氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

摘 要：為延長(zhǎng)氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)中白色沉淀存在的時(shí)間，加快灰綠色轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色的速率，利用市售清涼凍密封性好、不易進(jìn)入氧氣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將清涼凍作為載體制備氫氧化亞鐵。隨后通入氧氣，清涼凍中出現(xiàn)紅褐色、灰綠色、白色三種顏色共存的現(xiàn)象，幫助學(xué)生直觀感受氫氧化亞鐵的生成與轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞：氫氧化亞鐵;清涼凍;白色沉淀;紅褐色

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、問(wèn)題的提出

“氫氧化亞鐵的制備”是《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017 年版2020 年修訂）》提出的一項(xiàng)活動(dòng)建議，在中學(xué)教學(xué)中有著重要的地位。氫氧化亞鐵的制備實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生關(guān)聯(lián)宏觀現(xiàn)象、微觀機(jī)理與符號(hào)表征，總結(jié)難溶性堿生成的一般規(guī)律，提升學(xué)生知識(shí)表征水平，幫助學(xué)生建構(gòu)鐵及其重要化合物之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生微粒觀、變化觀等學(xué)科觀念。

人教版、魯科版、蘇教版三個(gè)不同版本的普通高中化學(xué)教科書(shū)均展示了氫氧化亞鐵的制備及其變化的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)操作方法及現(xiàn)象解釋如表1 所示。綜合三個(gè)不同版本普通高中化學(xué)教科書(shū)中的相關(guān)內(nèi)容，可知教科書(shū)實(shí)驗(yàn)期待實(shí)驗(yàn)者觀察到的現(xiàn)象為：FeSO4 溶液與NaOH 溶液反應(yīng)先產(chǎn)生氫氧化亞鐵白色沉淀，然后白色沉淀迅速變?yōu)榛揖G色，最后被氧化生成紅褐色的氫氧化鐵。但在實(shí)際操作過(guò)程中，由于新制的氫氧化亞鐵沉淀迅速被氧化而變色，學(xué)生不易觀察到氫氧化亞鐵沉淀應(yīng)呈現(xiàn)出的白色;一段時(shí)間后，學(xué)生僅僅在灰綠色懸濁液與空氣交界處觀察到一圈紅褐色，液面以下的灰綠色沉淀被氧化為紅褐色需要數(shù)小時(shí)甚至更長(zhǎng)時(shí)間。因此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在白色沉淀存在時(shí)間過(guò)短，而灰綠色沉淀存在時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)，不利于學(xué)生在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)直觀感受氫氧化亞鐵的生成和轉(zhuǎn)化，實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值沒(méi)有得到充分發(fā)揮。

二、部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的綜述

為彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生不易觀察到白色沉淀的不足，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要朝著以下兩個(gè)方向進(jìn)行：一種觀點(diǎn)與教材觀點(diǎn)類似，認(rèn)為沉淀變色是氫氧化亞鐵被氧化所致[4] ，故此種改進(jìn)方向是排除反應(yīng)體系和環(huán)境中氧氣的干擾[5] ;另一種觀點(diǎn)認(rèn)為由于氫氧化亞鐵吸附多余的亞鐵離子而導(dǎo)致沉淀變色[6] ，故改進(jìn)方向?yàn)闇p少或消除氫氧化亞鐵沉淀對(duì)多余亞鐵離子的吸附。另外，還有一些改進(jìn)實(shí)驗(yàn)兼顧了以上兩個(gè)方向。

陳彩鳳等[7] 從減少反應(yīng)體系中的氧氣等角度出發(fā)，結(jié)合煮沸的方法，使用軟管作為反應(yīng)容器，減少反應(yīng)中的氧氣，并利用Fe2+ 與HCO3-雙水解產(chǎn)生的二氧化碳?xì)怏w排除氧氣，延長(zhǎng)了白色沉淀存在的時(shí)間。但是，經(jīng)專家[8] 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證明，此改進(jìn)方案中產(chǎn)生的白色沉淀為FeCO3 ，因此，通過(guò)Fe2+ 與HCO3- 雙水解制備氫氧化亞鐵的方案有待商榷。董景禮，馬善恒[9] 認(rèn)為由于氫氧化亞鐵凝膠吸附亞鐵離子并聚集，導(dǎo)致灰綠色沉淀的生成，并在反應(yīng)體系中不斷通入氮?dú)庾璧K這種吸附，能夠長(zhǎng)時(shí)間看到白色沉淀。張宏艷[10] 主要從試劑改進(jìn)、儀器改進(jìn)角度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使用西林瓶和一次性注射器設(shè)計(jì)微型實(shí)驗(yàn)。采用堿性相對(duì)較弱的氨水代替教材實(shí)驗(yàn)中的氫氧化鈉溶液，通過(guò)降低溶液的堿性來(lái)降低Fe2+ 的還原性，然后，進(jìn)一步向氨水中加入Na2 SO3 溶液，以除去溶液和裝置中的氧氣，該項(xiàng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯、試劑用量少、白色沉淀長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定存在?；舯颈骩11] 使用結(jié)塊的亞鐵鹽固體與濃的氫氧化鈉溶液反應(yīng)，保證了亞鐵鹽固體溶解產(chǎn)生的少量亞鐵離子與大量的氫氧化鈉接觸，避免生成的氫氧化亞鐵吸附 Fe2+而變成灰綠色。該法制得的氫氧化亞鐵白色沉淀不僅保存時(shí)間長(zhǎng)，而且實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)單可行。周紅杰等[12] 用鈉與水反應(yīng)制備氫氧化鈉溶液，同時(shí)利用該反應(yīng)生成的氫氣排除溶液中的氧氣，并用苯液封，除氧效果良好，使在氫氣氛圍中生成的氫氧化亞鐵與空氣很好地隔絕，白色的氫氧化亞鐵沉淀可以長(zhǎng)時(shí)間保存。張婉瑩等[13] 采用簡(jiǎn)易的套管裝置，利用酵母菌呼吸作用去除管內(nèi)的氧氣，綜合生物和物理知識(shí)，跨學(xué)科創(chuàng)造性地在無(wú)氧環(huán)境中制備氫氧化亞鐵沉淀，現(xiàn)象清晰，操作簡(jiǎn)便，激發(fā)了學(xué)生跨學(xué)科綜合分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力。

已有的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)通過(guò)優(yōu)選試劑、儀器改進(jìn)、操作改進(jìn)等策略，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間保存氫氧化亞鐵沉淀的目的，甚至還可以實(shí)現(xiàn)趣味化[14] 。然而，部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)存在藥品的消耗量比較大、過(guò)度強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)微型化導(dǎo)致現(xiàn)象不易觀察、使用稀缺儀器、對(duì)儀器進(jìn)行復(fù)雜的改造等缺點(diǎn)，增加了實(shí)驗(yàn)推廣的難度，削弱了實(shí)驗(yàn)被其他同行借鑒的價(jià)值，還可能給實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作帶來(lái)不小的負(fù)擔(dān)。若改進(jìn)實(shí)驗(yàn)操作步驟繁瑣或裝置搭建復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致緊湊的教學(xué)節(jié)奏變得松散，分散學(xué)生的注意力，削弱了實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。另外，部分改進(jìn)實(shí)驗(yàn)易造成苯等有毒試劑的揮發(fā)，不利于師生身心健康。

大多數(shù)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)只是片面地強(qiáng)調(diào)如何延長(zhǎng)白色沉淀存在的時(shí)間，而忽略了該實(shí)驗(yàn)還承擔(dān)著讓學(xué)生感知?dú)溲趸瘉嗚F的氧化、變色，進(jìn)一步建構(gòu)鐵及其重要化合物之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系等教學(xué)任務(wù)。因此，實(shí)驗(yàn)改進(jìn)不僅應(yīng)聚焦于如何延長(zhǎng)白色沉淀存在的時(shí)間，還應(yīng)滿足在有限的課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)，讓學(xué)生感知白色沉淀被氧化而迅速變成灰綠色，最終變?yōu)榧t褐色等要求，以便于學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了解鐵的氫氧化物的性質(zhì)與轉(zhuǎn)化，并通過(guò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提升“科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)”等維度的學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)

為發(fā)揮創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值與育人價(jià)值，筆者對(duì)氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了再改進(jìn)。參考吳文中老師的建議[15] ，往高濃度的氫氧化鈉溶液中注入較低濃度的硫酸亞鐵溶液，確保氫氧化亞鐵基本無(wú)亞鐵離子吸附。同時(shí)，為了避免新制氫氧化亞鐵被環(huán)境中的氧氣氧化，師生利用某品牌清涼凍呈凝膠狀，包裝密封性好，不易進(jìn)入氧氣，且外觀幾乎透明不影響實(shí)驗(yàn)觀測(cè)特點(diǎn)，將清涼凍作為實(shí)現(xiàn)載體，制備了氫氧化亞鐵白色沉淀。隨后，用注射器在新制的氫氧化亞鐵中注入空氣，讓學(xué)生觀察到白色的氫氧化亞鐵沉淀迅速被氧化，并且出現(xiàn)紅褐色、灰綠色、白色三種顏色共存的現(xiàn)象。此項(xiàng)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生建構(gòu)鐵及其重要化合物之間相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，體現(xiàn)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)價(jià)值。

（ 一） 實(shí)驗(yàn)藥品及儀器

實(shí)驗(yàn)藥品：FeSO4·7H2 O;氫氧化鈉;蒸餾水，稀硫酸，還原鐵粉。

實(shí)驗(yàn)儀器：燒杯;注射器;某品牌清涼凍;玻璃棒。

（ 二） 實(shí)驗(yàn)操作步驟

① 用新煮沸冷卻的蒸餾水配制濃度約為0. 1 mol/ L 的 FeSO4 溶液，加入數(shù)滴稀硫酸，并加入過(guò)量的還原鐵粉。

② 用新煮沸冷卻的蒸餾水配制6 mol/ LNaOH 溶液，冷卻至室溫備用。

③ 如圖1 所示，取一只包裝完好的清涼凍置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用帶針頭的注射器向其中注入1 mL 新配制的6mol/ L NaOH 溶液;然后在清涼凍的相同位置，用另一支帶針頭的注射器注入0. 5 mL 0. 1 mol/ L FeSO4 溶液。觀察并記錄現(xiàn)象。

④ 用另一支未使用過(guò)的注射器往新制氫氧化亞鐵分布的區(qū)域中心注入適量空氣。

⑤ 持續(xù)往清涼凍中注入空氣或注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的過(guò)氧化氫溶液，觀察并記錄現(xiàn)象。

⑥ 設(shè)置對(duì)比實(shí)驗(yàn)，只向清涼凍中注入0. 5mL 0. 1 mol/ L FeSO4 溶液或只注入1 mL 新配制的6 mol/ L NaOH 溶液，觀察現(xiàn)象。

（ 三） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

只向清涼凍中注入氫氧化鈉溶液或硫酸亞鐵溶液，均無(wú)明顯現(xiàn)象，可見(jiàn)清涼凍原有成分對(duì)氫氧化亞鐵的生成無(wú)干擾。在清涼凍中注入氫氧化鈉溶液與硫酸亞鐵溶液后，兩種試劑反應(yīng)生成白色的氫氧化亞鐵。在凝膠狀的清涼凍中，氫氧化亞鐵白色絮狀沉淀分散區(qū)域較廣，現(xiàn)象明顯，便于學(xué)生觀察。而且清涼凍包裝具有良好的密封性、不易進(jìn)入氧氣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沉淀的白色可以維持約20 分鐘，滿足了教學(xué)需求。

實(shí)驗(yàn)步驟④ 中，用注射器向新制氫氧化亞鐵中注射適量空氣，部分白色的氫氧化亞鐵沉淀立刻變?yōu)榛揖G色，同時(shí)，注射器針頭周圍的氫氧化亞鐵由于充分接觸了氧氣而被氧化為紅褐色。如圖2 所示，出現(xiàn)了中心為紅褐色，向外依次為灰綠色、白色三種顏色共存的現(xiàn)象。隨后持續(xù)注入空氣，一段時(shí)間后，可以看到氫氧化亞鐵沉淀最終全部變?yōu)榧t褐色。氫氧化亞鐵在清涼凍中分散性好，故可與注入的氧氣接觸充分，被氧化的反應(yīng)速率較快，一分鐘內(nèi)，大部分灰綠色沉淀可變?yōu)榧t褐色，變色時(shí)間比傳統(tǒng)試管實(shí)驗(yàn)大大縮短。若在清涼凍中，注入過(guò)氧化氫溶液，灰綠色沉淀可在數(shù)秒內(nèi)變?yōu)榧t褐色。

（ 四） 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

① 挑選清涼凍時(shí)，應(yīng)上下顛倒，確保包裝完整且內(nèi)部無(wú)氣泡，以免混入氧氣對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生干擾。

② 圖1、圖2 中所展示的氫氧化亞鐵分布區(qū)域的形狀為圓餅狀，但實(shí)際操作過(guò)程中氫氧化亞鐵分布區(qū)域的形狀是隨機(jī)的，如長(zhǎng)條狀等。

③ 步驟④中注入的空氣應(yīng)適量，避免由于注入過(guò)多空氣導(dǎo)致白色的氫氧化亞鐵沉淀被氧化變?yōu)榛揖G色，從而影響三色共存現(xiàn)象的觀察。

④ 由于清涼凍所能容納的液體體積有限，故實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中所注入的氫氧化鈉溶液與硫酸亞鐵溶液體積不宜過(guò)大。

四、實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)與價(jià)值

① 選擇清涼凍等生活資源作為載體，材料易得、廉價(jià)，可激發(fā)學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的興趣，藥品用量少，現(xiàn)象明顯，成功率高。

② 以清涼凍作為載體制備氫氧化亞鐵，白色絮狀沉淀維持較長(zhǎng)時(shí)間，便于學(xué)生觀察，同時(shí)此條件下制備的氫氧化亞鐵分散性較好，與后續(xù)注入的氧氣接觸充分，故變色時(shí)間較傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)大大縮短，便于課堂演示或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)。

③ 三種不同顏色的沉淀共存，進(jìn)一步激發(fā)了學(xué)生的探究興趣。也可為一線教師擴(kuò)充教學(xué)資源。教師通過(guò)完善教學(xué)設(shè)計(jì)，引導(dǎo)學(xué)生觀察宏觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，感知?dú)溲趸瘉嗚F的生成、氧化、變色整個(gè)完整的過(guò)程，聚焦學(xué)生思維，揭示現(xiàn)象背后的反應(yīng)原理，為學(xué)生建構(gòu)鐵及其重要化合物之間相互轉(zhuǎn)化提供素材，培養(yǎng)學(xué)生微粒觀、變化觀等學(xué)科觀念，提升結(jié)構(gòu)化認(rèn)知水平。

④ 剖析已有實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)和不足，積極嘗試新的改進(jìn)方法，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以培養(yǎng)學(xué)生批判思維，培養(yǎng)其不畏艱難的毅力與勇于創(chuàng)新的精神，正視科學(xué)研究中遇到的困難，運(yùn)用生活經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，克服困難，解決問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的活學(xué)活用，逐步形成反思、實(shí)踐、創(chuàng)新、堅(jiān)持不懈的科學(xué)品質(zhì)。

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