FeCl3溶液与Na2SO3溶液反应过程的探究

王楠 吴晓红

摘 要：基于对一道化学试题中FeCl3浓溶液和Na2SO3浓溶液反应现象产生的疑问，设计实验对FeCl3溶液与Na2SO3溶液的反应进行实验验证和理论探究，对它们之间的反应过程提出一个比较合理的解释.

关键词：氯化铁;亚硫酸钠;实验探究

基金项目：宁夏回族自治区创新创业教育教学改革项目“共享理念下‘本硕互动学习模式的构建及实践研究——以‘中学化学专题教学设计与实践课程为例”（项目编号：NXBJG2018013）.

作者简介：王楠（1994-），女，宁夏中卫人，硕士研究生，研究方向：学科教学（化学）;

吴晓红（1960-），女，宁夏银川人，研究生，教授，研究方向：化学课程与教学论.

1 问题提出

某中学的化学月考中有这样一道试题：取5 mLFeCl3浓溶液于试管中，逐滴加入Na2SO3浓溶液，观察到溶液颜色由黄色变为红棕色，继续加入Na2SO3浓溶液至过量，溶液颜色加深，最终变为红褐色，无气泡产生，无沉淀生成.

在学习了氧化还原反应之后，可知Fe3+具有较强的氧化性，而Na2SO3既有氧化性也有还原性，酸性条件下电极电对Fe3+/Fe2+的标准电极电势EθA=0770V，电极电对SO42-/H2SO3的标准电极电势EθA=0172V.因此FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液，SO2-3表现为还原性， Fe3+可以被SO2-3还原生成Fe2+，溶液颜色会从黄色变为浅绿色.而试题中阐述的现象与理论分析产生偏差，可知FeCl3溶液和Na2SO3溶液反应是一个复杂的过程.

2 思路分析

根据上述题目中阐述的现象，结合高中阶段所学的知识，有理由怀疑最终出现的红褐色物质是Fe（OH）3胶体.生成Fe（OH）3胶体的原理可能为：Fe3+是弱碱阳离子，在水溶液中会发生水解反应Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+，SO2-3是弱酸根离子，在水溶液中也会发生水解反应SO2-3+H2OHSO3-+OH-而产生OH-.因此FeCl3溶液中加入Na2SO3溶液可能会因为水解的原因生成Fe（OH）3.FeCl3溶液和Na2SO3溶液究竟是发生了水解反应还是氧化还原反应呢？基于此，通过以下实验对FeCl3溶液和Na2SO3溶液反应进行了探讨.

3 FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液的实验探究

31 实验用品

仪器：烧杯、试管、玻璃棒、胶头滴管.

药品：FeCl3·6H2O、无水Na2SO3.

32 实验步骤

（1）配制药品：分别称取一定量的FeCl3·6H2O固体和无水Na2SO3粉末，加入蒸馏水溶解配制成1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液和1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液.量取一定体积1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液和1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液各两份，加适量蒸馏水稀释，得到05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液，以及05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液.

（2）分别量取1 mol瘙 簚

L-1、05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液各三份于试管中，每份溶液的体积为3 mL，编号1-1～1-9.在每个浓度的三份FeCl3溶液中分别滴加1 mol瘙 簚

L-1、05 mol瘙 簚

L-1、01 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液，边滴加边振荡并观察现象（详细设计见表1）.

（3）将各组溶液静置1 h，观察现象.

33 实验设计及现象

34 实验现象及数据分析

（1）FeCl3溶液和Na2SO3溶液反应过程的分析

Fe3+和SO2-3发生氧化还原反应的标准平衡常数：

lgKθ=n（Eθ1-Eθ2）0059V=2×（0.770）V-172V）0059V≈20

Kθ=1020

Fe3+和SO2-3发生双水解反应的平衡常数：

K=K6WK2SP×（Ka1×Ka2）3=

（10-14）6（279×10-38）2×[（154×10-2）×（102×10-7）]3

通过上述计算可知，从反应的热力学分析，Fe3+和SO2-3发生氧化还原反应的趋势大于两者发生双水解反应的趋势，并且发生氧化还原反应的趋势更大.在FeCl3溶液中加入一滴Na2SO3溶液后，取少量反应溶液于另一个洁净的试管中，并在试管中加入铁氰化钾溶液，溶液中立马生成深蓝色沉淀，证明反应开始时Fe3+和SO2-3确实发生了氧化还原反应[1].但观察到的实验现象是溶液先变为红褐色的，用平行光照射时可以从侧面看到光亮的“通路”，表明发生了双水解反应.一般氧化还原反应的活化能要大得多，反应速率也比较小[2]，因此从动力学角度分析，水解反应的反应速率较快，对反应体系颜色的影响占据主导地位.通过数据及实验现象分析可知，Fe3+和SO2-3离子间发生的氧化还原反应和双水解反应在同一反应体系中共存并存在相互竞争.

（2）沉淀生成及溶解的原因分析

上述实验1-1和实验1-4都有沉淀生成，首先生成的沉淀是白色絮状沉淀，随着反应地进行变为红褐色.通过上述计算结果和实验现象可知，生成的白色沉淀为Fe（OH）2，Fe（OH）2容易被氧化生成紅褐色的Fe（OH）3沉淀.二价铁离子能够生成Fe（OH）2沉淀是因为SO2-3是弱酸根离子，在水溶液中会水解，水解后的溶液显碱性，即：SO2-3+H2OHSO3-+OH-.

H2SO3的电离平衡常数[3]为：Ka1=154×10-2;Ka2=102×10-7.

SO2-3的水解平衡常数为：Kh=KWKa2=10×10-14102×10-7=98×10-8

1 mol

L-1的Na2SO3溶液中OH-的浓度为：

[OH-]=KhC盐=98×10-8×1=313×10-4mol·L-1

通过计算得到1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液中OH-的浓度为313×10-4 mol瘙 簚

L-1，溶液的碱性比较强.Na2SO3溶液加入到FeCl3溶液中，溶液的pH瞬间升高，马上生成Fe（OH）2沉淀.

Fe3+是弱碱阳离子，在水溶液中也会水解，水解后的溶液显酸性：

Fe3++3H2OFe（OH）3+3H+

Fe（OH）3的沉淀溶解平衡常数[4]为：Ksp=279×10-39

Fe3+的水解平衡常数为：K=K3WKsp=（10×10-14）3279×10-39=36×10-4

1 mol

L-1的FeCl3溶液中H+的浓度为：Kh=[H+]3[Fe3+]=36×10-4

[H+]≈0071mol·L

通过计算可知，1 mol

L-1的FeCl3溶液中H+的浓度为00711 mo

L-1，FeCl3溶液中H+的浓度要远大于Na2SO3溶液中OH-的浓度.FeCl3溶液与Na2SO3溶液反应后的溶液中H+浓度仍然很大，且氧化还原反应也会有H+生成.在酸性较强的反应溶液中生成的沉淀不稳定，振荡后就会溶解生成能够发生丁达尔效应的Fe（OH）3胶体.

（3）溶液颜色变化的原因分析

通过上述实验发现不论FeCl3溶液和Na2SO3溶液之间量的关系如何，氧化还原反应和双水解反应在同一反应体系中同时发生，由于水解反应的反应速率较快，所以反应开始时水解反应的颜色占据反应体系的主导地位.放置一段时间后溶液颜色的变化与FeCl3溶液和Na2SO3溶液的量有关系.

当c（Fe3+）>c（SO2-3）时，在实验1-2、1-3、1-6中Fe3+的浓度分别是SO2-3浓度的2倍、10倍和5倍，在双水解反应进行的同时，氧化还原反应也在不断地消耗Fe3+和SO2-3，同时产生H+，使水解反应的平衡发生了逆向移动.随着时间的推移，氧化还原反应在整个反应体系中占据了主导，因此放置一段时间后溶液由红褐色变为绿色.

当c（Fe3+）=c（SO2-3）时，在实验1-1、1-5、1-9中，水解反应和氧化还原反应进行的过程中，相对能进行彻底的氧化还原反应中有少量SO2-3剩余，由于氧化还原反应产生了H+，氧化还原反应依旧占据反应体系的主导地位，溶液由红褐色变为绿色.实验1-5和实验1-9由于溶液浓度较低，反应后溶液颜色较浅.

当c（Fe3+）

4 Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液的实验探究

为了进一步论证FeCl3溶液和Na2SO3溶液反应过程的实质，分别量取1 mol瘙 簚

L-1的Na2SO3溶液各三份，在每个浓度的三份Na2SO3溶液中分别滴加1 mol瘙 簚

L-1的FeCl3溶液，编号2-1～ 2-9，继续探究Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液的反应现象.

41 实验现象及分析

通过观察记录实验现象，发现FeCl3溶液与Na2SO3溶液互滴，反应放置一段时间后所得现象一致，但在滴加过程中会有所不同.

（1）实验2溶液是从无色变为红色.

（2）实验2在Na2SO3溶液中滴加FeCl3溶液，开始时溶液呈碱性，滴加FeCl3溶液首先发生双水解反应，生成的沉淀振荡后不会消失，继续滴加FeCl3溶液，溶液中H+的浓度增大，沉淀逐渐消失.

（3）实验2在逐滴滴加FeCl3溶液的过程中，生成的红褐色逐渐变浅，这是因为随着FeCl3溶液地加入，溶液pH减小，Fe3+水解能力降低，生成Fe（OH）3胶体的浓度减小，故溶液的颜色变浅.

5 结论

通过实验探究FeCl3溶液和Na2SO3溶液的反应，得出以下几点结论：

不论是FeCl3溶液中滴加Na2SO3溶液，还是Na2SO3溶液中滴加Na2SO3溶液，反应最终得到的现象是一致的，只是在反应过程中的部分现象有所不同.实验1是从橘黄色变为红褐色，而实验2是从无色变为红褐色;实验1生成的沉淀振荡后迅速溶解，实验2生成的沉淀随着FeCl3溶液地加入逐渐溶解;实验1生成的红褐色溶液随着Na2SO3溶液的加入而加深，实验2生成的红褐色溶液随着FeCl3溶液地加入有变浅的趋势.

FeCl3溶液和Na2SO3溶液的反应不是简单的氧化还原反应，而是双水解反应与氧化还原反应共存并相互竞争的过程.两者等体积反应的过程分为两种情况：

（1）当c（Fe3+）≥c（SO2-3）时，两者之间发生的氧化还原反应占据反应体系的主导地位，最终反应体系的主要成分是Fe2+，反应的过程如下：

2Fe3++2SO2-3+H2O=2Fe2++2SO42-+2H+

SO2-3+H2OHSO3-+OH-

Fe2++2OH-=Fe（OH）2↓

4Fe（OH）2+O2+2H2O=4Fe（OH）3（胶体）

Fe（OH）3+3H+=Fe3++3H2O

2Fe3++2SO2-3+H2O=2Fe2++2SO42-+2H+

（2）当c（Fe3+）

参考文献：

[1] 袁天祥实验探究溶液中铁离子与亚硫酸根离子的反应[J]中学化学教学参考，2018（13）：49-50

[2]郑玉海，张军，吴文中硝酸银溶液与碘化钾溶液反应的实验探究与思考[J]化学教育（中英文），2019，40（05）：83-85

[3]宋天佑，徐家寧，程功臻等无机化学（第二版）上册[M]北京：高等教育出版社，2010：395

（收稿日期：2019-12-13）