杜姣姣， 楊囯鑫， 鄭阿群， 白艷紅

(西安交通大學(xué) 理學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 西安 710049)

0 引 言

硫酸亞鐵銨[(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O]，又稱莫爾鹽，是淺藍(lán)綠色的單斜晶體，比一般的亞鐵鹽穩(wěn)定，不易被氧化，在定量分析中常用來配制亞鐵離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液[1-2]。實(shí)驗(yàn)室制備硫酸亞鐵銨分為2步：① 制備硫酸亞鐵溶液；② 硫酸亞鐵與等物質(zhì)量的硫酸銨混合，加熱濃縮，冷卻結(jié)晶即可得到硫酸亞鐵銨晶體[3]。

硫酸亞鐵銨的制備是大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中一個(gè)經(jīng)典的綜合性實(shí)驗(yàn)[4]。該實(shí)驗(yàn)涉及到大量的化學(xué)知識(shí)和一系列基本操作，因此對(duì)學(xué)生鞏固所學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)動(dòng)手能力具有極為重要的作用。實(shí)驗(yàn)過程中選用本校工程坊機(jī)械加工產(chǎn)生的廢棄物鐵屑為原料，節(jié)約成本，變廢為寶，屬于再生利用資源的節(jié)約型實(shí)驗(yàn)[5]。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生一方面可學(xué)到稱量、溶解、水浴加熱、傾析、常壓過濾，減壓過濾、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、目視比色等一系列化學(xué)基本操作[6-7]；另一方面，培養(yǎng)學(xué)生如何通過化學(xué)方法將廢棄資源再生利用的綠色化學(xué)理念[8]。然而，目前實(shí)驗(yàn)是在敞口容器中進(jìn)行反應(yīng)，廢鐵屑含有的碳、硫、磷等雜質(zhì)，與稀硫酸反應(yīng)時(shí)放出少量H2S、PH3等有害刺鼻氣體，嚴(yán)重影響師生的身心健康[9]，其次加熱過程中易導(dǎo)致Fe2+被氧化成Fe3+，造成產(chǎn)品質(zhì)量、等級(jí)下降，此外實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在試劑用量大等問題[10-12]。為此，針對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的上述問題，反復(fù)進(jìn)行探索實(shí)驗(yàn)研究，提出了一種對(duì)反應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)用量進(jìn)行改進(jìn)的新方法，該方法不僅提高了產(chǎn)物的質(zhì)量，降低了實(shí)驗(yàn)?zāi)芎?，減少了實(shí)驗(yàn)室污染，而且提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣及環(huán)保意識(shí)，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的綠色化[5,8]。

1 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的依據(jù)

硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)中涉及一系列化學(xué)基本操作，對(duì)實(shí)驗(yàn)知之甚少的多數(shù)大一新生的基本操作技能的培養(yǎng)具有重要意義。但是，實(shí)驗(yàn)存在尾氣未處理，試劑用量大等問題，均不符合綠色化學(xué)的思想，需要對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在問題進(jìn)行綠色改進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生綠色實(shí)驗(yàn)理念。

1.1 鐵屑不純

實(shí)驗(yàn)采用機(jī)床加工產(chǎn)生的廢棄鐵屑為反應(yīng)原料，以達(dá)到廢物利用的目的。由于廢鐵屑不純，含有C、S、P等雜質(zhì)，在與稀硫酸的反應(yīng)過程中不可避免的產(chǎn)生少量H2S、PH3等有害刺激性氣體，即使是在通風(fēng)的條件下，反應(yīng)逸出的刺鼻氣體仍會(huì)充滿整個(gè)實(shí)驗(yàn)室，直接影響學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，甚至?xí)：?shí)驗(yàn)者的身體健康。

1.2 裝置敞開

原實(shí)驗(yàn)是在敞口錐形瓶中進(jìn)行，雖在反應(yīng)過程中蓋上了表面皿，但在反應(yīng)過程還是有大量水分被蒸發(fā)而損失，需要及時(shí)補(bǔ)充水分，在往容器中補(bǔ)充水時(shí)，會(huì)有大量有害氣體逸出，有害氣體H2S主要由呼吸道吸入而中毒，一旦吸入會(huì)迅速分布在腦、腎、肝、胰腺等組織，且中樞神經(jīng)系統(tǒng)最先受到影響[13-14]。敞開的反應(yīng)體系，實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的有害氣體沒有被收集，直接排放在空氣中，不僅對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，還給師生的身體健康造成隱患。

在開放式裝置中進(jìn)行反應(yīng)，難免會(huì)與外界的空氣接觸。加熱過程中，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的硫酸亞鐵會(huì)與空氣中的氧氣接觸，將部分Fe2+被氧化為Fe3+，反應(yīng)產(chǎn)物不理想，出現(xiàn)黃色溶液，降低產(chǎn)品等級(jí)。

1.3 實(shí)驗(yàn)用量

在錐形瓶中加入4.0 g鐵屑和3.0 mol/L H2SO425 mL，反應(yīng)物用量較大，反應(yīng)需較長(zhǎng)時(shí)間，還會(huì)有較多有害氣體釋放到環(huán)境中，同時(shí)H2為易燃易爆氣體，存在巨大的安全隱患。實(shí)驗(yàn)用量大，造成試劑浪費(fèi)，也會(huì)帶來環(huán)境污染。在保證有明顯實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提前下，試著減少試劑用量，是綠色化學(xué)思想在實(shí)驗(yàn)中的體現(xiàn)。

2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)

根據(jù)制備實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)的問題以及教學(xué)實(shí)踐中獲取的經(jīng)驗(yàn)，在原有實(shí)驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上，進(jìn)行了如下改進(jìn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

原實(shí)驗(yàn)裝置如圖1(a)所示，將廢鐵屑與稀硫酸裝入敞口錐形瓶中，反應(yīng)產(chǎn)生的有害氣體未處理，易造成環(huán)境污染。針對(duì)原敞開式實(shí)驗(yàn)裝置的不足，將裝置改為封閉且配有尾氣吸收裝置如圖1(b)所示，這樣體系內(nèi)部產(chǎn)生的有害氣體可被碳酸鈉堿液吸收，還可防止外界空氣進(jìn)入。

(a) 改進(jìn)前(b) 改進(jìn)后

圖1 改進(jìn)前后的硫酸亞鐵制備裝置

鐵屑與稀硫酸的反應(yīng)在錐形瓶-橡膠塞封閉體系中進(jìn)行，體系連有尾氣吸收裝置。廢氣吸收裝置中漏斗口一半浸在水面下，一半露出水面以達(dá)到既能吸收尾氣又可防止倒吸的效果。采用錐形瓶-橡膠塞封閉式體系-尾氣吸收裝置，一是反應(yīng)釋放的H2S、PH3等有害氣體可被碳酸鈉溶液吸收，避免了有害氣體排放到大氣中，保護(hù)了實(shí)驗(yàn)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的綠色化，二是避免了硫酸亞鐵裸露在空氣中而被氧化，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

稀硫酸與鐵屑的反應(yīng)裝置雖是封閉的，但在加熱過程不可避免有少量水蒸汽流失，利用注射器補(bǔ)充水分，保證了在密閉體系的前提下，反應(yīng)容器中溶液的總體積不變，解決了反應(yīng)過程中隨著水蒸汽散失，溶液濃度逐漸增大，硫酸亞鐵會(huì)少量析出和被氧化的問題，產(chǎn)品質(zhì)量由此得到保證。同時(shí)反應(yīng)生成的氫氣排除反應(yīng)體系內(nèi)的空氣，使反應(yīng)體系處于還原狀態(tài)，也可有效抑制Fe2+被氧化成Fe3+，提高了產(chǎn)品等級(jí)。注射器在生活中非常常見，密封性好、比滴管的量要大，比漏斗要好操作而且簡(jiǎn)便，不用給膠塞打孔就可以加液，密封效果好[15]。

2.2 試劑用量改進(jìn)

在保證培養(yǎng)學(xué)生基本操作的前提下，鐵屑質(zhì)量由4.0 g減少為2.0 g，其他試劑用量也相應(yīng)減少了，既可降低試劑消耗又可減少對(duì)環(huán)境的污染，還可縮短反應(yīng)時(shí)間。保證實(shí)驗(yàn)效果的同時(shí)，準(zhǔn)確地掌握實(shí)驗(yàn)試劑用量，既能得到滿意的實(shí)驗(yàn)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，而且對(duì)學(xué)生起到勤儉節(jié)約的教育作用[16]。

分別用2.0 g與4.0 g 鐵屑，由表1可知，在鐵屑用量減半，同樣可制得產(chǎn)率較高的硫酸亞鐵銨晶體，不會(huì)造成實(shí)驗(yàn)試劑浪費(fèi)。

表1 不同用量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)后的操作

3.1 鐵屑的凈化

由于實(shí)驗(yàn)所用鐵屑來自機(jī)加工產(chǎn)生的切屑廢料，表面有較多機(jī)油等物質(zhì)。用臺(tái)秤稱取2.0 g鐵屑于150 mL錐形瓶中，加入1 mol/L Na2CO3溶液20 mL，水浴加熱10 min，并不斷振蕩，促進(jìn)堿液對(duì)油污的溶解。傾倒Na2CO3溶液于250 mL燒杯中，作尾氣吸收液備用，用蒸餾水將鐵屑沖洗3～5次至中性。

3.2 硫酸亞鐵的制備

向盛有洗凈鐵屑的錐形瓶中加入3 mol/L H2SO4溶液15 mL，用帶有導(dǎo)氣管的橡膠塞塞住錐形瓶口，將生成的有害氣體導(dǎo)入盛有除油污后的碳酸鈉溶液中，注射器事先吸入2 mL蒸餾水，插入橡膠塞中。在75 ℃下，水浴加熱至反應(yīng)不再有氣泡產(chǎn)生為止。反應(yīng)過程中，推動(dòng)注射器補(bǔ)充損失的少量水分。趁熱用普通漏斗過濾，保留濾液，用少量熱水洗滌錐形瓶及漏斗上的殘?jiān)?/p>

3.3 硫酸亞鐵銨的制備

按n[(NH4)2SO4]∶n(Fe)=1∶1的比例稱取所需(NH4)2SO4固體加入上述濾液中，水浴加熱使其溶解。然后將溶液轉(zhuǎn)移到蒸發(fā)皿中，蒸發(fā)濃縮至表面出現(xiàn)晶膜，冷卻至室溫即有晶體，減壓過濾得到淺藍(lán)綠色的晶體。

3.4 產(chǎn)品純度檢驗(yàn)

利用KSCN與Fe3+反應(yīng)顯紅色的原理，采用比色法判定產(chǎn)品中的Fe3+的含量。稱取制備的產(chǎn)品置于25 mL比色管，加入已除氧的去離子水溶解。實(shí)驗(yàn)室會(huì)提前準(zhǔn)備三支盛有Fe3+標(biāo)準(zhǔn)溶液的不同等級(jí)比色管，可以通過比色確定產(chǎn)品等級(jí)。

4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)

(1) 改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，學(xué)生可動(dòng)手安裝實(shí)驗(yàn)裝置，能讓學(xué)生明確各儀器的用途，積極引導(dǎo)學(xué)生思考如何防止倒吸、廢氣處理等問題，更有利于訓(xùn)練學(xué)生操作技能，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際分析、解決問題的能力，增強(qiáng)自主創(chuàng)新意識(shí)。

(2) 增加了尾氣吸收裝置，解決了常規(guī)實(shí)驗(yàn)中存在的尾氣問題，減少有害氣體對(duì)環(huán)境造成的污染，保護(hù)了師生的健康。實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的有害氣體被除油污的碳酸鈉溶液吸收，碳酸鈉溶液的使用，不必重新配制氫氧化鈉溶液，避免試劑浪費(fèi)。廢氣經(jīng)堿液吸收，實(shí)驗(yàn)室不再充滿刺激性氣味，環(huán)境條件大為改善，同時(shí)提高了學(xué)生的綠色環(huán)保意識(shí)。

(3) 實(shí)驗(yàn)在相對(duì)封閉的體系中進(jìn)行，有效抑制了硫酸亞鐵與空氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。利用注射器補(bǔ)充損失的水分，能夠改善實(shí)驗(yàn)效果，避免硫酸亞鐵結(jié)晶的析出。注射器作為一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，可代替滴管、滴液漏斗等裝置，可培養(yǎng)學(xué)生利用簡(jiǎn)易儀器開展課外化學(xué)實(shí)驗(yàn)的能力。

(4) 在不影響實(shí)驗(yàn)效果的情況下，減少了實(shí)驗(yàn)試劑用量，也可達(dá)到預(yù)期的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和目的，有害氣體排放減少，節(jié)約了化學(xué)實(shí)驗(yàn)成本，縮短了反應(yīng)時(shí)間，有效提高了實(shí)驗(yàn)環(huán)境的安全性。所需試劑用量減半，收到了良好的教學(xué)效果，幫助學(xué)生養(yǎng)成綠色化學(xué)理念。

5 結(jié) 語

采用“減量、減廢”的思路，成功對(duì)硫酸亞鐵銨制備實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改進(jìn)，有助于開創(chuàng)綠色實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)在相對(duì)密閉體系中完成，既減少了對(duì)環(huán)境的污染和對(duì)人體的危害，又可降低實(shí)驗(yàn)消耗，達(dá)到了節(jié)約的目的，同時(shí)也把環(huán)保意識(shí)滲透到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中來。通過教學(xué)，不僅獲得了更佳的實(shí)驗(yàn)效果，而且在實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)上，初步培養(yǎng)了大一學(xué)生的創(chuàng)造性思維和科研意識(shí)。