探究Fe3+与［Al（OH）4］-反应，提升宏观辨识与微观探析素养

福建省尤溪第一中学（365100） 林佳昆

一、问题提出

铁及其化合物是高中化学的核心知识之一，关于Fe3+，在当前各版本教材的必修模块中只是重点设计实验检验Fe3+，介绍Fe3+的氧化性。铝及其化合物也是高中化学的核心知识之一，在当前各版本教材的必修模块中也只是重点设计实验验证铝、氧化铝、氢氧化铝的两性，而这些物质与过量碱反应都产生［Al（OH）4］-（在苏教版教材和人教版教材中表示为）。在教学过程中，学生常常会问Fe3+与［Al（OH）4］-会发生什么反应。面对该问题，教师通常会基于选修教材《化学反应原理》中的“盐类的水解”，跟学生一起从理论层面上进行推理，得出Fe3+与［Al（OH）4］-最可能发生双水解反应。但是化学教学更注重让学生从实验现象、实验数据层面来证明，为此，笔者在课堂中设计探究实验验证Fe3+与［Al（OH）4］-最可能发生双水解反应，让学生体验科学探究、证据推理的过程［1］。

二、原理分析

在水溶液中Fe3+和［Al（OH）4］-都易水解，这两种离子会相互促进水解，生成Fe（OH）3沉淀和Al（OH）3沉淀。水解反应为：Fe3++3［Al（OH）4］-＝Fe（OH）3↓+3Al（OH）3↓。Fe（OH）3沉淀会结合n个结晶水，Al（OH）3沉淀会结合m个结晶水，使水解平衡正向移动，使Fe3+和［Al（OH）4］-的反应进一步进行。但Fe3+和［Al（OH）4］-是否会直接反应生成Fe［Al（OH）4］3沉淀或Fe（OH）3胶体，都有待进一步设计实验来验证。

三、实验设计

（一）测定FeCl3溶液的pH

实验室温度为25 ℃，测定实验室配制的1 mol/L FeCl3溶液的pH，结果为1.2（如图1）。

图1 测定FeCl3溶液的pH

（二）制取［Al（OH）4］-

取2 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液于试管中，逐滴加入0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液，先产生白色沉淀，白色沉淀迅速溶解（如图2），化学反应为：Al3++4OH-＝［Al（OH）4］-。

图2 产生白色沉淀，沉淀迅速溶解

不断滴加至加入最后一滴白色沉淀不溶解（如图3），化学反应为：Al3++3［Al（OH）4］-＝4Al（OH）3。

图3 白色沉淀不溶解

为确保在［Al（OH）4］-溶液中残留的OH－尽量少，在上述溶液中加一滴NaOH 让沉淀溶解（如图4），化学反应为：Al（OH）3+OH-＝［Al（OH）4］-。

图4 沉淀溶解

（三）［Al（OH）4］－与不同浓度的Fe3+反应

取1 mL［Al（OH）4］-溶液于试管中，逐滴加入1 mol/L FeCl3溶液（如图5），出现红褐色沉淀和白色沉淀（如图6），说明生成Fe（OH）3和Al（OH）3。

图5 往［Al（OH）4］-中逐滴加入FeCl3

图6 出现红褐色沉淀和白色沉淀

（四）Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀与Fe3+反应

将上述沉淀振荡静置（如图7），取出上层清液，在Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀中继续加1 mol/L FeCl3，沉淀部分溶解，生成红棕色液体（如图8）。

图7 振荡静置

图8 沉淀部分溶解，生成红棕色液体

（五）检验红棕色液体

取2 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液于试管中，逐滴加入0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液至不再产生白色沉淀。在Al（OH）3沉淀中逐滴加1 mol/L FeCl3，Al（OH）3沉淀溶解，上层产生红棕色液体（如图9），通过丁达尔效应可以看到在光源的侧面有明亮的光路，证明Al（OH）3与FeCl3反应，生成Fe（OH）3胶体。化学反应为：A（lOH）3+3H+＝Al3++3H2O；3H2O+Fe3+Fe（OH）3（胶体）+3H+。

图9 沉淀溶解，上层产生红棕色液体

（六）Fe（OH）3沉淀与Fe3+反应

取1 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液于试管中，逐滴加入1 mol/L FeCl3溶液至过量，先产生红褐色沉淀（如图10），后沉淀溶解，生成红棕色液体，通过丁达尔效应可以看到在光源的侧面有明亮的光路。

图10 红褐色沉淀

（七）Fe3+与不同浓度的［Al（OH）4］－反应

取1 mL 0.1 mol/L Al2（SO4）3溶液于试管中，加4 mL 0.1 mol/L NaOH 溶液，反应产生Al（OH）3白色沉淀，静置，取上层清液并在其中加NaOH 溶液，无明显现象，保证上层清液中无Al3+。用滴管吸取Al（OH）3沉淀的上层清液（如图11左试管），逐滴加入装有1 mL 1 mol/L FeCl3溶液的试管中，生成红棕色液体（如图11 右试管），通过丁达尔效应可以看到在光源的侧面出现明显的光路（如图12）。红棕色液体中不断加入氢氧化铝的上层清液，无明显变化。

图11 生成红棕色液体

图12 产生丁达尔效应

四、结论与讨论

（一）Fe（OH）3在水溶液中易生成沉淀

在水溶液中Fe3+相对于其他金属阳离子水解程度更大。查兰氏化学手册可知，常温下Fe3+的氢氧化物累积生成常数logK3=29.67，K3=1.0 × 1029.67，说明Fe3+与OH－反应很容易生成Fe（OH）3；Fe（OH）3的Ksp=4×10-38=1.0×10-37.4，说明Fe（OH）3很容易生成沉淀。

Fe3+水解生成Fe（OH）3沉淀时，Kh=（Kw）3/Ksp=（1.0×10-14）3/（1.0×10-37.4）=1.0×10-4.6。

（二）Al在水溶液中的存在形式

查兰氏化学手册可知，常温下Al3+的氢氧化物累积生成常数只有logK4=33.03［2］，无logK2和logK3的数据，说明Al3+与OH-反应很容易生成［Al（OH）4］-。为什么查不到logK2和logK3的数据呢？因为在实验测定累积生成常数时，Al3+不仅与加入的标准溶液中的OH-反应，还与水电离出的OH-反应，在溶液中Al3+还会形成水合离子，生成的Al（OH）3无定形，所以兰氏化学手册中无logK2和logK3的数据，但可以查到Al（OH）3（无定形）的Ksp=1.3 × 10-33。百度百科中可以查到偏铝酸的电离平衡常数Ka=6.3 ×10-13，由此可计算AlO-2的水解平衡常数Kh：

HAlO2中Al 最外层只有6 个电子，是缺电子结构，在水溶液里水分子中的氧原子的孤对电子与Al的空轨道易形成配位键，生成Al（OH）3。Al（OH）3还会进一步与一个或多个H2O 形成氢键，生成Al（OH）3·（x-1）H2O（无定形）。

（三）Fe3+和［Al（OH）4］-在水溶液中的反应

在水溶液中Fe3+易水解，水解生成Fe（OH）3沉淀，平衡常数Kh=1.0 × 10-4.6；［Al（OH）4］-的水解程度也很大，易水解生成Al（OH）3·nH2O（无定形），K3＞1.59×10-2。从化学平衡角度分析，在水溶液中Fe3+和［Al（OH）4］-都易水解，把含有这两种离子的溶液混合，易相互促进水解，生成Fe（OH）3沉淀和Al（OH）3沉淀。在实验中观察到的白色沉淀为Al（OH）3沉淀，红褐色沉淀为Fe（OH）3沉淀。Fe3+和［Al（OH）4］-不会直接反应生成Fe［Al（OH）4］3沉淀。

（四）Fe（OH）3和Al（OH）3混合沉淀与Fe3+的反应

在配制FeCl3溶液时，为了减少Fe3+水解，在溶液中加了过量的盐酸，因此实验所用的1 mol/L FeCl3溶液的pH 为1.2，Fe3+水解也会产生较多的H+。在Fe（OH）3和Al（OH）3沉淀中继续加1 mol/L FeCl3溶液，沉淀部分溶解，生成红棕色液体。虽然过量的盐酸与Fe（OH）3和Al（OH）3反应，但是生成的Fe3+在水溶液中是黄色的，Al3+在水溶液中是无色的，因此推测红棕色可能是溶液中的Cl-、H2O、OH-中的氯原子或氧原子的孤对电子进入Fe3+的空轨道形成配位键进而形成的络合离子的颜色。Fe（OH）3沉淀在FeCl3溶液中溶解时形成稳定的胶体。

（五）Fe3+溶液与浓度较小的［Al（OH）4］-反应

取Al2（SO4）3溶液于试管中，加稍过量的NaOH，产生Al（OH）3白色沉淀，静置，取上层清液并在其中加NaOH，无明显现象，说明上层清液中无大量Al3+，所含［Al（OH）4］-的浓度较低。取FeCl3溶液于试管中，用滴管吸取Al（OH）3沉淀的上层清液逐滴加入试管，生成红棕色液体，通过丁达尔效应可以看到在光源的侧面出现明显的光路，说明生成Fe（OH）3胶体。

五、教学小结

（一）提供教学素材

通过对实验现象的讨论、计算分析，证明Fe3+与［Al（OH）4］-发生双水解反应，为解决教学中学生提出的疑问提供充分的推理证据，为学生设计探究实验提供参考，为培养学生的化学学科核心素养提供平台。

（二）发现一种Fe（OH）3胶体的制备方法

通过实验现象说明过量Fe3+和［Al（OH）4］-可生成Fe（OH）3胶体，这是制备Fe（OH）3胶体的一种方法。高中化学教材中Fe（OH）3胶体的制备是在沸水中加入FeCl3，要用到的实验仪器有酒精灯、铁架台、铁圈、石棉网、烧杯，还需等待加热，耗时长。若用Fe3+和［Al（OH）4］-反应制备Fe（OH）3胶体，只需要用到试管、滴管，且不需要加热操作。

（三）提升化学学科核心素养

HAlO2中的Al 的最外层是缺电子结构，水中氧原子的孤对电子与Al 的空轨道易形成配位键，进而生成Al（OH）3，Al（OH）3进一步与水形成氢键，生成Al（OH）3·nH2O（无定形）。以上的分析应用即物质的结构与性质知识的应用，通过宏观辨识与微观探析相联系，提升学生的化学学科核心素养［3］。