α-Fe2O3、γ-Fe2O3与H2SO4反应的比较

颜齐圣

本篇文章對不同构形的Fe₂O₃与各种浓度H₂SO₄的反应进行了比较，并对γ-Fe₂O₃的制备做出一些说明。本文检验三价铁离子的方法是硫氰化钾法。本文分为四个部分：1、研究背景 2、α-Fe₂O₃3、γ-Fe₂O₃  4、实验总结。由于技术限制笔者没有对制得的三氧化二铁进行XRD（X射线衍射实验）但有关制取方法还是来自一些比较权威并可信的文献。

1 研究背景

笔者在一次实验中，意外发现实验室中的“分析纯Fe₂O₃ ”并不与各种浓度的H₂SO₄发生反应，通过查找有关文献，笔者发现了不同构形的Fe₂O₃化学性质有所区别，α-Fe₂O₃的化学性质比γ-Fe₂O₃的化学性质活泼，这是因为α-Fe₂O₃的空间构型要比γ-Fe₂O₃致密，对此笔者设计了以下实验来加以验证。

2 α-Fe₂O₃与H₂SO₄反应

主要实验药品：分析纯α-Fe₂O_; 在高温下灼烧过的Fe₂O₃（根据文献Synthesis and Characterization of Nanometer-Size Fe₃o₄and γ-Fe₂O₃Particles所写，高温处理过的Fe₂O₃绝大多数为α-Fe₂O₃） ;10%H₂SO₄;30%H₂SO₄;98%H₂SO₄;KSCN溶液 ;盐酸 ;还原铁粉。

实验一：

在三支试管中分别加入0.5克分析纯Fe₂O₃，加入不同浓度的H₂SO_4，5毫升充分反应，实验结果如表一

实验三：

在酒精灯下加热久置分析纯的Fe₂O₃冷却，取少量分别加入三支试管，加入不同浓度H₂SO₄，充分反应，实验结果如表三：

可见：久置的Fe2O3为大量的α-Fe₂O₃很难与H2SO4反应，但在加热或者长时间反应之后还是可以反应的;另外在高温下处理过的Fe₂O₃也很难与H₂SO₄反应（在高温下Fe₂O₃的构形转换为了α-Fe₂O₃）

3 γ-Fe2O₃与各种浓度H₂SO₄的反应

FeCl₃+3NaOH=Fe（OH）₃↓+3NaCl

2Fe（OH）₃=Fe₂O₃+3H₂O

实验四：

分别取3.2g FeCl₃，2.4g NaOH，配成2mol/L的溶液，混合沉淀，倒去上层清液，过滤用蒸溜水清洗3次，把Fe（OH）₃在蒸发皿中用酒精灯加热约20min，直至固体颜色变成暗红色，后继续加热20min，保证把Fe（OH）₃完全变为γ-Fe2O₃，冷却后取1.0g分别放入三支试管中，加入不同浓度的硫酸，充分反应，实验结果如表四：

大量

实验五：

在还原铁屑中加入1mol/L的NaCl溶液，在空气中放置一天后，用酒精灯加热至水分蒸干（此时新制的Fe₂O₃中有少量的Fe没有完全反应，所以会有部分Fe与Fe³⁺反应生成Fe^2+，所以为了排除它所带来的干扰，我们用筛子把Fe₂O₃分离出来_。取少量分别放入三支试管中，加入不同浓度的硫酸，充分反应，实验结果如表六：

表六：加热后的铁锈与不同浓度的硫酸反应

可见：新制的Fe2O3与H2SO4可以反应，只是因为我在加热时所用温度不高而生成的多为γ-Fe2O3。

2、γ-Fe2O3制备：第一种方法（要求较高）

Fecl₂+2FeCl₃+8OH^-------Fe₃O₄-----_-γ-Fe₂O₃

取5.2gFecl₃与2gFecl₂，在PH=10-11 的条件下生成纳米Fe₃O₄，用强磁沉淀，离心4000 rpm后加500ml 0.01ml ，HCl离心（4000 rpm）得到8.5±1.3mm的Fe₃O₄.

把得到的Fe₃O₄调到PH=3.5，在100℃ 下加热30min ，颜色变至棕红色，得到γ-Fe₂O₃. 离心（4000 rpm），干燥得到γ-Fe₂O₃固体。

第二种方法（较简单）

Fe₂++2Fe³⁺+8OH^-=Fe₃O₄↓ +4H₂O

这里用FeSO₄+2Fecl₃+8NaOH=Fe₃O₄↓ +8Nacl+4H₂O

图二：γ-Fe2O3制备方法

取FeSO₄1.5g，Fecl₃3.25g，NaOH3.2g 配成2mol/L溶液，混合，得納米Fe₃O_4，用强磁沉淀三次，调PH至3.5，酒精与强磁沉淀，将沉淀放入蒸发皿中，在100℃的温度下加热30min，使Fe₃O₄干燥，后加温至150^oC，油浴30min得到干燥的暗红色γ-Fe₂O₃.固体。

注意：如果不用新制的Fe₃O₄效果不佳，在酒精灯下加热40min 只有少量的γ-Fe₂O₃生成，并且对于温度的控制十分重要。

第六组：

取少量的γ-Fe₂O₃.放入三支试管， 加入不同浓度的硫酸，充分反应，实验结果如表七：

可见：γ-Fe₂O₃可以与硫酸反应，并且γ-Fe₂O₃的反应速度比α-Fe₂O₃快得多。

4 实验总结

α-Fe₂O₃用HCL重复部分后发现与H₂SO₄不易发生反应，所以实验中的Fe₂O₃不易与H₂SO₄反应，而新制出的Fe₂O₃能与H₂SO₄反应，所以在课堂上老师可以用刚生绣的Fe来做实验，或使用γ-Fe₂O₃。

γ-Fe₂O₃有铁磁性，而且可以与H₂SO₄发生比较强烈的反应，它的性质比α-Fe₂O₃更活泼，比α-Fe₂O₃更不稳定。这是因为α-Fe₂O₃的晶体形状（六方晶系）堆积的比较密集（如下图所示），α-Fe₂O₃晶格常数为0.5414略小于γ-Fe₂O₃晶格常数，所以O原子很难与酸结合发生反应;而γ-Fe₂O₃的疏松结构则更利于与酸反应。

α-Fe₂O₃

由此可见，同一种物质的不同结构对它的物化性质都有着十分重大的影响，所以结构化学在化学研究中的地位十分重要，未来发展前景非常广阔。

（作者单位：重庆宏帆初级中学）