高中化学人教版 (2019)必修 第一册第二节 金属材料第一课时学案

第一课时　铁的单质、氧化物及氢氧化物

1．结合真实情境或通过实验探究，了解铁及其氧化物、氢氧化物的主要性质及应用。

2．会设计简单实验制备氢氧化亚铁，增强学生的科学探究与创新意识。

我国目前发现最早的人工冶铁制品是甘肃灵台出土的春秋初年秦国的铜柄铁剑，这说明春秋初年我国已掌握了冶铁技术。战国中期以后，铁制工具在社会生产中发挥了巨大的作用。

[问题探讨]

1．自然界里有游离态的铁吗？铁元素在化合物中呈现的主要化合价有哪些？

提示：有；主要存在于陨铁中；铁元素在化合物中的主要价态为＋2、＋3价。

2．把铁片投入CuSO4溶液中，写出反应的离子方程式。

提示：Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu。

3．铁与水蒸气能发生反应，日常生活中为什么可用铁壶烧水？

提示：铁只能与水蒸气在高温下反应，而铁与热水不反应。

1．铁的存在与冶炼

(1)铁元素在自然界中主要是以＋2价和＋3价化合物的形态存在于矿石中，游离态的单质铁只存在于陨铁中。铁元素在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝，居第4位。

(2)炼铁高炉中的反应原理：Fe2O3＋3CO2Fe＋3CO2。

2．铁的物理性质

3．铁的化学性质

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；而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。

(1)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

(2)铁与水蒸气的反应

[名师点拨]

(1)Fe与冷水、热水不反应，Fe与H2O(g)高温下反应的产物是Fe3O4，而不是Fe2O3。

(2)铁在潮湿的空气中生成铁锈的主要成分是Fe2O3，而铁在纯氧中燃烧的产物是Fe3O4。

(3)铁分别与氯气和盐酸反应所得产物中铁元素的价态不同，Fe与Cl2反应不论用量多少都生成FeCl3，而Fe与盐酸反应生成FeCl2。

1．下列说法正确的是(　　)

A．我国在战国中期已开始使用铁制品了

B．自然界中的铁元素只存在于化合物中

C．铁能与所有金属的盐溶液反应生成亚铁盐和金属

D．高炉炼铁是用还原剂将铁从它的化合物中还原出来

解析：选D　我国目前发现最早的人工冶铁制品是春秋初年秦国的铜柄铁剑，A项错误；自然界中的陨铁中的铁以单质形态存在，B项错误；铁只能将金属活动性比它弱的金属从其盐溶液中置换出来，C项错误；高炉炼铁是用CO等还原剂把铁从铁矿石中还原出来，D项正确。

2．用如图所示装置进行Fe与水蒸气反应的实验，下列有关说法不正确的是(　　)

A．装置A的作用是为实验提供持续不断的水蒸气

B．装置B中反应的化学方程式是2Fe＋3H2O(g)Fe2O3＋3H2

C．装置C中加入的固体干燥剂可能是碱石灰

D．点燃装置D处的气体前必须检验气体的纯度

解析：选B　装置A是将液态H2O转化为气态，与装置B中的铁粉在高温下发生反应，A项正确；铁粉与H2O(g)在高温下发生反应，生成Fe3O4和H2，B项错误；因生成的H2中含有较多的水蒸气，故需要用碱石灰等与H2不反应的干燥剂进行干燥，C项正确；不纯的H2在点燃时可能会发生爆炸，故在点燃H2前必须检验其纯度，D项正确。

3．现有下列物质：①S　②CuCl2溶液　③稀H2SO4

④Cl2　⑤纯氧气　⑥高温水蒸气。上述物质与铁反应时生成＋2价铁化合物的是________(填序号，下同)；生成＋3价铁的化合物的是________；生成既含＋2价又含＋3价铁的化合物的是________。

答案：①②③　④　⑤⑥

1．铁的氧化物

2.铁的氢氧化物

[名师点拨]

(1)Fe3O4不属于碱性氧化物，FeO、Fe2O3属于碱性氧化物。

(2)Fe3O4的组成可用FeO·Fe2O3表示，但不表示Fe3O4是由FeO和Fe2O3组成的混合物，Fe3O4有固定的组成，是一种纯净物。

1．下列物质与描述的颜色不对应的是(　　)

A．FeO—黑色 B．Fe2O3—黑色

C．Fe3O4—黑色 D．Na2O2—淡黄色

解析：选B　Fe2O3为红棕色粉末。

2．稀硫酸中加入适量铁粉，反应完全后再加入适量的NaOH溶液，放置片刻，整个过程中观察到的颜色变化是(　　)

A．无色、灰绿色、红褐色

B．无色、浅绿色、白色、灰绿色、红褐色

C．灰绿色、红褐色、蓝色

D．灰绿色、白色、浅绿色、灰绿色、红褐色

解析：选B　H2SO4、FeSO4、Fe(OH)2和Fe(OH)3依次为无色、浅绿色、白色和红褐色。由Fe(OH)2→Fe(OH)3的过程中会出现灰绿色。

3．下列有关铁的化合物的说法不正确的是(　　)

A．Fe(OH)2不稳定，具有较强的氧化性

B．FeO、Fe2O3均为碱性氧化物，均可与盐酸反应

C．Fe(OH)3可通过化合反应得到，Fe(OH)2则不能

D．Fe3O4为磁性氧化铁，其中铁的化合价为＋2价和＋3 价

解析：选A　Fe(OH)2中的Fe2＋具有还原性，可被空气中的O2氧化为Fe(OH)3，A项错误；FeO、Fe2O3均为碱性氧化物，故具有碱性氧化物的通性，都能与盐酸反应，B项正确；Fe(OH)2只能通过复分解反应得到，Fe(OH)3可由Fe(OH)2与O2、H2O发生化合反应得到，C项正确；Fe3O4俗称磁性氧化铁，其组成可表示为FeO·Fe2O3，铁元素的化合价为＋2价、＋3价，D项正确。

将NaOH溶液滴入FeSO4溶液中会产生白色的Fe(OH)2沉淀：Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓，但由于Fe(OH)2极易被氧化，溶解在水溶液中的少量氧气可把Fe(OH)2迅速氧化成Fe(OH)3：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3，所以在制备Fe(OH)2的过程中一定要隔绝O2，防止生成的Fe(OH)2被氧化。

[实验装置]

[问题探讨]

1．NaOH溶液为什么要事先煮沸后才能使用？

提示：煮沸NaOH溶液的目的是除去溶液中溶解的O2，防止O2将Fe(OH)2氧化。

2．FeSO4溶液若长期露置于空气中，可能产生的杂质阳离子是什么？

提示：Fe3＋；原因是FeSO4溶液中的Fe2＋被空气中的O2氧化成Fe3＋。

3．改进装置①中加入少量苯的目的是什么？

提示：苯的密度比水小，且难溶于水，加入少量苯覆盖在FeSO4溶液的上层用于隔绝下层液体与空气接触，防止生成的Fe(OH)2被O2氧化。

4．改进装置③中，如何操作就能长时间观察到Fe(OH)2白色沉淀？

提示：先打开止水夹a，利用Fe与稀H2SO4反应产生的H2将装置内的空气排出，待导管b排出的气体验纯后，再关闭止水夹a，产生的H2使试管A中气压大于外界气压，把试管A中的液体(FeSO4溶液)压入试管B中，反应得到Fe(OH)2白色沉淀。即操作方法为先打开止水夹a，待导管b排出的气体验纯后，再关闭止水夹a。

5．改进装置②能较长时间观察到白色沉淀的原因是什么？

提示：铁粉与稀硫酸反应生成的H2排除了装置内的空气，同时试管内剩余的H2起到保护气的作用，防止Fe(OH)2与O2接触被氧化，因此能较长时间观察到白色沉淀。

氢氧化亚铁制取实验的四个关键点

(1)Fe2＋极易被空气中氧气氧化，所以FeSO4溶液要现用现配。

(2)为了防止Fe2＋被氧化，配制FeSO4溶液所用的蒸馏水和制备Fe(OH)2所用的NaOH溶液都要煮沸，尽可能除去O2。

(3)为了防止滴加NaOH溶液时带入空气，可将吸有NaOH溶液的长滴管伸入FeSO4溶液的液面下，再挤出NaOH溶液。

(4)为防止Fe2＋被氧化，还可以向盛有FeSO4溶液的试管中加入少量的煤油或其他密度小于水而不溶于水的有机物(如苯)，以隔绝空气。

1．某同学设计如图装置(气密性已检查)制备Fe(OH)2白色沉淀。

请回答：

(1)仪器1的名称：________。装置5的作用：________。

(2)实验开始时，关闭K2，打开K1，反应一段时间后，再打开K2，关闭K1，发现3中溶液不能进入4中。请为装置做一处改进，使溶液能进入4中：________。

(3)装置改进后，将3中反应后溶液压入4中，在4中析出了灰绿色沉淀。从实验操作过程分析没有产生白色沉淀的原因：____________________。

解析：(1)仪器1的名称为分液漏斗。由于Fe(OH)2易被氧气氧化，装置5的作用是通过液封，防止空气进入装置4。(2)3中溶液不能进入4的原因是生成的氢气沿着导管通过2逸出，三颈烧瓶中无法形成高压，故需在2、3之间加一个控制开关。(3)生成灰绿色沉淀说明氢氧化亚铁被氧气氧化，分析原因应该是装置4中的空气未排尽。

答案：(1)分液漏斗　液封，防止空气进入装置4

(2)在装置2、3之间添加控制开关

(3)装置4内的空气没有排尽

2．醋酸亚铬[(CH3COO)2Cr·2H2O]为砖红色晶体，难溶于冷水，易溶于酸，在气体分析中用作氧气吸收剂。一般制备方法是先在封闭体系中利用金属锌作还原剂，将三价铬还原为二价铬；二价铬再与醋酸钠溶液作用即可制得醋酸亚铬。实验装置如图所示。回答下列问题：

(1)实验中所用蒸馏水均需经煮沸后迅速冷却，目的是________。仪器a的名称是________。

(2)将过量锌粒和氯化铬固体置于c中，加入少量蒸馏水，按图连接好装置。打开K1、K2，关闭K3。

①c中溶液由绿色逐渐变为亮蓝色，该反应的离子方程式为_____________________

___________________________________________________。

②同时c中有气体产生，该气体的作用是__________________________________。

(3)打开K3，关闭K1和K2。c中亮蓝色溶液流入d，其原因是________________________________________________________________________；

d中析出砖红色沉淀。为使沉淀充分析出并分离，需采用的操作是________、________、洗涤、干燥。

(4)指出装置d可能存在的缺点：____________________________________________。

解析：(1)由题给信息，[(CH3COO)2Cr·2H2O]在气体分析中用作O2吸收剂，说明Cr2＋具有强还原性，易被O2氧化，故所用蒸馏水需经煮沸去除其中的O2，以免影响[(CH3COO)2Cr·2H2O]的制备。由仪器的结构特点可知，a为分液漏斗。

(2)①Zn将Cr3＋还原为Cr2＋，离子方程式为Zn＋2Cr3＋===Zn2＋＋2Cr2＋。②Zn＋2H＋===Zn2＋＋H2↑，H2起到排除c中空气的作用，以防Cr2＋被氧化。

(3)过量的Zn与盐酸反应放出大量的H2，使装置c中压强增大，关闭K1和K2，打开K3时，溶液被压入装置d中。由题给信息知，[(CH3COO)2Cr·2H2O]难溶于冷水，因此应用冰浴冷却，以便于[(CH3COO)2Cr·2H2O]析出，再将沉淀过滤、洗涤、干燥即可。

(4)装置d的缺点是该装置与大气直接相通，空气中的O2易将[(CH3COO)2Cr·2H2O]氧化。

答案：(1)去除水中溶解的氧　分液漏斗

(2)①Zn＋2Cr3＋===Zn2＋＋2Cr2＋　②排除c中空气

(3)c中产生H2使压强大于大气压　(冰浴)冷却　过滤

(4)敞开体系，可能使醋酸亚铬与空气接触

[分级训练·课课过关]　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

1．为了防止食品变质，常在食品袋中放入小袋的铁粉，这是利用铁的(　　)

A．还原性 B．氧化性

C．酸性 D．碱性

解析：选A　铁能和水、氧气反应生成铁锈，防止食品被氧化和吸收水分，铁元素的化合价升高，体现还原性，故A正确；铁是金属，化合价只能升高，无氧化性，B错误；铁属于金属单质，没有酸性、碱性，故C、D错误。

2．下列物质中铁元素的化合价为＋2价的是(　　)

A．Fe B．FeO

C．FeCl3 D．Fe3O4

解析：选B　A为单质，铁元素化合价为0价；C项FeCl3中铁元素化合价为＋3价；D项可看作FeO·Fe2O3；只有B项中，氧为－2价，铁元素为＋2价。

3．在含有1 mol FeSO4的溶液中投入一小块金属钠，反应完全后，滤出沉淀并洗涤，然后在空气中灼烧沉淀得到的固体物质是(　　)

A．FeO B．Fe

C．Fe(OH)3 D．Fe2O3

解析：选D　金属钠投入溶液生成氢氧化钠和氢气，氢氧化钠与FeSO4溶液反应生成Fe(OH)2，在空气中灼烧沉淀时，Fe(OH)2被氧化为Fe(OH)3，Fe(OH)3再分解生成Fe2O3和H2O。

4．如图所示装置可用来制取和观察Fe(OH)2在空气中被氧化时颜色的变化。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中盛一定量的NaOH溶液，A中应预先加入的试剂是________，A中反应的离子方程式是________________________________________________________________________

________________________________________________________________________。

(2)实验开始时先将止水夹E________(填“打开”或“关闭”)，C中收集到气体的主要成分是________。

(3)简述生成Fe(OH)2的操作过程：_________________________________________

________________________________________________________________________。

(4)拔去装置B中的橡皮塞，使空气进入，写出有关反应的化学方程式：________________________________________________________________________。

解析：实验开始时先打开E，让H2把A、B装置中的空气排出，让Fe(OH)2在H2气氛中生成，以便较长时间观察Fe(OH)2的颜色。H2充满B后关闭E，A中的FeSO4溶液沿竖直长导管进入B瓶，与NaOH反应。

答案：(1)铁屑　Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑

(2)打开　H2

(3)关闭止水夹E，使FeSO4溶液压入B瓶中进行反应

(4)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3