Fe(OH)2被氧化时的颜色变化的探索

Fe(OH)2被氧化时的颜色变化的探索组员：张鹤郑宇陈思奇真理往往隐藏在复杂的表面现象背后，它有待我们去发现，但是真理又只往往掌握在少数人手中，只有那些具有敏锐观察力和敢于向困难挑战的人才能取得胜利，笑到最后。——写在前面的话问题的由来《全日制普通高级中教科书·化学》（人教版·实验修订版）第二册95页，清楚地写着这样的话：“生成的白色絮状沉淀Fe(OH)2迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。这是因为白色的Fe(OH)2（为+2价）被空气中的氧气氧化生成了红褐色的Fe(OH)3（为+3价）。发生反应：4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3”老师按惯例一句话就带过了。但是由此也引起了我们的疑问：为什么不直接变成红褐色而出现了中间颜色灰绿色？就算是一种复合颜色，也应该为白色与红褐色的复合，绿色由何而来？我们顿时感觉到：问题绝不那么简单！下课后，我们跑去问老师，老师迟疑了一会，然后说：“现在大家都认为是一种过渡颜色。至于怎么过渡，我也不太清楚。”于是我们感觉到，问题可能很复杂哩！我们又跑去问了别的化学老师，他们也都说不上来。看来，即使是作为学习基础的教科书，也存在着让人不解的疑问。我们讨论了很久，也未能给出一个让自己满意的答案。但是我们决定在这条探索之路上走下去，即使不成功，至少自己曾经思考过，探索过……理论部分我们通过讨论，对Fe(OH)2被氧化时出现灰绿色提出了以下设想：①灰绿色为Fe(OH)2和Fe(OH)3的复合颜色②杂质离子（如反应时带入的SO42-、Cl-、Na+、K+等）带来的颜色影响③碱的浓度和强弱对该反应颜色的影响④氧气（或其他氧化剂）的通入量对颜色变化的影响⑤Fe(OH)2的胶体及Fe(OH)3的胶体对颜色变化的影响⑥Fe(OH)2被氧化时产生的变体（α-Fe2O3、γ-Fe2O3）颜色变化的影响对于⑤⑥设想，限于我们所学及学校实验条件，只能进行理论论证。变体对颜色变化的影响：Fe(OH)3的沉淀，实际上可写成Fe2O3·H2O而Fe2O3有α-Fe2O3（顺磁性物质）β-Fe2O3（逆磁性物质）两种变体。它们是否会对反应后的混合物的颜色产生影响呢？查阅《高等无机化学》：α-Fe2O3是绿色，β-Fe2O3是黄色。而它们无论是和白色絮状物（Fe(OH)2沉淀）混合或是和红褐色沉淀物（Fe(OH)3沉淀）混合都不会产生灰绿色。所以由此可以证明变体不会对该实验产生影响。⑥可以排除。实验部分请点击图片，分别对应实验(1)~实验（5）实验目的处理方法实验现象实验结论实验1观察Fe(OH)2被空气氧化的全过程。FeSO4+NaOH沉淀颜色变化为：白色絮状→浅绿色→灰绿色→红褐色。现象确如书上所说。实验2观察及验证杂质离子对灰绿色的影响。FeCl2+NaOHFeCl2+KOHFeSO4+NaOHFeSO4+NaOH4支试管中的现象均为：白色絮状→浅绿色→灰绿色→红褐色。杂质离子对实验不影响。实验3观察及验证碱的浓度对颜色的影响。50％NaOH+FeSO430％NaOH+FeSO40.5％NaOH+FeSO43支试管的现象一致。碱的浓度对灰绿色没有影响。实验4观察及验证温度对颜色的影响。反应置于常温下；反应置于50～60℃水浴下；反应后加热至沸腾。常温下沉淀的颜色变化最快；50～60℃次之；100℃的最慢。温度对反应速率可能存在影响。实验5研究氧化剂的强弱对该反应进程的影响。反应在注射器中进行；反应置于平常条件下；反应后通入氧气；反应后加入双氧水。注射器中的变化最慢；通入氧气的较平常条件下快；加入双氧水的最快。氧化剂的强弱及用量会影响反应速率。对实验现象的解释在做的上述实验中，只有温度和氧化剂及碱性强弱对该实验造成影响，其中温度的影响又可归纳到氧化剂的影响中，因为加热时，氧化剂（氧气）溶解较少，所以变化慢。氧化剂的加入可影响反应的历程，而无其他现象产生，但这似乎对我们研究其中间产物提供材料。似乎我们的实验似乎陷入困境了，难道我们还有什么问题没有考虑到？还有什么东西落了呢？我们再次陷入沉思之中。通过查找资料，在老师的帮助下，我们又提出了三种假设：⑦反应中，溶液中存在Fe2＋（浅绿色）；⑧难溶物变成配位化合物时，必须以离子的形式进行配位，例如：AgCl溶于氨水时，变成了Ag(NH3)2Cl。机理为：AgClAg++Cl-(Ksp=1.8×10-10)ⅠAg++2NH3→Ag(NH3)2+Ⅱ根据勒夏特列原理，由于Ⅱ应而使Ⅰ平衡向右移动，AgCl溶解，同理，当把Fe(H2O)62+变成Fe(NH3)62+后，由于NH3的配位能力强而使Fe2+的溶解度增大。⑨水溶液中，某物质被氧化，是由于该物质的某一种或多种离子被氧化而使平衡向正方向移动而造成的。如Fe(OH)2被空气中的氧气氧化成Fe(OH)3，实质是由于Fe2+→Fe3+过程查阅《无机化学上册》（武汉，吉林大学编），知Fe(OH)2的溶解积Ksp=8×10-16，即在1mol/L的Fe(OH)2溶液中Fe2+的浓度只有9.28×10-6mol/L，这似乎对灰绿色不会有什么影响。⑦可排除。对于⑧⑨假设，无法从实验中得到论证，只好请教湖南师大的化学系教授了。薛教授做了如下解答：在Fe(OH)2的反应溶液中，Fe2+存在非常少，以Fe(OH)2形式存在，如果加入NH3的话，不会形成Fe(NH3)2+，而直接形成Fe(OH)2沉淀。在由Fe(OH)2变为Fe(OH)3的过程中，也不是以Fe2+的形式进行的，而是以沉淀物的形式进行的。上面的三条假设都已否定。我们的课题又一次陷入了困境，而现在我们又无从下手了，难道真的是一种过渡色？我们都不相信，况且它是怎样过渡的呢？利用我们高中所学的所有知识，实验都无法解决这个问题，如果是一种中间产物，那是怎样的呢？能不能用实验检测出来。看来，我们只好从资料下手了。功夫不负有心人，我们在《大学普通化学·下册》（付鹰编）的637面找到这样一段话：在完全与空气隔离的情况下加碱或氨水于Fe2+溶液，即得白色的Fe(OH)2沉淀。倘若溶液中溶有氧气，此沉淀即被氧化成微绿色的Fe3(OH)8。此两种氢氧化铁盐能吸收氧气而成棕色的Fe(OH)3或Fe2O3·xH2O。看来我们的实验终于可以落下帷幕了，但是接下来，又有问题了：（1）Fe3(OH)8的Fe的价态是怎样？（2）它属于复盐，络合物，还是聚合物？亦或是其他物质？（3）它的结构怎样？（4）为什么会有微绿色？我们又问了一下教授，教授回答说：“这个问题比较复杂，Fe3(OH)8中的Fe既不是＋2价又不是＋3价而是中间价态。它是一种聚合物，结构比较复杂，必须用光谱或是其他的仪器分析，至于颜色则是结构决定性质”更多发现物质的显色是可见光作用到物质上后，物质对可见光产生选择性的吸收、反射、透射、折射、散射的结果。在可见光范围内（如下表），波长λ等于400～730nm(相当于波数υ为25000cm-1～13800cm-1，能量E相当3.10eV～1.71eV),波长（nm）频率(1014Hz)波数(104cm-1)eV红770～6203.9～4.81.3～1.1631.112～2橙620～6004.8～5.01.163～1.672～2.07黄600～5805.0～5.21.67～1.7242.07～2.137绿580～4905.2～6.11.724～2.042.137～2.529蓝—靛490～4506.1～6.72.04～2.222.529～2.752紫450～4006.7～16.52.22～2.52.752～3.099若选择性地吸收部分可见光后，它就会呈现出与之互补的可见光部分的颜色。（下图即为互补色环）物质对光能够选择性吸收是由物质的微观结构决定的，即由组成物质的分子或离子的电子层结构决定的，特别是外层电子及其构型。当分子或离子的基态能量和各种激发态能量之差在可见光能量的范围（△E=1.7eV～3.1eV）内，那么物质吸收可见光后，分子或离子中外层电子就可从基态跃迁到激发态，这时物质就显现出颜色来，△E越小，吸收光波数越小，观察到的颜色越趋向于紫色（把能量较小的红色光吸收了，红色与紫色为互补色）。反之，颜色越趋向于红色。如果基态和激发态之差△E1.7eV或△E3.1eV，那么电子跃迁在吸收红外光或紫外光等不可见光的条件下进行，这时不显现颜色。但是物质的显色不仅决定于物质本身对可见光的选择性吸收，反射和透射有时还受到诸多光学现象的影响，如散射，干射和衍射等，且和物质的颗粒大小，表面状态有关。由由于于学学校校条条件件的的限限制制，，我我们们的的实实验验也也要要到到此此为为止止了了，，因因为为高高中中阶阶段段的的学学校校是是不不会会有有光光谱谱仪仪或或其其他他仪仪器器的的。。我我们们的的实实验验大大概概也也只只能能画画下下一一个个不不太太圆圆满满的的句句号号了了。。毕毕竟竟我我们们并并没没有有从从实实验验中中得得出出我我们们的的结结论论。。但但是是，，从从另另一一方方面面想想，，我我们们却却尽尽了了我我们们的的努努力力去去实实验验我我们们所所想想到到的的，，我我们们所所能能做做的的。。我我们们大大胆胆地地提提出出了了设设想想，，然然后后去去验验证证。。这这是是一一次次漫漫长长而而艰艰苦苦的的过过程程，，需需要要很很大大的的勇勇气气去去面面对对挫挫折折和和失失败败的的打打击击。。我我们们的的实实验验并并不不是是一一帆帆风风顺顺，，而而是是充充满满曲曲折折的的，，最最后后甚甚至至于于差差点点连连结结论论都都没没理理出出。。但但是是，，现现在在我我们们却却可可以以欣欣慰慰的的笑笑了了，，不不是是因因为为我我们们查查资资料料查查到到了了我我们们所所想想到到的的东东西西，，而而是是我我们们确确实实学学会会了了一一样样东东西西，，那那就就是是探探索索的的精精神神。。我我们们感感受受到到了了探探索索的的快快乐乐。。通通过过这这一一次次探探索索，，我我们们获获得得了了一一些些重重要要的的经经验验：：（（11））如如何何查查阅阅和和利利用用资资料料。。（（22））全全面面分分析析的的精精神神。。（（33））大大胆胆想想象象与与猜猜测测的的精精神神。。年年轻轻人人，，不不能能没没有有探探索索精精神神，，成成功功永永远远只只会会垂垂青青那那些些富富有有探探索索精精神神的的人人。。只只有有那那些些有有探探索索精精神神的的人人，，才才能能笑笑到到最最后后！！参参考考文文献献：：11))《《大大学学普普通通化化学学··下下册册》》（（付付鹰鹰编编））；；22))《《全全日日制制普普通通高高级级中中教教科科书书··化化学学》》（（人人教教版版··实实验验修修订订版版））第第二二册册33))《《无无机机化化学学第第三三版版··上上册册》》（（武武汉汉大大学学，，吉吉林林大大学学等等校校编编））44))《《高高等等无无机机化化学学》》鸣鸣谢谢：：11))数数码码照照相相：：株株洲洲市市二二中中GG221166班班胡胡超超22))指指导导老老师师：：湖湖南南师师大大化化学学系系薛薛凤凤春春教教授授33))指指导导老老师师：：株株洲洲市市二二中中匡匡传传荣荣老老师师4)指指导导老老师师：：株株洲洲市市二二中中张张天天如如老老师师实验一实验目的：观察Fe(OH)2被空气氧化的全过程。实验仪器及药品：FeSO4（或FeCl2）NaOH铁架台试管夹试管滴管滤纸（作衬纸）烧杯等实验步骤：（1）组装仪器，配制溶液（2）用胶头滴管向装有FeSO4溶液的试管中滴加NaOH溶液，产生反应：FeSO4+2NaOH=Fe(OH)2↓+Na2SO4（注意：使用的试剂都要煮沸去氧；去氧后的试剂需滴加苯，防止氧气的进入；滴加反应液时滴管口必须在溶液液面以下。下面的每项实验都严格这样做。）（3）用衬纸作为背景，观察颜色变化（4）整理仪器，清理现场。实验现象：NaOH滴入后，立即出现白色絮状沉淀，放置几秒后变成浅绿色，过一会儿又变成灰绿色。放置较长时间，溶液变为红褐色。实验结论：现象确如书上所说，颜色变化为：白色→浅绿色→灰绿色→红褐色实验二实验目的：观察及验证杂质离