2021高考化学鲁科版一轮复习教师用书第三章第4课时　铁、铜重要化合物的性质探究


第4课时　铁、铜重要化合物的性质探究
[课型标签:实验课　提能课]
考点一　铁、铜化合物的制备

1.物质制备的三大原则
(1)选择最佳反应途径。
(2)选择最佳原料。
(3)选择适宜操作方法。
2.常见物质制备举例
(1)防氧化:Fe(OH)2的制备方法

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,并在液面上覆盖苯(或煤油),如图3所示。
(2)给定步骤:氯化亚铜的制备
①实验装置

②实验步骤
a.加热至50 ℃,铜丝表面产生无色气泡,液面上方有红棕色气体产生;
b.通入并调节氧气的量维持三颈瓶内压强不变。停止加热,反应继续进行,越来越剧烈;
c.反应停止后冷却至室温,待气囊变瘪。瓶内红棕色气体消失时关闭K;
d.将液体(含CuC等)转移至烧杯中用蒸馏水稀释,产生白色沉淀,过滤得氯化亚铜粗品和滤液;
e.氯化亚铜粗品经洗涤、烘干,得到氯化亚铜。
(已知:Cu2++6Cl-+Cu2CuC)
(3)工业废料利用:绿矾(FeSO4·7H2O)的制备
①用废铁屑(含少量SiO2和氧化铁)制取绿矾

从FeSO4溶液中获得FeSO4·7H2O,需要经过蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、冰水洗涤、低温干燥等操作。
其中,冰水洗涤的目的是减少晶体的溶解损耗。低温干燥的目的是防止晶体受热失去结晶水。以上结晶过程最好是在氮气的环境中进行,其中N2的作用是防止绿矾在空气中被O2氧化而变质。
②用烧渣制备绿矾

(烧渣中主要含FeO、Fe2O3,还有一定量的SiO2)
试剂X可以是SO2,也可以是Fe,其目的是将溶液中Fe3+还原为Fe2+。若试剂X为SO2,其转化原理为SO2+Fe2(SO4)3+2H2O2FeSO4+2H2SO4,若试剂X为Fe,其转化原理为Fe+Fe2(SO4)33FeSO4,测得“还原”后溶液的pH明显增大,其原因是Fe消耗过量的H2SO4,溶液酸性减弱。

[典例] (2019·全国Ⅰ卷)硫酸铁铵[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一种重要铁盐。为充分利用资源,变废为宝,在实验室中探究采用废铁屑来制备硫酸铁铵,具体流程如下:

回答下列问题:
(1)步骤①的目的是去除废铁屑表面的油污,方法是 
　　　　　　　。 
(2)步骤②需要加热的目的是　　　　　　　　　　,温度保持80～95 ℃,采用的合适加热方式是　　　　　　　　　　　。铁屑中含有少量硫化物,反应产生的气体需要净化处理,合适的装置为　　　　　　　　　(填标号)。 

(3)步骤③中选用足量的H2O2,理由是 
　　　　　　　　　　　　　　　。分批加入H2O2,同时为了　　　　　　　　,溶液要保持pH小于0.5。 
(4)步骤⑤的具体实验操作有 
　　　　　　　　 　,经干燥得到硫酸铁铵晶体样品。
(5)采用热重分析法测定硫酸铁铵晶体样品所含结晶水数,将样品加热到150 ℃时,失掉1.5个结晶水,失重 5.6%。硫酸铁铵晶体的化学式为　 。
解析:(1)油污在碱性条件下容易水解,所以去除废铁屑表面的油污,工业上常用热的碳酸钠溶液清洗,即碱煮水洗。
(2)用硫酸溶液处理铁屑,加热的目的是加快反应速率;温度保持80～95 ℃比较恒定且低于水的沸点,合适的加热方式是水浴加热(热水浴);铁屑中含有少量硫化物,硫化物与硫酸反应生成硫化氢气体,可以用氢氧化钠溶液吸收,为了防止倒吸可以加装倒置的漏斗,故选择C装置。
(3)步骤③中将硫酸亚铁溶液氧化为硫酸铁,选用足量的H2O2,将Fe2+氧化为Fe3+,同时得到的还原产物为H2O,不会引入新的杂质。因为H2O2本身易分解,所以在加入时需分批加入,同时为了防止Fe3+水解,溶液要保持pH小于0.5。
(4)为了除去可溶性的硫酸铵、铁离子等,需要经过的步骤为:加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
(5)硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2∙xH2O,其相对分子质量为266+18x,1.5个水分子的相对分子质量为1.5×18=27,则×100%=5.6%,解得x≈12,则硫酸铁铵的化学式为NH4Fe(SO4)2∙12H2O。
答案:(1)碱煮水洗　(2)加快反应　热水浴　C
(3)将Fe2+全部氧化为Fe3+,不引入杂质　防止Fe3+水解　(4)加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)
(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O
[对点精练1] 如图所示,此装置(后续装置略)可用来制取和观察Fe(OH)2在空气中被氧化的颜色变化。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中应预先加入的药品是　　　　。A中反应的离子方程式是　  　。 
(2)实验开始时先将止水夹a　　　　(填“打开”或“关闭”)。
(3)简述生成Fe(OH)2的操作过程: 　 。 
(4)实验完毕,打开b处止水夹,放入一部分空气,此时B瓶中发生的反应为　
。
解析:Fe+2H+Fe2++H2↑,产生的H2将Fe2+压入B中,Fe2++2OH-Fe(OH)2↓;因为Fe(OH)2在空气中很容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3,即发生4Fe(OH)2+O2+2H2O
4Fe(OH)3。
答案:(1)铁屑　Fe+2H+Fe2++H2↑
(2)打开
(3)待A装置反应一段时间后关闭止水夹a,将FeSO4溶液压入B中进行反应
(4)4Fe(OH)2+O2+2H2O4Fe(OH)3
[对点精练2] 实验室中以粗铜粉(含杂质Fe)为原料,制备铜的氯化物的流程
如下:

请按要求回答下列问题:
(1)现用如图所示的实验仪器和药品来制备纯净、干燥的Cl2并与粗铜粉反应(铁架台和加热装置等省略)。

①按气流方向连接各仪器接口,正确的顺序是a→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　→　　　　。实验中硬质玻璃管加热前要进行一步重要操作,该操作是　 　 。
②反应时,盛放粗铜粉的硬质玻璃管中的现象是 　 。
(2)上述流程中,所得固体Ⅰ需要加稀盐酸溶解,其目的是　 ;
溶液Ⅰ可加试剂X用于调节pH以除去杂质,X最好选用下列试剂中的　　　　(填字母)。 
a.Cu b.NH3·H2O
c.CuO d.Cu2(OH)2CO3
e.H2S
(3)向溶液Ⅱ中通入一定量的SO2,加热一段时间后生成CuCl白色沉淀,写出该反应的离子方程式: 　 。
解析:(1)要利用图中所给实验仪器和药品来制备纯净、干燥的Cl2并与粗铜粉反应,首先要找到Cl2的发生装置(A),然后将制得的Cl2净化(除去HCl,用装置C)、干燥(用装置E),并使其与粗铜粉反应(用装置D),最后进行尾气吸收(用装置B)。①按气流方向连接各仪器接口,正确的顺序是a→d→e→h→i→f→g→b(f、g可调换顺序)。实验中硬质玻璃管加热前要通入一段时间的Cl2,使装置中充满黄绿色的气体,以防止O2与铜粉反应。②Cl2与Cu反应生成棕黄色的CuCl2固体小颗粒,故盛放粗铜粉的硬质玻璃管中的现象是产生大量棕黄色的烟。(2)题给流程中,所得固体Ⅰ是CuCl2和FeCl3的混合物,加稀盐酸而不加水溶解,是为了防止CuCl2和FeCl3水解;向溶液Ⅰ中加入试剂X用于调节溶液的pH以除去Fe3+,故X最好是能与H+反应,但不与Cu2+反应且不引入新杂质的试剂,题给选项中符合要求的有CuO和 Cu2(OH)2CO3。(3)向溶液Ⅱ(CuCl2溶液)中通入一定量的SO2,加热一段时间后生成CuCl白色沉淀,该过程中发生SO2还原Cu2+的反应,SO2被氧化为。
答案:(1)①d　e　h　i　f　g　b(f、g可调换顺序)　通入一段时间的Cl2,使装置中充满黄绿色的气体(排出装置中的空气)　②产生大量棕黄色的烟
(2)防止CuCl2和FeCl3水解　cd
(3)SO2+2H2O+2Cu2++2Cl-2CuCl↓++4H+
考点二　含铁、铜化合物的分离与提纯

1.除去CuCl2溶液中的FeCl2
(1)示例说明
已知不同金属离子生成氢氧化物沉淀所需的pH如下表:
金属离子
Fe3+
Cu2+
Fe2+
Ni2+
Mg2+
开始沉淀的pH
2.7
4.4
7.0
7.1
9.3
沉淀完全的pH
3.7
6.4
9.6
9.2
10.8
除杂的流程图

(2)注意事项
①若直接调节溶液的pH,待Fe2+沉淀完全,Cu2+也已沉淀完全,不能除去Fe2+,不
可行。
②先将Fe2+氧化成Fe3+,再调溶液的pH为3.7≤pH