硫酸亚铁铵的制备

(共64张PPT)
课题1　硫酸亚铁铵的制备
学习目标
1.通过制备实验，进一步了解分离和提纯化合物常用的一些方法。
2.了解、学习并尝试有关制备实验方案的设计。
3.训练物质的称量、溶解、加热、结晶、抽滤、水浴加热、倾析法分离或洗涤等操作技能。
4.了解复盐硫酸亚铁铵的制备原理和方法。
课堂互动讲练
知能优化训练
课前自主学案
探究整合应用
课题1
课前自主学案
自主学习
一、实验原理
1．硫酸亚铁铵的性质
硫酸亚铁铵[(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O]为______色晶体，商品名为_________，是一种______，易溶于水,不溶于______,一般亚铁盐在空气中易被______,形成复盐后就比较稳定。与其他复盐一样，硫酸亚铁铵在水中的溶解度比组成它的每一种盐FeSO4或(NH4)2SO4都要____ (见下表)。利用这一性质可以制取硫酸亚铁铵晶体：将含FeSO4和(NH4)2SO4的溶液___________，冷却后结晶可得到硫酸亚铁铵晶体。
浅绿
摩尔盐
复盐
乙醇
氧化
小
蒸发浓缩
硫酸铵、水合硫酸亚铁、硫酸亚铁铵在水中的溶解度
10 ℃ 20 ℃ 30 ℃ 40 ℃ 50 ℃ 70 ℃
(NH4)2SO4 73.0 75.4 78.0 81.0 84.5 91.9
FeSO4·7H2O 40.0 48.0 60.0 73.3 － －
(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O 18.1 21.2 24.5 27.9 31.3 38.5
2.硫酸亚铁铵的制备
将铁屑与稀硫酸反应可制得___________溶液，然后加入等物质的量的________，加热浓缩可得到混合溶液，冷却至室温，则析出____________晶体。反应的化学方程式如下：
___________________________，
_________________________________________ _________。
硫酸亚铁
硫酸铵
硫酸亚铁铵
Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑
FeSO4＋(NH4)2SO46H2O===(NH4)2SO4·FeSO4·
6H2O↓
思考感悟
1．为什么硫酸铵溶液和硫酸亚铁溶液混合，浓缩后会析出硫酸亚铁铵晶体？
二、实验步骤
本制备实验的操作过程可分为三个步骤，即铁屑的净化、__________的制备和___________晶体的制备。
1．取一只小烧杯，放入约5 g铁屑，向其中注入15 mL 1 mol·L－1 Na2CO3溶液，浸泡或小火加热数分钟，以除去铁屑表面的油污，然后用______法分离并洗涤铁屑，晾干。即：浸泡(煮沸)→ ______法分离→洗涤→晾干(烘干)。
硫酸亚铁
硫酸亚铁铵
倾析
倾析
2．用托盘天平称取4.2 g洗净的铁屑，放入洁净的锥形瓶中，向其中加入25 mL 3 mol·L－1 H2SO4溶液,加热(有氢气生成，用明火加热注意安全)，并不断振荡锥形瓶。反应过程中应适当补充水，使溶液体积基本保持不变(防止析出_______晶体)，待反应基本完全后，再加入1 mL 3 mol·L－1 H2SO4溶液(抑制FeSO4 _______)，趁热过滤，将滤液转移至蒸发皿中。即：称量→加酸并加热→振荡→补充水→加硫酸→趁热过滤(抽滤)→转移至蒸发皿中。
FeSO4
水解
3．称取9.5 g (NH4)2SO4晶体，配成饱和溶液，倒入制得的硫酸亚铁溶液中，搅拌，小火加热，在蒸发皿中蒸发浓缩至溶液表面出现______为止。将溶液静置，自然冷却，即有硫酸亚铁铵晶体析出。抽滤，并用少量______洗去晶体表面附着的水分。即：加硫酸铵饱和溶液→蒸发浓缩(出现晶膜)→冷却结晶→抽滤→酒精洗涤晶体。
4．取出晶体，用干净的______吸干，称重并计算产率。即：用滤纸吸干→称量→计算。
晶膜
酒精
滤纸
思考感悟
2．在制备硫酸亚铁铵的过程中，如何防止Fe2＋的氧化和水解？
【提示】　(1)加入过量的铁：Fe2＋易被氧气等氧化成Fe3＋，在制备过程中为了防止其氧化，提高产品的纯度，需加入过量的铁，同时还可除去废铁屑中铁锈带入的Fe3＋。另外，蒸发浓缩溶液时要少搅拌，浓缩后溶液转移到密封容器中冷却结晶，以减少接触空气的时间。
(2)保持溶液的酸性：溶液中Fe2＋可发生水解：Fe2＋＋2H2O?? Fe(OH)2＋2H＋，在反应过程中应加入过量稀硫酸，保持溶液一定的酸性，抑制Fe2＋发生水解。
自主体验
解析：选A。摩尔盐是一种复盐，因为在电离时产生两种金属阳离子(NH可看作金属阳离子)，它是一种结晶水合物，是纯净物。
2．下列关于硫酸亚铁铵的溶解度大小的叙述正确的是(　　)
A．比硫酸亚铁大
B．比硫酸铵大
C．比硫酸亚铁、硫酸铵都小
D．比硫酸亚铁、硫酸铵都大
解析：选C。硫酸亚铁铵的溶解度比FeSO4、(NH4)2SO4都要小。
3．铝铵矾，其主要化学成分为十二水硫酸铝铵,向该盐的溶液中逐滴加入NaOH溶液，产生的现象有：
①溶液中出现白色沉淀；
②有刺激性气味的气体放出；
③白色沉淀量逐渐增多；
④白色沉淀逐渐消失。
请排出以上各种现象由先到后出现的正确顺序(用序号回答)________________________。
答案：①③②④
课堂互动讲练
硫酸亚铁铵的制备
1．配制硫酸亚铁铵溶液时，要将普通蒸馏水煮沸冷却后立即使用。防止配溶液时，部分Fe2＋被O2氧化。
2．由于FeSO4是强酸弱碱盐，水解显酸性，所以H2SO4要过量，以防止FeSO4水解。
3．制备(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O要采用水浴加热。水浴加热浓缩易控制加热温度，温度过高Fe2＋易被空气中的O2氧化。蒸发浓缩时会发生水解反应。
4．在制备硫酸亚铁铵的过程中，要用少量酒精洗去晶体表面的水分。
将绿矾(FeSO4·7H2O)、硫酸铵以相等物质的量混合可制得摩尔盐晶体。(NH4)2SO4＋FeSO4＋6H2O===(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O↓
Ⅰ.根据下图回答：
例1
(1)步骤2中铁屑过量的目的是____________。
(2)步骤3中，加入(NH4)2SO4固体后，要得到摩尔盐晶体，需经过的实验操作包括：加热蒸发、________、________。浓缩时能否蒸发至干，为什么？_____________________________。
(3)步骤3中制得的晶体过滤后用无水乙醇洗涤的目的是____________________________；不用蒸馏水洗涤，理由是______________________。
Ⅱ.制摩尔盐的原料之一是硫酸铵，评价硫酸铵化肥的主要指标如下：
指标 优等品 一等品 合格品
外观 白色结晶，无可见机械杂质 无可见机械杂质
氮(N)含量 ≥21.0% ≥21.0% ≥20.5%
某研究性学习小组对某硫酸铵化肥样品进行了如下实验探究：
[观察外观]该硫酸铵化肥无可见机械杂质。
[实验探究]按图示装置进行实验。
[交流讨论]
(1)甲同学：根据此实验测得的数据，计算的硫酸铵化肥的含氮量可能偏高，因为实验装置中存在一个明显缺陷：______________________。
(2)乙同学：实验过程中，往烧瓶中加入的浓氢氧化钠溶液一定要足量并充分加热，原因是
________________________________________________________________________。
[探究结论]称取13.5 g硫酸铵化肥样品，用改进后的实验装置重新进行实验，测得实验后B装置增重3.4 g。则该化肥含氮量为________，由此可判断该化肥的品质。
【解析】　Ⅰ.(1)剩下一点铁屑，可以还原氧化生成的Fe3＋，保证Fe2＋稳定、纯净地存在，减少产物中的Fe3＋杂质，Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。
(2)浓缩结晶摩尔盐时要用小火加热，加热浓缩初期可轻微搅拌，但注意观察晶膜，若有晶膜出现,则停止加热，防止摩尔盐失水。更不能蒸发至干,蒸干时溶液中的杂质离子会被带入晶体中，晶体可能会受热分解或被氧化。
【答案】　Ⅰ.(1)防止Fe2＋被氧化成Fe3＋：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋
(2)冷却结晶　过滤　不能。蒸干时溶液中的杂质离子会被带入晶体中；蒸干时晶体会受热分解或氧化
(3)利用乙醇的挥发，除去晶体表面附着的水分
①减少晶体在洗涤时的溶解；②减少蒸馏水中溶解氧对晶体的氧化
Ⅱ.[交流讨论](1)A、B装置间缺一个干燥装置
(2)使硫酸铵充分反应，完全转化为NH3
[探究结论]20.7%
【规律方法】　在过滤FeSO4溶液时要趁热过滤，否则FeSO4在过滤时会析出，使得到的硫酸亚铁的量减少。如果FeSO4 损失会使(NH4)2SO4的物质的量偏大。
变式训练1　(2011年高考海南卷)硫酸亚铁铵[(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O]为浅绿色晶体，实验室中常以废铁屑为原料来制备，其步骤如下：
步骤1　将废铁屑放入碳酸钠溶液中煮沸除油污，分离出液体，用水洗净铁屑。
步骤2　向处理过的铁屑中加入过量的3 mol·L－1H2SO4溶液，在60 ℃左右使其反应到不再产生气体，趁热过滤，得FeSO4溶液。
步骤3　向所得FeSO4溶液中加入饱和(NH4)2SO4溶液，经过“一系列操作”后得到硫酸亚铁铵晶体。
请回答下列问题：
(1)在步骤1的操作中，下列仪器中不必用到的有________(填仪器编号)；
①铁架台　②燃烧匙　③锥形瓶　④广口瓶　⑤研钵　⑥玻璃棒　⑦酒精灯
(2)在步骤2中所加的硫酸必须过量，其原因是
____________________________；
(3)在步骤3中，“一系列操作”依次为______、________和过滤；
(4)本实验制得的硫酸亚铁铵晶体常含有Fe3＋杂质。检验Fe3＋常用的试剂是__________，可以观察到的现象是
____________________________。
解析：(1)步骤1用热Na2CO3溶液除去铁屑表面的油污，铁屑不溶于水，可通过过滤的方法予以分离，不必用到的仪器有②④⑤。
(2)FeSO4易水解，加入过量H2SO4可抑制FeSO4的水解。
(3)FeSO4、(NH4)2SO4均易溶于水，欲得到硫酸亚铁铵，可经过蒸发、结晶、过滤等操作。
(4)实验室常用KSCN(或NH4SCN)溶液来定性检验Fe3＋，可观察到溶液变成血红色。
答案：(1)②④⑤　(2)抑制FeSO4水解
(3)蒸发　结晶　(4)KSCN溶液　溶液变成血红色
典型物质的实验室制备
2．选择最佳原料
实验室用铝盐溶液与碱溶液反应制取氢氧化铝，应选用氨水，而不能选用强碱溶液；用铜盐与碱溶液反应制取氢氧化铜，应选用强碱溶液，而不能选用氨水(氢氧化铜可溶解在氨水中)等。
3．选择适宜的操作方法
实验室制备氢氧化亚铁时，因氢氧化亚铁在空气中极易与氧气、水反应生成氢氧化铁，需要注意隔绝空气。其方法是：(1)亚铁盐需新制(用足量铁与稀硫酸反应或还原氯化铁溶液)；(2)将所用氢氧化钠溶液煮沸以赶尽溶于其中的空气(O2)；(3)使用长滴管吸入氢氧化钠溶液后将滴管伸至氯化亚铁溶液的液面以下，慢慢挤压乳胶头使氢氧化钠与氯化亚铁充分接触。
4．选择适宜的收集、分离方法
常见实验室制备的有机物有乙酸乙酯、溴乙烷等。因它们的沸点较低，通常用加热的方法使其汽化与反应混合物分离，溴乙烷则直接用冷凝的方法收集,而乙酸乙酯蒸气必须通入饱和碳酸钠溶液中，这样既可除去同时挥发出去的乙醇、乙酸蒸气，又可分层进而分离出乙酸乙酯，上层为乙酸乙酯。
例2
(2011年福州高二检测)[实验设计]某研究性学习小组在研究由Fe2＋制备Fe(OH)2的过程中，设计了如下实验方案：
方法一：按照图1进行实验，容器A中的反应开始时，活塞C处于打开状态，一段时间后，关闭活塞C，容器A中的反应仍在进行。最终在________容器中观察到白色沉淀(填“A”或“B”)。
方法二：按图2进行实验，最终在两极中间的溶液中首先观察到白色沉淀。请从所给的试剂和电极材料中选择正确的序号填在横线上：
①蒸馏水；②NaCl溶液；③NaOH溶液；④四氯化碳；⑤CuCl2溶液；⑥乙醇；⑦铁棒；⑧植物油；⑨碳棒。
其中a为________，d为________。(填序号)
[探究思考]实验表明上述实验中出现的白色沉淀会逐渐变为灰绿色或绿色，那么，如何解释出现灰绿色或绿色的现象呢？
甲同学查阅资料后，得到Fe(OH)2的如下信息：
资料名称 物理性质描述 化学性质描述
《化学辞典》顾翼东编637页 白色无定形粉末或白色至淡绿色六方晶体 与空气接触易被氧化，将细粉喷于空气中，则立即燃烧出火花
《大学普通化学》(下册)傅鹰著637页 白色沉淀 此沉淀易被氧化成微绿色的Fe3(OH)8
《普通化学教程》788页 白色 能强烈吸收O2，迅速变成棕色Fe(OH)3，这时氧化的中间物为土绿色，其中含有Fe2＋、Fe3＋
(1)阅读该资料后，你对上述实验中出现灰绿色或绿色现象的解释是_______________________；
资料中提到的微绿色Fe3(OH)8，用氧化物的形式表示可写成____________。
(2)乙同学根据配色原理：白色和棕色不可能调配成绿色或灰绿色，认为绿色可能是Fe(OH)2·nH2O所致。用热水浴的方式加热“方法一”中生成的绿色沉淀，观察到沉淀有由绿变白的趋势。加热时，“方法一”中活塞C应处于________(填“打开”或“关闭”)状态，容器A中的反应需处于________(填“停止”或“发生”)状态。写出该实验中支持乙同学观点的化学方程式_________________________。
(3)欢迎你参加该研究小组讨论，请提出一种有助于对沉淀由“白”变“绿”现象进行合理解释的实验设计新思路：
_________________________________________________________________________________。
【解析】　此题以探究实验为载体综合考查了电化学和化学实验知识，并且考查了分析问题、知识迁移能力。由所学知识可知，Fe(OH)2极易被空气中的氧气氧化生成Fe(OH)3，分析图1可知，用此实验装置可以延缓Fe(OH)2被氧化的时间，从而观察到白色Fe(OH)2沉淀。反应开始后，锥形瓶A中的铁屑和稀硫酸反应，生成硫酸亚铁和氢气，此时活塞C应处于打开位置，生成的H2进入锥形瓶B中，赶跑装置B中的空气，使装置B中充满H2，再关闭活塞C后，生成的H2使A中压强增大，把A中的溶液压入B中，此时硫酸应有剩余，在B中硫酸和硫酸亚铁分别与NaOH反应。
方法二是利用电解的方法来制备Fe(OH)2，结合题给试剂和电极材料，要在电解过程中产生Fe2＋,应选取铁棒作阳极，阴极可以选用铁棒也可以用碳棒，选取电解质溶液要注意题给信息：“在两极中间的溶液中首先观察到白色沉淀”，d应选取NaCl溶液，若选NaOH溶液就会在阳极区首先观察到白色沉淀,若选用蒸馏水则导电能力太弱。结合物质的密度大小，应选取植物油覆盖在电解质溶液上方来隔绝空气。分析甲同学所查资料可
知，沉淀变成灰绿色或绿色主要是因为部分Fe(OH)2被空气氧化成棕色的Fe(OH)3。以氧化物的形式表示Fe3(OH)8的方法与表示硅酸盐的方法相似，其形式为FeO·Fe2O3·4H2O。验证乙同学的猜测时要防止Fe(OH)2·nH2O被空气氧化,因此活塞C应处于打开状态,容器A中的反应也要继续进行。Fe(OH)2·nH2O受热分解生成氢氧化亚铁和水。
变式训练2　某化学课外活动小组在实验室用废铁屑或废铁丝与稀硫酸反应制取氢气，并提取FeSO4·7H2O晶体。
(1)甲同学把试管底部钻出一小洞，并和广口瓶组成如图中(甲)装置，该装置的优点是________________________________________________________________________。
乙同学认为，可把(甲)装置做如图(乙)的改动，用橡皮塞替代铁架台来固定试管。请判断乙同学的做法是否可行？__________，理由是________________________________________________________________________。
(2)由于铁屑或铁丝与硫酸反应速率慢，实验过程中有的同学提出采用电解的方法，可以加快制取FeSO4溶液的反应速率，该方法的电解质溶液是__________，阳极的电极反应方程式为：__________________________________。
请你再写出一种(不包括改变温度和硫酸的浓度)以铁单质为反应物，能加快铁屑或铁丝与硫酸反应速率的方法：
__________________________________。
(3)铁屑表面少量的铁锈(主要成分为Fe2O3·xH2O)对制取硫酸亚铁有无影响？________(填“有”或“无”)，其原因是_________________________。
(4)FeSO4在不同温度下的溶解度如下表所示：
由于废铁屑含有C、Si等杂质，为了使FeSO4溶液的浓度增大，便于反应后分离溶液和残渣，该小组实验时采取了水浴加热和趁热过滤的方法。这样做的主要目的是为了防止_______________。
你认为实验时的水浴温度最好控制在____ ℃左右。
温度/℃ 0 10 20 30 40 50 60 70 80
溶解度/g 18.5 20.8 26.3 32.8 40.1 48.4 52.4 50.9 43.7
解析：(1)甲同学的设计利用了启普发生器的原理,但乙同学的装置由于广口瓶被橡皮塞密封后，瓶内的气压会随液体的排入而增大，使试管中的液体不能在关闭阀门时排入广口瓶中，因而不能使反应随时停止，甚至会由于容器中气压过高而发生危险，故不可行。
(2)用电解的方法加快制取FeSO4溶液的反应速率,电解质溶液应为稀硫酸，这样阳极Fe失电子生成Fe2＋进入溶液，阴极生成氢气，既可以防止亚铁离子水解，又可以防止亚铁离子被氧化。由外界条件对反应速率的影响可知，能加快铁屑或铁丝与硫酸反应速率的方法很多，但是改变温度和硫酸的浓度不在考虑之列。因此可以考虑增大反应物接触面积或设计成原电池。
(3)过量的铁屑可以将Fe3＋还原成Fe2＋，因此只要保证铁屑过量，就可以排除铁锈的影响。
(4)随着温度的升高FeSO4的溶解度先增大后减小,故为使FeSO4溶液的浓度较大应把温度控制在60 ℃左右。
答案：(1)通过开、关导管上的阀门可以控制试管内的反应随时发生或随时停止　不可行　由于广口瓶被橡皮塞密封后，瓶内的气压会随液体的排入而增大，使试管中的液体不能在关闭阀门时排入广口瓶中，因而不能使反应随时停止，甚至会由于容器中气压过高而发生危险
(2)稀硫酸　Fe－2e－===Fe2＋　增大反应物接触面积：用铁粉与稀硫酸反应或利用原电池原理：用铁与铜(或CuSO4 溶液，炭粉等)和稀硫酸反应
(3)无　Fe2O3·xH2O与H2SO4反应生成Fe3＋，过量的铁屑可以将Fe3＋还原成Fe2＋，只要保证铁屑过量，就可以排除铁锈的影响
(4)析出的硫酸亚铁晶体与残渣一起被过滤掉(或硫酸亚铁晶体析出)　60
探究整合应用
用制氢废液制备硫酸锌晶体
利用实验室制氢废液，过滤除去PbSO4等杂质后,用ZnO调节滤液使其pH约为2，加热、蒸发、浓缩溶液，制得较高温度下的硫酸锌饱和溶液，冷却结晶可制得硫酸锌晶体，通过重结晶的方法可得到纯度较高的硫酸锌晶体。
实验室通常用粗锌和稀硫酸反应制氢气，因此在制氢废液中含有大量的硫酸锌。同时，由于粗锌中还含有铁等杂质，使得溶液中混有一定量的硫酸亚铁，为了充分利用制氢废液，常用其制备皓矾(ZnSO4·7H2O)。某校化学兴趣小组的同学以制备氢气的废液为原料来制取皓矾并探究其性质。制备皓矾的实验流程如图所示：
例
已知：开始生成氢氧化物沉淀到沉淀完全的pH范围分别为：
Fe(OH)3：2.7～3.7　Fe(OH)2：7.6～9.6
Zn(OH)2：5.7～8.0
试回答下列问题：
(1)加入的试剂①，供选择使用的有：氨水、NaClO溶液、20%的H2O2、浓硫酸、浓硝酸等，应选用________，其理由是
_____________________________。
(2)加入的试剂②,供选择使用的有：Zn粉、ZnO、Zn(OH)2、ZnCO3、ZnSO4等，应选用____________，其理由是
________________________________________________________________________。
(3)从晶体1→晶体2，该过程的名称是
____________。
(4)在得到皓矾时，向晶体中加入少量酒精洗涤而不用水的原因是_______________________。
【解析】　本题以制备H2的废液为原料来制取皓矾并探究其性质，为了避免引入杂质且容易将杂质除去，综合考虑应选20%的H2O2；由流程图结合题给信息分析可以看出②中的试剂是通过调节pH使Fe3＋生成沉淀，故ZnO[或ZnCO3或Zn(OH)2]都可以选用。洗涤晶体是为了除去晶体表面吸附的杂质，使用酒精是为了避免晶体的溶解。
【答案】　(1)20%的H2O2　将制氢废液中的Fe2＋氧化为Fe3＋，同时避免引入新的杂质
(2)ZnO[或ZnCO3或Zn(OH)2]　调节溶液的pH至3.7～5.7，使得Fe3＋完全转化为Fe(OH)3沉淀，同时避免引入新的杂质
(3)重结晶
(4)洗掉晶体表面吸附的杂质离子，防止晶体溶解，影响产率