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第三章 第一节 铁及其化合物
第1课时 铁的单质 铁的氧化物 铁的氢氧化物
【学习目标】
1.了解铁及其重要化合物的重要性质及实验现象。
2.了解Fe(OH)2 、Fe(OH)3的制备方法。
【素养目标】
1.了解铁的存在、应用、认识应用铁的化学史,增强文化自信,培养学生“社会责任与科学精神”的核心素养。
2.能用氧化还原反应原理认识铁的化学性质,同时根据实验事实探究Fe与H2O(g)的反应,培养学生“实验探究与证据推理”的核心素养。
3.根据物质的分类和实验事实,了解铁的氧化物和氢氧化物的主要性质,培养“宏观辨识与微观探析”的核心素养。
必备知识与关键能力
知识点一:铁单质的结构和性质
1.铁的结构
铁位于元素周期表中第四周期Ⅷ族。
2.铁的冶炼
①铁是目前产量最大,使用最广泛的金属。春秋初年,我国已掌握冶铁技术。
②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。高炉炼铁是用CO还原铁矿石(如Fe2O3),化学方程式为Fe2O3+3CO2Fe+3CO2。
3.人体中的铁元素
人体内的含铁化合物主要分为两类,即功能性铁和储存铁。人体缺铁,就会发生贫血。我国已实施在某些酱油中加入铁强化剂的措施。
4.铁的物理性质
颜色状态 导电性、导热性、延展性 特性 地壳含量
银白色固体 良好 被磁铁吸引 占第4位
5.化学性质
(1)铁的主要化学性质
(2)铁化学性质的具体表现
化学性质 化学方程式举例
①Fe与非金属单质反应
②Fe与非氧化性酸反应 Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑(置换反应)
③Fe与盐溶液反应 Fe+2FeCl3===3FeCl2(化合反应)
④Fe与氧化性酸反应 Fe与足量硝酸溶液反应生成Fe3+
⑤Fe与H2O(g)的高温反应 3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2(置换反应)
【注意】(1)Fe与冷水、热水不反应,Fe与H2O(g)高温下反应的产物是Fe3O4,而不是Fe2O3。
(2)铁在潮湿的空气中生成铁锈的主要成分是Fe2O3,而铁在纯氧中燃烧的产物是Fe3O4。
(3)铁分别与氯气和盐酸反应所得产物中铁元素的价态不同,Fe与Cl2反应不论用量多少都生成FeCl3,而Fe与盐酸反应生成FeCl2。
(4)Fe与Br2反应生成FeBr3,但与I2反应时生成FeI2,通过这一事实可以说明Br2的氧化性比I2强。
典例1.下列说法不正确的是( )
A.铁与纯氧气和水蒸气反应都能生成四氧化三铁
B.铁在高温下与水蒸气的反应是置换反应
C.铁与盐酸反应生成氯化铁和氢气
D.铁与盐酸或水蒸气反应,都作还原剂
【答案】C
【解析】据3Fe+2O2Fe3O4、3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2、Fe+2HCl===FeCl2+H2↑可知A、B、D正确,C项错误。
典例2.下列有关铁及其化合物的说法中不正确的是( )
A.工业上在高温下用CO还原含Fe2O3的铁矿石炼铁
B.铁在纯氧中燃烧或高温下和水蒸气反应均能得到Fe3O4
C.工业上可用铁制容器储存、运输浓硝酸、浓硫酸
D.氯化铁溶液有较强氧化性,故可用作净水剂
【答案】D
【解析】常温下铁在浓硫酸、浓硝酸中发生钝化现象,阻止反应进行,工业上可用铁制容器储存、运输浓硝酸、浓硫酸,故C正确;氯化铁有氧化性,但不是用作净水剂的原因,净水是利用铁离子水解生成的氢氧化铁胶体具有吸附性,能吸附悬浮的杂质净水,故D错误。
典例3.铁与水蒸气反应的实验装置如下图所示,请思考探究下列问题:
(1)实验时,是先加热湿棉花还是先加热还原铁粉 。
(2)点燃肥皂液时有什么现象 。
(3)该实验中湿棉花的作用是 。
(4)为了加速反应,往往把还原铁粉分散于石棉绒上,其原因是 。
(5)写出该反应的化学方程式,并用双线桥表示出电子转移的情况 。
【答案】 (1)先加热湿棉花,让水蒸气充满装置 (2)有爆鸣声,也可能燃烧
(3)提供水蒸气 (4)增大了水蒸气与铁粉的接触面积。
典例4.用如图所示装置进行Fe与水蒸气反应的实验,下列有关说法不正确的是( )
A B
A.装置A的作用是为实验提供持续不断的水蒸气
B.装置B中反应的化学方程式是2Fe+3H2O(g)Fe2O3+3H2
C.装置C中加入的固体干燥剂可能是碱石灰
D.点燃装置D处的气体前必须检验气体的纯度
【答案】B
【解析】装置A是将液态H2O转化为气态,与装置B中的铁粉在高温下发生反应,A项正确;铁粉与H2O(g)在高温下发生反应,生成Fe3O4和H2,B项错误;因生成的H2中含有较多的水蒸气,故需要用碱石灰等不与H2反应的干燥剂进行干燥,C项正确;不纯的H2在点燃时可能会发生爆炸,故在点燃H2前必须检验其纯度,D项正确。
知识点二:铁的氧化物
化学式 FeO Fe2O3 Fe3O4
俗称 — 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 难溶于水 难溶于水 难溶于水
铁的价态 +2价 +3价 +2价,+3价
与H+反应的离子方程式 FeO+2H+===Fe2++H2O Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O Fe3O4+8H+===Fe2++2Fe3++4H2O
共性 高温时,都能被C、CO、H2、Al等还原剂还原,生成单质铁
典例5.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·nH2O
D.Fe3O4中铁元素有+2价和+3价,Fe3O4是混合物
【答案】C
【解析】赤铁矿的主要成分是Fe2O3,A项错误;铁锈的主要成分是Fe2O3·nH2O,C项正确;Fe2O3为碱性氧化物,但不与水反应,B项错误;Fe3O4为化合物,不是混合物,D项错误。
典例6.下列有关铁及其化合物的说法中正确的是( )
A.Fe3O4的颜色为红棕色
B.铁丝可在空气中燃烧生成Fe3O4
C.FeCl2可通过置换反应或复分解反应制得
D.铁的氧化物均为黑色,不溶于水
【答案】C
【解析】Fe3O4的颜色为黑色;铁丝在空气中不能燃烧;生成FeCl2的反应有:Fe+2HCl===FeCl2+H2↑,FeO+2HCl===FeCl2+H2O等;Fe2O3是红棕色粉末。
(三)铁的氢氧化物
知识点三:铁的氢氧化物
化学式 Fe(OH)2 Fe(OH)3
色态 白色固体 红褐色固体
溶解性 难溶于水 难溶于水
与盐酸反应 Fe(OH)2+2H+=== Fe2++2H2O Fe(OH)3+3H+=== Fe3++3H2O
受热分解 — 2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O
制法 可溶性亚铁盐与碱反应:Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓ 可溶性铁盐与碱反应: Fe3++3OH-=== Fe(OH)3↓
二者的关系 空气中,Fe(OH)2能够非常迅速地被氧气氧化成Fe(OH)3,现象是白色沉淀迅速变成灰绿色,最后变成红褐色,化学方程式为4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
【点拨】①FeO和Fe3O4与HNO3反应时,除考虑与H+的反应外,还考虑Fe2+被HNO3氧化成Fe3+。
②Fe2O3、Fe3O4、Fe(OH)3与HI反应时,除考虑与H+的反应外,还考虑Fe3+被I-还原为Fe2+。
典例7.向下列物质中滴加NaOH溶液产生白色絮状沉淀,并迅速变成灰绿色,最后变成红褐色的是( )
A.FeSO4 B.Na2SO4 C.FeCl3 D.KCl
【答案】A
典例8.铁屑溶于过量稀硫酸,过滤后向滤液中加入过量氨水,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 Fe2O3 B.Fe(OH)2 Fe2O3
C.Fe(OH)2 Fe(OH)3 D.Fe(OH)2 FeO
【答案】B
【解析】铁与稀硫酸反应生成FeSO4,再与过量氨水反应生成白色沉淀Fe(OH)2,在空气中加热Fe(OH)2,铁元素被氧化为+3价,最后所得红棕色残渣为Fe2O3。
知识点四:氢氧化亚铁的制备
【方法规律】 Fe(OH)2制备的三种思维方法
(1)有机覆盖层法
将吸有NaOH溶液的胶头滴管插到液面以下,并在液面上覆盖一层苯或煤油(不能用CCl4),以防止空气与Fe(OH)2接触发生反应,如图1所示。
(2)还原性气体保护法
用H2将装置内的空气排尽后,再将亚铁盐与NaOH溶液混合,这样可长时间观察到白色沉淀,如图2所示。
(3)电解法
用铁作阳极,电解NaCl(或NaOH)溶液,并在液面上覆盖一层苯(或煤油),如图3所示。
典例9.下列各图示中能较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀的是( )
A.①②③ B.①②④ C.①②③④ D.②③④
【答案】B
【解析】Fe(OH)2 在空气中很容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3 ,发生4Fe(OH)2 +O2+2H2O = 4Fe(OH)3 。要较长时间看到Fe(OH)2 白色沉淀,就要排除装置中的氧气或空气。①、②原理一样,都是先用氢气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无法避免氧气与氢氧化亚铁的反应;④中液面加苯阻止了空气进入,能较长时间看到白色沉淀,选B。
典例10.如图所示装置,可用来制取和观察Fe(OH)2在空气中被氧化时的颜色变化,实验时提供的试剂有铁屑及6.00 mol·L-1的硫酸,NaOH溶液,下列说法错误的是( )
A.B中盛有一定量的NaOH溶液,A中应预先加入的试剂是铁屑
B.实验开始时应先将活塞E关闭
C.生成Fe(OH)2的操作为关闭活塞E,使A中溶液压入B中
D.取下装置B中的橡胶塞,使空气进入,有关反应的化学方程式为4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
【答案】B
【解析】制取硫酸亚铁需要铁屑,所以在烧瓶中应该先加入铁屑,所以A中应预先加入的试剂是铁屑,故A正确;稀硫酸和铁反应生成硫酸亚铁和氢气,实验开始时应打开活塞E,用氢气排出装置中的空气,B错误;铁和稀硫酸反应有氢气生成,关闭活塞E,导致A中压强逐渐增大,将FeSO4溶液压入B中进行反应生成氢氧化亚铁,C正确;氢氧化亚铁不稳定,容易被空气中的氧气氧化生成红褐色的氢氧化铁,反应的化学方程式为4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,故D正确。
核心价值与学科素养
【知识结构化】
典例11.“秦砖汉瓦”是我国传统建筑文化的一个缩影。同是由黏土烧制的砖瓦,有的是黑色的,有的却是红色的,你猜测其中的原因可能是( )
A.土壤中含有铁粉、二氧化锰等
B.黑砖瓦是煅烧过程中附着了炭黑,红砖瓦则是添加了红色耐高温染料
C.土壤中含有的铜元素经过不同工艺煅烧,分别生成了黑色CuO和红色Cu
D.土壤中含有的铁元素经过不同工艺煅烧,分别生成了黑色Fe3O4或FeO和红色Fe2O3
【答案】D
【解析】土壤中含有铁元素,经过不同工艺煅烧时,分别生成了黑色Fe3O4或FeO和红色Fe2O3,故D项正确。
【跟踪练习】 基础过关
1. 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.铁粉溶于稀硫酸
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】A项,Fe+H2SO4===FeSO4+H2↑,铁元素化合价由0价变为+2价;B项,3Fe+2O2Fe3O4,铁元素化合价由0价变为+2价、+3价;C项,4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,铁元素化合价由+2价变为+3价;D项,2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O,铁元素化合价没有变化。
2. 已知下列三个实验均能发生化学反应:
① ② ③
将铁钉放入硫酸铜溶液中 向硫酸亚铁溶液中滴入几滴氯水 将铜丝放入氯化铁溶液中
下列判断正确的是( )
A.实验①中铁钉只做还原剂
B.实验②中Fe2+既显氧化性又显还原性
C.实验③中发生的是置换反应
D.上述实验证明氧化性:Fe3+>Fe2+>Cu2+
【答案】A
【解析】实验①中铁钉做还原剂,氧化性Cu2+ >Fe2+;实验②中Fe2+只表现还原性;实验③中反应为:Cu+2FeCl3===2FeCl2+CuCl2不是置换反应。分析可知:氧化性:Fe3+>Cu2+,综上可知氧化性Fe3+>Cu2+>Fe2+,故A正确,B、C、D错误。
3. 有一块铁的“氧化物”样品,用140 mL 5.0 mol·L-1盐酸恰好将之完全溶解,所得溶液还能吸收0.025 mol Cl2,恰好使其中的Fe2+全部转变为Fe3+,则该样品可能的化学式为( )
A.Fe2O3 B.Fe3O4
C.Fe4O5 D.Fe5O7
【答案】D
【解析】根据2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-,可知铁的“氧化物”样品用盐酸溶解后所得溶液中n(Fe2+)=0.025 mol×2=0.05 mol,根据电荷守恒得2n(Fe2+)+3n(Fe3+)=n(Cl-),则n(Fe3+)=0.2 mol,故 n(Fe2+)∶n(Fe3+)=0.05∶0.2=1∶4,故该氧化物可表示为FeO·2Fe2O3,即Fe5O7。
4. 如图两圆相交部分A、B、C、D分别表示两物质间的反应。下列各对应反应的离子方程式书写不正确的是( )
A.Fe+4H++NO===Fe3++NO↑+2H2O
B.Fe3O4+8H+===Fe2++2Fe3++4H2O
C.Fe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O
D.3Fe(OH)2+10H++NO===3Fe3++NO↑+8H2O
【答案】B
【解析】Fe3O4与足量稀硝酸反应只生成Fe3+,没有Fe2+
5.金属单质A可发生以下反应,试判断:
(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、④的离子方程式:
③___________________________________。
④___________________________________。
(3)黑色固体C与盐酸反应的化学方程式为_____________________________________________。
【答案】(1)Fe Fe2O3 Fe3O4 Cu H2
(2)Cu2++Fe===Fe2++Cu Fe+2H+===Fe2++H2↑
(3)Fe3O4+8HCl===2FeCl3+FeCl2+4H2O
【解析】单质A为Fe,其转化关系为
折 能力达成
6. 现有CuO、FeO、Fe2O3组成的混合物m g,向其中加入100 mL 1 mol·L-1硫酸,恰好完全溶解。若m g该混合物在过量氢气流中加热充分反应,则冷却后剩余固体的质量为( )
A.(m-0.8)g B.(m-1.2)g
C.(m-1.6)g D.无法计算
【答案】C
【解析】由关系式CuO~CuSO4,FeO~FeSO4,Fe2O3~Fe2(SO4)3可知S的物质的量等于金属氧化物中O的物质的量,n(S)=0.1 L×1 mol·L-1=0.1 mol,所以金属氧化物中氧元素的质量为0.1 mol×16 g·mol-1=1.6 g。若将m g原混合物在过量氢气流中加热,使其充分反应,冷却后剩余固体为金属单质,则金属质量为氧化物的质量减去氧元素的质量,故冷却后剩余金属质量为m g-1.6 g=(m-1.6)g。
7. 某同学设计如图装置(气密性已检查)制备Fe(OH)2白色沉淀。
请回答:
(1)仪器1的名称______________________。装置5的作用____________。
(2)实验开始时,关闭K2,打开K1,反应一段时间后,再打开K2,关闭K1,发现3中溶液不能进入4中。请为装置作一处改进,使溶液能进入4中______________________。
(3)装置改进后,将3中反应后溶液压入4中,在4中析出了灰绿色沉淀。从实验操作过程分析没有产生白色沉淀的原因____________________________________________。
【答案】(1)滴液漏斗(分液漏斗) 液封,防止空气进入装置4
(2)在装置2、3之间添加控制开关 (3)装置4
【解析】(1)仪器1的名称为分液漏斗。由于Fe(OH)2易被氧气氧化,故装置5的作用是通过液封,防止空气进入装置4。(2)3中溶液不能进入4中的原因是生成的氢气沿着导管通过2逸出,三颈烧瓶中无法形成高压,故只需在2、3之间加一个控制开关。(3)生成灰绿色沉淀说明氢氧化亚铁被部分氧化,其原因应该是装置4中的空气未排尽。
8. 在一定条件下用普通铁粉和水蒸气反应可以得到铁的氧化物。该氧化物又可经过此反应的逆反应生成颗粒很细的铁粉。这种铁粉具有很高的反应活性,在空气中受撞击受热时会燃烧,所以俗称“引火铁”。请分别用下图所示的两套仪器装置,制取上述铁的氧化物和“引火铁”。实验中必须使用普通铁粉和6 mol·L-1盐酸,其他试剂自选(装置中必要的铁架台、铁夹、铁圈、石棉网、加热设备等在图中均已略去)。
填写下列空白:
(1)实验进行时,试管A中应加入的试剂是 ;烧瓶B的作用是 ;烧瓶C的作用是 ;在试管D中收集到的是 。
(2)实验时,U形管G中应加入的试剂是 ;分液漏斗H中应加入 。
(3)两套装置中,在实验时需要加热的仪器是 (填该仪器对应的字母)。
(4)试管E中发生反应的化学方程式是 。
(5)为了安全,在E管中的反应发生前,在F出口处必须 ;E管中的反应开始后,在F出口处应 。
【答案】(1)普通铁粉(或铁粉) 作为水蒸气发生器 防止倒吸(或用作安全瓶);氢气。
(2)碱石灰(或固体NaOH、无水CaCl2等) 6 mol·L-1盐酸
(3) ABE
(4) Fe3O4+4H23Fe+4H2O。
(5)检验氢气的纯度 点燃氢气
【解析】(1)根据题干可推断出试管A应是铁和水蒸气反应的装置,在A中装的应是普通铁粉,反应过程中要生成氢气,所以D是用来收集氢气的,在烧瓶B中产生水蒸气,为了防止向试管中通入水蒸气使试管骤冷引起水的倒流,在反应装置和收集装置中间加上广口瓶以保证实验安全。(2)装置I用来制取氢气,故H用于添加盐酸,在产生氢气的同时可能会带出部分水蒸气和氯化氢气体,故应在U形管中加入固体干燥剂吸收氯化氢和水蒸气。(3)反应在高温条件下进行,所以A和E装置需要加热,反应需要水蒸气,故B也需要加热。(4)依据装置和实验目的分析,试管E中发生反应是氢气还原四氧化三铁的反应,反应方程式是:Fe3O4+4H23Fe+4H2O。(5)氢气是可燃性气体,做氢气的性质实验时必须保证氢气是纯净的,为了安全,在E管中的反应发生前,在F出口处必须进行气体验纯;E管中的反应开始后,在F出口处应点燃H2,避免排放到空气中遇火爆炸。
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