为什么氢氧化铁胶体“先沉淀，后溶解”？

   ——化学问题谈天13

古田一中  胡嘉谋

在氢氧化铁胶体中逐滴滴入一定浓度的硫酸、盐酸、硝酸等酸溶液或硫酸氢钠溶液，会产生“先沉淀，后溶解”的现象，这是为什么？常常令学生费解。

案例：在氢氧化铁胶体中逐滴滴入下列某种溶液，出现的现象是先沉淀，后沉淀溶解。这种溶液是(   )

A．饱和硫酸铵溶液  B．氯化钠溶液  C．饱和硫酸镁溶液  D．稀硫酸

分析：由于氢氧化铁胶粒带正电荷，四种电解质溶液中均有阴离子，均带有负电荷，均可与氢氧化铁胶粒发生电性中和使氢氧化铁胶体聚沉，故有沉淀现象；能使氢氧化铁沉淀发生中和反应而溶解的微粒只有H⁺离子。前者电性中和，属于物理变化；后者酸碱中和，属于化学变化。正确答案为D。

学生疑雾：学生对这种解释往往不太满意，还会产生如下追问：既然H⁺离子与氢氧化铁沉淀能发生酸碱中和而溶解，那么为什么在硫酸的强酸性溶液中氢氧化铁胶体还会先产生沉淀？为什么氢氧化铁胶体中加入少量硫酸不会发生中和反应，反而先产生沉淀？如果氢氧化铁与硫酸发生中和反应，会不会出现聚沉现象？在氢氧化铁胶体中逐滴滴入硫酸，为什么胶体聚沉比酸碱中和要快？

宏观现象微观探析(微观理由)：由于氢氧化铁胶粒带正电荷，对滴入的少量H⁺离子产生排斥作用，使得H⁺离子不易靠拢氢氧化铁胶粒发生中和反应。相反，SO₄^2－容易靠拢氢氧化铁胶粒发生电性中和而使胶体聚沉，从而生成红褐色氢氧化铁沉淀。胶体聚沉后，胶粒带电被破坏失去电荷，H⁺离子容易靠近氢氧化铁发生中和反应生成可溶性硫酸铁溶液，使红褐色沉淀溶解形成黄色溶液。

费解问题定量解析(定量理由)：学生的纠结主要在于为什么酸碱混合不发生中和反应。这个问题主要与溶液中H⁺离子浓度大小有一定关系！因为氢氧化铁沉淀可以在酸性溶液中存在而不发生中和反应。

以某酸性溶液中c(Fe³⁺)为0.10mol·L^-1为例近似计算Fe³⁺开始沉淀与沉淀完全时的溶液pH。查得25℃时K_sp[Fe(OH)₃]=2.6×10^-39。

当Fe³⁺开始沉淀时：c(Fe³⁺)×c³(OH^－)=0.10×c³(OH^－)﹥2.6×10^-39，c³(OH^－)﹥26×10^-39，c(OH^－)﹥3.0×10^-13 mol·L^-1，c(H⁺)﹤1.3×10^-2mol·L^-1，pH﹥1.9

当Fe³⁺完全沉淀时：c(Fe³⁺)≤1.0×10^-5 mol·L^-1，1.0×10^-5×c³(OH^－)≥2.6×10^-39，

c(OH^－)≥6.4×10^-12 mol·L^-1，c(H⁺)≤1.6×10^-3mol·L^-1，pH≥2.8

定量说明溶液pH控制在大于2.8时Fe(OH)₃就会完全沉淀，此时酸性溶液中的H⁺离子浓度较小，不能与Fe(OH)₃发生中和反应。所以，在氢氧化铁胶体中逐滴滴入稀硫酸时有“先沉淀(胶体聚沉)，后溶解(与硫酸反应)”的现象。

类似情况：向氢氧化铁胶体中滴加氢碘酸，为什么会先沉淀，后溶解？为什么最后溶液也是黄色的？

注意：其中既有聚沉，又有中和反应，还有氧化还原反应。

2016/11/6