高中化学必修一 专题3.1.1 铁的单质

第三章  铁 金属材料

第一节 铁及其化合物

第1课时  铁的单质

(1)了解铁元素在自然界中的存在形态、与人体健康的关系，体会化学对人类生活的重要意义；从我国古代应用铁的化学史感受中华民族在科技发展进程中的贡献,增强文化自信。

(2)能用氧化还原反应原理进一步认识铁的化学性质， 基于实验事实写出铁与水蒸气反应的化学方程式，并用于解释生产中简单的化学问题，培养安全意识。

(3)结合应用实例，将铁的性质的知识运用于解决生产、生活中简单的化学问题，强化性质决定用途的观念。

【内容分析】

本节内容主要包括两部分:①铁单质;②铁的重要化合物，主要是铁的氧化物、氢氧化物、铁盐和亚铁盐。教材按照“铁单质→铁的氧化物→铁的氢氧化物→铁盐和亚铁盐”的顺序编排。

学生在初中阶段学习过铁单质的一些性质，如物理性质，与氧气、氯气、盐酸、硫酸铜溶液等反应。在介绍铁的单质时，教材在“思考与讨论”里要求学生复习初中已学习过的铁单质的性质，并从氧化还原反应的角度分析反应的特点，提升学生对铁单质性质的认识。介绍铁与水蒸气反应时，教材联系生产创设真实情境,呈现了钢铁生产中钢水注人模具的真实图片,以此情境为素材，提出问题“炽热的铁水或钢水注人模具之前，模具必须进行充分的干燥处理，不得留有水。这是为什么呢?”，教材再呈现铁粉与水蒸气反应的实验照片,引导学生深人思考与讨论，明确反应原理，从而回答了问题。

铁及其化合物广泛存在并应用于生产和生活实际，从中发现有助于学生学习、贴近教学实际的素材，从而创设出真实、生动、有意义的教学情境，不仅可以激发学生的学习兴趣，引导学生积极主动地学习;还可以使学生学会在真实情境中运用知识解决简单的化学问题，促进学科核心素养的形成。因此本课时设计了燕麦中添加铁粉的生活情境，以此引导学生从铁的还原性，以及铁与酸的反应等性质入手，对铁的单质展开讨论。从而为铁与水蒸气的反应埋下伏笔。

【教学重点和难点】

重点:铁单质的性质

难点:铁与水蒸气的实验原理

【教学流程】

【学习任务一】温故知新，感受化学对人类生活的重要意义    

一、铁的存在 

1、陨铁：以单质形态存在

矿石中的铁元素：主要以+2、+3价化合物存在

二、铁的发现  

1、最早人工冶铁制品：春秋初年秦国的铜柄铁剑。   

2、战国中期以后，铁制工具在社会生产中发挥了巨大作用。  

三、铁的冶炼   

【回顾】工业炼铁的原理是用还原的方法把铁从铁矿石中提炼出来。你还记得炼铁高颅内的化学反应吗？

【设计意图】引导学生通过阅读教材中有关铁的存在和发现史等内容，体会化学对人类生活的重要意

义，感受中华民族在科技发展史中的贡献，增强文化自信。

【学习任务二】身边的化学，发现问题  

2018年，网上流传出一段视频，有网友竟用吸铁石从麦片中吸出了铁粉。这是不是不法商家添加的呢？  

【设计意图】通过生活问题引入铁的性质的学习，提高学生的学习兴趣，落实科学态度与社会责任素养。

【学习任务三】宏观辨识，分析、解决问题   

配料表中的还原铁是不是铁的单质呢？该如何验证？

四、铁的物理性质 

铁有延展性和导热性。
铁能导电，但其导电性不如铜和铝。
铁能被磁体吸引 。

经查证，部分营养麦片中的确添加了铁粉。那么营养麦片中添加铁粉的目的是什么呢？

五、铁的化学性质   

【思考与讨论1】
我们学习过铁与一些物质的反应。你能举些例子吗？

铁与氧气的反应，铁与盐酸的反应，铁与硫酸铜溶液的反应，铁与氯气的反应。。。
【思考与讨论2】
性质决定用途，你认为营养麦片中添加铁粉的目的是什么呢？ 

1. 抗氧化，保持麦片新鲜。（利用铁粉与氧气的反应）
2. 补铁。  （铁粉和胃酸发生反应，生成亚铁离子，被人体吸收）
【专家建议】
1. 因为添加铁粉的含量极少，所以抗氧化效果并不佳。
2. 通过吃铁粉补充铁元素的做法并不科学，因为胃酸浓度不高，铁粉并不能完全被溶解，吸收率很低。
结论，营养麦片中添加适量铁粉不存在危害。但益处不大。这是商家的营销手段而已。
【思考】如何合理补铁？    

【资料卡片】                         人体中的铁元素

铁在成人体中的含量为4~5g，是人体必需微量元素中含量最多的一种。人体内的含铁化合物主要分为两类，即功能性铁和储存铁。功能性铁参与氧的运输，其余的铁与一些酶结合，分布于身体各器官。体内缺铁将会导致人的记忆能力、免疫能力和对温度的适应能力等生理功能下降。如果体内的铁不足以供给生命活动的需要，就会发生贫血。
为了满足生理需要，成人每天铁的适宜摄入量为15~20mg。动物内脏、肉类、鱼类、蛋类等动物性食物中的铁容易被吸收。一般蔬菜中铁的含量较少，吸收率也低，但我国膳食中一般食用蔬菜量很大，仍为铁的重要来源。我国已经实施在某些酱油中加入铁强化剂的措施，以减少缺铁性贫血问题的发生。

必要时，我们可以根据医生建议补充一些补铁口服液。

【设计意图】通过生活案例，引导学生在学习时懂得从“性质决定用途”入手，进行分析解决生活中的问题。落实模型构建与证据推理素养。

【学习任务四】微观探析，分析、解决问题   

[思考与讨论3]

在铁与氯气的反应，铁与盐酸的反应，铁与硫酸铜溶液的反应中，铁的化合价的变化有何异同?为什么会有这样的异同?

铁与氧化性较弱的氧化剂(如盐酸、硫酸铜等)反应，铁原子失去2个电子生成+ 2价铁的化合物；而铁与氧化性较强的氧化剂(如氯气等)反应，铁原子则失去3个电子生成+ 3价铁的化合物。

【学习评价一】

判断正误,正确的画“√”,错误的画“×”。
(1)铁具有导电、导热、延展性及被磁体吸引的特性 (  √  )
(2)Fe分别与氯气和盐酸反应所得氯化物相同 (  ×  )
(3) 已知铁和S反应得到FeS，根据Cl2、S与铁的反应可以判断氯元素和硫元素的非金属性强弱 (  √  )

【设计意图】在学生回忆关于铁单质性质已有知识的基础上，利用氧化还原反应的认知模型重建铁单质

性质的知识结构。落实模型构建与证据推理素养。
【学习任务五】宏微结合，解决新问题   

[思考与讨论4]

通过钠和水的反应，可知水是一-种较弱的氧化剂。结合生活常识以及以下材料，预测水能氧化铁吗?

材料：在钢铁厂的生产中，炽热的铁水或钢水注入模具之前，模具必须进行充分的干燥处理，不得留有水(如图3~4)。

生活经验告诉我们，在常温下，铁与水是不发生反应的。根据材料，在高温下，铁可能与水发生反应。  

【思考】 若铁在高温下能与水反应，根据所学知识预测产物。 

1.铁粉有还原性，水会被还原生成氢气。铁被氧化，可能产生铁的氧化物。
2.根据钠和水的反应，产物可能为氢气和氢氧化铁。

3. 如何设计实验验证你的想法？
提示:从水蒸气的产生、铁粉与水蒸气反应、反应产物的检验等讨论。
【思考与讨论5】
有人设计了如图3-5所示的装置，进行还原铁粉与水蒸气反应的实验。请讨论该装置的实验原理，并根据实验现象，分析可能的生成物。

试管底部放入湿棉花，加热湿棉花产生水蒸气。中部放入铁粉装好装置，加热，使水蒸气与铁粉在高温下反应。
装置末端将产生的气体导入肥皂液中是为了产生气泡，便于通过点燃验证产物中的气体。 

现象：蒸发皿中产生大量的肥皂泡，放出的气体能点燃，或会发出爆鸣声，反应后试管内固体仍为黑色。
分析：根据气体检测结果，证明为氢气；反应后试管内固体仍为黑色，说明不是氧化铁或氢氧化铁，因此可能是四氧化三铁。

【思考】如何验证固体是否是四氧化三铁。
试管冷却后，利用磁铁在试管外侧吸一吸。若固体被吸引，证明固体是四氧化三铁。

【设计意图】运用“思考与讨论”素材，对问题进行深入剖析，落实模型构建与证据推理、科学探究与实验创新素养。

【学习评价】教材P72  

【 练习与应用】

1. 红热的铁与水蒸气反应的化学方程式为________________，该反应中氧化剂是______(填化学式)。
   将烧至红热的铁丝伸到盛有氯气的集气瓶中，可观察到铁丝剧烈燃烧，产生棕黄色的烟，反应的化学方程式为_______________________________________，该反应中被还原的物质是_______________(填化学式)。
   

3.下列物质中，在一定条件下与铁反应，且铁元素的化合价能变为+3价的是(      )
A.氯化铁溶液       B.氯气     C.硫酸铜溶液      D.稀盐酸

【答案】B

【设计意图】即时检验学生的学习成果，落实课堂效果。

【新闻素材】

美味麦片里竟然含有铁粉！还能放心吃吗？记者独家调查为您揭秘

网上流传的视频中，一名男子将麦片倒入塑料袋，加入水充分搅拌，然后拿起一块磁铁放在塑封袋下面，并晃动袋子。一分钟后，当塑料袋翻过来之后，让人吃惊的一幕发生了。隔着塑料袋，磁铁的周边竟出现了很多黑色颗粒，而这些黑色物质据说就是人为添加的铁粉。

市场上麦片种类繁多麦片中竟然能吸出铁粉！视频立刻引起了大量网友的围观，很多人发出“麦片还能不能吃”的疑问。

实验中出现黑色粉末

在扬州大学化学化工学院实验室，记者先后从八份不同品牌营养麦片样品中分别取出80至100克麦片，放入装有纯净水的容器中，并用搅拌机搅拌，加快溶解。等到麦片和水充分混合后，记者将八份样品溶液分别装入八个密封袋中，并用强吸力磁铁贴在密封袋上。摇晃一分钟后，1号、2号密封袋表面的磁铁附近没有什么变化，但3号样品的磁铁周边开始出现黑色粉末，并随着磁铁移动而移动！随后，记者又用这种方法，在4号、5号和8号样品溶液中吸出了黑色粉末！实验结果显示，八份麦片样品中，纯麦片产品中没有出现黑色粉末，但4款儿童麦片冲调产品都出现了这种现象。那么，这些黑色粉末是否是铁粉呢？扬州大学化学化工学院副教授景崤壁介绍，能够被磁铁吸住的物质有三种，分别是铁、钴、镍。

化学实验进一步验证 

景教授介绍，要想判断这些黑色物质是不是铁粉，可以用化学实验进行检测。真的铁粉会和盐酸溶解，生成了浅绿色的二价铁离子。景教授分别提取出四份麦片中的黑色粉末，放入试管中，并加入稀盐酸。只见盐酸后和黑色物质发生了溶解，溶解完之后应该是生成了二价铁离子，但因为量少，所以还看不到浅绿色。接着，景教授又向试管中加入另一种指示剂——双氧水，试管中液体的颜色发生了明显变化，变成了黄色。景教授介绍，二价铁遇到双氧水就会生成三价铁，三价铁是一种黄色的物质。实验证明，四种麦片样品中的黑色颗粒果然都是铁粉！看来网上的传言并非空穴来风，一些麦片产品中果真测出了铁粉！食品跟大家的健康息息相关，麦片中怎么会有铁粉？它会影响我们的健康吗？

 “还原铁”即为单质铁

通过查看出现黑色粉末的麦片产品的配料表，景教授发现了一种名叫“还原铁”的物质，不过景教授表示，在化学中没有所谓“还原铁”概念，能被磁铁吸出来，应该就是单质铁。景教授介绍，铁是人体必需的化学元素，食品中可以添加食品级的“铁”。这些“铁”随食物进入人体后，跟胃酸发生化学反应，生成可被吸收的二价铁。而二价铁对人体是有益的 ，是可以被人体吸收的。

“吃铁粉”补铁不科学 

景教授分析，现在家长都注重给孩子补充营养，商家正是抓住了这种心理，把“补铁”作为产品的“噱头”。不过，通过吃铁粉补充铁元素的做法并不科学，因为胃酸浓度不高，铁粉并不能完全被溶解，吸收率很低，这种说法也得到了营养专家的证实。苏北医院营养师蒋放告诉记者，人体对于铁粉的吸收率仅仅有3% ，如果要补铁，吃猪肝、红肉等食物，补铁效果会更好。此外，虽然“还原铁”无害，但如果儿童一旦食用过量，在体内经过循环排出体外，这个时候对肾脏肝脏都会形成压力，就会给身体带来负担。所以，专家并不赞同儿童食品中格外添加铁粉进行补铁。看来，大家不必惊慌，被吸出铁粉的麦片并不意味着完全不能吃，不过这种铁粉能补铁的说法完全是一种商业噱头。最佳的补铁方法，还是从含铁的蔬果和动物内脏中来摄取，那可是纯天然、无添加！

【 思考与讨论1】

设置本栏目的目的在于通过唤醒学生对已知的涉及铁单质化学性质的几个反应的记忆(必要时可要求学生写出相关反应的化学方程式)引导学生运用分类、比较和归纳的方法，重构铁单质的化学性质。除了整理铁分别与非金属单质、酸、盐溶液的反应，学生还要能运用第一章学习过的氧化还原反应知识，形成“铁单质与强弱不同的氧化剂反应的产物不同”的认识，同时认识化学反应的复杂性，为后续学习打下基础。

【 思考与讨论2】

本实验中，加热湿棉花的目的是提供水蒸气,使之与还原铁粉在高温下发生反应;装置末端将产生的气体导入肥皂液中是为了产生气泡，便于通过点燃验证产物中的气体。教学中应首先对实验原理进行讨论，可从以下方面引导学生。一是通过对铁单质还原性的分析,利用氧化还原反应知识推理出水被还原的产物H2和可能的氧化产物;二是通过前面学习的金属钠与水反应的原理分析可能的产物一H2和氢氧化物;三是通过回忆金属活动性顺序，分析铁置换出水中氢的可能性等。其次，通过演示实验或实验视频调动学生积极性，让学生在观察实验现象的基础上辨识、证实或分析反应的产物，如证实产生的可燃性气体产物是氢气,根据反应后试管中仍存在黑色固体排除氧化铁和氢氧化铁的可能性，从而提出更合理的假设。围绕黑色固体的成分还可继续设计实验加以探究，如试管冷却后，可用磁铁在试管外侧吸一吸。 最后,形成对铁与水蒸气反应的认识并能用化学方程式进行正确表征。

教材介绍的是用一支试管完成铁粉与水蒸气反应的实验，试管底部塞有一-团湿棉花， 在湿棉花右侧放有还原铁粉，蒸发皿中放肥皂水(或在水中加几滴洗涤剂)。整套装置试管口应低于试管底部。铁粉与湿棉花的距离可近一些，实验时先加热湿棉花，再加热铁粉。待反应后蒸发皿中产生足够多的气泡，再用燃着的火柴去点燃，可听到爆鸣声。

【资料卡片】                   人体中的铁元素

铁在成人体中的含量为4~5g，是人体必需微量元素中含量最多的一种。人体内的含铁化合物主要分为两类，即功能性铁和储存铁。功能性铁参与氧的运输，其余的铁与一些酶结合，分布于身体各器官。体内缺铁将会导致人的记忆能力、免疫能力和对温度的适应能力等生理功能下降。如果体内的铁不足以供给生命活动的需要，就会发生贫血。
为了满足生理需要，成人每天铁的适宜摄入量为15~20mg。动物内脏、肉类、鱼类、蛋类等动物性食物中的铁容易被吸收。一般蔬菜中铁的含量较少，吸收率也低，但我国膳食中一般食用蔬菜量很大，仍为铁的重要来源。我国已经实施在某些酱油中加入铁强化剂的措施，以减少缺铁性贫血问题的发生。

【 练习与应用】

2. 红热的铁与水蒸气反应的化学方程式为________________，该反应中氧化剂是______(填化学式)。
   将烧至红热的铁丝伸到盛有氯气的集气瓶中，可观察到铁丝剧烈燃烧，产生棕黄色的烟，反应的化学方程式为_______________________________________，该反应中被还原的物质是_______________(填化学式)。
   

3.下列物质中，在一定条件下与铁反应，且铁元素的化合价能变为+3价的是(      )
A.氯化铁溶液       B.氯气     C.硫酸铜溶液      D.稀盐酸

【答案】B