朱成東 孫永興

(1.安徽省教育科學(xué)研究院;2.安徽師范大學(xué)附屬中學(xué))

1.問題提出

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》(2017年版2020年修訂)(以下簡(jiǎn)稱新課標(biāo))在主題2“常見的無機(jī)物及其應(yīng)用”的學(xué)生活動(dòng)建議中提到了氫氧化亞鐵的制備,現(xiàn)行三個(gè)版本教材在編寫該部分內(nèi)容時(shí)都不約而同地設(shè)計(jì)了該實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,從而幫助學(xué)生在宏觀上感知Fe(OH)2易被氧化的事實(shí)。但是不少教師在實(shí)際操作的過程中很難幫助學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間觀察到白色的絮狀沉淀,取而代之的是長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)到灰綠色沉淀,在很長(zhǎng)一段時(shí)間后才能看到試管中淺綠色懸濁液上方液面交界處有一圈紅褐色,而溶液中的沉淀變?yōu)榧t褐色卻要數(shù)十個(gè)小時(shí)。

究其長(zhǎng)時(shí)間呈現(xiàn)灰綠色的原因,不同學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了探究,主要有以下幾種觀點(diǎn),一是認(rèn)為灰綠色是Fe(OH)2和Fe(OH)3以一定比例混合的特殊物質(zhì),或是生成了Fe(OH)2·2Fe(OH)3的混合型氫氧化物;二是認(rèn)為Fe(OH)2沉淀具有吸附性,可以吸附溶液中亞鐵離子從而顯示灰綠色;三是認(rèn)為灰綠色由無氧氣氛下Fe(OH)2發(fā)生歧化生成的產(chǎn)物Fe3O4所致。綜上所述,該實(shí)驗(yàn)難以觀測(cè)到白色沉淀的原因主要有以下兩點(diǎn),即(1)Fe(OH)2被空氣中的氧氣或溶液中的溶解氧所氧化而變質(zhì);(2)Fe(OH)2吸附液相中的Fe2+。(自身歧化的問題通過改變外界條件難以得到解決,故不在此討論)因此,如何同時(shí)避免以上兩點(diǎn)影響因素是筆者設(shè)計(jì)新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的方向。

2.研究現(xiàn)狀

查閱核心期刊上有關(guān)“氫氧化亞鐵的制備”改進(jìn)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)不同學(xué)者都針對(duì)以上兩點(diǎn)主要影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)改進(jìn),對(duì)其進(jìn)行了如圖1所示的分類梳理:

圖1 改進(jìn)思路

第一類是以“避免Fe2+氧化變質(zhì)”為主要改進(jìn)思路的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),其中唐悅,林娟,聶素云設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖2和3、圖4、圖5所示,可以發(fā)現(xiàn)若想避免Fe2+被空氣中的氧氣氧化變質(zhì),其改進(jìn)方法有“液封法”以及在裝置中通入還原性氣體排除空氣的方法等;若想避免Fe2+被溶液中的溶解氧氧化變質(zhì),通常采取的實(shí)驗(yàn)措施有用加熱煮沸過的蒸餾水配制反應(yīng)溶液、在溶液中加入還原性鐵粉以及加入Na2SO3等還原性物質(zhì)等。但是該類實(shí)驗(yàn)還存在以下幾點(diǎn)問題:(1)以上實(shí)驗(yàn)方案只考慮了Fe2+的氧化變質(zhì),并未解決Fe(OH)2吸附溶液中Fe2+的影響因素;(2)如圖2、圖4所示的“液封法”在滴加NaOH時(shí)需要用到長(zhǎng)膠頭滴管且不能出現(xiàn)晃動(dòng)或鼓入空氣的情況,對(duì)操作要求高且圖2所用的苯為有毒物質(zhì)沒有體現(xiàn)綠色環(huán)保的實(shí)驗(yàn)理念;(3)圖3、圖5采用的還原性氣體排空氣法則是增加了額外的藥品和反應(yīng),使得裝置復(fù)雜化,而產(chǎn)生氫氣的量是否充足,氫氧化亞鐵保存的時(shí)間長(zhǎng)短也均未提及。

圖2

圖3

圖4

圖5

第二類是以“避免Fe(OH)2吸附Fe2+”為主要思路進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。張?jiān)p,董景禮,馬善恒等設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置分別如圖6、圖7、圖8所示。圖6的實(shí)驗(yàn)采用綠礬晶體替代硫酸亞鐵溶液,并用高濃度的氫氧化鈉溶液與其反應(yīng),避免了溶液中富集Fe2+;圖7的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用向U形管中通入氮?dú)獾姆椒◤亩_(dá)到降低溶液中的溶解氧和阻礙吸附作用的雙重目的;圖8則是通過配制氫氧化鈉的乙醇溶液達(dá)到阻礙吸附作用的效果。該類實(shí)驗(yàn)存在以下幾點(diǎn)問題值得商榷:(1)實(shí)驗(yàn)裝置大多為敞口,難以避免空氣中氧氣的干擾;(2)圖7所示的實(shí)驗(yàn)裝置雖然通過通入氮?dú)獾姆绞竭_(dá)到除氧的效果,但純凈氮?dú)獾墨@取對(duì)一般學(xué)校來說較為困難;(3)圖8的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)雖然簡(jiǎn)便可行,但并未對(duì)乙醇阻礙吸附作用的機(jī)理做進(jìn)一步的說明和解釋。

圖6

圖7

圖8

第三類是以張愛菊,陳彩鳳為代表的其他類型的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案,其實(shí)驗(yàn)裝置分別為圖9、圖10所示。張愛菊等采用的方法為電解法制備氫氧化亞鐵,一般以鐵作陽(yáng)極,用石墨或其他金屬作陰極,然后電解NaOH或Na2SO4溶液;而陳彩鳳所提出的實(shí)驗(yàn)方案則是利用了雙水解的原理。該類實(shí)驗(yàn)方案存在以下幾點(diǎn)問題:(1)根據(jù)人教版教科書(2019年版)內(nèi)容的安排順序,學(xué)生在學(xué)習(xí)鐵及其化合物時(shí)并未掌握電解、雙水解等知識(shí),如果用該原理進(jìn)行課堂演示實(shí)驗(yàn)會(huì)造成學(xué)生理解困難,不利于課時(shí)目標(biāo)的達(dá)成;(2)電解法制備氫氧化亞鐵需要綜合考慮電源電壓、電流密度、電解質(zhì)濃度等多方面因素,才能確保陽(yáng)極能夠快速產(chǎn)生Fe2+且移向陰極與OH-結(jié)合;(3)雙水解反應(yīng)制取Fe(OH)2沉淀具有一定的爭(zhēng)議,伍強(qiáng)等從定性實(shí)驗(yàn)探究和化學(xué)平衡計(jì)算的角度對(duì)其提出了質(zhì)疑,認(rèn)為FeSO4與NaHCO3或Na2CO3反應(yīng)后得到的沉淀并非為Fe(OH)2而是FeCO3。

圖9

圖10

3.氫氧化亞鐵制備及氧化新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

該演示實(shí)驗(yàn)成功率低下,但新課標(biāo)以及現(xiàn)行教材都未舍去該實(shí)驗(yàn),旨在通過該演示實(shí)驗(yàn)幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)亞鐵離子的強(qiáng)還原性以及不同實(shí)驗(yàn)條件對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響,承載著發(fā)展學(xué)生變化觀等學(xué)科核心觀念的重要作用。據(jù)此,本實(shí)驗(yàn)的再改進(jìn)思路為:(1)通過煮沸蒸餾水配制反應(yīng)溶液以及注滿分液漏斗的方式避免氫氧化亞鐵的氧化;(2)使用綠礬晶體與濃氫氧化鈉溶液反應(yīng),氫氧根離子會(huì)迅速結(jié)合綠礬晶體表面溶解電離產(chǎn)生的Fe2+,進(jìn)而在晶體表面形成一層氫氧化亞鐵薄膜,阻礙吸附作用;(3)凸顯物質(zhì)變化視角,通過調(diào)節(jié)分液漏斗的旋塞展示白色Fe(OH)2和紅棕色Fe(OH)3共存的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

抽濾瓶、60 mL分液漏斗、細(xì)棉線、塊狀綠礬晶體(FeSO4·7H2O)、氫氧化鈉、蒸餾水等。

3.3 實(shí)驗(yàn)裝置及效果圖

3.4 實(shí)驗(yàn)操作步驟及現(xiàn)象

(1)用細(xì)棉線系住一塊FeSO4·7H2O晶體,將其懸空在距分液漏斗瓶口約4 cm處;

(2)將分液漏斗與抽濾瓶按圖11a所示組裝在一起,并使分液漏斗的旋塞處于關(guān)閉狀態(tài);

a

(3)用煮沸后的蒸餾水配制100 mL 6 mol/L的NaOH溶液后,趁熱用玻璃棒引流入分液漏斗中,當(dāng)分液漏斗裝滿6 mol/L的NaOH溶液(達(dá)到隔絕空氣的效果)后立即塞上分液漏斗瓶塞;

(4)約1分鐘左右就可看見FeSO4·7H2O晶體外出現(xiàn)了一層白色Fe(OH)2晶體(如圖11b所示),約3分鐘后就可看見FeSO4·7H2O晶體外布滿厚厚一層的Fe(OH)2晶體(如圖11c所示);

(5)打開分液漏斗上部的瓶塞后轉(zhuǎn)動(dòng)旋塞,讓分液漏斗中的NaOH溶液緩緩流出到抽濾瓶中,待NaOH溶液的液面處于FeSO4·7H2O晶體的中部時(shí)關(guān)閉旋塞與上瓶塞(如圖12a所示);

a

(6)可以觀察到暴露在空氣中的部分由白色變?yōu)榛揖G色后又立馬變?yōu)榧t棕色,而在液面下的部分仍然為白色(如圖12b所示)。

4.實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

4.1 原理裝置簡(jiǎn)單

首先,本實(shí)驗(yàn)原理簡(jiǎn)單,其反應(yīng)實(shí)質(zhì)仍為FeSO4與NaOH間的復(fù)分解反應(yīng),不涉及電解、雙水解等復(fù)雜反應(yīng)原理的運(yùn)用;其次,本實(shí)驗(yàn)無復(fù)雜儀器藥品的使用,也無需使用導(dǎo)管、橡膠塞等搭建復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)裝置,通過綠礬晶體以及分液漏斗的特性,既達(dá)到了除氧效果,又能避免Fe(OH)2吸附Fe2+。從原理和裝置兩個(gè)維度同時(shí)符合學(xué)生在該學(xué)習(xí)階段的認(rèn)知特點(diǎn)以及授課教師在課堂中進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)的需求。

4.2 現(xiàn)象清晰明確

本實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)分液漏斗的旋塞清晰展現(xiàn)了白色Fe(OH)2迅速變?yōu)榛揖G色最終轉(zhuǎn)化為紅褐色的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,不僅與教材中對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的描述完全一致,且可以觀察到白色Fe(OH)2與紅棕色Fe(OH)3共存的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。若在課堂教學(xué)中,將本實(shí)驗(yàn)與教材中灰綠色沉淀長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比,既解決了授課教師在課堂演示實(shí)驗(yàn)中對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象難以準(zhǔn)確描述的教學(xué)難點(diǎn),又能給學(xué)生在視覺上帶來沖擊,從而調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)的積極性,培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)。

4.3 藥品綠色可循環(huán)

本實(shí)驗(yàn)中,將分液漏斗與抽濾瓶通過橡膠塞簡(jiǎn)單相連,創(chuàng)新抽濾瓶在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的使用場(chǎng)景。在展現(xiàn)Fe(OH)2的氧化過程以及整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,通過調(diào)節(jié)分液漏斗的旋塞,可將分液漏斗中的濃NaOH溶液緩緩滴入抽濾瓶中,在保障實(shí)驗(yàn)安全性的同時(shí),抽濾瓶中收集到的濃NaOH溶液在下次實(shí)驗(yàn)中可循環(huán)利用,體現(xiàn)了綠色環(huán)保的化學(xué)實(shí)驗(yàn)觀念。

4.4 結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)開放