氫氧化亞鐵被氧化生成紅褐色固體現(xiàn)象的探究

摘要： 從氫氧化亞鐵被氧化過程中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，從理論與實(shí)踐兩個方面對該實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析、討論。實(shí)驗(yàn)中有紅褐色固體物質(zhì)生成，紅褐色固體漸漸變暗。用磁鐵靠近紅褐色固體時，紅褐色固體（沉淀）中有部分固體能被磁鐵吸引。說明氫氧化亞鐵的氧化產(chǎn)物中含有一定量的四氧化三鐵。

關(guān)鍵詞： 氫氧化亞鐵制備； 氧化反應(yīng)； 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號： 1005-6629（2023）09-0084-03???中圖分類號： G633.8???文獻(xiàn)標(biāo)識碼： B

1? 問題提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》對“氫氧化亞鐵的制備”提出了活動建議［1］；人教版、魯科版和蘇教版教材中也都設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)：在FeSO4溶液中加入NaOH溶液［2～4］，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。教材中對該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象描述為：在試管中加入NaOH溶液，產(chǎn)生的白色沉淀逐漸轉(zhuǎn)化為灰綠色，最后變?yōu)榧t褐色固體，這是氫氧化亞鐵被空氣中的氧氣氧化為氫氧化鐵的緣故。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：FeSO4+2NaOHFe（OH）2↓+Na2SO4、 4Fe（OH）2+O2+2H2O4Fe（OH）3。

筆者在多年的教學(xué)中一直認(rèn)為，該實(shí)驗(yàn)最后得到的紅褐色固體為Fe（OH）3，沒有其他物質(zhì)生成。在本學(xué)期一次上課的過程中，筆者讓學(xué)生分組完成氫氧化亞鐵的制備，有一位學(xué)生站起來說，他們小組得到紅褐色沉淀的顏色又變暗了，好像紅褐色沉淀中有黑色固體產(chǎn)生。聽到該小組的結(jié)果后，每個小組都對自己小組的沉淀進(jìn)行了認(rèn)真觀察，大多數(shù)小組發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的紅褐色固體漸漸變暗，甚至有些發(fā)黑。紅褐色固體為什么會逐漸變暗、發(fā)黑，難道有新的物質(zhì)產(chǎn)生了嗎？

2? 推測和設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明紅褐色固體變暗的原因

通過查閱文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)有關(guān)該問題的研究較少，周改英等在“對氫氧化亞鐵制備實(shí)驗(yàn)的商榷與建議”一文中提出［5］，白色Fe（OH）2一旦生成便會緩慢轉(zhuǎn)化為Fe3O4等物質(zhì)，混合物的顏色隨時間的推移而逐漸加深，但文章中并未通過實(shí)驗(yàn)證明Fe（OH）2在緩慢氧化的過程中生成Fe3O4。

實(shí)驗(yàn)中紅褐色固體變暗是產(chǎn)生了四氧化三鐵嗎？帶著這個問題筆者和學(xué)生對紅褐色的固體進(jìn)行了分析與探究。根據(jù)中學(xué)化學(xué)知識，F(xiàn)eO和Fe3O4均為黑色且難溶于水的固體，其中的黑色固體可能是FeO或Fe3O4。FeO和Fe3O4又是如何產(chǎn)生的呢？硫酸亞鐵和氫氧化鈉反應(yīng)的過程，先生成了白色沉淀，一段時間后產(chǎn)生了少量的褐色固體Fe（OH）3，此時沉淀是Fe（OH）2和Fe（OH）3的混合物。FeO中鐵元素的價(jià)態(tài)為+2價(jià)，如果產(chǎn)生了氧化亞鐵，則FeO可能是白色沉淀Fe（OH）2分解的產(chǎn)物。在無氧的環(huán)境下，將白色氫氧化亞鐵固體放置一段時間后，若產(chǎn)生黑色固體，則說明紅褐色固體變暗是由于Fe（OH）2分解產(chǎn)生了FeO。Fe3O4中鐵元素的價(jià)態(tài)既有+2也有+3價(jià)，如果在亞鐵鹽和鐵鹽的混合溶液中加入氫氧化鈉，溶液中立即產(chǎn)生黑色固體，則說明紅褐色固體變暗是由亞鐵鹽、鐵鹽和氫氧化鈉共同產(chǎn)生了四氧化三鐵。四氧化三鐵具有磁性，用磁鐵靠近變暗的固體，若固體能被磁鐵吸引，則可說明實(shí)驗(yàn)過程中紅褐色固體變暗的原因是生成了四氧化三鐵。

3? 實(shí)驗(yàn)探究黑色固體的成分

3.1? 在氫氧化鈉溶液中加入少量硫酸亞鐵溶液的反應(yīng)

（1） 實(shí)驗(yàn)步驟：在小試管中加入10mL 8mol·L-1氫氧化鈉溶液，將膠頭滴管伸入到液面下，逐滴加入0.1mol·L-1硫酸亞鐵溶液，擠一滴，移動膠頭滴管的位置，再擠一滴……，當(dāng)試管中產(chǎn)生了較多的白色沉淀時，停止加入硫酸亞鐵溶液［6］，立即用一橡膠塞塞住試管口，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)在氫氧化鈉溶液中加入硫酸亞鐵溶液時，產(chǎn)生懸浮于液面的白色沉淀，沉淀慢慢下沉，一段時間后，白色沉淀沉降在試管的底部，整個過程不產(chǎn)生灰綠色沉淀，一段時間后試管底部的固體仍為白色。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：在濃的氫氧化鈉溶液中加入硫酸亞鐵稀溶液，白色沉淀的顏色一直未發(fā)生改變，說明制備氫氧化亞鐵時，產(chǎn)生的氫氧化亞鐵若要一直保持白色狀態(tài)，需要?dú)溲趸c溶液過量，防止生成的氫氧化亞鐵吸附溶液中未反應(yīng)的二價(jià)鐵離子，使白色固體變?yōu)榛揖G色［7］。由于試管底部的固體一直處于白色狀態(tài)，說明氫氧化亞鐵不易發(fā)生分解產(chǎn)生氧化亞鐵。

3.2? 在硫酸鐵溶液中加入氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

（1） 實(shí)驗(yàn)步驟：在試管中加入10mL 0.1mol·L-1硫酸鐵溶液，用膠頭滴管加入2mol·L-1的氫氧化鈉溶液，一段時間后，用強(qiáng)力磁鐵靠近試管中的固體，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在硫酸鐵溶液加入氫氧化鈉溶液，試管中立即產(chǎn)生紅褐色沉淀。一段時間后，紅褐色沉降在試管的底部，且固體的顏色一直處于紅褐色，用強(qiáng)力磁鐵靠近試管底部的紅褐色固體時，固體不能被磁鐵吸引。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：固體的顏色一直未發(fā)生變化，且紅褐色不能被磁鐵吸引，說明氫氧化鐵沉淀未發(fā)生分解。

3.3? 亞鐵鹽和鐵鹽的混合物與氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

（1） 實(shí)驗(yàn)步驟：在試管中依次加入5mL 0.2mol·L-1的硫酸亞鐵溶液和硫酸鐵溶液，然后在其中滴加幾滴2mol·L-1的氫氧化鈉溶液，當(dāng)溶液中產(chǎn)生沉淀時，在試管外用磁鐵靠近試管底部，將磁鐵由試管底部慢慢移向液面，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：在硫酸亞鐵和硫酸鐵的混合溶液中滴加幾滴氫氧化鈉溶液，立即產(chǎn)生大量的黑色塊狀固體，且生成的黑色固體懸浮在溶液中，上層清液立即變?yōu)闊o色透明，其變化過程如圖1所示。當(dāng)磁鐵靠近試管底部的黑色固體時，溶液中的黑色固體能被磁鐵吸引，將強(qiáng)力磁鐵慢慢移至液面上方時，黑色固體能隨著磁鐵的移動而移動。繼續(xù)滴加氫氧化鈉溶液，振蕩試管，整個試管中產(chǎn)生了黑色固體，靜置，黑色固體全部沉降在試管的底部，再用磁鐵靠近黑色固體時，黑色固體全部被磁鐵吸引到了試管的一側(cè)，試管的另一側(cè)為澄清透明溶液，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：黑色固體能被磁鐵吸引，說明黑色固體全部為四氧化三鐵。產(chǎn)生四氧化三鐵的原理為：Fe2++2Fe3++8OH-Fe3O4↓+4H2O。

3.4? 在硫酸亞鐵溶液中加入氫氧化鈉溶液的反應(yīng)

（1） 實(shí)驗(yàn)步驟：在試管中加入少量的硫酸亞鐵溶液，然后加入氫氧化鈉溶液，振蕩試管后，靜置一段時間，在試管外用磁鐵靠近試管底部，將磁鐵由試管底部慢慢移向液面上，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

（2） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：當(dāng)氫氧化鈉滴入硫酸亞鐵溶液中，觀察到有白色沉淀生成，白色沉淀迅速轉(zhuǎn)化為灰綠色，且懸浮于液面。振蕩試管，靜置一段時間，首先在溶液上方的試管內(nèi)壁產(chǎn)生紅褐色沉淀，溶液中的灰綠色固體逐漸變?yōu)榧t褐色，當(dāng)試管中的固體全部沉降在試管的底部時，用磁鐵靠近試管底部時，試管內(nèi)少量的固體隨著磁鐵的移動而移動。

（3） 實(shí)驗(yàn)結(jié)論：先產(chǎn)生的白色沉淀為氫氧化亞鐵，固體變?yōu)榛揖G色是由于生成的氫氧化亞鐵吸附了未反應(yīng)的二價(jià)鐵離子，振蕩試管時，灰綠色固體與空氣中的氧氣接觸，空氣中的氧氣將部分氫氧化亞鐵和被吸附的二價(jià)鐵離子氧化，生成了氫氧化鐵或三價(jià)鐵離子，生成的三價(jià)鐵離子與尚未反應(yīng)的二價(jià)鐵離子在堿性環(huán)境中共同生成了四氧化三鐵。

由以上4組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，在制備氫氧化亞鐵時，白色沉淀轉(zhuǎn)化為灰綠色沉淀，一段時間變?yōu)榧t褐色時，紅褐色的固體中既有氫氧化鐵，也有少量的四氧化三鐵，生成的四氧化三鐵導(dǎo)致紅褐色固體的顏色變暗。

4? 結(jié)語

從氫氧化亞鐵被氧化過程中遇到的實(shí)際問題出發(fā)，從理論與實(shí)踐兩個方面對該問題進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，證明了氫氧化亞鐵在被氧化的過程中有少量四氧化三鐵生成。之后，在此基礎(chǔ)上，又通過改變亞鐵鹽和氫氧化鈉溶液的濃度，改變空氣與氫氧化亞鐵的接觸面積，在玻璃片上滴加8～10滴飽和硫酸亞鐵溶液，然后用小噴壺在硫酸亞鐵的表面噴灑少量的飽和氫氧化鈉溶液，瞬間在玻璃片上產(chǎn)生白色沉淀，白色沉淀又快速變成灰綠色，一段時間后灰綠色固體變?yōu)楹谏腆w。用小刀把玻璃片上的固體刮下，干燥后，用一段細(xì)鐵絲靠近黑色固體，黑色固體能和鐵絲之間相互吸引。通過以上實(shí)驗(yàn)可得，亞鐵鹽溶液的濃度越大，空氣與氫氧化亞鐵的接觸面積越大，生成的四氧化三鐵就越多。

教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中的每一個細(xì)節(jié)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與預(yù)期效果不一致時，要多加思考，堅(jiān)持不懈地加以探究，或許會有意外的收獲［8］。作為一名一線的化學(xué)教師，只有貴在動手，勤于實(shí)踐，才能發(fā)現(xiàn)更多的問題，獲得更多的啟發(fā)。

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［2］王晶， 鄭長龍主編. 普通高中教科書·化學(xué)必修第一冊［M］. 北京：人民教育出版社， 2019：67.

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