玻璃板上氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化

石月 李悅迪 王喜貴

摘要： 石蕊溶液在硫酸亞鐵和氫氧化鈉溶液中會(huì)呈現(xiàn)出不同的顏色。通過(guò)改變硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液的滴加順序，在玻璃板上成功實(shí)現(xiàn)氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化。實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨虝r(shí)間內(nèi)在玻璃板上清晰地呈現(xiàn)“白→灰綠→紅褐”完整的變色現(xiàn)象，不僅有助于學(xué)生加深對(duì)氫氧化亞鐵還原性的認(rèn)識(shí)，而且有益于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

關(guān)鍵詞： 氫氧化亞鐵; 制備與轉(zhuǎn)化; 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 10056629（2022）06008104

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

“鐵及其化合物”是人教版普通高中化學(xué)必修第一冊(cè)乃至整個(gè)高中化學(xué)階段中的重要知識(shí)內(nèi)容，是學(xué)習(xí)元素化合物的基礎(chǔ)，同時(shí)也為學(xué)生構(gòu)建“價(jià)類”二維認(rèn)識(shí)方式奠定知識(shí)基礎(chǔ)?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]中對(duì)于該節(jié)教學(xué)提出“制備氫氧化亞鐵”的活動(dòng)建議，旨在讓學(xué)生通過(guò)氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)，親歷變色現(xiàn)象，加深對(duì)氫氧化亞鐵還原性的認(rèn)知，加快構(gòu)建物質(zhì)分類觀與轉(zhuǎn)化觀。然而，由于氫氧化亞鐵極易與空氣作用轉(zhuǎn)變成氫氧化鐵，嚴(yán)重影響白色沉淀的觀察，因此其制備實(shí)驗(yàn)成為高中化學(xué)課堂中的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[2]。很多學(xué)者和一線教師對(duì)氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深入探究，包括改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置、甄選實(shí)驗(yàn)試劑、優(yōu)化操作方法[3～8]等，但依然存在如制備裝置復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)步驟繁多、忽視沉淀后續(xù)轉(zhuǎn)化而無(wú)法觀察到完整的變色現(xiàn)象等問(wèn)題。此外，上述研究由于條件控制較為復(fù)雜，因此教師多以演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生探究的積極性不高，無(wú)法深度參與，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

為了簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的趣味性，同時(shí)發(fā)展學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，讓他們能夠親自體會(huì)神奇的變色現(xiàn)象，進(jìn)一步理解氫氧化亞鐵的還原性，本文利用玻璃板和一些常規(guī)儀器及試劑，采用簡(jiǎn)單的溶液滴加的形式在玻璃板上成功實(shí)現(xiàn)氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化，并且能明顯觀察到沉淀由白到灰綠最后到紅褐色的完整實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。該方法裝置簡(jiǎn)單、步驟少、用時(shí)短，適用于課堂教學(xué)，能夠滿足每個(gè)學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的需要，激發(fā)探究興趣，進(jìn)而培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí);同時(shí)通過(guò)在沒(méi)有視覺障礙的玻璃板上直觀地觀察到完整的變色現(xiàn)象，學(xué)生不僅能掌握氫氧化亞鐵的還原性原理，而且能深刻認(rèn)識(shí)到物質(zhì)是處于不斷的變化中，這有助于變化觀念的形成與發(fā)展。

1 實(shí)驗(yàn)方案初步探索階段

1.1 實(shí)驗(yàn)用品

托盤天平、燒杯（100mL）、玻璃棒、容量瓶（100mL）、玻璃板、膠頭滴管、滴瓶、研缽、藥匙、鑷子、試管（10mm×100mm）;NaOH固體、FeSO4·7H2O晶體、稀硫酸、蒸餾水、Vc片、石蕊溶液

1.2 操作步驟及現(xiàn)象

1.2.1 配制FeSO4和NaOH溶液

根據(jù)電勢(shì)pH圖可知，F(xiàn)e2+在酸性條件下更穩(wěn)定[9]，因此選用稀硫酸作溶劑，F(xiàn)eSO4·7H2O晶體為溶質(zhì)，并將Vc片研磨成粉末狀加入其中，配制成0.1mol/L的FeSO4溶液。用蒸餾水（未煮沸）配制4mol/L的NaOH溶液。

1.2.2 配制變色溶液

在1號(hào)試管中滴入約15滴石蕊溶液，然后加入約20滴FeSO4溶液，混勻后溶液變?yōu)榧t色，編號(hào)為溶液1。在2號(hào)試管中滴入等量的石蕊溶液，然后加入20滴NaOH溶液，混勻后溶液變?yōu)樗{(lán)色，編號(hào)為溶液2。

1.2.3 布置玻璃板背景

將潔凈的玻璃板置于黑色的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。為了更明顯地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，可把白紙襯于玻璃板下，將玻璃板的底部背景一分為二，一半為黑色，一半為白色（在黑色背景中容易觀察到白色沉淀的出現(xiàn)，而在白色背景中容易觀察到紅色、藍(lán)色、灰綠色、紅褐色的變化）。

1.2.4 制備Fe（OH）2沉淀

用1號(hào)膠頭滴管吸取1號(hào)溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加1滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時(shí)玻璃板上出現(xiàn)的是1滴紅色圓形液滴。再用2號(hào)膠頭滴管吸取2號(hào)溶液緩慢在圓形液滴中央滴加1滴溶液，立即出現(xiàn)白色絮狀沉淀。但很快觀察到白色沉淀的位置在移動(dòng)，逐漸從液滴邊緣向內(nèi)部縮回，顏色也由最初的白色轉(zhuǎn)變成灰綠色，最終又轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)紅褐色的小點(diǎn)。究其原因發(fā)現(xiàn)該液滴邊緣的溶液顯酸性，說(shuō)明FeSO4溶液中未完全消耗的酸大量聚集在液滴邊緣，將Fe（OH）2沉淀從邊緣向內(nèi)部溶解。在反應(yīng)過(guò)程中，F(xiàn)e（OH）2沉淀逐漸被氧化成紅褐色的Fe（OH）3沉淀。為了清晰完整地展現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，勾畫出如圖1所示的簡(jiǎn)化圖。

為了探究溶液的滴加順序?qū)τ贔e（OH）2的形成是否有影響，改變滴加順序進(jìn)行探究。

用2號(hào)膠頭滴管吸取2號(hào)溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加1滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時(shí)玻璃板上呈現(xiàn)1滴藍(lán)色圓形液滴。再用1號(hào)膠頭滴管吸取1號(hào)溶液緩慢在圓形液滴中央滴加1滴溶液，立即出現(xiàn)白色絮狀沉淀，但很快觀察到白色沉淀由內(nèi)而外逐漸消失，一段時(shí)間后，出現(xiàn)灰綠色圓環(huán)，最終呈現(xiàn)出不完整的紅褐色半圓環(huán)。玻璃棒蘸取少量環(huán)內(nèi)溶液，用pH試紙進(jìn)行測(cè)定，發(fā)現(xiàn)環(huán)內(nèi)溶液顯酸性，進(jìn)一步證實(shí)FeSO4溶液中的酸溶解了Fe（OH）2沉淀，使其呈現(xiàn)圓環(huán)形狀。將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象以簡(jiǎn)化圖（如圖2）的形式呈現(xiàn)，便于觀察和熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

2 成功制備、轉(zhuǎn)化階段

2.1 操作步驟及現(xiàn)象

基于上述探究階段的經(jīng)驗(yàn)，用酸配制FeSO4溶液雖然可以在一定程度上抑制溶解氧，但最終還是影響了實(shí)驗(yàn)效果，因此在探究的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步改進(jìn)。僅將配制FeSO4溶液的溶劑改為蒸餾水，標(biāo)記為3號(hào)溶液;由于NaOH溶液不需要中和FeSO4溶液中多余的酸，因此可以將其濃度降低為1mol/L，標(biāo)記為4號(hào)溶液。其他步驟如同前面的探究實(shí)驗(yàn)。但此階段卻在玻璃板上成功實(shí)現(xiàn)了氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化。

用3號(hào)膠頭滴管吸取3號(hào)溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加3～4滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時(shí)玻璃板上呈現(xiàn)出紅色圓形液滴。再用4號(hào)膠頭滴管吸取4號(hào)溶液緩慢滴加1滴于圓形液滴中央，此時(shí)明顯觀察到紅色液滴上呈現(xiàn)出藍(lán)色溶液，并且圈層分明。兩溶液混合并快速發(fā)生反應(yīng)，在玻璃板上出現(xiàn)似淡紅色花朵中央綻放白色花蕊的美麗現(xiàn)象。一段時(shí)間后，白色花蕊逐漸轉(zhuǎn)變成灰綠色，最后形成由穩(wěn)定而堅(jiān)固的灰綠色環(huán)包圍下的紅褐色花蕊。在短時(shí)間內(nèi)，玻璃板上生長(zhǎng)出圈層分明的五彩變色“小花”。為了清晰地觀察五彩變色現(xiàn)象，勾畫出如圖3所示的簡(jiǎn)化圖。

為滿足學(xué)生對(duì)于滴加順序是否影響白色沉淀生成的好奇心，教師在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生改變3、 4號(hào)溶液的滴加順序，觀察玻璃板上是否出現(xiàn)相同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

用4號(hào)膠頭滴管吸取4號(hào)溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加3～4滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時(shí)玻璃板上呈現(xiàn)出藍(lán)色圓形液滴。再用3號(hào)膠頭滴管吸取3號(hào)溶液緩慢滴加1滴于圓形液滴中央，明顯觀察到藍(lán)色液滴上呈現(xiàn)出紅色溶液，并且圈層分明。兩溶液混合并快速發(fā)生反應(yīng)，在玻璃板上出現(xiàn)似淡藍(lán)色花朵中央綻放白色花蕊的美麗現(xiàn)象。一段時(shí)間后，白色花蕊逐漸轉(zhuǎn)變成灰綠色，最后完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色。為了清晰地觀察五彩變色現(xiàn)象，勾畫出如圖4所示的簡(jiǎn)化圖。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上述兩組實(shí)驗(yàn)表明，改變?nèi)芤旱牡渭禹樞?，在本?shí)驗(yàn)中并不會(huì)影響氫氧化亞鐵白色沉淀的出現(xiàn)，也不影響后續(xù)完整變色現(xiàn)象的觀察，因此，在教學(xué)過(guò)程中不必細(xì)究。但就其實(shí)驗(yàn)本身而言，不同滴加順序下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象略有差異。如圖3中出現(xiàn)“穩(wěn)定堅(jiān)固的灰綠色環(huán)包圍下的紅褐色花蕊”，而在圖4中僅出現(xiàn)“紅褐色”的現(xiàn)象，并沒(méi)有出現(xiàn)前者中的灰綠色環(huán)，這是何種原因?qū)е?？徐建飛老師在“制備氫氧化亞鐵實(shí)驗(yàn)方案再探究”一文中指出，灰綠色沉淀可能是由于氫氧化亞鐵沉淀吸附溶液中過(guò)量的亞鐵離子所致[10]。由圖3所展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)中，硫酸亞鐵量較多且分布在液滴外圍，液滴中央產(chǎn)生的氫氧化亞鐵沉淀吸附了周圍未反應(yīng)完全的亞鐵離子而形成穩(wěn)定而堅(jiān)固的灰綠色環(huán)。而由圖4所展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)中，硫酸亞鐵量較少，因此沒(méi)有出現(xiàn)如圖3所示的現(xiàn)象。

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)總結(jié)

（1） 承載豐富的知識(shí)內(nèi)容，建立完整的知識(shí)體系。該實(shí)驗(yàn)以回顧舊知為始，將蘊(yùn)含新知的操作步驟分階段逐步推進(jìn)，在加強(qiáng)知識(shí)銜接的基礎(chǔ)上促進(jìn)知識(shí)體系的完善。首先，利用配制變色溶液這一過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生回顧初中學(xué)過(guò)的酸堿遇指示劑變色的性質(zhì)，增強(qiáng)視覺體驗(yàn)的同時(shí)促進(jìn)知識(shí)體系的聯(lián)系與銜接。其次，探究階段中由不同滴加順序引起的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的差異證實(shí)了氫氧化亞鐵遇酸溶解的性質(zhì)，在探究的過(guò)程中自主發(fā)現(xiàn)該性質(zhì)，增強(qiáng)了學(xué)生的證據(jù)推理能力，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化制備方案。最后，所制氫氧化亞鐵在空氣中由白至灰綠到紅褐色的現(xiàn)象變化，實(shí)現(xiàn)了二價(jià)鐵到三價(jià)鐵的轉(zhuǎn)化，印證了二價(jià)鐵的還原性，促進(jìn)了學(xué)生“價(jià)類”二維認(rèn)知方式的構(gòu)建。在實(shí)驗(yàn)探究中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氫氧化亞鐵從性質(zhì)、制備到轉(zhuǎn)化的感性認(rèn)知，并注重前后知識(shí)的銜接，有利于學(xué)生理性地構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

（2） 儀器裝置簡(jiǎn)單，操作易行。利用玻璃板取代大部分研究中的試管作為反應(yīng)發(fā)生裝置，其獨(dú)特性在于把氫氧化亞鐵的顏色與狀態(tài)更加直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。由于步驟簡(jiǎn)便，只需膠頭滴管在玻璃板上進(jìn)行滴加便可實(shí)現(xiàn)，非常適合開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)，將理論知識(shí)與實(shí)踐探究有效結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，促進(jìn)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)核心素養(yǎng)的落實(shí)。

（3） 現(xiàn)象直觀，趣味性強(qiáng)。本研究的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于把氫氧化亞鐵的制備置于一個(gè)開放體系——玻璃板上進(jìn)行，使學(xué)生能夠直觀地觀察到溶液的流動(dòng)融合、白色沉淀從出現(xiàn)到灰綠以至紅褐的完整變色過(guò)程，給予學(xué)生以視覺的沖擊與體驗(yàn)，切身感受化學(xué)反應(yīng)的獨(dú)特魅力，增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的趣味性。

（4） 試劑用量少，高效且環(huán)保。本實(shí)驗(yàn)在制備過(guò)程中，只需要幾滴溶液就可以明顯地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，不僅實(shí)驗(yàn)效果良好，更是體現(xiàn)了高效環(huán)保的綠色化學(xué)理念。

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