案例：基于数字实验下的氢氧化亚铁制备的研究

基于数字实验下的氢氧化亚铁制备的研究摘要：在制备氢氧化亚铁的过程中，笔者使用数字传感器测定发现，纵然在无氧环境下也很难长时间看到白色絮状沉淀，故笔者对灰绿色沉淀形成的“氧化理论（认为氢氧化亚铁被氧化所致）”之说提出质疑。结合亚铁离子的颜色，笔者认为灰绿色的出现，可能是因为生成氢氧化亚铁凝胶吸附亚铁离子所致（吸附过程）。并对常见的氢氧化亚铁制备的改进实验的真伪进行验证，对于“双试管实验”、“双水解实验”能够成功的原因进行分析，认为气体的生成阻碍了亚铁离子聚集，因而可以长时间看到白色沉淀，并通过实验进行了验证。关键词：氢氧化亚铁制备灰绿色聚集理论阻碍理论高中化学教师在演示用硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液，制备白色的氢氧化亚铁实验时，往往会得到灰绿色沉淀[1]。对于这一现象，化学老师普遍解释为是氢氧化亚铁被溶液中溶解的氧气氧化所致。但是笔者向硫酸亚铁溶液和氢氧化钠溶液中均加入少量的Vc注射液，并运用数字实验检测到两溶液中溶解氧含量为零，互滴后依然不能长时间看到白色沉淀。同时通过对常见的氢氧化亚铁制备改进实验进行验证，及对实验结果进行分析，笔者认为灰绿色沉淀的出现可能是氢氧化亚铁凝胶吸附亚铁离子聚集所导致的。现将笔者的研究过程整理如下。一、运用数字实验检测无氧环境下生成的氢氧化亚铁沉淀是否迅速变为灰绿色 为了排除溶液中溶解氧的影响，笔者在氢氧化钠溶液中和硫酸亚铁溶液中均加入Vc注射液以消耗掉溶液中溶解的氧气（除消耗溶解的氧气外Vc并不参与其他反应），用溶解氧传感器检测确定无氧后，将硫酸亚铁溶液滴加到氢氧化钠溶液中，观察是否有灰绿色出现。1.1实验仪器及药品

实验仪器：电脑及软件、威尼尔数据采集器、光学溶解氧传感器、磁力搅拌器等。实验药品：1mol/LNaOH溶液、0.1mol/L硫酸亚铁溶液、Vc注射液（常州制药厂有限公司生产，5mL/支）等。1.2实验装置图（如图1） 图1实验装置图1.3实验操作1 打开威尼尔软件，点开“数据采集”菜单，勾选“持续采集数据”，将溶解氧传感器插入到待测溶液中，点击“采集”图标。1.4实验数据 图2滴加2滴Vc后硫酸亚铁溶液中氧含量

图中数据显示，滴加2滴Vc后硫酸亚铁溶液中溶解氧含量为0％。图3滴加2滴Vc后氢氧化钠溶液中氧含量

图中数据显示，滴加2滴Vc后的氢氧化钠溶液中溶解氧含量为0％。将含有0.1mol/L硫酸亚铁溶液（滴有2滴Vc注射液）的滴定管，插入到氢氧化钠溶液（滴有2滴Vc注射液）液面下，缓慢滴加硫酸亚铁溶液。产生的白色沉淀迅速变为灰绿色。1.5实验结论

使用氧含量均为零的氢氧化钠溶液与硫酸亚铁溶液反应，白色沉淀依然迅速变为灰绿色，说明沉淀颜色的变化并不是由氧气所引起的。二、常见制备氢氧化亚铁沉淀的改进实验分析

氢氧化亚铁的制备实验的改进装置有很多[2]-[7]，有些改进实验可以长时间看到白色沉淀，但是多数实验只能短时间看到白色沉淀，笔直选取了比较典型的三2个实验进行分析。2.1植物油隔绝空气的改进装置 图4植物油隔绝空气的改进装置

图4是较为常见的改进装置，利用植物油隔绝空气进行实验，也有人认为将氢氧化钠溶液滴加到硫酸亚铁溶液中效果更好，但笔者重复该实验同样不能长时间看到白色絮状沉淀。2.2运用氢氧化钠乙醇溶液与0.1mol/L硫酸亚铁溶液反应

有作者使用氢氧化钠乙醇溶液(饱和，下同)与0.1mol/L硫酸亚铁溶液反应可以长时间看到白色沉淀，笔者重复该实验发现确实如此。但利用实验方法验证沉淀成分，发现该白色沉淀并不是氢氧化亚铁沉淀，而是硫酸钠。 具体操作如下：

方法一：传统化学实验分析

步骤1：过滤出氢氧化钠乙醇溶液与0.1mol/L硫酸亚铁溶液反应制得的白色沉淀，并使用乙醇清洗后。加入一定量的水，发现白色沉淀溶解，得到无色溶液； 步骤2：用铂丝对该无色溶液进行焰色反应，发现火焰颜色呈黄色，说明溶液中含有钠离子；

步骤3：往步骤1所得的无色溶液中加入过量1mol/L盐酸溶液，再滴加几滴0.1mol/L氯化钡溶液，出现白色沉淀，说明溶液中含有硫酸根离子。 步骤4：往氢氧化钠乙醇溶液中，滴加0.1mol/L的硫酸溶液，也出现了白色沉淀。 结论：氢氧化钠乙醇溶液与硫酸亚铁溶液反应，生成的白色沉淀中含有硫酸钠。方法二：XRD检测法

XRD即X-raydiffraction的缩写，X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。3 图5 白色沉淀X射线衍射图谱

从上图可以看出，待测样品XRD峰形峰位与标准卡片(78—2076)吻合，呈立方晶系。衍射峰从左到右分别对应于立方相的(110)、(111)、(200)、(220)、(311)及(222)晶面。由图中的谱线可以看出，除Na2SO4的衍射峰外，没有发现Fe(OH)2的衍射峰。 实验结论：白色沉淀为硫酸钠，而非氢氧化亚铁沉淀。2.3双试管改进实验 图6双试管改进实验

图6的实验操作如下，先关闭止水夹，待铁粉与硫酸反应一段时间后，打开止水夹，利用气压差将新生成的硫酸亚铁溶液压至试管B的氢氧化钠溶液中。该实验可重复性较强，能够较长时间看到白色沉淀。对于该实验能够成功，很多人认为是生成的氢气将水中溶解的氧气完全赶走所致。氢气的通入真能降低氧气的溶解度吗？笔者使用光学溶解氧传感器，检测了水中通入氢气后的溶解氧含量变化，具体装置图及实验数据如下：4图7 通氢气后水溶液中溶解氧含量测定实验装置图 图8通氢气后水溶液中溶解氧的变化曲线

从实验数据可知，在持续通入氢气的过程中，确实可以降低水溶液中溶解氧含量，但数值只是从最初的8.3mg/L变为6.0mg/L，变化并不甚大，而且最终还剩余较多的溶解氧。由此可以推断，双试管实验成功的关键并不是通入氢气赶走了溶液中的溶解氧。笔者认为该类实验中经常出现的灰绿色沉淀是由氢氧化亚铁凝胶吸附亚铁离子聚集所致，而在本实验中反应产生的氢气阻挠了氢氧化亚铁凝胶吸附亚铁离子，避免了亚铁离子的聚集。基于这种解释，在制备氢氧化亚铁沉淀过程中只要还有气体产生，就有阻止亚铁离子聚集的可能，从而可长时间看到白色沉淀。因此笔者又选取符合该条件的硫酸亚铁与碳酸氢钠溶液反应，因亚铁离子与碳酸氢根离子的双水解，在产生沉淀的同时还会有二氧化碳气体产生。 图9硫酸亚铁与碳酸氢钠溶液反应实验装置图

如图9所示，在白色橡胶管中加入10mL1.5mol/L碳酸氢钠溶液，使用注射器缓慢地注射约1mL1mol/L的硫酸亚铁溶液，可以看到溶液中有少量气泡产生，同时可以较长时间看到白色沉淀。从该实验的结果来看，印证了前文所述的产生气体阻碍了亚铁离子聚集，可以长时间的看到白色沉淀。 为了证实这一点，笔者在硫酸亚铁溶液与氢氧化钠溶液反应的同时通入氢气，并设计了如下实验。2.4沉淀制备时通入氢气5 图10硫酸亚铁溶液与氢氧化钠溶液反应的同时通入氢气

如图10所示，在U型管中先加入4mLCCl4溶液；然后在左右两侧同时分别加入3mL水和3mL1.0mol/LNaOH溶液；从U型管左侧通入氢气（氢气流速不易过快）；右侧插入液面以下加入0.1mol/L硫酸亚铁溶液。该实验可长时间（约2min）看到白色沉淀。笔者将氢气换成氮气也能长时间看到白色絮状沉淀，说明通入不反应的气体对于灰绿色沉淀的形成有阻碍作用。三、研究结论从文中可以得知，在使用氢氧化钠与硫酸亚铁溶液制备氢氧化亚铁过程中，纵然水溶液中溶解氧含量为零，依然不能长时间看到白色沉淀，由此可以说明氢氧化亚铁沉淀变为灰绿色并不是溶解的氧气所致。而持续通入氢气对于溶液中溶解的氧气虽有影响但影响并不甚大，说明双试管实验的成功不是因为生成氢气赶走溶解的氧气所致。笔者认为灰绿色的出现是由氢氧化亚铁吸附亚铁离子聚集所致，笔者称之为“吸附过程”；双试管实验、硫酸亚铁与碳酸氢钠的双水解实验中由于产生气体的冲击作用阻碍了亚铁离子的聚集。往硫酸亚铁溶液与氢氧化钠溶液中通入氢气，能长时间看到白色沉淀也可印证这一点。参考文献

[1]宋心琦主编.普通高中课程标准实验教科书：化学(必修一)[M].第3版,北京:人民教育出版社，2007：48.[2]吴名胜.探究制备氢氧化亚铁的实验方法[J].化学教育，2010，(9)：79-81.[3]肖中荣.谈化学核心素养之实验探究精神的塑造[J].中学化学教学参考，2016，(9)：38-40.[4]马善恒,朱成东.制备白色氢氧化亚铁沉淀的改进方法[J]