許瑋凡 蔡文聯(lián)
摘要:設(shè)計(jì)裝置簡單、操作簡便、現(xiàn)象明顯的氫氧化亞鐵制備,并以氫氧化鈉溶液的濃度、酸溶液的濃度、反應(yīng)溶液的外界溫度為變量,設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn),在確保白色沉淀產(chǎn)生時間持久的同時,探究課堂制備氫氧化亞鐵的最佳演示實(shí)驗(yàn)效果.關(guān)鍵詞:氫氧化亞鐵制備;正交實(shí)驗(yàn);條件優(yōu)化
文章編號:1008-0546(2021)08-0095-03
中圖分類號:G632.41
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B
doi: 10.3969/j.issn. 1008-0546.2021.08.025
一、問題的提出
鐵及其化合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn),是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》要求的學(xué)生必做實(shí)驗(yàn),在人教版高一化學(xué)第一冊第三章第一節(jié)鐵及其化合物的學(xué)習(xí)中,教材關(guān)于氫氧化亞鐵的制備提供的實(shí)驗(yàn)方案為,在試管中加入少量FeSO4溶液,然后滴加NaOH溶液。教科書對該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述與解釋分別為,生成的白色絮狀沉淀迅速變成灰綠色,一段時間后變成紅褐色,這是因?yàn)榘咨腇e(OH)2被溶解在溶液中的氧氣氧化成了紅褐色的Fe( OH)3”。然而,在實(shí)際課堂的演示操作中,學(xué)生往往很難觀察到穩(wěn)定的白色沉淀,絕大多數(shù)觀察到的是灰綠色的沉淀,這與學(xué)生的認(rèn)知存在沖突。
筆者通過分析文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn),大部分學(xué)者認(rèn)為影響Fe(OH)2制備過程中的主要影響因素是氧氣的存在,包括空氣中的氧氣與溶液中的溶解氧,為了解決上述問題,已有的優(yōu)化方案主要包括裝置避氧、試劑避氧和操作避氧等。
①裝置避氧,常見方式為向裝置內(nèi)通入氮?dú)饣虿捎米⑸淦髋乓?,以排除空氣的干擾。除此之外,慕世斌[2]利用硫酸鐵鹽與碳酸氫鹽的雙水解反應(yīng),借助產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w來避免空氣中氧氣的進(jìn)入,使氫氧化亞鐵能夠被穩(wěn)定觀察。陳郁政[3]采用FeSO4溶液與濃氨水進(jìn)行反應(yīng),同時對濃氨水進(jìn)行加熱,利用濃氨水分解出的氨氣將試管巾的空氣排出,得到無氧環(huán)境用于氫氧化亞鐵的制備。
②試劑避氧,常用方式為反應(yīng)溶液現(xiàn)配現(xiàn)用、溶液煮沸、試劑油封、加入還原劑等,其巾,魏崇啟[4]利用Na2SO3創(chuàng)造還原性環(huán)境,楊曉東[5]利用Vc防止Fe2+被氧化。
③操作避氧,主要是將膠頭滴管伸入試劑液面以下進(jìn)行相關(guān)反應(yīng)。
上述的實(shí)驗(yàn)方案,在一定程度上延長了氫氧化亞鐵的保存時間,但為了減少氧氣對該實(shí)驗(yàn)的干擾,通常要對所用試劑進(jìn)行煮沸、液封、趕氣等操作,演示步驟較為繁瑣,使用的實(shí)驗(yàn)儀器較多,不利于教師的課堂演示教學(xué)。此外,在不少改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中,常將裝有NaOH溶液的長滴管深入裝有FeSO4溶液試管的液面下方,存在違反常規(guī)的實(shí)驗(yàn)操作,不利于學(xué)生學(xué)習(xí),影響今后的實(shí)驗(yàn)規(guī)范操作講解[6]。
為了簡化實(shí)驗(yàn)步驟,優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案,對此,有學(xué)者基于正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了氫氧化亞鐵制備的最佳條件的探究,在已有的正交實(shí)驗(yàn)中:
①鄒靈[7]探究了Fe2+的來源、Fe2+的濃度、氫氧化鈉的濃度對氫氧化亞鐵制備的影響,發(fā)現(xiàn)采用NaOH溶液濃度8mol/L、配制經(jīng)還原性鐵粉處理過的FeCl2溶液、Fe2+濃度為0.4mol/L時實(shí)驗(yàn)效果最佳。
②李婉冰[8]探究了Fe2+的濃度、氫氧化鈉的濃度以及試管規(guī)格對氫氧化亞鐵制備的影響,發(fā)現(xiàn)Fe2+濃度為O.lmol/L、NaOH溶液濃度為lOmol/L、試管規(guī)格為15mmxlOOmm時,白色沉淀存在時間最長。
基于上述分析,本實(shí)驗(yàn)在前人探究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探究氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的最佳條件。前人的實(shí)驗(yàn)探究中,卻鮮有對外界溫度影響的探究。因此,本實(shí)驗(yàn)在前人探究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展反應(yīng)溶液外界溫度影響的探究,同時通過優(yōu)化氫氧化亞鐵的制備方式,設(shè)計(jì)了操作簡單、現(xiàn)象明顯、便于觀察、適用于課堂教學(xué)的氫氧化亞鐵制備方案,幫助學(xué)生更好地掌握氫氧化亞鐵合理的制備方法和性質(zhì)。
二、實(shí)驗(yàn)方案
1.反應(yīng)原理
本實(shí)驗(yàn)采取FeCl2溶液與NaOH溶液進(jìn)行反應(yīng)的方法,同時在溶液巾加入用砂紙打磨過的鐵絲以及Na2S03溶液創(chuàng)造還原性環(huán)境以制備Fe(OH)2。同時,對反應(yīng)容器的外界溫度進(jìn)行控制,并以正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn),找出其最好的演示效果。
除氧:
與O2發(fā)生反應(yīng)可以將其除去,因此通過添加Na2S03的方式來將溶液中的氧溶解,同時加入用砂紙打磨過的細(xì)鐵絲防止Fe2+被氧化,從而創(chuàng)造還原性的環(huán)境。
制?。篎e2++ 20H-一Fe(OH)2↓
2.正交實(shí)驗(yàn)因素水平
根據(jù)范霍夫規(guī)則,溫度每降低1O℃,反應(yīng)速率降低2倍-4倍,降低溫度也可能有助于減緩氫氧化亞鐵的氧化速率[9]。在進(jìn)行的預(yù)實(shí)驗(yàn)中,使用的反應(yīng)溶液濃度相同時,溶液外界溫度為O℃與30℃時,白色沉淀存在的時間分別為41分鐘與3分鐘,證明溫度對氫氧化亞鐵的存在時間也有顯著影響。
在先前實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中,不少學(xué)者提出,F(xiàn)e2+的濃度、NaOH溶液的濃度對實(shí)驗(yàn)存在影響,本實(shí)驗(yàn)采用在過量的Fe粉中加入不同濃度的等體積的鹽酸進(jìn)行制備Fe-Cl2,通過酸溶液的濃度控制Fe2+的濃度。鄒靈[10],通過正交實(shí)驗(yàn)得出Fe2+的最佳濃度為0.4mol/L,李婉冰[11]、徐建飛[12]通過實(shí)驗(yàn)得出Fe2+的最佳濃度為O.lmol/L。因此,本實(shí)驗(yàn)將Fe2+的濃度設(shè)為O.lmol/L、0.2mol/L、0.4mol/L、l.Omol/L,即配制FeCl2溶液的HCl溶液為:0.05mol/L、O.lmol/L、0.2mol/L、0.5mol/L。朱濱”[13]在穩(wěn)定制備氫氧化亞鐵時,采用了2mol/L的NaOH溶液,于燕國[14]在制備氫氧化亞鐵時,采用的NaOH溶液的濃度為6mol/L,二者濃度均能使氫氧化亞鐵穩(wěn)定存在,因此,本實(shí)驗(yàn)將配制NaOH溶液的濃度設(shè)為:Imol/L、2mol/L、4mol/L、8mol/L。同時,夏立先[15]在實(shí)驗(yàn)過程巾,將反應(yīng)溶液置于冰水巾冷卻,有效延長了白色的氫氧化亞鐵的保存時間,因此,本實(shí)驗(yàn)將反應(yīng)溶液的外界溫度設(shè)為:O℃、IO℃、20℃、30℃。
基于上述分析,本實(shí)驗(yàn)將影響Fe(OH)2制備實(shí)驗(yàn)的因素確定為:NaOH溶液的濃度、酸溶液的濃度、反應(yīng)溶液的外界溫度。本實(shí)驗(yàn)因素水平表如表l所示:
3.正交實(shí)驗(yàn)
(l)實(shí)驗(yàn)試劑及儀器
主要試劑:鐵粉、鐵絲、氫氧化鈉固體、5% Na2SO3溶液、稀鹽酸、蒸餾水
主要儀器:電子天平、量筒、燒杯、試管、膠頭滴管、玻璃棒、濾紙、針筒、秒表、試劑瓶、砂紙
(2)實(shí)驗(yàn)方案與結(jié)果
本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為三因素四水平的正交實(shí)驗(yàn),具體的實(shí)驗(yàn)操作如下:
①在試管中,提前加入5段0.5厘米的用砂紙打磨過的細(xì)鐵絲。
②用針筒吸取2毫升的氫氧化鈉溶液于上述試管中,滴入等量的5% Na2S03溶液。
③另取針筒,吸取0.5毫升的FeCl2溶液,將針筒置于上述試管溶液的液面以下,均勻、緩慢地注入FeCl2溶液,開始計(jì)時觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示:
根據(jù)表3可知,作為因素的3個變量,因素A單獨(dú)作用的顯著度結(jié)果為0.074,其值大于0.05,小于0.001,其余值均小于0.05,說明B、C這2個因素影響作用顯著,尤其是C因素。由此可得,3個因素對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響順序?yàn)镃>B>A,即反應(yīng)溶液的外界溫度>氫氧化鈉溶液的溫度>鹽酸的濃度。再結(jié)合表2巾的K值,可得該反應(yīng)的最佳實(shí)驗(yàn)條件組合為A4B4C1,即當(dāng)鹽酸濃度為0.5mol/L時,氫氧化鈉濃度為8mol/L,反應(yīng)溶液的外界溫度為OoC,實(shí)驗(yàn)效果最佳。
實(shí)驗(yàn)證明,采用文中方法制備Fe( OH)2沉淀具有裝置簡單、操作簡便、現(xiàn)象明顯、持續(xù)時間長等優(yōu)點(diǎn)。由正交實(shí)驗(yàn)得出:鹽酸濃度為0.5mol/L時,氫氧化鈉濃度為8mol/L,反應(yīng)溶液的外界溫度為O℃時,實(shí)驗(yàn)效果最佳,教學(xué)效果有所保障。
三、實(shí)驗(yàn)效果評價
相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn):
①本實(shí)驗(yàn)采用注射器吸取反應(yīng)溶液,很好地避免了膠頭滴管在吸取溶液時,向溶液巾鼓入空氣對本實(shí)驗(yàn)的干擾。
②在溶液巾滴加少量5% Na2SO3溶液,以及放入用砂紙打磨過的鐵絲,很好地創(chuàng)造了還原性環(huán)境。同時,用鐵絲代替鐵粉,既能防止Fe2+被氧化,又很好地避免了由于鐵粉不純,導(dǎo)致在反應(yīng)的過程巾溶液出現(xiàn)渾濁的現(xiàn)象。
③本次正交實(shí)驗(yàn)探究了溫度對Fe(OH)2制備的影響,通過創(chuàng)造低溫環(huán)境,延長Fe(OH)2的保存時間。
該實(shí)驗(yàn)裝置、試劑和操作簡單,無需提前將試劑煮沸并液封,教師只需在課前配制好Imol/L FeCl2溶液、8mol/L NaOH溶液、5% Na2S03以及準(zhǔn)備少許冰塊制造低溫環(huán)境。在課堂演示實(shí)驗(yàn)時,教師可以通過希沃白板進(jìn)行投影,使學(xué)生清晰地觀察到白色的Fe( OH):沉淀的產(chǎn)生過程以及沉淀物的狀態(tài)。此外,實(shí)驗(yàn)簡便易行,教師還可以充分利用教科書思考與討論環(huán)節(jié),將此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn),帶領(lǐng)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)室制備Fe(OH):沉淀的影響因素,從演示實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)向探究實(shí)驗(yàn),促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與實(shí)踐能力。
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本文系福建省教育廳2019年度立項(xiàng)課題“教育碩士課程融合發(fā)明創(chuàng)造實(shí)踐的探索”(課題編號:FBJG20190106)研究成果。
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