劉亞楠 劉 葵 蘇秀榮

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 山東泰安 271018

硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測(cè)定

劉亞楠 劉 葵 蘇秀榮

山東農(nóng)業(yè)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 山東泰安 271018

介紹了一個(gè)綠色無機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)，硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測(cè)定的實(shí)驗(yàn)背景及意義，實(shí)驗(yàn)步驟和課程安排，討論了該實(shí)驗(yàn)在本科生化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的特色和實(shí)踐效果。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)；綜合實(shí)驗(yàn)；硫酸亞鐵銨；三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心為化學(xué)學(xué)院大學(xué)一年級(jí)新生開設(shè)的一門獨(dú)立的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，旨在通過無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)操作技能、良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和科學(xué)的思維方式，為其他實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)、進(jìn)行科學(xué)研究以及從事相關(guān)實(shí)際工作奠定良好的基礎(chǔ)[1]。綜合性實(shí)驗(yàn)課程在以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為目標(biāo)的本科教育中顯得尤為重要。綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)是將基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)理論、實(shí)驗(yàn)技能和實(shí)驗(yàn)方法加以總結(jié)、相互融合，系統(tǒng)地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)訓(xùn)練。開設(shè)合理的綜合性實(shí)驗(yàn)，將大大提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課程的興趣，提高學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，最大限度地鍛煉學(xué)生靈活應(yīng)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行科研創(chuàng)新的能力。

傳統(tǒng)本科大學(xué)無機(jī)化學(xué)課程驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)較多，綜合實(shí)驗(yàn)相對(duì)較少，且缺乏綠色環(huán)保意識(shí)，這樣勢(shì)必影響應(yīng)用型人才培養(yǎng)。為此近年來我院無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直在進(jìn)行著改革，針對(duì)低年級(jí)學(xué)生開設(shè)的綜合性實(shí)驗(yàn)，我們進(jìn)行了積極的探索與嘗試。本文推薦一個(gè)綠色無機(jī)化學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)：硫酸亞鐵銨、三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備及其測(cè)定。這3個(gè)實(shí)驗(yàn)首尾相接，形成實(shí)驗(yàn)鏈，包含了諸多實(shí)驗(yàn)原理和方法，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維的意識(shí)，提高實(shí)際操作能力，而且能充分利用實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，減少藥劑的浪費(fèi)，培養(yǎng)學(xué)生環(huán)保節(jié)約意識(shí)，實(shí)現(xiàn)綠色型實(shí)驗(yàn)、節(jié)約型實(shí)驗(yàn)的目的[2]。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 硫酸亞鐵和硫酸亞鐵銨的制備及測(cè)定

(1)將廢鐵屑1.5 g放入錐形瓶，加入15 mL 3mol?L-1H2SO4，置于通風(fēng)櫥內(nèi)的水浴箱(80 ℃)中加熱，使鐵與硫酸充分反應(yīng)，當(dāng)氣泡冒出速度很慢時(shí)(約1 h)停止。加熱過程中，注意反應(yīng)情況，適當(dāng)補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分，保持溶液原有體積，以免FeSO4?7H2O結(jié)晶析出。停止反應(yīng)后，迅速趁熱減壓過濾，及時(shí)將濾液轉(zhuǎn)移到準(zhǔn)備好的容器中。未反應(yīng)的鐵片吸干表層水分后稱重，算出已反應(yīng)的鐵的質(zhì)量。

(2)根據(jù)上述反應(yīng)計(jì)算所需 (NH4)2SO4的量，稱取后量取適量水配成飽和溶液，加入至FeSO4溶液中，水浴加熱，蒸發(fā)濃縮至溶液稍變渾濁，或溶液表面或器皿接觸處有晶體薄膜出現(xiàn)。放置自然冷卻至室溫，使 (NH4)2SO4?FeSO4?6H2O結(jié)晶出來，減壓過濾除去母液，無水乙醇洗滌晶體。

(3)稱取1.0 g產(chǎn)品于25 mL比色管中，用15 mL去離子水溶解，再加入2 ml 3mol?L-1H2SO4和l mL 1mol?L-1KSCN溶液，加水稀釋至25 mL，搖勻。與標(biāo)準(zhǔn)色階進(jìn)行目視比色，確定產(chǎn)品級(jí)別。

1.2 三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備

(1)稱取5.0 g自制的硫酸亞鐵銨晶體，加數(shù)滴3 mol?L-1H2SO4以防止固體溶解時(shí)發(fā)生水解，另稱取1.7 gH2C2O4?2H2O，將兩份固體分別用適量水溶解(查閱溶解度數(shù)據(jù)確定用水量)，將兩溶液緩慢混合，不斷攪拌下加熱至沸，保持微沸約4 min，停止加熱，靜置，取少量上清液于試管中煮沸，觀察是否還有沉淀產(chǎn)生(若還有沉淀則繼續(xù)加熱)，若無沉淀，則證實(shí)反應(yīng)完全。靜置，待沉淀充分沉降后，用傾析法棄去上層液，用熱蒸餾水少量多次洗凈沉淀。所得沉淀即為FeC2O4?2H2O。

(2)稱取3.5 gK2C2O4?H2O，加10 mL蒸餾水微熱溶解，溶液加入到已洗凈的FeC2O4?2H2O中，將反應(yīng)容器置于40 ℃左右的熱水中，充分?jǐn)嚢钘l件下緩慢加入8 mL6%H2O2溶液，在生成K3[Fe(C2O4)3]的同時(shí)，有Fe(OH)3沉淀生成。H2O2加完后，取一滴所得渾濁液于點(diǎn)滴板中，加一滴K3Fe(CN)6溶液，如果出現(xiàn)藍(lán)色說明還有Fe(Ⅱ)，需再加入H2O2至檢驗(yàn)不到Fe(Ⅱ)。將溶液加熱至沸(充分?jǐn)嚢?，先一次加入6 mL 0.5 mol?L-1H2C2O4溶液，保持微沸，繼續(xù)滴加H2C2O4溶液，直至溶液變成透明的綠色。記錄H2C2O4溶液使用量。

(3) 待綠色溶液稍冷后，向溶液中加入10 mL無水乙醇，迅速將一小段棉線懸于溶液中固定好，將燒杯蓋好，在暗處放置數(shù)小時(shí)，即有K3[Fe(C2O4)3]?3H2O晶體析出，減壓過濾，少量乙醇洗滌晶體，抽干，晶體烘干水分，稱重，計(jì)算產(chǎn)率。

1.3 離子交換柱法測(cè)定三草酸合鐵(Ⅲ)配離子的電荷

(1)離子交換柱的準(zhǔn)備：將處理過的無氯離子的陰離子交換樹脂和蒸餾水一起緩慢裝入交換柱中，打開活塞，讓水緩慢流出，使樹脂均勻自然沉降，用套有橡皮管的玻璃棒輕敲柱子外壁，使樹脂裝填均勻，樹脂間不留空隙、氣泡，樹脂裝填高度為柱高度的2/3，并且水面一定要高于樹脂面，以防樹脂暴露出水面。

(2)準(zhǔn)確稱取0.1 g三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀配合物，加5 mL蒸餾水溶解，小心將全部溶液轉(zhuǎn)移至交換柱內(nèi)，以3 mL/min的速度流經(jīng)交換柱，收集在25mL容量瓶中。待液面接近樹脂表面時(shí)，用少量蒸餾水洗滌小燒杯，洗滌液轉(zhuǎn)移交換柱內(nèi)，繼續(xù)交換至接近樹脂表面時(shí)，再向樹脂柱中加少量蒸餾水洗柱，重復(fù)3～5次，用硝酸銀溶液檢查流出液至流出液中檢驗(yàn)不到Cl—，停止交換，用蒸餾水將容量瓶的收集液稀釋至刻度，搖勻。

(3)準(zhǔn)確吸取5.00 mL淋洗液于錐形瓶?jī)?nèi)，加1滴0.2 mol?L-1K2CrO4溶液，用0.100 0 mol?L-1AgNO3標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至出現(xiàn)磚紅色沉淀為止，計(jì)算收集的氯離子的總摩爾數(shù)，即可算出配陰離子的電荷數(shù)(取最接近的整數(shù))。

2 授課安排

本次實(shí)驗(yàn)共有12課時(shí)，具體安排如下。

(1)提前一周給學(xué)生介紹實(shí)驗(yàn)的意義和目的，要求學(xué)生學(xué)會(huì)查找文獻(xiàn)的方法并閱讀文獻(xiàn)，掌握寫好綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告的方法，重點(diǎn)突出實(shí)驗(yàn)討論。實(shí)驗(yàn)前寫好預(yù)習(xí)報(bào)告。

(2)第1～4課時(shí)：硫酸亞鐵和硫酸亞鐵銨的制備及測(cè)定。

(3)第5～8課時(shí)：三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀的制備。

(4)第9～12課時(shí)：離子交換柱法測(cè)定三草酸合鐵(Ⅲ)配離子的電荷。

(5)以小論文方式提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3 教學(xué)討論

本綜合實(shí)驗(yàn)涉及無機(jī)化學(xué)，分析化學(xué)等多方面內(nèi)容，以及諸多實(shí)驗(yàn)基本操作和技能訓(xùn)練，在一年級(jí)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中安排此次綜合實(shí)驗(yàn)，能有效培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。學(xué)生需要自己查閱文獻(xiàn)，充分實(shí)踐了從查閱文獻(xiàn)到寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的各個(gè)步驟，培養(yǎng)了他們對(duì)科技文獻(xiàn)的閱讀能力，使學(xué)生了解化學(xué)科學(xué)研究基本步驟及過程。

實(shí)驗(yàn)過程中化學(xué)反應(yīng)較多，涉及較多的無機(jī)化學(xué)基本原理，從廢鐵屑開始至生成K3[Fe(C2O4)3]?3H2O，是一個(gè)Fe→Fe(Ⅱ)→Fe(Ⅲ)的過程，涉及沉淀溶解平衡、氧化還原反應(yīng)、配位反應(yīng)、電離平衡等諸多原理。授課中增加驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)加深學(xué)生們對(duì)配合物的認(rèn)識(shí)，如用酒石酸氫鈉，檢測(cè)外界是否有K+，用CaCl2，KSCN溶液確定Fe3+和C2O42-是否為內(nèi)界離子，用KSCN，HAc，H2SO4和氨水溶液了解影響配合平衡的酸效應(yīng)及水解效應(yīng)，用Na2S溶液來了解沉淀反應(yīng)對(duì)配合平衡的影響。用FeCl3，KSCN，NH4F，K2C2O4，K3Fe(CN)6及NaOH溶液判斷配位體SCN-，F(xiàn)-，C2O42-，CN-與Fe3+配位能力的強(qiáng)弱。使學(xué)生能夠深刻理解在K3[Fe(C2O4)3]溶液中加入酸、堿、沉淀劑或比C2O42-配位能力強(qiáng)的配合劑，將會(huì)改變C2O42-或Fe3+離子的濃度，使配位平衡移動(dòng)，甚至平衡遭到破壞或轉(zhuǎn)化成另一種配合物。

(3)實(shí)驗(yàn)還需應(yīng)用一系列實(shí)驗(yàn)基本操作技術(shù)，如稱量、水浴加熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、常壓、減壓過濾、離子交換柱和微量滴定管的使用等，是對(duì)學(xué)生進(jìn)行無機(jī)化學(xué)基本理論和實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)的綜合訓(xùn)練。

4 實(shí)踐效果

作為本科一年級(jí)學(xué)生開設(shè)的第一個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生從高中到大學(xué)實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)型后的一次綜合考驗(yàn)，對(duì)于學(xué)生進(jìn)行無機(jī)化學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)、觀察、分析、解決實(shí)際問題的能力都有著積極的促進(jìn)作用。本次實(shí)驗(yàn)的過程中，生成物會(huì)出現(xiàn)顏色的多種變換，(NH4)2SO4?FeSO4?6H2O的淡綠色、K3[Fe(C2O4)3]?3H2O的翠綠色鮮艷晶體、Ag2CrO4的磚紅色沉淀等，有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)、探究興趣。

為了開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn)，我們將教材中的實(shí)驗(yàn)次序進(jìn)行了調(diào)整，使單獨(dú)、孤立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目前后連接起來，形成一個(gè)連續(xù)的實(shí)驗(yàn)鏈。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)采用廢鐵屑制備的硫酸亞鐵銨，是第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的原料，第二個(gè)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品是第三個(gè)實(shí)驗(yàn)的原料，實(shí)驗(yàn)環(huán)環(huán)相扣，增加了實(shí)驗(yàn)過程的不可預(yù)見性，要求學(xué)生必須做好每一步實(shí)驗(yàn)。而這種連續(xù)的實(shí)驗(yàn)鏈，以低消耗高效率為特征，有利于實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的再利用和實(shí)驗(yàn)廢物的綠色化處理，延長(zhǎng)了實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物的使用壽命，降低了實(shí)驗(yàn)成本，節(jié)省了資源，貼近工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際過程及在過程中需要解決的環(huán)境保護(hù)和資源有效利用的問題。

實(shí)驗(yàn)開展幾年來，學(xué)生對(duì)本實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出濃厚的興趣，以飽滿的熱情投入到實(shí)驗(yàn)中。在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生認(rèn)真專注，力求每一步實(shí)驗(yàn)都準(zhǔn)確到位，得到產(chǎn)品后仔細(xì)的將自制的產(chǎn)品貼上標(biāo)簽保存好，實(shí)驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)記錄清晰，以備出問題時(shí)可以及時(shí)查找，實(shí)驗(yàn)完成后對(duì)下一步實(shí)驗(yàn)充滿期待。我們要求學(xué)生以小論文的形式撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，重點(diǎn)突出實(shí)驗(yàn)討論部分，以提高學(xué)生的閱讀文獻(xiàn)和總結(jié)歸納能力。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)束后與同學(xué)們的交談和批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，我們發(fā)現(xiàn)，綜合實(shí)驗(yàn)確實(shí)是學(xué)生最有興趣、學(xué)到的技能最多、收獲最大的實(shí)驗(yàn)。

5 結(jié)束語

我們從教材中選取有代表性，包含多個(gè)基礎(chǔ)操作的實(shí)驗(yàn)串聯(lián)起來，使單獨(dú)、孤立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目連接成實(shí)驗(yàn)鏈。通過本綜合實(shí)驗(yàn)，不僅可以提高科技文獻(xiàn)閱讀能力，了解化學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本步驟及過程，培養(yǎng)基本操作能力，分析和解決實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的現(xiàn)象及問題，培養(yǎng)獨(dú)立思考和解決問題的能力，培養(yǎng)整體思維和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的意識(shí)，盡快完成進(jìn)入大學(xué)后的思想轉(zhuǎn)變。同時(shí)著力培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的綠色化學(xué)和資源有效利用意識(shí)。實(shí)驗(yàn)的條件簡(jiǎn)便，成本低，結(jié)果可靠。開設(shè)本實(shí)驗(yàn)幾年來，每年都取得了滿意的效果，受到師生的一致好評(píng)。

[1]苗云霞.改革化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才[J].繼續(xù)教育研究,2009(2):155-156.

[2]陳小燕,李冰.綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn)的綠色化探索[J].廣州化工,2012(4):168-169.

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[7] 陳長(zhǎng)寶,汪建民,周杰.介紹一個(gè)綠色循環(huán)綜合化學(xué)實(shí)驗(yàn):硝酸鎳和二氯化六氨合鎳(Ⅱ)的互相制備及其組成與性質(zhì)的測(cè)定[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2010(9):28-30.

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Generating and Measuring Ammonium Ferrous and Sulfatepotassium Trioxalatoferrate

Liu Yanan, Liu Kui, Su Xiurong

Shandong Agricultural University, Tai'an, 271018, China

Introduces a green comprehensive inorganic chemical experiment. It talks about the background and importance of generating and measuring ammonium ferrous and sulfatepotassium trioxalatoferrate , the steps and experiment arrangement and also discusses the feature and practise effects of this experiment in the whole Bio-chemical lecture.

experimental teaching; comprehensive experiment; ammonium ferrous; sulfatepotassium trioxalatoferrate

2016-01-28

劉亞楠，碩士，實(shí)驗(yàn)師。劉葵，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。

山東省高等學(xué)校教學(xué)研究改造項(xiàng)目(編號(hào)：2009281)。