蒋红年 李惠勇

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：1005–6629（2016）10–0042–03 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 背景

锌与氯化铁溶液的反应一直以来都有许多人在探究，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

在以往的探究中，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500mL 1 mol/L的FeCl3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℃。

（2）将所配的氯化铁溶液全部倒入一个双颈烧瓶中，依据方程式：“3Zn+2FeCl3=2Fe+3ZnCl2”，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FeCl3为0.5mol时，所需锌粉为0.75mol，实验时加入1mol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℃，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++Zn2+，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FeCl3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）。

已知常温下Ksp[Fe（OH）3]=2.6×10-39，刚开始时pH=0.70，此时若要使Fe3+沉淀下来，其最小浓度为c（Fe3+）=Ksp[Fe（OH）3]/c3（OH-）=2.6×100.9=20.65 mol/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-）=2.6×10-11.9 mol/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FeCl3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鋅粉后，锌粉主要和氯化铁反应。

3.2 第二阶段现象及理论分析

15min后溶液中产生大量气泡，用试管收集后放在酒精灯火焰上有爆鸣声，证明是氢气。

由于我们比较三价铁与氢离子的还原顺序，虽然锌离子不处在标态，但我们忽略此影响，因其不对还原顺序产生影响。

由此可得，K1、K2均較大，理论上两个反应均可以进行得非常完全，但由于E1>E2，应先进行三价铁的还原，所以刚开始时没有氢气生成，随着反应的进行，Fe3+浓度逐渐减小，氧化性逐渐减弱，最终会进行反应2H++Zn=Zn2++H2。所以开始时没有氢气产生，一段时间后才产生氢气。

4 结论及反思

4.1 锌与氯化铁的反应是比较复杂的，存在多个反应且反应是分先后阶段的

4.2 在水溶液中，在锌粉过量时可以从氯化铁中置换出铁，但只是少量单质铁

在特定的条件下，倒是可以制出大量单质铁。如季晓亮、王锦化老师[3]在微波辐射下制出大量单质铁；杨珂、刘晓燕老师[4]在乙醚溶液中制出了单质铁。

4.3 反思

反观上述高考题，在水溶液中Fe2（SO4）3既要水解又要和锌发生氧化还原反应，一定不可能全部转化成单质铁，所以即使得到单质铁也一定会小于11.2g。随着化学科学的发展，理论化学的研究取得了惊人的发展，但是理论推导和数学计算的结果是否正确，仍然需要用实验来验证。

对相同物质间的反应为什么会有如此多不同的结论呢？首先是因为化学反应的发生受到许多条件的影响，如温度、压强、浓度、紫外线和酸碱度等，当条件改变时有可能发生不同的反应；其次与研究的手段有关，比如本文所述实验使用压力传感器才观测到压强的实时变化过程；再次，与研究者的心态有关，或许只做了一次实验，或许缺乏深入的思考，就急于成文发表。笔者在本研究中就曾出现过类似情况，第一次实验时用磁铁没有检测出铁，认为该反应不会有铁生成并已成文，好在后来多次重复实验中都得到了铁，即该实验中只要锌粉足量就一定会有铁生成，但只是少量单质铁。

参考文献：

[1]潘明忠.锌和三氯化铁溶液的反应[J].中学化学教学参考，2000，（8～9）：82～83.

[2]刘映进，柳兆华.锌和FeCl3溶液反应有无单质铁析出[J].中学化学教学参考，1985，（1）：4～6.

[3]季晓亮，王锦化.微波辐射条件下锌与氯化铁溶液反应的研究[J].化学教育，2009，（11）：65～68.

[4]杨珂，刘晓燕 .锌与氯化铁溶液反应的新研究[J].科技信息（学术研究），2008，（1）：421～423.