对铁与盐酸硫酸溶液的反应实验药品选择的建议.docx

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对铁与盐酸硫酸溶液的反应实验药品选择的建议

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8mol/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）12�C0067�C04中图分类号：

G633.8文献标识码：

B

　　“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

　　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：

3mol/L硫酸溶液、4mol/L硫酸溶液、6mol/L盐酸溶液、8mol/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6mol/L盐酸溶液、8mol/L盐酸溶液、3mol/L硫酸溶液、4mol/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，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8mol/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0.01mol/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

　　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（18.4mol/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3mol/L或4mol/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6mol/L盐酸、3mol/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）6]2+水合离子存在，Mn（Ⅱ）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（Ⅲ）Fe（OH）SO4，因此，在酸的选择上，宜使用盐酸。

若选择铁屑与8mol/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4mol/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，201不锈钢其含碳量（%）≤0.15，硅：

≤0.75，锰：

5.5～7.50，铬：

16.0～18.0，氮：

≤0.25，磷：

≤0.060，硫：

≤0.030，镍：

3.50～5.50，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）6]3+、蓝绿色的[Cr（H2O）6Cl]Cl2・H2O和绿色的[Cr（H2O）4Cl2]Cl・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。

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）6]2+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）6Cl]Cl2・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，可采用加热法提高反应速率、滴加植物油液封以及添加过量铁粉以防止氧化。

　　正是由于化学物质种类的多样性与性质上的差异性，才让世界五彩斑斓，吸引人们去探究发现其规律。

中学教师应具备扎实的专业知识，格物致知，本着科学的实验态度来研究实验教学中出现的问题，不能单凭“想当然”而不借助理论知识，即便是看似简单的中学实验，也应以严谨的科学态度认真对待，并以实验优化证实。