氫氧化亞鐵制備及氧化實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

李周平

摘要： 用傳統(tǒng)的方法制備氫氧化亞鐵，白色沉淀快速轉(zhuǎn)變成灰綠色，但又不能迅速生成紅褐色，不利于學(xué)生對白色沉淀和紅褐色沉淀的觀察。為此改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)：在玻璃片上先后滴加1～2滴硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液，然后將另一玻璃片蓋到溶液上，在兩玻璃片之間產(chǎn)生白色沉淀，當(dāng)揭開上面的玻璃片，可看到玻璃片上的白色沉淀立即轉(zhuǎn)化為灰綠色，大約25～30秒后灰綠色已全部轉(zhuǎn)化為紅褐色。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作簡單，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰、直觀。

關(guān)鍵詞： 氫氧化亞鐵制備； 氫氧化亞鐵氧化； 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

文章編號： 1005-6629（2023）02-0068-04? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

鐵及其化合物的性質(zhì)是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）》［1］要求的必做實(shí)驗(yàn)，同時(shí)課標(biāo)對“制備氫氧化亞鐵”的教學(xué)提出了活動(dòng)建議。制備氫氧化亞鐵要產(chǎn)生白色沉淀是一個(gè)難度較大的實(shí)驗(yàn)。人教版教材對該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)為［2］：在試管中加入少量的FeSO4溶液，然后滴入NaOH溶液，觀察并描述發(fā)生的現(xiàn)象。筆者按照教材中的方法對該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了反復(fù)操作，在反應(yīng)開始時(shí)觀察到灰綠色的絮狀沉淀中夾雜著少量的白色沉淀，且生成的沉淀逐漸浮于液面上，隨后沉淀的顏色迅速加深變成深綠色，溶液中的絮狀沉淀長時(shí)間處于深綠色狀態(tài)。只有振蕩試管后，在試管內(nèi)壁上和深綠色沉淀的表面夾雜著少量的紅色顆粒，即使長時(shí)間也難以觀察到明顯的紅褐色沉淀。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與教材中的描述存在一定差異，使學(xué)生對Fe（OH）2的真實(shí)顏色以及Fe（OH）3的生成產(chǎn)生了質(zhì)疑。

2? 文獻(xiàn)中對氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的案例簡介

程素芳［3］在真空采血管中加入鐵粉和稀硫酸，用鐵粉與稀硫酸反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣排出采血管中的空氣后，用注射器在真空采血管中注入氫氧化鈉溶液，該方法雖新穎，但實(shí)驗(yàn)時(shí)排出采血管中空氣的過程較慢，操作比較繁瑣，不利于課堂演示實(shí)驗(yàn)或分組實(shí)驗(yàn)的開展，而且該實(shí)驗(yàn)可以看到白色沉淀的生成，但很難看到紅褐色沉淀的生成。陳彩鳳等［4］也撰文提及難以看到全白的氫氧化亞鐵和紅褐色沉淀生成的問題，以及溫度對該反應(yīng)現(xiàn)象的影響。于燕國［5］則是用氮?dú)馀懦鲅b置中的空氣，由于純凈的氮?dú)庠谥袑W(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室難以制備，且氮?dú)獾拿芏扰c空氣密度接近，很難排凈裝置中的空氣，實(shí)驗(yàn)效果并不理想。徐建飛等［6］及吳文中［7］分別撰文提到氫氧化亞鐵變?yōu)榛揖G色的原因和使氫氧化亞鐵變白的方法：減少亞鐵鹽用量、向氫氧化鈉溶液中逐滴滴加亞鐵鹽溶液。張宏艷［8］撰文提到實(shí)驗(yàn)中的灰綠色物質(zhì)并非氫氧化亞鐵，而是亞鐵離子的多水合物。張?jiān)p等［9］用棉線系住一塊硫酸亞鐵晶體，慢慢伸入到盛有氫氧化鈉濃溶液的燒杯中，在硫酸亞鐵晶體表面附著一層白色固體，把棉線上的固體從溶液中提出，白色固體逐漸變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色。該實(shí)驗(yàn)操作簡單、比較新穎，但在實(shí)驗(yàn)過程中提取棉線時(shí)，硫酸亞鐵晶體很容易從棉線上脫落。加上硫酸亞鐵晶體很容易發(fā)生變質(zhì)，伸入到氫氧化鈉溶液后，其表面也有紅褐色物質(zhì)生成，影響了實(shí)驗(yàn)的效果。周紅杰等人［10］在試管中加入硫酸亞鐵銨晶體配成溶液，在試管中加入2mL苯，然后取一小塊鈉加入試管中，當(dāng)鈉塊消失后，立即用橡膠塞塞住試管口。該實(shí)驗(yàn)鈉與水反應(yīng)時(shí)會(huì)放出大量的熱，導(dǎo)致溶液上層的苯迅速揮發(fā)，整個(gè)教室彌漫著苯的氣味，不利于學(xué)生的身心健康。

上述文獻(xiàn)報(bào)道了對該實(shí)驗(yàn)的相關(guān)研究和改進(jìn)措施，但嚴(yán)謹(jǐn)性和簡便性等方面還不夠理想：有些操作比較復(fù)雜或組裝時(shí)需要一些特殊的儀器；有的忽視了生成Fe（OH）2沉淀之后，沉淀顏色的變化以及現(xiàn)象的觀察。因此很有必要設(shè)計(jì)一種更簡單、更有效的方法制備Fe（OH）2，以及對其顏色由白變灰、變綠、變紅褐色的一系列后續(xù)變化的完整觀察，從而客觀準(zhǔn)確地傳授知識，引導(dǎo)學(xué)生不斷地思考和探究。

3? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的思路

文獻(xiàn)案例中對實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的共同點(diǎn)是在除氧和防止氧化上做了不少研究與改進(jìn)。對照課標(biāo)和教材的要求，該實(shí)驗(yàn)的目的是氫氧化亞鐵的制備及其被氧化為氫氧化鐵的原理。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不但要看到白色氫氧化亞鐵沉淀的生成，還要觀察到白色沉淀如何轉(zhuǎn)化為灰綠色，最后變?yōu)榧t褐色的過程。能否尋找一個(gè)更簡單的除氧方法呢？

受“玻璃板上氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化”一文［11］啟迪，筆者嘗試在玻璃板上進(jìn)行試驗(yàn)。一次偶然將洗凈的兩玻璃片放在一起，當(dāng)再次拿起玻璃片時(shí)，兩個(gè)玻璃片緊緊粘在了一起，明顯看到兩玻璃片之間夾著一層液體，即使豎起粘在一起的兩塊玻璃片，夾在其間的液體也不會(huì)流下。轉(zhuǎn)動(dòng)上面一塊玻璃片時(shí)，夾在兩玻璃片之間的液體也隨之發(fā)生移動(dòng)，并且上層玻璃片也難以揭開，需輕輕推動(dòng)上面的玻璃片便可輕松揭開。這不是大氣壓的原理嗎？兩片玻璃片粘在一起時(shí)排出了玻璃片之間的空氣，能否用這種方法來制備氫氧化亞鐵呢？若在兩塊玻璃片之間將氫氧化鈉溶液和硫酸亞鐵溶液混合，兩塊玻璃片合在一起排出了空氣，生成的氫氧化亞鐵就能穩(wěn)定存在，揭開上面的玻璃片后，玻璃片上的氫氧化亞鐵與空氣接觸，便可氧化為紅褐色的氫氧化鐵。筆者經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)，在兩塊玻璃片上成功地完成了白色的氫氧化亞鐵的制備；揭開上面的玻璃片，可以增大氫氧化亞鐵與氧氣的接觸面積，加快白色沉淀轉(zhuǎn)化為灰綠色，最后灰綠色迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色。該方法實(shí)驗(yàn)操作簡單、現(xiàn)象明顯，且實(shí)驗(yàn)的效率和成功率非常高。

4? 實(shí)驗(yàn)部分

4.1? 實(shí)驗(yàn)儀器

玻璃片（2塊）、氫氧化鈉溶液、硫酸亞鐵溶液、膠頭滴管

4.2? 實(shí)驗(yàn)步驟

（1） 取2塊玻璃片，用蒸餾水洗干凈后，用濾紙擦干。

（2） 在一塊玻璃片上滴2滴氫氧化鈉溶液（為了便于觀察白色沉淀，在玻璃片下面放一張黑色的紙或布條），然后在氫氧化鈉溶液邊上滴加1滴硫酸亞鐵溶液（也可在玻璃片中央先滴入1滴硫酸亞鐵溶液，然后把3滴氫氧化鈉溶液分多次均勻地滴在硫酸亞鐵溶液的周圍），為了得到純白色沉淀，要控制好硫酸亞鐵溶液的濃度和用量［12～14］，滴加時(shí)兩種溶液靠近但不發(fā)生接觸，如圖1所示。

（3） 迅速將另一塊玻璃片蓋在氫氧化鈉和硫酸亞鐵溶液的上面，輕輕地旋轉(zhuǎn)上面的玻璃片。

（4） 充分反應(yīng)后，揭開上層的玻璃片，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

4.3? 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

將另一塊玻璃片蓋在氫氧化鈉和硫酸亞鐵溶液的上面略加旋轉(zhuǎn)，在兩塊玻璃片之間立即產(chǎn)生Fe（OH）2白色固體。未揭開蓋在上面的玻璃時(shí)，兩塊玻璃片之間的固體一直呈白色，再轉(zhuǎn)動(dòng)上面玻璃片，兩玻璃片之間的白色固體逐漸增多，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。揭開上面的玻璃片后，玻璃片上的白色固體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色，在玻璃片的外圍有少量的紅褐色固體產(chǎn)生。25～30秒左右灰綠色固體幾乎全部轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色Fe（OH）3固體，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖3所示。

4.4? 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

（1） 為了使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加明顯，用濃度較大的氫氧化鈉溶液（或飽和溶液）和濃度較小的硫酸亞鐵溶液。

（2） 為了能使灰綠色快速且全部轉(zhuǎn)化為紅褐色，加入1滴硫酸亞鐵溶液和大約2滴氫氧化鈉溶液，使氫氧化鈉溶液過量。

（3） 在玻璃片上滴加氫氧化鈉溶液和硫酸亞鐵溶液時(shí)，兩種液滴不能接觸，兩者之間的距離為4～5mm時(shí)，實(shí)驗(yàn)效果最佳。

（4） 要快速將第二塊玻璃片蓋在氫氧化鈉溶液和硫酸亞鐵溶液上。

（5） 為了使兩種溶液充分混合發(fā)生反應(yīng)，需要把上面的玻璃片輕輕旋轉(zhuǎn)2～3圈。

（6） 先輕輕推動(dòng)上面的玻璃片，才容易揭開。

4.5? 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的優(yōu)點(diǎn)

（1） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清晰、直觀。利用玻璃片代替試管作為反應(yīng)的容器，學(xué)生視野不受容器的限制，能更加直觀地觀察到氫氧化亞鐵的顏色與狀態(tài)。

（2） 實(shí)驗(yàn)操作簡潔明了，適合開展學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)或演示實(shí)驗(yàn)。

（3） 分階段顯示了Fe（OH）2制備實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)過程及顏色變化，使學(xué)生加深了對白色沉淀轉(zhuǎn)化為灰綠色，最后變?yōu)榧t褐色知識的理解，符合化學(xué)教學(xué)實(shí)際需求。

（4） 減少了復(fù)雜的去除氧的操作，實(shí)驗(yàn)的成功率高。

（5） 實(shí)驗(yàn)速度快、效率高，完成分組實(shí)驗(yàn)大約只需要1分鐘。

（6） 耗材少、有益環(huán)保，做完一次實(shí)驗(yàn)只需要幾滴溶液就可以完成，同時(shí)不產(chǎn)生污染。

（7） 玻璃片上生成的氫氧化亞鐵與空氣的接觸面積大，學(xué)生可清晰地看到白色沉淀在空氣中轉(zhuǎn)化為灰綠色，最后生成紅褐色的全過程，達(dá)到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與教材中的描述完全一致的目的。

5? 結(jié)語

在兩塊玻璃片之間制備氫氧化亞鐵的原理非常簡單，兩玻璃片接觸時(shí)能排出空氣，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的可靠性、安全性和可操作性都非常高。實(shí)驗(yàn)裝置與操作簡便，不需要教師過多的演示和指導(dǎo)，學(xué)生即可獨(dú)立完成。依托玻璃片還可以開發(fā)出更多簡潔化、直觀化、可視性強(qiáng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，如筆者借助玻璃片還開發(fā)了銅與濃、稀硝酸的反應(yīng)，原電池和電解等一系列的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和效果都非常好。

參考文獻(xiàn)：

［1］中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）［S］. 北京： 人民教育出版社， 2020： 16.

［2］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第一冊［M］. 北京： 人民教育出版社， 2019： 67.

［3］程素芳. 氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新［J］. 中小學(xué)實(shí)驗(yàn)與裝備， 2021，（1）： 31～32.

［4］陳彩鳳， 陳迪妹， 胡加烽等. 氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （9）： 46～48.

［5］于燕國. 用玻璃針筒改進(jìn)氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)［J］. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2020，（8）： 52～53.

［6］［12］徐建飛， 張平， 杜淑賢. 制備氫氧化亞鐵實(shí)驗(yàn)方案再探究［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2015， （7）： 54～57.

［7］［13］吳文中. 氫氧化亞鐵變?yōu)榛揖G色的理論探究——由一次意外的實(shí)驗(yàn)引起的思考與分析［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2016， （9）： 60～63.

［8］［14］張宏艷. 基于X射線衍射分析方法改進(jìn)氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2021， （5）： 77～81.

［9］張?jiān)p， 許九奎， 馬薇. 氫氧化亞鐵的制備與氧化方法實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新［J］. 中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考， 2020，（21）： 47～48.

［10］周紅杰， 李立芬. 氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的探究［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2003，（6）： 9～10.

［11］石月， 李悅迪， 王喜貴. 玻璃板上氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化［J］. 化學(xué)教學(xué)， 2022，（6）： 81～84.