跨学科设计氢氧化亚铁制备实验

摘要： 基于氧化还原反应原理，结合生物学知识，设计了制备Fe（OH）2的新实验：采用简易的套管装置，利用酵母菌呼吸作用去除管内的氧气，综合生物和物理知识，跨学科创造性地在无氧环境中制备Fe（OH）2。结果表明调控酵母菌量可有效避免制备的Fe（OH）2被氧化。另外通过改变反应物滴加方式和浓度的试验，解释了Fe（OH）2沉淀过程中呈浅绿色的原因。新设计的装置能成功制备白色的Fe（OH）2沉淀，现象清晰，操作简便。

关键词： 氢氧化亚铁； 酵母菌； 制备实验； 跨学科实验

文章编号： 1005-6629（2023）02-0060-05    中图分类号： G633.8    文献标识码： B

新课标在金属铁及其化合物的学习活动建议中提到了氢氧化亚铁的制备实验，这是中学化学教学中一个非常重要的课堂实验。高中化学苏教版化学必修第二册对制备氢氧化亚铁实验方案的描述如下：向试管中加入FeSO4溶液，再逐滴加入NaOH溶液，边滴加边振荡试管［1］。该实验现象通常是先观察到白色絮状沉淀并迅速变成灰绿色，再变成红褐色。实验过程中难于观察到稳定的白色的氢氧化亚铁沉淀，即依据教材实验方案很难制备出较为纯净的Fe（OH）2。因此，研究者们采用各种途径对实验方案进行改进，寻求有效制备Fe（OH）2沉淀的实验方法。

1  Fe（OH）2制备实验的研究现状

目前对氢氧化亚铁制备实验的研究，主要有以下三个方面。（1）影响沉淀现象的主要因素探究。针对制备Fe（OH）2过程中会呈现浅绿色这一现象，研究者通过改变反应物的加入顺序，向NaOH中滴加FeSO4以及加热（促使Fe2+水解）的方法减少溶液中亚铁离子的浓度，成功制得了白色的Fe（OH）2沉淀［2］。此外，研究者探讨了FeSO4溶液中Fe3+的含量对制备氢氧化亚铁的影响，通过降低反应体系中的Fe3+含量，使用较高浓度的NaOH溶液，使得生成白色沉淀的现象更加清晰［3］。（2）实验试剂的改进。利用FeSO4·（NH4）2SO4·6H2O在空气中较稳定的特点，以Na2SO3和NH3·H2O模拟该溶液环境，提高溶液中Fe2+的稳定性，同时，还原性的SO2－3可除去溶液中的溶解氧。此外，研究者通过Fe2+和HCO－3（或CO2－3）的双水解反应制备Fe（OH）2，利用反应生成的CO2气体排出溶解氧，抑制空气中的氧气进入反应体系，避免Fe（OH）2被氧化［4］。（3）实验装置的改进。利用铁粉和稀硫酸产生的氢气排尽生成的硫酸亚铁溶液及试管中空气，以注射器提供的封闭环境隔绝氧气，用注射器抽取FeSO4后，再抽取NaOH，成功制得了白色的Fe（OH）2;或以简易塑料滴管用蒸馏水隔绝空气，通过挤出滴管内的部分蒸馏水后依次吸取FeSO4和NaOH制备Fe（OH）2［5］。还有研究者通过X射线衍射技术，分析教材实验和已有改进实验所制备产物的化学组成，利用西林瓶、注射器、鲁尔阀等对实验进行再改进，由此制备的Fe（OH）2白色沉淀可以较长时间稳定存在［6］。上述研究通过不同的方式降低了氧气对实验的干扰，制备出了白色的Fe（OH）2。化学作为一门“中心学科”与生物学科有着紧密联系，若利用化学反应原理中的氧化还原知识，结合生物实验去除装置内的氧气，有利于生物与化学学科知识的交叉融合，培养学生的综合思维能力。酵母菌的呼吸实验是高中生物课程的一个重要实验，该反应的作用本质是葡萄糖的氧化分解，将其与Fe（OH）2的制备相联系，不仅能加深学生对相关知识的理解，同时有助于学生创新意识的培养。

依据酵母菌氧化反应的电动势（1.24V）高于Fe（OH）2氧化为Fe（OH）3的电动势（0.94V）的特点，在Fe（OH）2制备实验中，利用酵母菌有氧呼吸（葡萄糖氧化）消耗装置内的氧气，为实验提供无氧或低氧环境，有效降低Fe（OH）2的氧化程度。同时可通过调变酵母菌用量，使得氧气保持优先和葡萄糖反应，避免生成的Fe（OH）2被氧化。基于上述思路，本研究设计制备氢氧化亚铁的套管装置，将酵母菌置于套管装置的外管中进行呼吸实验，可同时耗尽内外管中的氧气，使得内管处于低氧或者无氧环境，再进行Fe（OH）2的制备实验，有效避免Fe（OH）2被氧化。本研究方案以及设计的反应装置适用于高中化学的Fe（OH）2制备实验，操作简便，易于推广。

2  实验原理

2.1  酵母菌呼吸实验

酵母菌是一种兼性厌氧菌，以葡萄糖为底物，可以在有氧环境中进行有氧呼吸，在无氧环境或在氧气浓度极低的情况下进行无氧呼吸，反应的化学方程式如下。

有氧呼吸：C6H12O6＋6H2O＋6O26CO2＋12H2O

ΔrGθm=6ΔfGθm（CO2）＋12ΔfGθm（H2O）－

ΔfGθm（C6H12O6）－6ΔfGθm（H2O）－6ΔfGθm（O2）=

-2879kJ·mol-1

Eθ=ΔrGθm-zF=-2879×1000-24×96485.3=1.24V

无氧呼吸：C6H12O62C2H5OH＋2CO2

ΔrGθm=2ΔfGθm（C2H5OH）＋2ΔfGθm（CO2）－ΔfGθm（C6H12O6）=－215kJ·mol-1

Eθ=ΔrGθm-zF=-215×1000-8×96485.3=0.28V

从上述计算反应的吉布斯自由能变结果可知，酵母菌有氧呼吸的反应趋势大，因此可以尝试利用酵母菌的有氧呼吸消耗反应装置内的氧气，为Fe（OH）2的制备实验创造无氧环境。由于对干酵母复水活化可提高酵母菌有氧呼吸的速率，加强酵母菌的代谢活动［7］，从动力学角度考虑，为缩短酵母菌有氧呼吸的耗氧时间，需在实验前对干酵母进行活化处理。另外从反应方程式可知，有氧呼吸的气体消耗量和生成量是相等的，而无氧呼吸会生成额外的CO2气体，可以根据装置内的压强变化判断酵母菌是否开始无氧呼吸，即装置内的氧气是否被排尽。通过对这一现象观察，还有助于学生将物理学科中与压强相关的知识应用于化学实验。

2.2  Fe（OH）2制备实验

Fe（OH）2被氧气氧化的方程式为4Fe（OH）2＋O2＋2H2O4Fe（OH）3，该反应的电极反应式为O2＋2H2O＋4e－4OH－和Fe（OH）2＋OH－－e－Fe（OH）3。Fe3+和Fe2+在碱性条件会结合OH－生成Fe（OH）3和Fe（OH）2，由此可知，c（OH－）=1.0mol/L时，φθ［Fe（OH）3/Fe（OH）2］=φ（Fe3+/Fe2+）。可以根据Ksp求出此时的c（Fe3+）和c（Fe2+），再结合φθ（Fe3+/Fe2+），通过能斯特方程求出φ（Fe3+/Fe2+）。计算过程如下：

当c（OH－）=1.0mol/L时，有

c（Fe3+）=Kθsp［Fe（OH）3］［c（OH-）］3=2.8×10-391.03=2.8×10-39

c（Fe2+）=Kθsp［Fe（OH）2］［c（OH-）］2=4.9×10-171.02=4.9×10-17

将其代入Fe3+＋e－Fe2+的能斯特方程，

φ（Fe3+/Fe2+）=φθ（Fe3+/Fe2+）＋0.059lgc（Fe3+）c（Fe2+）=0.77＋0.059lg2.8×10-394.9×10-17=－0.54V

因此φθ［Fe（OH）3/Fe（OH）2］=φ（Fe3+/Fe2+）=－0.54V

可以进而求得4Fe（OH）2＋O2＋2H2O4Fe（OH）3的电动势，

Eθ=φθ（O2/OH－， H2O）－φθ［Fe（OH）3/Fe（OH）2］=0.4－（－0.54）=0.94V

标准电动势越高，反应越容易发生。4Fe（OH）2＋O2＋2H2O4Fe（OH）3的标准电动势较高，这也解释了Fe（OH）2易被氧气氧化的原因。由此可知，制备Fe（OH）2的关键是创造无氧环境，本文通过煮沸的方法去除试剂中的溶解氧，通过酵母菌的呼吸作用保证实验装置内的无氧或者低氧环境。

在Fe（OH）2制备过程中通常会呈现浅绿色，有研究者认为浅绿色物质可能是Fe（OH）2吸附了溶液中浅绿色的Fe2+所致［8，9］，也有研究者认为是生成Fe（OH）2水合物的缘故［10］。本文通过改变NaOH和FeSO4的浓度及其滴加方式，探究了制备Fe（OH）2过程中白色沉淀带浅绿色的本质原因，确定制备Fe（OH）2的理想实验方案。

3  教学分析

“Fe（OH）2的制备”是高中化学苏教版化学必修第二册专题九“金属与人类文明”第二单元“探究铁及其化合物的转化”的内容［11］。从学生的知识储备角度来看，学生在高中化学必修第一册的学习中已经初步掌握了氧化还原反应原理，同时在高中生物必修一也学习了细胞呼吸的原理和应用。对于开展本文的实验设计，学生具有良好的基础。本实验既是对高一上学期所学内容的巩固与提升，又为后续电极电势、吉布斯自由能等内容的学习奠定扎实的基础，体现了知识螺旋上升的特点。

4  实验装置和试剂

4.1  实验仪器与试剂

实验仪器：玻璃套管，橡胶塞，注射器，烧杯，塑料滴管，水浴锅

实验试剂：干酵母，5%葡萄糖溶液，蒸馏水，NaOH，FeSO4·7H2O，铁粉，食用油

4.2  实验装置

实验装置如图1所示，将酵母菌有氧呼吸和制备Fe（OH）2两个实验置于同一套管内进行。

4.3  实验步骤

（1） 配制溶液：用新煮沸冷却的蒸馏水配制0.1、 0.3、 0.5、 1.0mol/L的FeSO4溶液，加入过量铁粉，用食用油液封；用新煮沸冷却的蒸馏水配制2、 4、 6、 8mol/L的NaOH，用食用油液封。

（2） 制备酵母菌培养液［12］：称取0.3g干酵母于烧杯，加入3mL蒸馏水，在30℃恒温水浴中活化10min，再加入3mL 5%葡萄糖溶液，搅拌均匀，制得酵母菌培养液。

（3） 酵母菌呼吸耗氧过程的实验设计：用一次性塑料滴管向玻璃套管的外管中加入3mL酵母菌培养液，塞紧橡胶塞，利用酵母菌的有氧呼吸消耗装置内的氧气。向橡胶塞中扎入注射器，可以通过观察注射器的活塞变化判断氧气是否被耗尽，若活塞被顶起，说明生成了额外的CO2，即装置内的氧气已被除尽，反之，则说明酵母菌还未开始无氧呼吸。

（4） Fe（OH）2的制备：待玻璃套管内的氧气被排尽后，用注射器向玻璃套管内管中分别加入NaOH和FeSO4，制备Fe（OH）2（具体用量及现象见表1和表2）。

5  结果与讨论

5.1  酵母菌呼吸耗氧过程的探究

用上述方法制备的酵母菌培养液进行酵母菌的呼吸耗氧实验，在5分钟内可以观察到注射器活塞被顶起，说明用该方法培养的酵母菌有氧呼吸速率较快，能在较短的时间内耗尽装置中的氧气，适用于本文的实验设计。

5.2  Fe（OH）2制备过程产生浅绿色现象探究

表1为盐和碱不同加入方式对生成的Fe（OH）2颜色变化的影响：向NaOH溶液中快速滴加FeSO4，此时生成的Fe（OH）2略带浅绿色，10min后颜色加深；而缓慢加入FeSO4生成的Fe（OH）2呈现白色，放置60min颜色没有明显变化；向FeSO4中滴加NaOH时，制得的Fe（OH）2白色沉淀也很快变成浅绿色。经对比可知，向NaOH中快速滴加FeSO4，以及向FeSO4中缓慢滴加NaOH时，溶液中都存在过量的Fe2+，由于浅绿色的Fe2+能够被Fe（OH）2吸附，从而导致白色沉淀变色。这与报道的认为浅绿色沉淀是由于形成了Fe（OH）2水合物的结果不同［13］。此外，发现向NaOH滴加FeSO4较向FeSO4滴加NaOH制得的Fe（OH）2更为致密。