高中化学人教版 (新课标)必修1第三章 金属及其化合物综合与测试学案及答案

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铁及其化合物审稿：曹玉婷     责 编: 宋杰【学习目标】1、铁的性质；2、铁的重要化合物及其相互转化。 【要点梳理】要点一、铁　　铁的原子结构示意图如下：　　　　　　　　　　　　　　　　　【高清课堂：铁及其化合物】1．物理性质　　⑴常温下，纯铁是银白色具有金属光泽的金属（纯铁的抗蚀力相当强），易导电、导热，有延展性。　　⑵铁的熔沸点都很高：熔点是1535℃，沸点是2750℃。　　⑶铁能被磁体吸引，在磁场的作用下，自身也能产生磁性。 【高清课堂：铁及其化合物】2．化学性质　　当跟弱氧化剂反应时：Fe-2e－＝Fe2+；　　当跟强氧化剂反应时：Fe-3e－＝Fe3+。 ⑴铁与非金属的反应：　　 3Fe+2O2 Fe3O4 　　 2Fe+3Cl22FeCl3， 2Fe+3Br2＝2FeBr3　　Fe+I2＝FeI2， Fe+SFeS ⑵铁和某些盐（如CuSO4）溶液的反应：　　Fe+Cu2+＝Fe2++Cu  ⑶铁与酸的反应：　　与非氧化性酸：Fe+2H+＝Fe2++H2↑⑷铁与水蒸汽的反应：3Fe+4H2O(g) Fe3O4+4H2（注意产物是Fe3O4）注意：①该实验所用铁粉为还原铁粉（即刚用还原的方法得到的铁粉）。②实验中收集气体，并通过爆鸣实验来验证氢气的产生。 要点二、铁的化合物1．铁的氧化物    （1）FeO不稳定，在空气里受热，就迅速被氧化成Fe3O4。    （2）Fe2O3常用作红色油漆和涂料，赤铁矿（主要成分是Fe2O3）是炼铁的原料。    （3）Fe的常见化合价只有+2价和+3价，Fe3O4可以看成由FeO和Fe2O3按物质的量之比1∶1组合而成的复杂氧化物，通常也可写成FeO·Fe2O3的形式。FeO、Fe2O3属于碱性氧化物，Fe3O4不属于碱性氧化物。 【高清课堂：铁及其化合物】2．铁的氢氧化物名称氢氧化亚铁氢氧化铁化学式Fe(OH)2Fe(OH)3分类碱碱性质色态白色固体红褐色固体水溶性不溶于水不溶于水与酸反应Fe(OH)2+2H+＝ Fe2+ + 2H2OFe(OH)3+3H+＝Fe3++3H2O还原性稳定性4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O ＝ 4Fe(OH)32Fe(OH)3Fe2O3＋3H2O（受热分解）制法原理Fe2+ +2OH- ＝ Fe(OH)2↓Fe3+ +3OH- ＝ Fe(OH)3↓现象白色絮状沉淀红褐色沉淀　　要点诠释：Fe(OH)2的制备要点：    ①．硫酸亚铁要现配（配制时，蒸馏水要煮沸，以减少蒸馏水中溶解的氧，防止亚铁离子被氧化）。    ②．制取Fe(OH)2时，要将吸有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。 3．铁盐和亚铁盐：　铁盐（Fe3+）亚铁盐（Fe2+）颜色黄色淡绿色与碱反应Fe3++3OH—＝Fe（OH）3↓Fe2++2OH—＝Fe（OH）2↓氧化性、还原性氧化性2Fe3++Fe＝3Fe2+氧化性：Fe2++Zn＝Zn2++Fe还原性：2Fe2++Cl2＝2Fe3++2Cl— 要点三、Fe2+、Fe3+、Fe的相互转变——“铁三角”            1．Fe只具有还原性，可以被氧化剂氧化成Fe2+、Fe3+。    （1）Fe能被S、Fe3+、Cu2+、H+等较弱氧化剂氧化为Fe2+，如Fe+SFeS，Fe+2Fe3+＝3Fe2+。    （2）Fe能被Cl2、Br2、HNO3、浓H2SO4等强氧化剂氧化为Fe3+，如2Fe+3Cl22FeCl3。    2．Fe2+既具有还原性又具有氧化性，可以被氧化为Fe3+，也可以被还原为Fe。（1）当Fe2+遇到强氧化剂O2、Cl2、HNO3、KMnO4等时，被氧化为Fe3+，如2Fe2++Cl2＝2Fe3++2Cl－。（2）当Fe2+遇到C、Al、Zn、CO等还原剂时，可以被还原为Fe，如Fe2++Zn＝Zn2++Fe，FeO+COFe+CO2。    3．Fe3+具有较强氧化性，可被还原为Fe2+或Fe。（1）Fe3+被C、CO、活泼的金属（钾、钠、钙除外）还原为Fe，如Fe2O3+3CO2Fe+3CO2，Fe2O3+2Al2Fe+Al2O3。    （2）Fe3+被KI、H2S、Fe、Cu、SO2等还原为Fe2+，如2Fe3++Cu＝2Fe2++Cu2+。    要点诠释：①．不同价态的铁及铁的化合物在相互转化时，要注意所用氧化剂和还原剂的强弱不同。    ②．利用以上转化关系，可总结出铁及不同价态的铁的化合物的性质、用途、试剂保存、溶液配制、除杂等。如Fe2+的溶液中含有Fe3+，可加入Fe粉以除去Fe3+等。 【高清课堂：铁及其化合物】要点四、Fe2+、Fe3+的鉴别鉴别方法Fe2+Fe3+观察法浅绿色黄色加碱（NaOH）法①现象：白色沉淀灰绿色红褐色沉淀②反应：Fe2++2OH－＝Fe(OH)2↓（白色）4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3（红褐色）①现象：红褐色沉淀②反应：Fe3++3OH－＝Fe(OH)3↓（红褐色）加盐（SCN－）法①现象：加入KSCN溶液无明显现象，再滴入氯水变成红色溶液②反应：2Fe2++Cl2＝2Fe3++2Cl－Fe3++3SCN－＝Fe(SCN)3（红色）①现象：加入KSCN溶液，溶液变为红色②反应：Fe3++3SCN－＝Fe(SCN)3（红色） 【典型例题】类型一：金属与水（水蒸气）反应的实验探究例1  如下图所示，在玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热并通入水蒸气，用试管收集产生的经干燥的气体，并靠近火焰点火。            （1）所观察到的现象是________，有关反应的化学方程式是________。（2）干燥管内可装入的试剂是________，其作用是________。干燥管还可用________（填装置名称）代替。（3）玻璃管中石棉绒的作用是________。实验开始时应先点燃________，实验结束时，应先熄灭______。【答案】（1）红热的铁与水蒸气反应，放出气体，这种气体靠近火焰点火时，能燃烧或发出爆鸣声3Fe+4H2O (g)Fe3O4+4H2（2）碱石灰（或无水CaCl2、硅胶等）  吸收水蒸气，干燥氢气  U形管（3）铁粉的载体，增大铁粉与水蒸气的接触面积  酒精灯  酒精喷灯【解析】常温下Fe不与H2O发生反应，但在高温下，Fe与H2O (g)反应生成Fe3O4和H2。因铁粉和Fe3O4均为黑色，因此实验过程中固体颜色无明显变化，但产物H2可用点燃的方法验证。石棉绒成分为硅酸盐，它耐高温且性质稳定，是铁粉的载体。举一反三：【变式1】有人设计了如右图所示的实验装置，目的是做钠与水反应的实验并验证：①钠的物理性质；②钠与水反应的产物是什么。（1）当进行适当操作时还需要的仪器有________。（2）如何进行操作？________。（3）实验现象是________。【答案】（1）小试管和酒精灯  （2）将大头针向上提，使钠块落入水中，将小试管扣在导管上收集反应产生的气体，用拇指堵住小试管口移近酒精灯，松开拇指点燃小试管中的气体  （3）钠浮在水面上很快熔化成闪亮的小球，并逐渐消失，水溶液由无色变成红色，点燃小试管中的气体时，有尖锐的爆鸣声 类型二：铁的氧化物、氢氧化物的性质    例2  有0.4 g铁的氧化物，用足量的CO在高温下将其还原，把生成的CO2全部通入足量的澄清石灰水中，得到0.75 g固体沉淀物。这种铁的氧化物的化学式为（    ）。    A．FeO    B．Fe2O3    C．Fe3O4    D．Fe4O5    【答案】B【解析】可设这种铁的氧化物的化学式为FexOy，则发生的反应为FexOy+yCOxFe+yCO2，Ca(OH)2+CO2＝CaCO3↓+H2O。从而得到FexOy与CaCO3的关系式为：    FexOy    ～    yCaCO3    56x+16y        100y    0.4 g           0.75 g        解得：x∶y＝2∶3。    所以，这种铁的氧化物的化学式为Fe2O3。    【总结升华】（1）Fe3O4是一种纯净物，而不是由FeO和Fe2O3组成的混合物。其组成也可用盐的形式表示为Fe(FeO2)2。    （2）铁的氧化物都能与铝粉混合发生铝热反应，其通式可以表示为：    2yAl+3FexOyyAl2O3+3xFe    此反应可应用于野外焊接钢轨，在定向爆破中熔断钢筋。举一反三：【变式1】对于金属的氢氧化物，下列说法正确的是（    ）。    A．全部由金属氧化物溶于水制得    B．可以用化合反应、复分解反应制得    C．Fe(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3都不溶于过量的强碱    D．金属氢氧化物的热稳定性均较差    【答案】B 类型三：铁盐和亚铁盐的性质    例3  将铁粉、铜粉、FeCl3溶液和CuCl2溶液混合于某容器中充分反应（假定容器不参与反应）。试判断下列情况下，溶液中存在的金属离子和金属单质。    （1）若铁粉有剩余，则容器中不可能有的离子是：________；铜单质________（填“一定”或“可能”）存在。（2）若氯化铁和氯化铜都有剩余，则容器中不可能有的单质是________，Fe2+________（填“一定”或“可能”）存在。    【答案】（1）Fe3+、Cu2+  一定  （2）Fe、Cu  一定【解析】本题属于物质共存问题，解答时应首先弄清物质间可能发生的反应，凡相互间能发生反应的物质就不可能大量共存。本题涉及的反应有：    ①Fe+2FeCl3＝3FeCl2    ②Fe+CuCl2＝Cu+FeCl2    ③Cu+2FeCl3＝2FeCl2+CuCl2    （1）若铁粉有剩余，则容器中不可能有Fe3+、Cu2+，因为它们能发生上述①②反应，一定有铜单质。    （2）若FeCl3和CuCl2都有剩余，则容器中一定没有Fe、Cu，一定有Fe2+。【总结升华】在氧化还原反应中，氧化剂与不同还原剂反应时，应先与还原性强的反应；同样，还原剂与不同氧化剂反应时，也应先与氧化性强的反应，即遵循“先强后弱”的规律。举一反三：【变式1】要证明某溶液中不含Fe3+，而含有Fe2+，进行如下实验操作时最佳顺序为（    ）。    ①加入少量氯水  ②加入少量KMnO4溶液  ③加入少量KSCN溶液A．①③    B．③②    C．③①    D．①②③    【答案】C 【变式2】在FeCl3、CuCl2和HCl的混合溶液中加入铁粉。待反应结束，剩余的固体滤出后能被磁铁吸引，则反应后溶液存在的较多阳离子是（ ）　　A．Cu2+　　　　　 B．Fe3+　　　　　 C．Fe2+ 　　　　　D．H+    【答案】C　　【解析】由题中所给信息可知，铁粉有剩余，因此加入的铁粉将与混合溶液中的三种具有氧化性的粒子即Fe3+、Cu2+、H+依次反应，所以反应后溶液存在的较多阳离子是Fe2+。 类型四：Fe(OH)2的制取    例4  用下面两种方法可以制得白色的Fe(OH)2沉淀。    方法一：用不含Fe3+的FeSO4溶液与用不含O2的蒸馏水配制的NaOH溶液反应制备。    （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________。【高清课堂：铁及其化合物】    方法二：在如右图所示装置中，用NaOH溶液、铁屑、稀H2SO4等试剂制备。    （1）在试管Ⅰ里加入的试剂是________。    （2）在试管Ⅱ里加入的试剂是________。    （3）为了制得白色Fe(OH)2沉淀，在试管Ⅰ和Ⅱ中加入试剂，打开止水夹，塞紧塞子后的实验步骤是______。（4）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】方法一：（1）煮沸  （2）避免生成的Fe(OH)2沉淀接触O2方法二：（1）稀H2SO4、铁屑  （2）NaOH溶液  （3）检验试管Ⅱ出口处排出的氢气的纯度，当排出的H2纯净时，再夹紧止水夹  （4）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【解析】方法一：    （1）气体的溶解度是随温度升高而降低的，所以煮沸后的蒸馏水中溶解的O2变少。    （2）避免生成的Fe(OH)2被空气（氧气）氧化。    方法二：    两支试管，试管Ⅱ是开口式，无法用产生的气体将试液压入试管Ⅰ中，所以制取FeSO4时应放在试管Ⅰ中，而在试管Ⅱ中盛不含O2的NaOH溶液。当Fe与稀H2SO4放入试管Ⅰ后，产生的H2可从试管Ⅰ内短管处排出试管Ⅰ内空气，经过止水夹通入试管Ⅱ中，再排尽试管Ⅱ内空气。然后关闭止水夹，试管Ⅰ内产生的H2无法逸出，H2产生的压强将试管Ⅰ内FeSO4溶液通过长导管压入试管Ⅱ内。在此压液过程中，液体都处于H2环境，从而避免了被空气中的O2氧化，使得Fe(OH)2能保存更长时间。【总结升华】这是一道与Fe(OH)2的制备原理有关的题目，采用了创新的实验方法。对此类题目的完美解答，有赖于对基础知识的扎实掌握及对有关实验原理和仪器的熟知，并需要有大胆的开拓和创新精神。举一反三：【变式1】根据下述实验装置和操作，回答有关问题。    按右图所示装置，用两种不同操作分别进行实验，观察B管中的现象。    操作1：先夹紧止水夹a，再使A管开始反应，实验中B管中观察到的现象是________。B管中发生反应的离子方程式是________。    操作2：打开止水夹a，使A管开始反应一段时间后再夹紧止水夹a，实验中在B管中观察到的现象是________。B管中发生反应的离子方程式是________。     【答案】A管中有液体被压入B管，在B管中看到产生白色沉淀，又迅速转化为灰绿色，最后转化为红褐色Fe2++2OH－＝ Fe(OH)2↓；4Fe(OH)2+O2+2H2O＝4Fe(OH)3A管中有气体进入B管，在B管中看到产生白色沉淀，且在一定时间内不变色Fe2++2OH－＝Fe(OH)2↓