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硫化钠溶液与氯化铁溶液反应本质的研究硫化钠溶液与氯化铁溶液反应本质的研究研究成员：李珊、李廷辉、彭紫君、汤瑞茵、邱杰、黄炜东学校：广州市育才中学指导老师：姜宏飞一、研究目的（1）了解硫化钠、氯化铁分别在水溶液中发生水解反应的情况。（2）研究将硫化钠溶液加入氯化铁溶液中，将氯化铁溶液加入硫化钠溶液中，分别发生什么现象，判断发生了哪些反应，总结两种溶液之间反应的本质。二、研究方案我们首先通过了解硫化钠、氯化铁的性质，对两个反应物的反应进行猜测。再通过一系列的方法设计实验，对可能生成的物质进行检验，继而反推发生了什么类型的反应，再做出相关的总结。对此，我们在摸索中相继设计了以下的实验：实验一：硫化钠溶液和氯化铁溶液性质初探实验二：硫化钠溶液和氯化铁溶液反应现象观察和分析实验三：硫化钠溶液和氯化铁溶液反应产物的探究实验四：探究溶液的酸碱性对硫化钠溶液和氯化铁溶液反应的影响实验五：其他金属阳离子和硫化钠溶液的反应情况探究三、研究过程实验一：硫化钠溶液和氯化铁溶液性质初探【实验仪器】PH试纸、玻璃皿、玻璃棒【实验试剂】Na2S溶液、FeCl3溶液【实验操作】观察未知浓度的硫化钠溶液和氯化铁溶液并分别测定其PH，结果如下：物质外观PH解释Na2S溶液无色透明液体，有臭鸡蛋气味12Na2S溶液发生水解，溶液呈碱性，有少量硫化氢挥发出来。S2－+H2OHS－+OH－HS－+H2OH2S+OH－FeCl3溶液黄褐色透明液体，无气味2FeCl3溶液发生水解，溶液呈酸性Fe3＋+3H2OFe(OH)3+3H＋【分析与讨论】根据上述情况，我们预测硫化钠溶液和氯化铁溶液发生双水解反应，如下：3Na2S+2FeCl3+6H2O=2Fe(OH)3↓+3H2S↑+6NaCl预测现象：有红棕色沉淀产生，有无色臭鸡蛋气味的气体产生。事实情况如何呢？我们决定动手实验一下。实验二：硫化钠溶液和氯化铁溶液反应现象观察和分析【实验仪器】试管、胶头滴管、量筒【实验试剂】Na2S溶液、FeCl3溶液【实验步骤和现象】编号操作步骤现象实验①取一支洁净的试管，加入5mlPH=2的氯化铁溶液，逐滴滴加1——3滴PH=12的硫化钠溶液，振荡试管。滴入两滴硫化钠溶液，立即产生黑色沉淀，振荡后沉淀消失，溶液黄色变浅，有臭鸡蛋气味；再滴入1滴硫化钠溶液，又产生黑色沉淀，振荡后沉淀又消失，溶液变为乳黄色，有臭鸡蛋气味实验②再取一支洁净的试管，加入5mlPH=12的硫化钠溶液，逐滴滴加1——3滴PH=2的氯化铁溶液，振荡试管。滴入两滴FeCl3溶液，立即产生黑色沉淀，振荡后沉淀不消失；再滴入1滴FeCl3溶液，黑色沉淀增多，振荡后沉淀不消失，溶液变为墨绿色。没有明显的臭鸡蛋气味。【分析与讨论】沉淀颜色并不是我们预测的红棕色，而是黑色！黑色沉淀是什么呢？为此我们上网查找了到如下一些资料：物质溶度积（Ksp）外观相关性质FeS3.7×10－19棕黑色/黑褐色块状物溶于酸有H2S产生，加热容易氧化，熔点高，高温加热可得SFe2S31.0×10－88黑色固体，常温下易转变为黄绿色遇强热则分解成FeS和S，遇酸有H2S产生Fe(OH)31.1×10－36棕色或红褐色粉末/深棕色絮状沉淀可溶于酸S淡黄色固体难溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳等有机溶剂，可燃。根据实验现象和资料，我们有如下一些猜测：猜测一：黑色沉淀是FeS和S的混合物，黑色遮住了黄色。没有Fe2S3的理由是：它如同碳酸铝一样在水中不存在。猜测二：黑色沉淀是FeS,S和Fe(OH)3的混合物。理由除了“猜测一”中表述的还有：在“实验①”中有臭鸡蛋气味，说明发生了“双水解”，那就会产生Fe(OH)3猜测三：黑色沉淀是Fe2S3。理由是Fe2S3的Ksp极小，远远小于FeS和Fe(OH)3到底哪种猜测正确呢？而且“实验①”中产生的黑色沉淀振荡后为什么又消失了？另外，滴入的顺序和用量不同，为什么现象不一样？我们决定继续设计实验方案探究。实验三：硫化钠溶液和氯化铁溶液反应产物的探究【实验仪器】锥形瓶、导管、漏斗、铁架台、烧杯、滤纸、PH试纸、玻璃棒，有孔的橡皮塞、胶头滴管，玻璃皿，药匙，量筒、燃烧匙、酒精灯【实验药品】FeCl3溶液、Na2S溶液、4mol/LH2SO4溶液、1mol/LKSCN溶液、K3Fe(CN)6溶液、饱和CuSO4溶液、蒸馏水、NaOH溶液、酸化的AgNO3溶液【实验流程】蒸馏水硫酸硫化钠溶液氯化铁溶液【实验操作、现象和分析】1.混合：用量筒分别量取10mlPH=2氯化铁溶液和10mlPH=12硫化钠溶液，置于锥形瓶中，迅速盖上带有导管的橡皮塞，导管插入装有NaOH溶液的试管中（吸收尾气）。现象记录有黑色沉淀，有臭鸡蛋气味，液体为墨绿色的且是浑浊的原理分析可能有FeS沉淀产生，我们猜测还有硫磺产生，只是黑色遮住了，另外还有硫化氢气体产生。2.过滤Ⅰ：过滤后滤液Ⅰ几乎为无色，但过一段时间后略变黄色。滤渣Ⅰ开始时是黑色，大约过半个钟后变为黄绿色。（这是一个重大发现！当时真是激动啊，好像居里夫妇发现“镭”了）。真实图片如下：大约半小时后混合过滤Ⅰ酸化滤渣Ⅰ滤液Ⅰ水洗过滤Ⅱ滤渣Ⅱ滤液Ⅱ检测水洗晾干点燃分析：滤液Ⅰ可能有浓度极低的亚铁离子；滤渣Ⅰ的颜色变化说明了黑色沉淀含Fe2S33.酸化：酸化时有强烈的臭鸡蛋气味，黑色沉淀很快变为乳白色浑浊液（略带米黄色）。分析：黑色沉淀和硫酸发生了反应，产生了硫化氢气体，浑浊液中的沉淀（估计是硫）是原来就有的还是酸化时产生的呢？4.过滤Ⅱ：过滤后滤液Ⅱ为无色。滤渣Ⅱ为淡黄色。分析：滤渣Ⅱ的成分很可能是硫5.滤渣Ⅱ：水洗晾干后放在燃烧匙点燃，当观察到有火星时，我们十分欣喜。如下图：分析：滤渣Ⅱ中含硫磺。这说明硫化钠与氯化铁确实发生了氧化还原反应。6.检测：对滤液I和II进行检测的结果如下：滤液I滤液II用PH试纸测H＋浓度62用KSCN检验Fe3＋是否存在不变色血红色用铁氰化钾检验Fe2＋是否存在：不变色蓝色沉淀用硫酸铜溶液检验S2-是否存在：不变色不变色用硝酸酸化的硝酸银溶液检验Cl＿：白色沉淀无沉淀检测结果分析：结论分析滤液I略显酸性，存在大量氯离子，没有Fe3＋、Fe2＋和S2-硫离子和铁离子反应完全了滤液II强酸性，有Fe3＋、Fe2＋，没有S2-和Cl-酸化时硫酸过量了，滤渣和硫酸反应时产生了Fe3＋、Fe2＋【分析与讨论】综合分析得出以下结论：①等体积PH=12的硫化钠溶液和PH=2的氯化铁溶液混合产生的沉淀有Fe2S3、FeS和S。不清楚是否含有Fe(OH)3②等体积PH=12的硫化钠溶液和PH=2的氯化铁溶液混合时发生的反应有：2Fe3++3S2-=Fe2S3↓2Fe3++3S2-=2FeS↓+S↓Fe2S3+4H+=2Fe2++S↓+2H2S③结合实验二，我们猜测硫离子和铁离子的反应与他们的用量、溶液的酸碱性有关。实验四：探究溶液的酸碱性对硫化钠溶液和氯化铁溶液反应的影响【实验仪器】烧杯、胶头滴管、量筒、PH试纸、漏斗、滤纸、铁架台、玻璃棒【实验试剂】Na2S溶液、FeCl3溶液、HCL溶液、NaOH溶液、KSCN溶液、K3Fe(CN)6溶液【实验操作和现象】如下表：溶液步骤1号：10mlFeCl32mlNa2S2号：10mlFeCl32mlNa2S2mlHCL3号：10mlNaS22mlFeCl34号：10mlNaS22mlFeCl32mlNaOH溶液混合过程中及充分混合后现象局部产生黑色固体，震荡后黑色固体消失，溶液呈橘黄色，有黄色絮状沉淀，有刺激性气味生成局部产生黑色固体，震荡后黑色固体消失，溶液呈橙色，有黄色絮状沉淀，有刺激性气味生成立刻产生大量黑色沉淀，溶液呈墨绿色，有刺激性气味生成立刻产生大量黑色沉淀，溶液呈墨绿色，有刺激性气味生成滤液PH值211313过滤后滤纸残留物灰色固体少量灰白色固体黑色固体次日变黑绿色。黑色固体次日变为红褐色过滤后滤纸颜色淡黄色黄色黑色黑色过滤后滤纸用盐酸酸化，再用KSCN检验铁离子存在存在存在存在过滤后滤纸用盐酸酸化，再用铁氰化钾检验亚铁离子存在存在不明（起初检测时黑色瞬间消失溶液与铁氰化钾同色，第二次实验时，无明显现象，机理不明。）不明（起初检测时黑色瞬间消失溶液与铁氰化钾同色，第二次实验时，无明显现象，机理不明。）【混合时图片】【分析与讨论】实验现象表明：溶液碱性越强，生成黑色沉淀越多，即生成Fe2S3越多,但碱性太强也伴随有氢氧化铁产生；酸性越强，生成硫越多（现象是“越白”）。硫离子和铁离子的反应果然与溶液的酸碱性有关。Fe3+在酸性条件下其氧化性比在碱性条件下强，会将S2-氧化成S，自身被还原为Fe2+（实验②的酸性条件比实验①的要强，因此被还原的Fe2+更多些，使得溶液颜色看起来比较绿）；在碱性的条件下，Fe3+氧化性减弱，Fe3+和S2-会结合成溶解度极小的Fe2S3沉淀。实验五：其他金属阳离子和硫化钠溶液的反应情况探究【问题的提出】铁离子和硫离子混合，存在复分解反应和氧化还原反应的竞争，那么比铁离子氧化性强的Ag+呢？比铁离子氧化性弱的Cu2+、Fe2+、Al3+呢？【实验仪器】试管、胶头滴管、量筒【实验试剂】Na2S溶液、FeCl3溶液、AgNO3溶液、FeCl3溶液、CuCl2溶液、FeCl2溶液、AlCl3溶液【实验操作】1．向5mlPH=12的Na2S溶液中分别滴入2滴下列溶液：溶液①AgNO3②FeCl3③CuCl2④FeCl2⑤AlCl3现象溶液由无色变浅褐色，产生黑色沉淀溶液变成深墨绿色，有黑色沉淀底部为黑色沉淀，上层清液为浅绿色溶液变为深褐色，产生黑色小颗粒产生白色沉淀，振荡后沉淀立即溶解离子方程式2Ag＋+S2—=Ag2S↓2Fe3++3S2-=Fe2S3↓Cu2++S2-=CuS↓Fe2++S2-=FeS↓2Al3++3S2-+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2SAl(OH)3+OH-=AlO2-+2H2O2.向5ml下列溶液中分别滴入2滴PH=12的Na2S溶液结果如下：相关照片：溶液①AgNO3②FeCl3③CuCl2④FeCl2⑤AlCl3现象溶液颜色呈浅褐色，产生黑色沉淀局部有黑色沉淀，震荡后沉淀消失溶液变深蓝绿色，有黑色小颗粒产生黑色沉淀，溶液由浅绿色变为黄灰色溶液变浑浊，有白色沉淀离子方程式2Ag＋+S2—=Ag2S↓2Fe3++3S2-=Fe2S3↓Fe2S3+4H+=2Fe2++S↓+2H2SCu2++S2-=CuS↓Fe2++S2-=FeS↓2Al3++3S2-+6H2O=2Al(OH)3↓+3H2S【分析与讨论】硫离子与过渡元素的金属阳离子在溶液中相遇，通常会生成Ksp较小的金属硫化合物沉淀，而硫离子与铝离子（主族元素）反应，则会发生双水解反应，生成Al(OH)3沉淀和H2S气体；另外，金属硫化物沉淀的溶解与溶液的PH有关。四、研究结果与分析硫化钠溶液与氯化铁溶液混合，主要是氧化还原反应和复分解反应的竞争，而不发生“双水解反应”。竞争的结果与反应物的用量、溶液的酸碱性有关。现结合“实验二”总结硫化钠溶液与氯化铁溶液的本质，如下表：编号操作步骤现象和解释实验①取一支洁净的试管，加入5mlPH=2的氯化铁溶液，逐滴滴加1——3滴PH=12的硫化钠溶液，振荡试管。滴入硫化钠溶液，立即产生黑色沉淀，只是在局部产生，发生反应2Fe3++3S2-=Fe2S3↓振荡后，由于氯化铁过量，溶液呈酸性，Fe2S3+4H+=2Fe2++S↓+2H2S，黑色沉淀消失，溶液变为乳黄色（S），有臭鸡蛋气味H2S。反应总式为：2Fe3++3S2-+4H+=2Fe2++S↓+2H2S实验②再取一支洁净的试管，加入5mlPH=12的硫化钠溶液，逐滴滴加1——3滴PH=2的氯化铁溶液，振荡试管。滴入FeCl3溶液，产生黑色沉淀，发生反应2Fe3++3S2-=Fe2S3↓,振荡后沉淀不消失,没有明显的臭鸡蛋气味,是因为硫化钠过量，溶液呈碱性，黑色沉淀不溶解。五、研究体会汤瑞茵：这次的实验跟以往的截然不同，因为以前我们都只是在一旁看着老师演示，我们却在一旁看的惊讶。然而这次是我们亲自动手，亲力亲为的完成实验。