王方闊,于美愛,謝冬,董華澤,徐奧運(yùn),程雪晴
(合肥師范學(xué)院化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院,安徽合肥 230601)
隨著中國高等教育改革持續(xù)推進(jìn),學(xué)科專業(yè)建設(shè)更加注重內(nèi)涵式發(fā)展。其中,化工行業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生保障領(lǐng)域中逐步凸顯其重要地位和作用。因此,建設(shè)“一流”化工專業(yè),為國家和社會(huì)培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí),綜合實(shí)踐能力強(qiáng)的應(yīng)用型人才就成為化工教育工作者的重要責(zé)任。為了培養(yǎng)學(xué)生對化學(xué)實(shí)驗(yàn)中基本操作技能的綜合應(yīng)用能力,通常會(huì)開設(shè)部分綜合設(shè)計(jì)性項(xiàng)目,而在為化工專業(yè)開設(shè)的綜合實(shí)踐性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目中,應(yīng)該注重與化工生產(chǎn)和生活實(shí)際相結(jié)合[1,2]。在開展《分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程“鐵礦石全鐵含量的測定”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,用鹽酸加熱溶解時(shí)發(fā)現(xiàn):1)鹽酸容易揮發(fā)產(chǎn)生的氣味難聞,即使在通風(fēng)櫥內(nèi)操作,也不利于安全環(huán)保;2)溶解速度較慢且溶解效率不高。隨著人們的環(huán)保意識不斷增強(qiáng),在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要注重培養(yǎng)學(xué)生的環(huán)保節(jié)能意識,對于化工專業(yè)學(xué)生更要加強(qiáng)引導(dǎo)他們充分利用“變廢為寶”的思路去進(jìn)行化工技術(shù)改進(jìn)或產(chǎn)品開發(fā)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)及文獻(xiàn)調(diào)研中受到啟發(fā),先以廢鐵粉為原材料,常溫下,在加入單一鹽酸、硝酸或硫酸溶液只能部分溶解時(shí),選擇鹽酸和硝酸混合溶液進(jìn)行溶解,當(dāng)鹽酸/硝酸體積比為1∶5 時(shí)可以快速全部溶解。但是當(dāng)把廢鐵粉換成1.5g/根規(guī)格的廢鐵釘時(shí),就只能部分溶解,隨后進(jìn)一步探究發(fā)現(xiàn),硫酸和硝酸以不同體積比時(shí)可以較快完全溶解,且改變配比或添加助溶劑可以使2.5、5、7.5g/根不同規(guī)格的鐵釘較快地完全溶解。同時(shí)還對溶解后的混合溶液進(jìn)行分離、純化處理,可以得到純度較高的鐵化合物,所得氯化鐵和硫酸鐵等產(chǎn)品在水凈化、工業(yè)催化及拋光刻蝕等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。為此,設(shè)計(jì)開發(fā)“廢鐵溶解、粗產(chǎn)品制備及提純”為主題的綜合性實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐具有重要的實(shí)用價(jià)值,不僅可以提升學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)水平,還可以培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)業(yè)意識。
1.1.1 廢鐵粉溶解
先量取30mL 濃鹽酸置于100mL 燒杯中,再稱取約5g 廢鐵粉,緩慢加入到上述溶液中,邊加入邊攪拌使其溶解。然后在4 個(gè)100mL 燒杯內(nèi)按照濃鹽酸/濃硝酸體積比分別為20∶10、15∶15、10∶20、5∶25 依次配置30mL 混合溶液4 份,再稱取4份5g 鐵粉分別緩慢加入到上述溶液中,邊加入邊攪拌使其溶解。(上述實(shí)驗(yàn)均在通風(fēng)櫥內(nèi)操作)
1.1.2 產(chǎn)品的制備方法
將溶解反應(yīng)完全的溶液趁熱過濾,濾液轉(zhuǎn)移至干凈的坩堝中,在電加熱套上加熱、蒸發(fā)、濃縮,注意控制加熱溫度,不時(shí)用玻璃棒攪拌,防止爆沸,待溶液中出現(xiàn)結(jié)晶時(shí),停止加熱,冷卻至室溫,待結(jié)晶完全后,抽濾減壓過濾,干燥,得氯化鐵粗產(chǎn)品。再以水為溶劑進(jìn)行重結(jié)晶純化,得到純度較高得黃色氯化鐵晶體。
實(shí)驗(yàn)流程圖如圖1 所示。
圖1 廢鐵釘溶解及產(chǎn)品制備實(shí)驗(yàn)流程
1.2.1 廢鐵釘溶解
按照體積比分別為10∶5∶15、10∶10∶10、5∶5∶20、5∶10∶15、10∶15∶5 配置5 份水/硝酸/硫酸混合溶液(分別編號為A、B、C、D、E),配置過程先將濃硝酸在攪拌下緩慢加入水中充分溶解后,再在攪拌下緩慢加入濃硫酸充分混合溶解,再用鑷子夾住1.5g/根規(guī)格的廢鐵釘放入上述混合溶液中,每份溶液放入2 根,使其充分反應(yīng)。
1.2.2 產(chǎn)品制備
對于A 反應(yīng)溶液中,加入乙醇溶液對沉淀進(jìn)行充分洗滌,通過傾析法進(jìn)行分離,將固體在熱水浴上烘干,得到的粗產(chǎn)品用水進(jìn)行重結(jié)晶,得到純度較高的硫酸鐵晶體。
依據(jù)參考文獻(xiàn)[2]通過分光光度法測定產(chǎn)品中鐵含量,先配制系列濃度硫酸鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液,測定其最大吸收波長510nm 處的吸光度,以吸光度A 為縱坐標(biāo),標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制。再準(zhǔn)確配制待測樣品的溶液(0.1g/L)100mL,測試其吸光度,對照標(biāo)準(zhǔn)曲線求解其濃度,計(jì)算產(chǎn)品制鐵含量。同時(shí)依據(jù)參考文獻(xiàn)[3]可采用氯化亞錫—甲基橙容量法通過氧化還原滴定求解其鐵含量。通過兩種方法對比實(shí)驗(yàn)分析證明檢測結(jié)果可信度。
觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,濃鹽酸中的廢鐵粉30min 后還剩余較多固體,濃鹽酸/濃硝酸體積比分別為20 ∶10 時(shí),30min后還剩余少量固體、15 ∶15 時(shí)30min 后內(nèi)基本溶解完,10∶20 時(shí)需要10min 可以基本溶解完、5∶25 時(shí),只需要3min 就能完全溶解。然后,將5∶25 時(shí)得到的溶液蒸發(fā)濃縮得到的粗產(chǎn)品為顏色較深固體顆粒,重結(jié)晶之后可得到黃色晶體。通過光譜法和滴定法分別對產(chǎn)品的鐵含量測定,結(jié)果基本一致,并且基本符合六水合氯化鐵的組成,表明可通過廢鐵粉回收反應(yīng)制備氯化鐵產(chǎn)品。
如圖2 所示:A 和B 燒杯內(nèi)反應(yīng)較快,20min內(nèi)基本反應(yīng)完全,得到淡黃色海綿狀固體,B 反應(yīng)相對較慢;C 和D 燒杯內(nèi)無明顯反應(yīng)現(xiàn)象;E 燒杯內(nèi)反應(yīng)比較劇烈,大量放熱,反應(yīng)溶液沸騰直至反應(yīng)結(jié)束,10min 基本反應(yīng)完全。利用硫酸鐵和硝酸鐵在乙醇中的溶解度差異,在A 中加入30mL 乙醇洗滌,固液分層明顯(如圖2-f),通過傾析法得到顏色較淺的固體,然后再用水重結(jié)晶得到細(xì)顆粒狀淡黃色固體硫酸鐵。通過光譜法和滴定法分別對產(chǎn)品的鐵含量測定,結(jié)果基本一致,并且基本符合硫酸鐵的組成,純度達(dá)95%以上,可能含有一定量的水。
圖2 a-e 圖為廢鐵定在混合酸中的溶解情況,f 圖為A燒杯中加入乙醇后的分離情況
上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作為綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在化工專業(yè)《基礎(chǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課程中進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐過程中[4],將教學(xué)班級25 人,分為5 組,每組5 人,設(shè)1名組長,負(fù)責(zé)組織確定具體實(shí)驗(yàn)方案,然后分工操作,相互協(xié)助,比如在溶解過程中每人完成1組實(shí)驗(yàn),然后比較實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,產(chǎn)品制備時(shí),蒸發(fā),濃縮,減壓過濾等操作分工協(xié)作完成,測定時(shí)每2人一組嘗試一種測定方法,組長負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄及處理,最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。通過對近3 年4 個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)班的教學(xué)情況總結(jié)分析發(fā)現(xiàn):1)學(xué)生的操作參與度明顯提高,比如在用光譜法和滴定法測定含量時(shí),數(shù)據(jù)記錄和處理時(shí)學(xué)生都比較認(rèn)真,經(jīng)常會(huì)多次反復(fù)驗(yàn)算;2)觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加仔細(xì),比如在鐵粉或鐵定溶解時(shí),學(xué)生對各種情況下出現(xiàn)現(xiàn)象差異性分析比較認(rèn)真,還會(huì)主動(dòng)查閱相關(guān)資料,并且能夠與老師積極交流討論;3)實(shí)驗(yàn)方法可行,可操作性強(qiáng),實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清楚,結(jié)果科學(xué)合理。4)安全環(huán)保意識增強(qiáng),因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中用到強(qiáng)酸,大家在操作時(shí)特別小心,相互幫助,并且對于產(chǎn)生的有害氣體還能自行設(shè)計(jì)尾氣吸收裝置,效果良好。綜合情況表明:通過“廢鐵溶解、粗產(chǎn)品制備及提純”綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性,激發(fā)學(xué)生主動(dòng)思考,認(rèn)真參與實(shí)驗(yàn)。而且通過該實(shí)驗(yàn)還可以引導(dǎo)學(xué)生對化工生產(chǎn)中的一些工藝技術(shù)開發(fā)及改進(jìn)問題進(jìn)行思考和探索。