氧化鐵與稀硫酸溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究

馬仁章 王龍

摘要：?將不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行比較，針對(duì)部分版本教材存在表述不夠嚴(yán)密、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)葐栴}，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)探索。通過對(duì)照試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，生銹鐵釘與稀硫酸反應(yīng)易受各種因素影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果很不理想，若使用新買或自制的氧化鐵粉末與稀硫酸在加熱條件下反應(yīng)能產(chǎn)生好的實(shí)驗(yàn)效果。

關(guān)鍵詞：?稀硫酸溶液;?Fe2O3粉末;?實(shí)驗(yàn)改進(jìn);?實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：?1005-6629（2021）09-0079-04

中圖分類號(hào)：?G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?B

1??問題的提出

在浙教版《科學(xué)》“常見的酸”教學(xué)時(shí)發(fā)現(xiàn)，將稀硫酸滴入盛有Fe2O3粉末的試管中，發(fā)現(xiàn)不能產(chǎn)生與教材插圖相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?；诮炭茣膶?shí)驗(yàn)操作的權(quán)威性，在查閱不同版本教材后發(fā)現(xiàn)，該實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)藥品、反應(yīng)條件、實(shí)驗(yàn)操作等設(shè)計(jì)與浙教版存在較大的差異。這些差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？帶著這個(gè)問題，筆者對(duì)稀硫酸與氧化鐵反應(yīng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系列探究。

2??不同版本教材中稀硫酸和Fe2O3反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)比較

現(xiàn)行全國(guó)初中化學(xué)義務(wù)教育教科書在探究稀硫酸溶液與金屬氧化物反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)探究中，均選用Fe2O3作為典型代表物，該反應(yīng)有明顯特征現(xiàn)象（反應(yīng)后溶液呈黃色），這符合初中生的認(rèn)知水平。該經(jīng)典實(shí)驗(yàn)在不同版本的教材中其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、藥品選用、反應(yīng)條件、試劑用量、實(shí)驗(yàn)操作等方面卻不盡相同（見表1）。

從表1可以發(fā)現(xiàn)，各個(gè)版本教材中稀硫酸和Fe2O3反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)編寫各有特點(diǎn)。人教版、滬教版、魯教版采用探究實(shí)驗(yàn)，探究性層次要求較高，重視學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，發(fā)揮學(xué)生的主體性，體現(xiàn)學(xué)生主動(dòng)參與探究過程，建立自主、合作、探究的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)習(xí)慣;華東師大版、科粵版則采用學(xué)生實(shí)驗(yàn)的方式展開，其中華東師大版要求學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案并操作，要求頗高。編寫理念上突出化學(xué)學(xué)習(xí)的好奇心和探究欲，突出學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)造能力以及獲取新知識(shí)能力的培養(yǎng)。而科粵版對(duì)實(shí)驗(yàn)方案的描述較為嚴(yán)謹(jǐn)且有具體的操作，降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的難度;浙教版以教師演示的方式呈現(xiàn)且教材中附有實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖。在上述實(shí)驗(yàn)方案中，除浙教版采用Fe2O3粉末作為反應(yīng)物外，其他方案均采用生銹鐵釘作為反應(yīng)物。在反應(yīng)條件上，除科粵版反應(yīng)條件需加熱外，其他方案均為室溫進(jìn)行或沒有明確表明溫度條件。

3??實(shí)驗(yàn)探索

3.1??實(shí)驗(yàn)1??生銹鐵釘與稀硫酸溶液反應(yīng)

首先往銹蝕的螺絲釘（M6×20）加入約5mL左右11.5mol/L（70%）的硫酸溶液，常溫條件下反應(yīng)，可以看到有黑色小顆粒生成。小顆粒在氣泡的沖擊下上下翻騰，實(shí)驗(yàn)中雖能看到溶液呈淺黃色，但由于氣泡和碳顆粒的影響，此時(shí)的溶液較為混濁并略顯灰色，透明性差，反應(yīng)后試管底部有較多的鐵銹從螺絲釘脫落下來沉積在試管底部，反應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)大于5min。當(dāng)加熱試管時(shí)，發(fā)現(xiàn)立即產(chǎn)生大量氣泡，鐵銹隨著氣泡上下翻騰更為明顯，加熱大約1min后溶液即出現(xiàn)明顯的黃色。由此斷定，常溫下生銹鐵釘雖能夠和稀硫酸反應(yīng)但現(xiàn)象不明顯且反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，加熱則可縮短反應(yīng)時(shí)間且現(xiàn)象更為明顯?；诖?，筆者將生銹鐵釘與不同濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的稀硫酸溶液在加熱條件下反應(yīng)進(jìn)行對(duì)照，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表2所示。

從表2可以看出，在其他條件相同情況下稀硫酸的濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）越高，反應(yīng)所需的時(shí)間越短，溶液的黃色更為明顯，但在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的大量氣泡也更為激烈，影響實(shí)驗(yàn)效果。姜跟華等[1]對(duì)此做出了改進(jìn)：?將生銹的鐵釘用長(zhǎng)線扣上，放入試管中，加入稀硫酸并加熱試管，當(dāng)生銹鐵釘表面剛好要有大量氣泡冒出時(shí)，牽出鐵釘，使液體與鐵釘脫離，繼續(xù)加強(qiáng)熱至液體沸騰，然后冷卻。此操作可以較大程度減小鐵和硫酸反應(yīng)對(duì)鐵銹和硫酸反應(yīng)帶來的干擾，但在實(shí)際操作過程中，適時(shí)將鐵釘牽出比較困難，且此操作從根本上是讓Fe2O3單獨(dú)和稀硫酸反應(yīng)，和浙教版的實(shí)驗(yàn)方案有異曲同工之處，但不如浙教版操作更為簡(jiǎn)便。在反應(yīng)條件相同的情況下，長(zhǎng)度相當(dāng)、生滿鐵銹的螺絲釘和鐵釘分別與稀硫酸溶液反應(yīng)，螺絲釘效果要比鐵釘好。并且發(fā)現(xiàn)，將螺絲釘長(zhǎng)時(shí)間放置在稀硫酸溶液中，螺絲釘會(huì)出現(xiàn)淡綠色玻璃狀結(jié)晶，此現(xiàn)象說明生銹鐵釘（螺絲釘）與稀硫酸反應(yīng)往往伴隨著鐵與硫酸的反應(yīng)而使溶液顏色呈現(xiàn)黃綠色。

3.2??實(shí)驗(yàn)2??Fe2O3粉末與稀硫酸溶液反應(yīng)

3.2.1??Fe2O3粉末與不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸反應(yīng)

為了減少鐵與硫酸反應(yīng)帶來的影響，筆者在實(shí)驗(yàn)1的基礎(chǔ)上，采用一定量的Fe2O3粉末與一定量不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的硫酸反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如表3所示。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，室溫下Fe2O3粉末與稀硫酸溶液反應(yīng)較難進(jìn)行且難以出現(xiàn)預(yù)期的黃色溶液。通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在室溫下Fe2O3粉末與稀硫酸溶液雖難以出現(xiàn)黃色溶液，但靜置后滴加入1～2滴KSCN后上層清液立刻出現(xiàn)血紅色，證明Fe2O3粉末與稀硫酸溶液在室溫下能反應(yīng)。當(dāng)稀硫酸溶液濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）較低時(shí)，即使Fe2O3粉末與稀硫酸溶液在加熱條件下反應(yīng)也不激烈，難以出現(xiàn)黃色溶液，當(dāng)稀硫酸濃度較高時(shí)，在加熱情況下與Fe2O3粉末反應(yīng)時(shí)間較短，溶液呈現(xiàn)亮黃色，但1～2min后黃色明顯變淺，因?yàn)殡S著溫度的升高，溶液透光率下降，即顏色變深;隨著溫度的下降，溶液的透光率增大，即顏色變淺[2]，而當(dāng)Fe2O3粉末過量時(shí)，由于Fe2O3粉末著色力很強(qiáng)而使溶液呈現(xiàn)明顯的紅棕色，難以觀察到黃色。

通過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，久置的Fe2O3粉末（分析純）與稀硫酸在加熱條件下反應(yīng)也變得較為困難，這主要是由于久置的Fe2O3粉末大多為α-Fe2O3構(gòu)型，較難與稀硫酸反應(yīng)，即使在加熱條件下其與稀硫酸的反應(yīng)也較為困難，而新購(gòu)置的Fe2O3粉末（分析純）則較易與稀硫酸在加熱情況下反應(yīng)。

3.2.2??自制Fe2O3粉末

由于久置的Fe2O3粉末（分析純）較難與稀硫酸反應(yīng)，筆者嘗試?yán)米灾艶e2O3粉末與稀硫酸反應(yīng)。通常情況下我們通過加熱分解Fe（OH）3的方法制取氧化鐵，但該反應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)條件和操作要求均較高，普通初中學(xué)校尤其是農(nóng)村學(xué)校較難實(shí)現(xiàn)。由于本實(shí)驗(yàn)對(duì)Fe2O3粉末的純度要求不高，筆者采用一種較為簡(jiǎn)單也較易成功的制取方法獲取Fe2O3粉末：?取一口廢棄鑄鐵鍋，清洗干凈加入一定量的水，放置一星期左右，待生成的鐵銹較多時(shí)將其倒入大燒杯，靜置出現(xiàn)分層，小心倒掉上層清液，讓其自然干燥，即可得到較多量的Fe2O3粉末;也可取一定量的鐵釘，先用酒精洗掉表面的油污，然后用稀鹽酸酸洗，再用蒸餾水洗去鐵釘表面的殘余酸液，將其放入大燒杯中，加入一定量的水（鐵釘半置于水中）[3]，待其充分完全銹蝕后用清水沖洗鐵釘，洗下鐵銹，后面處理方法同上所述。

3.2.3??不同來源Fe2O3粉末與質(zhì)量分?jǐn)?shù)70%的硫酸反應(yīng)

4??思考與總結(jié)

實(shí)驗(yàn)表明，生銹鐵釘與稀硫酸反應(yīng)較為容易，而Fe2O3粉末與稀硫酸反應(yīng)較為困難，這也是絕大多數(shù)教材采用生銹鐵釘與稀硫酸反應(yīng)的主要原因。誠(chéng)如科粵版（2008年7月第2版）的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要減少鐵釘與硫酸反應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，所用的鐵釘必須是生滿鐵銹（主要成分是Fe2O3）的鐵釘，但事實(shí)上要使鐵釘表面布滿鐵銹也非易事。其他版本設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)大多是常溫下進(jìn)行，想要獲得理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所耗費(fèi)的時(shí)間太長(zhǎng)。浙教版雖然避免了鐵與稀硫酸反應(yīng)所帶來的影響，但在常溫下Fe2O3粉末與稀硫酸難以反應(yīng)，也不會(huì)出現(xiàn)如教材所描述的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。較為理想的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用新買（或新制）的Fe2O3粉末在加熱情況下與濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）較高的硫酸反應(yīng)，既可在短時(shí)間內(nèi)完成反應(yīng)，也能夠取得預(yù)期的實(shí)驗(yàn)效果。但需要注意，實(shí)驗(yàn)所需的Fe2O3粉末不宜過多，防止由于Fe2O3著色力太強(qiáng)而導(dǎo)致難以觀察到黃色溶液，故稀硫酸的濃度控制在5mol/L（38%）以上為宜。

參考文獻(xiàn)：

[1]姜跟華，?包君君.?對(duì)生銹的鐵釘與稀鹽酸、稀硫酸反應(yīng)的改進(jìn)[J].?中學(xué)化學(xué)，?2012，?（1）：?23.

[2]魏銳，?宋萬琚，?王磊，?范林，?劉強(qiáng)，?東啟云.?Fe3+在水溶液中的水解平衡和配位平衡[J].?化學(xué)教育，?2008，?（1）：?69.

[3]南京大學(xué)《無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》編寫組.?無機(jī)及分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)[M].?北京：?高等教育出版社，?2004：?126.