王楠 吳曉紅

摘?要：基于對一道化學試題中FeCl3濃溶液和Na2SO3濃溶液反應現(xiàn)象產生的疑問，設計實驗對FeCl3溶液與Na2SO3溶液的反應進行實驗驗證和理論探究，對它們之間的反應過程提出一個比較合理的解釋.

關鍵詞：氯化鐵;亞硫酸鈉;實驗探究

基金項目：寧夏回族自治區(qū)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育教學改革項目“共享理念下‘本碩互動學習模式的構建及實踐研究——以‘中學化學專題教學設計與實踐課程為例”（項目編號：NXBJG2018013）.

作者簡介：王楠（1994-），女，寧夏中衛(wèi)人，碩士研究生，研究方向：學科教學（化學）;

吳曉紅（1960-），女，寧夏銀川人，研究生，教授，研究方向：化學課程與教學論.

1?問題提出

某中學的化學月考中有這樣一道試題：取5 mLFeCl3濃溶液于試管中，逐滴加入Na2SO3濃溶液，觀察到溶液顏色由黃色變?yōu)榧t棕色，繼續(xù)加入Na2SO3濃溶液至過量，溶液顏色加深，最終變?yōu)榧t褐色，無氣泡產生，無沉淀生成.

在學習了氧化還原反應之后，可知Fe3+具有較強的氧化性，而Na2SO3既有氧化性也有還原性，酸性條件下電極電對Fe3+/Fe2+的標準電極電勢EθA=0770V，電極電對SO42-/H2SO3的標準電極電勢EθA=0172V.因此FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液，SO2-3表現(xiàn)為還原性， Fe3+可以被SO2-3還原生成Fe2+，溶液顏色會從黃色變?yōu)闇\綠色.而試題中闡述的現(xiàn)象與理論分析產生偏差，可知FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應是一個復雜的過程.

2?思路分析

根據(jù)上述題目中闡述的現(xiàn)象，結合高中階段所學的知識，有理由懷疑最終出現(xiàn)的紅褐色物質是Fe（OH）3膠體.生成Fe（OH）3膠體的原理可能為：Fe3+是弱堿陽離子，在水溶液中會發(fā)生水解反應Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+，SO2-3是弱酸根離子，在水溶液中也會發(fā)生水解反應SO2-3+H2OHSO3-+OH-而產生OH-.因此FeCl3溶液中加入Na2SO3溶液可能會因為水解的原因生成Fe（OH）3.FeCl3溶液和Na2SO3溶液究竟是發(fā)生了水解反應還是氧化還原反應呢？基于此，通過以下實驗對FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應進行了探討.

3?FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液的實驗探究

31?實驗用品

儀器：燒杯、試管、玻璃棒、膠頭滴管.

藥品：FeCl3·6H2O、無水Na2SO3.

32?實驗步驟

（1）配制藥品：分別稱取一定量的FeCl3·6H2O固體和無水Na2SO3粉末，加入蒸餾水溶解配制成1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液和1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液.量取一定體積1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液和1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液各兩份，加適量蒸餾水稀釋，得到05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液，以及05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液.

（2）分別量取1 mol瘙 簚

L-1、05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液各三份于試管中，每份溶液的體積為3 mL，編號1-1～1-9.在每個濃度的三份FeCl3溶液中分別滴加1 mol瘙 簚

L-1、05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液，邊滴加邊振蕩并觀察現(xiàn)象（詳細設計見表1）.

（3）將各組溶液靜置1 h，觀察現(xiàn)象.

33?實驗設計及現(xiàn)象

34?實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析

（1）FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應過程的分析

Fe3+和SO2-3發(fā)生氧化還原反應的標準平衡常數(shù)：

lgKθ=n（Eθ1-Eθ2）0059V=2×（0.770）V-172V）0059V≈20

Kθ=1020

Fe3+和SO2-3發(fā)生雙水解反應的平衡常數(shù)：

K=K6WK2SP×（Ka1×Ka2）3=

（10-14）6（279×10-38）2×[（154×10-2）×（102×10-7）]3

通過上述計算可知，從反應的熱力學分析，F(xiàn)e3+和SO2-3發(fā)生氧化還原反應的趨勢大于兩者發(fā)生雙水解反應的趨勢，并且發(fā)生氧化還原反應的趨勢更大.在FeCl3溶液中加入一滴Na2SO3溶液后，取少量反應溶液于另一個潔凈的試管中，并在試管中加入鐵氰化鉀溶液，溶液中立馬生成深藍色沉淀，證明反應開始時Fe3+和SO2-3確實發(fā)生了氧化還原反應[1].但觀察到的實驗現(xiàn)象是溶液先變?yōu)榧t褐色的，用平行光照射時可以從側面看到光亮的“通路”，表明發(fā)生了雙水解反應.一般氧化還原反應的活化能要大得多，反應速率也比較小[2]，因此從動力學角度分析，水解反應的反應速率較快，對反應體系顏色的影響占據(jù)主導地位.通過數(shù)據(jù)及實驗現(xiàn)象分析可知，F(xiàn)e3+和SO2-3離子間發(fā)生的氧化還原反應和雙水解反應在同一反應體系中共存并存在相互競爭.

（2）沉淀生成及溶解的原因分析

上述實驗1-1和實驗1-4都有沉淀生成，首先生成的沉淀是白色絮狀沉淀，隨著反應地進行變?yōu)榧t褐色.通過上述計算結果和實驗現(xiàn)象可知，生成的白色沉淀為Fe（OH）2，F(xiàn)e（OH）2容易被氧化生成紅褐色的Fe（OH）3沉淀.二價鐵離子能夠生成Fe（OH）2沉淀是因為SO2-3是弱酸根離子，在水溶液中會水解，水解后的溶液顯堿性，即：SO2-3+H2OHSO3-+OH-.

H2SO3的電離平衡常數(shù)[3]為：Ka1=154×10-2;Ka2=102×10-7.

SO2-3的水解平衡常數(shù)為：Kh=KWKa2=10×10-14102×10-7=98×10-8

1 mol

L-1的Na2SO3溶液中OH-的濃度為：

[OH-]=KhC鹽=98×10-8×1=313×10-4mol·L-1

通過計算得到1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液中OH-的濃度為313×10-4 mol瘙 簚

L-1，溶液的堿性比較強.Na2SO3溶液加入到FeCl3溶液中，溶液的pH瞬間升高，馬上生成Fe（OH）2沉淀.

Fe3+是弱堿陽離子，在水溶液中也會水解，水解后的溶液顯酸性：

Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+

Fe（OH）3的沉淀溶解平衡常數(shù)[4]為：Ksp=279×10-39

Fe3+的水解平衡常數(shù)為：K=K3WKsp=（10×10-14）3279×10-39=36×10-4

1 mol

L-1的FeCl3溶液中H+的濃度為：Kh=[H+]3[Fe3+]=36×10-4

[H+]≈0071mol·L

通過計算可知，1 mol

L-1的FeCl3溶液中H+的濃度為00711 mo

L-1，F(xiàn)eCl3溶液中H+的濃度要遠大于Na2SO3溶液中OH-的濃度.FeCl3溶液與Na2SO3溶液反應后的溶液中H+濃度仍然很大，且氧化還原反應也會有H+生成.在酸性較強的反應溶液中生成的沉淀不穩(wěn)定，振蕩后就會溶解生成能夠發(fā)生丁達爾效應的Fe（OH）3膠體.

（3）溶液顏色變化的原因分析

通過上述實驗發(fā)現(xiàn)不論FeCl3溶液和Na2SO3溶液之間量的關系如何，氧化還原反應和雙水解反應在同一反應體系中同時發(fā)生，由于水解反應的反應速率較快，所以反應開始時水解反應的顏色占據(jù)反應體系的主導地位.放置一段時間后溶液顏色的變化與FeCl3溶液和Na2SO3溶液的量有關系.

當c（Fe3+）>c（SO2-3）時，在實驗1-2、1-3、1-6中Fe3+的濃度分別是SO2-3濃度的2倍、10倍和5倍，在雙水解反應進行的同時，氧化還原反應也在不斷地消耗Fe3+和SO2-3，同時產生H+，使水解反應的平衡發(fā)生了逆向移動.隨著時間的推移，氧化還原反應在整個反應體系中占據(jù)了主導，因此放置一段時間后溶液由紅褐色變?yōu)榫G色.

當c（Fe3+）=c（SO2-3）時，在實驗1-1、1-5、1-9中，水解反應和氧化還原反應進行的過程中，相對能進行徹底的氧化還原反應中有少量SO2-3剩余，由于氧化還原反應產生了H+，氧化還原反應依舊占據(jù)反應體系的主導地位，溶液由紅褐色變?yōu)榫G色.實驗1-5和實驗1-9由于溶液濃度較低，反應后溶液顏色較淺.

當c（Fe3+）

4?Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液的實驗探究

為了進一步論證FeCl3溶液和Na2SO3溶液反應過程的實質，分別量取1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液各三份，在每個濃度的三份Na2SO3溶液中分別滴加1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液，編號2-1～ 2-9，繼續(xù)探究Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液的反應現(xiàn)象.

41?實驗現(xiàn)象及分析

通過觀察記錄實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)FeCl3溶液與Na2SO3溶液互滴，反應放置一段時間后所得現(xiàn)象一致，但在滴加過程中會有所不同.

（1）實驗2溶液是從無色變?yōu)榧t色.

（2）實驗2在Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液，開始時溶液呈堿性，滴加FeCl3溶液首先發(fā)生雙水解反應，生成的沉淀振蕩后不會消失，繼續(xù)滴加FeCl3溶液，溶液中H+的濃度增大，沉淀逐漸消失.

（3）實驗2在逐滴滴加FeCl3溶液的過程中，生成的紅褐色逐漸變淺，這是因為隨著FeCl3溶液地加入，溶液pH減小，F(xiàn)e3+水解能力降低，生成Fe（OH）3膠體的濃度減小，故溶液的顏色變淺.

5?結論

通過實驗探究FeCl3溶液和Na2SO3溶液的反應，得出以下幾點結論：

不論是FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液，還是Na2SO3溶液中滴加Na2SO3溶液，反應最終得到的現(xiàn)象是一致的，只是在反應過程中的部分現(xiàn)象有所不同.實驗1是從橘黃色變?yōu)榧t褐色，而實驗2是從無色變?yōu)榧t褐色;實驗1生成的沉淀振蕩后迅速溶解，實驗2生成的沉淀隨著FeCl3溶液地加入逐漸溶解;實驗1生成的紅褐色溶液隨著Na2SO3溶液的加入而加深，實驗2生成的紅褐色溶液隨著FeCl3溶液地加入有變淺的趨勢.

FeCl3溶液和Na2SO3溶液的反應不是簡單的氧化還原反應，而是雙水解反應與氧化還原反應共存并相互競爭的過程.兩者等體積反應的過程分為兩種情況：

（1）當c（Fe3+）≥c（SO2-3）時，兩者之間發(fā)生的氧化還原反應占據(jù)反應體系的主導地位，最終反應體系的主要成分是Fe2+，反應的過程如下：

2Fe3++2SO2-3+H2O=2Fe2++2SO42-+2H+

SO2-3+H2OHSO3-+OH-

Fe2++2OH-=Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3（膠體）

Fe（OH）3+3H+=Fe3++3H2O

2Fe3++2SO2-3+H2O=2Fe2++2SO42-+2H+

（2）當c（Fe3+）

參考文獻：

[1] 袁天祥實驗探究溶液中鐵離子與亞硫酸根離子的反應[J]中學化學教學參考，2018（13）：49-50

[2]鄭玉海，張軍，吳文中硝酸銀溶液與碘化鉀溶液反應的實驗探究與思考[J]化學教育（中英文），2019，40（05）：83-85

[3]宋天佑，徐家寧，程功臻等無機化學（第二版）上冊[M]北京：高等教育出版社，2010：395

（收稿日期：2019-12-13）