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

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课时1 铁的单质、氧化物和氢氧化物
eq \a\vs4\al(一、铁的单质)
【教材梳理】
1．铁的存在和冶炼
(1)铁的存在：铁元素在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝，居第四位。
①游离态：自然界中陨铁中的铁以单质形态存在。
②化合态：主要以＋2价和＋3价化合物的形态存在于矿石中。
(2)铁的冶炼：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，其化学方程式为Fe2O3＋3COeq \(=====,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。
2．铁的物理性质
纯铁具有银白色金属光泽，良好的延展性、导热性和导电性；具有磁性，能被磁体吸引。
3．铁的化学性质(较活泼)
(1)与非金属反应
①与O2反应：化学方程式为3Fe＋2O2eq \(=====,\s\up7(点燃))Fe3O4。
②与Cl2反应：化学方程式为2Fe＋3Cl2eq \(=====,\s\up7(△))2FeCl3。
(2)与盐酸、稀硫酸反应：离子方程式为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。
(3)与盐溶液反应：与硫酸铜溶液反应的离子方程式为Fe＋Cu2＋===Cu＋Fe2＋。
(4)与水蒸气反应
通常铁与冷水和热水均不反应，但高温下铁可与水蒸气反应。
【辨析拓展】
1．判断正误(正确的划“√”，错误的划“×”)
(1)在自然界中铁元素均以化合态形式存在( )
(2)Fe分别与氯气和盐酸反应所得氯化物相同( )
(3)加热条件下，Fe与少量Cl2反应生成FeCl2，与足量Cl2反应生成FeCl3( )
(4)铁与水蒸气的反应属于置换反应( )
答案：(1)× (2)× (3)× (4)√
2．你能用一种简单方法分离铁粉和铜粉的混合物吗？
答案：可以用磁铁吸引法分离。
eq \a\vs4\al(二、铁的氧化物和氢氧化物)
【教材梳理】
1．铁的氧化物
(1)物理性质和用途
(2)化学性质
①稳定性：FeO不稳定，在空气里受热，能迅速被氧化成Fe3O4。
②与酸反应：FeO和Fe2O3是碱性氧化物，与盐酸反应的离子方程式分别为 FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O，Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。
2．铁的氢氧化物
(1)实验探究
铁有两种氢氧化物，它们可以分别由相对应的可溶性盐与碱溶液反应而制得。
(2)物理性质
(3)化学性质
【辨析拓展】
1．判断正误(正确的划“√”，错误的划“×”)
(1)氧化铁、四氧化三铁都具有磁性( )
(2)Fe2O3常用作油漆、油墨的红色颜料( )
(3)FeO、Fe2O3都能溶于水可生成相应的碱( )
(4)铁的三种氧化物都能与盐酸反应，故它们都是碱性氧化物( )
(5)Fe(OH)2、Fe(OH)3都必须通过复分解反应制得( )
(6)Fe(OH)2、Fe(OH)3均为不溶性碱，可与盐酸反应( )
答案：(1)× (2)√ (3)× (4)× (5)× (6)√
2．Fe3O4的化学式可以写成FeO·Fe2O3的形式，那么它是混合物吗？你能写出Fe3O4与盐酸反应的离子方程式吗？
答案：Fe3O4是一种复杂的化合物，不是混合物。Fe3O4与盐酸反应的离子方程式为Fe3O4＋8H＋===Fe2＋＋2Fe3＋＋4H2O。
学习任务 实验室制备Fe(OH)2的方法
1．防止Fe(OH)2氧化的方法
(1)将用于配制溶液的蒸馏水煮沸，除去其中溶解的氧气。
(2)将吸有NaOH溶液的胶头滴管尖端伸入亚铁盐溶液液面以下，并慢慢挤出NaOH溶液。
(3)在亚铁盐溶液上面充入保护气，如H2、N2、稀有气体等，或者是在亚铁盐溶液上面加入保护层，如苯、植物油等密度比水小而又不溶于水的有机溶剂。
2．实验装置的改进
根据下列实验装置和操作，回答有关问题。
按图中所示装置，用两种不同的操作分别进行实验，观察B容器中的现象。
(1)先夹紧止水夹a，再使A容器中开始反应。实验中B容器中观察到的现象是________________________________________________________________________。
B容器中发生反应的离子或化学方程式是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)打开止水夹a，使A容器开始反应一段时间后再夹紧止水夹a，实验中B容器中观察到的现象是___________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
B容器中发生反应的离子方程式是___________________________________________。
[解析] 制备Fe(OH)2可有多种不同的方法，但有一共同的特点就是在操作时要防止与空气接触，这样才能得到白色的Fe(OH)2沉淀。本题中当装置中空气未排尽时，NaOH与FeSO4反应的产物Fe(OH)2只能短暂存在，但当通入H2一段时间后，即认为空气已排尽，生成的Fe(OH)2能较长时间存在。
[答案] (1)A容器中的溶液进入B容器中，有白色沉淀生成，沉淀迅速变为灰绿色，最后变成红褐色 2OH－＋Fe2＋===Fe(OH)2↓；4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
(2)打开止水夹a时，B容器中导管口有气泡产生，再夹紧止水夹a时，A容器中的溶液进入B容器中，产生白色沉淀，且长时间不变 2OH－＋Fe2＋===Fe(OH)2↓
1．下列各图中能较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀的是( )

A．①②B．①③
C．②③D．①②③
解析：选B。因为Fe(OH)2在空气中易被氧化成Fe(OH)3，故要长时间观察到Fe(OH)2白色沉淀，就要排除装置中的空气或氧气。装置①是先用铁与稀硫酸反应生成的H2将装置中的空气排尽，并使生成的 Fe(OH)2 处在氢气的保护中，③中液面上加苯阻止生成的Fe(OH)2与空气接触；②由于能接触空气中的O2，故不能较长时间观察到白色沉淀。
2．氢氧化亚铁不稳定，通常易被氧化为氢氧化铁，氢氧化铁为棕色或红褐色粉末或深棕色絮状沉淀或胶体，用来制颜料、药物，用作净水剂(胶体时)，也可用来做砷中毒的解药等。下面是某同学用不含Fe3＋的FeSO4溶液与不含O2的蒸馏水配制的NaOH溶液反应制备Fe(OH)2白色沉淀的方案。请回答下列问题：
(1)分析硫酸亚铁、氢氧化亚铁易被氧化的原因：________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)用硫酸亚铁晶体配制上述FeSO4溶液时还需要加入固体，该固体是________(填名称)。
(3)除去蒸馏水中溶解的O2常采用________方法。
(4)生成Fe(OH)2白色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________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：(1)硫酸亚铁、氢氧化亚铁中铁元素为＋2价，可以升高到＋3价，具有还原性，易被氧化；
(2)Fe2＋易被空气中的O2氧化，加铁粉将被氧化生成的Fe3＋还原成Fe2＋；
(3)气体的溶解度随着温度的升高而降低，所以煮沸后的蒸馏水中溶解的O2变少；
(4)Fe(OH)2沉淀很容易被氧气氧化，长滴管插入FeSO4溶液液面下，可防止Fe(OH)2与氧气接触而被氧化。
答案：(1)硫酸亚铁、氢氧化亚铁中铁元素为＋2价，可以升高到＋3价，具有还原性，易被氧化
(2)铁粉
(3)煮沸
(4)避免生成的Fe(OH)2沉淀接触O2而被氧化
1．下列关于铁单质的说法错误的是( )
A．一种银白色金属
B．导电性不如铜、铝
C．具有延展性和导热性
D．能吸引铜、铝等金属
解析：选D。铁虽然具有磁性，但不能吸引铜、铝等金属。
2．下列有关铁的说法中不正确的是( )
A．铁与水蒸气的反应中铁做还原剂
B．铁和稀硫酸反应的离子方程式为2Fe＋6H＋===2Fe3＋＋3H2↑
C．铁在纯氧中燃烧生成Fe3O4
D．工业上在高温下用CO还原含Fe2O3的铁矿石炼铁
解析：选B。铁和稀硫酸反应的离子方程式应写为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。
3．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，故Fe3O4是混合物
解析：选C。赤铁矿、铁锈的主要成分均是Fe2O3，A错误，C正确；Fe2O3为碱性氧化物，但不与水反应，B错误；Fe3O4是一种复杂的化合物，是纯净物，不是混合物，D错误。
4．在生产过程中，除去铁制品上的铁锈，可先用下列溶液洗涤的是( )
A．NaOHB．CuSO4
C．HClD．NaCl
解析：选C。铁锈的主要成分是Fe2O3，能与盐酸反应，化学方程式为Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O，Fe2O3不能与NaOH、CuSO4、NaCl等溶液发生反应，故选C。
5．化合物A、B组成元素相同，且B为白色。C是一种与B含有相同价态该金属元素的硫酸盐，向C中加入适量的NaOH溶液，可观察到生成的白色沉淀迅速变为灰绿色，最后变为红褐色沉淀A，加热A可得红棕色粉末D。回答下列问题：
(1)写出各物质的化学式：A________、B________、C________、D________。
(2)写出B转化为A的化学方程式：_____________________________________________
________________________________________________________________________。
写出A受热分解的化学方程式：_____________________________________________
________________________________________________________________________。
解析：解答本题的关键是抓住C与NaOH溶液反应的特征现象，确定A为Fe(OH)3，B为Fe(OH)2，C为FeSO4，D为Fe2O3。
答案：(1)Fe(OH)3 Fe(OH)2 FeSO4 Fe2O3
(2)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3 2Fe(OH)3eq \(=====,\s\up7(△))Fe2O3＋3H2O
[核心素养水平]
[合格考检测])
1．市场上销售的食品包装有很多种，其中一种为真空包装，如香肠、盐水鸭、月饼等食品，抽出包装袋内空气并放入一小包铁粉。铁粉主要表现的性质是( )
A．氧化性B．还原性
C．碱性D．酸性
解析：选B。包装袋内放入的铁粉与空气中的氧气反应，防止食品被氧化，起还原剂作用。
2．(2020·福州高一检测)常温下，将铁片放入下列溶液中，不发生反应的是( )
A．稀硫酸B．氯水
C．氢氧化钠溶液D．硫酸铜溶液
解析：选C。铁与稀硫酸反应：Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑；氯水呈酸性，且具有强氧化性，可以和铁反应；铁与硫酸铜溶液发生置换反应：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu；铁与氢氧化钠溶液不发生反应，C项符合题意。
3．我国科学家参与研制的阿尔法磁谱仪已随美国发现号航天飞船升入太空，开始了探索宇宙中是否存在“反物质”的研究工作。根据你所学的知识推测用于制造阿尔法磁谱仪的核心部件的材料是( )
A．FeOB．Fe2O3
C．Fe3O4D．Fe(OH)3
解析：选C。根据磁谱仪所用物质具有磁性确定用于制造阿尔法磁谱仪的核心部件的材料为Fe3O4。
4．下列化合物中，不能由单质直接化合而得到的是( )
A．FeCl2B．NaCl
C．Fe3O4D．FeCl3
解析：选A。Fe和Cl2在加热条件下反应生成FeCl3。
5．下列关于铁与水反应的描述不正确的是( )
A．红热的铁能与水蒸气反应，用排水法收集产生的气体并点燃，能听到轻微“噗”声
B．铁与水蒸气的反应是氧化还原反应
C．常温下，Fe与H2O不反应，但在空气中O2、H2O的共同作用下能发生氧化反应
D．铁与水蒸气反应的固体产物是黑色的FeO
解析：选D。铁与水蒸气反应的固体产物是黑色的Fe3O4。
6．钠和铁都能与水反应，下列叙述不正确的是( )
A．反应的难易程度不同
B．反应的产物不完全相同
C．都需要在高温条件下进行
D．反应类型都属于置换反应
解析：选C。铁在高温下与水蒸气反应：3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2；钠与冷水发生剧烈反应：2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑，二者反应的难易程度不同，产物不完全相同，但都属于置换反应。
7．铁屑溶于过量稀硫酸，过滤后向滤液中加入过量氢氧化钠溶液，有白色沉淀生成，过滤，在空气中加热沉淀至质量不再发生变化为止，得到红棕色残渣。上述沉淀和残渣分别是( )
A．Fe(OH)3 Fe2O3B．Fe(OH)2 Fe2O3
C．Fe(OH)2 Fe(OH)3D．Fe(OH)2 Fe3O4
解析：选B。铁与稀硫酸反应生成FeSO4，FeSO4再与过量氢氧化钠溶液反应生成白色沉淀Fe(OH)2，Fe(OH)2在空气中加热时铁元素会被氧化为＋3价，最后所得红棕色残渣为Fe2O3。
8．金属单质A可发生以下反应。试推断：
(1)A、B、C、D、E分别是(写化学式，B写主要成分)：
A________、B________、C________、D________、
E________。
(2)写出反应③和⑤的离子方程式：
③________________________________________________________________________；
⑤________________________________________________________________________。
解析：推断题的解题思路：根据物质的物理性质(特别是色、态)和化学性质(相互转化关系、反应条件等)，找出具有特征条件的物质，再由相互转化关系逐步推断。例如，本题中结合B、C的颜色及单质A与CuCl2溶液、盐酸反应的性质可推知A为Fe。
答案：(1)Fe Fe2O3 Fe3O4 Cu H2
(2)Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
9．如下图所示装置可用来制取和观察Fe(OH)2在空气中被氧化时颜色的变化。实验时必须使用铁屑和6 ml·L－1的硫酸，其他试剂任选。
填写下列空白：
(1)B中盛一定量的NaOH溶液，A中应预先加入的试剂是________，A中反应的离子方程式是________________________________________________________________________
________________。
(2)实验开始时先将活塞E________(填“打开”或“关闭”)，C中收集到气体的主要成分是________。
(3)简述生成Fe(OH)2的操作过程：_________________________________________
________________________________________________________________________。
(4)拔去装置B中的橡皮塞，使空气进入，写出有关反应的化学方程式：________________________________________________________________________。
解析：实验开始时先打开活塞E，让H2把A、B装置中的空气排出，让Fe(OH)2在H2气氛中生成，以便较长时间观察Fe(OH)2的颜色。空气排尽后关闭活塞E，A中生成的FeSO4溶液沿竖直长导管进入B瓶，与NaOH溶液反应。
答案：(1)铁屑 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)打开 H2
(3)待C中有稳定、均匀的气泡产生时，关闭活塞E，使FeSO4溶液压入B瓶中进行反应
(4)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
[等级考检测])
10．某学习小组进行了下图所示的实验，实验后组员之间的交流不合理的是( )
A．甲同学认为试管b中收集到的气体可点燃，且产生淡蓝色火焰
B．乙同学认为试管a中生成的黑色固体可能为四氧化三铁
C．丙同学认为将少量还原铁粉放入试管中，加适量的水，加热也可实现该反应
D．丁同学认为用盐酸溶解固体生成物，所得溶液有颜色
解析：选C。在高温下铁与水蒸气反应生成氢气和四氧化三铁。试管b中收集到的气体可点燃，且产生淡蓝色火焰，甲同学的观点正确；试管a中生成的黑色固体为四氧化三铁，乙同学的观点正确；铁与液态水不反应，应该是水蒸气，且条件为高温，丙同学的观点错误；用盐酸溶解固体生成物得到氯化亚铁和氯化铁的混合溶液，溶液有颜色，丁同学的观点正确。
11．类比是研究物质的常用方法之一，可预测许多物质的性质。下列类比推测的说法中正确的是( )
A．Fe和O2能直接化合生成Fe3O4，推测Cu和O2可直接化合生成Cu3O4
B．Na和H2O反应生成NaOH和H2，推测Fe和H2O反应生成Fe(OH)3和H2
C．Fe能与CuSO4溶液发生反应，推测Fe能与AgNO3溶液发生反应
D．Na在常温下能与H2O反应，推测Fe在常温下也能与H2O反应
解析：选C。Fe和O2反应生成Fe3O4，Cu和O2反应生成CuO，A项错误；Fe和H2O(g)反应生成Fe3O4和H2，B项错误；Fe与H2O(g)在高温下才能反应，D项错误。
12．等量的铁分别与足量的盐酸、水蒸气在一定的条件下充分反应，则在相同的条件下，产生氢气的体积比是( )
A．1∶1B．3∶4
C．2∶3D．4∶3
解析：选B。根据反应的化学方程式Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑、3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2可知，1 ml Fe与盐酸反应生成1 ml H2，与水蒸气反应生成eq \f(4,3) ml H2，故在相同条件下，产生H2的体积比是3∶4。
13．现有一定量FeO、Fe2O3的混合物，在足量H2气流中加热充分反应，冷却后称得剩余固体质量比原混合物减少0.8 g；将等质量的原混合物与盐酸反应，欲使之完全溶解，则需1 ml·L－1盐酸的体积至少为( )
A．0.05 LB．0.1 L
C．0.2 LD．1 L
解析：选B。剩余固体比原混合物减少的质量即为原混合物中氧原子的质量，则n(O)＝eq \f(0.8 g,16 g·ml－1)＝0.05 ml。原混合物与盐酸反应，生成氯化物和水，则n(Cl－)＝2n(O)＝0.05 ml×2＝0.1 ml，则 n(HCl)＝0.1 ml，需1 ml·L－1盐酸的体积至少为eq \f(0.1 ml,1 ml·L－1)＝0.1 L。
14．某化学兴趣小组利用如图装置进行“铁与水蒸气反应”的实验，并检验产物的性质，请回答下列问题：
(1)A装置的作用是__________________________________________________________，
B装置中反应的化学方程式为_________________________________________________。
(2)D装置的作用是__________________________________________________________。
(3)E装置中的现象是_________________________________________________________。
(4)A、B两个装置中应先点燃________处的酒精(喷)灯，点燃E处酒精灯之前应进行的操作是________________________________________________________________________
________________________。
解析：(1)B装置中发生的反应是3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2，故A装置的作用是产生水蒸气。(2)D装置的作用是除去未反应的水蒸气，干燥H2。(3)E装置中发生的反应为H2＋CuOeq \(=====,\s\up7(△))Cu＋H2O，故E装置中的现象为黑色固体变为红色，同时硬质玻璃管右端管壁有水珠生成。(4)应先点燃A处酒精灯，若先点燃B处酒精喷灯，B装置中的Fe会与空气中的O2反应；点燃E处酒精灯之前要先收集H2，并检验其纯度。
答案：(1)产生水蒸气 3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2
(2)除去未反应的水蒸气，干燥H2
(3)黑色固体变为红色，硬质玻璃管右端管壁有水珠生成
(4)A 收集H2，并检验其纯度
课程标准
教材脉络
1.结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解铁的单质、氧化物和氢氧化物的主要性质。
2.了解铁的单质、氧化物在生产、生活中的应用。
实验装置
实验现象
用燃着的火柴点燃肥皂泡，听到爆鸣声(有H2生成)
实验结论
反应的化学方程式为3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2
名称
氧化亚铁
氧化铁
四氧化三铁
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
俗名
—
铁红
磁性氧化铁
色、态
黑色粉末
红棕色粉末
黑色晶体
溶解性
都不溶于水
用途
—
油漆、涂料、
油墨和橡胶
的红色颜料
冶铁
制备Fe(OH)2
制备Fe(OH)3
操作
现象
产生的白色絮状沉淀迅速变为灰绿色，最终变为红褐色沉淀
生成红褐色沉淀
有关反
应的离
子或化
学方
程式
Fe2＋＋2OH－===
Fe(OH)2↓，4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓
Fe(OH)2
Fe(OH)3
色、态
白色固体
红褐色固体
溶解性
难溶于水
Fe(OH)2
Fe(OH)3
稳定性
不稳定，易被O2氧化，受热易分解，但产物复杂
不稳定，受热易分解，化学方程式为
2Fe(OH)3eq \(=====,\s\up7(△))Fe2O3＋3H2O
与盐酸反
应的离子
方程式
Fe(OH)2＋2H＋===Fe2＋＋2H2O
Fe(OH)3＋3H＋===Fe3＋＋3H2O