毛 娜,孫軍朋
(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院,陜西 渭南 714099;2.乾縣第一中學(xué),陜西 咸陽 713300)
無機化學(xué)實驗是化學(xué)及與化學(xué)相關(guān)專業(yè)(生物、農(nóng)資、高分子、材料類等)開設(shè)的一門的基礎(chǔ)實驗課,對大學(xué)一年級新生相當(dāng)重要,為以后其他相關(guān)的化學(xué)實驗打下良好的基本操作基礎(chǔ)和實驗技能習(xí)慣,尤其是對綜合性實驗和自主設(shè)計實驗設(shè)計能力的培養(yǎng)。綜合性化學(xué)實驗是學(xué)生綜合實驗素質(zhì)的體現(xiàn),也是為以后為企業(yè)培養(yǎng)新型創(chuàng)新型人才的關(guān)鍵。綜合實驗不僅有助于提高學(xué)生的實驗?zāi)芰?,而且也利于提高學(xué)生的興趣[1]。
三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀是大一學(xué)生第二學(xué)期開設(shè)的一個綜合性實驗。三草酸合鐵(Ⅲ)酸鉀 K3[Fe(C2O4)3]·3H2O 為翠綠色單斜晶體,加熱至110℃失去全部結(jié)晶水,230℃分解,550℃時分解產(chǎn)物為三氧化二鐵與碳酸鉀。易溶于水,難溶于丙酮和乙醇。對光敏感,其強光照射分解產(chǎn)物為草酸鉀和草酸亞鐵及二氧化碳。主要用于攝影、電鍍業(yè)、化學(xué)試劑、測定光量、催化劑等,是制備負(fù)載型活性鐵催化劑的主要原料。該實驗涉及許多無機實驗基本操作和化學(xué)原理,如蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、干燥、減壓過濾等以及絡(luò)合平衡和電離平衡[1]。制備K3[Fe(C2O4)3]·3H2O的方法目前文獻和無機化學(xué)實驗教科書上有四種:
(1)以硫酸亞鐵銨為原料[2]。此方法用前面實驗合成的硫酸亞鐵銨為原料,和草酸溶液反應(yīng),傾析去除和洗滌得到黃色的草酸亞鐵晶體,再用過量的H2O2把草酸亞鐵氧化成三草酸合鐵離子,再加入一定量的草酸,加入乙醇放置黑暗處48 h得到三草酸合鐵酸鉀晶體。
許多學(xué)者[3-4]用此方法對許多實驗細(xì)節(jié)和原料用量及溫度做了改善,使實驗結(jié)果有所改善。但是通過筆者這些年在無機化學(xué)實驗課上所遇到的問題,總結(jié)出一些缺點,學(xué)生做實驗過程中把握不準(zhǔn)確H2O2氧化亞鐵離子成為鐵離子,由于在水浴鍋中鐵離子水解成棕紅色的氫氧化鐵,觀察不到亞鐵離子是否完全氧化,等加入草酸溶液后發(fā)現(xiàn)有亞鐵離子沒有被氧化。過濾后濃度降低導(dǎo)致難以析出晶體。即使前面的氧化完全,也有一部分學(xué)生難以析出晶體。影響后面性能測定。此方法的實驗?zāi)芸疾閷W(xué)生的基本實驗技能和掌握一定的化學(xué)原理,但是實驗現(xiàn)象多變,影響晶體析出和產(chǎn)率。筆者所在學(xué)校的此實驗以硫酸亞鐵銨為原料為主。
(2)以鐵屑為原料。無機化學(xué)實驗教科書上用鐵屑為原料,先把鐵屑有氫氧化鈉煮沸除掉油漬,再加入硫酸反應(yīng)變出硫酸亞鐵,繼續(xù)反應(yīng)生成硫酸亞鐵銨,后續(xù)實驗和上述實驗相同。用此方法增加了實驗的步驟,也增加實驗的可變性,在一定程度上實現(xiàn)實驗的綠色合成,更貼近工業(yè)生產(chǎn)[5]。筆者所在學(xué)校也用這種方法做過合成三草酸合鐵酸鉀晶體,此實驗存在的問題是鐵屑的純度,和硫酸反應(yīng)完后要過濾掉殘渣,影響硫酸亞鐵的濃度,以至于到后面影響硫酸亞鐵銨的純度,后面同樣存在上面的問題。
(3)以三氯化鐵為原料[6]。將三氯化鐵和一定量的沸騰的草酸鉀溶液反應(yīng),反應(yīng)液在冰水中冷卻,制得三草酸合鐵酸鉀晶體。此方法合成的實驗去掉氧化劑的使用,沒有黃色固體草酸亞鐵的生成,更適用于工業(yè)生產(chǎn)。但是原料易吸水潮解,不易保存。
(4)以草酸鐵為原料[7]。以氫氧化鉀和草酸制備草酸鉀,再加入草酸鐵固體和硫酸水浴加熱,得到三草酸合鐵酸鉀溶液,在溶液中加入乙醇,攪拌均勻用KOH調(diào)節(jié)pH,暗處靜置即得到三草酸合鐵酸鉀晶體。此方法可以合理有效的利用實驗室資源高效的制備產(chǎn)物。
ZH恒溫水浴鍋,循環(huán)水式多用真空泵(鄭州長城科工貿(mào)易有限公司),艾科浦超純水系統(tǒng)。
硝酸鐵,草酸鉀,無水乙醇。
硝酸鐵溶液滴加到熱的草酸鉀溶液中,用冰水急速冷卻,析出三草酸合鐵酸鉀晶體。
稱取3份10.5 g Fe(NO3)3·9H2O分別溶解于10 mL H2O中,再分別稱取15 g、18 g、20 g草酸鉀溶解于水浴加熱40 mLH2O中,把每份Fe(NO3)3·9H2O溶液分別逐滴加入到熱的草酸鉀溶液中。分別記為①、②、③號。把三份熱溶液放入到冰水溶液中急速冷卻,長時間保持冰浴,大約40 min后抽濾,用少量乙醇洗滌,50℃下烘干1 h。得到固體產(chǎn)物三草酸合鐵酸鉀。實驗結(jié)果見表1。
表1 草酸鉀質(zhì)量對實驗結(jié)果影響
從表1 中可以看出,草酸鉀質(zhì)量 15 g時,產(chǎn)率雖然不高,但是晶型和顏色比較好,草酸鉀的理論質(zhì)量是14.5 g;當(dāng)質(zhì)量為18 g時,產(chǎn)率提高了,但是晶型不太好并且顏色發(fā)白;當(dāng)質(zhì)量為20 g時,產(chǎn)率雖然很高,但是晶體幾乎為粉末狀顏色淡綠色發(fā)白,并且肉眼能觀察到草酸鉀白色晶體,所以產(chǎn)物里一部分為草酸鉀,純度不高。這可能是由于草酸鉀質(zhì)量太多,用無水乙醇洗滌時有草酸鉀析出來,影響結(jié)晶品質(zhì)。
表2 草酸鉀溶解方式對產(chǎn)物的影響
稱取2份10.5 g Fe(NO3)3·9H2O分別溶解于10 mL H2O中,再分別稱取15 g草酸鉀溶于40 mLH2O中,一份用90℃電爐加熱溶解,一份用90℃水浴鍋加熱溶解把每份Fe(NO3)3·9H2O溶液分別逐滴加入到熱的草酸鉀溶液中。分別記為④、⑤號。把兩份熱溶液放入到冰水溶液中急速冷卻,長時間保持冰浴,大約40 min后抽濾,用少量乙醇洗滌,50℃下烘干1 h。得到固體產(chǎn)物三草酸合鐵酸鉀。實驗結(jié)果見表2。
表2可以看出,溶解方式對產(chǎn)物的產(chǎn)率和晶型顏色有一定的影響。當(dāng)把草酸鉀在電爐上溶解時,前期升溫比較慢,但是后期溫度升高溶解比較快,注意不要讓草酸鉀溶液沸騰容易分解。同時滴加Fe(NO3)3·9H2O也在電爐上,產(chǎn)物為翠綠色晶體,晶型好。把草酸鉀放到水浴鍋中加熱時,溶解也比較快,但是晶體析出時間較長,且析出的是淡綠色晶體,粉末狀固體。這可能是由于在同樣溫度的水浴鍋中時,溶液的溫度達不到90℃,同樣滴加Fe(NO3)3·9H2O時,溫度不夠,影響形成配合物的時間和晶型。
取上面的④溶液兩份,分別放入冰浴中冷卻20 min和60 min后抽濾,記為⑥、⑦,用少量乙醇洗滌,50℃下烘干1 h。得到固體產(chǎn)物三草酸合鐵酸鉀。見表3。
表3 晶體析出時間對產(chǎn)物的影響
從表3可以看出,晶體析出時間對產(chǎn)物有很大的影響,當(dāng)快速冷卻20 min時,產(chǎn)率只有50.1 %,40 min 和60 min時產(chǎn)率幾乎沒有變化,說明在40 min左右產(chǎn)物已經(jīng)基本析出,和無機化學(xué)實驗教科書上相比(48 h),大大節(jié)省了時間,性價比比較高,適用于實驗競賽或者考試時使用此方法。
通過控制草酸鉀的質(zhì)量、草酸鉀的溶解溫度、結(jié)晶析出時間等影響因素,可以得到翠綠色有規(guī)則晶型的顆粒狀三草酸合鐵酸鉀晶體,析出時間短,且產(chǎn)率高,實驗過程容易控制,為后續(xù)產(chǎn)品性能分析坐好良好鋪墊。