劉 萍，任有良，孫紅麗

(商洛學(xué)院 化學(xué)與化學(xué)工程系，陜西商洛 726000)

硫酸亞鐵銨 (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O 俗稱摩爾鹽，是淺藍(lán)綠色單斜透明晶體，在空氣中比一般亞鐵鹽穩(wěn)定，不易被氧化，能溶于水，不溶于酒精。因此在定量分析中常用來配置亞鐵離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

硫酸亞鐵銨的制備是無機(jī)化學(xué)實驗多年一直開設(shè)的一個典型的設(shè)計實驗。無機(jī)化學(xué)實驗教學(xué)大綱中將此實驗作為學(xué)生的必做實驗，因為它讓學(xué)生了解復(fù)鹽的一般特征和制備方法的同時，還能綜合訓(xùn)練學(xué)生水浴加熱、蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、常壓過濾等基本操作；但按照不同版本的教材[1-7]介紹的方法實驗時，在反應(yīng)時間、產(chǎn)率和純度等方面出現(xiàn)了差異，本文在大量的實驗基礎(chǔ)上對影響該實驗的各種因素進(jìn)行了探究，重點在選取鐵的種類、鐵的去污方法和反應(yīng)時間等因素進(jìn)行了探究，并對產(chǎn)物的質(zhì)量和等級進(jìn)行了鑒定，探究出了該實驗的最佳反應(yīng)條件。

1 實驗原理

制備硫酸亞鐵銨比較簡單，在實驗室中一般都是先制備FeSO4，然后在FeSO4的水溶液中加入(NH4)2SO4，即可制得硫酸亞鐵銨。

將過量的鐵溶于稀H2SO4中，可制得FeSO4，其反應(yīng)式為

向FeSO4水溶液中加入等物質(zhì)的量的(NH4)2SO4，使其全部溶解，再加熱濃縮，在冷卻過程中會析出溶解度更小的硫酸亞鐵銨，其反應(yīng)式為

FeSO4·(NH4)2SO4·6H2O 在水中的溶解度比其組分FeSO4和(NH4)2SO4都要小。因此，從FeSO4和 (NH4)2SO4的混合水溶液中很容易得到結(jié)晶的摩爾鹽。

2 教材上的制備方法及存在的問題

大學(xué)化學(xué)實驗、無機(jī)及分析實驗教材等[1-2]上的實驗方案：在錐形瓶中放入2 g鐵屑加入20 mL 1.0 mol·L-1Na2CO3溶液，小火加熱約 10 min，以除去鐵屑表面的油污。在盛有洗凈鐵屑的錐形瓶中，加入 15 mL 3.0 mol·L-1的 H2SO4溶液，放在水浴上加熱，使鐵屑與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)（在通風(fēng)櫥中進(jìn)行）。根據(jù)已作用的鐵的質(zhì)量和反應(yīng)式中的計量關(guān)系，按m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8（或1:0.75）稱取所需硫酸銨固體的質(zhì)量，在燒杯中配制(NH4)2SO4的飽和溶液；將(NH4)2SO4的飽和溶液倒入盛FeSO4的溶液中，蒸發(fā)濃縮，抽濾得硫酸亞鐵銨晶體。

按教材介紹的方法制備硫酸亞鐵銨時主要存在的問題：鐵與硫酸完全反應(yīng)時所用時間較長；由于鐵中有雜質(zhì)，當(dāng)其與硫酸反應(yīng)時會產(chǎn)生有毒、有害且具有刺激性氣味的氣體（PH3、H2S），對實驗環(huán)境污染很大；鐵表面油污處理方法較復(fù)雜；當(dāng)做Fe3+的限量分析這一步時，硫酸亞鐵銨溶液較容易被空氣中的氧氣所氧化，造成與標(biāo)準(zhǔn)溶液目測比色時的誤差。

3 實驗探究的內(nèi)容與方法

本文從選取不同類型的鐵屑及限量、表面除污方式、硫酸亞鐵與硫酸銨的用量比等多個因素考慮，做了大量的探究性實驗。

3.1 熟鐵屑與生鐵屑的比較

分別稱取等量的生鐵屑和熟鐵屑，與等量的稀硫酸在其它條件相同的情況下反應(yīng)以制備硫酸亞鐵；進(jìn)而制備硫酸亞鐵銨。最后對實驗的反應(yīng)時間及產(chǎn)量等方面加以比較。

3.2 鐵屑去油污方法的比較

在利用廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨時，因其表面有油污而需要清除。傳統(tǒng)的方法是用Na2CO3溶液進(jìn)行煮沸[8-9]；本文采用直接灼燒的方法來清除。其它實驗步驟相同于制備硫酸亞鐵銨。對比反應(yīng)時間、生成物的產(chǎn)率和純度。

3.3 鐵屑與硫酸反應(yīng)的最佳用量

分別稱取 2，3，4，5，6，7，8 g 的鐵屑，再分別加入15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液，放在水浴上加熱，并以m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8制備硫酸亞鐵銨。通過對反應(yīng)時間、產(chǎn)物的產(chǎn)率、純度的比較，以找出過量鐵的最佳用量。

3.4 增加尾氣吸收裝置

在用熟鐵代替生鐵反應(yīng)所述中，雖然縮短了反應(yīng)時間，但熟鐵與硫酸比生鐵與硫酸反應(yīng)時放出的有毒、有害且具有刺激性氣味的氣體（PH3、H2S）多[10-11]，易造成實驗環(huán)境污染，因此，本文在原反應(yīng)器的基礎(chǔ)上增加了自制的尾氣吸收裝置，其中鐵屑與硫酸的反應(yīng)仍在錐形瓶中進(jìn)行，釋放的有毒有害氣體（PH3、H2S）可用 1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液直接吸收。實驗裝置如圖1所示。

圖1 制備硫酸亞鐵銨改進(jìn)后的實驗裝置

3.5 在純度檢驗中增加油封舉措

Fe(III)的限量分析：用燒杯將去離子水煮沸5 min，以除去溶解的氧，蓋好、冷卻后備用。稱取1.00 g產(chǎn)品，置于比色管中，加入20.0 mL備用的去離子水，以溶解之，再加入 3.00 mL HCl(2.0 mol·L-1)溶液和0.05 mL KSCN(1.0 mol·L-1)溶液，最后以備用的去離子水稀釋到25.00 mL，搖勻，再在溶液上部滴加數(shù)滴植物油油封液面，與空白對照進(jìn)行比較。然后分別與標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行目測比色，以確定產(chǎn)品等級。

4 結(jié)果與討論

4.1 原料類型對產(chǎn)物產(chǎn)率、純度及反應(yīng)時間的影響

分別稱取2 g左右生鐵屑和熟鐵屑做實驗，對比鐵與稀硫酸完全反應(yīng)的時間、產(chǎn)物的產(chǎn)率及 純度；平行3次實驗，實驗數(shù)據(jù)記錄見表1。

表1 相同質(zhì)量的生鐵屑與熟鐵屑制備硫酸亞鐵銨對比

通過表1中實驗數(shù)據(jù)及實驗過程中的現(xiàn)象表明：以相同質(zhì)量的生鐵屑和熟鐵屑制備硫酸亞鐵銨在其他條件相同的情況下，其反應(yīng)區(qū)別有：熟鐵屑比生鐵屑制備的硫酸亞鐵銨的產(chǎn)率稍高；熟鐵屑比生鐵屑與稀硫酸完全反應(yīng)需要的時間要成倍的減少；熟鐵屑比生鐵屑與稀硫酸在水浴加熱的條件下反應(yīng)時放出有毒、有害且具有刺激性氣味的氣體（PH3、H2S）要多；熟鐵屑與生鐵屑制備的硫酸亞鐵銨純度等級一樣。

在實驗中，利用熟鐵屑比生鐵屑可以大大地節(jié)省時間和放出較多有毒的氣體，這完全決定于兩種鐵屑的組成成分和結(jié)構(gòu)性能。因為：熟鐵的抗腐蝕性比生鐵的較差，所以前者與硫酸反應(yīng)的速率比后者要大；熟鐵的含碳量雖比生鐵小，但含磷、硫的雜質(zhì)并不少，故在反應(yīng)較快的情況下產(chǎn)生的有毒氣體也相對的較多。

4.2 不同用量比的硫酸亞鐵與硫酸銨對產(chǎn)率的影響

FeSO4與 (NH4)2SO4用量比分別以1:0.8和1:0.75做實驗，平行3次，其產(chǎn)率的實驗數(shù)據(jù)記錄見表2。

表2 FeSO4與(NH4)2SO4不同用量比的產(chǎn)率對比

由表2實驗結(jié)果表明：在其他條件相同的情況下，以m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8比m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.75制備的硫酸亞鐵銨產(chǎn)率較高。

4.3 去油污方法的比較

分別稱取2 g左右生鐵屑編號a、b，將a鐵屑放入到蒸發(fā)皿中加熱，用直接灼燒去污的方法除去鐵屑表面的油污，直至蒸發(fā)皿上空不再冒煙為止，表明鐵屑表面的油污已除凈（根據(jù)油的揮發(fā)點，當(dāng)鐵屑加熱到一定溫度達(dá)到油的揮發(fā)點時鐵屑表面的油污就會揮發(fā)掉）；再將b鐵屑以普通去油污的方法（即將其放入到150 mL錐形瓶中，加入1.0 mol·L-1的Na2CO3溶液20 mL，小火加熱約10 min，以除去鐵屑表面的油污,用堿液清洗除去堿液，并用水將鐵屑洗凈）除去其表面的油，接下來同4.1的實驗步驟相同，制備硫酸亞鐵銨，同以上方法重復(fù)做3組這樣的實驗，對比反應(yīng)時間、產(chǎn)物的產(chǎn)率和純度，記錄數(shù)據(jù)見表3。

表3 灼燒法與普通油污法制備硫酸亞鐵銨對比

由表3實驗數(shù)據(jù)及實驗過程中的現(xiàn)象表明：將鐵屑放在蒸發(fā)皿中灼燒除去鐵屑表面油污的方法比普通除去鐵屑表面油污的方法制得的硫酸亞鐵銨的產(chǎn)量高，從產(chǎn)物的級別來看兩個都差不多。實驗結(jié)果表明：采用灼燒法除去鐵屑表面油污的方法比傳統(tǒng)方法簡單省事，縮短反應(yīng)的時間，且有利于反應(yīng)的發(fā)生。

4.4 鐵的用量對實驗時間的影響

稱取7組不同質(zhì)量的生鐵屑，經(jīng)灼燒去油后，分別與15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液反應(yīng)（放在水浴上加熱）及加入一定量的(NH4)2SO4來制備硫酸亞鐵銨。所用的時間及產(chǎn)物產(chǎn)率的實驗數(shù)據(jù)見表4。

表4 不同質(zhì)量的鐵制備硫酸亞鐵銨對比

由表4結(jié)果表明:過量的鐵與相同量的稀硫酸完全反應(yīng)所用的時間較短，因為過量的鐵大大增加了鐵與硫酸的接觸面積，從而減短了反應(yīng)時間。但是增加也不是無限制的，以硫酸能完全浸濕增加的鐵為宜。否則，鐵過量太多將會造成沒必要的原料浪費。由實驗結(jié)果可知，每取15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液時，鐵屑的用量以5-6 g較合適。

4.5 Fe(III)的限量分析中油封的效果

Fe(III)的限量分析時，由于產(chǎn)品溶液的配置存在著一定的時間差，比色管上部的溶液與空氣直接接觸，溶液中的Fe(II)易被空氣中的氧所氧化，故而造成比色誤差。在溶液表面滴數(shù)滴油形成油封，防止其被氧化。通過實驗對比，充分證實了這一點。

5 結(jié)論

本文在大量實驗的基礎(chǔ)上探究出了該實驗的最佳方案：在錐形瓶中放入5-6 g事先灼燒過的熟鐵屑，加入15 mL 3.0 mol·L-1的H2SO4溶液，然后安裝好尾氣吸收裝置，放在水浴上加熱（如圖1所示），使鐵屑與稀硫酸發(fā)生反應(yīng)。根據(jù)已作用的鐵的質(zhì)量和反應(yīng)式中的計量關(guān)系，按m FeSO4:m(NH4)2SO4=1:0.8稱取所需硫酸銨固體的質(zhì)量，在燒杯中配制 (NH4)2SO4的飽和溶液；將(NH4)2SO4的飽和溶液倒入到盛FeSO4的溶液蒸發(fā)皿中，蒸發(fā)濃縮，冷卻，抽濾得到硫酸亞鐵銨晶體。做產(chǎn)品的純度檢驗時，最好在比色管的液面上采用油封的辦法。采用最佳的實驗方案可以大大縮短反應(yīng)時間，提高產(chǎn)率，并減少了實驗室環(huán)境的污染。

[1] 何水樣,崔 斌,張維平,等.大學(xué)化學(xué)實驗(I)[M].西安:西北大學(xué)出版社,2005.

[2] 蔣碧如,潘潤身.無機(jī)化學(xué)實驗[M].北京:高等教育出版社,1989.

[3] 浙江大學(xué)普通化學(xué)教研組.普通化學(xué)實驗[M].3版.北京:高等教育出版社,1996.

[4] 南京大學(xué)《無機(jī)及分析化學(xué)實驗》編寫組.無機(jī)及分析化學(xué)實驗[M].4版.北京:高等教育出版社,2006.

[5] 李 樸,古國榜.無機(jī)化學(xué)實驗[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[6] 史長華,唐樹戈.普通化學(xué)實驗[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[7]北京大學(xué)化學(xué)系普通化學(xué)教研室.普通化學(xué)實驗[M].北京:北京大學(xué)出版社,1991:147-150.

[8] 何青云,顏文斌,華 駿,等.硫酸亞鐵銨制備的改進(jìn)[J].實驗教學(xué)與儀器,2011(2):30-32.

[9] 姜述芹,馬 荔,梁竹梅,等.硫酸亞鐵銨制備實驗的改進(jìn)探索[J].實驗室研究與探索,2005,24(7):18-20.

[10]王 銳.對硫酸亞鐵銨制備實驗的探討[J].固原師專學(xué)報:自然科學(xué)版,2005，22(1):73-75.

[11]陳彥玲,岳淑美,林世威,等.用綠色化學(xué)理念改進(jìn)硫酸亞鐵銨制備實驗的探究[J].長春師范學(xué)院學(xué)報:自然科學(xué)版,2010,29(4):62-64.