必修 第一册第一节 铁及其化合物第一课时教案

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第一节 铁及其化合物


第一课时 铁的单质


学习目标：1.了解铁在自然界中的存在形态及冶炼方法。2.了解铁的物理性质。3.掌握铁的主要化学性质。








1．铁元素在自然界的存在形态


(1)像陨铁中的铁那样以单质形态存在。


(2)以＋2价和＋3价化合物的形态存在，铁元素在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝，居第四位。


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。


3．铁的物理性质


铁有延展性和导热性。铁能导电，但其导电性不如铜和铝。铁能被磁体吸引。


4．铁的化学性质


在一定条件下，铁作为还原剂能与某些非金属单质、酸和盐溶液反应。


(1)铁与氧化性较弱的氧化剂(如盐酸、硫酸铜等)反应，铁原子失去2个电子生成＋2价铁的化合物。


(2)铁与氧化性较强的氧化剂(如氯气等)反应，铁原子则失去3个电子生成＋3价铁的化合物。


(3)红热的铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。化学方程式：3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2。





1．判断正误(正确的打“√”，错误的打“×”)


(1)自然界中不存在单质铁( )


(2)Fe与热水发生反应生成Fe2O3( )


(3)铁和稀硫酸反应：2Fe＋6H＋===2Fe3＋＋3H2↑( )


(4)铁和氯气反应：Fe＋Cl2eq \(=====,\s\up15(点燃))FeCl2( )


(5)地壳中含量最高的金属元素是铁( )


[答案] (1)× (2)× (3)× (4)× (5)×


2．铁在一定条件下分别与O2、水蒸气反应的相同产物是( )


A．FeO B．Fe2O3


C．Fe3O4 D．Fe(OH)3


[解析] 铁在氧气中点燃生成Fe3O4，反应的化学方程式为：3Fe＋2O2eq \(=====,\s\up15(点燃))Fe3O4；铁与水反应：3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2，所以相同的产物是Fe3O4，故C正确。


[答案] C


3．等物质的量的铁分别与足量的盐酸、水蒸气在一定条件下充分反应，则在相同的条件下，产生氢气的体积比是( )


A．1∶1 B．3∶4


C．2∶3 D．4∶3


[解析] 设Fe的物质的量为1 ml，则


Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑


1 ml 1 ml


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


1 ml eq \f(4,3) ml


相同条件下体积之比等于物质的量之比，则两反应中生成H2体积之比为：1∶eq \f(4,3)＝3∶4，故选B。


[答案] B





知识点 铁


1.铁的性质


(1)物理性质





(2)化学性质


Fe只有还原性，可以被氧化成Fe2＋或Fe3＋。


①Feeq \(――→,\s\up15(－2e－),\s\d15(弱氧化剂))Fe2＋


eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑盐酸或稀硫酸,Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu,Fe＋S\(=====,\s\up15(△))FeS))


②Fe―→Fe3O4


eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\c1(3Fe＋2O2\(=====,\s\up15(点燃))Fe3O4,3Fe＋4H2Og\(=====,\s\up15(△))Fe3O4＋4H2))


③Feeq \(――→,\s\up15(－3e－),\s\d15(强氧化剂))Fe3＋


2Fe＋3X2eq \(=====,\s\up15(点燃))2FeX3(X代表F、Cl、Br)


Fe常温下被浓H2SO4、浓硝酸钝化，但加热条件下可被氧化为Fe3＋。


2．铁的冶炼


(1)设备：炼铁高炉。


(2)原料：铁矿石、焦炭、空气、石灰石等。


(3)主要反应


①还原剂的生成。


a．生成CO2：C＋O2eq \(=====,\s\up15(高温))CO2，


b．生成CO：CO2＋Ceq \(=====,\s\up15(高温))2CO。


②铁的生成：Fe2O3＋3COeq \(=====,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2。


③炉渣的形成：a.CaCO3eq \(=====,\s\up15(高温))CaO＋CO2↑，


b．CaO＋SiO2eq \(=====,\s\up15(高温))CaSiO3。


【典例】 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性铁粉放入试管中，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所得溶液有颜色


[思路启迪] 解决铁与水蒸气反应时要准确把握铁的典型性质，铁不与冷、热水反应，铁只能与水蒸气在高温条件下反应生成Fe3O4和H2。


[解析] 铁与H2O(g)在高温条件下反应生成Fe3O4和H2；Fe3O4与HCl反应生成FeCl3(棕黄色)和FeCl2(浅绿色)。


[答案] C
































Fe与H2O的反应规律


(1)Fe不与冷水、热水反应，在常温下Fe暴露在空气中产生铁锈(Fe2O3·xH2O)。


(2)Fe与水蒸气在高温时发生反应3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2。





[针对训练] 有A、B、C三种常见的金属单质，A在空气中燃烧生成淡黄色固体；B也能在空气中剧烈燃烧，发出耀眼的白光；C在一定条件下与水蒸气反应生成H2和一种黑色固体。根据以上信息回答下列问题：


(1)写出化学式：


A________；B________；C________。


(2)写出化学方程式。


①A在空气中燃烧_____________；


②C与水蒸气反应____________；


③A与水反应_____________。


[解析] 淡黄色固体是过氧化钠，故A是钠；B能在空气中剧烈燃烧，发出耀眼的白光，故B是镁；金属在一定条件下与水蒸气反应生成H2和一种黑色固体，该金属是铁。


[答案] (1)Na Mg Fe


(2)①2Na＋O2eq \(=====,\s\up15(点燃))Na2O2


②3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(△))Fe3O4＋4H2


③2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑








1．下列有关金属及其化合物的说法正确的是( )


A．钠在空气中燃烧生成白色固体Na2O2


B．过量铁粉在氯气中燃烧，可以生成FeCl2


C．铁在高温下与水蒸气反应生成Fe3O4和H2


D．铁在潮湿的空气中不发生任何反应


[解析] 钠在空气中燃烧的产物是过氧化钠，过氧化钠是淡黄色固体，故A错误；氯气的氧化性较强，无论铁粉是否过量，在氯气中燃烧均生成FeCl3，故B错误；铁在高温下与水蒸气反应生成Fe3O4和H2，故C正确；铁在潮湿空气中会生锈形成Fe2O3，故D错误。


[答案] C


2．下列反应能通过置换反应生成铁的是( )


①Zn＋FeCl2(溶液) ②Na＋FeSO4(溶液)


③Fe2O3＋CO(高温) ④Fe3O4＋H2(高温)


A．①③④ B．①②③


C．①④ D．①②③④


[解析] ②中钠先与水反应生成NaOH，再与FeSO4发生复分解反应，并不能置换出铁；③该反应虽然生成铁，但不是置换反应，其余皆符合题意。


[答案] C


3．用一定量的铁与足量的稀硫酸及足量的CuO反应制取单质铜，有人设计了以下两种方案：


①Feeq \(――→,\s\up15(H2SO4))H2eq \(――→,\s\up15(CuO))Cu，②CuOeq \(――→,\s\up15(H2SO4))CuSO4eq \(――→,\s\up15(Fe))Cu。


若按实验原则进行操作，则两者制得单质铜的量为( )


A．一样多 B．①多


C．②多 D．无法判断


[解析] 气体还原金属氧化物时，需先排净空气，且还原得到的金属单质需在还原气氛中冷却。铁的量一定，转移的电子数一定。由于H2还原CuO的实验中开始需消耗H2排净装置中的空气，实验结束后，铜需在H2氛围中冷却，所以能够用于还原CuO的H2量减少，根据电子守恒原理可知，①制得铜较少。对于方案②来说，铁完全用于置换铜，所以②多。


[答案] C


4．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．铁能被磁铁吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁场


C．铁是地壳中含量最多的金属元素，所以分布在地壳中的铁有游离态也有化合态


D．纯铁的抗腐蚀能力强，在干燥空气中不易被氧化


[解析] 地壳中含量最多的金属元素是Al，地壳中的铁为化合态，C项错误。


[答案] C


5．如图所示，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，并靠近火焰点燃。





(1)所观察到现象是__________________，


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________(装置)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________。


[解析] 高温下，Fe与H2O(g)反应生成Fe3O4和H2。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可用点燃的方法证明。石棉绒成分为硅酸盐，它耐高温且性质稳定，是铁粉的载体。


[答案] (1)红热的铁与水蒸气反应，放出气体，这种气体点燃时，能燃烧且发出爆鸣声 3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2


(2)碱石灰(或无水CaCl2、硅胶等) 吸收水蒸气，使收集的氢气易点燃 U形管


(3)铁粉的载体，增大铁粉与水蒸气的接触面积 A处酒精灯 B处酒精灯


课后作业(十四)


[基础巩固]


1．下列金属单质中，能从CuSO4溶液中置换出铜的是( )


A．汞 B．银 C．钠 D．铁


[解析] 在金属活动性顺序表中，汞和银都排在铜之后，两种金属都不能将金属铜从溶液中置换出来，故A、B错；金属钠与铜的盐溶液反应时，先是和水反应置换出氢气，然后是氢氧化钠和铜盐之间的反应，不会置换出金属铜，故C错；金属铁的活泼性比铜强，可以将金属铜从溶液中置换出来。


[答案] D


2．下列关于铁与水蒸气反应的叙述不正确的是( )


A．是氧化还原反应


B．铁是还原剂


C．需在高温条件下进行


D．产物是氧化铁和氢气


[解析] 据3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2可知反应产物为Fe3O4而非氧化铁，D项错误。


[答案] D


3．下列氯化物，不能用单质直接反应制得的是( )


A．CuCl2 B．FeCl2 C．NaCl D．HCl


[解析] 本题考查氯气的化学性质，氯气具有强氧化性，和铁化合生成物是氯化铁，B不正确，其余都是可以用单质直接反应制得的，答案为B。


[答案] B


4．高炉炼铁的生产中，下列说法正确的是( )


A．焦炭和一氧化碳都是还原剂


B．采用富氧空气可以得到纯铁


C．加石灰石的目的主要是为了得到CO2


D．用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿和黄铁矿


[解析] 高炉炼铁的生产中，焦炭燃烧生成二氧化碳，二氧化碳再和焦炭反应生成一氧化碳，一氧化碳还原铁的氧化物，在反应中焦炭和一氧化碳是还原剂，A正确；采用富氧空气是为了焦炭能充分燃烧，B不正确；加石灰石的目的主要是为了造渣，C不正确；黄铁矿中铁的含量低，一般不用于冶炼生铁，D不正确。


[答案] A


5．已知钠、铁都能与水反应，下列叙述不正确的是( )


A．它们反应的难易程度不同


B．它们反应的产物不完全相同


C．都需在高温条件下进行


D．反应类型都是置换反应


[解析] 据2Na＋2H2O===2NaOH＋H2↑、3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2可知，两反应条件不同，难易程度不同，产物不完全相同，均为置换反应，所以C项错误。


[答案] C


6．铁在一定条件下与Cl2、O2、S反应的产物分别为FeCl3、Fe3O4、FeS，下列有关说法正确的是( )


A．三种非金属单质中，S的氧化性最弱


B．等量的铁分别与Cl2、O2、S反应，转移的电子数相等


C．反应生成的三种产物都只具有氧化性


D．反应生成的三种产物都是易溶于水的固体


[解析] 根据反应后铁元素的价态，可知S的氧化性最弱，A项正确；反应产物中铁元素的价态不同，等量的铁分别与Cl2、O2、S反应，转移的电子数不相等，B项错误；Fe3O4和FeS中含有＋2价的铁元素，也具有一定的还原性，C项错误；Fe3O4和FeS难溶于水，D项错误。


[答案] A


7．下列有关实验现象的叙述中，不正确的是( )


A．氢气在Cl2中燃烧，发出苍白色火焰


B．铁丝在Cl2中燃烧，产生棕褐色的烟


C．钠在Cl2中燃烧，产生棕黄色的烟


D．铜丝在Cl2中燃烧，产生棕黄色的烟


[解析] Cl2是一种活泼的非金属单质，能跟金属和非金属反应。A项，H2在Cl2中安静地燃烧，产生苍白色火焰，并有白雾生成；B项，Fe在Cl2中燃烧，产生棕褐色的烟；C项，钠在Cl2中燃烧，产生白烟，故C项错误；D项，铜丝在Cl2中燃烧，产生棕黄色的烟。


[答案] C


8．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


[解析] 据3Fe＋2O2eq \(=====,\s\up15(点燃))Fe3O4、3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2、Fe＋2HCl===FeCl2＋H2↑可知A、B、D正确，C项错误。


[答案] C


[能力提升]


9．向50 mL稀H2SO4与稀HNO3的混合溶液中逐渐加入铁粉，假设加入铁粉的质量与产生气体的体积(标准状况)之间的关系如图所示，且每一段只对应一个反应。下列说法正确的是( )





A．开始时产生的气体为H2


B．AB段发生的反应为置换反应


C．参加反应铁粉的总质量m2＝5.6 g


D．所用混合溶液中c(HNO3)＝0.5 ml·L－1


[解析] 开始时产生的气体为NO，故A错误；AB段发生：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋，为化合反应，故B错误；最终生成Fe2＋，根据氧化还原反应中得失电子数目相等可知3×n(NO)＋2×n(H2)＝2n(Fe)，即3×0.05 ml＋2×eq \f(0.56 L,22.4 L/ml)＝2n(Fe)，n(Fe)＝0.1 ml，质量为5.6 g，故C正确；n(NO)＝eq \f(1.12 L,22.4 L/ml)＝0.05 ml，则所用混合溶液中c(HNO3)＝eq \f(0.05 ml,0.05 L)＝1 ml/L，故D错误。故选C。


[答案] C


10．铁粉可与高温水蒸气发生反应，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 ml B．1 ml


C．1.5 ml D．2 ml


[解析]


3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2↑ Δm(固体质量增加)


3 16×4


x ml 32 g


x＝1.5 ml


[答案] C


11．若0.1 ml某单质与足量的硫充分反应，生成物的质量比该单质的质量增加了1.6 g，则组成这种单质的元素不可能是( )


A．Ag B．Fe C．Na D．K


[解析] 质量增加了1.6 g，则增加的质量是S的质量，故S的物质的量为eq \f(1.6 g,32 g·ml－1)＝0.05 ml,0.1 ml某单质与0.05 ml的S反应，该单质与S的物质的量之比是2∶1，所以该单质与硫充分反应后，组成该单质的元素在生成物中的化合价为＋1，只有Fe没有＋1价。


[答案] B


12．现有四种黑色粉末，分别为MnO2、CuO、炭粉、铁粉，只需加入一种试剂并进行适当的操作就可以将它们区分开，这种试剂是( )


A．氢氧化钠溶液 B．浓盐酸


C．稀硫酸 D．稀盐酸


[解析] A项，四种物质均不与氢氧化钠溶液反应，不能区分开，A项错误；B项，MnO2与浓盐酸在加热条件下生成黄绿色气体，CuO与浓盐酸反应得到蓝色溶液，铁粉与浓盐酸反应得到绿色溶液和无色气体，炭粉与浓盐酸不反应，故用浓盐酸可以区分四种物质，B项正确；C项，MnO2、炭粉均不与稀硫酸反应，不能区分，C项错误；D项，MnO2、炭粉均不与稀盐酸反应，不能区分，D项错误。


[答案] B


13．A、B、C是中学化学中常见的单质，A是金属单质，B、C是气体单质。甲、乙两化合物在常温下分别为黑色晶体和无色液体。这些化合物和单质之间的关系如图所示。





据此判断：


(1)若金属元素A有可变化合价，则A的化学式为________，甲的化学式为________。


(2)写出A＋乙eq \(――→,\s\up15(高温))甲＋C反应的化学方程式：_________。


[解析] 金属元素A有可变化合价，一般为铁，有＋2价和＋3价，可以作为本题的突破口。金属A与气体单质B点燃可化合生成甲，可推知B为氧气。从而推出甲是Fe3O4，气体单质C将单质A还原出来，且乙为无色液体，可推知C为具有还原性的氢气，甲与C发生的反应为Fe3O4＋4H2eq \(=====,\s\up15(高温))3Fe＋4H2O。A与乙发生的反应为3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2。


[答案] (1)Fe Fe3O4


(2)3Fe＋4H2O(g)eq \(=====,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2


14．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 ml·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________；长颈漏斗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_________。


[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)反应是在高温条件下，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＋4H2eq \(=====,\s\up15(高温))3Fe＋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。


[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 ml·L－1盐酸





(3)ABE (4)Fe3O4＋4H2eq \(=====,\s\up15(高温))3Fe＋4H2O


(5)检验氢气的纯度 点燃氢气


15．钢铁工业对促进经济和社会的发展具有重要的意义，现代炼铁的主要方法是高炉炼铁。其设备如图所示：





炼铁的炉料(铁矿石、焦炭、石灰石等)由高炉的顶部投入，原料在下降过程中与高炉气气流在炉身部分发生作用。请回答下列问题：


(1)焦炭在炼铁的过程中所起的作用是______________。


(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，其目的是


________________。


(3)写出以赤铁矿为原料的炼铁高炉中发生的主要化学反应____________。


(4)高炉气中含有的主要气态污染物是_____________，


若直接排放将污染空气，因此应回收利用，请写出该污染物的一种用途_______________。


[解析] (1)焦炭在炼铁的过程中既作为能源提供反应所需要的能量，同时生成CO作为还原剂，还原出铁矿石中的Fe；(2)采用炉料从上部加入，热空气从下部通入的工艺，主要是采用逆流操作，不仅利于矿石与还原性气体充分接触，还增加了接触时间，利于反应；(3)炼铁高炉中发生的主要反应就是还原剂的生成及生成铁的反应；(4)高炉气的主要成分有：CO、CO2等，其主要气态污染物是有毒的CO；回收利用CO，可用作燃料或作还原剂等。


[答案] (1)既提供热量，又产生还原剂CO


(2)采用逆流接触操作，使铁矿石与还原性气体充分接触、反应


(3)C＋O2eq \(=====,\s\up15(高温))CO2，CO2＋Ceq \(=====,\s\up15(高温))2CO，Fe2O3＋3COeq \(=====,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2


(4)CO 作燃料(或还原剂)