无机化学实验中莫尔盐制备法存在的问题及改进

　　莫尔盐的化学名称为硫酸亚铁铵，又名铁铵钒，其化学式为（ NH4）2Fe （ SO4）2·6H2O 或 （ NH4）2SO4· FeSO4·6H2O,相对分子量为 392. 13,密度为 1. 864 g / cm3.它是一种浅绿色的单斜晶体，它在空气中比一般的亚铁盐稳定，不易被氧化，易溶于水，工业上常用作废水处理的混凝剂，在农业上用作农药及肥料，在定量分析中用作标定重铬酸钾、高锰酸钾等溶液的基准物质。在高校开设的无机化学实验中，硫酸亚铁铵的制备是许多院校开设的一个非常重要的制备实验[1 -2].

　　实验室中主要采用下面的方法来制备： 先将铁粉溶于稀硫酸制得硫酸亚铁溶液，然后将硫酸亚铁与硫酸铵饱和溶液混合，利用复盐的溶解度比组成它的简单盐的溶解度小的特性，经加热浓缩结晶而制得硫酸亚铁铵。硫酸亚铁铵的制备主要涉及的反应如下：Fe + H2SO4= FeSO4+ H2FeSO4+ （ NH4）2SO4+ 6H2O = FeSO4·（ NH4）2SO4·6H2O硫酸亚铁铵的制备是无机化学的一个经典实验，通过该实验能综合训练学生称量、水浴加热、蒸发、浓缩、结晶、干燥、倾析、常压和减压过滤等无机制备实验的基本操作[3],但按照教材中给出的方法进行实验时，出现了各种问题。笔者所在的无机化学教研室总结多年的实践教学经验，对该实验进行了一些探索和改进。

　　1 硫酸亚铁铵制备实验中出现的系列问题

　　实验中涉及许多化学基本操作，如果教学过程掌握得好，能收到良好的教学效果。事实上，对于多数大一新生而言，由于他们在中学里面实际动手操作少，缺乏基本的实际操作经验和技能，如果教师未能进行有效指导，学生在实验过程中会遇到各种具体问题，直接导致实验的失败。笔者根据多年的实验教学经验，将出现的各种问题归纳如下：（ 1） 还原铁粉与稀硫酸反应本应形成浅绿色溶液，却出现了黄色溶液； 铁粉与稀硫酸反应时，产生出非常刺鼻和呛人的气体[4];（ 2） 实验前期的铁粉和稀硫酸反应非常剧烈，产生的 H2易将反应液冲出来；（ 3） 硫酸亚铁溶液与饱和硫酸铵混合时，也变成了黄色，蒸发浓缩混合液时，出现了黄色晶体；（ 4） 实验需要的时间非常长，一般需要 5 ~6 h,而且产品产率较低，杂质含量很高。

　　2 制备方法

　　围绕上述存在的问题，笔者根据绿色化学和节约经济的原则，并结合多年的教学实践经验，确定了如下的学生制备方案：

　　（ 1） 废铁屑表面油污的清除： 用台秤称取 1. 0 g 废铁屑置于锥形瓶中，加入10%的 Na2CO3溶液30 mL,缓慢加热10min,并不断振荡，以倾析法倒掉多余的碱液，最后用蒸馏水将铁屑洗涤干净，干燥后待用。

　　（ 2） 硫酸亚铁的制备： 在盛有 8 mL 的 4 mol/L 的稀H2SO4的锥形瓶中，分 3 ~4 次加入干净的铁屑（ 控制铁屑稍过量） ,在通风橱中于 40 ~ 50℃ 的水浴中加热，释放的有害气体（ H2S、PH3和 AsH3等） 用 0. 2 mol/L 的酸性 KMnO4溶液加以吸收。反应过程中，补充 2 ~ 3 mL 的 4 mol/L 的H2SO4和适量蒸馏水，待大部分的铁屑反应完毕，趁热减压抽滤，烘干未反应掉的铁粉并称重，以计算溶液中 FeSO4的总量。将抽滤瓶中的浅绿色的溶液，转移至蒸发皿中，若底部有晶体析出，也需要一并转移。

　　（ 3） 硫酸亚铁铵的制备： 根据计算出来的溶液中的FeSO4的量，按照化学方程式计量系数比，即 FeSO4与（ NH4）1SO4的物质的量比为 1: 1 的比例，称取理论量的固体（ NH4）2SO4并用无氧水配制成饱和溶液，加入到盛有 FeSO4溶液的蒸发皿中，应搅拌使硫酸铵全部溶解，调节 pH 值为 1~ 2.在不搅拌或偶尔搅拌的条件下，蒸发浓缩至液面出现晶膜，静置，自然冷却至室温，观察晶体的颜色及晶形。减压抽滤，在布氏漏斗上用少量无水乙醇洗涤晶体 2 ~3 次，将晶体置于表面皿上，蒸汽浴干燥，得到浅绿色的硫酸亚铁铵的产品，称重并计算产率。

　　3 改进实验方案中采取的措施

　　（ 1） 反应物原料的改进： 选用表面积很大的刨花车间生铁碎铁屑代替市售试剂级还原性铁粉作为反应原料，具有如下的优点： 首先，此类铁屑表面积大可以减少反应时间； 其次，可以避免使用已被明显氧化了的铁屑，因其表面的氧化铁，会将 Fe（ III） 带入溶液而影响产品的质量等级； 第三，降低了实验的成本，对废物进行了有效利用。而且值得强调的是，通过改变反应原料，很容易培养起学生的绿色化学理念，也就是一种废钢铁的资源化和变废为宝的思想。

　　（ 2） 铁屑和硫酸保持合适的比例： 在 FeSO4的制备过程中，不管是控制铁过量还是酸过量，都有利于 FeSO4的生成，但过量的物质不同，会对产品的质量和纯度产生较大的影响。如果铁屑过量，可防止 FeSO4被氧化成 Fe（ III） 的化合物，从而避免溶液的颜色发黄而降低产品的产率。如果酸过量，既能够抑制 Fe（ II） 的水解，又能阻止 Fe（ II） 被氧化成 Fe（ III） 的化合物。然而，在 FeSO4的制备过程中，仅能够控制一种反应物过量。从笔者多年的实验教学结果来看，铁屑过量则产品质量通常为 I 级或优于 I 级； 酸过量则所得产品通常介于 I 级和 II 级之间。因此一般来说，按照铁屑过量进行反应，得到的产品质量更佳。

　　（ 3） 反应温度的控制： 若温度太低，反应速率很慢，但是，温度太高虽然可以加快反应速率，但是也有其明显的缺陷：一方面会有大量气泡（ H2） 产生，导致部分液体冲出瓶外而造成反应物的损失，从而降低了产品的产率； 另一方面会加速 Fe（ II） 氧化成 Fe（ III） 副产物，使得溶液的颜色发黄。总之，为了防止溶液颜色发黄和提高 FeSO4的产率，控制该制备反应的温度尤其重要，应保持在 60 ~ 70 ℃比较合适。

　　（ 4） 有毒有害气体的合理处理： 铁屑中有杂质 S、P 和As,与稀硫酸反应后生成 H2S、PH3和 AsH3,导致实验室弥漫着强烈的兼有刺激性和毒性的有害气体，直接危害师生的身体健康。因此 FeSO4的制备反应，应该在带有打开排气扇或通风厨的实验室中进行，此外还可以安装常规的尾气回收装置，利用酸性高锰酸钾溶液和硫酸铜溶液对上述有毒有害气体进行吸收，从而保证师生的人身健康和安全。

　　（ 5） 用无氧水配制饱和硫酸铵溶液： 将抽滤瓶中的滤液与饱和硫酸铵溶液在蒸发皿中混合时，溶液往往发黄，可能的原因是在配制硫酸铵溶液时，蒸馏水中的氧未除尽或含有氧化性物质发生氧化反应而转化成了碱式硫酸铁[Fe（ OH）SO4].在后期加热浓缩过程中溶液也可能发黄，这是由于溶液中 Fe（ II） 被氧化为 Fe（ III） 形成了副产物。处理的方法是将洁净的无锈的铁钉，伸入到混合溶液中，直到溶液由黄色转为绿色的溶液，方可继续浓缩。

　　（ 6） 控制硫酸亚铁和硫酸铵的投加比例： 实验中保证硫酸亚铁始终过量，否则部分（ NH4）2SO4会在析出莫尔盐之前析出，使产率严重下降。当硫酸亚铁和硫酸铵的物质的量比为 1 时，产品的产率能够达到 50% 左右，而且产品的色泽不纯，绿色的成分不多。一般控制硫酸亚铁与硫酸铵物质的量比在 1. 1 ~1. 3: 1 为宜，产品的产率一般能够达到 70% 以上，而且颜色呈现纯正的浅绿色。

　　（ 7） 改变加热浓缩的方法： 许多教材都只说明了加热浓缩结晶获得摩尔盐，但是加热方法不明确。在实验中我们发现，若采用酒精灯直接加热蒸发皿中的溶液，溶液极易变白而导致实验失败。经验表明，在硫酸亚铁铵的蒸发浓缩过程中，最好使用水浴或蒸汽浴加热缓慢浓缩，而避免使用酒精灯直接强热，同时要尽可能不要搅拌或者偶尔搅拌。这样既可以有利于晶膜的形成，同时也可以避免溶液泛白，一旦溶液变白，则根本无法得到浅绿色晶体，而且后期没有补救办法。值得指出的是，蒸发浓缩过程中不能将溶液蒸干，因为摩尔盐含有较多的结晶水，蒸干后就得不到浅绿色的摩尔盐晶体。

　　（ 8） 实验的绿色化和安全化： 一般教材上均要求一次性在锥形瓶中加入 3. 0 ~ 4. 0 g 的铁粉（ 或铁屑） 和 3. 0 mol/L的硫酸20 ~25 mL,我们认为反应物用量太大，实验中存在以下缺点。首先，前期的铁粉和稀硫酸反应非常剧烈不易控制，容易将反应溶液冲出来，导致反应物损失。第二，产生的H2为易燃易爆气体，存在巨大的安全隐患。第三，反应耗时较长，学生完成一般需要 4 ~5h.为了克服这些缺点，可以采取下面的措施进行改进。事实上，硫酸亚铁铵的相对摩尔质量很大（ 392. 13 g/mol） ,因此即使反应物铁粉的用量可以减少为 1. 0 g,一般仍然可以得到产品 4. 0 ~6. 0 g 产品。由于反应物用量减少，反应时间可以在原来的基础上缩短 1 ~1. 5h,同时可以采用分批（ 3 ~ 4 次） 加入铁粉，减缓铁屑和硫酸反应的剧烈程度，使反应更加容易控制。

　　4 结论

　　本文针对莫尔盐制备实验中存在废气污染、产率低和颜色不纯的问题，根据绿色化学和节约经济的原则，对该实验进行了改进和创新，经过改进后，达到了以下目的： （ 1） 充分利用了工厂废弃物 - 铁屑，避免使用试剂还原性铁粉，回收了废弃物铁屑，实现了变废为宝； （ 2） 缩短了反应时间，节约了电能； （ 3） 提高了产品产率和产品质量等级，防止了有毒气体的排放对环境造成的污染，而且还实现了实验过程的绿色化。

　　参考文献
　　
　　[1]北京师范大学无机化学教研室。 无机化学实验[M]. 2版。 北京： 高等教育出版社，2001: 234 -235.
　　[2]南京大学《无机及分析化学实验》编写组。 无机及分析化学实验[M]. 3 版。 北京： 高等教育出版社，1998: 68 -67.
　　[3]蒋碧如，潘润身。 无机化学实验[M]. 北京： 高等教育出版社，1989: 75 -76.
　　[4]袁爱群，金 彩，张 直，等。 用绿色化学理念改进硫酸亚铁铵制备实验[J]. 化学教学，2004 （ 5） : 8 -9.