H2O2与Fe2+作用的实验探究

摘要： 由两道高考试题引出对Fe2+与H2O2反应的探究。结果发现，不同的亚铁盐与H2O2作用的结果与实验条件有关：在无外加酸碱时FeSO4溶液与H2O2作用会得到碱式硫酸铁和氢氧化铁沉淀的混合物；FeCl2溶液与H2O2作用会得到聚合氯化铁胶体。在酸性较强时Fe2+与H2O2作用主要生成Fe3+；在酸性不太强时主要得到胶体，往往得不到沉淀。亚铁盐与H2O2混合除了发生Fe2+与H2O2之间的氧化还原反应外，同时含铁物质会催化H2O2的分解，H2O2分解放热还会促进Fe3+的水解得到胶体或者沉淀。

关键词： H2O2； Fe2+； 实验探究

文章编号： 1005-6629（2023）02-0075-05    中图分类号： G633.8    文献标识码： B

1  由两道高考试题说起

题1  （2022年湖南高考卷第11题节选）下列离子方程式正确的是（    ）

C． FeSO4溶液中加入H2O2产生沉淀：2Fe2++H2O2+4H2O2Fe（OH）3↓+4H+（给出的答案是该选项正确）。

Fe2+与H2O2的反应我们并不陌生，在高考试题及平时的模拟试题中经常出现，一般是考查在酸性条件下H2O2将Fe2+氧化为Fe3+的离子方程式的书写；在用KSCN溶液检验Fe2+时，也常常使用H2O2溶液。铁的化合物较为复杂，FeSO4溶液中加入H2O2真的会生成Fe（OH）3沉淀吗？

题2  （2016年全国Ⅱ卷28题节选）（5）丁组同学向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的FeCl2溶液，溶液变成棕黄色，发生反应的离子方程式为________________；一段时间后，溶液中有气泡出现，并放热，随后有红褐色沉淀生成。产生气泡的原因是________________；生成沉淀的原因是________________（用平衡移动原理解释）。

向H2O2溶液中加入几滴酸化的FeCl2溶液，发生反应H2O2+2Fe2++2H+2Fe3++2H2O生成Fe3+，使溶液变成棕黄色，Fe3+催化H2O2分解产生氧气，溶液中有气泡出现，H2O2分解反应放热，促进Fe3+的水解平衡正向移动，生成Fe（OH）3沉淀。

Fe3+能够催化H2O2的分解是大家的共识，Fe2+的存在对H2O2的分解有怎样的影响？由上述两道试题能够看出，无论是向含Fe2+的溶液中加入H2O2，还是向H2O2溶液中加入Fe2+溶液，最终都会生成Fe（OH）3沉淀。酸化的FeCl2溶液与H2O2反应得FeCl3溶液，而加热FeCl3溶液往往会得到Fe（OH）3胶体［1］，酸化的亚铁盐与H2O2溶液作用是得到Fe（OH）3胶体，还是生成Fe（OH）3沉淀呢？若FeSO4溶液与H2O2作用能得到Fe（OH）3沉淀，还有其他物质或现象产生吗？

2  文献概述

2.1  聚合硫酸铁的性质及制备

文献［2］显示聚合硫酸铁（Polyferric Sulfate， PFS）也称碱式硫酸铁或羟基硫酸铁，分子式可表示为［Fe2（OH）n（SO4）3-n/2］m，是一种无机高分子絮凝剂。根据形态的不同，PFS可分为液体和固体两种，液体PFS呈红褐色，具有一定黏度；而固体PFS则为浅黄色粉末状，更有利于保存和运输。

龙腾锐等［3］以钛白副产物FeSO4·7H2O为原料，30%的H2O2为氧化剂，反应约0.5h后合成了PFS。

邹海凤［4］通过低温热处理FeSO4·7H2O合成FeOHSO4材料，将FeSO4·7H2O在空气中90℃下恒温48h，使其脱去部分结晶水变为疏松体，随后在不同温度下将该疏松体在空气中恒温24h，与空气中的氧气发生氧化反应合成FeOHSO4。

2.2  聚合氯化铁的性质及制备

聚合氯化铁又称碱式氯化铁，简称PFC。为褐色或黑褐色透明液体。聚合氯化铁（PFC）是一种无机高分子絮凝剂，由于本身具有几种不同形态的铁络合离子［如Fe（OH）2+、 Fe（OH）+2、 Fe2（OH）4+2、 Fe3（OH）5+4等］，可以发挥电性中和及吸附架桥的作用，使水中胶体脱稳，最终形成沉淀［5］。

方应森［6］等以氯酸钠氧化FeCl2制备聚合氯化铁，在酸性溶液中Fe2＋被氯酸钠氧化成Fe3+，然后Fe3+通過水解聚合作用形成PFC。反应过程如下：

6FeCl2＋NaClO3＋6HCl6FeCl3＋NaCl＋3H2O

mFeCl3＋nH2OFem（OH）nCl3m-n＋nHCl

3  实验部分

3.1  设计思路

由文献可知，Fe2+、 Fe3+均能催化H2O2的分解，而H2O2的分解反应放热，温度升高会促进Fe3+的水解，含Fe2+或Fe3+的溶液与H2O2混合可能会得到Fe（OH）3胶体而并非沉淀。

通过改变环境的酸碱性及反应物的相对量探究Fe2+与H2O2作用得到胶体或沉淀的条件。并通过与相同条件下H2O2与FeCl3溶液的作用对照，探究异同。

为探究不同的阴离子对Fe2+与H2O2作用的影响，选用实验室常见的FeSO4与FeCl2溶液分别与H2O2作用，探究异同。

若作用过程中有沉淀生成，对沉淀的成分做定性检验与分析。

基于以上思路，设计以下实验探究活动：取不同浓度的H2O2溶液与不同浓度的FeSO4溶液或FeCl2溶液在酸性、碱性及不加酸碱条件下混合，观察现象（实验3～9、 11～18、 20～22、 25～30、 33～38），并与相同条件下H2O2与FeCl3溶液的作用对照（实验19、 31～32），若有沉淀生成再对沉淀进行检验（实验10）。

3.2  溶液配制

（1） 向100mL烧杯中加入7.0g FeSO4·7H2O，然后加蒸馏水至50mL刻度，搅拌，得浓度约为0.5mol·L-1的FeSO4溶液，备用。

（2） 向100mL烧杯中加入5.0g FeCl2·4H2O，然后加蒸馏水至50mL刻度，搅拌，得浓度约为0.5mol·L-1的FeCl2溶液，备用。

（3） 配制浓度约为2mol·L-1的稀硫酸及2mol·L-1的NaOH溶液，备用。

3.3  实验过程、现象分析及结果

3.3.1  H2O2与FeSO4溶液的作用

为探究H2O2与FeSO4溶液作用产生胶体或沉淀的条件，并对可能生成的沉淀的成分进行检验，开展以下实验。

［实验1］取新配制的FeSO4溶液于试管中，滴加KSCN溶液，溶液呈浅红色，再滴加1滴H2O2溶液，溶液呈深血红色。

［实验2］用pH试纸测新配制的FeSO4溶液的pH，约为4。

上述实验1～2说明新配制的溶液中含有极少量的Fe3+，由于Fe2+的水解溶液呈弱酸性，H2O2可以将Fe2+氧化为Fe3+。

［实验3］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液体立即变为红褐色，用激光笔照射有明显的丁达尔现象，产生较多的气泡，放热，反应越来越剧烈，约1min后，反应趋于平缓，产生大量黄褐色沉淀。

［实验4］取实验3上层清液测其pH约为2，将其分为两份，一份滴加KSCN溶液，溶液呈浓血红色，另一份滴加K3［Fe（CN）6］溶液，呈淡淡的蓝色，无沉淀生成。

［实验5］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液体立即变为红褐色，剧烈反应，放出大量热，产生大量气泡，有液体喷出试管，剩余为黄褐色悬浊液，静置得黄褐色沉淀。

［实验6］取3mL 10%H2O2溶液于试管中，滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，溶液变为浅红褐色，用激光笔照射有丁达尔现象，产生少量气泡，静置，不断放出气泡，放出热量，静置约5min，产生黄褐色浑浊，静置得黄褐色沉淀，取上层清液滴加KSCN溶液，呈浓血红色。

［实验7］取3mL 10%H2O2溶液于试管中，滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液体立即变为红褐色，剧烈反应，放出大量热，产生大量气泡，红褐色变为黄褐色浑浊，静置得黄褐色沉淀。

［实验8］取3mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于试管中，滴加1滴30%H2O2溶液，溶液立即呈红褐色，产生少量气泡，用激光笔照射有明显的丁达尔现象，静置无变化，取液体两份，一份滴加KSCN溶液，呈浓血红色，一份滴加K3［Fe（CN）6］溶液，产生大量蓝色沉淀。向所得红褐色液体中加蒸馏水稀释，出现黄褐色浑浊，静置得黄褐色沉淀。

［实验9］将实验8中的H2O2溶液的浓度改为10%，现象类似。

上述实验3～9说明H2O2溶液能将Fe2+氧化为Fe3+，当H2O2过量时，Fe2+几乎被全部氧化，含铁物质能催化H2O2分解，反应放热，同时促进Fe3+水解生成红褐色胶体，最终得到黄褐色沉淀。当H2O2少量时得到胶体（聚合硫酸铁），加水稀释进一步促进Fe3+的水解产生黄褐色沉淀。根据反应物组成预测该黄褐色沉淀中含有碱式硫酸铁。上述反应过程的方程式可简单表示为：

2FeSO4+H2O22Fe（OH）SO4↓

同时也可能发生反应2Fe2++H2O2+4H2O2Fe（OH）3↓+4H+，有部分Fe2+转化为Fe（OH）3沉淀，溶液酸性增强，体系中有Fe3+存在。

［实验10］取上述洗涤后的黄褐色沉淀于两支试管中，一份滴加稀盐酸，沉淀溶解得黄色溶液（与盐酸酸化的FeCl3溶液颜色类似），取少量清液滴加BaCl2溶液，有白色沉淀生成。另一份滴加稀硫酸，沉淀溶解，所得溶液接近无色。分别向上述两份溶液滴加KSCN溶液，均呈浓血红色，滴加K3［Fe（CN）6］溶液，蓝色均不明显。

上述实验10说明该黄褐色沉淀可溶于酸，沉淀中含有SO2-4，溶于盐酸得［FeCl4］-溶液呈棕黄色，溶于稀硫酸得［Fe（H2O）6］3+溶液为无色。

［实验11］取3mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于试管中，滴加1mL稀硫酸，再滴加1mL 30%H2O2溶液，溶液立即變为黄色，有少量气泡产生，静置无沉淀生成，滴加KSCN溶液，呈浓血红色。

［实验12］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mL稀硫酸，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，溶液立即变为黄色，有少量气泡产生，静置无沉淀生成，滴加KSCN溶液，呈浓血红色。

［实验13］取3mL 10%H2O2溶液于试管中，滴加1mL稀硫酸，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，溶液呈黄色，有少量气泡产生，静置无沉淀生成。

［实验14］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mL稀硫酸酸化的FeSO4溶液，溶液呈黄色，有少量气泡产生，静置无沉淀生成。

上述实验11～14说明在强酸性条件下H2O2溶液能将Fe2+氧化为Fe3+，Fe3+催化H2O2的分解比较缓慢，既无Fe（OH）3胶体产生，也无Fe（OH）3沉淀产生。

［实验15］取3mL 10%H2O2溶液于试管中，滴加1滴稀硫酸，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，剧烈反应，液体变为红褐色，用激光笔照射有明显的丁达尔现象，测其pH约为1，静置无沉淀生成。

［实验16］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1滴稀硫酸酸化的FeSO4溶液，溶液呈黄色，有少量气泡产生，静置无沉淀生成。

上述实验15～16说明在酸性不太强的条件下H2O2溶液能将Fe2+氧化为Fe3+，当Fe2+量较多时，得到的Fe3+水解为Fe（OH）3胶体（或聚合硫酸铁）的现象明显，当Fe2+较少时，得到Fe（OH）3胶体的现象不明显。

［实验17］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mL NaOH溶液，再滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液体立即变为红褐色，剧烈反应，产生大量气体，有液体喷出试管，得大量红褐色沉淀。

［实验18］取3mL 5%H2O2溶液于试管中，滴加1mL NaOH溶液，再滴加1滴0.5mol·L-1 FeSO4溶液，液体立即变为红褐色，剧烈反应，产生大量气体，得红褐色沉淀。

［实验19］将实验17中的FeSO4溶液改为FeCl3溶液产生类似的现象。

上述实验17～19说明在强碱性条件下Fe2+被H2O2快速氧化为Fe3+，含铁物质催化H2O2分解剧烈，同时得到大量Fe（OH）3沉淀。通过与FeCl3对照，产生类似的现象，说明两个反应的催化机理类似。

［实验20］取3mL 10%H2O2溶液于试管中，滴加1滴NaOH溶液，再滴加1mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液，剧烈反应，液体立即变为红褐色，用激光笔照射有明显的丁达尔现象，产生大量气体，稍后得大量黄褐色沉淀。

［实验21］取2mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于试管中，滴加1滴NaOH溶液，有灰绿色絮状沉淀生成，再滴加1mL 30%H2O2溶液，剧烈反应，产生大量气体，有液体喷出试管，得到大量红褐色沉淀（其间夹杂有黄褐色沉淀）。

［实验22］取2mL 0.5mol·L-1 FeSO4溶液于试管中，滴加1mL NaOH溶液，有大量灰绿色絮状沉淀生成，再滴加1mL 30%H2O2溶液，迅速反应，产生大量气体，液体喷出试管，得到大量红褐色沉淀。

上述实验20～22说明在碱性不太强时，FeSO4溶液与H2O2作用主要得到Fe（OH）SO4沉淀。

3.3.2  H2O2与FeCl2溶液的作用

有SO2-4存在时，可能会产生碱式硫酸铁沉淀，为排除SO2-4的干扰，用FeCl2溶液代替FeSO4溶液做对照实验探究不同阴离子对Fe2+與H2O2反应的影响。

［实验23］取新配制的FeCl2溶液于试管中，滴加KSCN溶液，溶液呈浅红色，再滴加1滴H2O2溶液，溶液呈深血红色，说明新配制的溶液中含有极少量的Fe3+。

［实验24］用pH试纸测新配制的FeCl2溶液的pH约为3。

［实验25］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1滴0.5mol·L-1 FeCl2溶液，液体立即变为红褐色，用激光笔照射有明显的丁达尔现象，剧烈反应，放出大量的热，反应结束无沉淀生成。取上层清液滴加KSCN溶液，呈深血红色，另取上层清液滴加K3［Fe（CN）6］无蓝色沉淀生成。说明Fe2+被氧化为Fe3+，H2O2分解放热，促进Fe3+水解得聚合氯化铁，同时溶液酸性增强，所得体系中含有大量Fe3+。

［实验26］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mL 0.5mol·L-1 FeCl2溶液，液体立即变为黑褐色，剧烈反应，放出大量热，产生大量气泡，有液体喷出试管，剩余为黑褐色透明液体，静置无沉淀。

上述实验25～26说明H2O2溶液与FeCl2溶液作用，在无外加酸碱时得到聚合氯化铁（胶体），而无沉淀生成。

［实验27］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mL盐酸酸化的FeCl2溶液（pH约为1），液体变为深红褐色，放出气体，反应越来越剧烈，有液体喷出试管，反应停止后剩余浅红褐色溶液，未得到沉淀。

［实验28，29］分别将实验26中H2O2的浓度改为10%H2O2、盐酸酸化的FeCl2溶液改为1滴，实验现象类似。

［实验30］取3mL 5%H2O2溶液于试管中，滴加1滴盐酸酸化的FeCl2溶液，溶液颜色加深，有气泡产生，静置，放出气体的速率加快，最终没有得到沉淀，颜色变浅，得浅棕黄色溶液。

［实验31］取3mL 30%H2O2溶液于试管中，滴加1mLFeCl3溶液（未酸化），液体变为深红褐色，剧烈反应，有液体喷出试管，反应停止后剩余浅红褐色液体，未得到沉淀。

［实验32］取3mL 5%H2O2溶液于试管中，滴加1滴FeCl3溶液（未酸化），溶液颜色加深，有气泡产生，静置，放出气体的速率加快，最终没有得到沉淀，颜色变浅，得浅棕黄色溶液。

上述实验27～32反应开始看到的深红褐色物质可能是中间产物，反应越来越剧烈的原因是H2O2分解放热，加快了分解速率，同时也说明在酸性条件下一般得不到Fe（OH）3沉淀。

［实验33～37］将实验17～18、20～22中的FeSO4换为FeCl2重复实验，得到类似的现象，只不过产生的沉淀均为红褐色沉淀，未发现黄褐色沉淀。

上述实验25～37说明FeCl2溶液与H2O2溶液的反应与FeSO4溶液与H2O2溶液的反应类似，酸性较强时主要生成Fe3+；弱酸性条件下会有胶体生成，一般不会得到沉淀；在碱性条件下主要生成Fe（OH）3沉淀；不同的是在无外加酸碱时不会得到沉淀，而是得到聚合氯化铁（胶体）。

4  结果与讨论

4.1  H2O2与FeSO4的作用

根据实验3～22的现象分析，容易得出在强酸性条件下FeSO4与H2O2溶液反应生成Fe3+，在碱性条件下生成Fe（OH）3，在弱酸性或无外加酸碱的情况下同时生成碱式硫酸铁（聚合硫酸铁）和氢氧化铁，同时含铁物质会催化H2O2的分解，碱性越强催化效率越高。方程式可简单表示为：

酸性条件下，H2O2+2Fe2++2H+2Fe3++2H2O

碱性条件下，2Fe2++4OH-+H2O22Fe（OH）3↓

无外加酸碱时，2FeSO4+H2O22Fe（OH）SO4↓和2Fe2++H2O2+4H2O2Fe（OH）3↓+4H+

无外加酸碱时，由于同时发生H2O2的分解反应，方程式也可以简单表示为2FeSO4+3H2O22Fe（OH）SO4↓+2H2O+O2↑的形式。另外由于H2O2的分解放热，部分Fe3+也会水解生成Fe（OH）3使溶液的酸性增强。

因此，FeSO4溶液中加入H2O2产生的沉淀中含有大量的碱式硫酸铁（聚合硫酸铁）而不能简单地认为是氢氧化铁。

4.2  H2O2与FeCl2的作用

根据实验25～37的现象分析，容易得出在强酸性条件下H2O2与FeCl2溶液反应生成Fe3+，在碱性条件下生成Fe（OH）3，在弱酸性或无外加酸碱的情况下得聚合氯化铁（胶体），而无沉淀生成，方程式可简单表示为：

酸性条件下，H2O2+2Fe2++2H+2Fe3++2H2O

碱性条件下，2Fe2++4OH-+H2O22Fe（OH）3↓

无外加酸碱时，2mFeCl2＋mH2O2＋（n-2m）H2OFe2m（OH）nCl6m-n＋（n-2m）HCl

酸性條件下，向H2O2溶液中滴加FeCl2溶液，由于溶液呈酸性，可能会得到聚合氯化铁胶体，一般不会得到Fe（OH）3沉淀。

FeSO4溶液中加入H2O2能够得到沉淀，但沉淀不全是Fe（OH）3，同时还有Fe（OH）SO4；向H2O2溶液中加入酸化的FeCl2溶液，会得到FeCl3溶液或聚合氯化铁胶体，往往得不到沉淀；在无外加酸碱时也会得到胶体，在碱性条件下会生成Fe（OH）3沉淀。无论是在中性条件下还是在酸性条件下，无论是向含Fe2+的溶液中加入H2O2，还是向H2O2溶液中加入Fe2+溶液，除发生H2O2与Fe2+之间的氧化还原反应外，同时还发生含铁物质催化H2O2的分解反应，碱性越强H2O2分解越剧烈，酸性越强H2O2分解越缓慢。H2O2的分解反应放热，温度升高促进Fe3+水解，往往会得到聚合硫酸铁或聚合氯化铁。

参考文献：

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