硫酸亞鐵銨制備的改進(jìn).doc

硫酸亞鐵銨制備的改進(jìn)何青云/顏文斌/華駿/王文長/陳能志【專題名稱】中學(xué)化學(xué)教與學(xué)【專 題 號】G37【復(fù)印期號】2011年06期【原文出處】實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器(長沙)2011年2期第3032頁【作者簡介】何青云，顏文斌，華駿，王文長，陳能志，吉首大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院(416000)?！娟P(guān) 鍵 詞】EEUU硫酸亞鐵銨，俗名莫爾鹽(Mohrs salt)，是一種復(fù)鹽，其外觀為透明淺藍(lán)綠色單斜晶體，在空氣中比一般鹽穩(wěn)定，不易被氧化，是一種常見的凈水劑、防腐劑，農(nóng)業(yè)上用來防止蟲害，醫(yī)藥上用作補(bǔ)血?jiǎng)?，分析化學(xué)中常用作還原劑，還可用作其他化合物的合成原料。由于能綜合訓(xùn)練學(xué)生蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、常壓過濾和減壓抽濾等基本操作，硫酸亞鐵銨的制備實(shí)驗(yàn)不僅出現(xiàn)在多種版本的高中化學(xué)教材中，而且是大學(xué)無機(jī)化學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。硫酸亞鐵銨在教材中的制法是用經(jīng)過體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉溶液煮沸除過油的4.0g鐵屑與30mL 3硫酸反應(yīng)制取硫酸亞鐵，再與等摩爾硫酸銨反應(yīng)，利用70以下莫爾鹽的溶解度比組成它的簡單鹽的溶解度小的特點(diǎn)，經(jīng)蒸發(fā)、濃縮和結(jié)晶制取硫酸亞鐵銨晶體。筆者通過分析目前教材中制備方法存在的不足，從節(jié)省實(shí)驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約實(shí)驗(yàn)藥品，提高產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)等幾個(gè)方面對硫酸亞鐵銨的制備做了改進(jìn)。一、現(xiàn)有教材或?qū)嶒?yàn)中存在的不足1.教材中采用體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉與鐵屑共同煮沸10min，以除去鐵屑表面的油漬。其不足之處：一是加熱時(shí)間相對較長；二是除油效果不理想，用不含氧蒸餾水將除油后的鐵屑洗至中性時(shí)，蒸餾水表面仍然漂浮著一層夾雜有細(xì)碎鐵屑的油漬；三是碳酸鈉是一種較強(qiáng)的堿，鐵屑除油后需用不含氧蒸餾水洗滌多次后才接近中性，多次洗滌操作費(fèi)時(shí)且麻煩。2.教材中采用4.0 g除過油的鐵屑與30 稀硫酸反應(yīng)制取硫酸亞鐵。其不足之處：一是制取硫酸亞鐵時(shí)鐵屑的消耗量較大；二是根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算可知硫酸稍過量，過量的硫酸可以起到抑制水解的作用，但無法防止所制得亞鐵的氧化。3.教材中的反應(yīng)裝置。教材中的反應(yīng)裝置如圖1所示。該裝置不足之處：圖1現(xiàn)行教材中硅酸亞鐵銨制備的反應(yīng)裝置(1)反應(yīng)容器燒杯底部直接受熱，導(dǎo)致其底部局部過熱，含結(jié)晶水的硫酸亞鐵晶體提前析出，過濾時(shí)提前析出的晶體隨未反應(yīng)的鐵屑一起留在濾紙上，降低產(chǎn)率。(2)廢鐵屑中含有磷、硫等雜質(zhì)，在與硫酸反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生等有毒有害氣體，若采用燒杯、表面皿敞開式體系作為反應(yīng)裝置，這些有毒有害氣體就會流入空氣中，造成空氣污染，危害師生的身體健康。(3)采用敞開式體系作為反應(yīng)裝置，制得的硫酸亞鐵裸露在空氣中，易被氧化。(4)在用酒精燈直接加熱的過程中，稀硫酸中水分會大量蒸發(fā)，導(dǎo)致硫酸的濃度增大，發(fā)生副反應(yīng)，為了防止該反應(yīng)的發(fā)生，在反應(yīng)過程中，需用滴管不斷向反應(yīng)裝置中加入不含氧蒸餾水，此操作較繁瑣，而且不含氧蒸餾水的滴加量和滴加時(shí)間難以把握。4.教材中待制得的硫酸亞鐵銨晶體充分析出后，減壓抽濾，用濾紙將晶體上的母液吸干，在臺秤上稱重，計(jì)算產(chǎn)量與產(chǎn)率，或有的版本教材中用體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精洗滌制得的晶體。其不足之處：一是用濾紙不僅很難將晶體表面的水分吸干，而且在用濾紙吸收晶體表面水分時(shí)，晶體易黏附在濾紙上，造成產(chǎn)品的流失；二是用體積分?jǐn)?shù)為95%的酒精洗滌晶體，酒精的消耗量較大。二、硫酸亞鐵銨制備的改進(jìn)措施1.用5mL體積分?jǐn)?shù)為40%的酒精代替體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉對鐵屑進(jìn)行除油（在50 mL小錐形瓶中進(jìn)行）。乙醇、油漬均為有機(jī)物，根據(jù)相似相溶原理，用酒精除油效果更好。圖2所示是用體積分?jǐn)?shù)為40%的酒精除過油漬的鐵屑，再用不含氧蒸餾水洗滌1次后，尚未用傾析法倒去蒸餾水的照片。圖3所示是用體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉除過油漬的鐵屑，再用不含氧蒸餾水洗滌3次后，尚未用傾析法倒去蒸餾水的照片。對比2張照片，圖3表面仍漂浮著一層夾雜有細(xì)碎鐵屑的油漬。可見，用體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉除油效果差于體積分?jǐn)?shù)為40%的酒精。同時(shí)由于酒精是一種極弱的酸，鐵屑除油后用不含氧蒸餾水洗一次即可至中性，不必像用體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉那樣，除油后需要多次洗滌，這樣既可省去加熱過程，提高除油效果，又能節(jié)約時(shí)間。圖2用體積分?jǐn)?shù)為40%的酒精除過油漬的鐵屑圖3用體積分?jǐn)?shù)為10%的碳酸鈉除過油漬的鐵屑2.用2.0g鐵屑代替4.0g鐵屑，除油后與15mL 3 稀硫酸反應(yīng)制取硫酸亞鐵。由表1可知，在鐵屑用量減半的時(shí)候，同樣可以制得高產(chǎn)率、高級別的硫酸亞鐵銨。(1)在錐形瓶與燒杯之間墊上1個(gè)表面皿。改進(jìn)理由如下：一是避免錐形瓶底與水浴燒杯直接接觸，導(dǎo)致反應(yīng)容器錐形瓶底部局部過熱，硫酸亞鐵晶體提前析出，過濾時(shí)析出的晶體隨未反應(yīng)的鐵屑一起留在濾紙上，降低產(chǎn)率。二是水浴燒杯底部由于水沸騰產(chǎn)生的氣泡會部分匯集在倒扣的表面皿下，但由于氣泡產(chǎn)生不均勻，對倒扣表面皿的浮力不均勻，會帶動表面皿進(jìn)而帶動錐形瓶作一定程度的晃動，從而起到了“自動攪拌”的作用，加快鐵屑與稀硫酸反應(yīng)的速率，縮短實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間。(2)采用錐形瓶橡皮塞封閉體系。改進(jìn)理由如下：一是廢鐵屑中含有磷、硫等雜質(zhì)，在與硫酸反應(yīng)時(shí)會產(chǎn)生等有毒有害氣體，采用錐形瓶橡皮塞封閉式體系，而不采用燒杯蒸發(fā)皿敞開式體系，避免有毒有害氣體進(jìn)入空氣中，污染環(huán)境并危害師生的健康。二是避免反應(yīng)產(chǎn)物硫酸亞鐵裸露在空氣中而被氧化。(3)增加長導(dǎo)管。改進(jìn)理由如下：一是長導(dǎo)管可以起到冷凝回流的作用，避免了在改進(jìn)前鐵屑與稀硫酸反應(yīng)加熱過程中，水分大量蒸發(fā)，導(dǎo)致含結(jié)晶水的硫酸亞鐵晶體提前析出。二是避免由于水分大量蒸發(fā)，硫酸濃度增大，導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物被氧化。三是避免改進(jìn)前向原裝置中多次滴加不含氧蒸餾水，以補(bǔ)充水分蒸發(fā)的繁瑣操作。(4)采用60水浴加熱裝置。改進(jìn)理由如下：改進(jìn)前在小火加熱的條件下，反應(yīng)的溫度難以控制，很可能造成反應(yīng)容器底部局部過熱，使含結(jié)晶水的硫酸亞鐵晶體提前析出，故應(yīng)采用溫度易于控制的水浴加熱裝置。由查得的含結(jié)晶水的硫酸亞鐵的溶解度，繪得其溶解度曲線如圖5所示。在56.6時(shí)，失去結(jié)晶水變成，在6465時(shí)，失去結(jié)晶水變?yōu)椤D5含結(jié)晶水的硅酸亞鐵的溶解度表2水浴溫度對產(chǎn)品產(chǎn)率、級別的影響通過控制反應(yīng)的水浴溫度，得到的產(chǎn)品產(chǎn)率及級別如表2所示，從保證產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，節(jié)約反應(yīng)時(shí)間等方面綜合考慮，水浴加熱的最佳溫度為60。(5)增加尾氣吸收裝置。由于在反應(yīng)過程中會產(chǎn)生等有害氣體，可用實(shí)驗(yàn)室的廢棄堿液或高錳酸鉀溶液吸收尾氣。5.待制得的硫酸亞鐵銨晶體充分析出后，用體積分?jǐn)?shù)為40%的酒精洗滌23次，然后在50左右低溫烘干至恒重后，再稱量計(jì)算產(chǎn)量與產(chǎn)率。改進(jìn)理由如下：濾紙很難將晶體表面的水分吸干，而且用濾紙吸水分時(shí)，晶體易黏附在濾紙上，從而造成產(chǎn)品的流失，晶體在酒精中的溶解度相對較小，用酒精洗滌，晶體溶解量很小，而且酒精易于揮發(fā)，在揮發(fā)時(shí)會帶走晶體表面的水分，由表3可得用于洗滌晶體的酒精的最佳體積分?jǐn)?shù)為40%。表326時(shí)不同體積分?jǐn)?shù)乙醇水溶液中莫爾鹽的含量三、硫酸亞鐵銨制備的改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)通過改進(jìn)，鐵屑表面的去污效果大大增強(qiáng)，除去表面油漬的鐵屑只需用不含氧蒸餾水洗滌一次即可至中性，同時(shí)鐵屑用量減半，節(jié)約了鐵屑。用體積分?jǐn)?shù)為40%的酒精洗滌制得的晶體，提