實驗十　由廢鐵屑制備硫酸亞鐵銨

一、實驗目的

① 了解化合物制備方法。

② 練習制備反應過程中的一些基本實驗操作。

③ 練習水浴加熱和減壓過濾的操作。

④ 了解產品限量分析方法。

二、實驗原理

硫酸亞鐵銨,其化學式為(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O。它是由(NH₄)₂SO₄與FeSO₄按1∶1結合而成的復鹽。其溶解度比組成它的每一個組分FeSO₄或(NH₄)₂SO₄的溶解度都要小。(NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O晶體很容易從混合液中優先析出(表2?7和表2?8)。

硫酸亞鐵銨為淺綠色單斜晶體,在空氣中比較穩定,不像一般亞鐵鹽那樣易被氧化,所以它是常用的含亞鐵離子的試劑,它溶于水,不溶于酒精。

通常FeSO₄是由鐵屑與稀硫酸作用而得到的。根據FeSO₄的量,加入一定量的(NH₄)₂SO₄,二者相互作用后,經過蒸發濃縮、結晶、冷卻和過濾,便可得到莫爾鹽晶體。

在制備過程中涉及的化學反應如下:

Fe+H₂SO₄(稀)?FeSO₄+H₂↑

　　FeSO₄+(NH₄)₂SO₄+6H₂O (NH₄)₂SO₄·FeSO₄·6H₂O　　

硫酸亞鐵銨產品質量的檢驗:產品中主要雜質是鐵(Ⅲ),利用Fe3+與KCNS形成血紅色配位離子[Fe(SCN)n]3-n的深淺來目視比色,評定其純度級別。

三、實驗儀器與試劑

1.儀器

天平、水浴鍋、抽濾瓶、大燒杯、小燒杯、150mL錐形瓶、25mL量筒、25mL比色管、表面皿。

2.試劑

鐵屑或鐵粉、鐵釘、鐵絲、(NH₄)₂SO₄固體、飽和Na₂CO₃溶液、25% KSCN、3mol·L-1 H₂SO₄。

四、實驗步驟

1.鐵屑的凈化(除去油污)

稱取4g鐵屑放在小燒杯內,加入適量飽和碳酸鈉溶液,直接在石棉網上加熱10min。用傾析法除去堿溶液,并用水將鐵屑洗凈。如果鐵屑上仍然有油污,再加適量上述溶液煮,直至鐵屑上無油污。若鐵屑表面干凈,此步可省略。

2.硫酸亞鐵的制備

把洗凈的鐵屑轉入150mL錐形瓶中,往盛有鐵屑的錐形瓶中加入25mL 3mol·L-1 H₂SO₄溶液,錐形瓶放在自制的水浴鍋上加熱,使鐵屑與硫酸反應至不再有氣泡冒出為止(30~40min)。在反應過程中應不時往錐形瓶中(和水浴鍋中)加些水,補充被蒸發掉的水分。最后得到硫酸亞鐵溶液,趁熱減壓過濾,稱量殘渣,計算實際參與反應的鐵的克數。

3.硫酸亞鐵銨的制備

往盛有硫酸亞鐵溶液的100mL燒杯中,加入9.5g硫酸銨固體和25mL左右水(最終體積控制在50~60mL),攪拌,并在水浴上加熱使硫酸銨固體全部溶解。若硫酸銨混有泥沙等雜質,將熱溶液進行一次減壓過濾,并用5mL熱水洗滌濾紙上的殘渣。將吸濾瓶中濾液再快速傾入100mL燒杯中,并將此燒杯放在裝有熱水的500mL燒杯中,令溶液慢慢冷卻,待硫酸亞鐵銨晶體析出。用傾析法除去母液,將晶體放在表面皿上晾干。觀察晶體顏色,晶形。最后稱重,并計算理論產量和產率。

4.產品檢驗

鐵(Ⅲ)的限量分析:稱1g樣品置于25mL比色管中,用15mL不含氧的蒸餾水溶解之,加入2mL、3mol·L-1 H₂SO₄溶液和1mL KSCN溶液,繼續加不含氧的蒸餾水至比色管25mL刻度線。搖勻,所呈現的紅色不得深于標準。

標準:取含有下列數量Fe3+的溶液15mL。

Ⅰ級試劑:0.05mg。

Ⅱ級試劑:0.10mg。

Ⅲ級試劑:0.20mg。

然后與樣品同樣處理(標準由實驗教員準備)。

五、注意事項

① 由機械加工過程得到的廢鐵屑表面沾有油污,可采用堿煮(10% Na₂CO₃溶液,約10 min)的方法除去。

② 在溶解鐵屑的過程中,會產生大量氫氣及少量有毒氣體(如PH₃、H₂S等),應注意通風,避免發生事故。

③ 所制得的硫酸亞鐵溶液和硫酸亞鐵銨溶液均應保持較強的酸性(pH=1~2)。

④ 在進行Fe3+的限量分析時,應使用含氧較少的去離子水來配制硫酸亞鐵銨溶液。

六、思考題

① 鐵屑凈化、溶解以及復鹽的制備均需加熱,這些加熱時應注意什么問題?

② 本實驗中所需硫酸銨的質量和硫酸亞鐵銨的理論產量應怎樣計算?試列出計算的公式。

③ 為什么制備硫酸亞鐵銨晶體時,溶液必須呈酸性?

④ 減壓過濾得到硫酸亞鐵銨晶體時,如何除去晶體表面上附著的水分?