关于用电解原理制取白色氢氧化亚铁的研究

关于用电解原理制取白色氢氧化亚铁的研究 2.2.2实验方案及现象 2.2.3实验原理分析 从上述的6个实验结果看，在16V的工作电压下，当电解浓度为10mol/L和5mol/L的NaOH溶液时，虽然此时的电流强度较大，电解速率也较快，但在阳极上主要的产物却是O2和具有强氧化性的FeO42-，发生的电极反应为：Fe-6e-+8OH-FeO42-+4H2O，O2+2H2O+4e-4OH-。而电解浓度为1mol/L和0.01mol/L之间的NaOH溶液时，阳极上也不是立即生成Fe(OH)2沉淀，而是一开始先产生氧气，电解6小时后才开始产生沉淀，同时阳极区溶液的pH慢慢变小，这说明反应前期生成Fe(OH)2的速率非常慢。当阳极区溶液接近中性时，铁钉上停止冒气泡，而生成灰绿色沉淀的速率则大大加快，这说明反应后期生成Fe(OH)2的速率变快。 笔者认为，电解浓度为1mol/L和0.01mol/L之间的NaOH溶液时，反应初期造成铁不能在阳极正常溶出的主要原因是由于铁的表面生成了一层钝化膜，使它的电位强烈正移，从而阻碍了它的溶解，于是OH-离子在电极上放电。这层钝化膜的形成可能有两方面原因：一是溶解下来的Fe2+、Fe3+，因扩散速度不够快(电流密度大，铁溶解速度快)而有所积累。二是溶液中的OH-向阳极迁移，阳极附近有Fe2+和OH-离子富集。随着电解反应的延续，处于紧邻阳极界面的溶液层中，电解质浓度有可能发展到饱和或过饱和状态。这样，溶度积较小的Fe(OH)2、Fe(OH)3就要沉积在金属表面并形成一层不溶性膜，从而阻碍了铁的溶解，同时OH-放电后的产物O2也要和电极表面上的铁原子反应生成Fe2O3钝化膜。可见，铁表面的钝化膜的形成与电解速率与溶液的碱性有着很大的关系。若碱的浓度过低，电解速率太慢，钝化膜就薄而脆弱，甚至可能形不成钝化膜；若碱的浓度过大，因为Fe(OH)3略有两性，新沉淀出来的Fe(OH)3能溶于浓的强碱溶液中(反应Fe(OH)3+NaOHNaFeO2+2H2O)，钝化膜就不形成，而得到FeO2-会在铁极上进一步失去电子生成FeO42-(FeO2-+4OH--3e-FeO42-+2H2O)，电解NaOH的浓溶液时就生成Na2FeO4。 3、实验思考和结论 通过对上述实验现象和实验原理的深入分析，可以进一步引发以下思考： (1)不能用单纯的NaOH溶液做电解液。在16V的工作电压下，电解制取Fe(OH)2时，若用浓度太大的NaOH溶液，会生成FeO42-；若用浓度中等或稀的NaOH溶液，铁会钝化；若电解极稀的NaOH溶液(pH接近中性)，虽然可以防止铁的钝化，但因电流密度太小，生成Fe2+速率就慢，得到的是灰绿色的沉淀，结果不理想。 (2)不能用Na2SO4溶液做电解液。若电解饱和的Na2SO4溶液(如实验6)，虽然Fe2+与OH-的生成速率较快，但两者结合太慢，得到的也是灰绿色的沉淀，结果也不理想。 (3)解决铁的钝化成为制备Fe(OH)2的重要因素。因为制取白色的Fe(OH)2的首要条件是让Fe在阳极较快溶解，又能让溶解下来的Fe2+与较高浓度的OH-快速结合，而铁在一般浓度的碱液中要钝化，因此弥补这个实验的不足，就要解决好铁的钝化问题。 (4)在中等浓度的NaOH溶液中加入适量的NaCl能制得白色的Fe(OH)2。因为一方面，Cl-的存在对钝化膜有破化作用，它可以穿过钝化膜内极小的孔隙，与钝化膜中金属离子相互作用生成可溶性化合物，能使Fe在阳极正常溶解。另一方面，溶液中有较高浓度的OH-，它能与阳极溶解下来的Fe2+快速结合，从而生成白色的Fe(OH)2。 总的来看，电解制备Fe(OH)2时以下条件较为理想：在16V的工作电压下，以铁为阳极，石墨为阴极，电解4mol/L的NaCl和1mol/L的NaOH的混合物(在混合物上方再放一层乙酸乙酯)，5分钟之内，就可以在铁极上看到大量白色沉淀，且能保存较长时间而不变色。那种认为只要以铁为阳极，电解NaOH溶液或Na2SO4溶液就能制得白色的Fe(OH)2是纸上谈兵，是纯粹的理论分析。在积极传播和实践新课程教育基本理念的今天，我们要发挥化学实验的教育教学功能，要通过实验培养学生实事求是、严谨细致的科学态度，及批判精神和创新意识，这类完全与实验事实相违背的题目应在新课程中得以纠正。
关于用电解原理制取白色氢氧化亚铁的研究
作者：郑雅敏 文章来源：化学教学2007年，第5期 点击数： 736 更新时间：2008-3-5

1、问题的提出 新配制的Fe(OH)2是一种白色沉淀，其颜色变化先由白色到灰绿色再到红褐色，可谓“昙花一现”。因此，有关怎样制取白色的Fe(OH)2成了很多学生和教师的棘手问题，也成为他们积极探究的热点问题。目前，制取白色的Fe(OH)2的实验方法主要有两种：一是利用复分解反应制取；二是利用电解原理制取。用电解原理来制取Fe(OH)2，很多参考书上提出：用铁做阳极，用石墨或其它金属做阴极，然后电解NaOH或Na2SO4溶液；在实验中若适当地缩短两极间的距离、增大电源电压或增大电解质溶液的浓度，都会加快Fe(OH)2的生成速率。但笔者在多次实验中发现，按照上述的做法，这个实验容易失败。为了从中查找出原因，笔者对用电解原理来制取Fe(OH)2的条件进行了深入研究，试图探索出一种制备方便、快捷、且白色尽可能稳定的Fe(OH)2的实验方法。 2、实验探索 2.1探索制备白色Fe(OH)2的条件很多人认为，Fe(OH)2变成灰绿色是其被部分氧化的结果，因此在制备过程中建议用煮沸过的蒸馏水来配制溶液，并在溶液上方铺一层有机物以隔绝空气。笔者在实验中发现，在没有任何保护措施的情况下，Fe(OH)2沉淀更容易变灰绿色，但由灰绿色变红褐色却需要更长时间。如果说Fe(OH)2变红褐色是被氧化的结果，那么由此推断它变成灰绿色也是被氧化的结果似乎太牵强，因为从调色的角度看，从白色到红褐色，中间应没有灰绿色这个过渡色。因此，笔者认为Fe(OH)2由白色变成灰绿色和由灰绿色变成红褐色可能是不同的化学反应原理在起作用，要制得白色的Fe(OH)2，除了要考虑如何防止被氧化外，还要考虑其他一些因素。笔者通过以下四个实验对如何通过复分解反应制取较白的Fe(OH)2的实验条件作了探索。(以下实验使用的溶液均用煮沸过的蒸馏水配制) 实验1：将吸有饱和FeSO4溶液的滴管直接伸入到浓的NaOH溶液中(上面铺有一层乙酸乙酯)，较快地挤压，生成白色的Fe(OH)2，能较长时间不变绿。 实验2：在一支试管中加入5mL饱和的FeSO4溶液和3滴FeCl3的稀溶液(上面铺有一层乙酸乙酯)，较快地滴入NaOH的浓溶液。生成白色沉淀，沉淀的颜色与实验1所得沉淀相差无几，且没有明显的灰绿色物质生成。 实验3：将两支分别吸有稀的NaOH溶液和稀的FeSO4溶液的滴管伸入到盛有200mL水(上面铺有一层乙酸乙酯)的烧杯中，同时缓慢地滴入，一开始就生成灰绿色沉淀。 实验4：将两支分别吸有饱和的NaOH溶液和饱和的FeSO4溶液的滴管伸入到盛有20mL水的烧杯中(上面铺有一层乙酸乙酯)，同时滴入，生成沉淀的颜色与溶液的滴加速率有关，滴加速率越快，沉淀颜色越白，滴加越缓慢，颜色越绿。 上述实验表明：Fe(OH)2由白色变为灰绿色并不是其部分被氧化的结果，灰绿色沉淀的生成，应该与反应液的浓度及滴加速率有关，亚铁盐和NaOH的浓度越大，滴加的速率越快，得到的沉淀就越不容易变灰绿。 2.2探索电解条件 鉴于白色Fe(OH)2的生成条件，用电解原理制取Fe(OH)2时笔者用较高的电源电压来电解较浓的NaOH溶液，并在5个浓度各不相同的溶液中进行，以进一步探索电解的最佳条件。具体操作如下： 2.2.1实验仪器与试剂 WYJ-15J-1型直流稳压电源、铁钉(d=2mm，其组成为Fe：>99%、Cu：<0.1%、Mn：<0.5%、Ni：<0.5%)、石墨电极；100mLU型管。 10mol/LNaOH、5mol/LNaOH、1mol/LNaOH、0.1mol/LNaOH、0.01mol/LNaOH、0.001mol/LNaOH、饱和Na2SO4、乙酸乙酯、3mol/LH2SO4、饱和NH4SCN、饱和食盐水、2%邻二氮菲溶液。