讨论报告实验九.docVIP

关于FeSO4的制备条件的优化以及Fe2+稳定性的讨论 完成日期：2013.11.23 廖念西 王白成 李永钦 宋子琪 皇秋莎 指导教师：高昂 摘要： 本文分为两部分：Part 1从 Fe-H2O 体系的ε-pH图以及实际情况出发，讨论得用H2SO4和Fe来制备FeSO4时，最佳pH=2。还分析了制备硫酸亚铁实验中8个操作的必要性。Part 2从Fe（H2O）62+的水解平衡出发，验证了碱性介质中二价铁极易被氧气氧化成三价铁的原因。 前言： 本组讨论题为根据ε-pH图来探讨用H2SO4和Fe来制备FeSO4的最佳条件，并且探讨实验中各步骤的必要性，和从平衡的角度分析Fe2+的稳定性。展开本次讨论有助于实验室中用H2SO4和 Fe来制备FeSO4的条件优化和控制，可以减少Fe2+的损失量和被氧化量，从而提高制备产物的质量和产率。 内容： Part 1 根据Fe-H2O 体系的ε-pH图,我们可以看到在pH=0―2时，EFe3+/Fe2+等于0.77V左右。而随着pH从2到7，EFe3+/Fe2+一直在以线性关系减少,也就意味着Fe2+会更容易被氧气氧化。所以在用H2SO4和Fe来制备FeSO4时，应该即时监测着溶液的pH,不让其超过2，否则会增加Fe2+的被氧化量。除此之外，虽然pH=0―2时，EFe3+/Fe2+一直等于0.77V，但却不是溶液越酸越好。经过我们小组讨论，认为pH=2才是最佳的酸度。理由主要有2点：一、虽然EFe3+/Fe2+不变，但是随着酸度增大，氧气的氧化能力却在增强。由O2+4H++4e=2H2O Eθ=+1.229V，故由Nernst方程，E=Eθ- lg c（H+）-4，可知氢离子浓度越大时，氧气电极的电势在变大，所以会更容易氧化Fe2+。二、加太多H2SO4会造成浪费以及废液处理的困难。此外，有一点要补充说明的是，即便在强酸性环境下，Fe2+被氧气氧化的反应进行程度仍然是比较大的，只不过在强酸性环境下，Fe2+被氧气氧化的速度比较慢，所以单位时间内被氧化的量也就比较小。[2] 而在本次实验中，有多处操作都是为了控制条件而减少Fe2+损失量。1、水浴锅的温度控制在60-70℃是因为FeSO4在该温度附近溶解度（如下图）最大，可以防止硫酸亚铁析出而降低产率，而且水浴加热便于控制温度以及控制反应速率。2、实验需要在通风柜中进行，是因为H2SO4和Fe反应剧烈，不仅会产生易燃气体H2，还可能会有SO2和SO3甚至铁粉被带出，为了安全以及环保起见，必须在通风柜中进行。 3.反应过程中需要用pH试纸或其它工具保证pH不大于2，理由已经在上文中阐释得很清楚了。4、实验中加的铁粉是过量的，是为了避免Fe2+被氧化，以便增加产率。其实在制备硫酸亚铁过程中, 无论是控制酸过量还是控制铁过量, 理论上都有利于硫酸亚铁的生成,只是产品的纯度不同【1】。如下表，可见铁粉过量时，产品更纯。 5、反应采用的是6 mol·dm-3的H2SO4，因为硫酸的浓度不宜太大或太小。浓度小，反应慢；浓度太大，易产生Fe3、SO2，使溶液出现黄色，或形成块状黑色物。6、加入的都是去离子水也是为了排除氧气的干扰。7、反应中适当补水是为了防止FeSO4析出，适当补酸是为了维持pH稳定。8、趁热过滤也是为了避免FeSO4析出和增加产率。 Part 2 下面我们从平衡的角度来分析一下碱性介质中二价铁极易被氧气氧化成三价铁的原因。从Fe-H2O 体系的ε-pH图可以看到，标有④的直线斜率小于零，说明随着碱性增强，Fe(OH)2更容易被氧化。由方程式看（4Fe2++O2+4H+=4Fe3+2H2O），似乎酸度越大，Fe2+越容易被氧化。但事实上二价的铁离子被氧化的反应并不是简单的Fe2+与氧直接接触反应的, 因为二价铁离子在水中形成六水合亚铁离子 Fe（H2O）62+。而在Fe（H2O）62+中，由于水有很强的配位作用，六个水分子会把Fe2+紧紧包围着，难以与氧气接触【2】。但当Fe（H2O）62+发生水解后： Fe（H2O）62+　 4[Fe（H2O）5OH]++ 2H2O ① 生成的[Fe（H2O）5OH]+中由于OH-的配位效应不如水分子强，结构也没有六水合亚铁离子对称，所以会有空隙让Fe2+与氧接触被氧化（所以说实际上是[Fe（H2O）5OH]+被氧化的，而不是Fe（H2O）62+）： 4[Fe（H2O）5OH]+ + O2 + 4 H+ 4[Fe（H2O）5OH]2+ + 2H2O ② 所以碱性越强，Fe（H2O