(新高考)高考化学一轮复习讲义第3章第14讲铁及其化合物的转化关系(含解析)

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考点一 基于价类二维图理解铁及其化合物的转化关系
从物质类别和物质所含核心元素的化合价两个角度总结、预测物质的性质是学习化学的重要方法之一。
(1)横向变化体现了同价态不同物质类别(氧化物、盐、碱)之间的转化；①碱性氧化物(Fe2O3、FeO)都能溶于酸(H＋)转化为盐；②Fe2＋、Fe3＋与碱(OH－)反应生成对应的碱；③难溶性的碱易分解生成对应的氧化物，但难溶性的碱性氧化物一般不与水反应生成对应的碱。
(2)纵向变化体现不同价态同物质类别之间的转化，主要体现物质的氧化性或还原性。
(3)斜向变化体现不同价态、不同物质类别之间的转化，主要体现物质的氧化性和还原性。
1．如图为铁元素的价类二维图，其中的箭头表示部分物质间的转化关系。下列说法正确的是( )
A．铁与高温水蒸气的反应可实现上述转化①
B．FeO是一种黑色粉末，不稳定，在空气中受热，迅速发生转化②生成红棕色粉末
C．加热Fe(OH)3发生转化⑥，加水溶解可实现转化③
D．由图可预测：高铁酸盐(FeOeq \\al(2－,4))具有强氧化性，可用于消毒，FeOeq \\al(2－,4)与水反应最终可生成Fe(OH)3胶体，从而吸附水中的悬浮物，故高铁酸盐可作净水剂
答案 D
解析 铁与高温水蒸气反应生成四氧化三铁和氢气，不能实现上述转化①，故A错误；FeO是一种黑色粉末，不稳定，在空气中受热，部分被氧化生成Fe3O4，不能发生转化②，故B错误；加热Fe(OH)3发生转化⑥分解生成氧化铁，氢氧化铁不溶于水，加水溶解不可实现转化③，故C错误；高铁酸盐中铁为＋6价，具有强氧化性，可用于消毒，与水发生氧化还原反应后生成铁离子，铁离子与水反应生成Fe(OH)3胶体。
2．从化合价和物质类别两个视角认识元素及其化合物性质是重要的化学学习方式。图1是Fe及其化合物的化合价—物质类别二维图。
回答下列问题：
(1)工业上冶炼Fe常用的方法是__________________________________________
(填字母)。
a．电解法 b．还原法 c．热分解法 d．物理方法
(2)若图1中的F为硫酸盐，请写出由D生成F的离子方程式：___________________。
(3)图1中的B在潮湿的空气中很容易发生化合反应变成E，该反应的化学方程式为
_________________________________________________________________________。
(4)图1中的F与C在水溶液中转化的离子反应有：2Fe3＋＋2I－2Fe2＋＋I2，为了探究该反应存在一定的限度，某化学兴趣小组取10 mL 0.5 ml·L－1的KI溶液于试管中，再加入10 mL 0.2 ml·L－1的FeCl3溶液，振荡，使试管中的物质充分反应一段时间。为了达到实验目的，还需要再向试管中加入下列试剂中的________(填字母)。
A．淀粉溶液 B．KSCN溶液 C．CCl4 D．酸性高锰酸钾溶液
(5)用Fe可以去除水体中的NOeq \\al(－,3)(原理如图2)。若有1 ml NOeq \\al(－,3)转化为NHeq \\al(＋,4)，则参加反应的Fe失去的电子的物质的量为________ml。
答案 (1)b (2)Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O
(3)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
(4)B (5)8
解析 (1)工业上常用碳还原铁矿石冶炼Fe，为还原法。(2)根据图1，D到F过程中铁的化合价未变，F为硫酸盐，则D为氧化铁，氧化铁与硫酸反应生成硫酸铁和水，离子方程式为Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。(4)根据题中数据，可知KI过量，若反应为可逆反应，则溶液中存在Fe3＋，可用KSCN溶液检验。(5)NOeq \\al(－,3)转化为NHeq \\al(＋,4)，N的化合价由＋5变为－3,1 ml NOeq \\al(－,3)得到8 ml电子，根据得失电子守恒，则参加反应的Fe失去8 ml电子。
考点二 基于Fe2＋、Fe3＋相互转化的实验探究
Fe2＋既有氧化性又有还原性，Fe3＋一般只表现氧化性，其转化关系为
写出下列转化的离子方程式，体会Fe2＋与Fe3＋的转化条件。
(1)将H2S气体通入FeCl3溶液中产生淡黄色沉淀：
2Fe3＋＋H2S===S↓＋2Fe2＋＋2H＋。
(2)将FeCl3溶液滴入淀粉-KI溶液，溶液变蓝：
2Fe3＋＋2I－===I2＋2Fe2＋。
(3)用FeCl3溶液腐蚀废旧线路板上的铜箔：
Cu＋2Fe3＋===2Fe2＋＋Cu2＋。
(4)将H2O2滴入酸性FeCl2溶液：
2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O。
(5)将FeCl2溶液滴入HNO3溶液中，有无色气体放出：
3Fe2＋＋4H＋＋NOeq \\al(－,3)===3Fe3＋＋NO↑＋2H2O。
1．已知三氯化铁的熔点为306 ℃，沸点为315 ℃，易溶于水并且有强烈的吸水性，能吸收空气里的水分而潮解。某学习小组的同学对氯气与铁的反应及产物做了如下探究实验。
(1)装置的连接顺序为__________________________________________________。
(2)饱和食盐水的作用是_________________________________________________。
(3)反应一段时间后熄灭酒精灯，冷却后将硬质玻璃管及收集器中的物质一并快速转移至锥形瓶中，加入过量的稀盐酸和少许植物油(反应过程中不振荡)，充分反应后，进行如下实验：
eq \x(固体混合物)eq \(――――→,\s\up7(过量稀盐酸))eq \x(淡黄色溶液)eq \(―――→,\s\up7(试剂X))eq \x(淡红色溶液)eq \(――――――→,\s\up7(过量H2O2溶液))eq \x(深红色溶液)
eq \(――――――→,\s\up7(静置一段时间))eq \x(红色褪去)
①淡黄色溶液中加入试剂X生成淡红色溶液的离子方程式为___________________。
②淡红色溶液中加入过量H2O2后溶液红色加深的原因是_____________________________。
(4)已知红色褪去的同时有气体生成，经检验为O2。该小组同学对红色褪去的原因进行探究。
①取褪色后的溶液三份，第一份滴加FeCl3溶液，无明显变化；第二份滴加试剂X，溶液出现红色；第三份滴加稀盐酸和BaCl2溶液，产生白色沉淀。
②另取同物质的量浓度的FeCl3溶液滴加2滴试剂X，溶液变红，再通入O2，无明显变化。
实验①说明：_________________________________________________________________；
实验②的目的是_______________________________________________________________；
得出结论：___________________________________________________________________。
答案 (1)a→g→h→d→e→b→c→f
(2)除去氯气中的氯化氢气体
(3)①Fe3＋＋3SCN－Fe(SCN)3 ②双氧水将Fe2＋氧化成Fe3＋，使Fe(SCN)3增多
(4)SCN－发生了反应而不是Fe3＋发生了反应 排除H2O2分解产生的O2氧化SCN－的可能 H2O2将SCN－氧化成SOeq \\al(2－,4)
解析 (1)浓硫酸具有吸水性，能作氯气的干燥剂，碱石灰具有碱性而吸收氯气，饱和食盐水吸收氯化氢且能抑制氯气溶解，装置排列顺序为气体的制取→洗气→干燥→氯气和铁的反应→尾气处理，所以装置连接顺序为a→g→h→d→e→b→c→f。(4)根据①滴加FeCl3溶液无明显变化，说明SCN－发生了反应而不是Fe3＋发生了反应，滴加稀盐酸和BaCl2溶液，产生白色沉淀，说明生成了SOeq \\al(2－,4)；根据②另取同物质的量浓度的FeCl3溶液滴加2滴试剂X，溶液变红，再通入O2，无明显变化，说明O2不能氧化SCN－，所以氧化SCN－的为双氧水。
2．实验小组研究二价铁的氧化反应，设计如下实验。
(1)实验所用的Fe(NO3)2溶液由Fe(NO3)3溶液和足量铁粉反应制得，离子方程式是
_________________________________________________________________________。
(2)实验Ⅰ中白色沉淀转变为红褐色的化学方程式是____________________________。
(3)现象b是________________________________________________________。
(4)实验小组对实验Ⅱ中何种物质氧化Fe2＋进行研究，提出两种假设：
ⅰ.酸性条件下，O2氧化了Fe2＋；
ⅱ.酸性条件下，________。
①将假设ⅱ补充完整。
②设计实验，证实了假设ⅰ不是实验Ⅱ中氧化Fe2＋的主要原因。将实验方案和现象补充完整。
步骤1：向1.0 mL________溶液中滴加1.5 mL 1.0 ml·L－1 H2SO4溶液；
步骤2：向上述所得溶液中滴加KSCN溶液，观察到________。
③向步骤2所得溶液中滴加NaOH溶液至pH约为5，检测到有Fe3＋产生。
(5)综合上述实验，说明二价铁的氧化反应与________因素有关。
答案 (1)2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋ (2)4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3 (3)红褐色沉淀溶解，溶液呈黄色
(4)①NOeq \\al(－,3)氧化了Fe2＋ ②0.1 ml·L－1 FeSO4 溶液颜色无明显变化
(5)溶液酸碱性强弱、氧化剂种类及二价铁的存在形式(或其他合理答案)
解析 (3)Fe(NO3)2与氢氧化钠反应生成Fe(OH)2白色沉淀，被氧化变为红褐色沉淀Fe(OH)3，加入硫酸溶液后发生酸碱中和反应，红褐色沉淀溶解，溶液变为黄色。
(4)①在酸性条件下，NOeq \\al(－,3)具有氧化性，可将Fe2＋氧化，因此假设ⅱ为酸性条件下，NOeq \\al(－,3)氧化了Fe2＋。
②根据控制变量法可知，要证明氧化剂为氧气，需要排除硝酸根离子的干扰，因此，可以改为向1.0 mL 0.1 ml·L－1 FeSO4溶液中滴加1.5 mL 1.0 ml·L－1H2SO4溶液。
(5)根据实验的过程和实验现象可知，二价铁的氧化反应与溶液的酸碱性、氧化剂种类及二价铁的存在形式等因素有关。
1．(2021·广东，10)部分含铁物质的分类与相应化合价关系如图所示。下列推断不合理的是( )
A．a可与e反应生成b
B．b既可被氧化，也可被还原
C．可将e加入浓碱液中制得d的胶体
D．可存在b→c→d→e→b的循环转化关系
答案 C
解析 Fe与Fe(Ⅲ)的盐类物质可发生反应生成Fe(Ⅱ)的盐类物质，如Fe＋2FeCl3===3FeCl2，故不选A；Fe(Ⅱ)为铁元素的中间价态，既有还原性也有氧化性，因此既可被氧化，也可被还原，故不选B；Fe(Ⅲ)的盐类物质与浓碱液反应生成Fe(OH)3沉淀，制备Fe(OH)3胶体的操作为向沸水中逐滴加入饱和FeCl3溶液，继续煮沸至溶液呈红褐色，停止加热，故选C；b→c→d→e→b的转化如FeCl2eq \(――→,\s\up7(NaOH))Fe(OH)2eq \(―――→,\s\up7(O2、H2O))Fe(OH)3eq \(――→,\s\up7(稀HCl))FeCl3eq \(――→,\s\up7(Fe))FeCl2，故不选D。
2．(2019·全国卷Ⅰ，27)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。
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)
解析 (2)铁与稀硫酸反应时加热，可提高反应速率。温度低于水的沸点，可以用热水浴加热，受热均匀且便于控制。含少量硫化物的铁屑与稀硫酸反应有H2S生成，氢气不与碱溶液反应，而硫化氢能与碱溶液反应，且H2S在水中溶解度小，故氢气中混有的硫化氢用烧碱溶液除去，又因为硫化氢与碱反应较快，容易引起倒吸，C装置倒置漏斗能防倒吸。(3)铁与稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，加入足量双氧水的目的是将Fe2＋全部氧化为Fe3＋，发生的反应为
2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O，从生成物看，又不引入杂质。铁离子对双氧水分解起催化作用，分批加入双氧水，避免反应过快、放出热量较多，减少双氧水分解，以免造成氧化剂损失；铁离子易水解，保持溶液呈强酸性，避免铁离子发生水解反应生成氢氧化铁。(4)步骤⑤是要从溶液中得到硫酸铁铵晶体，故实验操作有加热浓缩、冷却结晶、过滤(洗涤)。
3．(2018·北京，28)实验小组制备高铁酸钾(K2FeO4)并探究其性质。
资料：K2FeO4为紫色固体，微溶于KOH溶液；具有强氧化性，在酸性或中性溶液中快速产生O2，在碱性溶液中较稳定。
(1)制备K2FeO4(夹持装置略)
①A为氯气发生装置。A中反应方程式是___________________________(锰被还原为Mn2＋)。
②将除杂装置B补充完整并标明所用试剂。
③C中得到紫色固体和溶液。C中Cl2发生的反应有3Cl2＋2Fe(OH)3＋10KOH===2K2FeO4＋6KCl＋8H2O，另外还有_________________________________________________________。
(2)探究K2FeO4的性质
①取C中紫色溶液，加入稀硫酸，产生黄绿色气体，得溶液a，经检验气体中含有Cl2。为证明是否K2FeO4氧化了Cl－而产生Cl2，设计以下方案：
ⅰ.由方案Ⅰ中溶液变红可知a中含有_______________________________________________，
但该离子的产生不能判断一定是K2FeO4将Cl－氧化，还可能由__________________________
________________________________________产生(用方程式表示)。
ⅱ.方案Ⅱ可证明K2FeO4氧化了Cl－。用KOH溶液洗涤的目的是______________。
②根据K2FeO4的制备实验得出：氧化性：Cl2________FeOeq \\al(2－,4)(填“>”或“MnOeq \\al(－,4)，验证实验如下：将溶液b滴入MnSO4和足量H2SO4的混合溶液中，振荡后溶液呈浅紫色。该现象能否证明氧化性：FeOeq \\al(2－,4)>MnOeq \\al(－,4)。若能，请说明理由；若不能，进一步设计实验方案。
理由或方案：__________________________________________________________________。
答案 (1)①2KMnO4＋16HCl(浓)===2MnCl2＋2KCl＋5Cl2↑＋8H2O
②
③Cl2＋2KOH===KCl＋KClO＋H2O
(2)①ⅰ.Fe3＋ 4FeOeq \\al(2－,4)＋20H＋===4Fe3＋＋3O2↑＋10H2O
ⅱ.排除ClO－的干扰
②> 溶液酸碱性不同
③能，理由：FeOeq \\al(2－,4)在过量酸的作用下完全转化为Fe3＋和O2，溶液浅紫色一定是MnOeq \\al(－,4)的颜色(或不能，方案：向紫色溶液b中滴加过量稀H2SO4，观察溶液紫色快速褪去还是显浅紫色)
解析 (1)②应在装置B中装入饱和食盐水，以除去混在Cl2中的HCl。洗气时，气体应长管进、短管出。
(2)①ⅰ.滴加KSCN溶液，溶液变红，说明原溶液中含有Fe3＋。有Fe3＋生成，不能判断FeOeq \\al(2－,4)一定与Cl－发生了反应，根据题目给出的信息，K2FeO4在酸性或中性条件下，会快速产生O2，FeOeq \\al(2－,4)会与H＋发生氧化还原反应生成Fe3＋和O2，离子方程式为4FeOeq \\al(2－,4)＋20H＋===4Fe3＋＋3O2↑＋10H2O。
②碱性条件下，氧化性：Cl2>FeOeq \\al(2－,4)；而在酸性条件下，FeOeq \\al(2－,4)的氧化能力增强，氧化性：Cl2