探究氯化铵除铁锈的原理

摘要

在“盐类的水解”一节教学中，常用除铁锈作为NH₄Cl溶液水解呈酸性在生产生活中的应用示例。但这一示例与NH₄Cl溶液酸性较弱，而Fe³⁺较易沉淀并不相符。对NH₄Cl溶液除去铁钉表面铁锈的实验展开探究，从中发现NH₄Cl溶液除铁锈的原理既包括NH₄Cl溶液水解呈酸性，也包括单质铁对铁锈的还原作用，从而解决了教学中的一大困惑。

关键词

氯化铵 / 水解原理的应用 / 去除铁锈 / 氧化还原

NH₄Cl的水解作为人教版高中化学选择性必修1《化学反应原理》“盐类的水解”一节中的典型示例^［1］，在介绍其在生产生活中的应用时，常用NH₄Cl溶液可以除铁锈这个示例说明NH₄Cl溶液是酸性的，可除去铁制品表面的铁锈^［2］。然而，NH₄Cl溶液的酸性并不强，0.1 mol/L NH₄Cl溶液的pH仅为5.0左右，且铁锈的主要成分一般认为是Fe₂O₃·xH₂O，若在酸性条件下溶解为Fe³⁺，这就与Fe³⁺在pH为3.5的条件下通常就已经完全沉淀并不相符。笔者通过实验手段探究NH₄Cl溶液除铁锈的原理。

1 氯化铵除铁锈原理的实验探究步骤与结果

1.1 常温下氯化铵溶液能否除去铁钉表面的铁锈

在常温下，用NH₄Cl溶液除去铁钉表面的铁锈时其速率较慢，短时间内难以观察到铁锈明显减少的现象。笔者采用检验反应产物的方法，希望能在较短时间内判断NH₄Cl溶液能否除去铁钉表面的铁锈。为了排除铁钉本身与NH₄Cl溶液反应对实验结果的影响，设计实验组为生锈铁钉和pH为5.0的NH₄Cl溶液、对照组为洁净铁钉和pH为5.0的NH₄Cl溶液，振荡后静置15 min，再分别向两者中滴加KSCN溶液和K₃Fe（CN）₆溶液，借此检验是否有Fe元素进入溶液。其实验结果如表1所示。

对比实验组与对照组的实验结果发现：NH₄Cl溶液不能溶解铁钉生成Fe³⁺，但能够溶解铁钉表面的铁锈，其产物为Fe²⁺，而不是Fe³⁺。

1.2 探究铁钉表面铁锈溶解生成Fe²⁺的原因

铁锈中铁的价态一般为三价，从外观上也可看出为红褐色的锈，但最终溶液中却检验不到Fe³⁺，只能检验到Fe²⁺，这说明铁锈中的三价铁被还原了。分析体系中可能存在的还原剂，有两种可能性：一是NH₄Cl溶液中的NH₄⁺；二是铁钉中的铁单质。为探究还原铁锈中三价铁的还原剂是什么物质，以完全被铁锈覆盖的铁钉和除去部分铁锈的铁钉为研究对象，设计的对比实验如表2所示。

通过组别1的实验发现：NH₄⁺不能将铁锈中的三价铁还原，在没有铁单质参与的情况下，NH₄Cl溶液不能将铁锈中的铁元素溶解出来（Fe²⁺和Fe³⁺均无法在溶液中检验到）；只有当铁单质与铁锈都接触到溶液时，才能在溶液中检验到Fe²⁺，因此，还原剂应是生锈铁钉中的铁单质。

1.3 探究NH₄Cl溶液在除铁锈过程中的作用

通过上述探究实验发现：NH₄Cl溶液溶解铁锈时需要铁单质作为还原剂参与其中，NH₄Cl溶液的作用应是提供酸性环境。为验证NH₄Cl水解呈酸性与铁锈溶解之间的关系，设计如表3所示的对比实验。

通过上述实验发现：与NH₄Cl溶液pH相同的醋酸溶液、AlCl₃溶液都能溶解较多的铁锈，相同pH的盐酸溶液也能溶解少量铁锈；但含有NH₄⁺的中性醋酸铵溶液不能溶解铁锈，含有Cl^-的中性NaCl溶液也不能溶解铁锈。因此，NH₄Cl溶液在溶解铁锈的过程中起到的主要作用，是水解使溶液呈酸性。

为探明相同pH的稀盐酸溶解铁锈能力较差的原因，以稀盐酸和稀醋酸为例，进一步用pH计检验盐酸溶液和醋酸溶液反应前后pH的变化，发现醋酸溶液溶解生锈铁钉后，pH变化较小，从4.7变为5.4；盐酸溶液溶解生锈铁钉后，pH变化较大，从4.7变为6.6。这一结果说明，相同pH的盐酸溶液溶解铁锈的能力明显弱于醋酸溶液、AlCl₃溶液和NH₄Cl溶液的原因是：盐酸溶液完全电离产生H⁺，而醋酸溶液是通过不完全电离产生H⁺，AlCl₃溶液和NH₄Cl溶液则是通过水解反应产生H⁺；溶解铁锈消耗H⁺后，醋酸溶液、AlCl₃溶液和NH₄Cl溶液能够通过电离平衡或水解平衡移动补充部分消耗的H⁺，因此最终能够产生的H⁺较多，溶解铁锈量更大，生成的蓝色沉淀更多。

2 研究结论

通过上述实验探究，可以得出以下结论：NH₄Cl溶液除铁锈的原理是在NH₄⁺水解使溶液呈酸性的环境中，铁单质将铁锈中的Fe³⁺还原为Fe²⁺进入溶液中，从而达到除铁锈的目的。涉及的主要反应：NH₄⁺+H₂O⇌NH₃·H₂O+H⁺；Fe₂O₃·xH₂O+6H⁺=2Fe³⁺+（3+x）H₂O；2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺。总反应可以表示为：Fe+Fe₂O₃·xH₂O+6NH₄⁺+（3-x）H₂O=3Fe²⁺+6NH₃·H₂O。

还原剂的存在和NH₄Cl溶液水解呈酸性两个因素缺一不可。这也解决了NH₄Cl溶液酸性弱、与Fe³⁺沉淀的pH小，以及Fe₂O₃·xH₂O在弱酸性条件下难以溶解的矛盾，即通过2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺的反应消耗Fe³⁺，促进了Fe₂O₃·xH₂O在弱酸性条件下的溶解。

查阅资料可知：NH₃·H₂O的电离常数为1.8×10^-5，Fe₂O₃·xH₂O和H⁺的反应平衡常数近似用Fe（OH）₃溶于酸的平衡常数替代；根据K_sp［Fe（OH）₃］=2.8×10^-39，可计算得出Fe（OH）₃溶于NH₄⁺的平衡常数K₁=4.8×10^-25。可见，铁锈溶于NH₄Cl溶液的反应不能自发进行，但再加上Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，K₂=8.9×10⁴⁰，可计算得出Fe+2Fe（OH）₃+6NH₄⁺=3Fe²⁺+6NH₃·H₂O，K₃=2.1×10^-8。虽然其自发程度仍然较低，但已经明显高于Fe（OH）₃直接溶于NH₄Cl溶液的自发程度。

3 研究展望

NH₄Cl溶液除铁锈是NH₄Cl溶液水解呈酸性和Fe还原铁锈中的三价铁这两个因素同时起作用。因此，在盐类水解的教学过程中，若列举NH₄Cl溶液除铁锈的原理，则除了说明有NH₄⁺水解使溶液呈酸性外，也应当提及铁单质作为还原剂发挥的作用，以免学生产生NH₄Cl溶液酸性不强和Fe³⁺较容易沉淀的矛盾，从而确保教学的科学性。通过实验，教师引导学生从类别通性（金属氧化物与酸反应）、盐类水解以及氧化还原多个互相关联的角度认识物质的性质和变化，发展自身的宏观辨识和微观探析、变化观念和平衡思想、模型认知和证据推理等学科素养。

在高考化工流程题中，也经常出现在用酸溶解金属单质或金属氧化物时，结合氧化还原反应促进溶解的实例（略去例题）。故而，在教学过程中，教师应引导学生建立以类别通性、价态变化、平衡移动等多视角认识物质转化过程的思维能力，并从平衡移动的角度认识类别通性和氧化还原反应互相促进的作用，这对于理解真实的生产情境中物质转化过程和原理非常有益。

笔者在研究过程中发现，同样是pH为4.7的醋酸溶液、AlCl₃溶液，虽然两者都能产生较多的蓝色沉淀，但反应相同的时间，两者的沉淀量存在明显差别，是什么因素影响了溶解铁锈的速率，这有待今后进一步的实验探究。

参考文献

[1] 宋心琦.普通高中课程标准实验教科书化学选择性必修1［M］.北京：人民教育出版社，2020.

[2] 曾兆伦.基于建构主义的高中化学教学：以“盐类水解的应用”为例［J］.中学化学，2022（04）：11-13.