第21卷 第1期
大学化学
2006年2月
硫酸亚铁铵制备的绿色化设计
汪丰云 王小龙
(安徽师范大学化学与材料科学学院 芜湖241000)
1 实验原理
硫酸亚铁铵是一种复盐, 常以水合物(44S O 46H 2, 蓝绿色单斜晶体, , , 是分析化学:一是制取硫酸亚铁; 二是硫酸亚铁与等物质量的硫酸铵混合, 经蒸发、浓缩、结晶而制得。其中硫酸亚铁的制取是制备硫酸亚铁铵的重要中间步骤。硫酸亚铁常用金属铁与稀硫酸反应来制取。2 实验装置
实验装置如图1所示。该装置特点是反应体系全封闭, 排除了反应过程中酸雾对实验室环境的污染, 体现了绿色化学的理念
[1]
。
图1 实验装置
3 实验步骤
(1) 用30%的氢氧化钠溶液煮沸废铁屑, 去除油污, 再用清水洗净。洗过的氢氧化钠溶液留做洗气用(体现环保) 。 (2) 硫酸亚铁的制备 打开活塞B 、C, 关闭活塞A, 从滴液漏斗滴入硫酸(浓度为6mol/L) 到250mL 锥形瓶, 反应产生气体, 用氢氧化钠溶液洗涤除去杂质气体(如H 2S 、PH 3等) , 最后通入150mL 饱和硫酸铵
51
溶液的是较纯的氢气, 用于赶走其中的溶解氧。 (3) 硫酸亚铁铵的制备 待锥形瓶中的铁屑快反应完时, 产生了大量的硫酸亚铁。这时关闭活塞B 、C, 打开活塞A, 由于反应还没有结束, 产生的氢气会将锥形瓶中的硫酸亚铁(含极少部分未反应的稀硫酸) 压到饱和硫酸铵溶液的底部4 实验数据
[2]
。放置一段时间, 试剂瓶底部将结晶出硫酸亚铁铵。
按照上述装置, 将学生分成4组进行实验。第1组和第2组用10. 0g 废铁屑作原料, 第3组和第4组用10. 0g 铁粉(化学纯) 作原料。当硫酸亚铁与硫酸铵溶液混合后, 可以采取两种结晶方式(A:蒸发溶液, 再自然冷却结晶; B:不蒸发溶液, 直接自然冷却结晶) 。硫酸反应速度加快, 可以适当加热。
2+
Fe 含量测定:称取2g 产品, 溶于15mL 20%H 2加溶液。量取上述溶液15mL, 加入15mL 0. 原滴定至浅红色。
3+[ Fe :0. 8634g NH 4Fe (S O 4) 2・12H 2O 固体
3+
H 24) , 1000mL 的容量瓶中, 并冲稀至刻度。此溶液含Fe 量为0. 。:称1g 样品于25mL 比色管中, 加2mL 3mol/L的HCl 、15mL 不含氧的蒸馏水, 振荡; 样品溶解后加1mL 25%的KSCN 溶液, 继续加不含氧的蒸馏水至25mL, 摇
3+
匀, 所呈红色不得深于标准。③标准:用吸管分别取上述标准溶液到比色管中, 使Fe 量为:Ⅰ级(0. 05mg ) ; Ⅱ级(0. 10mg ) ; Ⅲ级(0. 20mg ) 。然后与样品同体积同样处理, 用目视比色法。
实验结果如表1。
表1 实验结果
组别
1234
结晶方式
A B A B
产率
45. 4%41. 2%67. 2%56. 1%
Fe 2+含量97. 5%98. 0%97. 4%98. 4%
产品外观浅蓝绿色单斜晶体
浅蓝绿色单斜晶体浅蓝绿色单斜晶体浅蓝绿色单斜晶体
Fe 3+限量分析
Ⅰ级优于Ⅰ级Ⅰ级优于Ⅰ级
产率为实验值与理论值的比率。产品外观通过目测。
从表1可以看出:①4个产品都是浅蓝绿色单斜晶体, 说明都是硫酸亚铁铵。②亚铁离
3+
子的含量基本符合实验要求。③4个产品的Fe 均符合规定。5 结果讨论
在实验过程中应注意以下几点:
(1) 全封闭的实验装置体现绿色化学的理念, 去除油污用过的氢氧化钠溶液, 再用于做洗气, 体现了环保的思想。
(2) 实验过程中, 产生的氢气把导管内和溶液中的氧基本排除, 防止了硫酸亚铁的氧化。另外, 通过产生的氢气把制备的硫酸亚铁通过导管压到硫酸铵溶液的底部, 防止了硫酸亚铁的
(下转第54页) 氧化, 并防止了氧气的遗留。
0. 64=0. 64+所以:
c A -+[H
+
c A -+[H c HA ]-c (HCl ) +
-[H ]+c (HCl )
+
+
]-c (HCl ) =c HA -[H ]+c (HCl )
解得:
+0. 23-c (HCl ) -0. 23+c (HCl )
0. 23+0. 230. 23+0. 23c (HCl ) =0. 23mol/L
n (HCl ) =0. 23mol
(3) 利用分布系数求解: 在原溶液(不加HCl ) 中, 存在:
++-1. 44-1. 44
δ ]/(K a +[H ]) =10/(10+0. 23) =0. 136HA =[H
所以:[HA ]=c HA δ. 0136mol/LHA =0
pH =0. 64时, 同上计算得到δ. 5, [HA ]. 050。HA =0加入的HCl 同时改变了[HA ]和pH :
n (HCl ) =V ×(c HA ×△]+H
0. 1. 44
) =0. 23mol/L c () 0. . ) +- (上接第52页)
(3) 实验时, 应注意在铁粉快要反应完成时(即产生的硫酸亚铁浓度足够大时) , 才把它压到硫酸铵的底部, 以确保产生较多的硫酸亚铁铵, 提高产率。
(4) 实验时, 如果把锥形瓶略微抬高(高于硫酸铵的试剂瓶) , 即使产生的氢气量很少, 只要把硫酸亚铁压到硫酸铵的试剂瓶, 就可以产生虹吸现象, 把硫酸亚铁完全吸到硫酸铵溶液中。
(5) 在压硫酸亚铁的过程中, 可能带入一部分还未反应的硫酸或铁粉。硫酸的存在, 可以保持溶液成酸性, 防止亚铁离子的水解; 铁粉的存在, 可以把铁离子还原成亚铁离子。总之, 从理论上讲, 不管是铁粉过量还是酸过量, 都可以保证亚铁离子的稳定, 但实验中应保持硫酸略微过量(如铁粉过量, 会影响产物的质量和影响后面用高锰酸钾法测定亚铁的含量) 。 (6) 实验装置中导管不宜过长, 以防止产生的氢气压力不够。
(7) 本实验使用了封闭的反应体系。在反应过程中, 氢气和空气的混合比例可能会达到爆炸范围, 因此实验中不要使用明火, 更不要用明火直接点燃出气口的气体以检验氢气的纯度。
参 考 文 献
1 朱文祥. 化学教育, 2001, 22(1) :12 熊言林. 化学教育, 2003, 24(9) :29
3 南京大学. 大学化学实验. 北京:高等教育出版社, 1999
第21卷 第1期
大学化学
2006年2月
硫酸亚铁铵制备的绿色化设计
汪丰云 王小龙
(安徽师范大学化学与材料科学学院 芜湖241000)
1 实验原理
硫酸亚铁铵是一种复盐, 常以水合物(44S O 46H 2, 蓝绿色单斜晶体, , , 是分析化学:一是制取硫酸亚铁; 二是硫酸亚铁与等物质量的硫酸铵混合, 经蒸发、浓缩、结晶而制得。其中硫酸亚铁的制取是制备硫酸亚铁铵的重要中间步骤。硫酸亚铁常用金属铁与稀硫酸反应来制取。2 实验装置
实验装置如图1所示。该装置特点是反应体系全封闭, 排除了反应过程中酸雾对实验室环境的污染, 体现了绿色化学的理念
[1]
。
图1 实验装置
3 实验步骤
(1) 用30%的氢氧化钠溶液煮沸废铁屑, 去除油污, 再用清水洗净。洗过的氢氧化钠溶液留做洗气用(体现环保) 。 (2) 硫酸亚铁的制备 打开活塞B 、C, 关闭活塞A, 从滴液漏斗滴入硫酸(浓度为6mol/L) 到250mL 锥形瓶, 反应产生气体, 用氢氧化钠溶液洗涤除去杂质气体(如H 2S 、PH 3等) , 最后通入150mL 饱和硫酸铵
51
溶液的是较纯的氢气, 用于赶走其中的溶解氧。 (3) 硫酸亚铁铵的制备 待锥形瓶中的铁屑快反应完时, 产生了大量的硫酸亚铁。这时关闭活塞B 、C, 打开活塞A, 由于反应还没有结束, 产生的氢气会将锥形瓶中的硫酸亚铁(含极少部分未反应的稀硫酸) 压到饱和硫酸铵溶液的底部4 实验数据
[2]
。放置一段时间, 试剂瓶底部将结晶出硫酸亚铁铵。
按照上述装置, 将学生分成4组进行实验。第1组和第2组用10. 0g 废铁屑作原料, 第3组和第4组用10. 0g 铁粉(化学纯) 作原料。当硫酸亚铁与硫酸铵溶液混合后, 可以采取两种结晶方式(A:蒸发溶液, 再自然冷却结晶; B:不蒸发溶液, 直接自然冷却结晶) 。硫酸反应速度加快, 可以适当加热。
2+
Fe 含量测定:称取2g 产品, 溶于15mL 20%H 2加溶液。量取上述溶液15mL, 加入15mL 0. 原滴定至浅红色。
3+[ Fe :0. 8634g NH 4Fe (S O 4) 2・12H 2O 固体
3+
H 24) , 1000mL 的容量瓶中, 并冲稀至刻度。此溶液含Fe 量为0. 。:称1g 样品于25mL 比色管中, 加2mL 3mol/L的HCl 、15mL 不含氧的蒸馏水, 振荡; 样品溶解后加1mL 25%的KSCN 溶液, 继续加不含氧的蒸馏水至25mL, 摇
3+
匀, 所呈红色不得深于标准。③标准:用吸管分别取上述标准溶液到比色管中, 使Fe 量为:Ⅰ级(0. 05mg ) ; Ⅱ级(0. 10mg ) ; Ⅲ级(0. 20mg ) 。然后与样品同体积同样处理, 用目视比色法。
实验结果如表1。
表1 实验结果
组别
1234
结晶方式
A B A B
产率
45. 4%41. 2%67. 2%56. 1%
Fe 2+含量97. 5%98. 0%97. 4%98. 4%
产品外观浅蓝绿色单斜晶体
浅蓝绿色单斜晶体浅蓝绿色单斜晶体浅蓝绿色单斜晶体
Fe 3+限量分析
Ⅰ级优于Ⅰ级Ⅰ级优于Ⅰ级
产率为实验值与理论值的比率。产品外观通过目测。
从表1可以看出:①4个产品都是浅蓝绿色单斜晶体, 说明都是硫酸亚铁铵。②亚铁离
3+
子的含量基本符合实验要求。③4个产品的Fe 均符合规定。5 结果讨论
在实验过程中应注意以下几点:
(1) 全封闭的实验装置体现绿色化学的理念, 去除油污用过的氢氧化钠溶液, 再用于做洗气, 体现了环保的思想。
(2) 实验过程中, 产生的氢气把导管内和溶液中的氧基本排除, 防止了硫酸亚铁的氧化。另外, 通过产生的氢气把制备的硫酸亚铁通过导管压到硫酸铵溶液的底部, 防止了硫酸亚铁的
(下转第54页) 氧化, 并防止了氧气的遗留。
0. 64=0. 64+所以:
c A -+[H
+
c A -+[H c HA ]-c (HCl ) +
-[H ]+c (HCl )
+
+
]-c (HCl ) =c HA -[H ]+c (HCl )
解得:
+0. 23-c (HCl ) -0. 23+c (HCl )
0. 23+0. 230. 23+0. 23c (HCl ) =0. 23mol/L
n (HCl ) =0. 23mol
(3) 利用分布系数求解: 在原溶液(不加HCl ) 中, 存在:
++-1. 44-1. 44
δ ]/(K a +[H ]) =10/(10+0. 23) =0. 136HA =[H
所以:[HA ]=c HA δ. 0136mol/LHA =0
pH =0. 64时, 同上计算得到δ. 5, [HA ]. 050。HA =0加入的HCl 同时改变了[HA ]和pH :
n (HCl ) =V ×(c HA ×△]+H
0. 1. 44
) =0. 23mol/L c () 0. . ) +- (上接第52页)
(3) 实验时, 应注意在铁粉快要反应完成时(即产生的硫酸亚铁浓度足够大时) , 才把它压到硫酸铵的底部, 以确保产生较多的硫酸亚铁铵, 提高产率。
(4) 实验时, 如果把锥形瓶略微抬高(高于硫酸铵的试剂瓶) , 即使产生的氢气量很少, 只要把硫酸亚铁压到硫酸铵的试剂瓶, 就可以产生虹吸现象, 把硫酸亚铁完全吸到硫酸铵溶液中。
(5) 在压硫酸亚铁的过程中, 可能带入一部分还未反应的硫酸或铁粉。硫酸的存在, 可以保持溶液成酸性, 防止亚铁离子的水解; 铁粉的存在, 可以把铁离子还原成亚铁离子。总之, 从理论上讲, 不管是铁粉过量还是酸过量, 都可以保证亚铁离子的稳定, 但实验中应保持硫酸略微过量(如铁粉过量, 会影响产物的质量和影响后面用高锰酸钾法测定亚铁的含量) 。 (6) 实验装置中导管不宜过长, 以防止产生的氢气压力不够。
(7) 本实验使用了封闭的反应体系。在反应过程中, 氢气和空气的混合比例可能会达到爆炸范围, 因此实验中不要使用明火, 更不要用明火直接点燃出气口的气体以检验氢气的纯度。
参 考 文 献
1 朱文祥. 化学教育, 2001, 22(1) :12 熊言林. 化学教育, 2003, 24(9) :29
3 南京大学. 大学化学实验. 北京:高等教育出版社, 1999