对“铁与盐酸、硫酸溶液的反应”实验药品选择的建议

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 对“铁与盐酸、硫酸溶液的反应”实验 药品选择的建议 摘要：铁与非氧化性酸发生反应 生成 Fe2+，但浅绿色现象在课堂实验 中y 以快速实现。为解决此问题，在 材料的选择上进行了实验探究，并对出 现的诸多副反应现象进行了理论分析。 发现用还原性铁粉与 8 mol/L 盐酸溶液 反应能快速出现浅绿色现象，适宜做课 堂教学实验。 中国论文网 /9/view-12940212.htm 关键词：铁；盐酸溶液；稀硫酸； 实验探究 文章编号：1005 C6629（2016）12C0067C04 中图 分类号：G633.8 文献标识码：B -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 “金属与酸的反应 ”首次出现在人 教版义务教育教科书九年级化学1 下册第八单元课题 2。其次在人教版普 通高中课程标准实验教科书化学 1 第四章第四节中，介绍了关于 Fe 在常 温下在浓硫酸中的钝化反应2。单质铁 与非氧化性酸发生反应生成 Fe2+，这 是毋须置疑的客观事实。但在实际的实 验教学中发现：用含铁金属与稀盐酸或 稀硫酸的反应速率过于缓慢，课堂实验 中难以快速观测到溶液由无色变为浅绿 色的现象，且常伴随着副反应的发生。 众多教师在对该实验现象的解释中选择 了回避，造成学生对实验结论的接受度 不高。 为此，我们设计了常见的含铁金 属与不同浓度的硫酸、盐酸溶液反应的 研究实验，并对实验过程中出现的现象 进行理论分析，以期得到在课堂实验中 快速出现浅绿色现象的实验方案。 1 材料与方法 1.1 实验材料 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 普通铁钉（规格：2 寸、长 50mm，1.5 寸、长 38mm；天津金利华 源钉业有限公司） 、A3 铁板（经切割机 处理为铁屑，下文简称“ 铁屑 ”） 、201 不 锈钢（经切割机处理为屑，下文简称 “不锈钢屑”） 、还原性铁粉（分析纯， 广东省化学试剂工程技术研究开发中心） 、酸（选取中学实验室常用浓度的酸： 3 mol/L 硫酸溶液、4 mol/L 硫酸溶液、 6 mol/L 盐酸溶液、8 mol/L 盐酸溶液） 1.2 实验方法 在多次重复性实验基础上，选择 铁钉（1.5 寸、2 寸） 、铁屑、不锈钢屑、 铁粉分别与 6 mol/L 盐酸溶液、8 mol/L 盐酸溶液、3 mol/L 硫酸溶液、4 mol/L 硫酸溶液各 6mL 于试管中进行实验， 并滴加植物油液封防止氧化，观察、记 录实验现象，记录反应时间。 2 结果与分析 2.1 普通铁钉反应实验 由表 1，表 2 可知，用不同规格 的普通铁钉与不同浓度酸溶液进行反应， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 浅绿色现象明显，但所需时间较长，1d 后能观察到明显现象，且普通铁钉中含 碳量较高，均会出现黑色悬浮颗粒。且 随酸的浓度增大，黑色颗粒增多。 2.2 铁屑反应实验 由表 3 可知，铁屑与酸溶液反应 出现浅绿色现象较铁钉颜色更浅，但所 需时间仍然很长，1d 后能观察到明显现 象，且铁屑中含碳量较高，同样出现黑 色悬浮颗粒，其中硫酸溶液中出现的黑 色颗粒较盐酸溶液更多。 2.3 不锈钢屑反应实验 由表 4 可知，以不锈钢屑为实验 材料进行实验，绿色现象出现较快，尤 其是第 4 组实验，在 5min 内出现浅绿 色现象，但不锈钢片整体出现较多复杂 实验现象，虽未观察到黑色颗粒悬浮物， 但出现诸多如黄绿色、蓝绿色等副反应 的颜色现象。 2.4 铁粉反应实验 由表 5 可知，利用还原性铁粉与 稀盐酸或稀硫酸反应，浅绿色溶液现象 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 明显，且实验时间短，等浓度的盐酸反 应的现象较稀硫酸更快3，4。在笔者 的实验范围内，选用 8 mol/L 的盐酸实 验效果最佳。在此基础上，若用酒精灯 加热试管，将会在 30s 内观察到明显的 浅绿色现象。 3 注意事项 （1）含 Fe2+的盐溶液在酸性介 质中较稳定，但随着反应进行，仍易被 氧化，故在保存含 Fe2+的盐溶液中应 加入适量 H+浓度为 0.01 mol/L 的相应 酸，同时添加适量（1g） 铁粉以防止 氧化。 （2）若选用铁屑或铁钉与酸溶 液进行实验，需预先用酸洗除去铁屑表 面的铁锈。 （3）经多次实验证明：盐酸、 硫酸的浓度应适中，浓度太小反应速率 太慢，浓度太大反应速率太快或钝化， 且反应时液体会冲出试管造成危险。建 议使用笔者推荐的浓度进行实验。 4 讨论 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 4.1 酸的浓度不宜过大 根据文献报道，常温下 Al、Fe、Cr 等金属在大于 98%的硫酸 （18.4 mol/L）中发生钝化反应，由此 可用铁制容器盛装冷硫酸5。因此，取 常用浓度为 3 mol/L 或 4 mol/L 的 H2SO4 溶液，而不能选取浓度过大的浓 硫酸。为理论上控制相应的 H+浓度， 故选择 2 倍浓度的盐酸溶液。 4.2 以严谨的科学态度选择含铁 金属 含铁金属种类众多，笔者选用市 面上常见含铁金属为实验材料。生铁钉 为常见家用铁钉，即常用生铁（GBT- 718-2005） ，除铁外，还含有碳、硅、 锰、磷和硫等元素对性质试验造成影响。 国标显示生铁与 A3 铁板的含铁量低于 不锈钢，此外就其晶体结构而言，不利 于与酸溶液发生置换反应。因此，鉴于 Fe2+能被空气中 O2 氧化原因，铁钉与 铁屑均不宜于演示实验。经过多次实验 证明，选择铁钉分别与 6 mol/L 盐酸、3 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 mol/L 硫酸提前一天进行实验，虽可观 察到溶液中的浅绿色，但也证明了铁钉 中含有碳的黑色颗粒。此外，生铁中含 锰，在酸性介质中以+2 价的粉红色 Mn（H2O）62+ 水合离子存在， Mn（）为四面体配合物，在四面体 中，其晶体分裂能较八面体场低，所以 高自旋四面体型配合物颜色较深，呈黄 绿色6。此外，铁钉与稀硫酸发生反应， 久置溶液，会有 FeSO4 7H2O 绿色晶 体的析出。FeSO4 7H2O 晶体在空气 中易氧化为黄褐色的碱式硫酸铁（） Fe（OH）SO4，因此，在酸的选择上， 宜使用盐酸。若选择铁屑与 8 mol/L 盐 酸提前一天进行实验，可观察到溶液中 的浅绿色；若选择 4 mol/L 的硫酸提前 一天进行实验，则液体中悬浮有较多的 黑色颗粒会影响浅绿色的观察。 4.3 杜绝实验材料选择中的“想当然” 有的教师认为不锈钢含铁量高于 生铁，于是在课堂实验中选择不锈钢为 实验材料，其实不然。查阅资料得知， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 201 不锈钢其含碳量（%）0.15，硅： 0.75，锰：5.57.50，铬： 16.018.0，氮：0.25，磷：0.060， 硫：0.030，镍：3.505.50，铜：半铜 0.8，高铜 1.5 GB/T20878-2007。不锈 钢屑与盐酸或硫酸溶液反应，呈现诸多 颜色变化，原因在于首先不锈钢中铬含 量至少大于 12%，且铬的价电子层结构 为 3d54s1，6 个价电子均可成键，具多 种氧化态；在酸性介质中，非钝化的铬 十分活跃，易将不锈钢中铜、镍等从其 溶液中置换出来；在与盐酸溶液反应中， 铬会先生成蓝色的 CrCl2 溶液，进一步 被空气氧化为绿色的 CrCl3 溶液，由于 Cr3+离子配位能力极强，在盐酸溶液中 以紫色的Cr （H2O）63+、蓝绿色的 Cr（H2O ）6ClCl2 H2O 和绿色的 Cr（H2O ）4Cl2Cl 2H2O 形式存在； 铬与硫酸溶液反应生成 Cr2（SO4）3 与 冷硫酸以紫色的 Cr2（SO4）3 18H2O、绿色的 Cr2（SO4）3 6H2O 与桃红色的 Cr2（SO4）3 无水形式存在。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 其次 Ni 能溶于稀酸中，如与硫酸反应 生成 NiSO4，在溶液中能以绿色晶体 NiSO4 7H2O 形式存在。同理，Ni 也 能与盐酸反应，其生成物以 NiCl2 7H2O、NiCl2 6H2O、NiCl2 4H2O 和 NiCl2 2H2O 等一系列绿色晶体形 式存在7。因此，在表 4 所显示的实验 现象中，观察到的浅绿色并非完全为 Fe（H2O ）62+所呈现的颜色。不锈钢 与硫酸发生反应，局部出现桃红色 Cr2（SO4）3、紫色的 Cr2 盖，因此可 在 1h 后观察到深绿色现象。由于不锈 钢中铬含量很高，最终由于Cr（H2O） 6ClCl2 H2O 的影响，使溶液呈现青 色现象。由此，笔者认为不锈钢与盐酸 或硫酸溶液反应，不宜用于金属 Fe 与 非氧化性酸的演示实验或学生实验。 结合实验结果与分析，我们建议， 在中学阶段的演示实验或学生实验中， 为提高课堂效率，宜使用还原性铁粉 （分析纯或优级纯）与 8M 的盐酸溶液 反应，能快速出现浅绿色现象。此外， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料