石月 李悅迪 王喜貴

摘要： 石蕊溶液在硫酸亞鐵和氫氧化鈉溶液中會呈現(xiàn)出不同的顏色。通過改變硫酸亞鐵溶液和氫氧化鈉溶液的滴加順序，在玻璃板上成功實現(xiàn)氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化。實驗?zāi)軌蚨虝r間內(nèi)在玻璃板上清晰地呈現(xiàn)“白→灰綠→紅褐”完整的變色現(xiàn)象，不僅有助于學(xué)生加深對氫氧化亞鐵還原性的認識，而且有益于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情以及培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞： 氫氧化亞鐵; 制備與轉(zhuǎn)化; 實驗探究

文章編號： 10056629（2022）06008104

中圖分類號： G633.8

文獻標(biāo)識碼： B

“鐵及其化合物”是人教版普通高中化學(xué)必修第一冊乃至整個高中化學(xué)階段中的重要知識內(nèi)容，是學(xué)習(xí)元素化合物的基礎(chǔ)，同時也為學(xué)生構(gòu)建“價類”二維認識方式奠定知識基礎(chǔ)。《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》[1]中對于該節(jié)教學(xué)提出“制備氫氧化亞鐵”的活動建議，旨在讓學(xué)生通過氫氧化亞鐵的制備實驗，親歷變色現(xiàn)象，加深對氫氧化亞鐵還原性的認知，加快構(gòu)建物質(zhì)分類觀與轉(zhuǎn)化觀。然而，由于氫氧化亞鐵極易與空氣作用轉(zhuǎn)變成氫氧化鐵，嚴(yán)重影響白色沉淀的觀察，因此其制備實驗成為高中化學(xué)課堂中的熱點與難點[2]。很多學(xué)者和一線教師對氫氧化亞鐵的制備實驗進行了深入探究，包括改進實驗裝置、甄選實驗試劑、優(yōu)化操作方法[3～8]等，但依然存在如制備裝置復(fù)雜、實驗步驟繁多、忽視沉淀后續(xù)轉(zhuǎn)化而無法觀察到完整的變色現(xiàn)象等問題。此外，上述研究由于條件控制較為復(fù)雜，因此教師多以演示實驗為主，學(xué)生探究的積極性不高，無法深度參與，不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識。

為了簡化實驗裝置和實驗步驟，增強實驗的趣味性，同時發(fā)展學(xué)生的動手實踐能力，讓他們能夠親自體會神奇的變色現(xiàn)象，進一步理解氫氧化亞鐵的還原性，本文利用玻璃板和一些常規(guī)儀器及試劑，采用簡單的溶液滴加的形式在玻璃板上成功實現(xiàn)氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化，并且能明顯觀察到沉淀由白到灰綠最后到紅褐色的完整實驗現(xiàn)象。該方法裝置簡單、步驟少、用時短，適用于課堂教學(xué)，能夠滿足每個學(xué)生親自動手實驗的需要，激發(fā)探究興趣，進而培養(yǎng)科學(xué)探究與創(chuàng)新意識;同時通過在沒有視覺障礙的玻璃板上直觀地觀察到完整的變色現(xiàn)象，學(xué)生不僅能掌握氫氧化亞鐵的還原性原理，而且能深刻認識到物質(zhì)是處于不斷的變化中，這有助于變化觀念的形成與發(fā)展。

1 實驗方案初步探索階段

1.1 實驗用品

托盤天平、燒杯（100mL）、玻璃棒、容量瓶（100mL）、玻璃板、膠頭滴管、滴瓶、研缽、藥匙、鑷子、試管（10mm×100mm）;NaOH固體、FeSO4·7H2O晶體、稀硫酸、蒸餾水、Vc片、石蕊溶液

1.2 操作步驟及現(xiàn)象

1.2.1 配制FeSO4和NaOH溶液

根據(jù)電勢pH圖可知，F(xiàn)e2+在酸性條件下更穩(wěn)定[9]，因此選用稀硫酸作溶劑，F(xiàn)eSO4·7H2O晶體為溶質(zhì)，并將Vc片研磨成粉末狀加入其中，配制成0.1mol/L的FeSO4溶液。用蒸餾水（未煮沸）配制4mol/L的NaOH溶液。

1.2.2 配制變色溶液

在1號試管中滴入約15滴石蕊溶液，然后加入約20滴FeSO4溶液，混勻后溶液變?yōu)榧t色，編號為溶液1。在2號試管中滴入等量的石蕊溶液，然后加入20滴NaOH溶液，混勻后溶液變?yōu)樗{色，編號為溶液2。

1.2.3 布置玻璃板背景

將潔凈的玻璃板置于黑色的實驗臺上。為了更明顯地觀察實驗現(xiàn)象，可把白紙襯于玻璃板下，將玻璃板的底部背景一分為二，一半為黑色，一半為白色（在黑色背景中容易觀察到白色沉淀的出現(xiàn)，而在白色背景中容易觀察到紅色、藍色、灰綠色、紅褐色的變化）。

1.2.4 制備Fe（OH）2沉淀

用1號膠頭滴管吸取1號溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加1滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時玻璃板上出現(xiàn)的是1滴紅色圓形液滴。再用2號膠頭滴管吸取2號溶液緩慢在圓形液滴中央滴加1滴溶液，立即出現(xiàn)白色絮狀沉淀。但很快觀察到白色沉淀的位置在移動，逐漸從液滴邊緣向內(nèi)部縮回，顏色也由最初的白色轉(zhuǎn)變成灰綠色，最終又轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€紅褐色的小點。究其原因發(fā)現(xiàn)該液滴邊緣的溶液顯酸性，說明FeSO4溶液中未完全消耗的酸大量聚集在液滴邊緣，將Fe（OH）2沉淀從邊緣向內(nèi)部溶解。在反應(yīng)過程中，F(xiàn)e（OH）2沉淀逐漸被氧化成紅褐色的Fe（OH）3沉淀。為了清晰完整地展現(xiàn)整個實驗過程，勾畫出如圖1所示的簡化圖。

為了探究溶液的滴加順序?qū)τ贔e（OH）2的形成是否有影響，改變滴加順序進行探究。

用2號膠頭滴管吸取2號溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加1滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時玻璃板上呈現(xiàn)1滴藍色圓形液滴。再用1號膠頭滴管吸取1號溶液緩慢在圓形液滴中央滴加1滴溶液，立即出現(xiàn)白色絮狀沉淀，但很快觀察到白色沉淀由內(nèi)而外逐漸消失，一段時間后，出現(xiàn)灰綠色圓環(huán)，最終呈現(xiàn)出不完整的紅褐色半圓環(huán)。玻璃棒蘸取少量環(huán)內(nèi)溶液，用pH試紙進行測定，發(fā)現(xiàn)環(huán)內(nèi)溶液顯酸性，進一步證實FeSO4溶液中的酸溶解了Fe（OH）2沉淀，使其呈現(xiàn)圓環(huán)形狀。將實驗現(xiàn)象以簡化圖（如圖2）的形式呈現(xiàn)，便于觀察和熟悉整個實驗過程。

2 成功制備、轉(zhuǎn)化階段

2.1 操作步驟及現(xiàn)象

基于上述探究階段的經(jīng)驗，用酸配制FeSO4溶液雖然可以在一定程度上抑制溶解氧，但最終還是影響了實驗效果，因此在探究的基礎(chǔ)上作進一步改進。僅將配制FeSO4溶液的溶劑改為蒸餾水，標(biāo)記為3號溶液;由于NaOH溶液不需要中和FeSO4溶液中多余的酸，因此可以將其濃度降低為1mol/L，標(biāo)記為4號溶液。其他步驟如同前面的探究實驗。但此階段卻在玻璃板上成功實現(xiàn)了氫氧化亞鐵的制備及轉(zhuǎn)化。

用3號膠頭滴管吸取3號溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加3～4滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時玻璃板上呈現(xiàn)出紅色圓形液滴。再用4號膠頭滴管吸取4號溶液緩慢滴加1滴于圓形液滴中央，此時明顯觀察到紅色液滴上呈現(xiàn)出藍色溶液，并且圈層分明。兩溶液混合并快速發(fā)生反應(yīng)，在玻璃板上出現(xiàn)似淡紅色花朵中央綻放白色花蕊的美麗現(xiàn)象。一段時間后，白色花蕊逐漸轉(zhuǎn)變成灰綠色，最后形成由穩(wěn)定而堅固的灰綠色環(huán)包圍下的紅褐色花蕊。在短時間內(nèi)，玻璃板上生長出圈層分明的五彩變色“小花”。為了清晰地觀察五彩變色現(xiàn)象，勾畫出如圖3所示的簡化圖。

為滿足學(xué)生對于滴加順序是否影響白色沉淀生成的好奇心，教師在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)學(xué)生改變3、 4號溶液的滴加順序，觀察玻璃板上是否出現(xiàn)相同的實驗現(xiàn)象。

用4號膠頭滴管吸取4號溶液在玻璃板的黑、白背景交界線上緩慢滴加3～4滴溶液，使其盡量保持圓形液滴的狀態(tài)，此時玻璃板上呈現(xiàn)出藍色圓形液滴。再用3號膠頭滴管吸取3號溶液緩慢滴加1滴于圓形液滴中央，明顯觀察到藍色液滴上呈現(xiàn)出紅色溶液，并且圈層分明。兩溶液混合并快速發(fā)生反應(yīng)，在玻璃板上出現(xiàn)似淡藍色花朵中央綻放白色花蕊的美麗現(xiàn)象。一段時間后，白色花蕊逐漸轉(zhuǎn)變成灰綠色，最后完全轉(zhuǎn)變?yōu)榧t褐色。為了清晰地觀察五彩變色現(xiàn)象，勾畫出如圖4所示的簡化圖。

2.2 實驗結(jié)果

上述兩組實驗表明，改變?nèi)芤旱牡渭禹樞?，在本實驗中并不會影響氫氧化亞鐵白色沉淀的出現(xiàn)，也不影響后續(xù)完整變色現(xiàn)象的觀察，因此，在教學(xué)過程中不必細究。但就其實驗本身而言，不同滴加順序下的實驗現(xiàn)象略有差異。如圖3中出現(xiàn)“穩(wěn)定堅固的灰綠色環(huán)包圍下的紅褐色花蕊”，而在圖4中僅出現(xiàn)“紅褐色”的現(xiàn)象，并沒有出現(xiàn)前者中的灰綠色環(huán)，這是何種原因?qū)е?？徐建飛老師在“制備氫氧化亞鐵實驗方案再探究”一文中指出，灰綠色沉淀可能是由于氫氧化亞鐵沉淀吸附溶液中過量的亞鐵離子所致[10]。由圖3所展現(xiàn)的實驗中，硫酸亞鐵量較多且分布在液滴外圍，液滴中央產(chǎn)生的氫氧化亞鐵沉淀吸附了周圍未反應(yīng)完全的亞鐵離子而形成穩(wěn)定而堅固的灰綠色環(huán)。而由圖4所展現(xiàn)的實驗中，硫酸亞鐵量較少，因此沒有出現(xiàn)如圖3所示的現(xiàn)象。

3 實驗改進總結(jié)

（1） 承載豐富的知識內(nèi)容，建立完整的知識體系。該實驗以回顧舊知為始，將蘊含新知的操作步驟分階段逐步推進，在加強知識銜接的基礎(chǔ)上促進知識體系的完善。首先，利用配制變色溶液這一過程引導(dǎo)學(xué)生回顧初中學(xué)過的酸堿遇指示劑變色的性質(zhì)，增強視覺體驗的同時促進知識體系的聯(lián)系與銜接。其次，探究階段中由不同滴加順序引起的實驗現(xiàn)象的差異證實了氫氧化亞鐵遇酸溶解的性質(zhì)，在探究的過程中自主發(fā)現(xiàn)該性質(zhì)，增強了學(xué)生的證據(jù)推理能力，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化制備方案。最后，所制氫氧化亞鐵在空氣中由白至灰綠到紅褐色的現(xiàn)象變化，實現(xiàn)了二價鐵到三價鐵的轉(zhuǎn)化，印證了二價鐵的還原性，促進了學(xué)生“價類”二維認知方式的構(gòu)建。在實驗探究中，實現(xiàn)了對氫氧化亞鐵從性質(zhì)、制備到轉(zhuǎn)化的感性認知，并注重前后知識的銜接，有利于學(xué)生理性地構(gòu)建完整的知識體系。

（2） 儀器裝置簡單，操作易行。利用玻璃板取代大部分研究中的試管作為反應(yīng)發(fā)生裝置，其獨特性在于把氫氧化亞鐵的顏色與狀態(tài)更加直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。由于步驟簡便，只需膠頭滴管在玻璃板上進行滴加便可實現(xiàn)，非常適合開展學(xué)生實驗，將理論知識與實踐探究有效結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力，促進科學(xué)探究與創(chuàng)新意識核心素養(yǎng)的落實。

（3） 現(xiàn)象直觀，趣味性強。本研究的一個創(chuàng)新點在于把氫氧化亞鐵的制備置于一個開放體系——玻璃板上進行，使學(xué)生能夠直觀地觀察到溶液的流動融合、白色沉淀從出現(xiàn)到灰綠以至紅褐的完整變色過程，給予學(xué)生以視覺的沖擊與體驗，切身感受化學(xué)反應(yīng)的獨特魅力，增強了實驗的趣味性。

（4） 試劑用量少，高效且環(huán)保。本實驗在制備過程中，只需要幾滴溶液就可以明顯地觀察到實驗現(xiàn)象，不僅實驗效果良好，更是體現(xiàn)了高效環(huán)保的綠色化學(xué)理念。

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