【探讨意未穷】探讨以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵的案例

时间:2020-12-19 来源:第二课堂 点击:

  现在高三复习中较普遍的化学实验复习方法是:一轮跑课本,把课本上所有的实验过一遍,意在查漏补缺;二轮小专题,意在整合;三轮综合练,意在提高。很多专家都认为这种复习方法用时多、效果差,已不适应现在的高考模式。如用样例引领、真题导航的方法复习化学实验,不仅用时少,而且针对性强,学生又感兴趣,有利于调动学生学习的积极性,教学效果好。我们知道,化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质及其应用的一门基础自然科学,其特征是研究物质和创造物质。学生对化学家合成新物质的过程充满好奇,也想能像化学家那样用简单的原料合成出对生活和生产有用的物质。如以铁废料出发进行一系列物质的制备并复习相关内容就是很好的样例。说起废铁屑,大多数人会想到机械厂在加工机械时产生的大量铁屑,这些泛滥成灾的杂废料令工作人员大伤脑筋,大多数厂家都把它们当作垃圾处理掉。实际上用这些废铁屑、废旧铁钉、废旧铁丝、废旧铁器等随处可见的含铁废料可以生产许多化工原料或化学试剂,真正做到变废为宝,减少资源浪费,净化美化环境。

  下面就以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵的实验研究为样例,来说明如何引领化学实验复习。

  一、以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵的实际意义

  硫酸亚铁铵是一种重要的化工原料,用途十分广泛,在无机化学中用作合成其他化合物的原料,是分析化学中常用的还原剂,还是一种常见的净水剂、防腐剂,在农业上用作除草剂,在印染上用作还原剂,在医药上是治疗缺铁性贫血的特效药。

  二、以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵的教学意义

  该实验出现在中学与大学的多种教科书中,它既是中学和大学的经典实验,又是中学和大学的学术问题。经过研究发现,有不少问题在不同的文献中说法不同甚至相左,值得认真对待。事实上通过本实验,第一可让学生复习一系列化学实验的基本操作;第二可使学生初步认识既浪费资源又污染环境的废弃物是如何通过化学方法转变为有用物质的绿色化学工艺,使学生学习真实、有用的化学;第三是可让学生复习巩固铁及其化合物的性质;第四是可引导学生对教科书上的实验做出评价,对不足加以改进,可仿照命题专家的思路,围绕题目多角度、全方位提问,以提高课堂的容量。正因为这些原因,使得这介实验成为高考的热点,如2005年江苏高考20题由废铁屑制备硫酸亚铁晶体,2008年天津理综28题的第Ⅱ小题硫酸亚铁晶体制备,2009年北京理综26题以工业废料硫酸亚铁制氧化铁,2009年江苏高考16题以硫酸亚铁为原料制备氧化铁,2011年海南高考17题以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵等。

  三、以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵的实验方案

  以废铁屑为原料制备硫酸亚铁铵的实验方案在不同文献中不完全相同,但根据其基本制备原理总体上可分为四个步骤:废铁屑的净化,酸浸净化后的废铁屑,硫酸亚铁的制备和硫酸亚铁铵的制备。

  根据的物质的量,计算等物质的量的的质量,称取并将其加入上面实验的蒸发皿中,缓缓加热,浓缩至表面出现结晶膜为止。放置冷却,得到硫酸亚铁铵的晶体。过滤后用无水乙醇洗涤晶体,除去其表面的水分,观察生成的硫酸亚铁铵的颜色和状态。称量硫酸亚铁铵的质量。

  2006年苏教版的实验步骤:取一只小烧杯,放入约5g铁屑,向其中注入15mL 1mol/L碳酸钠溶液,浸泡数分钟后,用倾析法分离并洗涤铁屑,晾干。

  用托盘天平称取4.2g洗净的铁屑,放入洁净的锥形瓶中,向其中加入25mL 3mol/L溶液,加热并不断振荡锥形瓶。反应过程中应适当补充水,使溶液体积基本保持不变,待反应基本完全后,再加入1 mL 3mol/L溶液,趁热过滤,将滤液转移至蒸发皿中。

  称取9.5g 晶体,配成饱和溶液,倒入制得的硫酸亚铁溶液中,搅拌,小火加热,在蒸发皿中蒸发浓缩至溶液表面出现结晶膜为止。将溶液静置,自然冷却,即有硫酸亚铁铵晶体析出。抽滤,并用少量酒精洗去晶体表面附着的水分。取出晶体,用干净的滤纸吸干,称重并计算产率。

  以下是笔者的实验步骤及设计的问题。

  1.步骤一:废铁屑的净化

  由于工业废铁屑常沾有油污等杂质,所以实验前要除去油污等杂质,去除方法是将废铁屑加入到10%的碳酸钠溶液中并加热5min~10min,用倾析法弃去纯碱溶液,用蒸馏水洗净废铁屑以除去碳酸钠而提高产品纯度。

  友情提醒:废铁屑表面的油污不除净,不利于铁屑与硫酸的反应;为缩短反应时间,铁屑应尽可能先剪碎;最好选用刨花车间加工的生铁碎铁屑,或选用细弹簧弯曲状废铁;要避免使用锈蚀程度过大的铁屑。市售的清洁用钢丝球不适合作为原料,因为其中金属铬、镍含量较高,最终会导致铬、镍化合物进入产品而显墨绿色。

  问题清单:

  (1)废铁屑表面的油污是什么成分?

  有人说是机油之类的矿物油,这是不对的。如果是矿物油,就不能用加热的碳酸钠溶液去除废铁屑上的油污。那么废铁屑表面的油污是什么成分,从何而来?教材实验中使用的铁屑,实际是经车床切削而得到的铁的碎屑。切削过程中,为了减少摩擦和降低切削温度,提高刀具寿命,必须使用一种液体——切削液。而脂肪是切削液的添加剂,脂肪在切削液中可起到降低摩擦系数、减少刀具磨损的作用。因此,铁屑上常有脂类油污就不足为怪了。

  (2)去除废铁屑上油污的原理是什么?

  碳酸钠溶液水解呈碱性,可使油脂在碱性条件下水解。当然也可以直接使用氢氧化钠溶液去除废铁屑上的油污,但价格贵。更可以用酒精代替碳酸钠溶液去除废铁屑上的油污,根据相似相溶原理,用酒精去除废铁屑上油污的效果更好,这样不需加热,洗一次即可调至中性,节约时间。

  (3)用碳酸钠溶液去油污时为什么要加热?

  升高温度,溶液碱性增强,去油污能力增强。

  (4)倾析法的适用条件是什么?

  当沉淀的结晶颗粒较大,静置后容易沉降至容器底部时,常用倾析法,也称倾注法。

  (5)用碳酸钠溶液去油污时如何检验废铁屑已洗净?

  最简单的方法是用pH试纸检查溶液是否呈中性,还可用其他方法如检验是否有等。

  (6)用碳酸钠溶液去油污时如不洗净废铁屑会有什么后果?

  未洗净的碳酸钠会与后加的硫酸反应生成硫酸钠而混入硫酸亚铁中,降低产品纯度。

  2.步骤二:酸浸净化后的废铁屑

  用3mol/L的稀硫酸溶解净化后的过量废铁屑;另由于反应较慢,可用容易控制温度的不超过80℃的水浴加热至不再有或很少有气泡放出,这时溶液呈浅绿色,大约需要35min,反应过程中要适当添加水以补充被蒸发掉的水分,并控制溶液的pH。

  问题清单:

  (1)为什么用3mol/L的稀硫酸?硫酸浓度不宜太大,否则:①易产生;②晶体易在滤纸上析出,不利于观察;③金属表面会钝化;④会损坏滤纸。

  硫酸浓度也不宜太小,否则反应太慢,另外由于溶液中含有较多的水,也不利于硫酸亚铁晶体的析出。

  (2)是废铁屑过量还是硫酸过量?

  对于废铁屑与稀硫酸反应,谁要过量,不同的文献上有两种相反的说法:一是说硫酸要过量,理由是防止水解,在中性或弱酸性条件下易被溶解在溶液中的氧气氧化,并发生水解反应生成碱式硫酸盐或氢氧化铁沉淀。另一说是废铁屑要过量,如果铁屑不过量,溶液中会有。当然,不管是废铁屑过量还是硫酸过量,目的只有一个,防止被溶解在溶液中的氧气氧化成。但在实际制备硫酸亚铁的过程中,只能控制一种反应物过量。酸过量防止水解可行,但防止氧化不足,原由是在酸性溶液中:

  (6)废铁屑与稀硫酸发生了哪些反应?

  由于废铁屑的主要成分是铁,其次是氧化铁和氧化亚铁等,因此废铁屑与稀硫酸的反应主要有:

  (7)用废铁屑制取硫酸亚铁时有哪些副产物?如何处理?

  另外还可用填充有活性炭及二氧化锰粉末的尾气吸收管来吸收,或是用酸性高锰酸钾溶液来吸收。

  3.步骤三:七水合硫酸亚铁的析出

  硫酸亚铁的溶解度和析出晶体的组成如表1所示。

  得S=57.7。

  结果与苏教版教科书等提供的数据(见表2)基本一致,而与人教版(见表3)等提供的数据差距太大。

  这种方法的缺点是:一是硫酸亚铁在水中的溶解度随温度的变化不是很大,且随温度升高溶解度是先增大后又减小。这样滤液中还有较多的硫酸亚铁不能结晶析出。二是条件比较苛刻,要冷冻低温。我们可利用在水—乙醇相中七水合硫酸亚铁的溶解度显着降低的特点,来提高结晶率。方法是取上述滤液10mL,再加入10mL乙醇,在常温下七水合硫酸亚铁在水—乙醇相中析出,与传统的低温结晶相比,操作更容易。取出晶体,用少量的乙醇将晶体洗涤2~3次,将晶体摊在两片滤纸之间,轻压以吸取水分,然后置于密闭容器中保存。

  问题清单:

  可设计实验对硫酸亚铁晶体成分进行检验,如阴、阳离子有哪些?有无?有无结晶水?用制得的硫酸亚铁为原料还可以制备哪些铁的化合物?

  另外还可出用酸性高锰酸钾溶液滴定硫酸亚铁溶液的问题等。

  4.步骤四:六水合硫酸亚铁铵的制备

  制备硫酸亚铁有两种方案。一是用上述制得的硫酸亚铁。二是用“硫酸铜晶体中结晶水含量测定”实验中的废弃物质——无水硫酸铜粉末与废铁屑等反应制备硫酸亚铁,这种方法不需加热,反应时间短,无污染,还可回收铜。

  以废铁屑为原料还可以制备很多铁系化合物,如以废铁屑为原料制备氯化铁、氧化铁系列颜料、磁性四氧化三铁、硫酸铁、三草酸合铁酸钾等。限于篇幅请读者自行安排,如有需要可参阅吴祺先生在《中学化学教学参考》发表过的系列文章。

  来源:教育第三方

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