锌与氯化铁溶液反应的再探究及思考

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1、锌与氯化铁溶液反应的再探宄及思考摘要：锌与氯化铁溶液的反应，不同文献中的结论不尽相同，为搞清楚该反应的实质，借助数字化压力传感器和温度传感器重新进行了实验探究。为确定反应过程生成沉淀的原因，对反应前后溶液的pH进行了测定。通过探究得出，该反应是分为两个阶段完成的，并从理论上对此反应机理作了解释。关键词：锌粉；氯化铁溶液；压力传感器；温度传感器；反应历程文章编号：10057C6629(2016)10?C0042?C03中图分类号:G633.8文献标识码：B1背景锌与氯化铁溶液的反应一直以来都有许多人在探宄，但是得出的结论却不尽相同。潘明忠老师［1］认为只要锌粉足量

2、就会有单质铁生成；刘映进、柳兆华老师［2］认为该反应一开始就有氢气生成，但即使锌粉过量也没有单质铁生成。同时该反应还是考试的热点，如2014年安徽省高考卷的第8题：该题的答案就是D，也就是认为Fe3+溶液和足量的Zn反应可以全部生成铁。笔者借助于数字化传感器对该实验再次进行了探究。2实验步骤在以往的探宄中，对该反应有无氢气生成采用的判断标准是有无气泡，若有气泡产生则有氢气生成，反之则没有。用这种方法精确度较差，若产生氢气的量较少或速率较慢则无法判断，而压力传感器则可以精确地捕捉到这种细微变化，所以本实验引入了压力传感器；锌与氯化铁溶液的反应是放热反应，反应过程中

3、溶液温度升高也会使压力增大，在实验过程中同时测量温度和压力的实时变化并借助气体状态方程，则可以判断出压力的变化是由温度升高所致还是由产生氢气所致。实验方案克服了以往实验精度较差、判断标准较为粗糙主观的缺点，精确地判断出该反应分为两个阶段，并通过测定反应前后的pH，从沉淀溶解平衡的角度，通过计算解释了Fe3+浓度较大时不沉淀、浓度较小时却沉淀的原因。依据以上思路，设计实验步骤如下:(1)配置500mL1mol/L的FeCI3水溶液，并用pH传感器测定其pH约为0.70(见图1)，测得实验室温度约为：4.5°CO(2)将所配的氯化铁溶液全部倒入一个双颈烧瓶中，依据方

4、程式：“3Zn+2FeCI3=2Fe+3ZnCI2”，可知锌粉与氯化铁按物质的量之比为3:2的比例进行反应，当FeCI3为0.5mol时，所需锌粉为0.75mol，实验时加入lmol锌粉即65g,以保证锌粉足量、使氯化铁完全反应。实验装置如图2所示：立即用温度传感器和压力传感器测量反应过程中的温度和压强变化，并测量反应进行2000s后溶液的pH。数据如下:最高温度30.1°C，最高压强108.8kPa，反应后溶液的pH约为4.95。(3)向反应后的溶液中加入足量的氢氧化钠以溶解过量的锌粉，充分反应后过滤，将滤渣晾干，用磁铁吸引滤渣，验证是否有单质铁生成。3实验过

5、程的现象描述及解释3.1第一阶段现象及理论分析前期实验时，发现反应开始后，溶液温度迅速上升，但是看不到气泡。为了搞清楚：①这是因为完全没有氢气产生呢？还是速率较慢产生氢气的量较少看不出来呢？于是使用了压力传感器，结果发现压强有稍许增大，同时温度也升高了；②压强增大是因为产生了氢气的缘故呢？还是温度升高的缘故呢？于是增加了温度传感器，同时测定温度和压强的变化。根据实验数据，可以通过气体状态方程进行推算：反应后溶液变为浅绿色，取反应后的上层清液向其中加入酸性高锰酸钾溶液，高锰酸钾溶液迅速褪色，进一步证明了Fe2+的存在，发生的反应为2Fe3++Zn=2Fe2++Zn

6、2+,反应过程中，观察到瓶底产生红褐色絮状沉淀，说明有Fe(OH)3生成。所以此阶段发生的反应有：该阶段既然有FeCI3被消耗，其浓度就会减小，对反应①来说其平衡就会逆向移动，产生的Fe(OH)3浓度就会降低，为什么Fe(OH)3浓度较大的时候不沉淀、浓度较小时出现沉淀呢？为搞清楚这个问题，我们可用沉淀溶解平衡常数进行分析，为此在实验前后我们使用pH传感器分别测定溶液的PH，反应前溶液的pH为0.70(见图1)，反应后溶液的pH为4.95(见图4)。己知常温下Ksp[Fe(OH)3]=2.6X10-39,刚开始时pH=0.70，此时若要使Fe3+沉淀下来，其最小

7、浓度为c(Fe3+)=Ksp[Fe(OH)3]/c3(OH-)=2.6X100.9=20.65mol/L,所以此时无Fe(OH)3沉淀;反应后pH=4.95,此时若要使Fe3+沉淀下来，其最小浓度为c(Fe3+)=Ksp[Fe(OH)3]/c3(OH-)=2.6X10-11.9mol/L，所以此时有Fe(OH)3沉淀。为什么反应后pH会增大呢？刚开始时反应①的进行程度较大，所以FeCI3溶液的酸性较强，加入锌粉后氯化铁逐渐被消耗浓度减小，使得反应①逆向移动，所以酸性减弱pH增大，此时Fe3+才可以沉淀下来，这也说明该阶段加入锌粉后，锌粉主要和氯化铁反应。3.2第

8、二阶段现象及理论分析15