探究Fe³⁺與［Al（OH）₄］^-反應(yīng)，提升宏觀辨識(shí)與微觀探析素養(yǎng)

林佳昆

[摘 要]在探究Fe3+與[Al（OH）4]-反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)Fe3+與[Al（OH）4]-主要發(fā)生雙水解反應(yīng)，過量Fe3+與[Al（OH）4]-反應(yīng)生成氫氧化鐵膠體。該反應(yīng)可為學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)提供素材，有利于學(xué)生把物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際問題中，將宏觀辨識(shí)與微觀探析聯(lián)系起來，從而培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

[關(guān)鍵詞]Fe3+與[Al（OH）4]-反應(yīng);雙水解;宏觀辨識(shí);微觀探析

[中圖分類號(hào)]? ? G633.8? ? ? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2022）08-0068-03

一、問題提出

鐵及其化合物是高中化學(xué)的核心知識(shí)之一，關(guān)于Fe3+，在當(dāng)前各版本教材的必修模塊中只是重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)Fe3+，介紹Fe3+的氧化性。鋁及其化合物也是高中化學(xué)的核心知識(shí)之一，在當(dāng)前各版本教材的必修模塊中也只是重點(diǎn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證鋁、氧化鋁、氫氧化鋁的兩性，而這些物質(zhì)與過量堿反應(yīng)都產(chǎn)生[Al（OH）4]-（在蘇教版教材和人教版教材中表示為[AlO-2]）。在教學(xué)過程中，學(xué)生常常會(huì)問Fe3+與[Al（OH）4]-會(huì)發(fā)生什么反應(yīng)。面對(duì)該問題，教師通常會(huì)基于選修教材《化學(xué)反應(yīng)原理》中的“鹽類的水解”，跟學(xué)生一起從理論層面上進(jìn)行推理，得出Fe3+與[Al（OH）4]-最可能發(fā)生雙水解反應(yīng)。但是化學(xué)教學(xué)更注重讓學(xué)生從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)層面來證明，為此，筆者在課堂中設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fe3+與[Al（OH）4]-最可能發(fā)生雙水解反應(yīng)，讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究、證據(jù)推理的過程[1]。

二、原理分析

在水溶液中Fe3+和[Al（OH）4]-都易水解，這兩種離子會(huì)相互促進(jìn)水解，生成Fe（OH）3沉淀和Al（OH）3沉淀。水解反應(yīng)為：Fe3+ + 3[Al（OH）4]-=Fe（OH）3↓+ 3Al（OH）3↓。Fe（OH）3沉淀會(huì)結(jié)合n個(gè)結(jié)晶水，Al（OH）3沉淀會(huì)結(jié)合m個(gè)結(jié)晶水，使水解平衡正向移動(dòng)，使Fe3+和[Al（OH）4]-的反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行。但Fe3+和[Al（OH）4]-是否會(huì)直接反應(yīng)生成Fe[Al（OH）4]3沉淀或Fe（OH）3膠體，都有待進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）測(cè)定FeCl3溶液的pH

實(shí)驗(yàn)室溫度為25 ℃，測(cè)定實(shí)驗(yàn)室配制的1 mol/L FeCl3溶液的pH，結(jié)果為1.2（如圖1）。

（二）制取[Al（OH）4]-

取2 mL 0.1 mol/L NaOH溶液于試管中，逐滴加入0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液，先產(chǎn)生白色沉淀，白色沉淀迅速溶解（如圖2），化學(xué)反應(yīng)為：Al3++4OH-=[Al（OH）4]-。

不斷滴加至加入最后一滴白色沉淀不溶解（如圖3），化學(xué)反應(yīng)為：Al3++3[Al（OH）4]-=4Al（OH）3。

為確保在[Al（OH）4]-溶液中殘留的OH-盡量少，在上述溶液中加一滴NaOH讓沉淀溶解（如圖4），化學(xué)反應(yīng)為：Al（OH）3+ OH-=[Al（OH）4]-。

（三）[Al（OH）4]-與不同濃度的Fe3+反應(yīng)

取1 mL [Al（OH）4]- 溶液于試管中，逐滴加入1 mol/L FeCl3溶液（如圖5），出現(xiàn)紅褐色沉淀和白色沉淀（如圖6），說明生成Fe（OH）3和Al（OH）3。

（四）Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀與Fe3+反應(yīng)

將上述沉淀振蕩靜置（如圖7），取出上層清液，在Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀中繼續(xù)加1 mol/L FeCl3，沉淀部分溶解，生成紅棕色液體（如圖8）。

（五）檢驗(yàn)紅棕色液體

取2 mL 0.1 mol/L NaOH溶液于試管中，逐滴加入0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液至不再產(chǎn)生白色沉淀。在Al（OH）3沉淀中逐滴加1 mol/L FeCl3，Al（OH）3沉淀溶解，上層產(chǎn)生紅棕色液體（如圖9），通過丁達(dá)爾效應(yīng)可以看到在光源的側(cè)面有明亮的光路，證明Al（OH）3與FeCl3反應(yīng)，生成Fe（OH）3膠體。化學(xué)反應(yīng)為：Al（OH）3 + 3H+ =Al3+ + 3H2O;3H2O + Fe3+[ ]Fe（OH）3（膠體）+3H+。

（六）Fe（OH）3沉淀與Fe3+反應(yīng)

取1 mL 0.1 mol/L NaOH溶液于試管中，逐滴加入1 mol/L FeCl3溶液至過量，先產(chǎn)生紅褐色沉淀（如圖10），后沉淀溶解，生成紅棕色液體，通過丁達(dá)爾效應(yīng)可以看到在光源的側(cè)面有明亮的光路。

（七）Fe3+與不同濃度的[Al（OH）4]-反應(yīng)

取1 mL 0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液于試管中，加4 mL 0.1 mol/L NaOH溶液，反應(yīng)產(chǎn)生Al（OH）3白色沉淀，靜置，取上層清液并在其中加NaOH溶液，無明顯現(xiàn)象，保證上層清液中無Al3+。用滴管吸取Al（OH）3沉淀的上層清液（如圖11左試管），逐滴加入裝有1 mL 1 mol/L FeCl3溶液的試管中，生成紅棕色液體（如圖11右試管），通過丁達(dá)爾效應(yīng)可以看到在光源的側(cè)面出現(xiàn)明顯的光路（如圖12）。紅棕色液體中不斷加入氫氧化鋁的上層清液，無明顯變化。

四、結(jié)論與討論

（一）Fe（OH）3在水溶液中易生成沉淀

在水溶液中Fe3+相對(duì)于其他金屬陽離子水解程度更大。查蘭氏化學(xué)手冊(cè)可知，常溫下Fe3+的氫氧化物累積生成常數(shù)logK3=29.67，K3=1.0 × 1029.67，說明Fe3+與OH-反應(yīng)很容易生成Fe（OH）3;Fe（OH）3的Ksp=4 × 10-38=1.0 × 10-37.4，說明Fe（OH）3很容易生成沉淀。30F3C2F8-E672-4DBD-BB4D-3CAC2649C888

3H2O + Fe3+ [ ] Fe（OH）3 + 3H+

Kh=（Kw）3 × K3=（1.0 × 10-14）3 × 1.0 × 1029.67=1.0 × 10-12.33

Fe3+水解生成Fe（OH）3沉淀時(shí)，Kh=（Kw）3/Ksp=（1.0 × 10-14）3/（1.0 × 10-37.4）=1.0 × 10-4.6。

（二）Al在水溶液中的存在形式

查蘭氏化學(xué)手冊(cè)可知，常溫下Al3+的氫氧化物累積生成常數(shù)只有l(wèi)ogK4=33.03[2]，無logK2和logK3的數(shù)據(jù)，說明Al3+與OH- 反應(yīng)很容易生成[Al（OH）4]-。為什么查不到logK2和logK3的數(shù)據(jù)呢？因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)測(cè)定累積生成常數(shù)時(shí)，Al3+不僅與加入的標(biāo)準(zhǔn)溶液中的OH-反應(yīng)，還與水電離出的OH-反應(yīng)，在溶液中Al3+還會(huì)形成水合離子，生成的Al（OH）3無定形，所以蘭氏化學(xué)手冊(cè)中無logK2和logK3的數(shù)據(jù)，但可以查到Al（OH）3（無定形）的Ksp=1.3 × 10-33。百度百科中可以查到偏鋁酸的電離平衡常數(shù)Ka= 6.3 × 10-13，由此可計(jì)算AlO[-2]的水解平衡常數(shù)Kh：

[H2O+AlO-2][ ][HAlO2+OH-]

[Kh=Kw/Ka=（1.0×10-14）/（6.3×10-13）=1.59×10-2]

HAlO2中Al最外層只有6個(gè)電子，是缺電子結(jié)構(gòu)，在水溶液里水分子中的氧原子的孤對(duì)電子與Al的空軌道易形成配位鍵，生成Al（OH）3。Al（OH）3還會(huì)進(jìn)一步與一個(gè)或多個(gè)H2O形成氫鍵，生成Al（OH）3·（x-1）H2O（無定形）。

xH2O+HAlO2 [ ] Al（OH）3·（x-1）H2O（無定形）

nH2O +[Al（OH）4]-[ ] Al（OH）3·nH2O + OH-（K3>1.59 × 10-2）

（三）Fe3+和[Al（OH）4]-在水溶液中的反應(yīng)

在水溶液中Fe3+易水解，水解生成Fe（OH）3沉淀，平衡常數(shù)Kh=1.0 × 10-4.6;[Al（OH）4]- 的水解程度也很大，易水解生成Al（OH）3·nH2O（無定形），K3>1.59 × 10-2。從化學(xué)平衡角度分析，在水溶液中Fe3+和[Al（OH）4]- 都易水解，把含有這兩種離子的溶液混合，易相互促進(jìn)水解，生成Fe（OH）3沉淀和Al（OH）3沉淀。在實(shí)驗(yàn)中觀察到的白色沉淀為Al（OH）3沉淀，紅褐色沉淀為Fe（OH）3沉淀。Fe3+和[Al（OH）4]- 不會(huì)直接反應(yīng)生成Fe[Al（OH）4]3沉淀。

（四）Fe（OH）3和Al（OH）3混合沉淀與Fe3+的反應(yīng)

在配制FeCl3溶液時(shí)，為了減少Fe3+水解，在溶液中加了過量的鹽酸，因此實(shí)驗(yàn)所用的1 mol/L FeCl3 溶液的pH為1.2，F(xiàn)e3+水解也會(huì)產(chǎn)生較多的H+。在Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀中繼續(xù)加1 mol/L FeCl3溶液，沉淀部分溶解，生成紅棕色液體。雖然過量的鹽酸與Fe（OH）3和Al（OH）3反應(yīng)，但是生成的Fe3+在水溶液中是黃色的，Al3+在水溶液中是無色的，因此推測(cè)紅棕色可能是溶液中的Cl-、H2O、OH-中的氯原子或氧原子的孤對(duì)電子進(jìn)入Fe3+的空軌道形成配位鍵進(jìn)而形成的絡(luò)合離子的顏色。Fe（OH）3沉淀在FeCl3溶液中溶解時(shí)形成穩(wěn)定的膠體。

（五）Fe3+溶液與濃度較小的[Al（OH）4]-反應(yīng)

取Al2（SO4）3溶液于試管中，加稍過量的NaOH，產(chǎn)生Al（OH）3白色沉淀，靜置，取上層清液并在其中加NaOH，無明顯現(xiàn)象，說明上層清液中無大量Al3+，所含[Al（OH）4]-的濃度較低。取FeCl3溶液于試管中，用滴管吸取Al（OH）3沉淀的上層清液逐滴加入試管，生成紅棕色液體，通過丁達(dá)爾效應(yīng)可以看到在光源的側(cè)面出現(xiàn)明顯的光路，說明生成Fe（OH）3膠體。

五、教學(xué)小結(jié)

（一）提供教學(xué)素材

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的討論、計(jì)算分析，證明Fe3+與[Al（OH）4]- 發(fā)生雙水解反應(yīng)，為解決教學(xué)中學(xué)生提出的疑問提供充分的推理證據(jù)，為學(xué)生設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)提供參考，為培養(yǎng)學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供平臺(tái)。

（二）發(fā)現(xiàn)一種Fe（OH）3膠體的制備方法

通過實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象說明過量Fe3+和[Al（OH）4]-可生成Fe（OH）3膠體，這是制備Fe（OH）3膠體的一種方法。高中化學(xué)教材中Fe（OH）3膠體的制備是在沸水中加入FeCl3，要用到的實(shí)驗(yàn)儀器有酒精燈、鐵架臺(tái)、鐵圈、石棉網(wǎng)、燒杯，還需等待加熱，耗時(shí)長。若用Fe3+和[Al（OH）4]-反應(yīng)制備Fe（OH）3膠體，只需要用到試管、滴管，且不需要加熱操作。

（三）提升化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

HAlO2中的Al的最外層是缺電子結(jié)構(gòu)，水中氧原子的孤對(duì)電子與Al的空軌道易形成配位鍵，進(jìn)而生成Al（OH）3，Al（OH）3進(jìn)一步與水形成氫鍵，生成Al（OH）3·nH2O（無定形）。以上的分析應(yīng)用即物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)知識(shí)的應(yīng)用，通過宏觀辨識(shí)與微觀探析相聯(lián)系，提升學(xué)生的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)[3]。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 中華人民共和國教育部.普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.

[2]? J.A.迪安.蘭氏化學(xué)手冊(cè)[M].敞方，譯.北京：科學(xué)出版社，1991.

[3]? 鄭玉海.基于“化學(xué)核心素養(yǎng)”視域下的教學(xué)實(shí)踐：以高三一輪復(fù)習(xí)課“難溶電解質(zhì)的溶解平衡”為例[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2019（6）：6-10.

（責(zé)任編輯 羅 艷）30F3C2F8-E672-4DBD-BB4D-3CAC2649C888