

由表1可知，不同酚類物質(zhì)與Fe3+作用所產(chǎn)生的現(xiàn)象不同，有的可能產(chǎn)生結晶或沉淀。

3?實驗部分

3.1?設計思路

由于茶多酚結構中都含有酚羥基，沒食子酸結構中不僅含有酚羥基而且含有羧基，故可以選擇苯酚、水楊酸（鄰羥基苯甲酸）、苯甲酸與茶水做對照實驗探究產(chǎn)生墨水現(xiàn)象是由哪種基團引起的。

酚羥基可與Fe3+作用，而補鐵劑中是Fe2+，?Fe2+與茶水作用能產(chǎn)生墨水，F(xiàn)e2+與含酚羥基的物質(zhì)都能發(fā)生顯色反應嗎？故可選擇茶水和酚類物質(zhì)分別與FeSO4、?FeCl3作用作對照實驗，探究原因。

由于苯酚與Fe3+作用的平衡過程中有H+產(chǎn)生，同時Fe3+有一定的氧化性，而維生素C本身有酸性和還原性，可以向墨水中加入草酸、無水亞硫酸鈉、維生素C粉末和稀鹽酸等做對照實驗，探究墨水變回茶水的方法及原因。

綜上，設計如下實驗：?取等量茶水、苯甲酸溶液、苯酚溶液、水楊酸溶液分別與FeSO4、?FeCl3作用，再向變色的混合物中分別加草酸、無水亞硫酸鈉、維生素C粉末和稀鹽酸，比較異同。

3.2?實驗準備

（1）?向250mL燒杯中加入茶葉約10g，然后用開水沖泡，一段時間后得濃茶水備用。

（2）?向100mL燒杯中加入少量苯甲酸固體，加20mL蒸餾水，不溶，再加入20mL無水乙醇，得苯甲酸溶液備用。

（3）?向100mL燒杯中加入少量水楊酸固體，加80mL蒸餾水，微溶，得水楊酸飽和溶液備用。

（4）?向100mL燒杯中加入少量苯酚固體，加80mL蒸餾水，將小燒杯置于熱水浴中，得苯酚溶液備用。

（5）?分別配制100mL濃度約為0.1mol·L-1的FeCl3溶液和FeSO4溶液（加稀硫酸和鐵粉），備用。

3.3?實驗過程及現(xiàn)象

3.3.1?探究茶水與FeCl3的反應

[實驗1]向試管中加入20mL上述沖泡好的茶水，然后滴加20滴FeCl3溶液，液體變成藍黑色。靜置1小時后有沉淀產(chǎn)生，靜置10小時后試管底部有大量藍黑色沉淀，上層清液呈藍黑色。

[實驗2]取實驗1上層清液2mL，加少許草酸固體，振蕩，溶液藍黑色變?yōu)闇\藍色，繼續(xù)加入草酸固體，振蕩，溶液接近無色。將液體分成兩份，一份滴加KSCN溶液，無變化;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，無變化。

[實驗3]取實驗1上層清液2mL，加少許亞硫酸鈉固體，振蕩，無變化。

[實驗4]取實驗1上層清液2mL，滴加數(shù)滴稀鹽酸，振蕩，溶液藍黑色褪去，滴加KSCN溶液，溶液變紅。

[實驗5]取實驗1上層清液2mL，加入維生素C粉末（約0.1g），振蕩，溶液藍黑色接近褪去。將液體分成兩份，一份滴加KSCN溶液，無變化;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，溶液變藍綠色。

[實驗6]取實驗1下層濁液1mL，滴加稀鹽酸，振蕩，沉淀溶解，得黃色溶液，滴加KSCN溶液，變?yōu)樯罴t色。

[實驗7]取實驗1下層濁液1mL，加約2g草酸固體，振蕩，得淺黃色溶液，滴加KSCN溶液，溶液黃色加深。

[實驗8]向試管中加入5mL濃茶水，然后滴加10滴FeCl3溶液，液體變成藍黑色，加入約5g亞硫酸鈉固體，振蕩，顏色無變化。

[實驗9]向試管中加入5mL濃茶水，然后滴加10滴FeCl3溶液，液體變成藍黑色。加入約2g草酸固體，振蕩，藍黑色褪去，得淺黃色溶液，滴加KSCN溶液，溶液黃色加深，滴加1mL?5%?H2O2顏色無變化。

[實驗10]向試管中加入5mL濃茶水，然后滴加10滴FeCl3溶液，液體變成藍黑色。滴加數(shù)滴稀鹽酸，振蕩，藍黑色褪去，滴加KSCN溶液，溶液變紅色。

[實驗11]向試管中加入5mL濃茶水，然后滴加10滴FeCl3溶液，液體變成藍黑色。加維生素C粉末（約0.2g），振蕩，藍黑色褪去。上述液體分成兩份，一份滴加KSCN溶液，無變化;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，變藍綠色，靜置得藍綠色沉淀。

3.3.2?探究茶水與FeSO4的反應

[實驗12]向試管中加入20mL茶水，然后滴加20滴FeSO4溶液，液體變成藍黑色。靜置1小時后有沉淀產(chǎn)生，靜置10小時后試管底部有大量藍黑色沉淀，上層清液呈淺藍黑色。

[實驗13]取實驗12上層清液2mL，加少許草酸固體，振蕩，溶液藍黑色變?yōu)闇\藍色，繼續(xù)加入草酸固體，振蕩，溶液接近無色。將液體分成兩份，一份滴加KSCN溶液，無變化;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，無變化。

[實驗14]取實驗12上層清液2mL，加少許亞硫酸鈉固體，振蕩，無變化。

[實驗15]取實驗12上層清液2mL，滴加數(shù)滴稀鹽酸，振蕩，溶液藍黑色褪去，滴加KSCN溶液，溶液變紅。

[實驗16]取實驗12上層清液2mL，加入維生素C粉末（約0.1g），振蕩，溶液藍黑色接近褪去。將液體分成兩份，一份滴加KSCN溶液，無變化;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，變藍綠色。

[實驗17]取實驗12下層濁液1mL，滴加稀鹽酸，振蕩，沉淀溶解，得黃色溶液，滴加KSCN溶液，變?yōu)樯罴t色。

[實驗18]取實驗12下層濁液1mL，加約2g草酸固體，振蕩，得淺黃色溶液，滴加KSCN溶液，溶液黃色加深。

[實驗19]向試管中加入5mL濃茶水，然后滴加10滴FeSO4溶液，液體變成藍黑色，加入約5g亞硫酸鈉固體，振蕩，顏色無變化。

[實驗20]向試管中加入5mL茶水，然后滴加10滴FeSO4溶液，液體變成藍黑色。加入約2g草酸固體，振蕩，藍黑色褪去，得淺黃色溶液，滴加KSCN溶液，溶液黃色加深，滴加1mL?5%?H2O2顏色無變化。

[實驗21]向試管中加入5mL茶水，然后滴加10滴FeSO4溶液，液體變成藍黑色。滴加數(shù)滴稀鹽酸，振蕩，藍黑色褪去，滴加KSCN溶液，溶液變紅色。

[實驗22]向試管中加入5mL茶水，然后滴加10滴FeSO4溶液，液體變成藍黑色。加維生素C粉末（約0.2g），振蕩，藍黑色褪去。上述液體分成兩份，一份滴加KSCN溶液，無變化;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，變藍綠色，靜置得藍綠色沉淀。

3.3.3?探究苯甲酸與FeCl3的反應

[實驗23]向試管中加入5mL苯甲酸的乙醇水混合溶液，然后滴加10滴FeCl3溶液，無明顯顏色變化，有黃色渾濁出現(xiàn)。

3.3.4?探究水楊酸與FeCl3的反應

[實驗24]向試管中加入5mL水楊酸水溶液，然后滴加5滴FeCl3溶液，得藍紫色溶液。加2g草酸固體，振蕩，得淡黃色溶液，滴加KSCN溶液，溶液黃色加深，滴加鐵氰化鉀溶液，無變化。

[實驗25]向試管中加入5mL水楊酸水溶液，然后滴加5滴FeCl3溶液，得藍紫色溶液。加2g亞硫酸鈉固體，振蕩，得紅棕色液體。將液體分為兩份，一份滴加鐵氰化鉀溶液，無變化;另一份滴加1滴稀鹽酸，又變回藍紫色。

[實驗26]向試管中加入5mL水楊酸水溶液，然后滴加5滴FeCl3溶液，得藍紫色溶液。加維生素C粉末（約0.1g），振蕩，溶液褪色。將所得溶液分為兩份，一份滴加5%?H2O2溶液，溶液變回淺紫色;另一份滴加鐵氰化鉀溶液，得藍色沉淀。

[實驗27]向試管中加入5mL水楊酸水溶液，然后滴加5滴FeCl3溶液，得藍紫色溶液。滴加稀鹽酸，振蕩，溶液褪色，滴加KSCN溶液，溶液變紅色。

3.3.5?探究水楊酸與FeSO4的反應

[實驗28]向試管中加入5mL水楊酸水溶液，然后滴加5滴FeSO4溶液，無變化，滴加5%?H2O2溶液，溶液變藍紫色，滴加稀鹽酸，溶液變淺黃色，滴加KSCN溶液，溶液變紅。

[實驗29～33]將實驗24～28中的水楊酸水溶液換為苯酚水溶液重復實驗，得到類似的現(xiàn)象。

4?結果與討論

4.1?水楊酸及苯酚與FeCl3溶液的反應

由實驗24～27可知：?水楊酸及苯酚與FeCl3溶液的反應生成藍紫色絡合物，滴加鹽酸，藍紫色褪去，能檢測到Fe3+重新生成;若改為加入草酸，藍紫色褪去，但檢測不到Fe2+及Fe3+的生成;若改為加入亞硫酸鈉，藍紫色褪去，得紅棕色液體，但檢測不到Fe2+生成，加酸又變回藍紫色;若改為加入維生素C粉末，藍紫色褪去，能檢測到Fe2+生成，再加入5%?H2O2，溶液變?yōu)樗{紫色。

以苯酚為例討論，苯酚與Fe3+的反應可表示如下：

6C6H5OH+Fe3+H3[Fe（OC6H5）6]+3H+

當向反應混合液中滴加稀鹽酸時，c（H+）增大，平衡逆向移動，溶液紫色褪去，滴加KSCN溶液，溶液顯紅色，證實了上述平衡的存在。

當向反應混合液中加草酸固體時，由于Fe（C2O4）3-3的K穩(wěn)=1.6×1020[7]，?c（Fe3+）減小，平衡逆向移動，溶液紫色褪去，由于Fe（NCS）2+的K穩(wěn)=9.1×102，因此Fe3+與C2O2-4的結合能力更強，滴加KSCN溶液，溶液不顯紅色。

當向反應混合液中加Na2SO3固體時，過量的SO2-3促進Fe3+的水解[8]，上述平衡逆向移動，紫色褪去，液體變?yōu)榧t褐色，滴加少量稀鹽酸，生成Fe3+，溶液又變回藍紫色。

當向反應混合液加維生素C固體時，一方面由于維生素C有酸性，同時還有較強的還原性，使平衡逆向移動，溶液褪色，并有Fe2+生成。

由實驗28以及實驗33可知，水楊酸及苯酚與Fe2+相遇無現(xiàn)象。但加入5%?H2O2溶液后，F(xiàn)e2+轉(zhuǎn)化為Fe3+，溶液變藍紫色，滴加鹽酸，上述平衡逆移，溶液變淺黃色，滴加KSCN溶液，溶液變紅。

4.2?茶水與FeCl3溶液的反應

由實驗1～11可知：?茶水與Fe3+作用產(chǎn)生藍黑色沉淀，該沉淀能溶于鹽酸，且產(chǎn)生Fe3+;向含藍黑色沉淀的濁液中加入草酸，沉淀消失，但檢測不到Fe2+及Fe3+生成;若改為加入亞硫酸鈉，無明顯變化;若改為加入維生素C粉末，藍黑色沉淀消失，并能檢測到Fe2+生成。上述實驗中加入試劑量少時均無明顯變化。

茶水中的多酚類物質(zhì)與Fe3+作用產(chǎn)生藍黑色沉淀，同時該轉(zhuǎn)化為一可逆過程，加稀鹽酸、草酸、維生素C均可使平衡逆向移動，使藍黑色沉淀消失，由于Fe3+在沉淀中，溶液中Fe3+濃度小，加亞硫酸鈉難以實現(xiàn)轉(zhuǎn)化，故無明顯變化。要使現(xiàn)象明顯所加試劑均應過量。

4.3?茶水與FeSO4溶液的反應

由實驗12～22可知：?茶水與Fe2+作用能迅速變?yōu)槟o置產(chǎn)生大量藍黑色沉淀，該沉淀與茶水與Fe3+作用產(chǎn)生的藍黑色沉淀性質(zhì)相似。

向產(chǎn)生的墨水中滴加鹽酸可變回茶水，且有Fe3+生成;加入草酸也可變回茶水，但檢測不到Fe2+及Fe3+生成;加入亞硫酸鈉，無明顯變化;加入維生素C粉末也可變回茶水，并能檢測到Fe2+生成。

由實驗15及實驗17現(xiàn)象能夠推測出：?茶水中的多酚類物質(zhì)與Fe2+作用生成類似于鞣酸亞鐵的絡合物以后，F(xiàn)eⅢ/FeⅡ之間的電極電勢將大幅度降低，F(xiàn)eⅡ的還原性增強，很快被氧化成類似于鞣酸鐵的藍黑色沉淀。

向墨水中加入維生素C片等還原性物質(zhì)或稀鹽酸、稀硫酸等酸性物質(zhì)或草酸等與Fe3+配位能力更強的物質(zhì)，可使上述平衡正向移動，而使墨水轉(zhuǎn)化為茶水。

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