Fe3+和Al3+分步沉淀pH曲线的测定与分析-《化学教学》(2021年2期).docx

龙源版权所有 Fe3+和Al3+分步沉淀pH曲线的测定与分析作者：熊宗齐来源：《化学教学》2021年第02期 摘要： 运用pH传感器，测定NaOH溶液分别滴定FeCl3溶液、Al2（SO4）3溶液以及两者混合溶液的pH曲线。结合理论计算和实验图像分析Fe3+、 Al3+开始沉淀的pH及沉淀完全的pH，通过“宏观-微观-符号-曲线”四重表征分析pH曲线变化，探讨Fe3+、 Al3+分步沉淀的可行性及最佳pH范围。 关键词： pH传感器; Fe3+和Al3+分步沉淀; pH曲线; 实验探究 文章编号： 1005-6629（2021）02-0070-06 中图分类号： G633.8 文献标识码： B 1 问题提出 分离溶液中的金属离子时，常通过加入强碱调节pH，使金属离子形成相应的氢氧化物沉淀，使其脱离出溶液体系，是工业除杂的常见操作之一。这种通过加强碱调节溶液pH的方式逐一沉淀某些金属离子的操作，称为分步沉淀或选择性沉淀[1]。其基本原理是第一种金属离子完全沉淀时，第二种离子尚未开始沉淀，满足这个条件，就可以通过分步沉淀的方法分离金属离子。由于高中教材没有设计相关实验，高考试题又常常涉及，学生对这类问题往往缺乏深入的理解。以Fe3+、Al3+为例，2020年全国Ⅰ卷第26题和全国Ⅲ卷第27题均有考查。试题相关部分信息如表1所示。 通过对比发现，2020年全国Ⅰ卷第26题和2020年全国Ⅲ卷第27题都涉及Fe3+、Al3+的沉淀问题，但前者并未给出金属离子的初始浓度，而后者给出开始沉淀时金属离子的浓度。由于金属离子沉淀的pH与金属离 子的初始浓度密切相关，显然后者提供的信息更加规范。同时，按照全国Ⅰ卷第26题的信息，当Fe3+尚未完全沉淀时（如pH在3.0～3.2）Al3+开始沉淀了，Fe3+、Al3+不能实现分步沉淀。而按照全国Ⅲ卷第27题的信息，两者又是可以分步沉淀的。为了解决这个矛盾，同时帮助学生深入理解分步沉淀，拟设计NaOH溶液滴定FeCl3溶液、Al2（SO4）3溶液以及两者混合溶液的实验，借助手持技术认识滴定过程中的pH曲线变化特征。通过理论计算和实验验证，培养学生逻辑思辨与分析问题能力。借助“宏-微-符-曲”四重表征深入理解曲线变化的原因，最终能够建立简单模型去分析和解决这一类问题。 2 理论计算 依据难溶物沉淀溶解平衡原理，金属离子与其氢氧化物沉淀存在如下平衡[2]： M（OH）n（s） Mn+（aq）+nOH-（aq） 查化学《兰氏化学手册》第15版[3]知： 25℃时，Ksp[Fe（OH）3]=2.79×10-39， Ksp[Al（OH）3]=1.30×10-33。 理论上，若c0（Fe3+）=0.025mol·L-1时，当Qc≥Ksp[Fe（OH）3]时，Fe3+开始沉淀，此时求得理论pH=1.68。当溶液中c（Fe3+）≤1.0×10-5mol·L-1时，认为已完全沉淀，求得此时的pH=2.81。同理，若c0（Al3+）=0.025mol·L-1时，可以求得Al3+开始沉淀的pH为3.57，完全沉淀的pH为4.71。故理论上认为，当控制溶液的pH在2.81～3.57之间，可以实现先沉淀分离出Fe3+，再调节pH至4.71，沉淀分离出Al3+，实现离子的分步沉淀。 对于难溶物的溶度积常数，不同的高校教材中给出的数据也有差别（见表2）。 = 对比上表中数据发现，Ksp[Fe（OH）3]的数值武大《分析化学》与其余三种教材差别较大，按照4.0×10-38来计算c0（Fe3+）=0.025mol·L-1时开始沉淀的pH=2.07，这与前面Ksp[Fe（OH）3]=2.79×10-39时开始沉淀的pH=1.68还是有较大差别的。同样，Ksp[Al（OH）3]的值也有差异。因此，由Ksp数据带来的误差是需要考虑的。 3 实验设计 3.1 实验方案 实验设计方案如表3所示。 3.2 实验仪器及药品 实验仪器： 威尼尔pH传感器（0～14）、滴数传感器、数据采集器、磁力搅拌器，台秤、100mL烧杯、50mL量筒、100mL容量瓶、10mL移液管、吸耳球、玻璃棒、药匙、称量纸等 实验药品： 0.10mol·L-1 FeCl3溶液、0.050mol·L-1 Al2（SO4）3溶液、0.11mol·L-1 NaOH溶液（邻苯二甲酸氢钾已标定）、稀盐酸、稀硫酸、KSCN溶液、铝试剂、蒸馏水 3.3 实验内容 3.3.1 溶液配制 分别取50mL浓度为0.10mol·L-1 FeCl3溶液和0.050mol·L-1 Al2（SO4）3溶液于烧杯中，用盐酸调节FeCl3溶液pH为1.5左右，用硫酸调节Al2（SO4）3溶液pH为3.3左右，以防止Fe3+和Al3+水解，备用。