硫酸亚铁铵制备实验的改进*

2014-01-26韦正友石婷婷司友琳孙远东

大学化学 2014年1期

关键词：铜粉铁粉硫酸亚铁

韦正友石婷婷司友琳孙远东

(蚌埠医学院安徽蚌埠 233030)

硫酸亚铁铵制备实验的改进*

韦正友＊＊石婷婷司友琳孙远东

(蚌埠医学院安徽蚌埠 233030)

对传统的敞开式制备硫酸亚铁铵实验进行改进。采用“封闭体系”制备硫酸亚铁，可有效防止Fe2+被氧化，并可以吸收废气防止污染环境;利用原电池原理，加入少量碳粉或铜粉加速反应，能使反应进行得较彻底。使用乙醇可以制得品质好、收率高的硫酸亚铁铵产品;使用过的乙醇可回收再利用。

硫酸亚铁硫酸亚铁铵乙醇封闭体系原电池

硫酸亚铁铵(莫尔盐)的化学式为(NH4)2Fe(SO4)2·6H2O，外观为浅蓝绿色单斜晶体，溶于水而不溶于乙醇。亚铁盐在空气中通常易被氧化，而硫酸亚铁铵在空气中比一般亚铁盐稳定，较不易被氧化，是化学中常用的还原剂，在分析化学中还常被用作氧化还原滴定的基准物［1］。硫酸亚铁铵的实验室制备分两步:一是制取硫酸亚铁(常用金属铁与稀硫酸反应来制取);二是硫酸亚铁与等物质的量的硫酸铵混合，利用复盐的溶解度比反应物盐的溶解度小的特性，经结晶制得硫酸亚铁铵。有关反应方程式如下:

传统制法为敞开式［1-2］，制取硫酸亚铁需要水浴加热，操作过程中极易导致Fe2+被氧化成Fe3+，增加产物中杂质Fe3+含量，还需要补加酸或补充水等以控制溶液的pH［3-4］，热过滤时硫酸亚铁晶体的析出，还会导致最终产品收率较低。此外，加热蒸发、浓缩硫酸亚铁与硫酸铵混合溶液以结晶出硫酸亚铁铵时，也会增加杂质Fe3+含量，导致产品纯度下降。

改进后的硫酸亚铁制备为封闭式，能够有效防止反应过程中Fe2+被氧化，并可以吸收废气防止污染环境;利用原电池原理，加入少量碳粉或铜粉可以加速反应，可以不用水浴加热;在硫酸亚铁与硫酸铵混合溶液液面上覆盖适量乙醇，既隔绝空气，又促进硫酸亚铁铵产品析出，且不需要加热，能有效避免溶液酸度的调节及Fe2+被氧化，所得产物的品质好，收率高。

1 实验试剂及主要仪器

实验试剂:铁粉，活性炭粉，铜粉，硫酸，硫酸铵，乙醇，邻二氮菲，铁铵矾，盐酸，盐酸羟胺，均为分析纯。

主要仪器:TG-328分析天平(上海天平仪器厂)，721分光光度计(上海精密科学仪器有限公司)，滴液漏斗，布氏漏斗，吸滤瓶，锥形瓶，吸量管，比色管。

2 实验装置

改进后的硫酸亚铁制备实验装置如图1所示，配有气体吸收装置［5］，整个反应体系为封闭式，体系内部产生的气体可以逸出反应体系外而外界空气不能进入。锥形瓶装有滴液漏斗，制备硫酸亚铁时，产生的气体排除反应体系中的空气，并经吸收液(KMnO4/H2SO4)吸收可能产生的H2S、PH3等有害气体［6］。

3 实验步骤

3.1 硫酸亚铁的制备

在锥形瓶中加入2.0g铁粉(化学纯铁粉，或相当量的表面已除去油污的铁屑［1］)和0.5g活性炭粉(或铜粉)的混合物，由滴液漏斗滴加20mL的3mol·L－1硫酸(滴加结束时留取少许)，反应产生的气体被吸收液吸收废气后逸出;同时，反应不断产生的H2排除反应体系内的空气。待铁粉(铁屑)反应近完毕，产生了大量的硫酸亚铁后，由滴液漏斗加入14mL经煮沸除氧的蒸馏水(最后留取少许，以使反应体系不进入空气)，使生成的硫酸亚铁全部溶解。

图1 硫酸亚铁制备实验装置

3.2 硫酸亚铁铵的制备

待铁粉(铁屑)反应完毕，由滴液漏斗加入理论量经煮沸除氧的蒸馏水配制的硫酸铵饱和溶液。滴加完毕，待溶液混合均匀后，减压过滤，滤渣用经煮沸除氧的蒸馏水洗涤(3×2mL)。迅速取滤液置于容器中，沿器壁缓慢加入适量乙醇，使之覆盖在液面上。随着乙醇在溶液中不断扩散，硫酸亚铁铵逐渐结晶析出。过滤，结晶用无水乙醇洗涤(3×5mL)，倒在滤纸上晾干。

3.3 产品的纯度测定

采用邻二氮菲分光光度法测定产品的含铁量［7］。将分析纯铁铵矾溶于水，盐酸酸化后配制成100g·L－1铁标液;类似地，配制含铁约100mg·L－1的产品溶液;盐酸羟胺作为还原剂，邻二氮菲作为显色剂，使用721型分光光度计测定508nm处吸光度，绘制工作曲线，从曲线上求得产品的原始浓度，进而求出产品的含铁量，并与理论值(14.25%)比较，得出产品纯度，即产品的含铁量占理论值的百分率。

3.4 产品的等级分析

产品的等级分析采用目视比色法［1］。将分析纯铁铵矾配制成100mg·L－1的Fe3+标准溶液，再配制不同等级的标准色阶，其Fe3+量分别为:Ⅰ级(0.05mg);Ⅱ级(0.10mg);Ⅲ级(0.20mg)。称1g样品放入25mL比色管中，然后与Fe3+标准溶液同体积同样处理，并与标准色阶比较，用目视比色法进行等级分析。

4 结果与讨论

实验中使用铁粉(化学纯铁粉，或相当量的已处理铁屑)与硫酸(稍过量)反应制备硫酸亚铁，硫酸铵按与铁粉等物质的量的理论量投料。在使用和不使用“封闭体系”、使用和不使用碳粉或铜粉及使用乙醇作溶剂等条件下制备硫酸亚铁铵，进行对照实验。

4.1 反应体系对产品质量的影响

使用传统的敞开式制法，在两步反应中都有空气存在，加之温度较高，发生Fe2+被氧化为Fe3+的反应，所得目标产品甚至比Ⅲ级差，即Fe3+量高于0.20mg;杂质含量也较高，产品甚至略带黄色。使用改进后的封闭式制法，排除了反应体系内的空气，第一步制得的硫酸亚铁较纯，所得最终产品优于Ⅰ级，即Fe3+量低于0.050mg，杂质少，质量好，为浅蓝绿色晶体。文献［4］采用封闭式体系制备硫酸亚铁，再将硫酸亚铁溶液压入到与大气相通的硫酸铵溶液底部，放置，结晶出硫酸亚铁铵。本文采用装置相对简单的封闭式体系制备硫酸亚铁，再利用硫酸亚铁铵在乙醇中不溶的性质，于硫酸亚铁和硫酸铵溶液液面上覆盖乙醇以隔绝空气，并高收率地结晶出硫酸亚铁铵。

4.2 碳粉或铜粉对反应的影响

其他条件相同，不使用碳粉或铜粉时，铁粉与稀硫酸反应很慢，耗费时间很长，很难反应彻底，后续制备硫酸亚铁铵收率偏低;使用碳粉或铜粉时，铁粉与稀硫酸反应较快，制备时间明显缩短，反应能进行得比较彻底，后续制备硫酸亚铁铵收率较高，原因是使用碳粉或铜粉构成了原电池，促使反应明显加快，反应如下:

Fe2+在溶液pH高或温度高时容易被空气氧化;而加热蒸发、浓缩硫酸亚铁与硫酸铵混合溶液以结晶出硫酸亚铁铵时，水分减少使溶液pH降低，导致硫酸浓度升高，氧化能力增强，也使Fe2+易被氧化。改进后的整个制备过程一般不需要加热，第一步反应结束及第二步反应均不需要补加酸或补充水调节溶液的pH。当实验室气温较低时，仅需微热即可以加速反应;由于为“封闭体系”，产品质量几乎不受影响。

4.3 溶剂对产品收率的影响

传统方法以水作溶剂制备硫酸亚铁铵，产品收率较低。文献［3］以水作溶剂，经改进后收率能够达到65%以上，纯度可达到95%以上;文献［4］也以水作溶剂，经改进后收率为41.2%～67.2%。虽然硫酸亚铁铵在水中的溶解度比硫酸亚铁和硫酸铵都要小，但将硫酸亚铁溶液与硫酸铵溶液混合，往往形成的是饱和或过饱和溶液，难以析出晶体。本文的改进制法中，在硫酸亚铁和硫酸铵混合溶液液面上覆盖乙醇，不仅可以隔绝空气，而且由于硫酸亚铁铵在乙醇中不溶，随着乙醇在溶液中不断扩散，硫酸亚铁铵晶体逐渐析出并长大，得到颗粒较大、结晶较完全的晶体，产品收率高，品质好。使用不同体积无水乙醇时的产品收率及含铁量、纯度见表1。从表1可知，产品收率达81.7%以上，纯度达96.7%以上，均优于Ⅰ级。用95%乙醇也可代替无水乙醇，但使用量要适当加大。