基于搅拌和Fe-Cu原电池...析改进硫酸亚铁铵的制备实验_张胜海.pdf

质量与检测42|2023年03月0 引言硫酸亚铁铵的制备实验自 20 世纪 70 年代末开始，即被国内主编的多部 普通化学实验基础化学实验无机化学实验 或 无机及分析化学实验 等多部教材选用1-8。多年来大部分高校均将其作为化学、化工专业的必做无机化学实验之一，是训练学生称量、加热、过滤等系列化学合成基本操作经典实验。由于所用的实验仪器简单，一般实验室的条件都能满足开设要求，该实验还被选入中学化学人教版和苏教版选修教材 实验化学 分册中9-10，并经常被选为中学生化学奥林匹克竞赛赛前培训实验项目及大学生化学实验竞赛11-12。尽管其原理并不复杂，但学生按照教材给定的方案进行制备时，不但耗时较长，而且得到的结果往往具有较大的差异，甚至同一操作者多基于搅拌和 Fe-Cu 原电池增速及磁铁辅助 倾析改进硫酸亚铁铵的制备实验张胜海1*，李润1，张杰1，吴艳2，胡玲玲1(1.陕西省富硒食品质量监督检验中心、安康学院化学化工学院，陕西 安康 725000；2.陕西省汉阴县汉阴中学，陕西 汉阴 725100)摘要：文章基于 Fe-Cu 原电池原理、磁分离辅助的直接倾析，提出一种制备硫酸亚铁铵的改进方法。实验中，利用还原铁粉和铜丝构成原电池并不断搅拌铁屑与稀硫酸的反应混合物，将反应时间缩短至 15 min 左右。反应完毕后，使用强磁铁将剩余的铁粉吸引在烧杯内壁，然后将制得的硫酸亚铁溶液直接倾析至蒸发皿中，1 min 之内即可完成溶液与剩余铁粉的分离。将分离得到的溶液酸化后加入等量硫酸铵固体，搅拌溶解后，将所得混合溶液以水蒸汽蒸发浓缩，冷却结晶后以 83.4%的产率得浅蓝绿色结晶状固体。本实验提出的改进方案，解决原实验中耗时长、实验效率低的问题，有助于培养学生“精益求精”的工匠精神和成本优化与效率优先的工艺思想，让学生认识到以直接倾析取代过滤在简化实验程序、缩短操作时间和提高产率方面的优点。关键词：磁铁辅助；倾析；改进；硫酸亚铁铵；制备中图分类号：TQ637 文献标志码：A 文章编号：1008-4800(2023)09-0042-04DOI:10.19900/ki.ISSN1008-4800.2023.09.012Improving the Preparation of Ammonium Ferrous Sulfate based on Stirring,Fe-Cu Primary Cell Growth and Magnetic-assisted DecantationZHANG Sheng-hai1*,LI Run1,ZHANG Jie1,WU Yan2,HU Ling-ling1(1.Quality Supervision and Inspection Centre of Se-enriched Food of Shaanxi Province,School of Chemistry&Chemical Engineering,Ankang Univerisity,Ankang 725000,China;2.High School of Hanyin County,Shaanxi Province,Hanyin 725100,China)Abstract:Based on Fe-Cu galvanic cell principle and direct decanting assisted by magnetic separation,an improved method for preparing ammonium ferrous sulfate was proposed.In the experiment,stirring the reaction mixture of iron powder and dilute sulfuric acid continuously and Fe-Cu galvanic battery formation shortened the reaction time to about 15 min.Then,a strong magnet was used to attract the residual iron powder to the inner wall of the beaker followed by directly decanting the prepared ferrous sulfate solution into the evaporating dish.The separation of solution and the residual iron powder could be completed within 1 min.The obtained ferrous sulfate solution was acidified and an equal amount of ammonium sulfate solid was added.After stirring and dissolving,the mixed solution was evaporated and concentrated with vapor.Light blue-green crystalline solid was obtained with 83.4%yield after cooling and crystallization.The improvement method put forward in this study solve the problem of time-consuming,low efficiency in the original experiment,which helps to cultivate the spirit of“keep improving”and the idea of cost optimization and efficiency priority,let students recognize the advantages of decantation to replace filter in simplifying the experimental procedure,shorting the operation time and improving the yield of the product.Keywords:magnet assisted;decantation;improvement;ammonium ferrous sulfate;preparation 2023年03月|43次进行实验的结果也不尽一致。已有多篇文献明确指出了实验存在的问题，并分析了造成结果差异的原因11,13-14，陈煜15分析认为改善实验结果的关键是温度控制、水量控制、酸度控制和反应终点控制等。针对该实验存在的主要问题如耗时较长、产率降低、被氧化、污染问题等，已有多篇文献提出了各自的改进办法，如采用微型化学实验16-18、“绿色化”改进17-27，提高铁与硫酸反应的速率13,23,28-29、改进过滤方法14,26和结晶方法17,27,30-31等。对该实验的“持续改进”符合 OBE(outcome-based education)教学理念，充分体现了新工科在人才培养方面的要求，突破了原有实验方案仅能让学生通过实验理解复盐的制备原理，学习一些化学合成基本操作的要求。为使该实验更好地服务于教学，提高学生的综合能力，培育学生的创新意识和创新能力，本文采用缠绕铜丝的玻璃棒搅拌还原铁粉和稀硫酸的反应混合物，增大反应物接触面积，同时形成 Fe-Cu 原电池而使反应速度加快，反应完成后借助磁铁分离，以倾析法取代趁热常压过滤，缩短了实验时间，降低了 Fe2+被氧化的风险，从而使硫酸亚铁铵的产率和品级得以提高。通过这种改进，进一步提高了实验效率，除可让学生认识到增大反应物接触面积、形成原电池等在促使反应速率增加方面的积极作用，还可让学生意识到优化操作工艺在成本控制和效率提升方面的重要作用。1 改进实验方案1.1 基本原理如图 1 所示，用缠绕细铜丝的玻璃棒搅拌铁粉与稀硫酸反应混合物，使铁粉与稀硫酸处于运动状态，增大了反应的接触面积，加之 Fe-Cu 还构成大量微小原电池，因此极大加快了反应速率。在反应结束后，将铜丝随玻璃棒直接取出，使用强磁铁将未反应完的铁屑吸引在烧杯内壁，将制得的硫酸亚铁溶液直接倾析到蒸发皿中，迅速彻底地实现固液分离。最后向酸化的硫酸亚铁溶液中加入硫酸铵固体，搅拌溶解后以水蒸气浴蒸发浓缩，冷却结晶即得到硫酸亚铁铵。图1 制备硫酸亚铁铵的基本原理1.2 操作方案如图 2 所示，将原实验方案做了两处改进：第一处，加快制备过程速率。采用缠绕铜丝的玻璃棒不断搅拌反应混合物，使反应物处于运动状态，微观上使铁粉和硫酸电离产生的氢离子接触机会增大，宏观上使氢离子和铁粉的接触面积增大，加之铜丝和铁粉接触形成原电池，从而使反应速率大大加快；第二处，以铜丝取代文献用活性炭或炭黑和铁粉接触形成原电池。因铜的金属活动性在铁和氢之后，在原电池反应中作为正极，本身也不与稀硫酸反应，故稀硫酸与铁粉反应完毕后，可直接取出铜丝，再将强磁铁贴紧烧杯外壁，在磁力作用下未反应完的铁粉即聚集于烧杯内壁，采用直接倾析的方法将制得的硫酸亚铁溶液倒出即可，不必进行减压或常压过滤，缩短了溶液与空气接触的时间，降低 Fe2+被氧化的风险。图2 硫酸亚铁铵制备操作方案示意图质量与检测44|2023年03月2 试剂和仪器2.1 试剂和耗材铜丝(0.5 mm)，购于天津铸信金属材料有限公司，使用前用砂纸打磨、抛光；还原铁粉(AR,100 目)，购于阿拉丁试剂(上海)有限公司；浓硫酸(98%)、硫酸铵(AR)，购于国药集团化学试剂有限公司；无水乙醇(99.5%)，购于上海麦克林生化科技有限公司；中速定性滤纸，购于衡水瑞丰化玻仪器有限公司；3 mol/L稀硫酸由浓硫酸稀释而成。2.2 仪器HHS-2 型恒温水浴锅(上海浦予工业科技有限公司)、SHZ-D()型实验循环水真空泵(郑州卓成仪器科技有限公司)、JT1003B 型电子天平(鹤壁市瑞普仪器仪表有限公司)、DK-98-型可调式封闭电炉(北京盛坤海利科技发展有限公司)，其他常规小型仪器布氏漏斗、烧杯、玻璃棒、蒸发皿等。3 实验对比实验中试剂用量参考南京大学 无机化学与化学分析实验 编写组编写的实验教材7，在以往实验的基础上进行改进，并将以前的实验列为“参照实验”，从实验步骤、实验现象和结果方面来比较改进方案和以前的实验方法之间的异同，结果如表 1 和表 2 所示。表1 实验步骤对比实验步骤参照实验改进实验制备FeSO4溶液将2.1 g 还原铁粉和20 mL 3 mol/L H2SO4溶液加入50 mL 小烧杯中，置于70 恒温水浴中反应将2.1 g 还原铁粉和20 mL 3 mol/L H2SO4溶液加入50 mL 小烧杯中，置于70 恒温水浴中，以缠绕细铜丝的玻璃棒不断搅拌反应FeSO4溶液与剩余铁粉的分离趁热常压过滤，得到FeSO4溶液，将其转移到蒸发皿中取出铜丝，用强磁铁将未反应的铁粉吸引在烧杯内壁，然后将所得FeSO4溶液直接倾析至蒸发皿中Fe(NH4)2(SO4)26H2O 的制备向上述分离所得FeSO4溶液中滴加23 滴 3 mol/L H2SO4溶液使其酸化，再向其中直接加入4.75 g(NH4)2SO4固体，搅拌溶解后，利用水蒸气加热混合溶液，待溶液表面出现结晶薄层时后，取下蒸发皿，冷却至室温后，析出大量晶状固体，抽滤，用无水乙醇洗涤(3 mL/次)，取出晶体，用滤纸吸干，称重表2 实验现象和结果对比实验现象和结果参照实验改进实验3 mol/L H2SO4和还原铁粉反应的速度铁屑与稀硫酸反应至基本完全(没有气泡产生)需4550 min，产生气泡的速度先慢后快，最后不再产生气泡铁屑与稀硫酸反应至基本完全(没有气泡产生)需1520 min，以缠绕