大学化学, 2022, 37(3): 2107087-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202107087

化学实验

基于炭黑和磁铁改进硫酸亚铁铵的制备实验及综合利用

李玲,, 王军珂, 余圆文, 刘世宇, 王应席, 王娟, 王凯

Improvement of the Preparation of Ammonium Ferrous Sulfate Based on Carbon Black and a Magnet

Li Ling,, Wang Junke, Yu Yuanwen, Liu Shiyu, Wang Yingxi, Wang Juan, Wang Kai

通讯作者: 李玲, Email: lingli@hubu.edu.cn

收稿日期: 2021-07-25   接受日期: 2021-09-10  

基金资助: 湖北大学教研项目.  201976
湖北大学教研项目.  2021018
教育部第二批新工科研究与实践项目.  E-HGZY20202020

Received: 2021-07-25   Accepted: 2021-09-10  

Abstract

An improved experiment for the preparation of ferrous ammonium sulfate has been introduced. In this method, carbon black was added during the reaction between iron filings and dilute sulfuric acid to form galvanic cells, in which the original reaction time was reduced from 1 h to 20 min. Upon pretreatment with a magnetic prior to atmospheric filtration, it only took 8 min to finish the filtration step to obtain the ferrous sulfate solution. By changing the experimental procedure, the time-consuming and inefficient original experiment was improved. The addition of carbon black quickly removed any organic pollutants after recycling, which expanded the comprehensive utilization value of the improved experiment. Through this experiment, students can understand the principle of preparing double salts, the role of primary batteries in improving the reaction rate in engineering, and the "maximization of value" in engineering design as well as enhance their perception of engineering.

Keywords: Improve the experiment ; Ammonium ferrous sulfate ; Carbon black ; Experimental efficiency ; Comprehensive utilization

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本文引用格式

李玲, 王军珂, 余圆文, 刘世宇, 王应席, 王娟, 王凯. 基于炭黑和磁铁改进硫酸亚铁铵的制备实验及综合利用. 大学化学[J], 2022, 37(3): 2107087-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107087

Li Ling. Improvement of the Preparation of Ammonium Ferrous Sulfate Based on Carbon Black and a Magnet. University Chemistry[J], 2022, 37(3): 2107087-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202107087

由废铁屑制备硫酸亚铁铵是大多数高校化学、化工专业的大一年级必做无机化学实验之一。20世纪70年代末以来,几乎所有相关高校都开设了此实验;同时,实验“硫酸亚铁铵的制备”也一直是很多中学生化学奥林匹克竞赛以及大学生化学实验竞赛赛前培训的典型代表实验[1]。但是该实验中存在如下问题:第一,废铁屑与稀硫酸在70 ℃水浴条件中反应至少需要50 min反应完全,耗时较长。第二,趁热常压过滤除去未反应的铁屑时,由于铁屑密度大,过滤时容易堵在漏斗中的滤纸下端,导致过滤速度很慢。仅常压过滤这一步操作,学生通常需要耗时30–40 min才能得到硫酸亚铁溶液。并且由于过滤时间耗时长,溶液在漏斗中冷却,硫酸亚铁晶体析出,降低滤液中硫酸亚铁浓度,从而降低硫酸亚铁铵产率。

在原有的实验方案中,学生仅能通过实验理解复盐的制备原理,训练称量、过滤、蒸发浓缩等基本操作。但是在新工科背景下,这种实验方案已经不能满足培养学生工程意识和创新能力的需求。为了使该实验更好地服务于教学,提升学生的综合能力,许多改进方案被提出。绝大多数改进方案集中在“绿色化”方面[2, 3],也有通过加入碳粉或铜粉形成原电池来加速铁与硫酸反应速率[47]。然而,改进实验中忽略了对产率影响主要实验环节之一——趁热常压过滤的改进,且没有充分体现改进实验价值的最大化[2, 3]

为了解决实验中的两个主要问题,培养学生的工程意识和创新能力,通过加入炭黑形成微小原电池加速反应,借助磁铁分离,缩短趁热常压过滤时间,提高产率。加入的炭黑在常压过滤后于滤纸中回收,回收后的炭黑干燥后可以用于去除有机污染物,增加实验的综合利用价值。改进后的实验不仅提高了实验效率,也帮助学生直观认识原电池对反应速率的积极作用,在实验设计中养成考虑综合利用价值的大局观,有助于培养学生的工程意识和创新能力。

1 实验原理与方案

1.1 实验原理

实验原理如图 1所示。加入炭黑,与铁粉在稀硫酸溶液中构成无数微小原电池,从而加快反应速率。使用磁铁将未反应完的铁屑迅速彻底分离后再进行常压过滤,加快过滤速率。硫酸亚铁溶液中加入硫酸铵蒸发浓缩得到硫酸亚铁铵,滤纸中的炭黑回收于烧杯中,放入烘箱中烘干后可以去除有机污染物。

图1

图1   实验原理


1.2 实验方案

实验改进方案如图 2所示。在原有的实验的方案中,进行了两处改进。第一处,提升铁与稀硫酸的反应速率。在铁与稀硫酸的反应中,加入炭黑,形成原电池,使反应提速。第二处,在常压过滤前进行预处理。磁铁贴紧烧杯外壁倾倒出烧杯内液体,在磁力作用下未反应完的铁屑聚集于烧杯内侧,从而彻底与液体分离。将倾倒出的液体进行常压过滤,由于没有铁屑进入过滤体系,仅有少量的炭黑溶液中,加快了常压过滤的速率。预先分离的铁屑可以回收再利用,加入的炭黑,可以回收用于去除有机污染物。

图2

图2   实验改进方案


2 试剂和仪器

2.1 试剂

导电炭黑,购于天津天一世纪化工产品科技发展有限公司。废铁屑由机械加工厂提供。浓硫酸、硫酸铵、碳酸钠、孔雀石绿均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司。3 mol∙L−1的稀硫酸由浓硫酸稀释而成。孔雀石绿储存液浓度为0.1 g∙L−1

2.2 仪器

蒸发浓缩时使用可调式封闭电炉(北京光明),使用电热鼓风干燥箱101-0A型(天津泰斯特)将滤渣烘干。

3 实验对比

实验中试剂的用量参照我院教师编写的实验教材《无机及化学分析实验》中“硫酸亚铁铵的制备”的用量[8]。教材中,铁屑用量为4.2 g,3 mol∙L−1 H2SO4用量为25 mL,(NH4)2SO4用量为9.5 g。由于4.2 g铁屑反应耗时时间较长,在平时实验操作中将铁屑用量与硫酸铵用量减半,即铁屑用量为2.1 g,硫酸铵的用量为4.7 g。在平时实验的基础上进行改进,考察改进的实验的效果。将未加入炭黑的实验列为“参照实验”,加入炭黑的改进实验列为“改进实验”,实验步骤对比如表 1所示。

表1   改进实验前后的实验步骤对比

实验步骤参照实验改进实验
铁屑净化(去油污)称取2.1 g铁屑,放入小烧杯中,加入15 mL Na2CO3溶液。小火加热约10 min后,用倾析法倒去Na2CO3碱性溶液,再用蒸馏水把铁屑冲洗洁净,备用
硫酸亚铁的制备往盛有2.1 g洁净铁屑的小烧杯中加入20 mL3 mol∙L−1 H2SO4溶液,置于盛有50 ℃热水的玻璃水槽内反应往盛有2.1 g洁净铁屑的小烧杯中加入20 mL3 mol∙L−1 H2SO4溶液,加入0.1 g炭黑,置于盛有50 ℃热水的玻璃水槽内反应
趁热常压过滤反应完毕后,趁热进行常压过滤,得到FeSO4溶液,转移蒸发皿中反应完毕后,磁铁分离铁屑后再进行常压过滤,得到FeSO4溶液,转移蒸发皿中
硫酸亚铁铵的制备称取4.7 g (NH4)2SO4,直接倒入FeSO4溶液中,加入2滴3 mol∙L−1 H2SO4溶液,加热蒸发浓缩至溶液表面刚出现结晶薄层时为止,自然冷却,待冷却至室温后,用布氏漏斗抽滤,并用10 mL乙醇分3次洗涤,将晶体取出,滤纸吸干,称重
后续实验回收的炭黑去除孔雀石绿的实验

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在改进实验中,使用了炭黑,为了考察炭黑的额外价值,将过滤后滤纸中的滤渣(炭黑)回收并洗净,收集于烧杯中,放入烘箱100 ℃内烘干,备用。将0.1 g∙L−1孔雀石绿溶液用水稀释至0.01 g∙L−1,分别取相同体积的孔雀石绿溶液至2只离心管中,一只加入少许回收炭黑,10 min后,进行颜色对比。

4 实验结果

4.1 铁屑与稀硫酸反应对比

参照实验中,铁屑与稀硫酸反应基本完全(没有气泡产生)需55 min。改进实验中,铁屑与稀硫酸反应剧烈得多,有大量的气泡产生,如图 3所示。加入炭黑后反应基本完全仅需20 min,说明加入炭黑形成原电池后,极大程度提高了反应速率,缩短了35 min的反应时间,且反应过程不需要水浴锅持续加热,仅仅在玻璃水槽中加入热水即可。

图3

图3   铁屑与稀硫酸反应对比

(A) 参照实验;(B) 改进实验


4.2 常压过滤速率对比

参照实验中,铁屑因为密度大在过滤时极容易堵在过滤漏斗的滤纸下端,导致过滤速度变慢。随着时间的推移,漏斗的滤纸中和漏斗颈部中的溶液逐渐冷却,硫酸亚铁晶体析出,一来堵塞玻璃漏斗的颈部,进一步降低过滤速率,二来减少滤液中亚铁离子浓度,从而降低产率,如图 4(A)所示。参照实验中,完成过滤需要35 min。改进实验中,先用磁铁进行分离,如图 4(B)所示。用磁铁贴紧于烧杯外壁,烧杯中未反应完的铁屑在磁铁吸引作用下迅速聚集于烧杯内壁一端,倾倒后废铁屑与溶液彻底分离。炭黑与铁屑相比,密度小得多,常压过滤时不容易堵住滤纸下端,加快了常压过滤的速率,在溶液未冷却前就完成了固液分离,仅仅需要8 min完成过滤得到硫酸亚铁溶液。过滤前使用磁铁预处理,缩短了27 min的过滤时间,且过滤中没有硫酸亚铁析出,减少亚铁离子的损失,提高产率。

图4

图4   常压过滤速率对比

(A) 参照实验;(B) 改进实验


4.3 硫酸亚铁铵产率对比

按照表 1的实验步骤,参照实验与改进实验最终获得的硫酸亚铁铵分别为6.5 g和8.7 g。反应中铁屑2.1 g,物质的量为0.0375 mol,4.7 g硫酸铵物质的量为0.0356 mol。以硫酸铵计算理论产量为14.0 g,则参照实验与改进实验中的产率分别为46.4%和62.1%。与参照实验相比,改进实验的产率提高了15.7%。

4.4 滤渣处理废水的实验结果

回收后的滤渣主要成分为炭黑,收集于烧杯中,放入烘箱,10 min后烘干至固体粉末。选择孔雀石绿为有机污染物模型,将回收的炭黑进行孔雀石绿的去除实验,实验结果如图 5所示。用润湿的玻璃棒蘸取少量于一只离心管中,静置10 min后,孔雀石绿的颜色基本褪去。说明回收的炭黑可以用于去除有机污染物。

图5

图5   孔雀石绿废水处理结果

(A) 处理前;(B) 处理后


5 结语

无机化学实验是化工、制药等工科专业面临的第一门实践类课程,对培养工程意识起着至关重要的作用。工程意识包括成本和效率意识、问题与改革意识、工作简化和标准化意识、全局和整体意识、以人为中心意识等[9]。选择合适的实验项目进行改进,有助于培养工程意识。该改进实验中与工程意识的培养关联如表 2所示。

表2   实验改进点与工程意识的培养

实验改进点实验改进结果工程意识
加入0.1 g炭黑铁和稀硫酸反应提速效率意识
原电池在提速反应中应用问题和改革意识
回收炭黑处理有机污染物全局和整体意识
磁铁辅助过滤迅速便捷回收铁屑工作简化意识
常压过滤提速效率意识
产率提高效率意识

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通过加入炭黑和磁铁分离铁屑减少实验时耗,培养了效率意识;在实验中引导学生充分理解原电池在实验提速中的作用,培养了问题和改革意识;而通过磁铁迅速彻底的分离未反应完的铁屑,增强了工作简化意识;通过回收炭黑处理有机污染物的实验,增加了实验的综合利用价值,增强了学生全局和整体意识。通过实验对比,证实基于炭黑和磁铁的改进实验,时间缩短62 min,产率至少提高15.7%,提高了实验效率,且有助于培养学生的工程意识。

参考文献

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