实验三-纳米铁粉的制备教案资料.doc

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实验三 纳米铁粉的制备
一、文献综述
纳米粉末的表面原子数、表面能及表面张力随粒径减小而急剧增加，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子。因此，纳米铁粉在高效催化、光吸收材料、气敏元件、高密度磁记录材料等领域得到日益广阔的应用，纳米微粒物性的研究和制备技术的发展也得到高度的重视。
高树梅等在《改进液相还原法制备纳米零价铁颗粒》中指出，通过添加高分子分散剂聚乙烯吡咯烷酮( PVP) 和乙醇对纳米铁颗粒进行表面物理改性, 从而达到改善其在水溶液中分散性的目的。普京辉等在文章《纳米α­Fe金属磁粉制备及其磁性能研究》中指出在乳化剂PG 参与下, 从铁盐溶液中沉淀析出FeC2O 4 ·2H2O 作前驱体, 经热分解、氢气还原和表面钝化处理, 制备出轴比 1～ 3( 长短径比) 、长径约 50 nm 的椭球或短棒状 α - Fe 金属磁粉.
为配合当前中学化学课程改革和教育部新课标的理念，使中学生直接感受到纳米材料的奇异特性。本实验选择制备工艺简单，设备要求低，生产成本低的固相还原法,此实验可操作性强，在中学化学实验室条件和教师指导下，具备一定化学知识的高中学生便可完成。纳米铁粉的“自燃现象”甚至可替代“白磷的自燃”实验，安全、无毒。
二、实验目的
1.进一步巩固铁的物理性质和化学性质的认识,养学生对原有知识的进一步探究学习的能力。
2.认识铁粉具有可燃性，并重温燃烧条件的知识。
3.丰富学生的实验内容，提供学生尝试新实验的机会，增强其实验技能，培养其学习化学的兴趣。
三、实验原理
纳米铁粉制备方法主要分为物理法和化学法。物理法分为冷冻干燥法、深度塑性变形法、物理气相沉积法等。化学方法主要有热解羰基铁法，水热合成法，水解还原法，化学还原法，电沉积法，溶胶一凝胶法，改进共沉淀法，共沉淀法，微乳液法等，其中化学还原法分为固相还原法和液相还原法。由于我们做的是学生实验，所以选择制备工艺简单，设备要求低，生产成本低的固相还原法，又叫溶液沉淀法，这种方法的前驱体（二水草酸亚铁）处理较麻烦。二水草酸亚铁经热分解，氢气还原和表面钝化处理，制得轴比长为1：3，长径约为50nm的椭球或短棒状α-Fe粉。但我们要得到的主要是Fe粉自燃现象，对铁粉的粒径形状要求不高，所以只做到二水草酸亚铁经热分解。
FeSO4·7H2O+(COOH)2═Fe(COO)2·2H2O↓+H2SO4+7H2O
FeSO4+(COOH)2═Fe(COO)2↓+H2SO4（不含结晶水方程式）
将所得晶体或粉末在700℃下焙烧：
Fe(COO)2·2H2O═Fe+2CO2↑+2H2O↑
Fe(COO)2═Fe+2CO2↑
四、实验用品及装置
仪器：50ml烧杯、 150ml烧杯、 托盘天平、磁力搅拌器 、滴管、酒精灯、酒精喷灯、 抽滤瓶、抽滤泵、玻璃棒、10ml量筒、50ml量筒、火柴、药匙、脱脂棉、玻璃管、胶头、滤纸、烘箱
药品：草酸，硫酸亚铁
装置：

五、实验过程
方法一（溶液沉淀法）：1、制备饱和溶液：取2个50ml小烧杯，分别配制30ml草酸饱和溶液和30ml硫酸亚铁饱和溶液。滴取硫酸亚铁饱和溶液，加入KSCN溶液，不显血红色，保证没有3价铁离子。过滤不溶于溶液的草酸和硫酸亚铁晶体。
2、制备草酸亚铁粉末：用酒精灯直接加热草酸亚铁溶液。用磁力搅拌器在80℃条件下搅拌硫酸亚铁溶液。每3分钟往硫酸亚铁溶液中滴加3ml草酸溶液，溶液中产生黄色沉淀。沉淀不再产生时将其抽滤，并用煮沸蒸馏水洗涤多次。用PH试纸检测洗涤下来的蒸馏水，洗到中性。将所得黄色粉末放入烘箱，在50℃下烘干。
3、纳米铁粉的制备：先将一条内径约5mm、长度12cm-14 cm 的玻璃管在酒精喷灯的火焰上烧制成球状（局部受热，等其变红，用洗耳球吹气）。先后用蒸馏水和丙酮洗涤，烘干。加入少量药品，在酒精灯上加热，直到黄色粉末全变黑色，停止加热，马上在另一端用胶头套住，防止空气进入。
4、纳米铁粉的自燃：拔掉胶头，使其管口向下，轻敲玻璃管外壁，让铁粉落到装于研钵中的脱脂棉上，可看到滑落的铁粉一出管口遇到空气就变成火星，落到脱脂棉上使其燃烧，伴随冒烟。(该实验的特点：“自燃现象”是化学变化中的一个很重要的现象，以往做自燃现象的实验是用能溶于二硫化碳的白磷，但白磷本身是有毒的，而且易燃，所以实验就不是十分安全；另外，从反应产物分析，白磷自燃后生成了五氧化二磷，会污染教室里的空气，影响学生的健康和学习的情绪。如果我们改用纳米铁粉来说明“自燃现象”，则可把上面提到的不利因素完全克服，做到安全可靠、现象明显、操作简单和保存方便。)
方法二(液相还原法)：配制0. 01mol/L 的FeSO4·7H2O 水溶液 50 mL , 然后加入 1g 聚乙烯吡咯烷酮( PVP K -30),机械搅拌使之充分混合。配制 0.03 mol/L的NaBH4水溶液. 机械搅拌条件下 ,将 50 mL NaBH4 水溶液迅速添加到 50mLFeSO4·7H2O 水溶液中,继续搅拌数秒钟 , 溶液变为黑色时停止搅拌. 用磁选法选出 ,先用蒸馏水充分洗涤 3 次 ,然后用丙酮充分洗涤 3次 ,并保存于丙酮中。
六、 实验注意事项
1.为了防止物质颗粒因团聚而影响性能，在制备纳米铁粉时，我们要使反应在真空或近乎真空的环境内进行。
2.在制备的整个过程中，如果实验操作稍有疏忽，实验就会失败。例如，当草酸亚铁在玻璃管中灼烧分解时，过早或过晚地将玻璃管封闭，都会失败。因为过早封闭，分解反应还没有完全，不可能得到纯净的纳米铁粉；如过晚封闭，分解反应虽然完全了，但外界空气中的氧气会进入管内使纳米铁粉氧化成铁的氧化物，同样也不能得到纯净的纳米铁粉。
3.在操作中，由于不小心把正在火焰上加热的玻璃管口封闭了，而整个玻璃管还在继续受热，则封闭玻璃管中的气体受热膨胀，管内压强增大而会引起玻璃管爆炸。
4.装样的量稍少，有利于控制分解生成的铁粉尺寸。
七、实验迁移应用
在中学化学实验室条件下，利用同样的原理和操作要求，我们还可指导学生用硝酸铅和酒石酸钾钠反应，成功地制得纳米铅粉。
纳米铅粉制备的反应原理如下：
(1)从酒石酸钾钠制备酒石酸铅：
C4H4O6KNa + Pb(NO3)2 ==== C4H4O6Pb↓+ KNO3 + NaNO3
(2)将酒石酸铅受热分解来制备纳米铅粉：
C4H4O6Pb ==== Pb + 2 H2O↑ + 4CO2 ↑
其中，酒石酸钾钠可用酒石酸代替，硝酸铅可用醋酸铅代替。
八、 参考文献
[1]邹惠卿，章伟光．纳米铁粉的制备[J]．化学教育，2005（2）：53-54．
[2]任跃红．中学化学实验研究[M]．北京:中国石化出版社，2013(7)：201-204
[3]吴栋，韦建军，唐永建，吴卫东，罗江山，孙卫国．纳米铁粉制备方法的研究[J]．四川大学学报（自然科学版），2008（2）：352—356．
[4]赵维元．纳米铁粉的制备及应用研究[J].高中数理化，2015:62
[5]高中化学课程标准中的探究实验与设计实验研究.东北师范大学，2006
[6]高树梅，王小栋等.改进液相还原法制备纳米零价铁颗粒[J].南京大学学报（自然科学），2007（4）

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