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硫氰化鉀鑒別Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

2020-08-12 10:06徐慧
化學(xué)教學(xué) 2020年6期
關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)探究

徐慧

摘要: 針對(duì)新人教版高中化學(xué)教材中用硫氰化鉀鑒別Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)實(shí)驗(yàn)試劑準(zhǔn)備繁瑣、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象容易出現(xiàn)異常的問題,從理論上分析硫氰化鉀鑒別Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)的原理,并通過改進(jìn)實(shí)驗(yàn)證明演示實(shí)驗(yàn)的可行性。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)使用維生素C處理FeSO4溶液,營造溶液的還原性氛圍,既確保理想的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,又建立化學(xué)知識(shí)與生活實(shí)際的連接點(diǎn),可供課堂教學(xué)演示和學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)參考。

關(guān)鍵詞: 硫氰化鉀; 鑒別Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ); 實(shí)驗(yàn)改進(jìn); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào): 10056629(2020)06006103? 中圖分類號(hào): G633.8? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B

1 問題的提出

人教版[1]新教材《化學(xué)(必修)第一冊(cè)》第三章第一節(jié)“鐵及其化合物”中Fe3+和Fe2+的鑒別采用以下實(shí)驗(yàn)方案: 在兩支試管中分別加入少量的FeCl3溶液和FeCl2溶液,各滴入幾滴KSCN溶液。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為含有Fe3+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)變成紅色,而含有Fe2+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)無明顯變化。

該方案雖操作簡單、現(xiàn)象明顯、靈敏度高,是高中化學(xué)中Fe3+定性檢驗(yàn)的經(jīng)典方案,然而該方法存在以下不足。

(1) 實(shí)驗(yàn)試劑準(zhǔn)備繁瑣。FeCl2溶液并不是高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常備試劑,其溶質(zhì)FeCl2固體也難覓蹤跡。如果一定要用FeCl2溶液,唯一的辦法就是利用鐵單質(zhì)(鐵粉或鐵絲)與鹽酸或FeCl3溶液反應(yīng)制備,試劑配制過程操作繁瑣,且無法確定溶液的物質(zhì)的量濃度。

(2) 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象出現(xiàn)異常。按照教材提供的方法進(jìn)行操作,實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象常與預(yù)期不同: 不僅含有Fe3+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)變成紅色,而且含有Fe2+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)也變成紅色。雖然兩支試管中溶液顏色(紅色)深淺不同,但已無法作為定性判斷有無Fe3+的充分證據(jù),難以支撐硫氰化鉀溶液可以鑒別Fe3+和Fe2+的結(jié)論。

基于上述原因,本文對(duì)硫氰化鉀鑒別Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)實(shí)驗(yàn)作如下改進(jìn)。

2 實(shí)驗(yàn)原理

Fe(Ⅲ)與KSCN溶液的顯色反應(yīng)之所以能夠發(fā)生,可以從H2O和NCS-(KSCN提供的配體,高中一般寫作SCN-)的分裂能大小得到解釋[2]。在晶體場光譜化學(xué)序列中,分裂能Δ值NCS->H2O,所以NCS-與Fe3+形成的配離子較穩(wěn)定。實(shí)際上,F(xiàn)e3+在水溶液中以[Fe(H2O)6]3+形式存在,與NCS-發(fā)生的是配位體取代反應(yīng)[3]:

[Fe(H2O)6]3++SCN-[Fe(H2O)5NCS]2++H2O

配離子通式為Fe(NCS)(3-n)n, n=1~6,都顯紅色[4];而Fe2+與NCS-生成的配離子無色。由此,可以利用KSCN溶液作為顯色劑鑒別Fe(Ⅲ)與Fe(Ⅱ)。

Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)是鐵元素的中等氧化態(tài),但水溶液中Fe2+不如Fe3+穩(wěn)定,易被水中溶解氧氧化為Fe3+。所以Fe2+的水溶液中常含有Fe3+,遇KSCN溶液會(huì)顯紅色。Fe2+的不穩(wěn)定性對(duì)Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)的鑒別造成干擾。

基于上述分析,成功進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是消除溶液中Fe2+氧化產(chǎn)生的Fe3+或阻止Fe2+被氧化為Fe3+。本改進(jìn)實(shí)驗(yàn)利用生活中常見的維生素C藥片將氧化產(chǎn)生的Fe3+還原為Fe2+,以完善該實(shí)驗(yàn)方案。

3 實(shí)驗(yàn)藥品和儀器

硫氰化鉀(KSCN)溶液(約0.1mol?L-1)、 FeSO4?7H2O(化學(xué)純)、FeCl3溶液、維生素C(片劑,0.1g/片);小試管、膠頭滴管、托盤天平 、量筒(100mL)

4 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 將2.8g FeSO4?7H2O溶于水,稀釋成100mL,配成物質(zhì)的量濃度約為0.1mol?L-1的FeSO4溶液。

(2) 在小試管1#中加入上述配好的0.1mol?L-1 FeSO4溶液2滴管(約2mL),再加入一粒維生素C藥片。振蕩,約15s后(如果是放置7天后的0.1mol?L-1 FeSO4溶液,需要60s),使用傾析法將溶液轉(zhuǎn)移到小試管2#中。

(3) 在小試管3#中加入2滴管(約2mL)FeCl3溶液。

(4) 分別向小試管2#、 3#中加入1~2滴KSCN溶液。

4.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

FeSO4溶液一般因含有氧化產(chǎn)生的Fe3+而呈淺棕黃色,加入維生素C振蕩后上層清液變?yōu)闇\(灰)綠色,傾析法分離,取上層清液,加入KSCN溶液后無明顯變化。棕黃色的FeCl3溶液中加入KSCN溶液,變?yōu)榧t色溶液。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與解釋

含有Fe2+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)仍然為無色,含有Fe3+的鹽溶液遇到KSCN溶液時(shí)變成紅色。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論: Fe3+遇KSCN溶液變紅色、Fe2+遇KSCN溶液不變色,可以利用KSCN溶液鑒別Fe3+與Fe2+。

多次實(shí)驗(yàn)證明,使用維生素C能夠有效消除亞鐵鹽溶液中的Fe3+,使鑒別實(shí)驗(yàn)達(dá)到理想效果。維生素C(C6H8O6)又稱烯醇式己糖酸內(nèi)酯,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。維生素C的氧化還原(Cox/C)電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是-0.39V[5], Fe(Ⅲ)/Fe(Ⅱ)電對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢是0.771V[6]。由此,維生素C能將Fe(Ⅲ)還原為Fe(Ⅱ),反應(yīng)機(jī)理如圖2所示[7]。

維生素C可溶于水,在鹽溶液中也有一定的溶解性。由此,用維生素C處理亞鐵鹽溶液,不僅可以將溶液中的Fe3+還原為Fe2+,而且在溶液中提供還原性氛圍,可以確保Fe2+不被水中的溶解氧或溶液表面空氣中的氧氣氧化。在試劑配制后的7天內(nèi)使用本改進(jìn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn),都可以取得良好的效果。

6 教學(xué)反思

硫氰化鉀法檢驗(yàn)鐵離子屬于顯色法,因符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展水平,被高中教材普遍采納,人教版、蘇教版、魯科版教材均利用KSCN溶液對(duì)Fe3+和Fe2+進(jìn)行鑒別。該實(shí)驗(yàn)方案的順利開展,將有助于學(xué)生掌握離子定性檢驗(yàn)的一般方法、建立對(duì)比實(shí)驗(yàn)的良好的學(xué)科思想。

6.1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)試劑準(zhǔn)備簡便

改進(jìn)實(shí)驗(yàn)采用高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常備的FeSO4?7H2O配制亞鐵鹽溶液,也可以使用實(shí)驗(yàn)室儲(chǔ)存的FeSO4溶液,且不需要隨用隨配,使實(shí)驗(yàn)可行性大大增加。

6.2 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清楚明確

在防止Fe2+被氧化或消除Fe2+氧化產(chǎn)生的Fe3+方面,本研究也曾嘗試鐵粉法、煮沸法、有機(jī)物隔離法等方法。鐵粉法會(huì)使溶液帶有黑色渾濁,不符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律;煮沸法需要臨時(shí)新配溶液,并對(duì)溶劑進(jìn)行煮沸,操作較為復(fù)雜;有機(jī)物隔離法引起有機(jī)物附著,儀器清洗麻煩,且水中的溶解氧還是會(huì)引起Fe2+的部分氧化,效果不佳。

維生素C在水果、蔬菜中廣泛存在,維生素C藥片是生活常用藥品,可以在藥店購買,價(jià)格低、無毒副作用。把維生素C引入化學(xué)實(shí)驗(yàn),使化學(xué)實(shí)驗(yàn)回歸生活。清晰的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象有助于學(xué)生通過顏色對(duì)比,正確理解Fe3+的定性檢驗(yàn)方法和原理。

6.3 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋玫匕l(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)

對(duì)某些典型實(shí)驗(yàn)運(yùn)用生活化元素進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新,符合新課程標(biāo)準(zhǔn)的要求。不僅可以讓學(xué)生在生活中發(fā)現(xiàn)和解決化學(xué)問題,而且能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣,促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變,培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究與創(chuàng)新意識(shí)。

當(dāng)學(xué)生用KSCN溶液鑒別Fe3+和Fe2+的知識(shí)基本形成后,可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生將KSCN溶液直接滴入FeSO4溶液中,異常的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象一定能激發(fā)其極大的好奇心: 溶液居然出現(xiàn)了淡淡的紅色?!從而引發(fā)學(xué)生的深度思考: FeSO4溶液中的Fe3+從何而來?Fe2+的穩(wěn)定性如何?之前實(shí)驗(yàn)中維生素C起到了什么作用?為什么去皮的蘋果在空氣中會(huì)慢慢變?yōu)楹稚菰诰S生素C溶液中卻可以長久不變色?維生素C在生活中還可能有哪些妙用?

孔子曰:“不憤不啟,不悱不發(fā)?!庇脦е鴿鉂馍钗兜木S生素C改進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn),可以激發(fā)學(xué)生內(nèi)心的求知欲,使其在“憤、悱”的狀態(tài)下積極開展深度學(xué)習(xí)。

本次對(duì)于用硫氰化物鑒別Fe(Ⅲ)和Fe(Ⅱ)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn),符合化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的簡便性、探究性和趣味性原則,從實(shí)驗(yàn)原理和排除干擾兩方面證明了KSCN溶液鑒別Fe3+和Fe2+方法的可靠性。實(shí)驗(yàn)操作簡單、現(xiàn)象明顯,可作為演示實(shí)驗(yàn)或?qū)W生分組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行推廣。

參考文獻(xiàn):

[1] 人民教育出版社化學(xué)室. 普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書?化學(xué)(必修)第一冊(cè)[M]. 北京: 人民教育出版社, 2019: 68.

[2] 朱文祥, 劉魯美主編. 中級(jí)無機(jī)化學(xué)理論[M]. 北京: 北京師范大學(xué)出版社, 2002: 117.

[3][4][6] 武漢大學(xué), 吉林大學(xué). 無機(jī)化學(xué)(第3版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1994: 1022, 1022, 501.

[5] Matthew D. Lovander, Jacob D. Lyon, Daniel L. Parr IV, Junnan Wang, Brenna Parke, and Johna Leddy. Review —— Electrochemical Properties of 13 Vitamins: A Critical Review and Assessment [J]. Journal of The Electrochemical Society, 2018, 165(2): 18~49.

[7] 白令君, 王建英, 崔乃杰, 張奕. 抗壞血酸與鐵離子反應(yīng)的ESR及UVVIS研究[J]. 生物化學(xué)與生物物理學(xué)報(bào), 1997, (6): 3~8.

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