案例：基于數(shù)字實驗下的氫氧化亞鐵制備的研究

基于數(shù)字實驗下的氫氧化亞鐵制備的研究摘要：在制備氫氧化亞鐵的過程中，筆者使用數(shù)字傳感器測定發(fā)現(xiàn)，縱然在無氧環(huán)境下也很難長時間看到白色絮狀沉淀，故筆者對灰綠色沉淀形成的“氧化理論（認(rèn)為氫氧化亞鐵被氧化所致）”之說提出質(zhì)疑。結(jié)合亞鐵離子的顏色，筆者認(rèn)為灰綠色的出現(xiàn)，可能是因為生成氫氧化亞鐵凝膠吸附亞鐵離子所致（吸附過程）。并對常見的氫氧化亞鐵制備的改進實驗的真?zhèn)芜M行驗證，對于“雙試管實驗”、“雙水解實驗”能夠成功的原因進行分析，認(rèn)為氣體的生成阻礙了亞鐵離子聚集，因而可以長時間看到白色沉淀，并通過實驗進行了驗證。關(guān)鍵詞：氫氧化亞鐵制備灰綠色聚集理論阻礙理論高中化學(xué)教師在演示用硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液，制備白色的氫氧化亞鐵實驗時，往往會得到灰綠色沉淀[1]。對于這一現(xiàn)象，化學(xué)老師普遍解釋為是氫氧化亞鐵被溶液中溶解的氧氣氧化所致。但是筆者向硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液中均加入少量的Vc注射液，并運用數(shù)字實驗檢測到兩溶液中溶解氧含量為零，互滴后依然不能長時間看到白色沉淀。同時通過對常見的氫氧化亞鐵制備改進實驗進行驗證，及對實驗結(jié)果進行分析，筆者認(rèn)為灰綠色沉淀的出現(xiàn)可能是氫氧化亞鐵凝膠吸附亞鐵離子聚集所導(dǎo)致的?，F(xiàn)將筆者的研究過程整理如下。一、運用數(shù)字實驗檢測無氧環(huán)境下生成的氫氧化亞鐵沉淀是否迅速變?yōu)榛揖G色 為了排除溶液中溶解氧的影響，筆者在氫氧化鈉溶液中和硫酸亞鐵溶液中均加入Vc注射液以消耗掉溶液中溶解的氧氣（除消耗溶解的氧氣外Vc并不參與其他反應(yīng)），用溶解氧傳感器檢測確定無氧后，將硫酸亞鐵溶液滴加到氫氧化鈉溶液中，觀察是否有灰綠色出現(xiàn)。1.1實驗儀器及藥品

實驗儀器：電腦及軟件、威尼爾數(shù)據(jù)采集器、光學(xué)溶解氧傳感器、磁力攪拌器等。實驗藥品：1mol/LNaOH溶液、0.1mol/L硫酸亞鐵溶液、Vc注射液（常州制藥廠有限公司生產(chǎn)，5mL/支）等。1.2實驗裝置圖（如圖1） 圖1實驗裝置圖1.3實驗操作1 打開威尼爾軟件，點開“數(shù)據(jù)采集”菜單，勾選“持續(xù)采集數(shù)據(jù)”，將溶解氧傳感器插入到待測溶液中，點擊“采集”圖標(biāo)。1.4實驗數(shù)據(jù) 圖2滴加2滴Vc后硫酸亞鐵溶液中氧含量

圖中數(shù)據(jù)顯示，滴加2滴Vc后硫酸亞鐵溶液中溶解氧含量為0％。圖3滴加2滴Vc后氫氧化鈉溶液中氧含量

圖中數(shù)據(jù)顯示，滴加2滴Vc后的氫氧化鈉溶液中溶解氧含量為0％。將含有0.1mol/L硫酸亞鐵溶液（滴有2滴Vc注射液）的滴定管，插入到氫氧化鈉溶液（滴有2滴Vc注射液）液面下，緩慢滴加硫酸亞鐵溶液。產(chǎn)生的白色沉淀迅速變?yōu)榛揖G色。1.5實驗結(jié)論

使用氧含量均為零的氫氧化鈉溶液與硫酸亞鐵溶液反應(yīng)，白色沉淀依然迅速變?yōu)榛揖G色，說明沉淀顏色的變化并不是由氧氣所引起的。二、常見制備氫氧化亞鐵沉淀的改進實驗分析

氫氧化亞鐵的制備實驗的改進裝置有很多[2]-[7]，有些改進實驗可以長時間看到白色沉淀，但是多數(shù)實驗只能短時間看到白色沉淀，筆直選取了比較典型的三2個實驗進行分析。2.1植物油隔絕空氣的改進裝置 圖4植物油隔絕空氣的改進裝置

圖4是較為常見的改進裝置，利用植物油隔絕空氣進行實驗，也有人認(rèn)為將氫氧化鈉溶液滴加到硫酸亞鐵溶液中效果更好，但筆者重復(fù)該實驗同樣不能長時間看到白色絮狀沉淀。2.2運用氫氧化鈉乙醇溶液與0.1mol/L硫酸亞鐵溶液反應(yīng)

有作者使用氫氧化鈉乙醇溶液(飽和，下同)與0.1mol/L硫酸亞鐵溶液反應(yīng)可以長時間看到白色沉淀，筆者重復(fù)該實驗發(fā)現(xiàn)確實如此。但利用實驗方法驗證沉淀成分，發(fā)現(xiàn)該白色沉淀并不是氫氧化亞鐵沉淀，而是硫酸鈉。 具體操作如下：

方法一：傳統(tǒng)化學(xué)實驗分析

步驟1：過濾出氫氧化鈉乙醇溶液與0.1mol/L硫酸亞鐵溶液反應(yīng)制得的白色沉淀，并使用乙醇清洗后。加入一定量的水，發(fā)現(xiàn)白色沉淀溶解，得到無色溶液； 步驟2：用鉑絲對該無色溶液進行焰色反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)火焰顏色呈黃色，說明溶液中含有鈉離子；

步驟3：往步驟1所得的無色溶液中加入過量1mol/L鹽酸溶液，再滴加幾滴0.1mol/L氯化鋇溶液，出現(xiàn)白色沉淀，說明溶液中含有硫酸根離子。 步驟4：往氫氧化鈉乙醇溶液中，滴加0.1mol/L的硫酸溶液，也出現(xiàn)了白色沉淀。 結(jié)論：氫氧化鈉乙醇溶液與硫酸亞鐵溶液反應(yīng)，生成的白色沉淀中含有硫酸鈉。方法二：XRD檢測法

XRD即X-raydiffraction的縮寫，X射線衍射，通過對材料進行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。3 圖5 白色沉淀X射線衍射圖譜

從上圖可以看出，待測樣品XRD峰形峰位與標(biāo)準(zhǔn)卡片(78—2076)吻合，呈立方晶系。衍射峰從左到右分別對應(yīng)于立方相的(110)、(111)、(200)、(220)、(311)及(222)晶面。由圖中的譜線可以看出，除Na2SO4的衍射峰外，沒有發(fā)現(xiàn)Fe(OH)2的衍射峰。 實驗結(jié)論：白色沉淀為硫酸鈉，而非氫氧化亞鐵沉淀。2.3雙試管改進實驗 圖6雙試管改進實驗

圖6的實驗操作如下，先關(guān)閉止水夾，待鐵粉與硫酸反應(yīng)一段時間后，打開止水夾，利用氣壓差將新生成的硫酸亞鐵溶液壓至試管B的氫氧化鈉溶液中。該實驗可重復(fù)性較強，能夠較長時間看到白色沉淀。對于該實驗?zāi)軌虺晒?，很多人認(rèn)為是生成的氫氣將水中溶解的氧氣完全趕走所致。氫氣的通入真能降低氧氣的溶解度嗎？筆者使用光學(xué)溶解氧傳感器，檢測了水中通入氫氣后的溶解氧含量變化，具體裝置圖及實驗數(shù)據(jù)如下：4圖7 通氫氣后水溶液中溶解氧含量測定實驗裝置圖 圖8通氫氣后水溶液中溶解氧的變化曲線

從實驗數(shù)據(jù)可知，在持續(xù)通入氫氣的過程中，確實可以降低水溶液中溶解氧含量，但數(shù)值只是從最初的8.3mg/L變?yōu)?.0mg/L，變化并不甚大，而且最終還剩余較多的溶解氧。由此可以推斷，雙試管實驗成功的關(guān)鍵并不是通入氫氣趕走了溶液中的溶解氧。筆者認(rèn)為該類實驗中經(jīng)常出現(xiàn)的灰綠色沉淀是由氫氧化亞鐵凝膠吸附亞鐵離子聚集所致，而在本實驗中反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣阻撓了氫氧化亞鐵凝膠吸附亞鐵離子，避免了亞鐵離子的聚集?；谶@種解釋，在制備氫氧化亞鐵沉淀過程中只要還有氣體產(chǎn)生，就有阻止亞鐵離子聚集的可能，從而可長時間看到白色沉淀。因此筆者又選取符合該條件的硫酸亞鐵與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)，因亞鐵離子與碳酸氫根離子的雙水解，在產(chǎn)生沉淀的同時還會有二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生。 圖9硫酸亞鐵與碳酸氫鈉溶液反應(yīng)實驗裝置圖

如圖9所示，在白色橡膠管中加入10mL1.5mol/L碳酸氫鈉溶液，使用注射器緩慢地注射約1mL1mol/L的硫酸亞鐵溶液，可以看到溶液中有少量氣泡產(chǎn)生，同時可以較長時間看到白色沉淀。從該實驗的結(jié)果來看，印證了前文所述的產(chǎn)生氣體阻礙了亞鐵離子聚集，可以長時間的看到白色沉淀。 為了證實這一點，筆者在硫酸亞鐵溶液與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的同時通入氫氣，并設(shè)計了如下實驗。2.4沉淀制備時通入氫氣5 圖10硫酸亞鐵溶液與氫氧化鈉溶液反應(yīng)的同時通入氫氣

如圖10所示，在U型管中先加入4mLCCl4溶液；然后在左右兩側(cè)同時分別加入3mL水和3mL1.0mol/LNaOH溶液；從U型管左側(cè)通入氫氣（氫氣流速不易過快）；右側(cè)插入液面以下加入0.1mol/L硫酸亞鐵溶液。該實驗可長時間（約2min）看到白色沉淀。筆者將氫氣換成氮氣也能長時間看到白色絮狀沉淀，說明通入不反應(yīng)的氣體對于灰綠色沉淀的形成有阻礙作用。三、研究結(jié)論從文中可以得知，在使用氫氧化鈉與硫酸亞鐵溶液制備氫氧化亞鐵過程中，縱然水溶液中溶解氧含量為零，依然不能長時間看到白色沉淀，由此可以說明氫氧化亞鐵沉淀變?yōu)榛揖G色并不是溶解的氧氣所致。而持續(xù)通入氫氣對于溶液中溶解的氧氣雖有影響但影響并不甚大，說明雙試管實驗的成功不是因為生成氫氣趕走溶解的氧氣所致。筆者認(rèn)為灰綠色的出現(xiàn)是由氫氧化亞鐵吸附亞鐵離子聚集所致，筆者稱之為“吸附過程”；雙試管實驗、硫酸亞鐵與碳酸氫鈉的雙水解實驗中由于產(chǎn)生氣體的沖擊作用阻礙了亞鐵離子的聚集。往硫酸亞鐵溶液與氫氧化鈉溶液中通入氫氣，能長時間看到白色沉淀也可印證這一點。參考文獻(xiàn)

[1]宋心琦主編.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實驗教科書：化學(xué)(必修一)[M].第3版,北京:人民教育出版社，2007：48.[2]吳名勝.探究制備氫氧化亞鐵的實驗方法[J].化學(xué)教育，2010，(9)：79-81.[3]肖中榮.談化學(xué)核心素養(yǎng)之實驗探究精神的塑造[J].中學(xué)化學(xué)教學(xué)參考，2016，(9)：38-40.[4]馬善恒,朱成東.制備白色氫氧化亞鐵沉淀的改進方法[J]