人教版 (2019)必修 第一册第三章 铁 金属材料第一节 铁及其化合物学案

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第一节 铁及其化合物


[明确学习目标] 1.了解单质铁的还原性，一定条件下能与非金属单质、酸和某些盐反应，初步学会根据铁与水蒸气反应的原理设计实验装置。2.了解铁的重要化合物的主要性质及应用。3.掌握Fe2＋、Fe3＋的检验方法及其相互转化。


4.了解Fe(OH)2、Fe(OH)3的制备方法。


学生自主学习


铁的单质


1.铁在地壳中含量仅次于eq \(□,\s\up3(01))氧、eq \(□,\s\up3(02))硅和eq \(□,\s\up3(03))铝，居第eq \(□,\s\up3(04))四位，主要以eq \(□,\s\up3(05))＋2价和eq \(□,\s\up3(06))＋3价化合物形式存在。


2.铁单质的性质


(1)物理性质：银白色金属，导电、导热性好，能被磁铁吸引。


(2)化学性质(写出反应的化学方程式)


①与Cl2反应：eq \(□,\s\up3(07))2Fe＋3Cl2eq \(=====,\s\up15(△))2FeCl3。


②与O2反应：eq \(□,\s\up3(08))3Fe＋2O2eq \(=====,\s\up15(点燃))Fe3O4。


③与稀H2SO4反应：eq \(□,\s\up3(09))Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑。


④与CuSO4溶液反应：eq \(□,\s\up3(10))Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu。


(3)铁与水蒸气反应的实验探究





铁的氧化物和氢氧化物


1.铁的氧化物








2.铁的氢氧化物


(1)铁的氢氧化物的制备





(2)化学性质





铁盐和亚铁盐


1.铁盐和亚铁盐


(1)Fe3＋的检验方法


Fe3＋eq \(――→,\s\up15(KSCN))溶液呈eq \(□,\s\up3(01))红色。


(2)Fe2＋的检验方法


Fe2＋eq \(――→,\s\up15(KSCN))溶液颜色无变化eq \(――→,\s\up15(氯水))溶液变成eq \(□,\s\up3(02))红色。


(3)Fe2＋与Fe3＋的转化


①实验及现象





溶液颜色变化：由黄色→eq \(□,\s\up3(03))浅绿色→eq \(□,\s\up3(04))无明显变化→eq \(□,\s\up3(05))红色。


②反应的离子方程式


eq \(□,\s\up3(06))2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，


eq \(□,\s\up3(07))2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－。


③结论


Fe3＋eq \(,\s\up15(铁等强还原剂),\s\d15(氯气等强氧化剂))Fe2＋。





1.怎么除去FeCl2溶液中的少量Fe3＋？从中你得出一个什么样的结论？


提示：加足量的铁粉振荡、静置、过滤，其反应的离子方程式为：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋。由此可知：含同一元素的不同价态的物质反应时，生成含该元素中间价态的物质，如：C＋CO2eq \(=====,\s\up15(高温))2CO。


2.Fe(OH)2很容易被空气中的氧气氧化，在制备Fe(OH)2时应如何防止Fe(OH)2被氧化？


提示：①隔绝空气；②排除溶液中溶解的O2。


3.除了上述检验Fe2＋、Fe3＋的方法外，你还知道其他区别二者的方法吗？


提示：①观察法





4.如何证明含有Fe3＋的溶液中是否含有Fe2＋？


提示：由于溶液中含有Fe3＋，利用NaOH溶液或KSCN溶液都无法证明溶液中是否含有Fe2＋，可以利用Fe2＋的还原性，向溶液中加入酸性KMnO4溶液，溶液紫色褪去证明溶液中含有Fe2＋。


课堂互动探究


知识点一 铁的单质





(1)铁位于金属活动性顺序表中氢原子之前，因此可以与酸反应置换出H2，生成Fe2＋。


(2)铁在纯氧中燃烧、铁在高温下与水蒸气反应生成的是Fe3O4，Fe3O4中有2个＋3价铁和一个＋2价铁。





1 下列有关铁与水反应的说法中正确的是 ( )


A.在任何条件下，铁与水均能发生反应


B.在高温时，铁与水蒸气反应生成氢氧化铁和氢气


C.在高温时，铁与水蒸气反应生成氧化铁和氢气


D.在高温时，铁与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气


[批注点拨]





[解析] 高温时，铁与水蒸气反应生成Fe3O4和H2。


[答案] D


[练1] 一定条件下，等量的铁分别与足量的盐酸、水蒸气充分反应，则在相同的条件下产生氢气的体积比是( )


A.1∶1 B．4∶3


C.2∶3 D．3∶4


答案 D


解析 根据Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑、3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2可知，1 ml Fe与足量盐酸反应生成1 ml H2,1 ml Fe与足量水蒸气反应生成eq \f(4,3) ml H2，故相同条件下产生H2的体积比是3∶4。


[练2] 铁是一种化学性质比较活泼的金属，在一定条件下能与多种物质发生化学反应。试仿照图中实例在方框内填写物质的化学式并书写化学方程式(要求：所填写的反应物不属于同一类物质，生成物必须填写铁的化合物)。





(1)反应①的化学方程式为：___________。


(2)反应②的化学方程式为：_________。


(3)反应③的化学方程式为：________。


答案 A．H2O B．Fe3O4 C．HCl D．FeCl2


E.CuSO4 F．FeSO4(答案合理即可)


(1)3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2


(2)Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑ (3)Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu


解析 金属铁可以与非金属单质(O2等)、水蒸气、酸(盐酸、硫酸等)以及盐(CuSO4、AgNO3等)发生反应。


方法规律 单质铁与强氧化剂生成＋3价铁的化合物；与弱氧化剂生成＋2价铁的化合物。


知识点二 铁的氧化物和氢氧化物





1.铁的氧化物都是不溶于水的化合物，其中FeO在空气中加热能迅速转化为具有磁性的化合物Fe3O4；FeO、Fe2O3都是碱性氧化物；FeO、Fe2O3、Fe3O4都能与酸反应，也都能与H2、CO等反应(表现其氧化性)，如工业上利用Fe2O3、Fe3O4与CO反应制备重要的金属材料铁。


2.制备Fe(OH)2的注意事项


(1)Fe2＋极易被氧化，所以FeSO4溶液要现用现配。


(2)为了防止Fe2＋被氧化，配制FeSO4溶液的蒸馏水和NaOH溶液要煮沸，尽可能除去O2；还可以向盛有FeSO4溶液的试管中加入一层植物油或其他密度小于水而不溶于水的有机物，以隔绝空气。


(3)为了防止滴加NaOH溶液时带入空气，可将吸有NaOH溶液的长滴管伸入FeSO4溶液的液面下，再挤出NaOH溶液。





2 某学生设计了一个制取氢氧化亚铁的实验方案，实验装置如图所示。





(1)在试管B中加入NaOH溶液，加热煮沸1～2 min立即加入2 mL液体石蜡，该操作的目的是__________________________________________________。


(2)在具支试管A中加入稀硫酸和略微过量的铁粉，试分析铁粉过量的原因：____________________________________。


(3)连接好导管，同时打开活塞，当铁粉与稀硫酸反应平稳时，关闭活塞，这时试管A中的现象是_____________，产生该现象的原因是______________。试管B中的现象是__________________。


(4)若试管B中生成的氢氧化亚铁遇到空气，发生反应的化学方程式为____________________。


[批注点拨]





[解析] 氢氧化亚铁不稳定，容易被氧化为氢氧化铁，因此在制备过程中应避免其与空气中的氧气接触。


[答案] (1)除去溶解在NaOH溶液中的O2，并防止O2再进入溶液 (2)保证溶液中不存在Fe3＋ (3)溶液经导管进入试管B 生成的H2使试管A、B内产生了压强差 产生白色沉淀 (4)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3


[练3] 指南针是我国古代四大发明之一，制造指南针的磁性物质是( )


A.FeO B．Fe2O3


C．Fe3O4 D．Fe


答案 C


解析 Fe3O4具有磁性，俗称磁性氧化铁；铁是能被磁化的物质，本身没有磁性。


[练4] 用不含Fe3＋的FeSO4溶液与用不含O2的蒸馏水配制的NaOH溶液反应来制备Fe(OH)2。


(1)除去蒸馏水中溶解的O2常采用________的方法。


(2)生成白色Fe(OH)2沉淀的操作是用长滴管吸取不含O2的NaOH溶液，插入FeSO4溶液液面下，再挤出NaOH溶液。这样操作的理由是________。


答案 (1)煮沸 (2)避免生成的Fe(OH)2沉淀接触O2


解析 根据FeSO4具有易被氧化的特点，蒸馏水中若溶有O2，则会加速Fe(OH)2氧化，因此可采用煮沸法除去O2。为避免生成的Fe(OH)2沉淀接触O2，可用长滴管吸取不含O2的NaOH溶液，插入FeSO4溶液液面下，再挤出NaOH溶液方可达到目的。


方法规律 (1)Fe3O4有固定的组成，属于纯净物，不是混合物，由于其与非氧化性酸反应生成铁盐和亚铁盐，故不属于碱性氧化物。


(2)Fe3O4可看成FeO·Fe2O3，所以在书写其与盐酸的反应方程式时可看成等物质的量的FeO、Fe2O3分别与盐酸反应，然后把两个反应相加。


(3)制备Fe(OH)2的反应原理是利用可溶性的亚铁盐溶液与碱反应，制备过程中要在一个无氧环境中进行。


知识点三 铁盐和亚铁盐





1.Fe2＋、Fe3＋的检验方法


(1)Fe3＋的检验方法





(2)Fe2＋的检验方法





2.Fe、Fe2＋、Fe3＋之间的相互转化关系


铁元素有三种价态：0价、＋2价和＋3价，这三种价态的铁在一定条件下可相互转化，我们称之为“铁三角”：





如：(1)eq \(Fe,\s\up6(0)) 仅有还原性


Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu


Fe＋2H＋===H2↑＋Fe2＋


2Fe＋3Cl2eq \(=====,\s\up15(△))2FeCl3


3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2


(2)eq \(Fe,\s\up6(＋2)) 既有氧化性又有还原性


4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3


2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－


Zn＋Fe2＋===Fe＋Zn2＋


FeO＋H2eq \(=====,\s\up15(△))Fe＋H2O


(3)eq \(Fe,\s\up6(＋3)) 仅有氧化性


2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋


3CO＋Fe2O3eq \(=====,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2





3 要证明某溶液中不含Fe3＋而可能含Fe2＋，有如下实验操作：①加足量新制氯水 ②加足量酸性KMnO4溶液 ③加少量KSCN溶液，则最佳顺序是( )


A.①③ B．③②


C.③① D．①②③


[批注点拨]





[解析] 检验的原理是Fe3＋遇SCN－显红色，而Fe2＋遇SCN－不显红色。加入KSCN溶液不显红色证明无Fe3＋，再加新制氯水，如有Fe2＋则可被氧化为Fe3＋，遇SCN－显红色。酸性KMnO4溶液也能氧化Fe2＋，但因其本身呈紫色，使Fe3＋与SCN－的反应现象不明显，因此不选用酸性KMnO4溶液。


[答案] C


[练5] 铁有＋2价和＋3价两种价态，下列有关反应中不涉及铁元素价态变化的是( )


A.用铁粉除去氯化亚铁溶液中的少许氯化铁杂质


B.铁在氧气中燃烧，其产物溶于盐酸中可得到两种盐


C.氢氧化亚铁是白色固体，在空气中迅速变成灰绿色，最终变成红褐色


D.氢氧化铁受热分解


答案 D


解析 2Fe(OH)3eq \(=====,\s\up15(△))Fe2O3＋3H2O中化合价没有发生变价。


[练6] 只用一种试剂就可将AgNO3、KSCN、稀H2SO4、NaOH四种无色溶液区分开，该试剂是( )


A.BaCl2溶液 B．CuCl2溶液


C.FeCl3溶液 D．FeCl2溶液


答案 C


解析 氯化钡不能鉴别KSCN和氢氧化钠，氯化铜不能区分KSCN和稀硫酸，氯化亚铁不能鉴别KSCN和稀硫酸。


方法规律 (1)Fe3＋呈黄色，Fe2＋呈浅绿色，可作为推断题的突破口，但一般不用于离子的检验。


(2)Fe3＋与SCN－作用后的“溶液”显红色，注意并不生成沉淀。


(3)在检验时一定要考虑Fe2＋、Fe3＋的相互干扰，如检验Fe3＋中是否混有Fe2＋，不能用Cl2和KSCN溶液、NaOH溶液等。


(4)Fe3＋能被Fe、Cu、I－等还原为Fe2＋，Fe2＋能被Cl2、H2O2、MnOeq \\al(－,4)等氧化为Fe3＋。利用此类转化可以去除Fe3＋中混有的Fe2＋，Fe2＋中混有的Fe3＋，但注意不要引入新的杂质。


(5)氧化性强弱顺序：Fe3＋>Cu2＋>Fe2＋。


eq \a\vs4\al([知识拓展]) (1)Fe2＋与K3[Fe(CN)6]溶液产生蓝色沉淀，所以可以用K3[Fe(CN)6]溶液检验Fe2＋的存在(尤其是Fe3＋溶液中是否含Fe2＋)。


(2)Fe3＋可以氧化(“腐蚀”)Cu生成Fe2＋和Cu2＋，即：2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋。工业上用FeCl3溶液作为“腐蚀液”制造印刷电路板等。


本课归纳总结


1.FeO、Fe2O3、Fe3O4均能与酸反应生成盐和水。其中Fe2O3溶于酸反应的离子方程式为Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。


2.在含Fe2＋的溶液中加入碱溶液时，生成白色絮状沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。


离子方程式为Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓，


4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。


实验室制备Fe(OH)2时要在一个无氧环境中进行。


3.Fe(OH)2和Fe(OH)3都是不溶性碱，Fe(OH)3受热分解生成红棕色的Fe2O3。


4.Fe3＋遇到SCN－时溶液变成红色，利用这一反应可检验Fe3＋的存在。


5.Fe2＋与Fe3＋在一定条件下可以相互转化，Fe3＋遇到Fe、Cu等可被还原为Fe2＋，Fe2＋遇到氯水、溴水、双氧水、酸性KMnO4溶液等可被氧化为Fe3＋。离子方程式如下：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋，2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－。


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1.下列物质反应后一定有＋3价铁生成的是( )


①过量的Fe与Cl2反应 ②Fe与过量稀H2SO4反应后，再向其中加入新制氯水 ③Fe和Fe2O3的混合物溶于盐酸中


A.① B．①③


C．①② D．全部


答案 C


解析 ①中的Cl2氧化性强，它能将铁氧化为＋3价，由于不是在溶液中反应，因此过量的铁不会将氯化铁还原；②中Fe与稀H2SO4反应只能生成Fe2＋，但加入新制氯水后，氯水中的氯分子能将Fe2＋氧化成Fe3＋；③中未给出反应物间相对量的关系，若铁是足量的，则能将生成的FeCl3全部还原为FeCl2，若铁是不足的，则溶液中可能存在Fe3＋。


2.下列说法正确的是( )


A.赤铁矿的主要成分是Fe3O4


B.Fe2O3为碱性氧化物，可与水反应生成Fe(OH)3


C.铁锈的主要成分是Fe2O3


D.Fe3O4中铁元素有＋2价和＋3价，Fe3O4是混合物


答案 C


解析 赤铁矿、铁锈的主要成分是Fe2O3，A错误，C正确；Fe2O3为碱性氧化物，但不与水反应，B错误；Fe3O4为纯净物，不是混合物，D错误。


3.用足量的CO还原32.0 g某种氧化物，将生成的气体通入足量的澄清石灰水中，得到60 g沉淀，则该氧化物是( )


A.FeO B．Fe2O3


C．CuO D．Fe3O4


答案 B


解析 由生成CaCO3 60 g可得生成的气体CO2及反应掉的CO为0.6 ml，即32 g金属氧化物中含氧原子为0.6 ml，氧元素的质量为9.6 g，则氧化物中金属元素的质量为22.4 g，两元素的质量比为eq \f(22.4,9.6)＝eq \f(7,3)，即该氧化物为Fe2O3。


4.由FeO、Fe2O3、Fe3O4组成的混合物，测得其中铁元素与氧元素的质量之比为21∶8，则这种混合物中FeO、Fe2O3、Fe3O4的物质的量之比可能为( )


A.1∶2∶1 B．1∶2∶3


C.1∶3∶1 D．1∶1∶3


答案 D


解析 由铁元素与氧元素的质量之比为21∶8，求得物质的量之比为3∶4，所以Fe3O4物质的量的多少不影响混合物中铁元素与氧元素的质量比。Fe3O4可拆为FeO·Fe2O3，故只要FeO、Fe2O3的物质的量之比为1∶1即可。


5.下列离子的检验方法合理的是( )


A.向某溶液中滴入KSCN溶液呈红色，说明不含Fe2＋


B.向某溶液中通入Cl2，然后再加入KSCN溶液变红色，说明原溶液中含有Fe2＋


C.向某溶液中加入NaOH溶液，得红褐色沉淀，说明溶液中含有Fe3＋


D.向某溶液中加入NaOH溶液得白色沉淀，又观察到颜色逐渐变为红褐色，说明该溶液中只含有Fe2＋，不含有Mg2＋


答案 C


解析 A项，加入KSCN后呈红色，说明含Fe3＋，但不能说明是否含有Fe2＋；B项，通Cl2后再加入KSCN溶液变红色说明所得的溶液中含Fe3＋，而原溶液中是否含有Fe2＋无法判断；C项，加NaOH得红褐色沉淀说明含有Fe3＋；D项，当溶液中含有Fe2＋和其他能与碱反应生成白色沉淀的离子时，同样会出现题述现象，因为Fe(OH)2转变成Fe(OH)3时，红褐色很容易掩盖其他白色沉淀。


6.(1)合成氨工业生产中所用的α­Fe催化剂的主要成分是FeO、Fe2O3。


①某FeO、Fe2O3混合物中，铁原子、氧原子的物质的量之比为4∶5，其中FeO、Fe2O3的物质的量之比为____________。


②当催化剂中＋2价铁与＋3价铁的物质的量之比为1∶2 时，其催化活性最高，此时铁的氧化物的混合物中铁的质量分数为____________(用小数表示，保留两位小数)。


(2)电子工业常用30%的FeCl3溶液腐蚀敷在绝缘板上的铜箔，制造印刷电路板。


①用FeO、Fe2O3和稀盐酸、氯气制取FeCl3溶液的离子方程式为__________、


____________________________________________、


____________________________________________，


检验溶液中Fe3＋存在的试剂是____________。


②写出FeCl3溶液与金属铜发生反应的化学方程式________，


当转移电子数为6.02×1024时，被氧化的物质的质量为__________。


答案 (1)①2∶1 ②0.72


(2)①FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O


Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O


2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－ KSCN溶液


②2FeCl3＋Cu===2FeCl2＋CuCl2 320 g


解析 (1)①设FeO的物质的量为x，Fe2O3的物质的量为y。则eq \f(x＋2y,x＋3y)＝eq \f(4,5)，解之得eq \f(x,y)＝eq \f(2,1)，故FeO与Fe2O3的物质的量之比为2∶1。


②设催化剂中含1 ml FeO、1 ml Fe2O3，催化剂中铁的质量分数为


eq \f(56 g·ml－1×3 ml,56 g·ml－1×3 ml＋16 g·ml－1×4 ml)≈0.72或二者的混合物组成相当于Fe3O4，故铁元素的质量分数为eq \f(56 g·ml－1×3 ml,56 g·ml－1×3 ml＋16 g·ml－1×4 ml)≈0.72。


(2)①FeO、Fe2O3与盐酸反应，生成FeCl2、FeCl3，通入氯气氧化FeCl2制取FeCl3。


②FeCl3溶液与Cu反应生成FeCl2和CuCl2，转移电子数为6.02×1024时，被氧化的铜的物质的量为5 ml，质量为320 g。