1、 ISSN1672-4305CN12-1352/N实 验 室 科 学LABORATORY SCIENCE第 26 卷 第 5 期 2023 年 10 月Vol.26 No.5 Oct.2023实验研究与技术 对硫酸亚铁铵制备实验的改进段莉莉,王晨林,齐学洁(天津中医药大学 中药学院,天津 301617)摘 要:硫酸亚铁铵 FeSO4(NH4)2SO46H2O 的制备实验是无机化学实验中的基础实验之一,该实验包括水浴加热、常压过滤、减压过滤和蒸发浓缩等基本操作。但是操作过程中存在一些不足,例如:无气体吸收装置,导致实验过程中产生的刺激性气味对呼吸道产生伤害;反应产生的氢气(H2)暴露在空气中容易
2、引起爆炸;直接加热容易导致容器炸裂等。对该实验存在的不足进行了改进,从而达到降低成本、节约资源、减少环境污染、简化实验过程、提高实验安全性、提高产率的目的,使该实验更加完善。关键词:硫酸亚铁铵;过滤;蒸发浓缩;结晶中图分类号:G420 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.1672-4305.2023.05.002Improvements on the experiment of synthesis of ammonium ferrous sulfateDUAN Lili,WANG Chenlin,QI Xuejie(School of Chinese Materia Medi
3、ca,Tianjin University of Traditional Chinese Medicine,Tianjin 301617,China)Abstract:The experiment of synthesis of ammonium ferrous sulfate FeSO4(NH4)2SO46H2O is one of the fundamental experiments in inorganic chemistry experiments class,which includes heating with water bath,filtration under normal
4、 atmosphere/vacuum,evaporation concentration,etc.But there are still some disadvantages existing in these performances,for examples,lack of gas absorption de-vices yields the harmful gas inhalation and exposure of H2 to air under the circumstances of heating is able to explode,heating without reflux
5、ing devices can lead to cracks of reaction containers,etc.Thus,new methodologies and instruments were designed to improve this experiment so that following aims can be obtained,such as saving resources,reducing environmental pollution,simplifying experimental courses and raising experimental safety
6、and yields.Key words:ammonium ferrous sulfate;filtration;evaporation concentration;crystallization 收稿日期:2021-12-24 修改日期:2023-01-19作者简介:段莉莉,博士,副教授,主要研究方向为金属有机化学。E-mail:lduan2020 通讯作者:齐学洁,博士,教授,主要研究方向为药物制剂。E-mail:qixuejie2014 基金项目:天津中医药大学本科教学质量工程项目(项目编号:2021XLYX-3)。无机化学1-2是各高校中药学类、药学类、医学实验技术、制药工程、临床医学
7、和食品卫生与营养等专业的必修课之一。无机化学实验3-4是无机化学理论课的配套实验课程,以实验技能训练为主,是学生入学后的第一门实验课,对学生科学实验素养和良好实验习惯的养成至关重要,是关系后续实验课程能否顺利实施的必要课程。伴随着无机化学实验课程的改革,无机化学实验从简单的验证性实验已逐渐演变为集称量、溶解、加热、过滤、蒸发、浓缩、结晶等基本操作为一体的综合性制备实验。然而受中学阶段应试教育的影响,大多数学生没有进行过实验操作。因此,通过无机化学实验不仅可以使学生更具体、更直观地掌握和巩固无机化学理论知识,而且还可以培养学生独立思考、分析、解决问题的能力和提高学生的动手操作能力及创新能力。硫酸
8、亚铁铵FeSO4(NH4)2SO46H2O,又称莫尔盐,是浅蓝绿色的单斜晶体,在定量分析中常用来配制亚铁离子的标准溶液5-6。硫酸亚铁铵的制备实验7-9作为无机化学实验中经典的综合性实验之一,它主要包括了称量、溶解、水浴加热、常压过滤、洗涤、减压过滤、蒸发浓缩、目视比色8,10和结晶等基本操作。制备硫酸亚铁铵的实验过程主要分为三步:首先是铁屑(粉)与稀硫酸反应生成硫酸亚铁,其次是硫酸亚铁与硫酸铵反应生成硫酸亚铁铵复盐,最后是硫酸亚铁铵复盐的结晶。但该实验操作过程复杂、耗时长11-12,在实验过程中存在着以下不足:(1)铁屑与稀硫酸反应后产生的杂质气体 H2S、H3P、SO2等具有强烈的刺激性气
9、味,会对眼睛、皮肤粘膜和呼吸道有强烈的刺激作用,对环境造成污染;(2)铁屑与稀硫酸反应生成的氢气作为易燃气体直接排放到空气中非常危险,若遇到明火极易导致爆炸;(3)直接高温加热反应容器,如果控温不当导致容器受热不均匀,不但容易导致容器炸裂,而且高温反应容易使生成的 Fe2+发生氧化,此外因为是敞口加热,会导致产率损失较大;(4)部分学生预习不够认真,不能完全熟悉实验流程,导致实验结果不理想,产物颜色发白、结晶性差、Fe3+杂质含量高、实验时间超长及产率偏低等情况 13。基于以上缺点,对硫酸亚铁铵的制备实验提出了改进方法,从而使得该实验在操作性和安全性上得到改善。1 实验方法改进实验反应方程式
10、14如下:Fe+H2SO4 FeSO4+H2FeSO4+(NH4)2SO4+6H2OFeSO4(NH4)2SO46H2O1.1 未改进前的实验方法及装置(1)取过量的铁屑于锥形瓶中,加适量 3 mol/L的硫酸,80 水浴加热并不断补水,待锥形瓶中无气泡冒出时停止反应,趁热进行热过滤即得到硫酸亚铁溶液15,实验装置如图 1 所示。图 1 未改进前实验装置(2)通过铁的质量变化计算所需硫酸铵的质量。将所称的硫酸铵加入硫酸亚铁溶液中,二者水浴加热再通过蒸发浓缩得到所需的硫酸亚铁铵。在第一步稀硫酸与铁反应过程中,产生硫酸亚铁和当量的氢气。因为没有气体吸收装置,所以该反应过程中产生的 H2气体易暴露在
11、空气中。H2作为一种易燃气体,直接暴露在空气中的做法是危险的。另外在该反应过程中,也会产生 H2S、H3P、SO2等具有刺激性气味的杂质气体,对呼吸道、嗅觉等产生了一定的伤害,因此实验操作过程必需要在通风橱中进行。(3)在硫酸亚铁铵复盐结晶过程中,发现在蒸发浓缩过程中,按关系式 n(NH4)2SO4 nFe SO4=11比例进行混合反应得到的产品经常会是白色粉末,不是浅蓝绿色晶体,且晶形较差,杂质较多16-17。1.2 改进后的实验方法及装置综合以上问题,本文在实验方法和实验装置上都作了一些改进,具体方法如下。(1)针对反应产生的 H2暴露在空气中易引起爆炸和 H2S,SO2等刺激性气体导致身
12、体的不适,本文设计加入了气体吸收装置饱和 NaOH 溶液,改进后的实验装置如图 2 所示。该设计不仅可以吸收反应产生的 H2,还可以将 H2S,SO2等酸性气体中和掉,相应反应方程式如下:2NaOH+H2S Na2S+2H2O,2NaOH+SO2 Na2SO3+H2O,这样改进不但可以提高实验的安全性,也可以减少环境污染。图 2 改进后实验装置(2)将水浴加热换成电热套加热,把锥形瓶换成圆底烧瓶,并在圆底烧瓶加上球形冷凝管和球形干燥管,这样避免了不断往水浴锅里补水,降低了实验的危险性,同时密封条件下加热还可以增加反应的产率。为了防止 Fe2+的氧化,在实验中采取铁过量的方法予以实现,具体反应方
13、程式为:Fe+2Fe3+3Fe2+为了防止 Fe2+水解,实验中采用酸过量的方法8 段莉莉,等:对硫酸亚铁铵制备实验的改进予以实现,具体反应方程式为:Fe2+2H2O Fe(OH)2+2H+因此,本实验主要通过控制反应时间来终止反应,通过反应前后剩余铁屑的质量计算生成硫酸亚铁铵的量。(3)在硫酸亚铁铵的结晶过程中,为了快速析出晶体,一定要配制成热的饱和溶液;另外为了析出更好的晶体,在硫酸铵完全溶解后不要再搅拌溶液,否则容易破坏晶型。其次,从水浴锅上取出产物置冷的过程中,要逐渐降温,不可马上放入凉水中,这样会影响晶体的生长,更容易导致析出固体粉末。(4)对于大一新生,因为对无机化学实验操作接触比
14、较少,一些基本操作尤其像减压过滤、结晶等操作技术掌握不熟练。需要更认真、更详细地讲解操作的基本原理及具体方法。例如减压过滤时,应在水泵和抽滤瓶间连接一个安全瓶,这样可以防止直接关泵时引起的倒吸。2 实验部分2.1 实验仪器及试剂实验仪器:铁架台、电磁搅拌器、磁子、圆底烧瓶、球形冷凝管、弯管、乳胶管、漏斗、烧杯、天平、球形干燥管、布氏漏斗、抽滤瓶、蒸发皿、玻璃棒、量筒等。实验试剂:铁屑、稀硫酸(AR)、硫酸铵(AR)、氢氧化钠(AR)、乙醇(AR)、蒸馏水等。2.2 实验步骤(1)在圆底烧瓶里称取 2.0 g 的铁屑,再用量筒量取事先配制好的3 mol/L 的稀硫酸15 mL,装上球形冷凝管、球
15、形干燥器、气体回收装置,在 80 条件下电磁搅拌反应 30 分钟。(2)反应结束后,稍微降温后,趁热过滤,快速将滤液转移至干净的蒸发皿内。(3)根据反应前后铁屑的质量,计算生成硫酸亚铁的质量及所需硫酸铵的质量。再根据硫酸铵的溶解度计算并量取蒸馏水的体积并配制成饱和溶液,加入至盛有 FeSO4溶液的蒸发皿中,水浴加热搅拌至硫酸铵全部溶解,停止搅拌,继续蒸发浓缩直至表面有晶膜产生。(4)冷却至室温,待有大量晶体析出时,减压过滤,用乙醇少量多次洗涤,晶体抽干溶剂后,称重,计算产率。(5)实验结束后,清洗仪器并关闭所有电源。3 结语(1)经过改造后的实验无需挤在通风橱中反应,实验中的刺激性气味更小,不
16、但减少了对环境的污染,而且更适合人数较多的分组实验;改造后的实验装置安全性更高,不易引起氢气(H2)爆炸。(2)将原有实验装置中的锥形瓶更换成圆底烧瓶与回流冷凝管后,不会使反应溶液干涸,无需补加蒸馏水,可以降低反应的成本,且具有速度快、安全性高的特点。(3)改进后的实验装置可以使反应更加充分,有利于反应速度和产率的提高。通过对实验装置的改进,制备得到的硫酸亚铁铵呈现淡绿色,有晶体光泽,产率更高。该制备方法简单、安全、可靠、污染少、速度快、可操作性强,具有进一步推广使用的意义。参考文献(References):1 吴巧风,李伟.无机化学M.3 版.北京:人民卫生出版社,2021.2 杨怀霞,吴培
17、云.无机化学M.北京:中国中医药出版社,2021.3 齐学洁,杨爱红.无机化学标准化实验M.北京:人民卫生出版社,2021.4 蔡吉清,曾秀琼,徐孝菲,等.硫酸亚铁铵制备及测定实验的问题及对策研究J.广东化工,2021,48(8):292-293.5 燕翔.制备硫酸亚铁铵单晶的实验研究J.首都师范大学学报(自然科学版),2015,36(4):49-51,66.6 耿金灵,王岩,殷海燕.硫酸亚铁铵的纯度和组成的测定J.实验技术与管理,2009,26(5):33-36.7 李彩云.硫酸亚铁铵制备实验的模块化教学J.实验室科学,2021,24(1):80-82,87.8 张晔,曾云斌,李可新.硫酸亚
18、铁铵制备材料的选择及反应时间的优化J.赤峰学院学报(自然科学版),2020,36(2):48-50.9 曹小华,严平,王常清,等.硫酸亚铁铵的制备及组成分析实验多维互动教学模式探索与实践J.大学化学,2019,34(7):31-37.10 谢建梅,汤婷茜,高红艳,等.硫酸亚铁铵制备的最佳工艺研究J.农产品加工,2019(12):44-46.11 刘洋,易正戟,毛芳芳,等.硫酸亚铁铵实验不同结晶条件的探讨J.广州化学,2019,44(3):55-58.12 杜姣姣,杨囯鑫,郑阿群,等.硫酸亚铁铵教学实验的改进J.实验室研究与探索,2019,38(4):197-199,285.13 马占营,孙家娟,范广,等.硫酸亚铁铵制备实验的教学思考J.实验室科学,2018,21(6):89-91.14 夏光强,龚培云.硫酸亚铁铵制备实验的改进J.广州化工,2018,46(22):111-112,142.15 吴红娥.硫酸亚铁铵合成改进的分析J.西部皮革,2017,39(18):136-137.16 刘艳菊,黄甜甜,郝露露,等.硫酸亚铁铵制备的优化研究J.生物技术世界,2016(1):251.17 蒋林玲.硫酸亚铁铵制备实验的思索J.广州化工,2015,43(22):180-181.9
