再探二价铁离子性质原理

再探二价铁（离子）性质实验原理李玉炫，郑婷婷（福建省厦门第一中学，福建厦门361003）一、实验目的二价铁(离子)的性质实验是中学化学实验教学的重点之一，在中学课堂教学中,许多教师均存在认识及观念上的误区。从理论上认为酸化的硝酸根离子溶液中存在稀硝酸，稀硝酸具有强氧化性而氧化Fe2＋。氢氧化亚铁制备时，传统制法是将氢氧化钠注入FeSO4溶液中，结果很难观察到白色沉淀，而是看到灰绿色沉淀，当前普遍观认为其原因即生成的Fe(OH)2迅速被氧化成Fe(OH)3所致。经过多次深入探索，发现以上两观点与实验验事实有较大的出入。事实上，常温下，较稀的硝酸（2.0mol·L―1以下，无法氧化Fe2＋的（包括I―、SO2也无法氧化）；而制取氢氧化亚铁不出现白色沉淀，而出现灰绿色的原因是由于氢氧化亚铁属金属氢氧化物胶体，易吸附阳离子（Fe2＋）所致。本实验是观念上的创新。二、实验原理探究（一）再探亚铁离子与硝酸根离子酸性条件下的共存问题中学教学中通常认为（特别是试题中更为常见）：若酸性溶液中NO3―与Fe2＋均会反应，产生黄色溶液（Fe2＋被氧化成Fe3＋）。但是事实：通常条件下，酸化的硝酸根离子无法氧化Fe2＋(而NO2―酸性条件下氧化性比NO3―强，可氧化Fe2＋)1．实验药品及用品1mol·L―1硫酸亚铁溶液（酸化）、1mol·L―1硝酸溶液、0.1mol·L―1KSCN溶液。2．实验操作在酸化的硫酸亚铁溶液中，加入等体积等浓度（1mol·L―1）硝酸溶液，再加入2—3滴0.1mol·L―1KSCN溶液3．实验现象1mol·L―1硝酸溶液没明显变化4．结论及讨论：结论：常温下极稀的硝酸（＜2mol·L―1）硝酸溶液无法氧化Fe2＋讨论：从热力学的角度上分析：3Fe2＋＋NO3―＋4H＋＝3Fe3＋＋NO↑＋2H2ONO3―(aq)＋3e―＋4H＋(aq)＝NO(g)＋2H2O(l)，Eθ＝0.957VFe3+(aq)＋e―＝Fe2+(aq)，Eθ＝0.769VEMFθ＝Eθ（＋）－Eθ（－）＝0.957V－0.769V＝0.188V＞0但需注意这只是方向上的判断，氯气与铁的氧化还原反应肯定是自发的，但纯净的液氯常温下保存在铁罐中；氢气与氧气若不点燃或加热，它们可在通常条件下永远共存。从动力学的角度去分析：即研究反应速率的快慢。硝酸的氧化性是确实很强，但极稀的硝酸（浓硝酸：14～15mol·L－1，稀硝酸：6～8mol·L－1，极稀硝酸：＜2mol·L－1）与强还原性物质（如Fe2＋、I―、SO2等）在通常条件下混合，反应速率极慢，犹如N2与H2混合，它们反应的平衡常数相当大，但没有高温、高压、催化剂等条件，反应时间再长的也无法达到平衡。稀硝酸的氧化作用是相当复杂的，查阅资料[3]，从反应机理上看，硝酸的氧化作用可以认为首先被还原成NO2，但是因为NO2的产量不多，它来不及逸出反应体系又被水反应或被进一步还原成NO或N2、NH4＋等。硝酸的氧化性与硝酸光化分解而来的NO2催化作用有关，NO2起着传递电子的作用。NO2＋e―＝NO2―NO2―＋H＋＝HNO2HNO3＋HNO2＝H2O＋NO2硝酸通过NO2获得还原剂的电子，反应便被加速。硝酸越浓，酸中溶有的NO2越多，反应速度就越快。而在极稀的硝酸中，NO2的量趋于零，所以反应速率极慢，也就检验不出有Fe3＋。而发烟硝酸有很强的氧化性，就是因为在酸中溶解有很多的NO2的缘故。为验证这解释，再设计如下实验（时间原因这里不演示只讲结论）：将前面所得溶液分装两支试管，一支放入放入80℃～90℃的水浴中加热10分钟，另一支对照，会发现，被加热的试管会变淡红色。说明的确是由于反应速率的原因。（二）氢氧化亚铁制备实验创新新制备氢氧化亚铁沉淀类似Al(OH)3凝胶，具有胶体的特性，胶粒易吸附阳离子，当氢氧化钠溶液注入FeSO4溶液后，产生的氢氧化亚铁吸附了大量的Fe2＋而显浅绿色，而不是因为被氧化而显浅绿色的。此推理若正确，则加热浅绿色沉淀会变白（降低胶体的吸附性），冷却重新变灰绿，或反过来操作，将少量FeSO4溶液注入浓的氢氧化钠溶液中，由于无过多的Fe2＋被Fe(OH)2胶体吸附，就会较持久地观察到白色沉淀。1.实验药品及用品1mol·L―1酸化的硫酸亚铁溶液、6mol·L―1氢氧化钠溶液、试管若干支、滴管若干支、酒精灯2.实验操作加热前加热后刚加入FeSO4溶液放置3分钟后1小时后三、创新的意义（1）大家均认为任何的稀硝酸均能氧化Fe2＋的认识存在误区，如：2010江苏卷常温下，下列各组离子在指定溶液中能大量共存的是A．pH＝1的溶液中：Fe2＋、NO3―、SO42―、Na＋（×）2011江苏卷常温下，下列各组离子在指定溶液中一定能大量共存的是A．1.0mol·L－1的KNO3溶液：H＋、Fe2＋、Cl－、SO42－（×）实验事实证明，这些离子组在通常条件下是可以共存的。化学试题或练习题命制应回避。（2）Fe(OH)2制备最突出的创新点是所提出的新制Fe(OH)2沉淀属胶体，依胶体的性质推导其呈灰绿色是因其是胶体吸附Fe2＋的假设是正确的。因此只要反其道而行之，改变（将少量NaOH溶液挤入过量FeSO4溶液中的）传统的实验操作方法，而把少量FeSO4溶液挤入过量的煮沸过的NaOH溶液中，即实验过程中FeSO4溶液少量，NaOH溶液过量让产生的Fe(OH)2凝胶吸咐不着Fe2＋离子，便可轻而易举地得到白色Fe(OH)2沉淀。从而解决了困扰了多年难以制备白色Fe(OH)2的难题。