H2O2與Fe2+作用的實驗探究

摘要： 由兩道高考試題引出對Fe2+與H2O2反應的探究。結果發(fā)現，不同的亞鐵鹽與H2O2作用的結果與實驗條件有關：在無外加酸堿時FeSO4溶液與H2O2作用會得到堿式硫酸鐵和氫氧化鐵沉淀的混合物；FeCl2溶液與H2O2作用會得到聚合氯化鐵膠體。在酸性較強時Fe2+與H2O2作用主要生成Fe3+；在酸性不太強時主要得到膠體，往往得不到沉淀。亞鐵鹽與H2O2混合除了發(fā)生Fe2+與H2O2之間的氧化還原反應外，同時含鐵物質會催化H2O2的分解，H2O2分解放熱還會促進Fe3+的水解得到膠體或者沉淀。

關鍵詞： H2O2； Fe2+； 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2023）02-0075-05? ??中圖分類號： G633.8? ??文獻標識碼： B

1? 由兩道高考試題說起

題1? （2022年湖南高考卷第11題節(jié)選）下列離子方程式正確的是（? ? ）

C． FeSO4溶液中加入H2O2產生沉淀：2Fe2++H2O2+4H2O2Fe（OH）3↓+4H+（給出的答案是該選項正確）。

Fe2+與H2O2的反應我們并不陌生，在高考試題及平時的模擬試題中經常出現，一般是考查在酸性條件下H2O2將Fe2+氧化為Fe3+的離子方程式的書寫；在用KSCN溶液檢驗Fe2+時，也常常使用H2O2溶液。鐵的化合物較為復雜，FeSO4溶液中加入H2O2真的會生成Fe（OH）3沉淀嗎？

題2? （2016年全國Ⅱ卷28題節(jié)選）（5）丁組同學向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，溶液變成棕黃色，發(fā)生反應的離子方程式為________________；一段時間后，溶液中有氣泡出現，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成。產生氣泡的原因是________________；生成沉淀的原因是________________（用平衡移動原理解釋）。

向H2O2溶液中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，發(fā)生反應H2O2+2Fe2++2H+2Fe3++2H2O生成Fe3+，使溶液變成棕黃色，Fe3+催化H2O2分解產生氧氣，溶液中有氣泡出現，H2O2分解反應放熱，促進Fe3+的水解平衡正向移動，生成Fe（OH）3沉淀。

Fe3+能夠催化H2O2的分解是大家的共識，Fe2+的存在對H2O2的分解有怎樣的影響？由上述兩道試題能夠看出，無論是向含Fe2+的溶液中加入H2O2，還是向H2O2溶液中加入Fe2+溶液，最終都會生成Fe（OH）3沉淀。酸化的FeCl2溶液與H2O2反應得FeCl3溶液，而加熱FeCl3溶液往往會得到Fe（OH）3膠體［1］，酸化的亞鐵鹽與H2O2溶液作用是得到Fe（OH）3膠體，還是生成Fe（OH）3沉淀呢？若FeSO4溶液與H2O2作用能得到Fe（OH）3沉淀，還有其他物質或現象產生嗎？

2? 文獻概述

2.1? 聚合硫酸鐵的性質及制備

文獻［2］顯示聚合硫酸鐵（Polyferric Sulfate， PFS）也稱堿式硫酸鐵或羥基硫酸鐵，分子式可表示為［Fe2（OH）n（SO4）3-n/2］m，是一種無機高分子絮凝劑。根據形態(tài)的不同，PFS可分為液體和固體兩種，液體PFS呈紅褐色，具有一定黏度；而固體PFS則為淺黃色粉末狀，更有利于保存和運輸。

龍騰銳等［3］以鈦白副產物FeSO4·7H2O為原料，30%的H2O2為氧化劑，反應約0.5h后合成了PFS。

鄒海鳳［4］通過低溫熱處理FeSO4·7H2O合成FeOHSO4材料，將FeSO4·7H2O在空氣中90℃下恒溫48h，使其脫去部分結晶水變?yōu)槭杷审w，隨后在不同溫度下將該疏松體在空氣中恒溫24h，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應合成FeOHSO4。

2.2? 聚合氯化鐵的性質及制備

聚合氯化鐵又稱堿式氯化鐵，簡稱PFC。為褐色或黑褐色透明液體。聚合氯化鐵（PFC）是一種無機高分子絮凝劑，由于本身具有幾種不同形態(tài)的鐵絡合離子［如Fe（OH）2+、 Fe（OH）+2、 Fe2（OH）4+2、 Fe3（OH）5+4等］，可以發(fā)揮電性中和及吸附架橋的作用，使水中膠體脫穩(wěn)，最終形成沉淀［5］。

方應森［6］等以氯酸鈉氧化FeCl2制備聚合氯化鐵，在酸性溶液中Fe2＋被氯酸鈉氧化成Fe3+，然后Fe3+通過水解聚合作用形成PFC。反應過程如下：

6FeCl2＋NaClO3＋6HCl6FeCl3＋NaCl＋3H2O

mFeCl3＋nH2OFem（OH）nCl3m-n＋nHCl

3? 實驗部分

3.1? 設計思路

由文獻可知，Fe2+、 Fe3+均能催化H2O2的分解，而H2O2的分解反應放熱，溫度升高會促進Fe3+的水解，含Fe2+或Fe3+的溶液與H2O2混合可能會得到Fe（OH）3膠體而并非沉淀。

通過改變環(huán)境的酸堿性及反應物的相對量探究Fe2+與H2O2作用得到膠體或沉淀的條件。并通過與相同條件下H2O2與FeCl3溶液的作用對照，探究異同。

為探究不同的陰離子對Fe2+與H2O2作用的影響，選用實驗室常見的FeSO4與FeCl2溶液分別與H2O2作用，探究異同。

若作用過程中有沉淀生成，對沉淀的成分做定性檢驗與分析。

基于以上思路，設計以下實驗探究活動：取不同濃度的H2O2溶液與不同濃度的FeSO4溶液或FeCl2溶液在酸性、堿性及不加酸堿條件下混合，觀察現象（實驗3～9、 11～18、 20～22、 25～30、 33～38），并與相同條件下H2O2與FeCl3溶液的作用對照（實驗19、 31～32），若有沉淀生成再對沉淀進行檢驗（實驗10）。

3.2? 溶液配制

（1） 向100mL燒杯中加入7.0g FeSO4·7H2O，然后加蒸餾水至50mL刻度，攪拌，得濃度約為0.5mol·L-1的FeSO4溶液，備用。

（2） 向100mL燒杯中加入5.0g FeCl2·4H2O，然后加蒸餾水至50mL刻度，攪拌，得濃度約為0.5mol·L-1的FeCl2溶液，備用。

（3） 配制濃度約為2mol·L-1的稀硫酸及2mol·L-1的NaOH溶液，備用。

3.3? 實驗過程、現象分析及結果

3.3.1? H2O2與FeSO4溶液的作用

為探究H2O2與FeSO4溶液作用產生膠體或沉淀的條件，并對可能生成的沉淀的成分進行檢驗，開展以下實驗。

［實驗1］取新配制的FeSO4溶液于試管中，滴加KSCN溶液，溶液呈淺紅色，再滴加1滴H2O2溶液，溶液呈深血紅色。

［實驗2］用pH試紙測新配制的FeSO4溶液的pH，約為4。

上述實驗1～2說明新配制的溶液中含有極少量的Fe3+，由于Fe2+的水解溶液呈弱酸性，H2O2可以將Fe2+氧化為Fe3+。

［實驗3］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液體立即變?yōu)榧t褐色，用激光筆照射有明顯的丁達爾現象，產生較多的氣泡，放熱，反應越來越劇烈，約1min后，反應趨于平緩，產生大量黃褐色沉淀。

［實驗4］取實驗3上層清液測其pH約為2，將其分為兩份，一份滴加KSCN溶液，溶液呈濃血紅色，另一份滴加K3［Fe（CN）6］溶液，呈淡淡的藍色，無沉淀生成。

［實驗5］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液體立即變?yōu)榧t褐色，劇烈反應，放出大量熱，產生大量氣泡，有液體噴出試管，剩余為黃褐色懸濁液，靜置得黃褐色沉淀。

［實驗6］取3mL 10%H2O2溶液于試管中，滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，溶液變?yōu)闇\紅褐色，用激光筆照射有丁達爾現象，產生少量氣泡，靜置，不斷放出氣泡，放出熱量，靜置約5min，產生黃褐色渾濁，靜置得黃褐色沉淀，取上層清液滴加KSCN溶液，呈濃血紅色。

［實驗7］取3mL 10%H2O2溶液于試管中，滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液體立即變?yōu)榧t褐色，劇烈反應，放出大量熱，產生大量氣泡，紅褐色變?yōu)辄S褐色渾濁，靜置得黃褐色沉淀。

［實驗8］取3mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于試管中，滴加1滴30%H2O2溶液，溶液立即呈紅褐色，產生少量氣泡，用激光筆照射有明顯的丁達爾現象，靜置無變化，取液體兩份，一份滴加KSCN溶液，呈濃血紅色，一份滴加K3［Fe（CN）6］溶液，產生大量藍色沉淀。向所得紅褐色液體中加蒸餾水稀釋，出現黃褐色渾濁，靜置得黃褐色沉淀。

［實驗9］將實驗8中的H2O2溶液的濃度改為10%，現象類似。

上述實驗3～9說明H2O2溶液能將Fe2+氧化為Fe3+，當H2O2過量時，Fe2+幾乎被全部氧化，含鐵物質能催化H2O2分解，反應放熱，同時促進Fe3+水解生成紅褐色膠體，最終得到黃褐色沉淀。當H2O2少量時得到膠體（聚合硫酸鐵），加水稀釋進一步促進Fe3+的水解產生黃褐色沉淀。根據反應物組成預測該黃褐色沉淀中含有堿式硫酸鐵。上述反應過程的方程式可簡單表示為：

2FeSO4+H2O22Fe（OH）SO4↓

同時也可能發(fā)生反應2Fe2++H2O2+4H2O2Fe（OH）3↓+4H+，有部分Fe2+轉化為Fe（OH）3沉淀，溶液酸性增強，體系中有Fe3+存在。

［實驗10］取上述洗滌后的黃褐色沉淀于兩支試管中，一份滴加稀鹽酸，沉淀溶解得黃色溶液（與鹽酸酸化的FeCl3溶液顏色類似），取少量清液滴加BaCl2溶液，有白色沉淀生成。另一份滴加稀硫酸，沉淀溶解，所得溶液接近無色。分別向上述兩份溶液滴加KSCN溶液，均呈濃血紅色，滴加K3［Fe（CN）6］溶液，藍色均不明顯。

上述實驗10說明該黃褐色沉淀可溶于酸，沉淀中含有SO2-4，溶于鹽酸得［FeCl4］-溶液呈棕黃色，溶于稀硫酸得［Fe（H2O）6］3+溶液為無色。

［實驗11］取3mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于試管中，滴加1mL稀硫酸，再滴加1mL 30%H2O2溶液，溶液立即變?yōu)辄S色，有少量氣泡產生，靜置無沉淀生成，滴加KSCN溶液，呈濃血紅色。

［實驗12］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mL稀硫酸，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，溶液立即變?yōu)辄S色，有少量氣泡產生，靜置無沉淀生成，滴加KSCN溶液，呈濃血紅色。

［實驗13］取3mL 10%H2O2溶液于試管中，滴加1mL稀硫酸，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，溶液呈黃色，有少量氣泡產生，靜置無沉淀生成。

［實驗14］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mL稀硫酸酸化的FeSO4溶液，溶液呈黃色，有少量氣泡產生，靜置無沉淀生成。

上述實驗11～14說明在強酸性條件下H2O2溶液能將Fe2+氧化為Fe3+，Fe3+催化H2O2的分解比較緩慢，既無Fe（OH）3膠體產生，也無Fe（OH）3沉淀產生。

［實驗15］取3mL 10%H2O2溶液于試管中，滴加1滴稀硫酸，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，劇烈反應，液體變?yōu)榧t褐色，用激光筆照射有明顯的丁達爾現象，測其pH約為1，靜置無沉淀生成。

［實驗16］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1滴稀硫酸酸化的FeSO4溶液，溶液呈黃色，有少量氣泡產生，靜置無沉淀生成。

上述實驗15～16說明在酸性不太強的條件下H2O2溶液能將Fe2+氧化為Fe3+，當Fe2+量較多時，得到的Fe3+水解為Fe（OH）3膠體（或聚合硫酸鐵）的現象明顯，當Fe2+較少時，得到Fe（OH）3膠體的現象不明顯。

［實驗17］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mL NaOH溶液，再滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液體立即變?yōu)榧t褐色，劇烈反應，產生大量氣體，有液體噴出試管，得大量紅褐色沉淀。

［實驗18］取3mL 5%H2O2溶液于試管中，滴加1mL NaOH溶液，再滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液體立即變?yōu)榧t褐色，劇烈反應，產生大量氣體，得紅褐色沉淀。

［實驗19］將實驗17中的FeSO4溶液改為FeCl3溶液產生類似的現象。

上述實驗17～19說明在強堿性條件下Fe2+被H2O2快速氧化為Fe3+，含鐵物質催化H2O2分解劇烈，同時得到大量Fe（OH）3沉淀。通過與FeCl3對照，產生類似的現象，說明兩個反應的催化機理類似。

［實驗20］取3mL 10%H2O2溶液于試管中，滴加1滴NaOH溶液，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，劇烈反應，液體立即變?yōu)榧t褐色，用激光筆照射有明顯的丁達爾現象，產生大量氣體，稍后得大量黃褐色沉淀。

［實驗21］取2mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于試管中，滴加1滴NaOH溶液，有灰綠色絮狀沉淀生成，再滴加1mL 30%H2O2溶液，劇烈反應，產生大量氣體，有液體噴出試管，得到大量紅褐色沉淀（其間夾雜有黃褐色沉淀）。

［實驗22］取2mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于試管中，滴加1mL NaOH溶液，有大量灰綠色絮狀沉淀生成，再滴加1mL 30%H2O2溶液，迅速反應，產生大量氣體，液體噴出試管，得到大量紅褐色沉淀。

上述實驗20～22說明在堿性不太強時，FeSO4溶液與H2O2作用主要得到Fe（OH）SO4沉淀。

3.3.2? H2O2與FeCl2溶液的作用

有SO2-4存在時，可能會產生堿式硫酸鐵沉淀，為排除SO2-4的干擾，用FeCl2溶液代替FeSO4溶液做對照實驗探究不同陰離子對Fe2+與H2O2反應的影響。

［實驗23］取新配制的FeCl2溶液于試管中，滴加KSCN溶液，溶液呈淺紅色，再滴加1滴H2O2溶液，溶液呈深血紅色，說明新配制的溶液中含有極少量的Fe3+。

［實驗24］用pH試紙測新配制的FeCl2溶液的pH約為3。

［實驗25］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1滴0.5mol·L-1 FeCl2溶液，液體立即變?yōu)榧t褐色，用激光筆照射有明顯的丁達爾現象，劇烈反應，放出大量的熱，反應結束無沉淀生成。取上層清液滴加KSCN溶液，呈深血紅色，另取上層清液滴加K3［Fe（CN）6］無藍色沉淀生成。說明Fe2+被氧化為Fe3+，H2O2分解放熱，促進Fe3+水解得聚合氯化鐵，同時溶液酸性增強，所得體系中含有大量Fe3+。

［實驗26］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mL 0.5mol·L-1 FeCl2溶液，液體立即變?yōu)楹诤稚瑒×曳磻?，放出大量熱，產生大量氣泡，有液體噴出試管，剩余為黑褐色透明液體，靜置無沉淀。

上述實驗25～26說明H2O2溶液與FeCl2溶液作用，在無外加酸堿時得到聚合氯化鐵（膠體），而無沉淀生成。

［實驗27］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mL鹽酸酸化的FeCl2溶液（pH約為1），液體變?yōu)樯罴t褐色，放出氣體，反應越來越劇烈，有液體噴出試管，反應停止后剩余淺紅褐色溶液，未得到沉淀。

［實驗28，29］分別將實驗26中H2O2的濃度改為10%H2O2、鹽酸酸化的FeCl2溶液改為1滴，實驗現象類似。

［實驗30］取3mL 5%H2O2溶液于試管中，滴加1滴鹽酸酸化的FeCl2溶液，溶液顏色加深，有氣泡產生，靜置，放出氣體的速率加快，最終沒有得到沉淀，顏色變淺，得淺棕黃色溶液。

［實驗31］取3mL 30%H2O2溶液于試管中，滴加1mLFeCl3溶液（未酸化），液體變?yōu)樯罴t褐色，劇烈反應，有液體噴出試管，反應停止后剩余淺紅褐色液體，未得到沉淀。

［實驗32］取3mL 5%H2O2溶液于試管中，滴加1滴FeCl3溶液（未酸化），溶液顏色加深，有氣泡產生，靜置，放出氣體的速率加快，最終沒有得到沉淀，顏色變淺，得淺棕黃色溶液。

上述實驗27～32反應開始看到的深紅褐色物質可能是中間產物，反應越來越劇烈的原因是H2O2分解放熱，加快了分解速率，同時也說明在酸性條件下一般得不到Fe（OH）3沉淀。

［實驗33～37］將實驗17～18、20～22中的FeSO4換為FeCl2重復實驗，得到類似的現象，只不過產生的沉淀均為紅褐色沉淀，未發(fā)現黃褐色沉淀。

上述實驗25～37說明FeCl2溶液與H2O2溶液的反應與FeSO4溶液與H2O2溶液的反應類似，酸性較強時主要生成Fe3+；弱酸性條件下會有膠體生成，一般不會得到沉淀；在堿性條件下主要生成Fe（OH）3沉淀；不同的是在無外加酸堿時不會得到沉淀，而是得到聚合氯化鐵（膠體）。

4? 結果與討論

4.1? H2O2與FeSO4的作用

根據實驗3～22的現象分析，容易得出在強酸性條件下FeSO4與H2O2溶液反應生成Fe3+，在堿性條件下生成Fe（OH）3，在弱酸性或無外加酸堿的情況下同時生成堿式硫酸鐵（聚合硫酸鐵）和氫氧化鐵，同時含鐵物質會催化H2O2的分解，堿性越強催化效率越高。方程式可簡單表示為：

酸性條件下，H2O2+2Fe2++2H+2Fe3++2H2O

堿性條件下，2Fe2++4OH-+H2O22Fe（OH）3↓

無外加酸堿時，2FeSO4+H2O22Fe（OH）SO4↓和2Fe2++H2O2+4H2O2Fe（OH）3↓+4H+

無外加酸堿時，由于同時發(fā)生H2O2的分解反應，方程式也可以簡單表示為2FeSO4+3H2O22Fe（OH）SO4↓+2H2O+O2↑的形式。另外由于H2O2的分解放熱，部分Fe3+也會水解生成Fe（OH）3使溶液的酸性增強。

因此，FeSO4溶液中加入H2O2產生的沉淀中含有大量的堿式硫酸鐵（聚合硫酸鐵）而不能簡單地認為是氫氧化鐵。

4.2? H2O2與FeCl2的作用

根據實驗25～37的現象分析，容易得出在強酸性條件下H2O2與FeCl2溶液反應生成Fe3+，在堿性條件下生成Fe（OH）3，在弱酸性或無外加酸堿的情況下得聚合氯化鐵（膠體），而無沉淀生成，方程式可簡單表示為：

酸性條件下，H2O2+2Fe2++2H+2Fe3++2H2O

堿性條件下，2Fe2++4OH-+H2O22Fe（OH）3↓

無外加酸堿時，2mFeCl2＋mH2O2＋（n-2m）H2OFe2m（OH）nCl6m-n＋（n-2m）HCl

酸性條件下，向H2O2溶液中滴加FeCl2溶液，由于溶液呈酸性，可能會得到聚合氯化鐵膠體，一般不會得到Fe（OH）3沉淀。

FeSO4溶液中加入H2O2能夠得到沉淀，但沉淀不全是Fe（OH）3，同時還有Fe（OH）SO4；向H2O2溶液中加入酸化的FeCl2溶液，會得到FeCl3溶液或聚合氯化鐵膠體，往往得不到沉淀；在無外加酸堿時也會得到膠體，在堿性條件下會生成Fe（OH）3沉淀。無論是在中性條件下還是在酸性條件下，無論是向含Fe2+的溶液中加入H2O2，還是向H2O2溶液中加入Fe2+溶液，除發(fā)生H2O2與Fe2+之間的氧化還原反應外，同時還發(fā)生含鐵物質催化H2O2的分解反應，堿性越強H2O2分解越劇烈，酸性越強H2O2分解越緩慢。H2O2的分解反應放熱，溫度升高促進Fe3+水解，往往會得到聚合硫酸鐵或聚合氯化鐵。

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