基于硫酸亚铁药片的家庭实验开发

摘要

以硫酸亚铁药片为主角，搭配生活中易得的其他食品和药品，设计适合高中生的家庭实验。该家庭实验内容包含还原性Fe²⁺与氧化剂的反应、Fe³⁺与酚类物质的显色反应、硫酸亚铁与碳酸氢钠及碳酸钠的反应，以及硫酸亚铁在空气中受热分解的反应，不仅实验现象明显，有助于提升学生的学习兴趣，而且便于在家庭中开展实验探究，提升学生的学科素养。

Graphical abstract

关键词

家庭实验 / 硫酸亚铁药片 / 显色反应 / 高中化学

在高中阶段，化学实验教学的学时比较紧张，且实验室缺少仪器设备或数量不足，同时实验药品也存在数量不足的现象，这导致学生动手参与实验的机会大大减少，最终学生学习化学的兴趣显著降低^［1］。对此，高中教师可以考虑开发家庭实验作为课外的补充教学，一方面可以强化学生参与化学实验的体验，另一方面可以促使学生在实验中巩固并运用化学知识^［2］。

《普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订）》针对金属及其化合物的教学内容提出：教师应结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，让学生了解铁及其重要化合物的主要性质，以及这些物质在生产生活中的应用^［3］。

硫酸亚铁药片收载于《中国药典（2020年版）》二部，适用于各种原因（如慢性失血、营养不良、妊娠、儿童发育期等）引起的缺铁性贫血^［4］。查阅其药品说明书，显示其为包衣片，除去包衣片后显淡蓝绿色，每片含硫酸亚铁0.3 g。说明书提到，硫酸亚铁药片不应与浓茶同服，其与维生素C同服有利于吸收，其中含有很多值得思考和探究的问题。

基于以上原因，笔者决定以硫酸亚铁药片为主角，设计相关家庭实验，指导学生利用生活中易得的食品和药品开展实验，帮助学生感受化学反应的魅力，深化其对化学知识的理解和运用。

1 Fe²⁺的还原性

1.1 Fe²⁺与高锰酸钾的反应

【实验材料】硫酸亚铁药片、高锰酸钾消毒片、一次性杯子、纯净水。

【实验步骤】第一步，将高锰酸钾消毒片加水溶解制得高锰酸钾溶液；第二步，取一粒硫酸亚铁药片，将外层红色糖衣用热水溶解除去，然后将其碾压成粉末；第三步，向一次性塑料杯中加入适量高锰酸钾溶液，再向其中加入硫酸亚铁药片的粉末，注意观察实验现象。

【实验现象】高锰酸钾溶液的紫红色（图1-a）褪去，溶液变成浅黄色（图1-b）。

【实验原理】MnO₄^-为紫红色，且具有较强的氧化性，而Fe²⁺具有还原性，二者相遇发生氧化还原反应。

1.2 Fe²⁺与过氧化氢的反应

【实验材料】硫酸亚铁药片、医用3%过氧化氢消毒液、一次性杯子、纯净水。

【实验步骤】第一步，取一粒硫酸亚铁药片，去除红色糖衣，碾压成粉末并倒入一次性塑料杯中，向杯中加适量的水将粉末溶解，制得硫酸亚铁溶液；第二步，向硫酸亚铁溶液中加入一瓶盖量的医用3%过氧化氢消毒液。

【实验现象】接近无色的硫酸亚铁溶液遇过氧化氢溶液后变成黄色，且产生无色的气体（图2）。

【实验原理】Fe²⁺为浅绿色，具有还原性，而过氧化氢具有氧化性。当二者相遇后，浅绿色Fe²⁺被氧化为黄色的Fe³⁺。Fe³⁺可催化过氧化氢分解，产生的无色气体为氧气。

2 Fe³⁺与酚类物质的显色反应

2.1 Fe³⁺与茶叶水的反应

【实验材料】硫酸亚铁药片、茶叶、一次性杯子、纯净水、维生素C药片。

【实验步骤】第一步，制作硫酸亚铁药片粉末；第二步，取少量茶叶置于一次性杯子中，加适量热水浸泡茶叶；第三步，将硫酸亚铁药片粉末加入茶叶水中，观察溶液颜色变化；第四步，向第三步的溶液中加入一粒维生素C药片或适量的医用冰醋酸抑菌溶液（也可用白醋代替），观察溶液颜色变化。

【实验现象】茶叶水遇硫酸亚铁药片的粉末变成蓝黑色，再加入维生素C药片，溶液的蓝黑色褪去。

【实验原理】茶水颜色变深是因为茶叶中富含茶多酚，茶多酚属于酚类物质，这种酚类物质与Fe²⁺反应生成了类似于鞣酸亚铁的茶多酚亚铁络合物，这使得Fe³⁺与Fe²⁺之间的电极电势大幅度降低；与此同时，Fe²⁺的还原性得到增强，迅速被氧化成类似于鞣酸铁的茶多酚铁，而茶多酚铁是一种蓝黑色的沉淀^［5］。

变色后的茶水再褪色，是因为生成的茶多酚铁在水溶液中存在如图3所示的平衡体系^［5］。向变色的茶水中加入维生素C药片，还原性的维生素C可将Fe³⁺还原为Fe²⁺，降低了Fe³⁺的浓度，促进平衡正向移动，从而使得蓝黑色的茶多酚铁沉淀消失，变色的茶水恢复原色。而向变色的茶水中加入医用冰醋酸抑菌溶液或白醋，可以增强溶液中H⁺的浓度，也会促进平衡正向移动，从而使得变色的茶水恢复原色。

2.2 Fe³⁺与对乙酰氨基酚药片的反应

【实验材料】硫酸亚铁药片、对乙酰氨基酚药片、一次性杯子、纯净水、维生素C药片、医用3%过氧化氢消毒液。

【实验步骤】第一步，制作硫酸亚铁药片粉末；第二步，取一粒对乙酰氨基酚药片置于一次性杯子中，再加适量热水搅拌以溶解药片；第三步，将硫酸亚铁药片粉末加入对乙酰氨基酚片的水溶液中，观察溶液颜色变化；第四步，向第三步的溶液中加入几滴医用3%过氧化氢消毒液，观察溶液颜色变化；第五步，向第四步的溶液中加入一粒维生素C药片，观察溶液颜色变化。

【实验现象】对乙酰氨基酚片的水溶液遇硫酸亚铁药片粉末并无颜色变化，再加入几滴医用3%过氧化氢消毒液，溶液随即变为深色。进一步加入维生素C药片后，溶液的颜色又会变浅。

【实验原理】对乙酰氨基酚属于酚类物质，Fe³⁺可与其发生显色反应。硫酸亚铁药片中变质产生的Fe³⁺含量较低，直接向对乙酰氨基酚药片的溶液中加入硫酸亚铁片的粉末无法产生变色现象；而加入几滴医用3%过氧化氢消毒液，可使溶液中的Fe²⁺转化为Fe³⁺，提升了溶液中的Fe³⁺浓度，从而与对乙酰氨基酚发生显色反应。再加入一粒维生素C药片，使溶液中的Fe³⁺转化为Fe²⁺，就能降低溶液中的Fe³⁺浓度，则溶液的颜色会变浅。

3 硫酸亚铁与碳酸氢钠及碳酸钠的反应

3.1 硫酸亚铁与碳酸氢钠的反应

【实验材料】硫酸亚铁药片、小苏打、一次性杯子、纯净水。

【实验步骤】第一步，制作硫酸亚铁药片粉末，再将粉末倒入一次性塑料杯中，向杯中加适量的温水以溶解粉末（目的是升高温度使现象更明显），遂制得硫酸亚铁溶液；第二步，向硫酸亚铁溶液中加入适量固态小苏打。

【实验现象】二者相遇后产生了气泡以及灰白色沉淀，表面接触空气的灰白色物质会快速变成深黄色，然后缓慢变成深红色。

【实验原理】主要反应并非双水解反应，而是：Fe²⁺+2HCO₃^-=FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O^［6］，且潮湿的FeCO₃固体易被空气中O₂氧化而转变成水合氧化铁。

3.2 硫酸亚铁与碳酸钠的反应

【实验材料】硫酸亚铁药片、纯碱、一次性杯子、纯净水。

【实验步骤】第一步，制作硫酸亚铁药片粉末，将粉末倒入一次性塑料杯中，向杯中加适量的温水以溶解粉末（目的是升高温度使现象更明显），遂制得硫酸亚铁溶液；第二步，向硫酸亚铁溶液中加入适量固态纯碱。

【实验现象】二者相遇后立即产生墨绿色沉淀，但无法观察到气体生成。

【实验原理】主要反应并非双水解反应，而是：Fe²⁺+CO₃^2-=FeCO₃↓^［6］。

4 在空气中灼烧硫酸亚铁药片

【实验材料】硫酸亚铁药片、蜡烛（或其他火源）、易拉罐、磁铁、筷子。

【实验步骤】第一步，制作硫酸亚铁药片粉末；第二步，将硫酸亚铁粉末放入易拉罐中，并用蜡烛从底部加热易拉罐，加热过程中用筷子翻动，使其受热均匀；第三步，待粉末变为红棕色后，停止加热。

【实验现象】在加热过程中，硫酸亚铁粉末由淡蓝绿色变为红棕色。分解产物见图4。

【实验原理】在空气中加热硫酸亚铁，其受热分解产生Fe₂O₃、SO₂以及SO₃，反应原理为：2FeSO₄=Fe₂O₃+SO₂+SO₃和4FeSO₄+O₂=2Fe₂O₃+4SO₃。

5 总结与反思

5.1 实验现象明显，提升学习兴趣

该家庭实验中的各个实验，均操作简单、现象明显且充满了趣味性，如硫酸亚铁遇过氧化氢后，不仅溶液的颜色发生改变，甚至反应过程中还产生了气泡，其反应原理不仅涉及Fe²⁺的还原性，还涉及Fe³⁺对H₂O₂分解的催化作用；茶水遇硫酸亚铁粉末立即变色，而对乙酰氨基酚片遇硫酸亚铁粉末并未明显变化，只有加入过氧化氢溶液，才能变色，原因是茶多酚可以促进Fe²⁺的氧化；向变色后的茶水中加入维生素C药片或医用冰醋酸抑菌溶液可以褪色，原因是茶多酚铁在水溶液中存在着平衡体系；硫酸亚铁与碳酸氢钠或碳酸钠之间存在多个竞争反应，其主要反应并非大多数学生认为的双水解反应。多变的实验现象，能让学生充分感受到化学反应的神奇与魅力，这有助于提升学生对化学学科的兴趣。

5.2 开展实验探究，提升学科素养

通过开展家庭实验，帮助学生提升化学学科核心素养。表现为：第一，该家庭实验中的各个实验对应的实验现象复杂多变。为了理解这些复杂的实验现象，学生必须以实验事实为证据展开有针对性的分析推理，进而建立起观点、结论和证据之间的关系，并在潜移默化中提升自己的“证据推理与模型认知”素养。第二，在分析宏观实验现象的过程中，学生学会了从微观的视角进行剖析，并进一步认识到物质的变化规律以及变化中的平衡问题，在此过程中逐渐提升自己的“宏观辨识与微观探析”和“变化观念与平衡思想”素养。第三，在硫酸亚铁药片的说明书中，明确地提到“本品外层含有包衣，本品不应与浓茶同服，本品与维生素C同服有利于吸收”。那么，这背后的原因是什么呢？针对问题，学生以实验探究的方式归纳出硫酸亚铁药片的相关性质，这有助于学生认识到科学探究是进行科学解释和发现、创造和应用的科学实践活动，逐渐提升自己的“科学探究与创新意识”素养。

参考文献

[1] 魏书彬，陈加柱.浅议高中化学实验教学的问题与对策［J］.化学教学，2015（11）：76-78.

[2] 张梦菲.中学化学混合式实验教学的问题研究［D］.扬州：扬州大学，2022.

[3] 中华人民共和国教育部. 普通高中化学课程标准（2017年版2020年修订） ［S］.北京：人民教育出版社，2020．

[4] 钟彩娜，唐新，韦泓宇，等.响应面法优化硫酸亚铁片干燥工艺研究［J］.南宁师范大学学报（自然科学版），2022，39（02）：88-93.

[5] 董顺，程波.茶水与亚铁盐作用的实验探究［J］.化学教学，2021（07）：60-64.

[6] 伍强，罗姣.碳酸钠及碳酸氢钠与硫酸亚铁反应的探究［J］.化学教学，2016（12）：61-63.

基金资助

安徽省教育信息技术研究项目“智慧课堂环境下中学化学大单元作业设计与实践研究”(AH2024136)

淮南市教育科学研究项目“基于真实情境的高中化学实验开发与应用”(JK2022057)