鐵與氯氣反應(yīng)途徑及產(chǎn)物的探究

黃燕燕+宋巧穎+沈甸

摘要：從實(shí)驗(yàn)和理論的角度分析研究了Fe與干燥或濕潤cl₂的化學(xué)反應(yīng)的可能途徑及產(chǎn)物。結(jié)果表明，在室溫及加熱條件下，F(xiàn)e與干燥及濕潤C(jī)l₂的化學(xué)反應(yīng)途徑及產(chǎn)物有所不同。室溫時(shí)Fe與干燥Cl₂發(fā)生鈍化反應(yīng)，而加熱時(shí)兩者化合生成FeCl₃； Fe與濕潤cl₂有兩種反應(yīng)途徑，其主要反應(yīng)途徑及產(chǎn)物隨反應(yīng)條件的變化而有所不同：室溫時(shí)，以原電池反應(yīng)為主生成FeCl₂，而加熱時(shí)以化合反應(yīng)為主牛成FeCI₃。同時(shí)，從實(shí)驗(yàn)和理論兩方面得出Fe與Cl₂在一定條件下反應(yīng)可生成FeCI₂的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：鐵與氯氣反應(yīng)；鈍化反應(yīng)；反應(yīng)途徑；實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)：1005-6629（2017）8-0059-04

中圖分類號(hào)：G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

1問題提出

氯氣（Cl₂）是中學(xué)階段需掌握的一種重要?dú)怏w，在通常情況下其為黃綠色、具有刺激性氣味、有毒、密度比空氣大、可溶于水。在25℃時(shí)，1體積水可溶解約2體積的氯氣，同時(shí)與水發(fā)生可逆反應(yīng)，生成鹽酸和次氯酸。在蘇教版高中化學(xué)教材中明確指出，在加壓條件下，氯氣轉(zhuǎn)化為液態(tài)，可儲(chǔ)存于鋼瓶中，便于運(yùn)輸和使用。由此，大多數(shù)中學(xué)教師及教輔資料中得出了室溫下Fe與干燥Cl₂不反應(yīng)的結(jié)論，加之該結(jié)論觀點(diǎn)在一些高等院校教材中也可找到出處，于是Fe不與干燥Cl₂反應(yīng)的練習(xí)和測(cè)試題頻頻出現(xiàn)，而其科學(xué)性尚待驗(yàn)證。

同時(shí)，蘇教版教材中通過實(shí)驗(yàn)也說明了，將鐵絲灼燒至紅熱時(shí)，鐵可與氯氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，鐵絲劇烈燃燒，產(chǎn)生棕黃色的煙，溶液呈棕黃色，其反應(yīng)的化學(xué)方程式為2Fe+3Cl₂點(diǎn)燃2FeCl₃。但是此處卻并沒有指明Cl₂是干燥的還是未經(jīng)干燥的，而在各種考試中也經(jīng)常出現(xiàn)有關(guān)Fe與Cl₂的化學(xué)反應(yīng)的辨析，例如過量Fe在Cl₂中燃燒是否會(huì)生成FeCl₂，但通常也不強(qiáng)調(diào)是干燥還是濕潤的。對(duì)此，筆者存在以下困惑：（1）液氯可儲(chǔ)存于鋼瓶中是否可推出“室溫時(shí)，干燥氯氣不與鐵反應(yīng)”的結(jié)論？（2）在室溫及酒精燈加熱至鐵絲紅熱條件下，F(xiàn)e與干燥Cl₂能否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)？（3）在室溫及酒精燈加熱至鐵絲紅熱條件下，F(xiàn)e與濕潤C(jī)l₂發(fā)生怎樣的化學(xué)反應(yīng)？（4）濕潤或干燥Cl₂如與Fe均發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)途徑及其產(chǎn)物是否一致？哪一種反應(yīng)更容易進(jìn)行，為什么？水所起的作用是什么？（5）Fe與Cl₂的反應(yīng)，無論Fe是否過量，Cl₂是否干燥，能否生成FeCl₂？

在尋求問題解決的過程中，通過與部分教師及學(xué)生的交流，發(fā)現(xiàn)這些問題也—直存在于中學(xué)的教學(xué)當(dāng)中，尚未得到有效的解決。部分教師表示也曾對(duì)“Fe與干燥或濕潤C(jī)l₂之間的化學(xué)反應(yīng)能否發(fā)生或有何不同”感到困惑，但并未對(duì)其進(jìn)行深入探究；部分教師表示曾無意間注意到“室溫下，濕潤C(jī)l₂較干燥Cl₂與Fe的反應(yīng)來得更易進(jìn)行”，但同樣未對(duì)其進(jìn)行探究解惑，在教學(xué)中避重就輕，僅依照常見考點(diǎn)要求學(xué)生明確“室溫下Fe與干燥Cl₂不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)”及“過量Fe與Cl₂反應(yīng)不會(huì)有FeCl₂生成”；還有部分教師表示從未關(guān)注過此現(xiàn)象的差異及對(duì)此問題進(jìn)行思考；在與學(xué)生的交談中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)學(xué)生僅僅是將此作為特殊知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械記憶而不明其理。

通過進(jìn)一步查閱文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)雖然對(duì)Fe與Cl₂反應(yīng)的研究也不少，但幾乎都是相關(guān)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化與改進(jìn)，對(duì)不同條件下，F(xiàn)e與干燥或濕潤C(jī)l₂的化學(xué)反應(yīng)途徑及產(chǎn)物的差異尚待研究。因此，本文將通過不同條件下濕潤或干燥Cl₂與Fe的實(shí)驗(yàn)探究與理論分析，厘清Fe與濕潤或干燥Cl₂的化學(xué)反應(yīng)的差異，以期為中學(xué)化學(xué)教學(xué)提供參考。

2實(shí)驗(yàn)探究

事先參考皮振雷的實(shí)驗(yàn)室制取氯氣的新方法收集兩瓶干燥Cl₂和兩瓶未經(jīng)干燥的Cl₂，依次對(duì)室溫及加熱（使用酒精燈加熱至鐵絲紅熱，下同）條件下Fe與干燥或濕潤C(jī)l₂的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行探究，以下實(shí)驗(yàn)均在20℃室溫條件下進(jìn)行。

2.1鐵絲與干燥氯氣的反應(yīng)

分別進(jìn)行以下操作：（1）將鐵絲放人干燥Cl₂瓶中（瓶口蓋上玻片），反應(yīng)停止后，加入蒸餾水；（2）加熱鐵絲至紅熱并迅速放入干燥Cl₂瓶中（瓶口蓋上玻片），反應(yīng)停止后，加入蒸餾水。具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論詳見表1。

2.2鐵絲與濕潤氯氣的反應(yīng)

分別進(jìn)行以下操作：（1）將鐵絲放人濕潤C(jī)l₂瓶中（瓶口蓋上玻片），反應(yīng)停止后，加入蒸餾水；（2）加熱鐵絲至紅熱并迅速放入濕潤cl₂瓶中（瓶口蓋上玻片），反應(yīng)停止后，加入蒸餾水。具體的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)論詳見表2。

2.3干燥Cl₂與濕潤C(jī)l₂的比較

通過實(shí)驗(yàn)，證明了在室溫及加熱條件下，干燥與濕潤C(jī)l₂皆可與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但有所差別，詳見表3。

綜上，通過本次的實(shí)驗(yàn)探究，我們可以得出以下結(jié)論：（1）室溫下，干燥及濕潤C(jī)l₂均與鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。其中，干燥Cl₂使鐵鈍化，從而阻止了反應(yīng)進(jìn)一步進(jìn)行；濕潤C(jī)l₂與鐵生成FeCl₂。（2）室溫下，濕潤C(jī)l₂與Fe的反應(yīng)速率程程度明顯大于干燥Cl₂。（3）在加熱條件下，干燥及濕潤C(jī)l₂均與Fe發(fā)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，且兩者的反應(yīng)產(chǎn)物存在明顯差異。（4） Fe與Cl₂反應(yīng)可生成FeCl₂。endprint

3理論分析

通過實(shí)驗(yàn)探究，明確了室溫及加熱條件下干燥及濕潤C(jī)l₂均與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的事實(shí)，后面將通過熱力學(xué)分析從理論上予以支撐。同時(shí)我們也很清晰地看到，在室溫條件下濕潤C(jī)l₂中鐵絲變黑的速率及程度均大于干燥Cl₂，在加熱條件下兩者的反應(yīng)均較為劇烈，肉眼無法判斷其先后，但并不排除同樣也存在濕潤C(jī)l₂反應(yīng)較快的可能性。那么也就引出了一個(gè)新的問題：在室溫條件下，F(xiàn)e與濕潤C(jī)l₂的化學(xué)反應(yīng)更易進(jìn)行且徹底，其產(chǎn)物為FeCl₂，這是為什么？水在此起到了什么作用？是否水的存在會(huì)影響Fe與Cl₂的反應(yīng)途徑及產(chǎn)物？如果是，又是如何影響的？針對(duì)此現(xiàn)象，本文試圖通過理論分析尋求合理的解釋。

3.1 水的存在影響Fe與濕潤C(jī)l₂反應(yīng)的可能途徑

干燥Cl₂中只含有氯氣分子，而由于氯氣能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鹽酸和次氯酸，因此濕潤C(jī)l₂中可能含有Cl₂、H₂o、HC1、HC1o幾種物質(zhì)?；诖?，猜想并分析了濕潤C(jī)l₂的反應(yīng)途徑存在的幾種可能性。

（1）氯氣與水進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，而其產(chǎn)物進(jìn)一步與Fe反應(yīng)。

大多數(shù)中學(xué)教師都將“為何強(qiáng)調(diào)室溫時(shí)不與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的Cl₂是干燥的”這個(gè)問題解釋為在濕潤C(jī)l₂中，氯氣與水反應(yīng)生成了鹽酸，鐵與鹽酸反應(yīng)生成了氯化亞鐵，而氯化亞鐵被次氯酸進(jìn)一步氧化成了氯化鐵。顯然這個(gè)說法是有待商榷的。通過本實(shí)驗(yàn)，我們可以很清晰地看到，室溫時(shí)，濕潤C(jī)l₂使鐵絲變黑的速率及程度明顯大于干燥Cl₂，更重要的是，其所形成的水溶液是淺綠色的，而濕潤C(jī)l₂如果是經(jīng)歷了以上的反應(yīng)過程，則與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不符，因此，這種說法是不合理的。

（2）氯氣、水與鐵之間形成了原電池。

O₂與Cl₂均為可與鐵反應(yīng)的氧化性相近的非金屬單質(zhì)氣體，又鐵在潮濕空氣中形成原電池，因此猜想鐵在潮濕Cl₂中形成了原電池，發(fā)生如下電極反應(yīng)，正極：C1₂+2e^-=2Cl^-；負(fù)極：Fe-2e^-=Fe²⁺；電極總反應(yīng)式為Fe+Cl₂一FeCl₂。實(shí)驗(yàn)證明，室溫條件下，F(xiàn)e與濕潤或干燥Cl₂的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有明顯區(qū)別，F(xiàn)e與潮濕Cl₂的反應(yīng)速率大于干燥Cl₂，且濕潤C(jī)l₂無論是室溫還是加熱條件下，其反應(yīng)后的水溶液都可觀察到綠色，這與鐵在潮濕Cl₂中形成了原電池的猜想相符合。

通過查閱資料，獲得了化學(xué)反應(yīng)2Fe+3Cl₂=2FeCl₃①，F(xiàn)e+cl₂=FeCl₂②，2FeCl₂+Cl₂=2FeCl₃③，它們的相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)見表4。通過進(jìn)一步的計(jì)算求得了各化學(xué)反應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)，具體詳見表5。

由表5可知，三個(gè)化學(xué)反應(yīng)方程式的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能△_rC_{m^θ均小于零，也就是說在298.15K，lOOkPa下，反應(yīng)①②③皆可自發(fā)進(jìn)行。而雖然△rH和△rS隨溫度的變化一般是很小的，幾乎可以忽略不計(jì)，但是△rC隨溫度的變化存在著明顯的變化，不可忽略。由吉布斯一亥姆霍茲公式△rCm^θ（T）=△r Hm^θ（T）-T△rCm^θ（T）可知，在溫度低于1819K時(shí)反應(yīng)①可自發(fā)進(jìn)行，溫度低于1130K時(shí)反應(yīng)②可自發(fā)進(jìn)行，也就是說滿足了原電池形成條件中的白發(fā)的氧化還原反應(yīng)，同時(shí)也從熱力學(xué)的角度支持了室溫及加熱條件下，干燥及濕潤C(jī)l2均與Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的事實(shí)。}

3.2水的存在影響Cl₂氧化性的強(qiáng)弱

在室溫條件下，濕潤C(jī)l₂使鐵絲變黑的速率及程度均大于干燥Cl₂，除了形成原電池之外，也存在著由于水的存在加強(qiáng)了Cl₂的氧化性的可能性。假設(shè)這種可能性成立，則毫無疑問是水與氯氣反應(yīng)生成了氧化性更強(qiáng)的物質(zhì)，也就是次氯酸。而雖然次氯酸的氧化性大于氯氣，但在氯氣與水的反應(yīng)中，由于其為可逆反應(yīng)且部分氯氣會(huì)溶于水等，因此次氯酸的濃度是非常小的，其對(duì)Cl₂氧化性強(qiáng)弱的影響可忽略不計(jì)。即使假設(shè)其存在增強(qiáng)了Cl₂的氧化性解釋了反應(yīng)速率及程度的問題，但卻與室溫時(shí)反應(yīng)后的水溶液呈淺綠色相違背，因此，由于水的存在加強(qiáng)了Cl₂氧化性的可能性假設(shè)不成立。

綜合以上分析，鐵與干燥Cl₂直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的化合反應(yīng)而與濕潤C(jī)l₂的反應(yīng)存在著兩種途徑，即簡(jiǎn)單的化合反應(yīng)和形成原電池，而具體以哪一種為主與反應(yīng)條件有關(guān)。室溫時(shí)，F(xiàn)e與干燥Cl₂發(fā)生鈍化反應(yīng)，而在加熱條件下，鈍化消失，兩者簡(jiǎn)單化合；而Fe與濕潤C(jī)l₂在室溫時(shí)則以原電池的反應(yīng)為主生成FeCl₂，在加熱時(shí)以簡(jiǎn)單化合反應(yīng)為主生成FeCl₃。

4鐵與氯氣的產(chǎn)物

一般情況下，我們認(rèn)為Fe與Cl₂直接化合生成FeCl₃（S），而FeCl₃（S）與Fe是不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的，因此，過量的Fe與Cl₂反應(yīng)，其產(chǎn)物也只有FeCl₃，而不生成FeCl₂。而由表5可知，當(dāng)T>660.9K時(shí)，△_rC>O，反應(yīng)③逆向進(jìn)行，F(xiàn)eCl₂（s）與Cl₂不再結(jié)合生成FeCl₃（S），同時(shí)FeCl₃（S）開始分解生成FeCl₂（s）與Cl₂。由此，從實(shí)驗(yàn)探究及熱力學(xué)理論分析可知，F(xiàn)e與Cl₂的反應(yīng)，無論Fe是否過量，Cl₂是否干燥，皆可生成FeCl₂。

5結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)探究及理論分析，一方面解決了中學(xué)教學(xué)中存在的困惑及誤區(qū)，否定了中學(xué)教師及學(xué)生腦中“室溫時(shí)，F(xiàn)e不與干燥Cl₂反應(yīng)”、“Fe與Cl₂反應(yīng)不生成FeCl₂”的錯(cuò)誤觀念。另一方面探究出了Fe與干燥或濕潤C(jī)l₂的化學(xué)反應(yīng)的不同途徑，即室溫時(shí)，鐵與干燥Cl₂發(fā)生鈍化反應(yīng)而加熱時(shí)兩者簡(jiǎn)單化合生成FeCl₃；與濕潤C(jī)l₂有兩種反應(yīng)途徑，其主要反應(yīng)途徑及產(chǎn)物隨反應(yīng)條件的變化而有所不同，室溫時(shí)以原電池反應(yīng)為主生成FeCl₂，加熱時(shí)則以簡(jiǎn)單化合反應(yīng)為主生成FeCl₂。