跨學(xué)科設(shè)計氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)

張婉瑩，張賢金，吳新建，鄭瑛

摘要： 基于氧化還原反應(yīng)原理，結(jié)合生物學(xué)知識，設(shè)計了制備Fe（OH）2的新實(shí)驗(yàn)：采用簡易的套管裝置，利用酵母菌呼吸作用去除管內(nèi)的氧氣，綜合生物和物理知識，跨學(xué)科創(chuàng)造性地在無氧環(huán)境中制備Fe（OH）2。結(jié)果表明調(diào)控酵母菌量可有效避免制備的Fe（OH）2被氧化。另外通過改變反應(yīng)物滴加方式和濃度的試驗(yàn)，解釋了Fe（OH）2沉淀過程中呈淺綠色的原因。新設(shè)計的裝置能成功制備白色的Fe（OH）2沉淀，現(xiàn)象清晰，操作簡便。

關(guān)鍵詞： 氫氧化亞鐵； 酵母菌； 制備實(shí)驗(yàn)； 跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)

文章編號： 1005-6629（2023）02-0060-05? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

新課標(biāo)在金屬鐵及其化合物的學(xué)習(xí)活動建議中提到了氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)，這是中學(xué)化學(xué)教學(xué)中一個非常重要的課堂實(shí)驗(yàn)。高中化學(xué)蘇教版化學(xué)必修第二冊對制備氫氧化亞鐵實(shí)驗(yàn)方案的描述如下：向試管中加入FeSO4溶液，再逐滴加入NaOH溶液，邊滴加邊振蕩試管［1］。該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通常是先觀察到白色絮狀沉淀并迅速變成灰綠色，再變成紅褐色。實(shí)驗(yàn)過程中難于觀察到穩(wěn)定的白色的氫氧化亞鐵沉淀，即依據(jù)教材實(shí)驗(yàn)方案很難制備出較為純凈的Fe（OH）2。因此，研究者們采用各種途徑對實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行改進(jìn)，尋求有效制備Fe（OH）2沉淀的實(shí)驗(yàn)方法。

1? Fe（OH）2制備實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀

目前對氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的研究，主要有以下三個方面。（1）影響沉淀現(xiàn)象的主要因素探究。針對制備Fe（OH）2過程中會呈現(xiàn)淺綠色這一現(xiàn)象，研究者通過改變反應(yīng)物的加入順序，向NaOH中滴加FeSO4以及加熱（促使Fe2+水解）的方法減少溶液中亞鐵離子的濃度，成功制得了白色的Fe（OH）2沉淀［2］。此外，研究者探討了FeSO4溶液中Fe3+的含量對制備氫氧化亞鐵的影響，通過降低反應(yīng)體系中的Fe3+含量，使用較高濃度的NaOH溶液，使得生成白色沉淀的現(xiàn)象更加清晰［3］。（2）實(shí)驗(yàn)試劑的改進(jìn)。利用FeSO4·（NH4）2SO4·6H2O在空氣中較穩(wěn)定的特點(diǎn)，以Na2SO3和NH3·H2O模擬該溶液環(huán)境，提高溶液中Fe2+的穩(wěn)定性，同時，還原性的SO2－3可除去溶液中的溶解氧。此外，研究者通過Fe2+和HCO－3（或CO2－3）的雙水解反應(yīng)制備Fe（OH）2，利用反應(yīng)生成的CO2氣體排出溶解氧，抑制空氣中的氧氣進(jìn)入反應(yīng)體系，避免Fe（OH）2被氧化［4］。（3）實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)。利用鐵粉和稀硫酸產(chǎn)生的氫氣排盡生成的硫酸亞鐵溶液及試管中空氣，以注射器提供的封閉環(huán)境隔絕氧氣，用注射器抽取FeSO4后，再抽取NaOH，成功制得了白色的Fe（OH）2;或以簡易塑料滴管用蒸餾水隔絕空氣，通過擠出滴管內(nèi)的部分蒸餾水后依次吸取FeSO4和NaOH制備Fe（OH）2［5］。還有研究者通過X射線衍射技術(shù)，分析教材實(shí)驗(yàn)和已有改進(jìn)實(shí)驗(yàn)所制備產(chǎn)物的化學(xué)組成，利用西林瓶、注射器、魯爾閥等對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再改進(jìn)，由此制備的Fe（OH）2白色沉淀可以較長時間穩(wěn)定存在［6］。上述研究通過不同的方式降低了氧氣對實(shí)驗(yàn)的干擾，制備出了白色的Fe（OH）2?；瘜W(xué)作為一門“中心學(xué)科”與生物學(xué)科有著緊密聯(lián)系，若利用化學(xué)反應(yīng)原理中的氧化還原知識，結(jié)合生物實(shí)驗(yàn)去除裝置內(nèi)的氧氣，有利于生物與化學(xué)學(xué)科知識的交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生的綜合思維能力。酵母菌的呼吸實(shí)驗(yàn)是高中生物課程的一個重要實(shí)驗(yàn)，該反應(yīng)的作用本質(zhì)是葡萄糖的氧化分解，將其與Fe（OH）2的制備相聯(lián)系，不僅能加深學(xué)生對相關(guān)知識的理解，同時有助于學(xué)生創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

依據(jù)酵母菌氧化反應(yīng)的電動勢（1.24V）高于Fe（OH）2氧化為Fe（OH）3的電動勢（0.94V）的特點(diǎn)，在Fe（OH）2制備實(shí)驗(yàn)中，利用酵母菌有氧呼吸（葡萄糖氧化）消耗裝置內(nèi)的氧氣，為實(shí)驗(yàn)提供無氧或低氧環(huán)境，有效降低Fe（OH）2的氧化程度。同時可通過調(diào)變酵母菌用量，使得氧氣保持優(yōu)先和葡萄糖反應(yīng)，避免生成的Fe（OH）2被氧化?；谏鲜鏊悸?，本研究設(shè)計制備氫氧化亞鐵的套管裝置，將酵母菌置于套管裝置的外管中進(jìn)行呼吸實(shí)驗(yàn)，可同時耗盡內(nèi)外管中的氧氣，使得內(nèi)管處于低氧或者無氧環(huán)境，再進(jìn)行Fe（OH）2的制備實(shí)驗(yàn)，有效避免Fe（OH）2被氧化。本研究方案以及設(shè)計的反應(yīng)裝置適用于高中化學(xué)的Fe（OH）2制備實(shí)驗(yàn)，操作簡便，易于推廣。

2? 實(shí)驗(yàn)原理

2.1? 酵母菌呼吸實(shí)驗(yàn)

酵母菌是一種兼性厭氧菌，以葡萄糖為底物，可以在有氧環(huán)境中進(jìn)行有氧呼吸，在無氧環(huán)境或在氧氣濃度極低的情況下進(jìn)行無氧呼吸，反應(yīng)的化學(xué)方程式如下。

有氧呼吸：C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O

ΔrGθm=6ΔfGθm（CO2）＋12ΔfGθm（H2O）－

ΔfGθm（C6H12O6）－6ΔfGθm（H2O）－6ΔfGθm（O2）=

-2879kJ·mol-1

Eθ=ΔrGθm-zF=-2879×1000-24×96485.3=1.24V

無氧呼吸：C6H12O62C2H5OH＋2CO2

ΔrGθm=2ΔfGθm（C2H5OH）＋2ΔfGθm（CO2）－ΔfGθm（C6H12O6）=－215kJ·mol-1

Eθ=ΔrGθm-zF=-215×1000-8×96485.3=0.28V

從上述計算反應(yīng)的吉布斯自由能變結(jié)果可知，酵母菌有氧呼吸的反應(yīng)趨勢大，因此可以嘗試?yán)媒湍妇挠醒鹾粑姆磻?yīng)裝置內(nèi)的氧氣，為Fe（OH）2的制備實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造無氧環(huán)境。由于對干酵母復(fù)水活化可提高酵母菌有氧呼吸的速率，加強(qiáng)酵母菌的代謝活動［7］，從動力學(xué)角度考慮，為縮短酵母菌有氧呼吸的耗氧時間，需在實(shí)驗(yàn)前對干酵母進(jìn)行活化處理。另外從反應(yīng)方程式可知，有氧呼吸的氣體消耗量和生成量是相等的，而無氧呼吸會生成額外的CO2氣體，可以根據(jù)裝置內(nèi)的壓強(qiáng)變化判斷酵母菌是否開始無氧呼吸，即裝置內(nèi)的氧氣是否被排盡。通過對這一現(xiàn)象觀察，還有助于學(xué)生將物理學(xué)科中與壓強(qiáng)相關(guān)的知識應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)。

2.2? Fe（OH）2制備實(shí)驗(yàn)

Fe（OH）2被氧氣氧化的方程式為4Fe（OH）2＋O2＋2H2O4Fe（OH）3，該反應(yīng)的電極反應(yīng)式為O2＋2H2O＋4e－4OH－和Fe（OH）2＋OH－－e－Fe（OH）3。Fe3+和Fe2+在堿性條件會結(jié)合OH－生成Fe（OH）3和Fe（OH）2，由此可知，c（OH－）=1.0mol/L時，φθ［Fe（OH）3/Fe（OH）2］=φ（Fe3+/Fe2+）?？梢愿鶕?jù)Ksp求出此時的c（Fe3+）和c（Fe2+），再結(jié)合φθ（Fe3+/Fe2+），通過能斯特方程求出φ（Fe3+/Fe2+）。計算過程如下：

當(dāng)c（OH－）=1.0mol/L時，有

c（Fe3+）=Kθsp［Fe（OH）3］［c（OH-）］3=2.8×10-391.03=2.8×10-39

c（Fe2+）=Kθsp［Fe（OH）2］［c（OH-）］2=4.9×10-171.02=4.9×10-17

將其代入Fe3+＋e－Fe2+的能斯特方程，

φ（Fe3+/Fe2+）=φθ（Fe3+/Fe2+）＋0.059lgc（Fe3+）c（Fe2+）=0.77＋0.059lg2.8×10-394.9×10-17=－0.54V

因此φθ［Fe（OH）3/Fe（OH）2］=φ（Fe3+/Fe2+）=－0.54V

可以進(jìn)而求得4Fe（OH）2＋O2＋2H2O4Fe（OH）3的電動勢，

Eθ=φθ（O2/OH－， H2O）－φθ［Fe（OH）3/Fe（OH）2］=0.4－（－0.54）=0.94V

標(biāo)準(zhǔn)電動勢越高，反應(yīng)越容易發(fā)生。4Fe（OH）2＋O2＋2H2O4Fe（OH）3的標(biāo)準(zhǔn)電動勢較高，這也解釋了Fe（OH）2易被氧氣氧化的原因。由此可知，制備Fe（OH）2的關(guān)鍵是創(chuàng)造無氧環(huán)境，本文通過煮沸的方法去除試劑中的溶解氧，通過酵母菌的呼吸作用保證實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)的無氧或者低氧環(huán)境。

在Fe（OH）2制備過程中通常會呈現(xiàn)淺綠色，有研究者認(rèn)為淺綠色物質(zhì)可能是Fe（OH）2吸附了溶液中淺綠色的Fe2+所致［8，9］，也有研究者認(rèn)為是生成Fe（OH）2水合物的緣故［10］。本文通過改變NaOH和FeSO4的濃度及其滴加方式，探究了制備Fe（OH）2過程中白色沉淀帶淺綠色的本質(zhì)原因，確定制備Fe（OH）2的理想實(shí)驗(yàn)方案。

3? 教學(xué)分析

“Fe（OH）2的制備”是高中化學(xué)蘇教版化學(xué)必修第二冊專題九“金屬與人類文明”第二單元“探究鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化”的內(nèi)容［11］。從學(xué)生的知識儲備角度來看，學(xué)生在高中化學(xué)必修第一冊的學(xué)習(xí)中已經(jīng)初步掌握了氧化還原反應(yīng)原理，同時在高中生物必修一也學(xué)習(xí)了細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用。對于開展本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計，學(xué)生具有良好的基礎(chǔ)。本實(shí)驗(yàn)既是對高一上學(xué)期所學(xué)內(nèi)容的鞏固與提升，又為后續(xù)電極電勢、吉布斯自由能等內(nèi)容的學(xué)習(xí)奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，體現(xiàn)了知識螺旋上升的特點(diǎn)。

4? 實(shí)驗(yàn)裝置和試劑

4.1  實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器：玻璃套管，橡膠塞，注射器，燒杯，塑料滴管，水浴鍋

實(shí)驗(yàn)試劑：干酵母，5%葡萄糖溶液，蒸餾水，NaOH，F(xiàn)eSO4·7H2O，鐵粉，食用油

4.2? 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，將酵母菌有氧呼吸和制備Fe（OH）2兩個實(shí)驗(yàn)置于同一套管內(nèi)進(jìn)行。

4.3? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 配制溶液：用新煮沸冷卻的蒸餾水配制0.1、 0.3、 0.5、 1.0mol/L的FeSO4溶液，加入過量鐵粉，用食用油液封；用新煮沸冷卻的蒸餾水配制2、 4、 6、 8mol/L的NaOH，用食用油液封。

（2） 制備酵母菌培養(yǎng)液［12］：稱取0.3g干酵母于燒杯，加入3mL蒸餾水，在30℃恒溫水浴中活化10min，再加入3mL 5%葡萄糖溶液，攪拌均勻，制得酵母菌培養(yǎng)液。

（3） 酵母菌呼吸耗氧過程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計：用一次性塑料滴管向玻璃套管的外管中加入3mL酵母菌培養(yǎng)液，塞緊橡膠塞，利用酵母菌的有氧呼吸消耗裝置內(nèi)的氧氣。向橡膠塞中扎入注射器，可以通過觀察注射器的活塞變化判斷氧氣是否被耗盡，若活塞被頂起，說明生成了額外的CO2，即裝置內(nèi)的氧氣已被除盡，反之，則說明酵母菌還未開始無氧呼吸。

（4） Fe（OH）2的制備：待玻璃套管內(nèi)的氧氣被排盡后，用注射器向玻璃套管內(nèi)管中分別加入NaOH和FeSO4，制備Fe（OH）2（具體用量及現(xiàn)象見表1和表2）。

5? 結(jié)果與討論

5.1? 酵母菌呼吸耗氧過程的探究

用上述方法制備的酵母菌培養(yǎng)液進(jìn)行酵母菌的呼吸耗氧實(shí)驗(yàn)，在5分鐘內(nèi)可以觀察到注射器活塞被頂起，說明用該方法培養(yǎng)的酵母菌有氧呼吸速率較快，能在較短的時間內(nèi)耗盡裝置中的氧氣，適用于本文的實(shí)驗(yàn)設(shè)計。

5.2? Fe（OH）2制備過程產(chǎn)生淺綠色現(xiàn)象探究

表1為鹽和堿不同加入方式對生成的Fe（OH）2顏色變化的影響：向NaOH溶液中快速滴加FeSO4，此時生成的Fe（OH）2略帶淺綠色，10min后顏色加深；而緩慢加入FeSO4生成的Fe（OH）2呈現(xiàn)白色，放置60min顏色沒有明顯變化；向FeSO4中滴加NaOH時，制得的Fe（OH）2白色沉淀也很快變成淺綠色。經(jīng)對比可知，向NaOH中快速滴加FeSO4，以及向FeSO4中緩慢滴加NaOH時，溶液中都存在過量的Fe2+，由于淺綠色的Fe2+能夠被Fe（OH）2吸附，從而導(dǎo)致白色沉淀變色。這與報道的認(rèn)為淺綠色沉淀是由于形成了Fe（OH）2水合物的結(jié)果不同［13］。此外，發(fā)現(xiàn)向NaOH滴加FeSO4較向FeSO4滴加NaOH制得的Fe（OH）2更為致密。

5.3? 鹽和堿的濃度對實(shí)驗(yàn)過程中沉淀顏色變化的影響

為了驗(yàn)證溶液中Fe2+濃度對生成Fe（OH）2沉淀顏色的影響，本研究通過調(diào)變鹽和堿的濃度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，控制相同滴加速度，幾組對照實(shí)驗(yàn)如表2所示。NaOH濃度高時，溶液中Fe2+的濃度相對較低，制備的Fe（OH）2沉淀較白；而高濃度的FeSO4制備的Fe（OH）2呈現(xiàn)淺綠色，表明溶液中過量的Fe2+是導(dǎo)致Fe（OH）2沉淀呈淺綠色的主要原因。因此，為了制備白色的Fe（OH）2沉淀，需要抑制Fe2+的吸附行為，即采用高濃度的NaOH進(jìn)行制備（濃度高于FeSO4）。然而，F(xiàn)eSO4與NaOH濃度差異過大時，制得的Fe（OH）2比較稀疏。表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，NaOH和FeSO4的濃度分別8、 0.3mol/L時，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，預(yù)期效果好。

綜上，制備Fe（OH）2的研究方案如下：將3mL蒸餾水和0.3g干酵母混合，30℃水浴10min，再加入3mL 5%葡萄糖溶液制備酵母菌培養(yǎng)液［14］。在圖1外管加入3mL酵母菌培養(yǎng)液，塞緊橡膠塞保證裝置密閉，再插上注射器平衡壓強(qiáng)，待酵母菌呼吸5min后，用注射器向內(nèi)管加入1mL 8mol/L NaOH，并以每秒1滴的速率滴加0.5mL 0.3mol/L FeSO4，即可制得白色Fe（OH）2沉淀，且24h顏色未發(fā)生明顯變化。為了消除其他因素干擾，設(shè)置了對照實(shí)驗(yàn)：將3mL蒸餾水置于玻璃套管的外管，不加酵母菌培養(yǎng)液，采用同樣的方法制備Fe（OH）2。發(fā)現(xiàn)在制備Fe（OH）2過程中，生成的白色Fe（OH）2沉淀2min就會被氧化成紅棕色。進(jìn)一步證實(shí)了酵母菌的有氧呼吸可以有效除去裝置內(nèi)的氧氣，該方法可以成功制備白色的、比較穩(wěn)定的Fe（OH）2沉淀。在中學(xué)化學(xué)教學(xué)中，本實(shí)驗(yàn)既可作為課堂演示實(shí)驗(yàn)，也可作為課外興趣實(shí)驗(yàn)，加深學(xué)生對氧化還原反應(yīng)、鐵的化合物和細(xì)胞呼吸等相關(guān)知識的理解。如用于課堂演示實(shí)驗(yàn)，可適當(dāng)增大儀器及試劑用量，或用攝影機(jī)投屏展示，便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；在課前制備酵母菌培養(yǎng)液，縮短課堂實(shí)驗(yàn)時間；安排對照實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生展示Fe（OH）2白色沉淀向Fe（OH）3紅棕色沉淀轉(zhuǎn)變的過程，加深學(xué)生對Fe（OH）2還原性的認(rèn)識。

本創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)采用簡易的套管裝置，利用酵母菌的有氧呼吸為Fe（OH）2的制備創(chuàng)造無氧環(huán)境，同時將物理學(xué)壓強(qiáng)知識運(yùn)用其中；結(jié)合化學(xué)、生物學(xué)以及物理學(xué)等學(xué)科知識，不僅有助于學(xué)生對細(xì)胞呼吸以及鐵的化合物等相關(guān)知識的深入理解，還有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)他們主動學(xué)習(xí)，發(fā)展“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識”的核心素養(yǎng)?？鐚W(xué)科教學(xué)是國家課程改革的重要趨勢，本文研究結(jié)果為開發(fā)跨學(xué)科實(shí)驗(yàn)提供有價值的參考。

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