摘要：铁与非氧化性酸发生反应生成Fe2+，但浅绿色现象在课堂实验中難以快速实现。为解决此问题，在材料的选择上进行了实验探究，并对出现的诸多副反应现象进行了理论分析。发现用还原性铁粉与8 mol/L盐酸溶液反应能快速出现浅绿色现象，适宜做课堂教学实验。
关键词：铁；盐酸溶液；稀硫酸；实验探究
文章编号：1005–6629（2016）12–0067–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
“金属与酸的反应”首次出现在人教版义务教育教科书九年级《化学》[1]下册第八单元课题2。其次在人教版普通高中课程标准实验教科书《化学1》第四章第四节中，介绍了关于Fe在常温下在浓硫酸中的钝化反应[2]。单质铁与非氧化性酸发生反应生成Fe2+，这是毋须置疑的客观事实。但在实际的实验教学中发现：用含铁金属与稀盐酸或稀硫酸的反应速率过于缓慢，课堂实验中难以快速观测到溶液由无色变为浅绿色的现象，且常伴随着副反应的发生。众多教师在对该实验现象的解释中选择了回避，造成学生对实验结论的接受度不高。
为此，我们设计了常见的含铁金属与不同浓度的硫酸、盐酸溶液反应的研究实验，并对实验过程中出现的现象进行理论分析，以期得到在课堂实验中快速出现浅绿色现象的实验方案。
1 材料与方法
1.1 实验材料
普通铁钉（规格：2寸、长50mm，1.5寸、长38mm；天津金利华源钉业有限公司）、A3铁板（经切割机处理为铁屑，下文简称“铁屑”）、201不锈钢（经切割机处理为屑，下文简称“不锈钢屑”）、还原性铁粉（分析纯，广东省化学试剂工程技术研究开发中心）、酸（选取中学实验室常用浓度的酸：3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液、6 mol/L盐酸溶液、8 mol/L盐酸溶液）
1.2 实验方法
在多次重复性实验基础上，选择铁钉（1.5寸、2寸）、铁屑、不锈钢屑、铁粉分别与6 mol/L盐酸溶液、8 mol/L盐酸溶液、3 mol/L硫酸溶液、4 mol/L硫酸溶液各6mL于试管中进行实验，并滴加植物油液封防止氧化，观察、记录实验现象，记录反应时间。
2 结果与分析
2.1 普通铁钉反应实验
由表1，表2可知，用不同规格的普通铁钉与不同浓度酸溶液进行反应，浅绿色现象明显，但所需时间较长，1d后能观察到明显现象，且普通铁钉中含碳量较高，均会出现黑色悬浮颗粒。且随酸的浓度增大，黑色颗粒增多。
2.2 铁屑反应实验
由表3可知，铁屑与酸溶液反应出现浅绿色现象较铁钉颜色更浅，但所需时间仍然很长，1d后能观察到明显现象，且铁屑中含碳量较高，同样出现黑色悬浮颗粒，其中硫酸溶液中出现的黑色颗粒较盐酸溶液更多。
2.3 不锈钢屑反应实验
由表4可知，以不锈钢屑为实验材料进行实验，绿色现象出现较快，尤其是第4组实验，在5min内出现浅绿色现象，但不锈钢片整体出现较多复杂实验现象，虽未观察到黑色颗粒悬浮物，但出现诸多如黄绿色、蓝绿色等副反应的颜色现象。
2.4 铁粉反应实验
由表5可知，利用还原性铁粉与稀盐酸或稀硫酸反应，浅绿色溶液现象明显，且实验时间短，等浓度的盐酸反应的现象较稀硫酸更快[3，4]。在笔者的实验范围内，选用8 mol/L的盐酸实验效果最佳。在此基础上，若用酒精灯加热试管，将会在30s内观察到明显的浅绿色现象。
3 注意事项
（1）含Fe2+的盐溶液在酸性介质中较稳定，但随着反应进行，仍易被氧化，故在保存含Fe2+的盐溶液中应加入适量H+浓度为0.01 mol/L的相应酸，同时添加适量（1g） 铁粉以防止氧化。
（2）若选用铁屑或铁钉与酸溶液进行实验，需预先用酸洗除去铁屑表面的铁锈。
（3）经多次实验证明：盐酸、硫酸的浓度应适中，浓度太小反应速率太慢，浓度太大反应速率太快或钝化，且反应时液体会冲出试管造成危险。建议使用笔者推荐的浓度进行实验。
4 讨论
4.1 酸的浓度不宜过大
根据文献报道，常温下Al、Fe、Cr等金属在大于98%的硫酸（18.4 mol/L）中发生钝化反应，由此可用铁制容器盛装冷硫酸[5]。因此，取常用浓度为3 mol/L或4 mol/L的H2SO4溶液，而不能选取浓度过大的浓硫酸。为理论上控制相应的H+浓度，故选择2倍浓度的盐酸溶液。
4.2 以严谨的科学态度选择含铁金属
含铁金属种类众多，笔者选用市面上常见含铁金属为实验材料。生铁钉为常见家用铁钉，即常用生铁（GBT-718-2005），除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素对性质试验造成影响。国标显示生铁与A3铁板的含铁量低于不锈钢，此外就其晶体结构而言，不利于与酸溶液发生置换反应。因此，鉴于Fe2+能被空气中O2氧化原因，铁钉与铁屑均不宜于演示实验。经过多次实验证明，选择铁钉分别与6 mol/L盐酸、3 mol/L硫酸提前一天进行实验，虽可观察到溶液中的浅绿色，但也证明了铁钉中含有碳的黑色颗粒。此外，生铁中含锰，在酸性介质中以+2价的粉红色[Mn（H2O）6]2+水合离子存在，Mn（Ⅱ）为四面体配合物，在四面体中，其晶体分裂能较八面体场低，所以高自旋四面体型配合物颜色较深，呈黄绿色[6]。此外，铁钉与稀硫酸发生反应，久置溶液，会有FeSO4·7H2O绿色晶体的析出。FeSO4·7H2O晶体在空气中易氧化为黄褐色的碱式硫酸铁（Ⅲ）Fe（OH）SO4，因此，在酸的选择上，宜使用盐酸。若选择铁屑与8 mol/L盐酸提前一天进行实验，可观察到溶液中的浅绿色；若选择4 mol/L的硫酸提前一天进行实验，则液体中悬浮有较多的黑色颗粒会影响浅绿色的观察。
4.3 杜绝实验材料选择中的“想当然”
有的教师认为不锈钢含铁量高于生铁，于是在课堂实验中选择不锈钢为实验材料，其实不然。查阅资料得知，201不锈钢其含碳量（%）≤0.15，硅：≤0.75，锰：5.5～7.50，铬：16.0～18.0，氮：≤0.25，磷：≤0.060，硫：≤0.030，镍：3.50～5.50，铜：半铜0.8，高铜1.5 [GB/T20878-2007]。不锈钢屑与盐酸或硫酸溶液反应，呈现诸多颜色变化，原因在于首先不锈钢中铬含量至少大于12%，且铬的价电子层结构为3d54s1，6个价电子均可成键，具多种氧化态；在酸性介质中，非钝化的铬十分活跃，易将不锈钢中铜、镍等从其溶液中置换出来；在与盐酸溶液反应中，铬会先生成蓝色的CrCl2溶液，进一步被空气氧化为绿色的CrCl3溶液，由于Cr3+离子配位能力极强，在盐酸溶液中以紫色的[Cr（H2O）6]3+、蓝绿色的[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O和绿色的[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O形式存在；铬与硫酸溶液反应生成Cr2（SO4）3与冷硫酸以紫色的 Cr2（SO4）3·18H2O、绿色的Cr2（SO4）3·6H2O与桃红色的Cr2（SO4）3无水形式存在。其次Ni能溶于稀酸中，如与硫酸反应生成NiSO4，在溶液中能以绿色晶体NiSO4·7H2O形式存在。同理，Ni也能与盐酸反应，其生成物以NiCl2·7H2O、NiCl2·6H2O、NiCl2·4H2O和NiCl2·2H2O等一系列绿色晶体形式存在[7]。因此，在表4所显示的实验现象中，观察到的浅绿色并非完全为[Fe（H2O）6]2+所呈现的颜色。不锈钢与硫酸发生反应，局部出现桃红色Cr2（SO4）3、紫色的Cr2（SO4）3·18H2O、绿色Cr2（SO4）3·6H2O，故反应起初呈现浅红绿色现象，随着反应进行，铁与镍更多地参与反应，呈现深绿色现象。不锈钢与盐酸反应，现象較硫酸更复杂，反应起初，由于[Cr（H2O）6]3+、[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O、[Cr（H2O）4Cl2]Cl·2H2O和[Fe（H2O）6]2+的综合配色影响，而显浅黄绿色；随着反应的进行，较多绿色晶体NiCl2·7H2O、NiCl2·6H2O、NiCl2·4H2O和NiCl2·2H2O的生成，将黄绿色掩盖，因此可在1h后观察到深绿色现象。由于不锈钢中铬含量很高，最终由于[Cr（H2O）6Cl]Cl2·H2O的影响，使溶液呈现青色现象。由此，笔者认为不锈钢与盐酸或硫酸溶液反应，不宜用于金属Fe与非氧化性酸的演示实验或学生实验。
结合实验结果与分析，我们建议，在中学阶段的演示实验或学生实验中，为提高课堂效率，宜使用还原性铁粉（分析纯或优级纯）与8M的盐酸溶液反应，能快速出现浅绿色现象。此外，可采用加热法提高反应速率、滴加植物油液封以及添加过量铁粉以防止氧化。
正是由于化学物质种类的多样性与性质上的差异性，才让世界五彩斑斓，吸引人们去探究发现其规律。中学教师应具备扎实的专业知识，格物致知，本着科学的实验态度来研究实验教学中出现的问题，不能单凭“想当然”而不借助理论知识，即便是看似简单的中学实验，也应以严谨的科学态度认真对待，并以实验优化证实。
参考文献：
[1]王晶等.义务教育课程标准实验教科书·化学（下册）[M].北京：人民教育出版社，2012：9～11.
[2]宋心琦等.普通高中课程标准实验教科书·化学1[M].北京：人民教育出版社，2012：100～102.
[3]王程杰.关注氯离子效应在实验中的应用[J].化学教学，2015，（12）：53～56.
[4]谈小强.关于钢铁腐蚀的理论探讨和实验分析[J].化学教学，2012，（5）：47～49.
[5]刘怀乐.理性解读浓硫酸的吸水性、脱水性和氧化性[J].教学仪器与实验，2010，26（3）：29～31.
[6][7]北京师范大学，华中师范大学，南京师范大学无机化学教研室.无机化学（下册）（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：760～784.