对“铁与盐酸、硫酸溶液的反应”实验药品选择的建议

　　摘要：铁与非氧化性酸发生反应生成Fe2+，但浅绿色现象在课堂实验中難以快速实现。为解决此问题，在材料的选择上进行了实验探究，并对出现的诸多副反应现象进行了理论分析。发现用还原性铁粉与8 mol/L盐酸溶液反应能快速出现浅绿色现象，适宜做课堂教学实验。
　　关键词：铁；盐酸溶液；稀硫酸；实验探究
　　文章编号：1005–6629（2016）12–0067–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
　　“金属与酸的反应”首次出现在人教版义务教育教科书九年级《化学》[1]下册第八单元课题2。其次在人教版普通高中课程标准实验教科书《化学1》第四章第四节中，介绍了关于Fe在常温下在浓硫酸中的钝化反应[2]。单质铁与非氧化性酸发生反应生成Fe2+，这是毋须置疑的客观事实。但在实际的实验教学中发现：用含铁金属与稀盐酸或稀硫酸的反应速率过于缓慢，课堂实验中难以快速观测到溶液由无色变为浅绿色的现象，且常伴随着副反应的发生。众多教师在对该实验现象的解释中选择了回避，造成学生对实验结论的接受度不高。
　　为此，我们设计了常见的含铁金属与不同浓度的硫酸、盐酸溶液反应的研究实验，并对实验过程中出现的现象进行理论分析，以期得到在课堂实验中快速出现浅绿色现象的实验方案。
　　1 材料与方法
　　1.1 实验材料
　　普通铁钉（规格：2寸、长50mm，1.5寸、长38mm；天津金利华源钉业有限公司）、A3铁板（经切割机处理为铁屑，下文简称“铁屑”）、201不锈钢（经切割机处理为屑，下文简称“不锈钢屑”）、还原性铁粉（分析纯，广东省化学试剂工程技术研究开发中心）、酸（选取中学实验室常用浓度的酸：3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液、6 mol/L盐酸溶液、8 mol/L盐酸溶液）
　　1.2 实验方法
　　在多次重复性实验基础上，选择铁钉（1.5寸、2寸）、铁屑、不锈钢屑、铁粉分别与6 mol/L盐酸溶液、8 mol/L盐酸溶液、3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液各6mL于试管中进行实验，并滴加植物油液封防止氧化，观察、记录实验现象，记录反应时间。
　　2 结果与分析
　　2.1 普通铁钉反应实验
　　由表1，表2可知，用不同规格的普通铁钉与不同浓度酸溶液进行反应，浅绿色现象明显，但所需时间较长，1d后能观察到明显现象，且普通铁钉中含碳量较高，均会出现黑色悬浮颗粒。且随酸的浓度增大，黑色颗粒增多。
　　2.2 铁屑反应实验
　　由表3可知，铁屑与酸溶液反应出现浅绿色现象较铁钉颜色更浅，但所需时间仍然很长，1d后能观察到明显现象，且铁屑中含碳量较高，同样出现黑色悬浮颗粒，其中硫酸溶液中出现的黑色颗粒较盐酸溶液更多。
　　2.3 不锈钢屑反应实验
　　由表4可知，以不锈钢屑为实验材料进行实验，绿色现象出现较快，尤其是第4组实验，在5min内出现浅绿色现象，但不锈钢片整体出现较多复杂实验现象，虽未观察到黑色颗粒悬浮物，但出现诸多如黄绿色、蓝绿色等副反应的颜色现象。
　　2.4 铁粉反应实验
　　由表5可知，利用还原性铁粉与稀盐酸或稀硫酸反应，浅绿色溶液现象明显，且实验时间短，等浓度的盐酸反应的现象较稀硫酸更快[3，4]。在笔者的实验范围内，选用8 mol/L的盐酸实验效果最佳。在此基础上，若用酒精灯加热试管，将会在30s内观察到明显的浅绿色现象。
　　3 注意事项
　　（1）含Fe2+的盐溶液在酸性介质中较稳定，但随着反应进行，仍易被氧化，故在保存含Fe2+的盐溶液中应加入适量H+浓度为0.01 mol/L的相应酸，同时添加适量（1g） 铁粉以防止氧化。
　　（2）若选用铁屑或铁钉与酸溶液进行实验，需预先用酸洗除去铁屑表面的铁锈。
　　（3）经多次实验证明：盐酸、硫酸的浓度应适中，浓度太小反应速率太慢，浓度太大反应速率太快或钝化，且反应时液体会冲出试管造成危险。建议使用笔者推荐的浓度进行实验。
　　4 讨论
　　4.1 酸的浓度不宜过大
　　根据文献报道，常温下Al、Fe、Cr等金属在大于98%的硫酸（18.4 mol/L）中发生钝化反应，由此可用铁制容器盛装冷硫酸[5]。因此，取常用浓度为3 mol/L或4 mol/L的H2SO4溶液，而不能选取浓度过大的浓硫酸。为理论上控制相应的H+浓度，故选择2倍浓度的盐酸溶液。
　　4.2 以严谨的科学态度选择含铁金属
　　含铁金属种类众多，笔者选用市面上常见含铁金属为实验材料。生铁钉为常见家用铁钉，即常用生铁（GBT-718-2005），除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素对性质试验造成影响。国标显示生铁与A3铁板的含铁量低于不锈钢，此外就其晶体结构而言，不利于与酸溶液发生置换反应。因此，鉴于Fe2+能被空气中O2氧化原因，铁钉与铁屑均不宜于演示实验。经过多次实验证明，选择铁钉分别与6 mol/L盐酸、3 mol/L硫酸提前一天进行实验，虽可观察到溶液中的浅绿色，但也证明了铁钉中含有碳的黑色颗粒。此外，生铁中含锰，在酸性介质中以+2价的粉红色[Mn（H2O）6]2+水合离子存在，Mn（Ⅱ）为四面体配合物，在四面体中，其晶体分裂能较八面体场低，所以高自旋四面体型配合物颜色较深，呈黄绿色[6]。此外，铁钉与稀硫酸发生反应，久置溶液，会有FeSO4·7H2O绿色晶体的析出。FeSO4·7H2O晶体在空气中易氧化为黄褐色的碱式硫酸铁（Ⅲ）Fe（OH）SO4，因此，在酸的选择上，宜使用盐酸。若选择铁屑与8 mol/L盐酸提前一天进行实验，可观察到溶液中的浅绿色；若选择4 mol/L的硫酸提前一天进行实验，则液体中悬浮有较多的黑色颗粒会影响浅绿色的观察。

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