聚焦硫酸亚铁铵

聚焦硫酸亚铁铵 江苏省运河中学 （邮编221300） 龚 源 莫尔(Karl Fricdrich Mohr)是一位著名分析化学家，以他名字命名的莫尔盐又称硫酸亚铁 铵、铁铵矾[(NH)Fe(SO)?6HO]，它是一种透明的浅蓝绿色晶体。硫酸亚铁铵作为一种42422 典型的复盐，是分析化学中重要的试剂，因其组成多样并与中学诸多主干知识有密切联系， 所以常受到命题者的青睐，成为高考、竞赛等各类考试的考查热点。人教版高三化学选修教 材中就有关于硫酸亚铁铵成分推断的讨论；《普通高中化学课程标准》的“实验化学”选修 模块也在“活动与探究建议”中有“设计实验：硫酸亚铁铵的制备及纯度测定。” 下面就硫酸亚铁铵的相关知识点通过习题进行系统小结。 一、 考查硫酸亚铁铵组成成分的实验探究 硫酸亚铁铵是一种结晶水合物，含有NH＋＋－22、Fe 、SO及HO，由于成分复杂，又442能较好地考查中学主干知识，因而许多习题就此展开设计与讨论。 【例1】A盐是一种矾，溶于水后可电离出三种离子。用A盐进行如下实验： (1)准确称量3.920g晶体溶于适量的稀硫酸中，配成100mL浅绿色溶液X。 (2)取少量X于试管中滴入KSCN溶液，无现象，再滴入氯水，溶液呈红色。 (3)取少量X于试管中加入浓NaOH溶液，加热，生成的气体能使湿润的红色石蕊试纸变蓝。 (4)取出20.00mLX于锥形瓶中，用0.020mol/LKMnO溶液滴定(不需用指示剂)，当到达终点4 时，用去KMnO溶液20.00mL 。 4 (5)再取20.00mLX加入足量浓NaOH溶液，加热，生成的气体恰好被20mL0.10mol/LHSO24完全吸收（生成正盐）。 (6)另取20.00mLX向其中加入足量的BaCl溶液，将沉淀过滤、洗涤、烘干、称量得1.00g。 2 ＋＋22（提示：酸性KMnO被还原成Mn，Mn在稀溶液中几乎呈无色） 4 试回答有关问题： ?A中所含的阳离子是 ；所含的阴离子是 。 ?把A溶于稀硫酸而不直接溶于水的主要原因是 。 ?第(4)操作中，对滴定管的使用主要有以下几步：a.用特制洗涤液洗涤；b.用自来水冲洗后，用蒸馏水洗涤；c.再用 润洗两次；d. 装入标准溶液后， ；e.调节标准液的液面在“0”或“0”刻度以下，固定在滴定架上。 ?此实验的名称是 ； ?此设计中有一步失误（此步操作在实验中无意义），它是第 ，（填编号）此步实验应如何设计？ 答： 。 第1页 ?如果通过实验测得，3.920g晶体中含有的阴离子全部形成钡盐的质量为4.66g ，则A的化学式为 。 解题分析：本题属于复杂化学式的确定与分析计算问题，具有很强的探究性，解题应注重过 2++程分析。由(1)(2) (3)实验现象结合N、Fe化合物的性质，易判断该物质中含有NH、Fe； 4 －2+2由(6)可推知该物质中含有SO；由于Fe 水解，会导致下一步滴定操作时产生误差，所4 以要溶于稀硫酸而不直接溶于水；第?问是关于滴定操作和误差分析的，可以把中和滴定的 相关知识迁移过来解决问题；第?问其实考查的是本实验的实验目的，即测定A盐的组成； ＋＋＋—22第?问，第(5)步无意义。可以根据电荷守恒确定NH的量，n(NH)＋2n(Fe)＝2n(SO)，444可把A溶于盐酸中，再加入足量的BaCl溶液，称量沉淀即可；?据题意：3.92g晶体中：2 －-12n(SO)＝4.66g/233g•mol＝0.02mol 4 ＋—＋＋＋2 325Fe＋ Mn0＋ 8H＝ 5Fe ＋ Mn ＋ 4HO 42 5 1 ＋2 n(Fe) 0.020mol/L×0.02L×100/20 ＋2解得， n(Fe)＝0.01mol ＋＋—22根据离子化合物中阴、阳离子电荷平衡的原理，n(NH)＋2n(Fe)＝2n(SO) ，可得 44 ＋n(NH)＝0.02 mol 4 -1-1-1-1n(HO)＝(3.92g-0.02mol×96 g•mol -0.01mol×56g•mol-0.02mol×18g•mol)/ 18 g•mol＝2 0.06mol ＋＋—22所以n(NH)?n(Fe)?n(SO)?n(HO) = 0.02?0.01?0.02?0.06=2?1?2?6， 442 故该结晶水合物的化学式为(NH)Fe(SO)•6HO [或(NH)SO•FeSO•6HO] 4242242442启思：本题设计巧妙新颖，考查了铵盐、铁的化合物、硫酸盐、氧化还原滴定、实验设计、 探究与评价等多个知识点，是典型的学科内综合题。同时又把定性与定量、实验操作与实验 现象的变化以及对未知溶液的分析推断结合起来，旨在考查学生对实验原理和各步操作目的 的理解，并考查学生根据实验现象，做出判断，处理数据，得出正确结论的能力，从而使学 生体验并习得科学实验的一般方法。 答案 ：?NH＋＋－＋222、Fe ；SO ?抑制Fe的水解（以便对其进行精确测定） ?标准液44 （KMnO溶液）；赶走滴定管中的下端的空气泡 ? 测定A盐的组成 ?第(5)步无意义，4 可把A溶于盐酸中，再加入足量的BaCl溶液，称量沉淀质量即可 ? (NH)Fe(SO) ?6HO 242422二、 考查硫酸亚铁铵主要成分的分离 此类习题重在考查学生灵活运用课本知识去解决实际问题的能力、实验设计能力和动手 第2页 操作能力等。 【例2】某研究性学习小组拟用硫酸亚铁铵[(NH)Fe(SO)?6HO]制取FeSO溶液和424224(NH)SO溶液。 424 ?实验室除硫酸亚铁铵外已备好的用品有：HO、蒸馏水、pH试纸，还缺少的试剂有22 __________________________________________________。 ?制得的 (NH)SO和FeSO的物质的量之比不小于____________________。 4244 解题分析：本题属物质的分离制备问题，文字虽少但考查的知识面却比较广，要答好这道题 ＋＋2必须对NH和Fe性质差异及各自转化条件有清楚的认识。 4 ?首先取一定量硫酸亚铁铵，用蒸馏水配成溶液，加入用稀硫酸酸化的HO溶液，发生如22 2+ + 3+下反应，2Fe+ HO+ 2H= 2Fe+2HO，向反应后的溶液中加入稍过量的氨水，过滤得22 2 Fe(OH)沉淀和(NH)SO溶液，将Fe(OH)沉淀洗涤、干燥、强热，可得FeO，用稀硫酸3424323溶解FeO得Fe(SO)溶液，再向其中加入过量铁粉，过滤即得FeSO溶液。由此可知，232434还缺少的试剂是氨水、稀硫酸和铁粉。 ?设硫酸亚铁铵为1mol，根据以下几步反应： 2FeSO+ HO+ HSO= Fe(SO)+ 2HO， 4 22 24 243 2 1mol 0.5mol Fe(SO)+ 6NH•HO = 2Fe(OH) ?+ 3(NH)SO， 243 323424 0.5mol 1mol 1.5mol 2Fe(OH)+ 3HSO= Fe(SO)+ 6HO， 3 24 243 2 1mol 0.5mol Fe(SO)+ Fe = 3FeSO。 243 4 0.5mol 0.5mol 1.5mol 很容易计算得，n[(NH)SO]=2.5mol，n(FeSO)=1.5mol,则n[(NH)SO]/ 4244424 n(FeSO)=2.5/1.5=5/3，由于以上计算都是假设物质间恰好反应的，但实际制取过程中所加入4 的稀硫酸、氨水都是过量的，所以制得的 (NH)SO和FeSO的物质的量之比不小于5:3。 4244启思：本题题型新颖，思考容量大，能力层次高，设问中既有基本问题 ,又有创新思维的考查，问题由浅入深，在考查基础知识的同时又较好地考查了学生的实验能力、思维能力和计 算能力。 答案 ：?氨水、稀硫酸和铁粉 ?5:3 第3页 三、 考查硫酸亚铁铵的化学性质 ＋＋－22硫酸亚铁铵作为复盐，可以电离出NH、Fe 、SO，因而兼有铵盐、亚铁盐和硫44 酸盐的性质（这些性质在上面几例中都有所反映，不再赘述）。下面一例是关于其他方面的 性质。 【例3】一定条件下，(NH)Fe(SO)以下式分解：(NH)Fe(SO)= 2FeO + 5SO? + 3SO42424242 2323? + N? + 6NH? + 7HO 232 下列叙述正确的是___ A．该反应的还原产物是硫的两种氧化物 B．反应生成nmolN时，转移电子的物质的量为6nmol 2 C．由nmol电子转移时，生成SO的物质的量为0.1mol 2 D．将气体产物用足量BaCl溶液吸收，只得到一种沉淀物 2 解题分析：根据化学方程式可知，Fe、N的化合价升高，S的化合价降低，可知SO是还原2产物，SO既不是氧化产物也不是还原产物，所以A项不正确；根据氧化还原反应规律，氧3 -化剂还原剂得失电子数相等，当反应生成nmolN时，反应转移的电子n(e)=5×2n=10nmol，2 所以B不正确，当有nmol电子转移时，生成的n（SO）=5×n/10=0.5nmol，所以C项不正2 确；对于D项，当气体产物通入BaCl溶液时，发生以下反应：SO +HO = HSO，BaCl+ 232242 HSO =BaSO ?+ 2HCl ，NH + HCl = NHCl，则有3SO ―3HSO―3 BaCl ―6HCl―6 244343242NH，可见SO、 NH都反应完全，而SO未参加反应，所以沉淀只有一种BaSO。 33324启思：本题以硫酸亚铁铵的分解反应为载体，考查了氧化还原反应的实质及应用，同时又恰 如其分地对元素与化合物的知识进行了拓展与延伸，有效地考查了学生的分析、判断及迁移 能力，从而使学生对硫酸亚铁铵的性质有了立体化的认识。 答案：D 四、 考查硫酸亚铁铵的制备 中学化学中有许多物质制备实验，与此有关的试题在昭示人们学习自然科学的真正意义 在于“必须懂得自然科学知识的实用性与社会价值”，这也与新课程的指导思想完全吻合。 【例4】已知：硫酸亚铁铵在水中的溶解度比硫酸铵和硫酸亚铁都要小，当把硫酸铵和硫酸 亚铁一起溶于水以后，溶液中的NH2++2-、Fe和SO会从溶液中结晶出硫酸亚铁铵晶体。硫44 酸亚铁铵晶体中的亚铁离子在空气中比其他一般的亚铁离子难氧化，因此硫酸亚铁铵是实验 室常用的一种化学试剂。实验室制备方法如下。 回答相关的问题。 第4页 (1)实验原理： + 2+Fe + 2H= Fe+ H? 2 FeSO+ (NH)SO + 6HO = (NH)Fe(SO)?6HO 4 424242422 (2)仪器和用品 托盘天平、药匙、烧杯、吸滤瓶、布氏漏斗、真空泵、滤纸。 根据实验步骤分析，还缺少必须的仪器、用品有____________________________。 (3)步骤 ?铁屑的洗涤： 取铁屑，放入小烧杯中，加入质量分数为10％碳酸钠溶液。小火加热约lOmin后，倾倒去碳酸钠溶液，用自来水冲洗后，再用蒸馏水将铁屑冲洗洁净。其目的是_________________ _____ __。加热的作用是______________________________________。 ?硫酸亚铁的制备： 往盛有洁净铁屑的烧杯中加入稀H S0溶液，控制温度在50～80?。使铁屑与稀硫酸反24 应至基本不再冒出气泡为止。趁热过滤，将滤液转入到密闭容器中，静置、冷却结晶；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；在该实验中应注意 的是_________________________________。原因是________________。用少量冰水洗涤晶体，其目的是______________________________。 ?硫酸亚铁铵的制备： 称取一定量的(NH)S0。在室温下配制成饱和溶液，计算并加入适量的FeSO?7H0，42442并调节pH值为1―2，在水浴锅上蒸发浓缩至溶液面刚出现薄层的结晶时为止(蒸发过程不宜搅动)，放置、冷却，即有硫酸亚铁铵晶体析出。待冷至室温后，用特殊装置过滤，最 后用适量的乙醇洗涤晶体。 调节溶液pH值在1―2之间维持较强的酸性，其原因是______________。 能否将滤液蒸干______________，为什么______________。 (4)检验硫酸亚铁铵中是否含有Fe3+的无机试剂最好是______________。（填化学式） 解题分析：本题围绕硫酸亚铁铵晶体的制备，设置了综合型系列问题情景。步骤(2)，根据实验步骤分析，还缺少必须的仪器、用品有温度计、玻璃棒、pH试纸。步骤(3) ?由于废铁屑的表面有油污，可用NaCO溶液除去并且升高温度有利于NaCO的水解，溶液碱性2323增强，去油污能力增强。 3+?应该保证铁屑过量（或反应后溶液中必须有铁剩余），否则溶液中可能有Fe存在；用少 第5页 量冰水洗涤晶体，一方面除去晶体表面附着的硫酸等杂质，另一方面可降低洗涤过程中 FeSO?7HO的损耗。 42 ?维持较强的酸性，可以有效地抑制硫酸亚铁的水解。同时滤液也不能蒸干，否则晶体可能 失去结晶水，并导致硫酸亚铁铵部分分解。 3+(4)检验Fe最好的无机试剂是KSCN溶液，若有则呈血红色，若无则呈无色。 启思：本题以硫酸亚铁铵晶体的制备为背景发散性地设问，对学生的实验设计能力、思维的 严密性和创造性都有较高的要求，体现了高考这一选拔性考试以能力为立意的命题思想。 答案：(2)温度计、玻璃棒、pH试纸 (3) ?除油污 ； 升高温度，溶液碱性增强，去油污能力增强。 ?应该保证铁屑过量（或反应后溶液中必须有铁剩余）；否则溶液中可能有Fe3+存在；洗涤 除去晶体表面附着的硫酸等杂质，用冰水洗涤可降低洗涤过程中FeSO?7HO的损耗。 42 ?防止硫酸亚铁水解，析出沉淀；不能，否则晶体可能失去结晶水，并导致硫酸亚铁铵部分 分解。 (4)KSCN 跟踪练习： 1.（2004江苏高考）某结晶水合物含有两种阳离子和一种阴离子。称取两份质量均为1.96g 的该结晶水合物，分别制成溶液。一份加入足量Ba(OH)溶液，生成白色沉淀，随即沉淀变2 为灰绿色，最后带有红褐色；加热该混合物，逸出能使湿润的红色石蕊试纸变蓝的气体；用 稀盐酸处理沉淀物，经洗涤和干燥，得到白色固体2.33g。另一份加入含0.001mol KMnO4 －＋2的酸性溶液，MnO恰好完全被还原为Mn。请回答以下问题： 4 （1）该结晶水合物中含有的两种阳离子是 和 ，阴离子是 。 （2）试通过计算确定该结晶水合物的化学式。 答案 ： ＋＋－2 （1）NH2、Fe，SO（2）(NH)Fe(SO) ?6HO 4442422 2.有一化合物A ，其水溶液为浅绿色，可发生如下的转化关系。其中B、D、E为无色气体，W、K为常见的金属单质， C为难溶于水的红褐色固体。在混合液中加入BaCl可生成不2 溶于稀HNO的白色沉淀，H和W反应可放出大量的热。 3 第6页 D 电解 E 过量NaOH D D B F G A HO 2催化剂 溶液，? J W ? C H 高温 K （1）写出下列物质的化学式：A C F （2）写出下列反应的化学方程式 J与NaOH F?G K与过量G溶液反应的离子方程式 （3）电解混合液的阳极电极反应式为 （4）原混合液的体积为VmL，pH为a，密度为ρ g/mL，电解一段时间后，收集到D 的1 -体积为bL（标况），若此时溶液的密度为ρg/mL，则此溶液的C（OH）为 （用2 字母表示）。 答案： （1） A （NH）Fe（SO）C Fe（OH） F NO 4242 3 （2）AlO+ 2NaOH = 2NaAlO + HO 23 22 4NO + 3O+ 2HO = 4HNO 2 23 + 3+-Fe + 4H+ NO = Fe+ NO? + 2HO 32 第7页 - -（3）4OH- 4e = O?+ 2HO 22 a-11（4）10ρ /(11.2ρV-18b) 21 第8页