高中化学苏教版浙江专版选修6教学案专题7 课题1 硫酸亚铁铵的制备含答案.docx

高中化学苏教版浙江专版选修6教学案专题7 课题1 硫酸亚铁铵的制备含答案.docx

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高中化学苏教版浙江专版选修6教学案专题7课题1硫酸亚铁铵的制备含答案

2019-2020年高中化学苏教版（浙江专版）选修6教学案：

专题7课题1硫酸亚铁铵的制备（含答案）

[浙江选考·加试要求]

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1．硫酸亚铁铵的制备原理与操作方法。

2．倾析法分离、洗涤固体物质。

　　3.产率的计算方法。

1.学会硫酸亚铁铵的制备方法。

2．学会倾析法分离固体及洗涤固体物质的方法。

———————实验要素先知道

1．硫酸亚铁铵晶体的性质

物理性质

浅绿色，易溶于水、不溶于乙醇，在水中的溶解度比FeSO4和（NH4）2SO4都要小。

化学性质

能水解；具有还原性，但比硫酸亚铁稳定。

2．硫酸亚铁铵晶体的制备

铁屑易溶于稀硫酸，生成硫酸亚铁：

Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑

硫酸亚铁与等物质的量的硫酸铵在水溶液中相互作用，即生成溶解度较小的浅绿色硫酸亚铁铵复盐晶体：

FeSO4＋（NH4）2SO4＋6H2O===（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O↓。

一般亚铁盐在空气中都易被氧化，但形成复盐后却比较稳定，不易氧化。

———————实验过程详剖析

[器材与原理]

相关器材

电子天平、量筒（10mL,50mL）、烧杯（50mL）、锥形瓶（250mL）、蒸发皿（60mL）、玻璃棒、铁架台、酒精灯、三脚架、石棉网、胶头滴管、药匙、吸滤瓶、布氏漏斗。

相关原理

1．制备原理

硫酸亚铁铵又称摩尔盐，它的分子式是（NH4）2Fe（SO4）2·6H2O或（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O，一般通常见到的硫酸亚铁铵是一种浅蓝绿色的晶体。

它是一种复盐，易溶于水，能电离出NH、Fe2＋和SO。

（NH4）2Fe（SO4）2===2NH＋Fe2＋＋2SO_。

反之，由于硫酸亚铁铵在水中的溶解度比硫酸铵和硫酸亚铁都要小，所以当把硫酸铵和硫酸亚铁一起溶于水中以后，溶液中的NH、Fe2＋和SO会从溶液中结晶出硫酸亚铁铵晶体。

2NH＋Fe2＋＋2SO===（NH4）2Fe（SO4）2↓

2．倾析法分离

当沉淀的比重较大或结晶的颗粒较大，静置后能较快沉降至容器底部时，可用倾析法进行沉淀的分离和洗涤沉淀。

操作时，把上部的溶液倾入另一容器内，然后往盛有沉淀的容器内加入少量洗涤液（如蒸馏水），充分搅拌后，沉降，倾去洗涤液。

重复操作3遍以上，即可把沉淀洗净。

[实验与拓展]

实验流程

1．铁屑的净化

（1）实验步骤

①一定量（m>5.0g）铁屑，放在烧杯中；

②加40mL0.1mol·L－1Na2CO3溶液，加热5～10min；

③倾析法除去碱液；

④用水把铁屑上碱液冲洗干净，以防止在加入H2SO4后产生Na2SO4晶体混入FeSO4中；

⑤倾析法除去水；

⑥晾干（烘干较快）。

（2）实验改进

①若用铁屑则按上述步骤操作，若用铁粉则建议省略净化步骤，因为铁粉本身纯度较高，且易在倾析时损失，而且不易干燥。

②为缩短反应时间，应设法增大铁的表面积，最好选用刨花车间加工的生铁碎铁屑（丝），或选用细弹簧弯曲状废铁；废旧铁丝纱窗也可，但净化处理、烘干后要剪成小段。

③碳酸钠溶液洗涤后，增加水洗步骤，为制备实验产品纯度提供保证。

[注意事项]

（1）避免使用锈蚀程度过大的铁屑，因其表面Fe2O3过多无法被铁完全还原，会导致Fe3＋留在溶液中而影响产品的质量。

（2）铁屑颗粒不宜太细，与酸反应时容易被反应产生的泡沫冲起浮在液面上或粘在锥形瓶壁而脱离溶液；小段细铁丝也有类似情况。

2．硫酸亚铁溶液的制备

实验步骤

注意事项、实验改进

（1）准确称量4.2g铁粉并置于锥形瓶中，向盛有铁粉的锥形瓶内加入25mL3mol·L－1H2SO4；

硫酸的浓度不宜太大或太小。

浓度小，反应慢；浓度太大，易产生Fe3＋、SO2，使溶液出现黄色，或形成块状黑色物。

（2）在酒精灯上加热（三脚架上隔石棉网），使铁屑与硫酸完全反应（约50min），应不时地向锥形瓶中加水，以补充被蒸发掉的水分；

有恒温加热装置为最佳，控制温度在60℃左右。

不要剧烈摇动锥形瓶，以防止氧化。

加热（可采用沸水浴加热，注意控制反应速率，以防反应过快而使反应液喷出），并不断振荡锥形瓶；

边加热边补充水，但不能加水过多，尽可能保持溶液pH<2，pH太高，Fe2＋易氧化成Fe3＋。

分次补充少量水，防止FeSO4析出。

（3）趁热减压过滤，保留滤液；

趁热减压过滤，为防透滤可同时用两层滤纸，而且硫酸亚铁溶液应迅速转入蒸发皿中，以防止溶液在吸滤瓶中冷却而析出硫酸亚铁晶体，导致损失。

（4）向滤液中补加1～2mL3mol·L－1硫酸溶液（防止亚铁离子在pH相对过高的情况下被氧化），趁热转入蒸发皿中。

为保持溶液呈酸性，抑制水解，在反应基本结束后，加1mL3mol·L－1H2SO4溶液；趁热过滤，防止因冷却使FeSO4晶体析出而造成损失。

3.硫酸亚铁铵晶体的制备

实验步骤

注意事项、实验改进

（1）称取固体硫酸铵9.5g，完全溶于装有12.6mL微热蒸馏水的烧杯中（20℃饱和溶液）。

计算（NH4）2SO4的用量，略小于铁屑的物质的量（铁屑含有杂质，反应不完全），基本保持（NH4）2SO4和FeSO4的物质的量比>1。

溶解之前按溶解度计算蒸馏水的用量并煮沸。

（2）再倒入盛有硫酸亚铁溶液的蒸发皿中。

搅拌，小火加热，在蒸发皿中蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜为止。

静置，自然冷却，析出硫酸亚铁铵晶体。

蒸发浓缩初期要搅拌，但要注意观察晶膜，发现晶膜出现后停止搅拌，冷却后可结晶得到颗粒较大或块状的晶体，便于分离产率高、质量好。

不能将溶液蒸干，摩尔盐含有较多的结晶水，蒸干后就得不到浅绿色的摩尔盐晶体。

（3）用减压过滤法除去母液，并用少量酒精洗去晶体表面附着的水分。

观察晶体的颜色和形状。

为防止因时间过长，导致FeSO4被空气氧化，前后两次均采用抽滤（滤纸要压实），缩短时间较好。

（4）称量，计算产率。

该实验中硫酸亚铁过量，以硫酸铵计算产率。

理论产量28.21g，实际产量21.11g（已干燥），产率74.8%。

残留铁屑或固体杂质较多时，要减去其质量。

本实验中，由于9.5g（NH4）2SO4略少，按（NH4）2SO4计算产率。

对点集训

1．用硫酸和铁屑制备硫酸亚铁，反应结束后，需将反应液进行过滤，但过滤时常出现漏斗颈下端管口堵塞的现象，可采取的措施是（　　）

A．将普通漏斗改为分液漏斗

B．将漏斗预热，进行热过滤

C．增加滤纸层数

D．向溶液中加一些稀硫酸

解析：

选B　反应后的溶液是几乎饱和的硫酸亚铁溶液，进行过滤时常出现漏斗颈下端管口堵塞的现象，是由于滤液在漏斗颈下端遇冷析出晶体造成的，可采取的措施是将漏斗预热，进行热过滤。

2．工业上用硫酸和废铁屑制备硫酸亚铁时，为了提高产品的质量，常采取的措施是（　　）

A．硫酸过量

B．铁屑过量

C．硫酸和铁的物质的量之比为1∶1

D．需要用浓硫酸

解析：

选B　铁屑过量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。

3．用倾析法进行分离适用于（　　）

A．沉淀的结晶颗粒较小　　B．沉淀的结晶颗粒较大

C．沉淀不容易沉降D．沉淀的质量较小

解析：

选B　当沉淀的结晶颗粒较大，静置后容易沉降至容器底部时，常用倾析法（也称倾注法）进行分离或洗涤。

4．在实验室进行物质制备，下列从原料及试剂分别制取相应的最终产物的设计中，理论上正确、操作上可行、经济上合理的是（　　）

A．C→COCO2→Na2CO3

B．Cu→Cu（NO3）2溶液→Cu（OH）2

C．Fe→Fe2O3→Fe2（SO4）3溶液

D．CaO→Ca（OH）2溶液→NaOH溶液

解析：

选D　A项在操作上不可行，经济上也不合理；B项在经济上不合理；C项中Fe在氧气中燃烧的产物是Fe3O4，而不是Fe2O3，理论上不正确。

5．硫酸亚铁铵的化学式为（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O，商品名为摩尔盐。

可由硫酸亚铁与硫酸铵反应生成硫酸亚铁铵，硫酸亚铁盐在空气中易被氧化，而形成摩尔盐后就比较稳定了。

三种盐的溶解度（单位为g/100g水）如下表：

温度/℃

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

—

—

（一）实验室制取少量摩尔盐的流程如下：

试回答下列问题：

（1）步骤1中加入10%Na2CO3溶液的主要作用是除去铁屑表面的油污，简述其除去油污的原理_____________________________________________________________________。

（2）将（NH4）2SO4与FeSO4混合后加热、浓缩，停止加热的时机是__________________。

（3）步骤4中析出的晶体不含（NH4）2SO4和FeSO4的原因是____________________，理论上制得的摩尔盐的质量为________。

（二）称取两份质量均为1.96g的该硫酸亚铁铵，制成溶液。

用未知浓度的酸性KMnO4溶液进行滴定。

（1）滴定时，将酸性KMnO4溶液装在________（填“酸式”或“碱式”）滴定管中。

试写出该滴定过程中的离子方程式：

__________________________________________________；

（2）判断该反应到达滴定终点的现象为_________________________________________；

（3）假设到达滴定终点时，用去VmL酸性KMnO4溶液，则该酸性KMnO4溶液的浓度为________mol·L－1。

解析：

（一）

（1）Na2CO3会发生水解反应使溶液呈碱性，碱性条件下酯类物质发生水解反应；

（2）蒸发时不能将水蒸干，因为Fe2＋容易被氧化；（3）通过比较表格中数据发现，在相同温度下，（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O的溶解度比（NH4）2SO4、FeSO4小，所以析出的是（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O，参加反应铁的质量为（m1－m2）g，根据铁元素的质量守恒：

Fe～（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O，求出摩尔盐的质量为7（m1－m2）g。

（二）

（1）酸性KMnO4溶液具有强氧化性，能够氧化橡胶管，应该用酸式滴定管盛装；

（2）Fe2＋被氧化为Fe3＋，MnO被还原成Mn2＋，则滴定终点时，无色变为紫色，若30s内不褪色，说明达到滴定终点；（3）依据关系式：

5Fe2＋～MnO，1.96g的该硫酸亚铁铵的物质的量为0.005mol，则n（Fe2＋）＝0.005mol，所以求出n（MnO）＝0.001mol，c（MnO）＝1/Vmol·L－1。

答案：

（一）

（1）热的Na2CO3溶液呈较强的碱性，在碱性条件下使油脂充分水解而除去

（2）浓缩至液体表面出现晶膜

（3）在相同温度下，（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O的溶解度比（NH4）2SO4、FeSO4小　7（m1－m2）g

（二）

（1）酸式　5Fe2＋＋MnO＋8H＋===5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O

（2）当最后一滴酸性KMnO4溶液滴下时，溶液变成紫色，30s内不褪色，说明达到滴定终点　（3）1/V

拓展实验

用制氢废液制备硫酸锌晶体

1．实验操作

ZnSO4·7H2O系无色透明、结晶状粉末，晶型为棱柱状或细针状或颗粒状，易溶于水（1g/0.6mL）或甘油（1g/2.5mL），不溶于酒精。

（1）由制氢废液为原料制备硫酸锌晶体。

由于粗锌与稀硫酸反应后的溶液发黑且浑浊，是因为里边有悬浮的炭的小颗粒及难溶的硫酸铅等杂质。

因此首先要给含固体不溶物的硫酸锌溶液过滤，得到无色透明的硫酸锌溶液，然后加ZnO粉末搅拌，使溶液的pH在2左右，静置过滤。

控制pH进行沉淀分离——目的是除杂质。

（2）将滤液置于烧杯中，加热浓缩，待溶液表面有结晶膜时，停止加热，并快速进行冷却，温度到达室温时，减压抽滤，即可得到含结晶水的硫酸锌针状晶体。

（3）将上述晶体置于烧杯中，用蒸馏水溶解（晶体与水的质量比约为1∶2，水不能太多，否则很难析出晶体），滴加1～2滴稀硫酸，防止ZnSO4水解，加热至晶体全部溶解后，停止加热，并让其自然冷却。

（4）将上述硫酸锌溶液过滤，得到含结晶水的硫酸锌针状晶体。

用少量的酒精洗涤1～2次，即可得较纯的ZnSO4·7H2O晶体。

2．相关问题

用锌和稀硫酸反应制备硫酸锌晶体（ZnSO4·7H2O），回答下列问题：

（1）现有纯锌和含杂质的锌，你认为应该使用_________________________________；

（2）如果锌中混有少量Fe和Cu的杂质，对产品质量________（填“有”或“无”）影响，原因是___________________________________；

（3）如果稀硫酸中混有少量CuSO4，对产品纯度______（填“有”或“无”）影响，原因是__________________________________；

（4）制备ZnSO4·7H2O时，①使锌过量，②使硫酸过量，③锌和硫酸按相同物质的量反应，你认为应该采用________；原因是______________________________________；

（5）写出制备ZnSO4·7H2O的六个操作步骤，并指出每一步操作的目的：

①____________，__________________________________________________________；

②_____________，_________________________________________________________；

③_____________，________________________________________________________；

④_____________，_________________________________________________________；

⑤_____________，_____________________________________________________；

⑥_____________，__________________________________________________________。

解析：

实验室常用含有杂质的锌与稀硫酸反应，这是由于形成了原电池加快了反应速率的缘故。

制备中，只要Zn过量，Zn中的杂质Fe、Cu和溶液中的CuSO4都不会影响产品的质量。

答案：

（1）使用含杂质的锌；纯锌与稀硫酸反应极慢，而含杂质的锌与稀硫酸反应较快，因为锌、杂质和稀硫酸可以构成原电池

（2）无　铜不与稀硫酸反应，可以滤去，铁虽然能与稀硫酸反应生成FeSO4，但锌比铁活泼，可以把铁从FeSO4中置换出来，最后亦可除去

（3）无　Cu2＋可被Zn置换生成Cu，可以除去

（4）①　锌除与稀H2SO4反应生成ZnSO4外，还要使其他杂质还原，锌过量易于除去

（5）①使过量的锌与稀硫酸反应　生成ZnSO4　②过滤　除去未反应的锌和其他不溶性杂质　③蒸发　除去大部分水，使溶液浓缩　④冷却结晶　温度降低，溶解度减小，使ZnSO4·7H2O结晶析出　⑤过滤　将晶体与溶液分离　⑥干燥晶体　除去晶体表面的附着水

———————课后检测与提能

1．下列溶液有时呈黄色，其中由于久置时被空气中氧气氧化而变色的是（　　）

A．浓硝酸　　　　　　　　　　B．硫酸亚铁

C．高锰酸钾D．工业盐酸

解析：

选B　久置的浓硝酸显黄色，是因为发生分解反应生成NO2，浓硝酸里溶解了红棕色的NO2而呈黄色；久置的KMnO4溶液也不十分稳定，在酸性溶液中缓慢地分解，使溶液显黄色：

4MnO＋4H＋===4MnO2＋3O2↑＋2H2O；工业盐酸呈黄色，是因为含有Fe3＋杂质；硫酸亚铁在空气里，Fe2＋被氧气氧化为Fe3＋，而使溶液显黄色。

2．工业上常用过量废铁屑与硫酸反应产生硫酸亚铁，铁屑中常含有下列杂质，其中对反应产品纯度影响不大的是（　　）

A．油污B．铁锈

C．锌D．硫化物

解析：

选B　铁屑中含有油污会阻碍硫酸与铁的接触而影响反应速率；铁屑中含有铁锈，铁锈溶于硫酸生成硫酸铁后，Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，因此，铁屑中含有铁锈对反应及产品纯度影响不大；铁屑中含有锌，锌与硫酸反应生成硫酸锌影响产品纯度；铁屑中含有硫化物（FeS），与硫酸反应生成有毒的硫化氢气体。

3．铁屑溶于过量的稀硫酸，过滤后向滤液中加入适量硝酸，再加入过量的氨水，有红褐色沉淀生成。

过滤、加热沉淀物至质量不再发生变化，得到红棕色的残渣。

上述沉淀和残渣分别为（　　）

A．Fe（OH）3；Fe2O3B．Fe（OH）2；FeO

C．Fe（OH）2、Fe（OH）3；Fe3O4D．Fe2O3；Fe（OH）3

解析：

选A　铁屑溶于过量的稀硫酸，发生反应：

Fe＋H2SO4（稀）===FeSO4＋H2↑反应后过滤，滤液中应为FeSO4和H2SO4。

加入硝酸后的反应为3FeSO4＋4HNO3===Fe2（SO4）3＋Fe（NO3）3＋NO↑＋2H2O即溶液中Fe2＋转变为Fe3＋。

加入过量氨水时，除中和H2SO4外还将生成红褐色的Fe（OH）3沉淀：

Fe3＋＋3NH3·H2O===Fe（OH）3↓＋3NH，加热沉淀物至质量不再发生变化，则Fe（OH）3完全分解：

2Fe（OH）3Fe2O3＋3H2O，所得残渣为红棕色的Fe2O3。

4．下列实验中，仪器的下端必须插入液面以下的是（　　）

①制备氢气的简易装置中用来加稀硫酸的长颈漏斗

②实验室用MnO2和浓盐酸制备氯气装置中的分液漏斗

③用新制的FeSO4溶液和NaOH溶液制备Fe（OH）2操作中的胶头滴管

④将氯气溶于水制取氯水时的导气管

⑤蒸馏石油时的温度计

A．③⑤B．①③④

C．②④⑤D．全部

解析：

选B　制H2时，长颈漏斗必须插入液面以下，以避免H2逸出，①正确；因为分液漏斗上有塞子，所以分液漏斗不必插入液面以下，②不正确；为了避免滴加液体时带入O2，制取Fe（OH）2时，胶头滴管应插入液面以下，③正确；Cl2在水中的溶解度不大，不会引起倒吸，且Cl2有毒，不能排放到空气中，④正确；蒸馏时，温度计的水银球应位于蒸馏烧瓶支管口处，⑤不正确。

5．将硫酸亚铁溶液和硫酸铵溶液按溶质物质的量之比为1∶1混合，加热浓缩，再冷却结晶，最先析出的晶体是（　　）

A．硫酸亚铁

B．硫酸铵

C．硫酸亚铁铵

D．硫酸亚铁和硫酸铵的混合晶体

解析：

选C　由于复盐在水中的溶解度比组成它的每一种盐都要小，因此，将硫酸亚铁溶液和硫酸铵溶液按溶质物质的量之比为1∶1混合，加热浓缩，冷却结晶，最先析出的晶体是硫酸亚铁铵。

6．在制备硫酸亚铁铵晶体的过程中，下列说法不正确的是（　　）

A．应保持H2SO4适当过量，避免Fe2＋、NH的水解

B．将铁屑放入Na2CO3溶液中浸泡数分钟是为了除去铁屑表面的油污

C．将FeSO4和（NH4）2SO4的混合溶液加热蒸干即可得到硫酸亚铁铵

D．洗涤硫酸亚铁铵晶体时，应用少量酒精洗去晶体表面附着的水分

解析：

选C　将FeSO4和（NH4）2SO4的混合溶液蒸发浓缩至溶液表面出现晶膜为止，不能蒸干。

7．硫酸亚铁铵又称摩尔盐，是浅绿色单斜晶体，它在空气中比一般亚铁盐稳定，不易被氧化，溶于水但不溶于乙醇。

它是常用的Fe2＋试剂。

硫酸亚铁铵在水中的溶解度比组成它的每一个组分[FeSO4或（NH4）2SO4]的溶解度都要小。

因此，从FeSO4和（NH4）2SO4溶于水所制得的混合溶液中，很容易得到结晶的摩尔盐。

本实验是先将铁屑溶于稀H2SO4中生成FeSO4，再往得到的FeSO4溶液中加入（NH4）2SO4（其物质的量与FeSO4相等），加热浓缩混合溶液，冷却过程中（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O复盐便可结晶析出。

回答下列问题：

（1）制备FeSO4时，硫酸为什么要过量_________________________________________。

（2）制备（NH4）2SO4·FeSO4·6H2O时，为什么要采用水浴加热浓缩________________。

（3）如何计算（NH4）2SO4的质量和硫酸亚铁铵的理论产量及产率__________________________________________________________________。

（4）如何制备不含氧的蒸馏水？

为什么配制硫酸亚铁铵试液时要用不含氧的蒸馏水__________________________________________________________________________。

答案：

（1）FeSO4是强酸弱碱盐，水解显酸性，酸过量可防止Fe2＋的水解

（2）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

（3）m[（NH4）2SO4]＝×M[（NH4）2SO4]，

理论产量：

m（硫酸亚铁铵）＝×M（硫酸亚铁铵），

产率＝×100%

（4）将普通蒸馏水煮沸冷却后立即使用；防止配制溶液时，部分Fe2＋被O2氧化

8．硫酸亚铁（FeSO4·7H2O）是一种重要的食品和饲料添加剂。

实验室通过如下实验由废铁屑制备FeSO4·7H2O晶体：

①将5%Na2CO3溶液加入到盛有一定量废铁屑的烧杯中，加热数分钟，用倾析法除去Na2CO3溶液，然后将废铁屑用水洗涤2～3次；

②向洗涤过的废铁屑中加入过量的稀硫酸，控制温度在50～80℃之间至铁屑耗尽；

③趁热过滤，将滤液转入到密闭容器中，静置、冷却结晶；

④待结晶完毕后，滤出晶体，用少量冰水洗涤2～3次，再用滤纸将晶体吸干；

⑤将制得的FeSO4·7H2O晶体放在一个小广口瓶中，密闭保存。

请回答下列问题：

（1）实验步骤①的目的是______________，加热的作用是

________________________________________________________________________。

（2）实验步骤②明显不合理，理由是____________________________________。

（3）实验步骤④中用少量冰水洗涤晶体，其目的是________________________________。

（4）经查阅资料后发现，硫酸亚铁在不同温度下结晶可分别得到FeSO4·7H2O、FeSO4·4H2O和FeSO4·H2O。

硫酸亚铁在不同温度下的溶解度和该温度下析出晶体的组成如下表所示（仅在56.7℃、64℃温度下可同时析出两种晶体）。

硫酸亚铁的溶解度和析出晶体的组成

温度/℃

0

10

30

50

56.7

60

64

70

80

90

溶解度/g

14.0

17.0

25.0

33.0

35.2

35.3

35.6

33.0

30.5

27.0

析出晶体

FeSO4·7H2O

FeSO4·4H2O

FeSO4·H2O