人教版高中化学必修第一册第三章铁金属材料第一节第1课时铁的单质、氧化物和氢氧化物学案

第一节　铁及其化合物
第1课时　铁的单质、氧化物和氢氧化物
[学习目标]　1.结合生活中铁制品的应用，了解单质铁、铁的氧化物的性质及用途。
2.通过探究实验，认识铁单质与水蒸气的反应。　3.通过实验掌握Fe(OH)2、Fe(OH)3的制备原理及化学性质。
任务一　铁的单质
1．铁的存在和冶炼
(1)存在
自然界中可以以单质形态(陨铁)存在，但主要以＋2价和＋3价化合物的形态存在，地壳中含量居第四位，仅次于氧、硅和铝。
(2)冶炼
工业炼铁的原理是用还原法把铁从铁矿石中提炼出来，化学方程式(以Fe2O3为例)：3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2。
2．铁的物理性质
铁有延展性、导热性、导电性，但其导电性不如铜和铝，铁还能被磁体吸引。
[交流研讨1]　为什么铁片是银白色，而铁粉却是黑色？
提示：金属小颗粒能反射光线。小颗粒的分布是非常混乱的，所以不能像镜面一样把入射光线定向地反射回去。入射光线进到金属小颗粒中，就像进了“迷魂阵”，从一个小颗粒反射到另一个小颗粒，这样反射过来又反射回去，光线越来越弱，很少按入射方向返回去，因此看上去是黑色的。
3．铁的化学性质
(1)与酸的反应：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。
(2)与硫酸铜溶液的反应：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu。
(3)与非金属反应
①Fe与O2：3Fe＋2O2Fe3O4(剧烈燃烧、火星四射、放出大量的热、生成黑色固体)。
②Fe与Cl2：2Fe＋3Cl22FeCl3(产生棕黄色的烟)。
(4)实验探究铁粉与水蒸气的反应
用燃着的火柴去点肥皂泡，观察到的现象是肥皂泡燃烧，听到爆鸣声，证明生成了H2，则该反应的化学方程式为3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2。上述实验装置中，湿棉花的作用是受热时提供反应所需的水蒸气。
[交流研讨2]　用下列实验装置也可以探究铁粉与水蒸气的反应。
反应开始时，应先点燃________处的酒精灯，其目的是_____________________________，
若点燃顺序反了，可能有两个后果①____________________________________________；
②________________________________________________________________________。
提示：b　用水蒸气排出装置内的空气　①Fe与O2生成了Fe3O4，无法与水蒸气反应　②Fe与水蒸气反应生成H2，在高温下与空气中的O2反应可能发生爆炸
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)由于铁单质性质比较活泼，所以自然界中没有游离态的铁单质：_____________________。
(2)铁与AgNO3、ZnCl2等盐溶液均能发生反应生成Fe2＋：_______________________________。
(3)分离铁粉与铜粉的混合物时，只能用化学方法：__________________________________
_______________________________________________________________________________。
(4)由于钠与水反应生成NaOH和H2，所以铁与水蒸气反应生成Fe(OH)3和H2：______________________________________________________________________________。
答案：(1)错误。陨石中含有游离态的铁单质
(2)错误。铁与ZnCl2溶液不能发生反应
(3)错误。用磁铁也可以分离铁粉与铜粉的混合物
(4)错误。铁与水蒸气在高温下反应只能生成Fe3O4和H2
2．(教材改编题)某化学兴趣小组利用如图装置进行“铁与水反应”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_______________________________________________________________。
(2)D装置的作用是_______________________________________________________________。
(3)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_________________________________________________________________________
____________________________________________________________________________。
答案：(1)产生水蒸气
(2)除去未反应的水蒸气，干燥H2
(3)A　收集H2，并检验其纯度
解析：(1)B装置中发生的反应是3Fe＋4H2O(g)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)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处酒精灯之前要收集H2，并检验其纯度。
任务二　铁的氧化物和氢氧化物
1．铁的氧化物
(1)氧化亚铁
①物理性质：黑色粉末，不溶于水。
②化学性质
a．与盐酸反应的离子方程式：FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O。
b．不稳定，在空气里受热能氧化成Fe3O4。
(2)氧化铁
①物理性质：俗称铁红，红棕色粉末，不溶于水。
②化学性质
与盐酸反应的离子方程式：Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。
③用途：Fe2O3常用作红色颜料，赤铁矿(主要成分是Fe2O3)是炼铁的原料。
(3)四氧化三铁
是一种复杂的化合物，是具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁。
2．铁的氢氧化物的性质
(1)物理性质
氢氧化亚铁：白色固体，不溶于水；
氢氧化铁：红褐色固体，不溶于水。
(2)化学性质
①与酸的反应
以盐酸为例，写出反应的离子方程式。
Fe(OH)2：Fe(OH)2＋2H＋===Fe2＋＋2H2O。
Fe(OH)3：Fe(OH)3＋3H＋===Fe3＋＋3H2O。
②不稳定性
Fe(OH)2FeO＋H2O(隔绝空气)，2Fe(OH)3Fe2O3＋3H2O。
在空气中Fe(OH)2极易转化为Fe(OH)3，其化学方程式为4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。
3．铁的氢氧化物的实验室制备
Fe(OH)2 Fe(OH)3
操作
现象 产生白色絮状沉淀，迅速变为灰绿色，最终变为红褐色沉淀 生成红褐色沉淀
结论 在空气中，Fe(OH)2很不稳定，极易转化为Fe(OH)3
制备Fe(OH)2的离子方程式是Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓；
制备Fe(OH)3的离子方程式是Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓。
[交流研讨]　如图是制备氢氧化亚铁的改进装置，思考并回答下列问题：
(1)配制NaOH和FeSO4溶液的蒸馏水要经过________，目的是__________________________
_____________________________________________________________________________。
(2)在FeSO4溶液表面覆盖一层苯(一种有机溶剂，难溶于水，密度比水小)的作用是_____________________________________________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)将吸有NaOH溶液的长滴管伸入FeSO4溶液液面以下，其目的是______________________
_______________________________________________________________________________。
提示：(1)加热煮沸　赶走溶解的氧气
(2)隔绝空气，防止生成的氢氧化亚铁被氧化
(3)防止滴加NaOH溶液时带入空气氧化Fe(OH)2
1．正误判断，错误的说明原因。
(1)Fe3O4中铁的化合价有＋2和＋3价，是一种混合物：_______________________________。
(2)Fe(OH)3不能利用化合反应生成：_______________________________________________
_______________________________________________________________________________。
(3)因为Fe(OH)2易被氧化，所以在制备时要隔绝空气：_______________________________。
答案：(1)错误。Fe3O4中铁的化合价有＋2和＋3价，是一种纯净物
(2) 错误。Fe(OH)3可以利用化合反应生成：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
(3)正确
2．在如图所示的装置中，用NaOH溶液、铁屑、稀H2SO4等试剂制得的Fe(OH)2沉淀能较长时间保持白色。
(1)在试管Ⅰ里加入的试剂是____________。在试管Ⅱ里加入的试剂是____________。
(2)为了制得白色Fe(OH)2沉淀，在试管Ⅰ和试管Ⅱ中加入试剂，塞紧塞子后的实验步骤是______________________________________________________________________________
______________________________________________________________________________。
(3)这样生成的Fe(OH)2沉淀能较长时间保持白色，其理由是____________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。
答案：(1)稀H2SO4、铁屑　NaOH溶液
(2)打开止水夹a，待Ⅰ中反应生成的氢气排净装置中的空气后，再关闭止水夹a
(3)试管Ⅰ中反应生成的H2充满了试管Ⅰ和试管Ⅱ，且外界空气不容易进入
制备Fe(OH)2实验装置的改进
1．下列关于铁的叙述错误的是(　　)
A．纯净的铁是光亮的银白色金属
B．铁能被磁体吸引
C．铁是地壳中含量最多的金属元素
D．铁具有延展性和导热性，可制作炊具
答案：C
2．下列有关铁的说法不正确的是(　　)
A．铁与水蒸气的反应中铁为还原剂
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．工业上用CO在高温条件下还原含Fe2O3的矿石炼铁
答案：B
解析：铁和稀硫酸反应的离子方程式应为Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑。
3．铁与水蒸气反应实验改进前后的装置如图所示：
下列说法错误的是(　　)
A．将湿棉花改为浸水的尿不湿，酒精灯由单头改为双头，可提供足量的水蒸气
B．用具支试管可将试管口附近冷凝的水导出
C．将肥皂液改为吹泡泡水，收集H2的效果更好，点燃效果更明显
D．改进后，悬挂的磁铁能吸引铁粉，实验过程中，我们能看到具支试管中有黑色固体不断落下
答案：D
4．下列有关铁的化合物的说法不正确的是(　　)
A．Fe(OH)2不稳定，具有较强的氧化性
B．FeO、Fe2O3均为碱性氧化物，均可与盐酸反应
C．Fe(OH)3可通过化合反应得到，Fe(OH)2则不能
D．Fe3O4为磁性氧化铁，其中铁的化合价为＋2和＋3
答案：A
5．如图所示装置可用来制取和观察Fe(OH)2在空气中被氧化时颜色的变化。实验时必须使用铁屑和6 mol·L－1的硫酸，其他试剂任选。
填写下列空白：
(1)B中盛有一定量的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)实验开始时先将止水夹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：___________________
______________________________________________________________________________。
答案：(1)铁屑　Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)打开　H2
(3)关闭止水夹E，使FeSO4溶液压入B瓶中进行反应
(4)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
解析：实验开始时先打开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。H2充满B后关闭E，A中的FeSO4溶液沿竖直长导管进入B瓶，与NaOH反应。空气进入装置B后，Fe(OH)2被氧化为Fe(OH)3。
课时测评22　铁的单质、氧化物和氢氧化物
(本栏目内容在学生用书中以活页形式分册装订！)
题点一　铁的单质
1．(2023·东莞高一调研)我国宋代《开宝本草》中记载了中药材铁华粉的制作方法：“取钢煅作叶，如笏或团，平面磨错令光、净，以盐水洒之，于醋瓮中阴处埋之一百日，铁上衣生，铁华成矣。”下列说法错误的是(　　)
A．“取钢煅作叶，如笏或团”说明金属铁有较好的延展性
B．“平面磨错令光、净”的目的是除去表面的铁锈
C．“铁上衣生”的原因是铁被氧气氧化
D．中药材铁华粉的主要成分是醋酸亚铁
答案：C
解析：把钢煅作或长或圆的叶子形状，说明金属铁有良好的延展性，故A正确；中药材铁华粉的主要成分是醋酸亚铁，故开始要除去铁锈，防止三价铁影响产物纯度，故B正确；金属铁在醋瓮中密封保存，隔绝空气，不能与氧气反应，故C错误；隔绝空气，铁与醋酸反应生成醋酸亚铁，故D正确。
2．(2023·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
答案：C
解析：铁与稀硫酸反应：Fe＋H2SO4===FeSO4＋H2↑；氯水呈酸性、强氧化性，可以和铁反应；铁与硫酸铜发生置换反应：Fe＋CuSO4===FeSO4＋Cu；铁与氢氧化钠溶液不发生反应，C项符合题意。
3．(教材改编题)下列变化通过一步反应不能直接完成的是(　　)
A．Fe―→Fe3O4 B．Na―→Na2CO3
C．Na2O2―→NaOH D．Na―→Na2O2
答案：B
解析：A项反应为3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2；B项Na性质活泼，但不能通过一步反应直接转化为Na2CO3；C项反应为2Na2O2＋2H2O===4NaOH＋O2↑；D项反应为2Na＋O2Na2O2。
4．铁粉在高温条件下可与水蒸气反应，若反应后得到的干燥固体质量比反应前铁粉的质量增加了32 g，则参加反应的铁粉的物质的量是(　　)
A．0.5 mol B．1 mol
C．1.5 mol D．2 mol
答案：C
解析：3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2　Δm(固体)
3 mol 64 g
n(Fe) 32 g
解得n(Fe)＝1.5 mol。
题点二　铁的氧化物
5．(2023·福建闽清高一检测)北宋沈括的《梦溪笔谈》对指南针已有详细记载：“方家以磁石磨针锋，则能指南。”磁石的主要成分是(　　)
A．FeO B．Fe2O3 C．Fe3O4 D．CuFeS2
答案：C
解析：Fe3O4叫磁性氧化铁，具有磁性，制指南针的磁石的主要成分是Fe3O4。
6．(2023·东莞高一检测)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为化合物是纯净物，不是混合物，D错误。
题点三　铁的氢氧化物
7．(2023·河北定州高一检测)在空气中氢氧化亚铁白色沉淀可转化为红褐色沉淀。关于该反应的下列叙述中不正确的是(　　)
A．生成物为氢氧化铁
B．该反应是化合反应
C．该反应是氧化还原反应
D．氢氧化亚铁做氧化剂
答案：D
解析：氢氧化亚铁易与氧气、水反应生成氢氧化铁，该反应既是化合反应，又是氧化还原反应，氢氧化亚铁是还原剂，氧气是氧化剂。
8．(2023·山东海阳高一段考)下列实验操作能够制取Fe(OH)2并能较长时间观察到白色沉淀的是(　　)
答案：D
解析：B项中CCl4密度大，应在下层，不能长时间观察到白色沉淀；D项中的操作可防止氧气氧化Fe(OH)2，能较长时间观察到白色沉淀。
9．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　Fe3O4
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。
10．(2023·山东莱阳一中高一检测)某学生以铁丝和Cl2为原料进行下列三个实验。从分类角度分析，下列说法正确的是(　　)
A．实验①②所涉及的物质均为电解质
B．实验①③发生的均为离子反应
C．实验②③均未发生氧化还原反应
D．实验①③反应制得的物质均为纯净物
答案：C
解析：实验①中铁与氯气都是单质，不是电解质，故A错误；实验①中铁与氯气反应生成氯化铁，不是离子间发生的反应，不属于离子反应，故B错误；实验②中氯化铁溶于水为物理变化，实验③中氯化铁水解生成氢氧化铁胶体，没有化合价变化，不属于氧化还原反应，故C正确；实验③得到氢氧化铁胶体，属于混合物，故D错误。
11．(2023·湖北松滋高一段考)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．铁与稀硫酸反应
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：Fe与稀硫酸反应生成FeSO4和H2，铁元素的化合价由0价升至＋2价，涉及铁元素价态变化，A不符合题意。Fe在氧气中燃烧生成Fe3O4，铁元素的化合价发生变化，B不符合题意。白色氢氧化亚铁固体在空气中迅速变成灰绿色，最终变成红褐色，发生反应：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，铁元素的化合价由＋2价升至＋3价，C不符合题意。氢氧化铁受热分解生成Fe2O3和水，反应前后铁元素的化合价均为＋3价，不涉及铁元素价态变化，D符合题意。
12．(2023·安徽长丰一中高一段考)A～J都是初中化学中的常见物质，其中D、E对维持自然界生命活动至关重要，A、B为黑色固体，C是红色金属单质，H为气体，它们的相互转化关系如下图所示。
请回答下列问题：
(1)写出下列物质的化学式：B______；I______。
(2)反应①②③④中属于置换反应的是________(填序号)。
(3)写出反应④的化学方程式：__________________________________________________
_____________________________________________________________________________。
答案：(1)CuO　FeSO4　(2)①　(3)3CO＋Fe2O32Fe＋3CO2
解析：根据A～J都是初中化学中的常见物质，D、E对维持自然界生命活动至关重要，所以D、E可能是水、氧气或二氧化碳中的一种，C是红色的金属单质，所以C是铜，A、B为黑色固体，高温会生成铜和D，A在足量的E中可以燃烧，所以A是木炭，B就是氧化铜，D就是二氧化碳，木炭和氧气反应会生成二氧化碳，所以E是氧气，二氧化碳和木炭会生成一氧化碳，所以F是一氧化碳，二氧化碳和氢氧化钙反应会生成碳酸钙沉淀，所以J是碳酸钙，一氧化碳和氧化铁会生成铁和二氧化碳，G是铁，铁和稀硫酸反应会生成硫酸亚铁和氢气，H是一种气体，所以H是氢气，I是硫酸亚铁。
13．已知Fe3O4是一种复杂的化合物，其化学式可改写为FeO·Fe2O3。对于Fe与水蒸气反应后的黑色物质，有三个学习小组提出了三种不同的猜想，以下是小组同学进行的实验猜想与探究，请你根据小组的思路与提示完成相关空白。
实验之前查阅资料得知Fe3＋的盐溶液遇到KSCN溶液时，溶液变成红色，而Fe2＋遇KSCN溶液无明显变化。
【猜想】甲组：黑色物质是FeO；
乙组：黑色物质是Fe3O4；
丙组：________________________________________________________________________。
【实验探究】
丙组认为一种简单定性的方法即可判断甲组的正误：取生成的黑色物质少许于烧杯中，加稀盐酸使其完全溶解，再加________溶液以检验Fe3＋，观察到溶液有无出现________现象即可判断。
答案：黑色物质是FeO和Fe3O4的混合物　KSCN　红色
解析：Fe的氧化物有FeO、Fe2O3、Fe3O4，其中Fe2O3是红棕色固体，FeO、Fe3O4是黑色物质；黑色物质若为纯净物，可能为FeO，也可能为Fe3O4，若是混合物，则为FeO和Fe3O4的混合物。 Fe3＋遇SCN－，溶液变为红色，所以向溶液中加入KSCN溶液，若观察到溶液无红色现象出现，即可判断无Fe3＋，即原黑色物质为FeO。
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