Fe2+、Fe3+相互转化系列例题的选择与解析
2014-02-20朱怀义
朱怀义
摘要：选择了一系列以印刷电路板的制作、蚀刻废液的再生等为素材的典型例题，并进行了详细的解析，引导学生深入理解Fe3+与Fe2+相互转化的原理，优化思维品质，提高解决问题的能力。
关键词：Fe3+与Fe2+相互转化；例题解析；思维优化；印刷电路板
文章编号：1005–6629（2014）1–0063–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
印刷电路板（PCB）（如图1所示）的制作、蚀刻废液的再生处理过程均涉及Fe3+与Fe2+的相互转化。本文以此为素材、选取典型例题，分析转化原理，加深学生对相关知识的理解，优化学生的思维品质，提高解决问题的能力。
1 PCB的制作——Fe3+被还原为Fe2+
结合图2来说明印刷电路板的制作原理。取一块敷铜板（单面敷有铜箔的树脂绝缘板），除去铜片上的油污，洗净、吹干，用棉签蘸取少量饱和的FeCl3溶液，在铜片上画一个“+”，放置片刻后，用少量水将铜片上的溶液冲到小烧杯中。在铜片上留下“+”字符号，发生反应：2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2。实际制作PCB时，先用油漆描电子线路，待油漆干后放入浓FeCl3溶液中。约20 min后，用镊子取出，洗净、吹干。用适当的溶剂清洗掉油漆，就得到用铜箔绘制在树脂上的电路板。
分析印刷电路板蚀刻原理：2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+，氧化性Fe3+>Cu2+，还原性Cu>Fe2+；分析“湿法冶金”原理：Fe+Cu2+=Fe2++Cu，氧化性Cu2+>Fe2+，还原性Fe>Cu。统合起来的总结论是：氧化性Fe3+>Cu2+>Fe2+，还原性Fe>Cu>Fe2+；这是高中阶段最重要、必须透彻理解且熟练运用的氧化还原反应规律之一。
所以“有铁无铜”的情况不可能出现。答案B。
值得注意的是，一是铁是实现Fe3+向Fe2+转化的最佳试剂，既不引入新杂质离子，过剩部分又容易过滤除去；二是认为“有铁无铜”的情况不可能出现的原因是铁能将溶液中的Cu2+置换出来，这种认识是与题意不符的，因为在铁剩余情况下，铜根本没有机会发生反应进入溶液。
2 蚀刻溶液的再生——Fe2+被氧化为Fe3+
印刷电路板是由高分子材料和铜箔复合而成，刻印电路时，常用过量的FeCl3溶液作为“蚀刻液”，所以在蚀刻废液中含有FeCl3、CuCl2和FeCl2；由于电路板的需求量急剧增大，其生产过程中产生的废液已对环境造成严重污染，处理废液，从中回收铜、使蚀刻废液再生是亟需解决的问题。
例2 （2012年12月徐州高三质检试题）在电子工业中溶解铜的蚀刻液除FeCl3-HCl溶液外，主要还有H2O2-HCl溶液。蚀刻废液中含有大量的Cu2+，废液的回收利用不仅减少铜资源的流失，还可使废液再生蚀刻能力。请回答以下问题：
（1）FeCl3溶液腐蚀铜的离子方程式 。
（2）H2O2-HCl型蚀刻液蚀刻过程中发生的化学反应用化学方程式可表示为 。
（3）用Fe和Cl2分别作为还原剂和氧化剂对蚀刻废液进行处理，可回收铜并使蚀刻液再生。请分别写出回收铜和再生蚀刻液过程中发生反应的离子方程式是 （有多少写多少）。
（4）处理H2O2型废液的方法之一是向废液中加入NaHCO3，以制备Cu2（OH）2CO3。其反应的化学方程式为 。
解析：本题意在扩充介绍H2O2-HCl溶液溶解铜、使蚀刻溶液再生蚀刻能力和铜资源回收的措施之一。
答案：（1）2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+
（2）Cu+H2O2+2HCl=CuCl2+2H2O
（3）①Fe+2Fe3+=3Fe2+
②Fe+Cu2+=Fe2++Cu
③Fe+2H+=Fe2++H2↑
④2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-
（4）2CuCl2+4NaHCO3=Cu2（OH）2CO3↓+4NaCl+ H2O+3CO2↑
3 混合液（Fe3+、Fe2+和Cu2+）的分离
在制作PCB所得蚀刻废液中含有FeCl3、CuCl2和FeCl2，上面所谈的回收利用是处理方向之一；在中学阶段，对混合溶液处理的另一方向是调控溶液的pH、将混合组分加以分离提纯。在《化学反应原理》之“难溶性物质溶解平衡”中，教材对此做了如下阐释：
在无机化合物的制备和提纯、废水处理等领域中，常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。例如，除去硫酸铜溶液中混有的少量Fe3+，可向溶液中加入Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3，调整溶液的pH至3～4，Fe3+会全部转化为Fe（OH）3除去。
虽然Cu（OH）2难溶于水，但Fe（OH）3的溶解度比Cu（OH）2小得多[在25℃时，Cu（OH）2的溶解度为1.73×10-6 g，而Fe（OH）3的溶解度为3.0×10-9 g]，当溶液的pH超过5时，Cu2+才开始转化为Cu（OH）2沉淀。因此，我们可以通过控制溶液的pH，达到除去Fe3+而让Cu2+保留在溶液中的目的。
通过图4可以看出，Fe（OH）3（s）、Cu（OH）2（s）分别在溶液中达到沉淀溶解平衡后，改变溶液pH，金属阳离子浓度将发生变化。值得注意的是，由于Fe（OH）2为絮状、不稳定沉淀，不易彻底沉降，为除去废液中的Fe2+，常先将Fe2+氧化为Fe3+，再调节溶液的pH使Fe3+转化为红褐色的Fe（OH）3沉淀析出。
请回答以下问题：
（1）①铜帽溶解时加入H2O2的目的是（用化学方程式表示）。②铜帽溶解完全后，需将溶液中过量的H2O2除去。除去H2O2的简便方法是 。
（2）已知pH>11时Zn（OH）2能溶于NaOH溶液生成[Zn（OH）4]2+。下表列出了几种离子生成氢氧化物沉淀和沉淀完全时的pH（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 mol·L-1计算）。
解析：在[实验探究]部分，废液中离子浓度求算：由8.61 g AgCl沉淀，知道10 mL废液中含0.06 mol Cl-；由0.32 g Fe2O3，知道10 mL废液中含0.004 mol Fe3+；观察蚀刻反应的化学方程式，知道废液中n（Fe2+）是n（Cu2+）二倍，进而推求各金属离子浓度。
在[交流讨论]部分，方案中不妥之处有两点：一是加入铁粉质量，丙同学忽略了Fe3+离子的存在；二是错用了氧化Fe2+的试剂，我们可以选择Cl2或30% H2O2溶液。对丙方案讨论是否到位，将直接影响后面问题的解决。
在[拓展延伸]中，我们一要注意待处理废液体积为1 L而非10 mL；二是要绘制的关系曲线纵横坐标的含义；三是加入的铁粉与废液中离子反应顺序是先Fe3+后Cu2+。
[拓展延伸]绘制的关系曲线如图。当Cu2+离子的物质的量减少一半时，加入铁粉的质量：w=[（1/2×0.40+0.08×1/2）]×1 L×56 g/mol=13.44 g。
综上所述，我们分析了实现Fe3+与Fe2+相互转化多种试剂的差别，对废液中铜资源的回收，也介绍了三种不同的选择方向[Cu、CuCl2（aq）、Cu2（OH）2CO3（s）]；同时，透过例题的剖析，也折射出学生在处理问题时的思维缺陷。相信这对优化学生的思维品质、提升学生的解题能力非常有利。
参考文献：
[1]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学2 [M].南京：江苏教育出版社，2012.
[2]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M].南京：江苏教育出版社，2013.
摘要：选择了一系列以印刷电路板的制作、蚀刻废液的再生等为素材的典型例题，并进行了详细的解析，引导学生深入理解Fe3+与Fe2+相互转化的原理，优化思维品质，提高解决问题的能力。
关键词：Fe3+与Fe2+相互转化；例题解析；思维优化；印刷电路板
文章编号：1005–6629（2014）1–0063–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
印刷电路板（PCB）（如图1所示）的制作、蚀刻废液的再生处理过程均涉及Fe3+与Fe2+的相互转化。本文以此为素材、选取典型例题，分析转化原理，加深学生对相关知识的理解，优化学生的思维品质，提高解决问题的能力。
1 PCB的制作——Fe3+被还原为Fe2+
结合图2来说明印刷电路板的制作原理。取一块敷铜板（单面敷有铜箔的树脂绝缘板），除去铜片上的油污，洗净、吹干，用棉签蘸取少量饱和的FeCl3溶液，在铜片上画一个“+”，放置片刻后，用少量水将铜片上的溶液冲到小烧杯中。在铜片上留下“+”字符号，发生反应：2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2。实际制作PCB时，先用油漆描电子线路，待油漆干后放入浓FeCl3溶液中。约20 min后，用镊子取出，洗净、吹干。用适当的溶剂清洗掉油漆，就得到用铜箔绘制在树脂上的电路板。
分析印刷电路板蚀刻原理：2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+，氧化性Fe3+>Cu2+，还原性Cu>Fe2+；分析“湿法冶金”原理：Fe+Cu2+=Fe2++Cu，氧化性Cu2+>Fe2+，还原性Fe>Cu。统合起来的总结论是：氧化性Fe3+>Cu2+>Fe2+，还原性Fe>Cu>Fe2+；这是高中阶段最重要、必须透彻理解且熟练运用的氧化还原反应规律之一。
所以“有铁无铜”的情况不可能出现。答案B。
值得注意的是，一是铁是实现Fe3+向Fe2+转化的最佳试剂，既不引入新杂质离子，过剩部分又容易过滤除去；二是认为“有铁无铜”的情况不可能出现的原因是铁能将溶液中的Cu2+置换出来，这种认识是与题意不符的，因为在铁剩余情况下，铜根本没有机会发生反应进入溶液。
2 蚀刻溶液的再生——Fe2+被氧化为Fe3+
印刷电路板是由高分子材料和铜箔复合而成，刻印电路时，常用过量的FeCl3溶液作为“蚀刻液”，所以在蚀刻废液中含有FeCl3、CuCl2和FeCl2；由于电路板的需求量急剧增大，其生产过程中产生的废液已对环境造成严重污染，处理废液，从中回收铜、使蚀刻废液再生是亟需解决的问题。
例2 （2012年12月徐州高三质检试题）在电子工业中溶解铜的蚀刻液除FeCl3-HCl溶液外，主要还有H2O2-HCl溶液。蚀刻废液中含有大量的Cu2+，废液的回收利用不仅减少铜资源的流失，还可使废液再生蚀刻能力。请回答以下问题：
（1）FeCl3溶液腐蚀铜的离子方程式 。
（2）H2O2-HCl型蚀刻液蚀刻过程中发生的化学反应用化学方程式可表示为 。
（3）用Fe和Cl2分别作为还原剂和氧化剂对蚀刻废液进行处理，可回收铜并使蚀刻液再生。请分别写出回收铜和再生蚀刻液过程中发生反应的离子方程式是 （有多少写多少）。
（4）处理H2O2型废液的方法之一是向废液中加入NaHCO3，以制备Cu2（OH）2CO3。其反应的化学方程式为 。
解析：本题意在扩充介绍H2O2-HCl溶液溶解铜、使蚀刻溶液再生蚀刻能力和铜资源回收的措施之一。
答案：（1）2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+
（2）Cu+H2O2+2HCl=CuCl2+2H2O
（3）①Fe+2Fe3+=3Fe2+
②Fe+Cu2+=Fe2++Cu
③Fe+2H+=Fe2++H2↑
④2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-
（4）2CuCl2+4NaHCO3=Cu2（OH）2CO3↓+4NaCl+ H2O+3CO2↑
3 混合液（Fe3+、Fe2+和Cu2+）的分离
在制作PCB所得蚀刻废液中含有FeCl3、CuCl2和FeCl2，上面所谈的回收利用是处理方向之一；在中学阶段，对混合溶液处理的另一方向是调控溶液的pH、将混合组分加以分离提纯。在《化学反应原理》之“难溶性物质溶解平衡”中，教材对此做了如下阐释：
在无机化合物的制备和提纯、废水处理等领域中，常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。例如，除去硫酸铜溶液中混有的少量Fe3+，可向溶液中加入Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3，调整溶液的pH至3～4，Fe3+会全部转化为Fe（OH）3除去。
虽然Cu（OH）2难溶于水，但Fe（OH）3的溶解度比Cu（OH）2小得多[在25℃时，Cu（OH）2的溶解度为1.73×10-6 g，而Fe（OH）3的溶解度为3.0×10-9 g]，当溶液的pH超过5时，Cu2+才开始转化为Cu（OH）2沉淀。因此，我们可以通过控制溶液的pH，达到除去Fe3+而让Cu2+保留在溶液中的目的。
通过图4可以看出，Fe（OH）3（s）、Cu（OH）2（s）分别在溶液中达到沉淀溶解平衡后，改变溶液pH，金属阳离子浓度将发生变化。值得注意的是，由于Fe（OH）2为絮状、不稳定沉淀，不易彻底沉降，为除去废液中的Fe2+，常先将Fe2+氧化为Fe3+，再调节溶液的pH使Fe3+转化为红褐色的Fe（OH）3沉淀析出。
请回答以下问题：
（1）①铜帽溶解时加入H2O2的目的是（用化学方程式表示）。②铜帽溶解完全后，需将溶液中过量的H2O2除去。除去H2O2的简便方法是 。
（2）已知pH>11时Zn（OH）2能溶于NaOH溶液生成[Zn（OH）4]2+。下表列出了几种离子生成氢氧化物沉淀和沉淀完全时的pH（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 mol·L-1计算）。
解析：在[实验探究]部分，废液中离子浓度求算：由8.61 g AgCl沉淀，知道10 mL废液中含0.06 mol Cl-；由0.32 g Fe2O3，知道10 mL废液中含0.004 mol Fe3+；观察蚀刻反应的化学方程式，知道废液中n（Fe2+）是n（Cu2+）二倍，进而推求各金属离子浓度。
在[交流讨论]部分，方案中不妥之处有两点：一是加入铁粉质量，丙同学忽略了Fe3+离子的存在；二是错用了氧化Fe2+的试剂，我们可以选择Cl2或30% H2O2溶液。对丙方案讨论是否到位，将直接影响后面问题的解决。
在[拓展延伸]中，我们一要注意待处理废液体积为1 L而非10 mL；二是要绘制的关系曲线纵横坐标的含义；三是加入的铁粉与废液中离子反应顺序是先Fe3+后Cu2+。
[拓展延伸]绘制的关系曲线如图。当Cu2+离子的物质的量减少一半时，加入铁粉的质量：w=[（1/2×0.40+0.08×1/2）]×1 L×56 g/mol=13.44 g。
综上所述，我们分析了实现Fe3+与Fe2+相互转化多种试剂的差别，对废液中铜资源的回收，也介绍了三种不同的选择方向[Cu、CuCl2（aq）、Cu2（OH）2CO3（s）]；同时，透过例题的剖析，也折射出学生在处理问题时的思维缺陷。相信这对优化学生的思维品质、提升学生的解题能力非常有利。
参考文献：
[1]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学2 [M].南京：江苏教育出版社，2012.
[2]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M].南京：江苏教育出版社，2013.
摘要：选择了一系列以印刷电路板的制作、蚀刻废液的再生等为素材的典型例题，并进行了详细的解析，引导学生深入理解Fe3+与Fe2+相互转化的原理，优化思维品质，提高解决问题的能力。
关键词：Fe3+与Fe2+相互转化；例题解析；思维优化；印刷电路板
文章编号：1005–6629（2014）1–0063–04 中图分类号：G633.8 文献标识码：B
印刷电路板（PCB）（如图1所示）的制作、蚀刻废液的再生处理过程均涉及Fe3+与Fe2+的相互转化。本文以此为素材、选取典型例题，分析转化原理，加深学生对相关知识的理解，优化学生的思维品质，提高解决问题的能力。
1 PCB的制作——Fe3+被还原为Fe2+
结合图2来说明印刷电路板的制作原理。取一块敷铜板（单面敷有铜箔的树脂绝缘板），除去铜片上的油污，洗净、吹干，用棉签蘸取少量饱和的FeCl3溶液，在铜片上画一个“+”，放置片刻后，用少量水将铜片上的溶液冲到小烧杯中。在铜片上留下“+”字符号，发生反应：2FeCl3+Cu=2FeCl2+CuCl2。实际制作PCB时，先用油漆描电子线路，待油漆干后放入浓FeCl3溶液中。约20 min后，用镊子取出，洗净、吹干。用适当的溶剂清洗掉油漆，就得到用铜箔绘制在树脂上的电路板。
分析印刷电路板蚀刻原理：2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+，氧化性Fe3+>Cu2+，还原性Cu>Fe2+；分析“湿法冶金”原理：Fe+Cu2+=Fe2++Cu，氧化性Cu2+>Fe2+，还原性Fe>Cu。统合起来的总结论是：氧化性Fe3+>Cu2+>Fe2+，还原性Fe>Cu>Fe2+；这是高中阶段最重要、必须透彻理解且熟练运用的氧化还原反应规律之一。
所以“有铁无铜”的情况不可能出现。答案B。
值得注意的是，一是铁是实现Fe3+向Fe2+转化的最佳试剂，既不引入新杂质离子，过剩部分又容易过滤除去；二是认为“有铁无铜”的情况不可能出现的原因是铁能将溶液中的Cu2+置换出来，这种认识是与题意不符的，因为在铁剩余情况下，铜根本没有机会发生反应进入溶液。
2 蚀刻溶液的再生——Fe2+被氧化为Fe3+
印刷电路板是由高分子材料和铜箔复合而成，刻印电路时，常用过量的FeCl3溶液作为“蚀刻液”，所以在蚀刻废液中含有FeCl3、CuCl2和FeCl2；由于电路板的需求量急剧增大，其生产过程中产生的废液已对环境造成严重污染，处理废液，从中回收铜、使蚀刻废液再生是亟需解决的问题。
例2 （2012年12月徐州高三质检试题）在电子工业中溶解铜的蚀刻液除FeCl3-HCl溶液外，主要还有H2O2-HCl溶液。蚀刻废液中含有大量的Cu2+，废液的回收利用不仅减少铜资源的流失，还可使废液再生蚀刻能力。请回答以下问题：
（1）FeCl3溶液腐蚀铜的离子方程式 。
（2）H2O2-HCl型蚀刻液蚀刻过程中发生的化学反应用化学方程式可表示为 。
（3）用Fe和Cl2分别作为还原剂和氧化剂对蚀刻废液进行处理，可回收铜并使蚀刻液再生。请分别写出回收铜和再生蚀刻液过程中发生反应的离子方程式是 （有多少写多少）。
（4）处理H2O2型废液的方法之一是向废液中加入NaHCO3，以制备Cu2（OH）2CO3。其反应的化学方程式为 。
解析：本题意在扩充介绍H2O2-HCl溶液溶解铜、使蚀刻溶液再生蚀刻能力和铜资源回收的措施之一。
答案：（1）2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+
（2）Cu+H2O2+2HCl=CuCl2+2H2O
（3）①Fe+2Fe3+=3Fe2+
②Fe+Cu2+=Fe2++Cu
③Fe+2H+=Fe2++H2↑
④2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-
（4）2CuCl2+4NaHCO3=Cu2（OH）2CO3↓+4NaCl+ H2O+3CO2↑
3 混合液（Fe3+、Fe2+和Cu2+）的分离
在制作PCB所得蚀刻废液中含有FeCl3、CuCl2和FeCl2，上面所谈的回收利用是处理方向之一；在中学阶段，对混合溶液处理的另一方向是调控溶液的pH、将混合组分加以分离提纯。在《化学反应原理》之“难溶性物质溶解平衡”中，教材对此做了如下阐释：
在无机化合物的制备和提纯、废水处理等领域中，常利用生成沉淀来达到分离或除去某些离子的目的。例如，除去硫酸铜溶液中混有的少量Fe3+，可向溶液中加入Cu（OH）2或Cu2（OH）2CO3，调整溶液的pH至3～4，Fe3+会全部转化为Fe（OH）3除去。
虽然Cu（OH）2难溶于水，但Fe（OH）3的溶解度比Cu（OH）2小得多[在25℃时，Cu（OH）2的溶解度为1.73×10-6 g，而Fe（OH）3的溶解度为3.0×10-9 g]，当溶液的pH超过5时，Cu2+才开始转化为Cu（OH）2沉淀。因此，我们可以通过控制溶液的pH，达到除去Fe3+而让Cu2+保留在溶液中的目的。
通过图4可以看出，Fe（OH）3（s）、Cu（OH）2（s）分别在溶液中达到沉淀溶解平衡后，改变溶液pH，金属阳离子浓度将发生变化。值得注意的是，由于Fe（OH）2为絮状、不稳定沉淀，不易彻底沉降，为除去废液中的Fe2+，常先将Fe2+氧化为Fe3+，再调节溶液的pH使Fe3+转化为红褐色的Fe（OH）3沉淀析出。
请回答以下问题：
（1）①铜帽溶解时加入H2O2的目的是（用化学方程式表示）。②铜帽溶解完全后，需将溶液中过量的H2O2除去。除去H2O2的简便方法是 。
（2）已知pH>11时Zn（OH）2能溶于NaOH溶液生成[Zn（OH）4]2+。下表列出了几种离子生成氢氧化物沉淀和沉淀完全时的pH（开始沉淀的pH按金属离子浓度为1.0 mol·L-1计算）。
解析：在[实验探究]部分，废液中离子浓度求算：由8.61 g AgCl沉淀，知道10 mL废液中含0.06 mol Cl-；由0.32 g Fe2O3，知道10 mL废液中含0.004 mol Fe3+；观察蚀刻反应的化学方程式，知道废液中n（Fe2+）是n（Cu2+）二倍，进而推求各金属离子浓度。
在[交流讨论]部分，方案中不妥之处有两点：一是加入铁粉质量，丙同学忽略了Fe3+离子的存在；二是错用了氧化Fe2+的试剂，我们可以选择Cl2或30% H2O2溶液。对丙方案讨论是否到位，将直接影响后面问题的解决。
在[拓展延伸]中，我们一要注意待处理废液体积为1 L而非10 mL；二是要绘制的关系曲线纵横坐标的含义；三是加入的铁粉与废液中离子反应顺序是先Fe3+后Cu2+。
[拓展延伸]绘制的关系曲线如图。当Cu2+离子的物质的量减少一半时，加入铁粉的质量：w=[（1/2×0.40+0.08×1/2）]×1 L×56 g/mol=13.44 g。
综上所述，我们分析了实现Fe3+与Fe2+相互转化多种试剂的差别，对废液中铜资源的回收，也介绍了三种不同的选择方向[Cu、CuCl2（aq）、Cu2（OH）2CO3（s）]；同时，透过例题的剖析，也折射出学生在处理问题时的思维缺陷。相信这对优化学生的思维品质、提升学生的解题能力非常有利。
参考文献：
[1]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学2 [M].南京：江苏教育出版社，2012.
[2]王祖浩主编.普通高中课程标准实验教科书·化学反应原理[M].南京：江苏教育出版社，2013.
