与铁及其化合物相关的实验 高考化学一轮复习强化提升课学案新人教版

与铁及其化合物相关的实验

【典例1】为探讨化学平衡移动原理与氧化还原反应规律的联系，某同学通过改变浓度研究“2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2”反应中Fe3＋和Fe2＋的相互转化。实验如下：

(1)待实验Ⅰ溶液颜色不再改变时，再进行实验Ⅱ，目的是使实验Ⅰ的反应达到________________________。

(2)ⅲ是ⅱ的对比实验，目的是排除ⅱ中________________________造成的影响。

(3)ⅰ和ⅱ的颜色变化表明平衡逆向移动，Fe2＋向Fe3＋转化。用化学平衡移动原理解释原因：_________________________________________________。

(4)根据氧化还原反应的规律，该同学推测ⅰ中Fe2＋向Fe3＋转化的原因：外加

Ag＋使c(I－)降低，导致I－的还原性弱于Fe2＋，用如图装置(a、b均为石墨电极)进行实验验证。

①K闭合时，指针向右偏转，b作________极。

②当指针归零(反应达到平衡)后，向U形管左管中滴加0.01 mol·L－1AgNO3溶液，产生的现象证实了其推测，该现象是________________________。

(5)按照(4)的原理，该同学继续用上图装置进行实验，证实了ⅱ中Fe2＋向Fe3＋转化的原因。

①转化原因是____________________。

②该实验与(4)实验对比，不同的操作是_______________________________。

(6)实验Ⅰ中，还原性：I－>Fe2＋；而实验Ⅱ中，还原性：Fe2＋>I－，将(3)和(4)、(5)作对比，得出的结论是________________。

【解析】(1)待实验Ⅰ溶液颜色不再改变时，再进行实验Ⅱ，目的是使实验Ⅰ的反应达到化学平衡状态。(2)实验ⅲ加入了水，是实验ⅱ的对比实验，因此目的是排除因加入FeSO4溶液而将溶液稀释引起溶液颜色的变化。(3)ⅰ中加入AgNO3，Ag＋与I－生成AgI黄色沉淀，I－浓度降低，2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2平衡逆向移动，溶液褪色；ⅱ中加入FeSO4，Fe2＋浓度增大，平衡逆向移动，溶液颜色变浅。(4)①K闭合时，指针向右偏转，表明b极为正极，Fe3＋得电子；②当指针归零(反应达到平衡)后，向U形管左管滴加0.01 mol·L－1AgNO3溶液，产生黄色沉淀，I－浓度减小，2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2平衡左移，指针向左偏转。(5)①Fe2＋浓度增大，还原性增强；②与(4)实验对比，不同的操作是当指针归零(反应达到平衡)后，向U形管右管中滴加1 mol·L－1 FeSO4溶液。(6)将(3)和(4)、(5)作对比，得出的结论是在其他条件不变时，物质的氧化性和还原性与浓度有关，浓度的改变可影响物质的氧化性和还原性，导致平衡移动。

答案：(1)化学平衡状态　(2)溶液稀释对颜色变化

(3)ⅰ中加入Ag＋发生反应：Ag＋＋I－===AgI↓，c(I－)降低；ⅱ中加入FeSO4，

c(Fe2＋)增大，平衡均逆向移动

(4)①正　②左管产生黄色沉淀，指针向左偏转

(5)①Fe2＋随浓度增大，还原性增强，使Fe2＋还原性强于I－

②向U形管右管中滴加1 mol·L－1 FeSO4溶液

(6)该反应为可逆氧化还原反应，在平衡时，通过改变物质的浓度，可以改变物质的氧化、还原能力，并影响平衡移动方向

【归纳总结】根据铁化合物的转化进行除杂

除去混合溶液中Fe3＋、Fe2＋的常用方法

(1)除去Mg2＋中混有的Fe3＋的方法。

向混合溶液中加入MgO、MgCO3、Mg(OH)2中之一，与Fe3＋水解产生的H＋反应，促进Fe3＋的水解，将Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀而除去。

(2)除去Cu2＋中混有的Fe3＋的方法。

向混合溶液中加入CuO、CuCO3、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3中之一，与Fe3＋水解产生的H＋反应，促进Fe3＋的水解，将Fe3＋转化为Fe(OH)3沉淀而除去。

(3)除去Mg2＋中混有的Fe2＋的方法。

先加入氧化剂(如H2O2)将溶液中的Fe2＋氧化成Fe3＋，然后再按(1)的方法除去溶液中的Fe3＋。

(4)除去Cu2＋中混有的Fe2＋的方法。

先加入氧化剂(如H2O2)将溶液中的Fe2＋氧化成Fe3＋，然后再按(2)的方法除去溶液中的Fe3＋。

1.实验室用图1所示装置制备KClO溶液，并通过KClO溶液与FeCl3溶液的反应制备高效水处理剂K2FeO4。已知K2FeO4具有下列性质：①可溶于水，微溶于饱和KOH溶液；②在0～5 ℃的强碱性溶液中比较稳定；③在Fe3＋和Fe(OH)3催化作用下发生分解；④在酸性至弱碱性条件下，能与水反应生成Fe(OH)3和O2。

回答下列问题：

(1)装置A用于产生氯气，若选用图2中的甲装置，反应的离子方程式是____________，若选用装置乙，其中的导管a的作用是________________________________。

(2)Cl2与KOH在较高温度下反应生成KClO3。在不改变KOH溶液的浓度和体积的条件下，控制反应在0～5 ℃进行，实验中可采取的措施是____________；在通入氯气的过程中，不断搅拌的目的是_________________________________。

(3)提纯K2FeO4粗产品[含有Fe(OH)3、KCl等杂质]的实验方案为将K2FeO4粗产品溶于冷的3 mol·L－1KOH溶液中后________(填操作名称)，将滤液置于冰水浴中，再加入________，搅拌、静置、过滤，晶体用适量乙醇洗涤2～3次后，在真空干燥箱中干燥。

【解析】本题以制取K2FeO4的实验为载体，考查离子方程式的书写、实验方案的设计等。(1)装置A用于产生氯气，若选用图2中的装置甲，则反应的离子方程式是MnO2＋4H＋＋2Cl－Mn2＋＋Cl2↑＋2H2O；若选用装置乙，其中的导管a的作用是平衡气压，使分液漏斗中的液体能顺利滴下。(2)要控制反应在0～5 ℃进行，实验中可采取的措施是将装置C中的三颈烧瓶放在冰水浴中；在通入氯气的过程中，不断搅拌的目的是使氯气与碱液充分混合反应，同时及时散热，防止生成杂质。(3)氢氧化铁可通过过滤除去，K2FeO4可溶于水、微溶于饱和KOH溶液，所以将滤液置于冰水浴中，向滤液中加入饱和KOH溶液，析出K2FeO4晶体从而除去KCl，再进行过滤，用乙醇洗涤可减少晶体的溶解损失，最后在真空干燥箱中干燥。

答案：(1)MnO2＋4H＋＋2Cl－Cl2↑＋Mn2＋＋2H2O

平衡气压，使分液漏斗中的液体能顺利滴下

(2)将装置C中的三颈烧瓶放在冰水浴中　使氯气与碱液充分混合反应，同时及时散热，防止生成杂质

(3)过滤　饱和KOH溶液

【加固训练——拔高】

2．(2021·昆明模拟)新切开的苹果在空气中放置一段时间表面会变黄，最终变成褐色，这种现象在食品科学上通常称为“褐变”。关于苹果褐变的原因有以下两种说法：

说法一：苹果中的Fe2＋被空气中的氧气氧化成Fe3＋。

说法二：苹果中的酚类物质被空气中的氧气氧化。

针对上述两种说法，某小组同学通过以下实验进行探究：

[查阅文献]

苹果汁中含有0.001%的Fe2＋，同时也含有多酚类物质，多酚可与空气中的氧气反应变色；酚类物质遇FeCl3溶液常发生显色反应而呈现一定颜色，如苯酚显紫色，对苯二酚显绿色，甲基苯酚显蓝色。

[实验探究]

[解释与结论]

(1)实验1验证了苹果汁中含有Fe2＋，该实验试管③中观察到的现象是____________________________。

(2)实验2选用的FeSO4溶液中，X＝________。

上述实验探究证明：说法________(选填“一”或“二”)是苹果褐变的主要原因。

【解析】(1)由“实验1验证了苹果汁中含有Fe2＋”可知，滴入稀硝酸后苹果汁中的Fe2＋被氧化成Fe3＋，Fe3＋遇KSCN溶液后溶液变红。(2)结合题中已知的查阅文献信息可知，实验2选用的FeSO4溶液中Fe2＋含量为0.001%，则X＝0.001，根据实验2中试管①和②的实验现象可知，苹果褐变与Fe2＋无关，由题中实验探究可知说法二是苹果褐变的主要原因。

答案：(1)溶液变红　(2)0.001　二

3．碳酸亚铁(白色固体，难溶于水)是一种重要的工业原料，可用于制备补血剂乳酸亚铁，也可用作可充电电池的电极。某研究小组通过下列实验，寻找利用复分解反应制备FeCO3沉淀的最佳方案：

(1)实验Ⅰ中红褐色沉淀产生的原因可用如下反应表示，请补全反应：

Fe2＋＋____＋________＋H2O===

Fe(OH)3↓＋HCO

(2)实验Ⅱ中产生 FeCO3的离子方程式为___________________________。

(3)为了探究实验Ⅲ中 NH所起的作用，甲同学设计了实验Ⅳ进行探究：

实验Ⅳ中加入Na2SO4固体的目的是②____________。

对比实验Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，甲同学得出结论：NH水解产生H＋，降低溶液pH，减少了副产物Fe(OH)2的产生。

乙同学认为该实验方案不够严谨，应补充的对比实验操作是：③____________，再取该溶液一滴管，与 2 mL 1 mol·L－1 NaHCO3 溶液混合。

【解析】(1)Fe2＋被氧气氧化为Fe3＋，Fe3＋与CO发生水解生成Fe(OH)3，Fe2＋→Fe(OH)3，铁元素化合价升高1，O2→O2－，2个氧原子化合价降低了4，根据化合价升降总数相等，Fe2＋、Fe(OH)3前面系数为4，O2前面系数为1，再根据电荷守恒，CO和HCO前面系数为8，最后根据原子守恒，水前面系数为10，配平后为4Fe2＋＋8CO＋O2＋10H2O===4Fe(OH)3↓＋8HCO。(2)根据实验现象可知，Fe2＋与HCO反应，生成FeCO3和CO2，离子方程式为Fe2＋＋2HCO===FeCO3↓＋CO2↑＋H2O。(3)①探究同一酸性环境下的铵根离子的作用，因此要用硫酸调控溶液的pH＝4.0。②为了保证溶液中的SO浓度不变，向溶液中加入Na2SO4来控制SO浓度。③为了增强实验的严谨性，还应向0.8 mol·L－1 FeSO4溶液中加入Na2SO4固体至c(SO)＝1.6 mol·L－1，同一条件下做对比试验，这样结论更准确。

答案：(1)4　8　CO　1　O2　10　4　8

(2)Fe2＋＋2HCO===FeCO3↓＋CO2↑＋H2O

(3)①硫酸至pH＝4.0　②控制SO浓度一致

③向0.8 mol·L－1 FeSO4溶液中加入 Na2SO4 固体至c(SO)＝1.6 mol·L－1

4．(2021·日照模拟)浙江大学化学与材料学院对“铁与水蒸气反应”实验研究的结果显示：在80～100 ℃能产生稳定水蒸气的物质都可以作为该反应的供水剂；铁与水蒸气反应温度在500 ℃左右即可顺利进行。某化学兴趣小组同学利用该研究结论，采用西红柿(或洋葱)作为供水剂，设计了如图1装置进行实验，并对铁与水蒸气反应的产物进行检验。回答下列问题：

(1)A中铁与水蒸气反应的化学方程式是___________________________。

(2)C中碱石灰的作用是________________________________________。

(3)D处实验现象为______________________________________________。

(4)上述实验结束后，取出A中铁粉反应后的少量固体(经检验固体中没有铁单质)继续进行图2实验：

①加入稀硫酸发生反应的离子方程式为__________________________。

②试剂A是____________________(选填字母)，现象2为__________________。

a．NaOH溶液　b．酸性KMnO4溶液　c．酚酞　d．氯水

③有同学认为：即使得到了现象1和现象2的实验现象，也不能确定所得固体成分为Fe3O4。你认为该同学持此看法的理由是______________________________。

④实验室配制100 mL 0.5 mol·L－1 H2SO4溶液时，用到的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒、量筒外，还需要______________________________________________

(填仪器名称)。下列操作使所配H2SO4溶液浓度偏大的是________(填写字母)。

A．容量瓶未干燥即用来配制溶液

B．洗涤量取过浓硫酸的量筒并将洗涤液汇入容量瓶中

C．浓硫酸在烧杯中稀释后，未冷却就立即转移到容量瓶中

D．往容量瓶转移时，有少量液体溅出

E．定容时仰视刻度线

【解析】(1)铁与水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，方程式为3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2。(2)碱石灰具有吸水作用，可用于干燥氢气。(3)D中氢气与氧化铜反应生成铜和水，可观察到黑色固体变红。(4)①四氧化三铁和硫酸反应生成硫酸铁、硫酸亚铁，反应的离子方程式为Fe3O4＋8H＋===2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O。②试剂A是氧化剂，可氧化亚铁离子，可以选择酸性高锰酸钾溶液，现象2为溶液的紫色褪去。③即使得到了现象1和现象2的实验现象，也不能确定所得固体成分为Fe3O4，持此看法的理由是固体可能为FeO和Fe2O3的混合物。④实验室配制100 mL 0.5 mol·L－1 H2SO4溶液时，用到的玻璃仪器除烧杯、玻璃棒、量筒外，还需要100 mL容量瓶、胶头滴管。A.容量瓶未干燥即用来配制溶液，对实验无影响，故不选；B.洗涤量取过浓硫酸的量筒并将洗涤液汇入容量瓶中，n偏大，硫酸浓度偏大，故选；C.浓硫酸在烧杯中稀释后，未冷却就立即转移到容量瓶中，V偏小，浓度偏大，故选；D.往容量瓶转移时，有少量液体溅出，n偏小，浓度偏小，故不选；E.定容时仰视刻度线，V偏大，浓度偏小，故不选。

答案：(1)3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2

(2)干燥氢气　 (3)黑色固体变红

(4)①Fe3O4＋8H＋===Fe2＋＋2Fe3＋＋4H2O

②b　溶液的紫色褪去

③固体可能为FeO和Fe2O3的混合物　④100 mL容量瓶、胶头滴管　BC