李玲，王軍珂，余圓文，劉世宇，王應(yīng)席，王娟，王凱

湖北大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，武漢 430062

由廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨是大多數(shù)高?；瘜W(xué)、化工專業(yè)的大一年級(jí)必做無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)之一。20世紀(jì)70年代末以來，幾乎所有相關(guān)高校都開設(shè)了此實(shí)驗(yàn)；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)“硫酸亞鐵銨的制備”也一直是很多中學(xué)生化學(xué)奧林匹克競(jìng)賽以及大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽賽前培訓(xùn)的典型代表實(shí)驗(yàn)[1]。但是該實(shí)驗(yàn)中存在如下問題：第一，廢鐵屑與稀硫酸在70 °C水浴條件中反應(yīng)至少需要50 min反應(yīng)完全，耗時(shí)較長。第二，趁熱常壓過濾除去未反應(yīng)的鐵屑時(shí)，由于鐵屑密度大，過濾時(shí)容易堵在漏斗中的濾紙下端，導(dǎo)致過濾速度很慢。僅常壓過濾這一步操作，學(xué)生通常需要耗時(shí)30-40 min才能得到硫酸亞鐵溶液。并且由于過濾時(shí)間耗時(shí)長，溶液在漏斗中冷卻，硫酸亞鐵晶體析出，降低濾液中硫酸亞鐵濃度，從而降低硫酸亞鐵銨產(chǎn)率。

在原有的實(shí)驗(yàn)方案中，學(xué)生僅能通過實(shí)驗(yàn)理解復(fù)鹽的制備原理，訓(xùn)練稱量、過濾、蒸發(fā)濃縮等基本操作。但是在新工科背景下，這種實(shí)驗(yàn)方案已經(jīng)不能滿足培養(yǎng)學(xué)生工程意識(shí)和創(chuàng)新能力的需求。為了使該實(shí)驗(yàn)更好地服務(wù)于教學(xué)，提升學(xué)生的綜合能力，許多改進(jìn)方案被提出。絕大多數(shù)改進(jìn)方案集中在“綠色化”方面[2,3]，也有通過加入碳粉或銅粉形成原電池來加速鐵與硫酸反應(yīng)速率[4-7]。然而，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中忽略了對(duì)產(chǎn)率影響主要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)之一——趁熱常壓過濾的改進(jìn)，且沒有充分體現(xiàn)改進(jìn)實(shí)驗(yàn)價(jià)值的最大化[2,3]。

為了解決實(shí)驗(yàn)中的兩個(gè)主要問題，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力，通過加入炭黑形成微小原電池加速反應(yīng)，借助磁鐵分離，縮短趁熱常壓過濾時(shí)間，提高產(chǎn)率。加入的炭黑在常壓過濾后于濾紙中回收，回收后的炭黑干燥后可以用于去除有機(jī)污染物，增加實(shí)驗(yàn)的綜合利用價(jià)值。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)不僅提高了實(shí)驗(yàn)效率，也幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)原電池對(duì)反應(yīng)速率的積極作用，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中養(yǎng)成考慮綜合利用價(jià)值的大局觀，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和創(chuàng)新能力。

1 實(shí)驗(yàn)原理與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。加入炭黑，與鐵粉在稀硫酸溶液中構(gòu)成無數(shù)微小原電池，從而加快反應(yīng)速率。使用磁鐵將未反應(yīng)完的鐵屑迅速徹底分離后再進(jìn)行常壓過濾，加快過濾速率。硫酸亞鐵溶液中加入硫酸銨蒸發(fā)濃縮得到硫酸亞鐵銨，濾紙中的炭黑回收于燒杯中，放入烘箱中烘干后可以去除有機(jī)污染物。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案如圖2所示。在原有的實(shí)驗(yàn)的方案中，進(jìn)行了兩處改進(jìn)。第一處，提升鐵與稀硫酸的反應(yīng)速率。在鐵與稀硫酸的反應(yīng)中，加入炭黑，形成原電池，使反應(yīng)提速。第二處，在常壓過濾前進(jìn)行預(yù)處理。磁鐵貼緊燒杯外壁傾倒出燒杯內(nèi)液體，在磁力作用下未反應(yīng)完的鐵屑聚集于燒杯內(nèi)側(cè)，從而徹底與液體分離。將傾倒出的液體進(jìn)行常壓過濾，由于沒有鐵屑進(jìn)入過濾體系，僅有少量的炭黑溶液中，加快了常壓過濾的速率。預(yù)先分離的鐵屑可以回收再利用，加入的炭黑，可以回收用于去除有機(jī)污染物。

圖2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

2 試劑和儀器

2.1 試劑

導(dǎo)電炭黑，購于天津天一世紀(jì)化工產(chǎn)品科技發(fā)展有限公司。廢鐵屑由機(jī)械加工廠提供。濃硫酸、硫酸銨、碳酸鈉、孔雀石綠均為分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。3 mol·L-1的稀硫酸由濃硫酸稀釋而成?？兹甘G儲(chǔ)存液濃度為0.1 g·L-1。

2.2 儀器

蒸發(fā)濃縮時(shí)使用可調(diào)式封閉電爐(北京光明)，使用電熱鼓風(fēng)干燥箱101-0A型(天津泰斯特)將濾渣烘干。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

實(shí)驗(yàn)中試劑的用量參照我院教師編寫的實(shí)驗(yàn)教材《無機(jī)及化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)》中“硫酸亞鐵銨的制備”的用量[8]。教材中，鐵屑用量為4.2 g，3 mol·L-1H2SO4用量為25 mL，(NH4)2SO4用量為9.5 g。由于4.2 g鐵屑反應(yīng)耗時(shí)時(shí)間較長，在平時(shí)實(shí)驗(yàn)操作中將鐵屑用量與硫酸銨用量減半，即鐵屑用量為2.1 g，硫酸銨的用量為4.7 g。在平時(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，考察改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)的效果。將未加入炭黑的實(shí)驗(yàn)列為“參照實(shí)驗(yàn)”，加入炭黑的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)列為“改進(jìn)實(shí)驗(yàn)”，實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)比如表1所示。

表1 改進(jìn)實(shí)驗(yàn)前后的實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)比

在改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，使用了炭黑，為了考察炭黑的額外價(jià)值，將過濾后濾紙中的濾渣(炭黑)回收并洗凈，收集于燒杯中，放入烘箱100 °C內(nèi)烘干，備用。將0.1 g·L-1孔雀石綠溶液用水稀釋至 0.01 g·L-1，分別取相同體積的孔雀石綠溶液至2只離心管中，一只加入少許回收炭黑，10 min后，進(jìn)行顏色對(duì)比。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 鐵屑與稀硫酸反應(yīng)對(duì)比

參照實(shí)驗(yàn)中，鐵屑與稀硫酸反應(yīng)基本完全(沒有氣泡產(chǎn)生)需55 min。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，鐵屑與稀硫酸反應(yīng)劇烈得多，有大量的氣泡產(chǎn)生，如圖3所示。加入炭黑后反應(yīng)基本完全僅需20 min，說明加入炭黑形成原電池后，極大程度提高了反應(yīng)速率，縮短了35 min的反應(yīng)時(shí)間，且反應(yīng)過程不需要水浴鍋持續(xù)加熱，僅僅在玻璃水槽中加入熱水即可。

圖3 鐵屑與稀硫酸反應(yīng)對(duì)比

4.2 常壓過濾速率對(duì)比

參照實(shí)驗(yàn)中，鐵屑因?yàn)槊芏却笤谶^濾時(shí)極容易堵在過濾漏斗的濾紙下端，導(dǎo)致過濾速度變慢。隨著時(shí)間的推移，漏斗的濾紙中和漏斗頸部中的溶液逐漸冷卻，硫酸亞鐵晶體析出，一來堵塞玻璃漏斗的頸部，進(jìn)一步降低過濾速率，二來減少濾液中亞鐵離子濃度，從而降低產(chǎn)率，如圖4(A)所示。參照實(shí)驗(yàn)中，完成過濾需要35 min。改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中，先用磁鐵進(jìn)行分離，如圖4(B)所示。用磁鐵貼緊于燒杯外壁，燒杯中未反應(yīng)完的鐵屑在磁鐵吸引作用下迅速聚集于燒杯內(nèi)壁一端，傾倒后廢鐵屑與溶液徹底分離。炭黑與鐵屑相比，密度小得多，常壓過濾時(shí)不容易堵住濾紙下端，加快了常壓過濾的速率，在溶液未冷卻前就完成了固液分離，僅僅需要8 min完成過濾得到硫酸亞鐵溶液。過濾前使用磁鐵預(yù)處理，縮短了27 min的過濾時(shí)間，且過濾中沒有硫酸亞鐵析出，減少亞鐵離子的損失，提高產(chǎn)率。

圖4 常壓過濾速率對(duì)比

4.3 硫酸亞鐵銨產(chǎn)率對(duì)比

按照表1的實(shí)驗(yàn)步驟，參照實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)最終獲得的硫酸亞鐵銨分別為6.5 g和8.7 g。反應(yīng)中鐵屑2.1 g，物質(zhì)的量為0.0375 mol，4.7 g硫酸銨物質(zhì)的量為0.0356 mol。以硫酸銨計(jì)算理論產(chǎn)量為14.0 g，則參照實(shí)驗(yàn)與改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中的產(chǎn)率分別為46.4%和62.1%。與參照實(shí)驗(yàn)相比，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)率提高了15.7%。

4.4 濾渣處理廢水的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

回收后的濾渣主要成分為炭黑，收集于燒杯中，放入烘箱，10 min后烘干至固體粉末。選擇孔雀石綠為有機(jī)污染物模型，將回收的炭黑進(jìn)行孔雀石綠的去除實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。用潤濕的玻璃棒蘸取少量于一只離心管中，靜置10 min后，孔雀石綠的顏色基本褪去。說明回收的炭黑可以用于去除有機(jī)污染物。

圖5 孔雀石綠廢水處理結(jié)果

5 結(jié)語

無機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化工、制藥等工科專業(yè)面臨的第一門實(shí)踐類課程，對(duì)培養(yǎng)工程意識(shí)起著至關(guān)重要的作用。工程意識(shí)包括成本和效率意識(shí)、問題與改革意識(shí)、工作簡化和標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)、全局和整體意識(shí)、以人為中心意識(shí)等[9]。選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行改進(jìn)，有助于培養(yǎng)工程意識(shí)。該改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中與工程意識(shí)的培養(yǎng)關(guān)聯(lián)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)點(diǎn)與工程意識(shí)的培養(yǎng)

通過加入炭黑和磁鐵分離鐵屑減少實(shí)驗(yàn)時(shí)耗，培養(yǎng)了效率意識(shí)；在實(shí)驗(yàn)中引導(dǎo)學(xué)生充分理解原電池在實(shí)驗(yàn)提速中的作用，培養(yǎng)了問題和改革意識(shí)；而通過磁鐵迅速徹底的分離未反應(yīng)完的鐵屑，增強(qiáng)了工作簡化意識(shí)；通過回收炭黑處理有機(jī)污染物的實(shí)驗(yàn)，增加了實(shí)驗(yàn)的綜合利用價(jià)值，增強(qiáng)了學(xué)生全局和整體意識(shí)。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比，證實(shí)基于炭黑和磁鐵的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，時(shí)間縮短62 min，產(chǎn)率至少提高15.7%，提高了實(shí)驗(yàn)效率，且有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)。