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

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。

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2．铁的氢氧化物

　　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：

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。

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要点四、Fe2+、Fe3+的鉴别

【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)3

A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↓