第 41 章 · 学生必做实验（一）· 元素化合物

项目	内容
课标主题	必修 · 主题 1 化学科学与实验探究（学生必做实验）；主题 2 常见的无机物及其应用
人教版（2019）	必修第一册 实验活动 1”配制一定物质的量浓度的溶液”、实验活动 2”铁及其化合物的性质”；必修第二册 实验活动 4”用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子”、实验活动 5”不同价态含硫物质的转化”
考试地位	这四个实验是实验大题的直接素材：配制溶液的误差分析、铁的价态转化、硫的价态转化、粗盐提纯的试剂顺序，都是高频设问
前置知识	第 1 章物质的量浓度；第 4 章离子反应；第 8 章铁及其化合物；第 10 章硫及其化合物；第 37–40 章实验基础

学生必做实验是教材里明确要求“动手做”的 18 个实验。高考不会原样考实验步骤，但会拿这些实验作素材：配制溶液的误差分析、铁盐和亚铁盐的检验、硫的价态转化、粗盐提纯的试剂顺序，都是从这些实验里长出来的。这一章的四个实验都属于元素化合物，共同点是“用离子反应实现物质的转化和分离”，每一步都要能说出目的和方程式。

41.1 实验一览

实验	测什么或探究什么	方法归类
41.2 配制一定物质的量浓度的溶液	配制 $100\ \mathrm{mL}\ 1.00\ \mathrm{mol/L}$ 的 $\ce{NaCl}$ 溶液，分析操作对浓度的影响	定量配制；误差分析
41.3 铁及其化合物的性质	$\ce{Fe}$、$\ce{Fe^2+}$、$\ce{Fe^3+}$ 的性质和相互转化，$\ce{Fe^2+}$ 与 $\ce{Fe^3+}$ 的检验	定性探究；离子检验
41.4 不同价态含硫物质的转化	$-2$、$0$、$+4$、$+6$ 价硫之间的转化，氧化剂和还原剂的选择	定性探究；价态转化
41.5 用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子	除去粗盐中的 $\ce{Ca^2+}$、$\ce{Mg^2+}$、$\ce{SO4^2-}$ 和泥沙，试剂顺序的设计	分离提纯；定量产率

41.2 配制一定物质的量浓度的溶液

目的与原理

目的：配制 $100\ \mathrm{mL}\ 1.00\ \mathrm{mol/L}$ 的 $\ce{NaCl}$ 溶液，学会容量瓶的使用，理解操作对浓度的影响。

原理：浓度由溶质的物质的量和溶液的体积决定，$c = \dfrac{n}{V}$。配制就是把称好的溶质全部转入确定体积的溶液：转移和洗涤保证 $n$ 不损失，定容保证 $V$ 准确。

计算：$n = cV = 1.00\ \mathrm{mol/L} \times 0.100\ \mathrm{L} = 0.100\ \mathrm{mol}$，$m = nM = 0.100 \times 58.5 = 5.85\ \mathrm{g}$。托盘天平只能称到 $0.1\ \mathrm{g}$，实际称 $5.9\ \mathrm{g}$，配出的浓度约为 $1.01\ \mathrm{mol/L}$。

器材与装置

托盘天平、药匙、烧杯、玻璃棒、$100\ \mathrm{mL}$ 容量瓶、胶头滴管、量筒、蒸馏水。

容量瓶使用前要检查是否漏水：加水、塞塞子、倒立，观察瓶塞处是否渗水；正立后把瓶塞旋转 $180^\circ$ 再倒立一次。

步骤

1. 计算：需要 $\ce{NaCl}$ $5.85\ \mathrm{g}$，托盘天平称 $5.9\ \mathrm{g}$。
2. 称量：用托盘天平称取 $5.9\ \mathrm{g}\ \ce{NaCl}$，倒入烧杯。
3. 溶解：加约 $30\ \mathrm{mL}$ 蒸馏水，用玻璃棒搅拌至完全溶解；冷却到室温。
4. 转移：将烧杯中的溶液沿玻璃棒注入 $100\ \mathrm{mL}$ 容量瓶，玻璃棒下端靠在刻度线以下。
5. 洗涤：用少量蒸馏水洗涤烧杯内壁和玻璃棒 $2\text{–}3$ 次，洗涤液全部转入容量瓶。
6. 定容：加水到接近刻度线 $1\text{–}2\ \mathrm{cm}$，改用胶头滴管滴加，直到凹液面最低处与刻度线相切。
7. 摇匀：盖好瓶塞，上下颠倒摇匀。
8. 装瓶：转入试剂瓶，贴标签。

数据处理

项目	数据
称量质量 $m(\ce{NaCl})$	$5.9\ \mathrm{g}$
溶液体积 $V$	$0.100\ \mathrm{L}$
实际浓度 $c = \dfrac{m}{MV}$	$\dfrac{5.9}{58.5 \times 0.100} \approx 1.01\ \mathrm{mol/L}$
与目标浓度的相对误差	$\dfrac{

托盘天平的精度是 $0.1\ \mathrm{g}$，称量误差约 $0.05\ \mathrm{g}$，对应浓度误差约 $0.9\%$。若需要更准确的浓度，应改用分析天平（精度 $0.0001\ \mathrm{g}$）。

误差分析

判断依据统一为 $c = \dfrac{n}{V}$：改变了 $n$ 或 $V$ 的，浓度就变。

操作	对 $n$ 或 $V$ 的影响	浓度
称量时药品偏多	$n$ 偏大	偏高
称量时药品偏少	$n$ 偏小	偏低
溶解时有液体溅出	$n$ 偏小	偏低
未洗涤烧杯和玻璃棒	$n$ 偏小	偏低
转移时有液体洒出	$n$ 偏小	偏低
未冷却就定容	冷却后 $V$ 偏小	偏高
定容时仰视刻度线	$V$ 偏大	偏低
定容时俯视刻度线	$V$ 偏小	偏高
定容加水超过刻度线	$V$ 偏大	偏低
容量瓶中原有少量蒸馏水	$n$、$V$ 都不变	无影响
摇匀后液面低于刻度线又加水	$V$ 偏大	偏低

注意事项

• 容量瓶不能加热、不能作反应容器、不能长期存放溶液；配好的溶液要转入试剂瓶。
• 称量 $\ce{NaCl}$ 可以放在纸上，但称 $\ce{NaOH}$ 等易潮解、腐蚀性的药品要放在小烧杯里。
• 溶解后必须冷却到室温再转移：热溶液体积偏大，冷却后液面下降，浓度偏高。
• 转移时玻璃棒的作用是引流，不能插在容量瓶里搅拌。
• 定容时视线与刻度线相平；凹液面最低处与刻度线相切。
• 定容加水超过刻度线，不能吸出，必须重新配制。

例题

例 1　（场景：计算与配制）配制 $250\ \mathrm{mL}\ 0.50\ \mathrm{mol/L}$ 的 $\ce{NaCl}$ 溶液，需要称取 $\ce{NaCl}$ 多少克？写出主要步骤。

解：

找关系：$n = cV$，$m = nM$。

列式：$n = 0.50 \times 0.250\ \mathrm{mol}$；$m = n \times 58.5\ \mathrm{g/mol}$。

计算：$n = 0.125\ \mathrm{mol}$，$m \approx 7.3\ \mathrm{g}$（托盘天平称 $7.3\ \mathrm{g}$）。

检验：$7.3\ \mathrm{g}$ 按 $58.5\ \mathrm{g/mol}$ 算是 $0.125\ \mathrm{mol}$ 左右，溶于 $0.25\ \mathrm{L}$，浓度约 $0.5\ \mathrm{mol/L}$，合理。

步骤：计算 → 称量 $7.3\ \mathrm{g}$ → 溶解、冷却 → 转移至 $250\ \mathrm{mL}$ 容量瓶 → 洗涤 $2\text{–}3$ 次 → 定容 → 摇匀、装瓶。

例 2　（场景：误差分析）下列操作使所配溶液浓度偏高、偏低还是无影响？（1）称量时砝码与药品放反（使用了游码）；（2）定容时仰视；（3）未洗涤烧杯和玻璃棒；（4）容量瓶洗净后未干燥。

解：

判断依据：逐项判断 $n$ 和 $V$ 的变化。

• （1）砝码与药品放反且用游码时，实际称量质量 = 砝码质量 − 游码读数，药品偏少，$n$ 偏小 → 偏低。
• （2）仰视使加水超过刻度线，$V$ 偏大 → 偏低。
• （3）溶质损失，$n$ 偏小 → 偏低。
• （4）容量瓶中的少量水不影响定容后的体积，$n$、$V$ 都不变 → 无影响。

检验：四项分别对应“药品偏少”“水偏多”“溶质损失”“无关”，结论与原因一致。

易错点

• 错在哪：把容量瓶洗净后还要烘干。 为什么错：理解性错误。少量蒸馏水不影响定容后的体积。 正确做法：洗净、检漏后直接使用。
• 错在哪：定容时俯视刻度线，认为加水少一点没关系。 为什么错：理解性错误。俯视时水加得不够，$V$ 偏小，浓度偏高。 正确做法：视线与刻度线相平，凹液面最低处与刻度线相切。
• 错在哪：配好的溶液长期存放在容量瓶中。 为什么错：规范性错误。容量瓶不是试剂瓶，长期存放会腐蚀瓶塞、影响精度。 正确做法：转入试剂瓶，贴标签。

关联知识点

• 前置：第 1 章 1.5 物质的量浓度，$c = n/V$ 的计算。
• 前置：第 37 章 37.3 计量仪器的精度与读数、37.4 溶解与洗涤。
• 后续：第 40 章 40.2 配制溶液的误差分析。
• 关联：第 43 章中和滴定，标准液的配制。
• 常一起考：第 2 章化学用语，操作名称和仪器名称的书写。

41.3 铁及其化合物的性质

目的与原理

目的：探究铁、亚铁盐、铁盐的性质和相互转化，学会 $\ce{Fe^2+}$ 与 $\ce{Fe^3+}$ 的检验。

原理：

• 铁有还原性，与稀盐酸、$\ce{FeCl3}$、$\ce{CuCl2}$ 反应：$\ce{Fe + 2H+ = Fe^2+ + H2 ^}$、$\ce{2Fe^3+ + Fe = 3Fe^2+}$、$\ce{Fe + Cu^2+ = Fe^2+ + Cu}$。
• $\ce{Fe^2+}$ 既有还原性又有氧化性，遇碱生成白色 $\ce{Fe(OH)2}$，迅速被氧化：$\ce{Fe^2+ + 2OH- = Fe(OH)2 v}$、$\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3}$。
• $\ce{Fe^3+}$ 有氧化性，遇碱生成红褐色 $\ce{Fe(OH)3}$：$\ce{Fe^3+ + 3OH- = Fe(OH)3 v}$；与 KSCN 显红色：$\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$。
• $\ce{Fe^3+}$ 能把 $\ce{I-}$ 氧化：$\ce{2Fe^3+ + 2I- = 2Fe^2+ + I2}$。

器材与装置

试管、胶头滴管、试管架、酒精灯；铁屑、$\ce{FeCl3}$ 溶液、$\ce{FeSO4}$ 溶液、$\ce{NaOH}$ 溶液、KSCN 溶液、氯水、稀盐酸、$\ce{CuCl2}$ 溶液、淀粉溶液、碘化钾溶液。

步骤

1. 铁与稀盐酸：取少量铁屑于试管中，加稀盐酸，观察气泡和溶液颜色：$\ce{Fe + 2H+ = Fe^2+ + H2 ^}$，溶液变浅绿色。
2. 铁与 $\ce{FeCl3}$：向 $\ce{FeCl3}$ 溶液中加入铁粉，振荡，溶液由棕黄色变为浅绿色：$\ce{2Fe^3+ + Fe = 3Fe^2+}$。
3. 铁与 $\ce{CuCl2}$：向 $\ce{CuCl2}$ 溶液中加入铁粉，铁粉表面析出红色固体：$\ce{Fe + Cu^2+ = Fe^2+ + Cu}$。
4. $\ce{Fe^2+}$ 与碱：向新配的 $\ce{FeSO4}$ 溶液中滴加 $\ce{NaOH}$ 溶液，观察沉淀颜色变化：白色 → 灰绿色 → 红褐色。
5. $\ce{Fe^3+}$ 与碱：向 $\ce{FeCl3}$ 溶液中滴加 $\ce{NaOH}$ 溶液，生成红褐色沉淀。
6. $\ce{Fe^3+}$ 与 KSCN：向 $\ce{FeCl3}$ 溶液中滴加 KSCN 溶液，溶液变红；向 $\ce{FeSO4}$ 溶液中滴加 KSCN 溶液，不变红，再加氯水，变红。
7. $\ce{Fe^3+}$ 与 $\ce{I-}$：向 $\ce{FeCl3}$ 溶液中加入 KI 溶液和淀粉溶液，溶液变蓝，说明生成了 $\ce{I2}$。

数据处理

定性实验的数据处理是现象记录与结论：

操作	现象	结论	方程式
铁屑加稀盐酸	有气泡，溶液变浅绿色	铁与酸反应生成 $\ce{Fe^2+}$	$\ce{Fe + 2H+ = Fe^2+ + H2 ^}$
$\ce{FeCl3}$ 中加铁粉	棕黄色变浅绿色	$\ce{Fe^3+}$ 被还原为 $\ce{Fe^2+}$	$\ce{2Fe^3+ + Fe = 3Fe^2+}$
$\ce{FeSO4}$ 中加 $\ce{NaOH}$	白色沉淀迅速变灰绿，最后红褐	$\ce{Fe(OH)2}$ 被空气氧化	$\ce{Fe^2+ + 2OH- = Fe(OH)2 v}$；$\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3}$
$\ce{FeCl3}$ 中加 KSCN	溶液变红	检出 $\ce{Fe^3+}$	$\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$
$\ce{FeSO4}$ 中加 KSCN，再加氯水	开始不变红，加氯水后变红	原溶液无 $\ce{Fe^3+}$，有 $\ce{Fe^2+}$	$\ce{2Fe^2+ + Cl2 = 2Fe^3+ + 2Cl-}$
$\ce{FeCl3}$ 中加 KI 和淀粉	溶液变蓝	$\ce{Fe^3+}$ 把 $\ce{I-}$ 氧化成 $\ce{I2}$	$\ce{2Fe^3+ + 2I- = 2Fe^2+ + I2}$

误差分析

定性实验的“误差”是现象不明显或出现干扰：

• $\ce{FeSO4}$ 溶液久置会被空气氧化，滴加 $\ce{NaOH}$ 时可能直接出现红褐色，看不到白色；应现配现用，或在溶液中加少量铁粉。
• 试管不干净、残留氧化剂，会使 $\ce{Fe^2+}$ 提前被氧化，现象失真。
• 滴管混用会把 $\ce{Fe^3+}$ 带入 $\ce{Fe^2+}$ 溶液，使 KSCN 检验出现假阳性。
• 观察 $\ce{Fe(OH)2}$ 的白色要立即，白色只持续一瞬间；试管要放在白纸前观察。
• 氯水加得过多，可能把 $\ce{SCN-}$ 氧化，红色褪去，造成误判。

注意事项

• $\ce{FeSO4}$ 溶液要新配，配制时加少量铁粉防止氧化。
• 检验 $\ce{Fe^2+}$ 采用“先加 KSCN 不变红，再加氯水变红”的两步法，先排除 $\ce{Fe^3+}$。
• KSCN 溶液只需几滴，过量没有意义；现象是“变红”，不是“产生沉淀”。
• 铁与稀盐酸反应生成 $\ce{Fe^2+}$，不是 $\ce{Fe^3+}$；铁与浓硫酸、浓硝酸在常温下钝化。
• 实验后的废液含有重金属离子，要回收处理，不能直接倒入水槽。
• 氯水、KSCN 溶液现用现配，避免失效。

例题

例 1　（场景：设计检验方案）某浅绿色溶液，设计实验判断其中是否含有 $\ce{Fe^2+}$ 和 $\ce{Fe^3+}$。

解：

判断依据：KSCN 只检验 $\ce{Fe^3+}$；$\ce{Fe^2+}$ 要用“先排除 $\ce{Fe^3+}$，再氧化显色”的两步法。

• 取少量溶液，滴加 KSCN 溶液：若变红，说明含 $\ce{Fe^3+}$；若不变红，说明不含 $\ce{Fe^3+}$。
• 若第一步不变红：向同一试管中滴加氯水，变红说明含 $\ce{Fe^2+}$（$\ce{2Fe^2+ + Cl2 = 2Fe^3+ + 2Cl-}$）。
• 若第一步变红：另取少量溶液，滴加酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液，紫色褪去说明含 $\ce{Fe^2+}$（$\ce{5Fe^2+ + MnO4- + 8H+ = 5Fe^3+ + Mn^2+ + 4H2O}$）；若溶液中有 $\ce{Cl-}$，也能使 $\ce{KMnO4}$ 褪色，需先排除。

检验：两步法把“有没有 $\ce{Fe^3+}$“和”有没有 $\ce{Fe^2+}$“分开，结论不互相干扰。

三查：$\ce{Fe^3+ + 3SCN- <=> Fe(SCN)3}$、$\ce{2Fe^2+ + Cl2 = 2Fe^3+ + 2Cl-}$、$\ce{5Fe^2+ + MnO4- + 8H+ = 5Fe^3+ + Mn^2+ + 4H2O}$ 原子、电荷守恒；得失电子守恒。

例 2　（场景：解释颜色变化）向新配的 $\ce{FeSO4}$ 溶液中滴加 $\ce{NaOH}$ 溶液，沉淀颜色由白色迅速变为灰绿色，最后变为红褐色。解释原因，写出方程式。

解：

判断依据：$\ce{Fe(OH)2}$ 是白色沉淀，有还原性，被空气中的 $\ce{O2}$ 氧化成红褐色的 $\ce{Fe(OH)3}$。

• 开始：$\ce{Fe^2+ + 2OH- = Fe(OH)2 v}$，白色。
• 氧化：$\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3}$，白色 → 灰绿色 → 红褐色。
• 灰绿色是 $\ce{Fe(OH)2}$ 和 $\ce{Fe(OH)3}$ 混合的颜色，是氧化过程的中间状态。

检验：白色只出现一瞬间，说明氧化很快；要观察到白色，需用液封或氢气氛围隔绝空气。

三查：两条方程式原子守恒；$\ce{Fe(OH)2}$ 中 Fe 为 $+2$ 价，被氧化成 $+3$ 价，$\ce{O2}$ 被还原，电子守恒。

例 3　（场景：判断反应产物）把过量铁粉加入 $\ce{FeCl3}$ 溶液中，充分反应后溶液的颜色和溶质是什么？

解：

判断依据：铁粉过量时，$\ce{Fe^3+}$ 被全部还原为 $\ce{Fe^2+}$。

• 反应：$\ce{2Fe^3+ + Fe = 3Fe^2+}$。
• 现象：棕黄色溶液变为浅绿色；铁粉有剩余。
• 溶质：$\ce{FeCl2}$。

检验：铁粉过量，$\ce{Fe^3+}$ 不能剩余；若铁粉不足，溶液中会同时有 $\ce{Fe^2+}$ 和 $\ce{Fe^3+}$。

三查：$\ce{2Fe^3+ + Fe = 3Fe^2+}$ 原子、电荷守恒，电子守恒（2 个 $\ce{Fe^3+}$ 各得 1 个电子，1 个 Fe 失 2 个电子）。

易错点

• 错在哪：向 $\ce{FeCl2}$ 溶液中加 KSCN 变红，就认为原溶液含 $\ce{Fe^2+}$。 为什么错：理解性错误。变红说明的是 $\ce{Fe^3+}$，可能是 $\ce{Fe^2+}$ 被氧化产生的。 正确做法：先加 KSCN 确认不变红，再加氯水变红，才是 $\ce{Fe^2+}$ 的检验。
• 错在哪：铁与稀盐酸反应的产物写成 $\ce{FeCl3}$。 为什么错：记忆性错误。稀盐酸的氧化性弱，只能把铁氧化到 $+2$ 价。 正确做法：$\ce{Fe + 2H+ = Fe^2+ + H2 ^}$。
• 错在哪：把 $\ce{Fe(OH)2}$ 的颜色记成“灰绿色”。 为什么错：记忆性错误。$\ce{Fe(OH)2}$ 是白色，灰绿色是氧化过程中的混合色。 正确做法：白色 → 灰绿色 → 红褐色，白色是起始颜色。

关联知识点

• 前置：第 8 章铁及其化合物，铁的价态和转化。
• 前置：第 4 章离子反应，离子方程式的书写。
• 前置：第 38 章 38.2 常见离子的检验。
• 后续：第 43 章电化学，铁的电化学腐蚀。
• 常一起考：第 27 章盐类的水解，$\ce{Fe^3+}$ 的水解与除杂。

41.4 不同价态含硫物质的转化

目的与原理

目的：实现硫元素在 $-2$、$0$、$+4$、$+6$ 价之间的转化，理解价态变化与氧化剂、还原剂的关系。

原理：硫的价态越低，还原性越强；价态越高，氧化性越强（但 +6 价硫只在浓硫酸中才表现强氧化性，稀硫酸没有强氧化性）。实现转化要选对氧化剂或还原剂：

• $-2 \to 0$：$\ce{Na2S}$ 被氧化，$\ce{Na2S + Cl2 = 2NaCl + S v}$。
• $0 \to +4$：硫在氧气中燃烧，$\ce{S + O2} \xlongequal{\text{点燃}} \ce{SO2}$。
• $+4 \to +6$：$\ce{SO2}$ 被氧化，$\ce{5SO2 + 2MnO4- + 2H2O = 5SO4^2- + 2Mn^2+ + 4H+}$；$\ce{SO2 + Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl}$。
• $+6 \to +4$：浓硫酸被还原，$\ce{Cu + 2H2SO4(\text{浓})} \xlongequal{\Delta} \ce{CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}$。
• $+4 \to 0$：$\ce{SO2}$ 与 $\ce{H2S}$ 归中，$\ce{SO2 + 2H2S = 3S v + 2H2O}$。

器材与装置

试管、胶头滴管、酒精灯、燃烧匙、集气瓶；$\ce{Na2S}$ 溶液、氯水、硫粉、氧气、$\ce{SO2}$ 水溶液、酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液、铜片、浓硫酸、$\ce{H2S}$ 溶液。

步骤

1. $-2 \to 0$：向 $\ce{Na2S}$ 溶液中滴加氯水，观察淡黄色浑浊：$\ce{Na2S + Cl2 = 2NaCl + S v}$。
2. $0 \to +4$：在燃烧匙中点燃少量硫粉，伸入盛有氧气的集气瓶，观察蓝紫色火焰和刺激性气味：$\ce{S + O2} \xlongequal{\text{点燃}} \ce{SO2}$。
3. $+4 \to +6$：向 $\ce{SO2}$ 水溶液中滴加酸性 $\ce{KMnO4}$ 溶液，紫色褪去：$\ce{5SO2 + 2MnO4- + 2H2O = 5SO4^2- + 2Mn^2+ + 4H+}$。
4. $+4 \to 0$：向 $\ce{SO2}$ 水溶液中滴加 $\ce{H2S}$ 溶液，出现淡黄色沉淀：$\ce{SO2 + 2H2S = 3S v + 2H2O}$。
5. $+6 \to +4$：铜片与浓硫酸共热，观察溶液变蓝和刺激性气体：$\ce{Cu + 2H2SO4(\text{浓})} \xlongequal{\Delta} \ce{CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}$。

数据处理

定性实验做现象记录：

转化	操作	现象	氧化剂或还原剂	方程式
$-2 \to 0$	$\ce{Na2S}$ 中加氯水	淡黄色浑浊	$\ce{Cl2}$ 作氧化剂	$\ce{Na2S + Cl2 = 2NaCl + S v}$
$0 \to +4$	硫在氧气中燃烧	蓝紫色火焰，刺激性气体	$\ce{O2}$ 作氧化剂	$\ce{S + O2} \xlongequal{\text{点燃}} \ce{SO2}$
$+4 \to +6$	$\ce{SO2}$ 中加酸性 $\ce{KMnO4}$	紫色褪去	$\ce{KMnO4}$ 作氧化剂	$\ce{5SO2 + 2MnO4- + 2H2O = 5SO4^2- + 2Mn^2+ + 4H+}$
$+4 \to 0$	$\ce{SO2}$ 中滴加 $\ce{H2S}$ 溶液	淡黄色沉淀	$\ce{H2S}$ 作还原剂	$\ce{SO2 + 2H2S = 3S v + 2H2O}$
$+6 \to +4$	铜与浓硫酸共热	溶液变蓝，刺激性气体	浓硫酸作氧化剂	$\ce{Cu + 2H2SO4(\text{浓})} \xlongequal{\Delta} \ce{CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}$

误差分析

定性实验的误差表现为现象不明显或干扰：

• $\ce{SO2}$ 易逸散，浓度太低时酸性 $\ce{KMnO4}$ 褪色不明显；应现配 $\ce{SO2}$ 水溶液并盖好。
• 氯水浓度太低，$\ce{Na2S}$ 中出现的淡黄色浑浊很浅；应使用新制氯水。
• 铜与浓硫酸共热温度不够，反应很慢；加热要到位，但要注意安全。
• $\ce{SO2}$ 有刺激性气味，直接闻会刺激呼吸道；应用手轻轻扇动，让少量气体飘入鼻孔。

注意事项

• $\ce{SO2}$ 有毒，实验要在通风处进行，尾气用 $\ce{NaOH}$ 溶液吸收：$\ce{SO2 + 2NaOH = Na2SO3 + H2O}$。
• 浓硫酸有强腐蚀性，取用要小心；稀释时把浓硫酸沿器壁慢慢注入水中。
• 铜与浓硫酸反应后的试管要冷却后再加水，防止暴沸和酸液飞溅。
• 硫燃烧在氧气中进行，火焰呈蓝紫色；在空气中是淡蓝色。
• 同种元素不同价态之间发生“归中”反应时，产物中该元素的价态介于两种反应物之间，不交叉。

例题

例 1　（场景：设计转化路线）以 $\ce{Na2S}$ 为原料，设计一条从 $-2$ 价到 $+6$ 价硫的转化路线，写出每步的方程式和所需试剂。

解：

判断依据：价态逐步升高，每一步都要加氧化剂。

• $-2 \to 0$：$\ce{Na2S}$ 溶液中加氯水，$\ce{Na2S + Cl2 = 2NaCl + S v}$。
• $0 \to +4$：硫在氧气中燃烧，$\ce{S + O2} \xlongequal{\text{点燃}} \ce{SO2}$。
• $+4 \to +6$：$\ce{SO2}$ 通入氯水或酸性 $\ce{KMnO4}$，$\ce{SO2 + Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl}$。

检验：三步的价态依次为 $-2 \to 0 \to +4 \to +6$，每步都有氧化剂，路线连续。

三查：三条方程式原子、电荷守恒；硫的化合价升高，氧化剂被还原，电子守恒。

例 2　（场景：价态归中）$\ce{SO2}$ 与 $\ce{H2S}$ 反应生成硫，说明电子转移的方向和数目（以生成 $3\ \mathrm{mol}\ \ce{S}$ 计）。

解：

判断依据：$\ce{SO2}$ 中 S 为 $+4$ 价，$\ce{H2S}$ 中 S 为 $-2$ 价，产物 S 为 $0$ 价，属于归中反应。

• $\ce{SO2 + 2H2S = 3S v + 2H2O}$。
• 每 $1\ \mathrm{mol}\ \ce{SO2}$ 中的 S 转化为 S 时得 $4\ \mathrm{mol}$ 电子，每 $1\ \mathrm{mol}\ \ce{H2S}$ 中的 S 转化为 S 时失 $2\ \mathrm{mol}$ 电子；生成 $3\ \mathrm{mol}\ \ce{S}$ 时，$1\ \mathrm{mol}\ \ce{SO2}$ 得 $4\ \mathrm{mol}$ 电子，$2\ \mathrm{mol}\ \ce{H2S}$ 共失 $4\ \mathrm{mol}$ 电子。

检验：得电子总数等于失电子总数，电子守恒；产物硫的价态 $0$ 在 $-2$ 和 $+4$ 之间，归中反应不交叉。

三查：方程式原子守恒；电荷为零；电子守恒。

易错点

• 错在哪：认为 $\ce{SO2}$ 只能被氧化，不能被还原。 为什么错：理解性错误。$\ce{SO2}$ 中 S 为 $+4$ 价，既能被氧化到 $+6$，也能被还原到 $0$。 正确做法：看与什么反应：与氧化剂反应显还原性，与 $\ce{H2S}$ 反应显氧化性。
• 错在哪：硫在空气中燃烧的火焰记成蓝紫色。 为什么错：记忆性错误。硫在空气中燃烧是淡蓝色，在纯氧中是蓝紫色。 正确做法：记住两个条件对应的颜色差别。
• 错在哪：铜与稀硫酸反应制 $\ce{SO2}$。 为什么错：理解性错误。稀硫酸没有强氧化性，铜不与稀硫酸反应。 正确做法：用浓硫酸并加热。

关联知识点

• 前置：第 10 章硫及其化合物，$\ce{SO2}$、浓硫酸的性质。
• 前置：第 5 章氧化还原反应，价态变化与电子转移。
• 前置：第 38 章气体的检验和尾气处理。
• 后续：第 43 章电化学，氧化还原反应的应用。
• 常一起考：第 13 章无机化工流程，硫的转化和尾气处理。

41.5 用化学沉淀法去除粗盐中的杂质离子

目的与原理

目的：除去粗盐中的泥沙和 $\ce{Ca^2+}$、$\ce{Mg^2+}$、$\ce{SO4^2-}$，得到精盐，学会除杂试剂的顺序设计。

原理：用沉淀剂把杂质离子变成难溶物，过滤除去；过量的沉淀剂再用后续试剂除去。

• $\ce{SO4^2-}$：加 $\ce{BaCl2}$，$\ce{Ba^2+ + SO4^2- = BaSO4 v}$。
• $\ce{Mg^2+}$：加 $\ce{NaOH}$，$\ce{Mg^2+ + 2OH- = Mg(OH)2 v}$。
• $\ce{Ca^2+}$：加 $\ce{Na2CO3}$，$\ce{Ca^2+ + CO3^2- = CaCO3 v}$。
• 过量的 $\ce{Ba^2+}$：用 $\ce{Na2CO3}$ 除去，$\ce{Ba^2+ + CO3^2- = BaCO3 v}$。
• 过量的 $\ce{OH-}$、$\ce{CO3^2-}$：加盐酸除去，$\ce{CO3^2- + 2H+ = CO2 ^ + H2O}$、$\ce{H+ + OH- = H2O}$。

器材与装置

托盘天平、药匙、烧杯、玻璃棒、漏斗、滤纸、铁架台（带铁圈）、蒸发皿、酒精灯、坩埚钳、量筒、胶头滴管；粗盐、蒸馏水、$\ce{BaCl2}$ 溶液、$\ce{NaOH}$ 溶液、$\ce{Na2CO3}$ 溶液、稀盐酸、pH 试纸。

步骤

1. 溶解、过滤：称取 $5.0\ \mathrm{g}$ 粗盐，加约 $20\ \mathrm{mL}$ 蒸馏水溶解，过滤除去泥沙。
2. 除 $\ce{SO4^2-}$：向滤液中加过量 $\ce{BaCl2}$ 溶液，直到不再产生沉淀。
3. 除 $\ce{Mg^2+}$：加过量 $\ce{NaOH}$ 溶液。
4. 除 $\ce{Ca^2+}$ 和过量的 $\ce{Ba^2+}$：加过量 $\ce{Na2CO3}$ 溶液。
5. 过滤：把 $\ce{BaSO4}$、$\ce{Mg(OH)2}$、$\ce{CaCO3}$、$\ce{BaCO3}$ 沉淀一并滤去。
6. 除过量试剂：向滤液中逐滴加稀盐酸，边加边搅拌，直到不再产生气泡，溶液呈中性（用 pH 试纸检验）。
7. 蒸发结晶：将溶液倒入蒸发皿，加热并用玻璃棒搅拌，出现较多固体时停止加热，利用余热蒸干。

数据处理

定量实验记录产率：

项目	数据
粗盐质量	$5.0\ \mathrm{g}$
精盐质量	$4.2\ \mathrm{g}$
产率	$\dfrac{4.2}{5.0} \times 100\% = 84\%$

产率一般小于 $100\%$，因为粗盐中含有泥沙和杂质离子，提纯过程中也有损失。若产率异常偏高，可能是精盐没有干燥（含水）或可溶性杂质（如 $\ce{KCl}$）没有除尽。

误差分析

• 产率偏低：溶解不完全、过滤时液体损失、蒸发时液滴飞溅、精盐未完全转移。
• 产率偏高：精盐没有干燥、粗盐中的可溶性杂质（如 $\ce{KCl}$）留在了精盐中。
• 杂质离子未除尽：试剂用量不足（没有过量）、顺序错误（$\ce{BaCl2}$ 加在 $\ce{Na2CO3}$ 之后）、过滤不彻底。
• 盐酸加得过多：溶液显酸性，蒸发时 $\ce{HCl}$ 挥发，一般不影响；但若后续要精确控制 pH，需要重新调节。

注意事项

• 试剂顺序：$\ce{BaCl2}$ 必须在 $\ce{Na2CO3}$ 之前，否则过量的 $\ce{Ba^2+}$ 没有试剂除去。
• 每种沉淀剂都要加过量，保证杂质离子除尽；过量的试剂在后续步骤中除去。
• 过滤要“一贴二低三靠”，沉淀要洗涤（洗涤液并入滤液，减少损失）。
• 加盐酸要逐滴、边加边搅拌，用 pH 试纸检验到中性；加得过多会使溶液显酸性。
• 蒸发时用玻璃棒不断搅拌，防止局部过热造成液滴飞溅；出现较多固体时停止加热，利用余热蒸干。
• 蒸发皿可以直接加热，但不能骤冷，防止炸裂。

例题

例 1　（场景：试剂顺序判断）粗盐提纯中，若按”$\ce{Na2CO3}$ → $\ce{BaCl2}$ → $\ce{NaOH}$ → 过滤 → 盐酸“的顺序操作，会有什么问题？

解：

判断依据：$\ce{Na2CO3}$ 的作用之一是除去过量的 $\ce{Ba^2+}$，必须放在 $\ce{BaCl2}$ 之后。

• 先加 $\ce{Na2CO3}$ 再加 $\ce{BaCl2}$，过量的 $\ce{Ba^2+}$ 没有后续试剂除去，会留在溶液中。
• 一种正确的顺序：$\ce{BaCl2}$ → $\ce{NaOH}$ → $\ce{Na2CO3}$ → 过滤 → 盐酸。

检验：顺序设计的原则是“后加的试剂要能除去先加的过量试剂”。

三查：$\ce{Ba^2+ + SO4^2- = BaSO4 v}$、$\ce{Ba^2+ + CO3^2- = BaCO3 v}$、$\ce{CO3^2- + 2H+ = CO2 ^ + H2O}$ 原子、电荷守恒。

例 2　（场景：产率计算与误差分析）某同学称取 $5.0\ \mathrm{g}$ 粗盐，提纯后得到 $4.6\ \mathrm{g}$ 精盐，计算产率。若精盐没有完全干燥，产率会偏高还是偏低？

解：

找关系：产率 $= \dfrac{m(\text{精盐})}{m(\text{粗盐})} \times 100\%$。

列式：产率 $= \dfrac{4.6}{5.0} \times 100\%$。

计算：产率 $= 92\%$。

检验：若精盐含水，称得的质量偏大，产率会偏高；所以产率异常偏高时要检查是否干燥。

例 3　（场景：试剂作用）粗盐提纯中，为什么用盐酸除去过量的 $\ce{OH-}$ 和 $\ce{CO3^2-}$，而不用硫酸？

解：

判断依据：除杂试剂不能引入新的杂质离子。

• 用盐酸：生成 $\ce{NaCl}$、水和 $\ce{CO2}$，不引入新杂质；过量的 $\ce{HCl}$ 在蒸发时挥发。
• 用硫酸：会引入 $\ce{SO4^2-}$，而 $\ce{SO4^2-}$ 正是要除去的杂质离子之一，等于除掉了又加回来。

检验：除杂的基本原则是“不增”，试剂的选择要围绕这一点。

三查：$\ce{CO3^2- + 2H+ = CO2 ^ + H2O}$、$\ce{H+ + OH- = H2O}$ 原子、电荷守恒。

易错点

• 错在哪：把 $\ce{BaCl2}$ 加在 $\ce{Na2CO3}$ 之后。 为什么错：理解性错误。过量的 $\ce{Ba^2+}$ 没有试剂除去，成为新杂质。 正确做法：$\ce{BaCl2}$ 在 $\ce{Na2CO3}$ 之前，$\ce{Na2CO3}$ 兼除 $\ce{Ca^2+}$ 和过量的 $\ce{Ba^2+}$。
• 错在哪：过滤后直接蒸发，忘记加盐酸。 为什么错：规范性错误。滤液中含有过量的 $\ce{OH-}$ 和 $\ce{CO3^2-}$，蒸干后得到的是 $\ce{NaCl}$ 和 $\ce{Na2CO3}$、$\ce{NaOH}$ 的混合物。 正确做法：过滤后加适量盐酸至不再产生气泡，再蒸发。
• 错在哪：蒸发时把溶液蒸干才停止加热。 为什么错：规范性错误。蒸干时固体容易飞溅，且可能使某些盐分解。 正确做法：出现较多固体时停止加热，利用余热蒸干。

关联知识点

• 前置：第 38 章 38.6 除杂的原则与常见除杂试剂。
• 前置：第 4 章离子反应，沉淀反应的离子方程式。
• 前置：第 37 章过滤、蒸发与洗涤的操作。
• 后续：第 40 章 40.4 产率的计算。
• 常一起考：第 13 章无机化工流程，粗盐提纯是流程题的经典素材。

41.6 自测

1. 配制 $100\ \mathrm{mL}\ 1.00\ \mathrm{mol/L}$ 的 $\ce{NaCl}$ 溶液，需称 $\ce{NaCl}$ 多少克？实际配出的浓度约是多少？
2. 配制溶液时，定容摇匀后液面低于刻度线，能否再加水？为什么？
3. 写出铁与稀盐酸、铁与 $\ce{FeCl3}$ 溶液反应的离子方程式。
4. 向 $\ce{FeSO4}$ 溶液中滴加 $\ce{NaOH}$ 溶液，沉淀颜色怎样变化？写出两步方程式。
5. 设计实验证明某溶液中含有 $\ce{Fe^2+}$ 而不含 $\ce{Fe^3+}$。
6. 写出 $\ce{SO2}$ 转化为硫酸的两条反应路线（用不同氧化剂）。
7. 铜与浓硫酸共热的方程式，指出氧化剂和还原剂。
8. 粗盐提纯中，除杂试剂的正确顺序是什么？为什么 $\ce{Na2CO3}$ 要放在 $\ce{BaCl2}$ 之后？
9. 粗盐提纯中，过滤后为什么要加盐酸？加盐酸到什么程度为止？
10. 称取 $5.0\ \mathrm{g}$ 粗盐，得精盐 $4.2\ \mathrm{g}$，求产率；若精盐未干燥，产率会怎样变化？

答案：1. $5.85\ \mathrm{g}$，托盘天平称 $5.9\ \mathrm{g}$，实际浓度约 $1.01\ \mathrm{mol/L}$。 2. 不能，液面低是液体附着在瓶壁上，再加水会使体积偏大、浓度偏低。 3. $\ce{Fe + 2H+ = Fe^2+ + H2 ^}$；$\ce{2Fe^3+ + Fe = 3Fe^2+}$。 4. 白色 → 灰绿色 → 红褐色；$\ce{Fe^2+ + 2OH- = Fe(OH)2 v}$、$\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3}$。 5. 取少量溶液加 KSCN 不变红，说明无 $\ce{Fe^3+}$；再滴加氯水变红，说明有 $\ce{Fe^2+}$。 6. $\ce{SO2 + Cl2 + 2H2O = H2SO4 + 2HCl}$；$\ce{5SO2 + 2MnO4- + 2H2O = 5SO4^2- + 2Mn^2+ + 4H+}$。 7. $\ce{Cu + 2H2SO4(\text{浓})} \xlongequal{\Delta} \ce{CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}$；浓硫酸是氧化剂，铜是还原剂。 8. $\ce{BaCl2}$ → $\ce{NaOH}$ → $\ce{Na2CO3}$ → 过滤 → 盐酸；$\ce{Na2CO3}$ 兼除过量的 $\ce{Ba^2+}$，必须放在 $\ce{BaCl2}$ 之后。 9. 除去过量的 $\ce{OH-}$ 和 $\ce{CO3^2-}$；加到不再产生气泡、溶液呈中性为止。 10. $84\%$；未干燥会使产率偏高。

41.7 深入阅读

• 国家中小学智慧教育平台：人教版高中化学电子教材和实验视频，配制溶液、铁的化合物、硫的转化和粗盐提纯都有演示。
• 人民教育出版社 · 高中化学：教材目录和教师用书，核对四个实验活动的原文要求和操作步骤。
• PubChem：查铁盐、亚铁盐、硫化物和硫酸盐的颜色、溶解性，判断现象和沉淀时用得上。
• 维基百科 · 焰色反应：焰色反应的原理、各金属的特征颜色和实验操作，可对照铁的价态和离子检验。