實(shí)驗(yàn)室制備高產(chǎn)率硫酸亞鐵銨條件的研究

常越凡，張慧捷，馬衛(wèi)華

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

0 引言

（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的實(shí)驗(yàn)室制備過(guò)程涉及多個(gè)化學(xué)基本操作過(guò)程，作為一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)，成為了大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容之一[10-12]。但文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)[13-17]，在實(shí)驗(yàn)室制備的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 產(chǎn)品往往存在產(chǎn)率較低或純度較低的問(wèn)題，導(dǎo)致試劑的利用率降低，制得的產(chǎn)品由于雜質(zhì)含量較高而無(wú)法直接利用。本文通過(guò)研究原材料鐵和硫酸的加入比例，在水浴條件下反應(yīng)最終得到（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O。通過(guò)表征產(chǎn)品的純度及產(chǎn)率，以期找到高純度、高產(chǎn)率的制備條件，為（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的制備提供一定參考。

1 實(shí)驗(yàn)原理

單質(zhì)鐵與硫酸反應(yīng)生成硫酸亞鐵，在酸亞鐵溶液中加入等物質(zhì)的量的硫酸銨，待硫酸銨完全溶解后，將溶液蒸發(fā)結(jié)晶，得到六水合硫酸亞鐵銨，反應(yīng)方程式如式（1）、式（2）：

用目測(cè)比色法估計(jì)產(chǎn)品中所含雜質(zhì)Fe3+的量，由于Fe3+與SCN-生成紅色配合物[Fe（SCN）n]3-n。當(dāng)溶液的紅色越深，表明產(chǎn)品中的Fe3+越多；取一定質(zhì)量的產(chǎn)品配制成一定濃度的溶液，加入KSCN 后，利用產(chǎn)品中Fe3+與SCN-生成配合物顏色的深淺，與含一定量Fe3+的標(biāo)準(zhǔn)物[Fe（SCN）n]3-n系列進(jìn)行目視比色，根據(jù)顏色的深淺程度，即可知制得的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 晶體中Fe3+的含量，從而確定產(chǎn)品等級(jí)。

采用1，10-菲啰啉分光光度法，在pH＝2～9 的范圍內(nèi)，F(xiàn)e2+可以與1，10-菲啰啉生成穩(wěn)定的橙色配合物。根據(jù)lambert-beer 定律，可以通過(guò)測(cè)定該配合物最大吸收波長(zhǎng)處的吸光度，計(jì)算二價(jià)鐵離子含量，進(jìn)而判定產(chǎn)品純度。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

試劑：鹽酸（1∶1）、稀硫酸（3 mol/L）、硫酸銨（分析純）、無(wú)水碳酸鈉（分析純）、還原鐵粉（分析純）、無(wú)水乙醇（分析純）、六水合硫酸亞鐵銨（分析純）、硫酸高鐵銨（分析純）、硫氰化鉀（分析純）、緩沖試劑混合溶液（0.025 mol/L 鹽酸鄰菲啰啉溶液、0.5 mol/L 氨基乙酸溶液、0.1mol/L 氨三乙酸溶液，按體積比5∶5∶1配制）。

儀器：UV1800 紫外－可見(jiàn)分光光度計(jì)、AUW320電子分析天平、真空循環(huán)水泵。

隨著手工技藝在設(shè)計(jì)領(lǐng)域的不斷發(fā)掘，可以預(yù)見(jiàn)的是將來(lái)的設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)?huì)越來(lái)越強(qiáng)調(diào)人性的關(guān)懷、個(gè)性的張揚(yáng)以及文化屬性的體現(xiàn)，部落式的、階層性的消費(fèi)符號(hào)通過(guò)手工的打造會(huì)不斷涌現(xiàn)。手工藝和設(shè)計(jì)之間的關(guān)系亦會(huì)越來(lái)越密切，兩者抑或成為互不可缺的組成部分。設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新手工藝運(yùn)動(dòng)中的設(shè)計(jì)理念也會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)教育提出新的要求，會(huì)要求設(shè)計(jì)教育不但要培養(yǎng)會(huì)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)師，還要培養(yǎng)會(huì)動(dòng)手的設(shè)計(jì)師。

2.2 硫酸亞鐵銨的制備

2.2.1 原料凈化

于燒杯中稱(chēng)取一定量的還原鐵粉，加入一定體積的15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）碳酸鈉溶液，加熱煮沸10 min，以除去表面少量的油污。傾瀉倒去碳酸鈉溶液后，所得鐵粉用去離子水洗至中性，最后用適量無(wú)水乙醇洗滌，晾干備用。

2.2.2 制備硫酸亞鐵

稱(chēng)取一定質(zhì)量的凈化后的鐵粉于錐形瓶中，并加入相應(yīng)體積的稀硫酸，水浴加熱至不再有氣泡放出。反應(yīng)結(jié)束后，趁熱過(guò)濾至蒸發(fā)皿中。所稱(chēng)鐵粉中未反應(yīng)完的部分晾干后稱(chēng)量，以此計(jì)算實(shí)際與硫酸反應(yīng)的鐵的質(zhì)量。

2.2.3 制備硫酸亞鐵銨

根據(jù)反應(yīng)生成硫酸亞鐵的量，按反應(yīng)方程式計(jì)算并稱(chēng)取所需（NH4）2SO4的質(zhì)量。在室溫下將（NH4）2SO4緩慢加入盛有硫酸亞鐵溶液的蒸發(fā)皿中，攪拌使（NH4）2SO4溶解完全。將所得混合溶液用沸水浴加熱濃縮，待溶液中大部分水分蒸干，取下蒸發(fā)皿，靜置使其自然冷卻至室溫，待硫酸亞鐵銨晶體完全析出。

將所得產(chǎn)品減壓過(guò)濾，用少量無(wú)水乙醇洗滌晶體，過(guò)濾完畢后取出晶體，用濾紙吸除晶體表面殘留的水和乙醇，放置在室溫中待產(chǎn)品完全晾干（產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到恒重），稱(chēng)量產(chǎn)品質(zhì)量。

2.3 Fe3+含量分析

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)色階溶液的配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量的硫酸高鐵銨，配制成Fe3+質(zhì)量濃度為1.000 g/L 的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，再將儲(chǔ)備液稀釋成一定濃度的使用液，再分別準(zhǔn)確移取3 個(gè)不同體積的使用液于3 支25 mL 比色管中，依次加入1 mL鹽酸溶液（1∶1）和2 mL 25%KSCN 溶液，用去離子水定容至刻線(xiàn)，搖勻。標(biāo)準(zhǔn)色階中Fe3+含量如表1所示。

表1 標(biāo)準(zhǔn)色階中Fe3+含量

2.3.2 產(chǎn)品溶液的配制

稱(chēng)取0.50 g 硫酸亞鐵銨產(chǎn)品，置于25 mL 比色管中，加入一定體積的除氧水溶解晶體，然后依次加入1 mL 鹽酸溶液（1∶1）和2 mL 25%KSCN 溶液，最后用無(wú)氧水定容，搖勻。將配制好的溶液與標(biāo)準(zhǔn)色階進(jìn)行目視比色，確定產(chǎn)品等級(jí)。

2.4 產(chǎn)品純度檢驗(yàn)

2.4.1 吸收曲線(xiàn)和標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的繪制

于分析天平上準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量的硫酸亞鐵銨，用一定體積稀硫酸溶解后定量轉(zhuǎn)移至容量瓶中，用無(wú)氧水稀釋至刻度，搖勻，配制成Fe2+質(zhì)量濃度為1.500 g/L 的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液。準(zhǔn)確移取一定體積儲(chǔ)備液于另一容量瓶中，用無(wú)氧水配制成Fe2+質(zhì)量濃度為75 mg/L 的標(biāo)準(zhǔn)使用溶液。再?gòu)氖褂靡褐幸迫〔煌w積的溶液于7 個(gè)容量瓶中，加入20 mL 緩沖試劑混合溶液，無(wú)氧水稀釋定容后放置約20 min。

以標(biāo)準(zhǔn)系列中Fe2+質(zhì)量濃度為0 μg/mL 的溶液作為參比溶液，選擇Fe2+質(zhì)量濃度為2 μg/mL 左右的標(biāo)準(zhǔn)溶液作為待測(cè)溶液，測(cè)定400～800 nm 范圍內(nèi)溶液的吸光度。以入射光波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制光吸收曲線(xiàn)。

以標(biāo)準(zhǔn)系列中Fe2+質(zhì)量濃度為0 μg/mL 的溶液作為參比溶液，在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的吸光度，以標(biāo)準(zhǔn)系列溶液濃度為橫坐標(biāo)，吸光度為縱坐標(biāo)繪制工作曲線(xiàn)。

2.4.2 產(chǎn)品純度的測(cè)定

準(zhǔn)確稱(chēng)取一定質(zhì)量的硫酸亞鐵銨產(chǎn)品，用一定體積稀硫酸溶解后定量轉(zhuǎn)移至容量瓶中，用無(wú)氧水稀釋至刻度，搖勻。確定產(chǎn)品溶液的稀釋倍數(shù)，配制待測(cè)溶液，按照工作曲線(xiàn)繪制時(shí)的溶液顯色方法和測(cè)定方法，在最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定其吸光度。再由測(cè)得吸光度從工作曲線(xiàn)查出待測(cè)溶液中Fe2+的質(zhì)量濃度，計(jì)算出產(chǎn)品的純度。計(jì)算公式如式（1）：

式中：ρx為從工作曲線(xiàn)查得的待測(cè)溶液中鐵質(zhì)量濃度，mg/L；n 為產(chǎn)品溶液的稀釋倍數(shù)；V 為產(chǎn)品溶液定容后的體積，L；m 為準(zhǔn)確稱(chēng)取的產(chǎn)品質(zhì)量，g；M1為鐵元素的摩爾質(zhì)量，55.84 g/mol；M2為六水合硫酸亞鐵銨的摩爾質(zhì)量，391.97 g/mol。

由產(chǎn)品的純度及稱(chēng)得的產(chǎn)品質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)品的產(chǎn)率。

式中：（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的理論產(chǎn)量由實(shí)際與硫酸反應(yīng)的鐵的質(zhì)量計(jì)算得出。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 （NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的粗產(chǎn)率及產(chǎn)品等級(jí)

調(diào)整加入稀硫酸溶液的量，按照n（Fe）∶n（H2SO4）分別為1∶1.1、1∶1.2、1∶1.3、1∶1.4、1∶1.5 加入相應(yīng)體積的稀硫酸溶液，最終得到的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的產(chǎn)品粗產(chǎn)率及產(chǎn)品等級(jí)如表2 所示。

表2 按不同比例制備得到的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的產(chǎn)品外觀及產(chǎn)品等級(jí)

從表2 可以看出，加入的硫酸的量不同，制得的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的外觀和產(chǎn)品等級(jí)不同。其中，只有2 號(hào)和3 號(hào)產(chǎn)品的等級(jí)為一級(jí)，并且2 號(hào)和3 號(hào)產(chǎn)品的外觀為淡綠色，而其他產(chǎn)品的外觀上則出現(xiàn)少量微黃色或白色。這說(shuō)明，當(dāng)硫酸的量不足時(shí)，生成的FeSO4會(huì)發(fā)生部分水解，而水解后的Fe2+容易在后續(xù)的制備過(guò)程中被氧化為Fe3+，并且水解的Fe 不會(huì)和（NH4）2SO4繼續(xù)反應(yīng)，因此產(chǎn)品中有少量（NH4）2SO4出現(xiàn)，產(chǎn)品外觀發(fā)白。因此整個(gè)制備過(guò)程中，為了提高鐵的轉(zhuǎn)化率以及防止溶液中生成的硫酸亞鐵水解，應(yīng)過(guò)量加入硫酸，但過(guò)多地加入硫酸后，加速了Fe2+轉(zhuǎn)化為Fe3+的速率，導(dǎo)致有少量NH4Fe（SO4）2生成，產(chǎn)品外觀上有少量微黃色出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加入的硫酸的量控制在1.2～1.3 之間，此時(shí)的產(chǎn)品等級(jí)可達(dá)到一級(jí)并且外觀呈淡綠色。

3.2 （NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的純度分析

含有Fe2+溶液的吸收曲線(xiàn)如圖1 所示。

圖1 Fe2+與1，10-菲啰啉形成的配合物的吸收曲線(xiàn)

從圖1 吸收曲線(xiàn)圖可知，F(xiàn)e2+與1，10-菲啰啉所形成的配合物在510 nm 處存在最大吸收。設(shè)置測(cè)定的入射光波長(zhǎng)為510 nm，測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的吸光度及標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)如表3、圖2。

表3 標(biāo)準(zhǔn)系列濃度及相應(yīng)吸光度

由標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)，結(jié)合測(cè)得的產(chǎn)品溶液的吸光度，再根據(jù)純度計(jì)算公式，得到產(chǎn)品的純度，如表4所示。

表4 根據(jù)Fe 與稀H2SO4 不同的比例得到的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的純度及產(chǎn)率

從表4 可知，所有（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 產(chǎn)品的產(chǎn)率均高于90%，當(dāng)n（Fe）∶n（H2SO4）=1∶1.3 時(shí)，制備得到的（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 的純度最高，可達(dá)到99.04%，其產(chǎn)率也超過(guò)95%。這是由于該比例下合成（NH4）2Fe-（SO4）2·6H2O 時(shí)，硫酸既能很好地抑制Fe2+的水解，同時(shí)又不會(huì)加快Fe2+向Fe3+轉(zhuǎn)化的速率。

4 結(jié)論

本文研究了在制備（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O 時(shí)，硫酸對(duì)于產(chǎn)品的產(chǎn)率及純度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)硫酸過(guò)量30%時(shí)，得到的產(chǎn)品純度在99%以上且產(chǎn)率也在90%以上。產(chǎn)品純度接近分析純且產(chǎn)率較高，進(jìn)而一定程度上提高了試劑的利用率，為實(shí)驗(yàn)室制備硫酸亞鐵銨提供了一定的參考。