高考化学一轮复习专题十五铁、铜及其化合物金属资源考点一铁及其化合物教学案 15页

专题十五 铁、铜及其化合物 金属资源 考纲展示 命题探究 考点一 铁及其化合物 1 铁的单质 (1)铁的位置、结构、化合价 ①周期表中的位置：第四周期第Ⅷ族；原子结构示意图： 。 ②在参加化学反应时，铁易失去最外层上的 2 个电子，有时它还失去次外层上的一个电 子，所以铁有＋2、＋3 两种价态，且＋3 价稳定。 (2)铁的物理性质和存在形式 纯净的铁是银白色的金属，铁的熔点较高。当含有碳和其他元素时，熔点将降低，导电 性比铜、铝差。铁能被磁铁吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁性。 重要的铁矿石有(填化学式)： 赤铁矿 Fe2O3，磁铁矿 Fe3O4，褐铁矿 2Fe2O3·3H2O，菱铁矿 FeCO3。 (3)铁的化学性质 学霸巧学卡 铁与不同氧化剂反应的化合价分析 (1)铁分别与氯气和盐酸反应所得的产物中铁元素的价态不同，Fe 与 Cl2 反应生成 FeCl3， 而 Fe 与盐酸反应生成 FeCl2。 (2)铁在潮湿的空气中生成的铁锈的主要成分是 Fe2O3，而铁在纯氧中燃烧的产物是 Fe3O4。 (3)铁与硫蒸气反应生成的是 FeS 而不是 Fe2S3；铁与碘蒸气反应生成的是 FeI2 而不是 FeI3。 2 铁的氧化物和氢氧化物 (1)铁的氧化物 学霸巧学卡 Fe3O4 的组成特点 (1)Fe3O4 的组成可理解为 FeO·Fe2O3，与非氧化性酸(如盐酸、稀硫酸)反应时生成 Fe2＋ 和 Fe3＋；与氧化性酸(如 HNO3)反应时生成 Fe3＋；与还原性酸(如 HI)反应时生成 Fe2＋。 (2)配制 FeSO4 溶液时加入稀硫酸抑制 Fe2＋的水解，加入铁粉防止 Fe2＋被氧化。 (2)铁的氢氧化物 学霸巧学卡 (1)Fe(OH)2 与强氧化性酸(如稀硝酸、浓硫酸)反应时，要注意发生的是氧化还原反应， 而不是复分解反应。 (2)Fe(OH)2 在空气中加热得到的是 Fe2O3：4Fe(OH)2＋O2===== △ 2Fe2O3＋4H2O。 3 铁盐和亚铁盐 (1)亚铁盐 含有 Fe2＋的溶液呈浅绿色，既有氧化性，又有还原性。 ①氧化性：Fe2＋与 Zn 反应的离子方程式： Zn＋Fe2＋===Fe＋Zn2＋。 ②还原性：Fe2＋与 Cl2 反应的离子方程式： 2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－。 ③特性：含有 Fe2＋的盐溶液遇 K3[Fe(CN)6]溶液生成蓝色沉淀。 (2)铁盐 含 Fe3＋的溶液呈黄色，Fe3＋具有较强的氧化性。 ①氧化性： a．Fe3＋与 Cu 反应的离子方程式：2Fe3＋＋Cu===Cu2＋＋2Fe2＋。 b．Fe3＋与 I－反应的离子方程式：2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2。 ②特性： 含有 Fe3＋的盐溶液遇 KSCN 溶液变成红色。 (3)Fe2＋与 Fe3＋的相互转化 用离子方程式实现下列转化： Fe2 ＋ ①Cl2、②NO－ 3 、H＋、③H2O2、H＋、④MnO－ 4 、H＋ ⑤Fe、⑥Cu、⑦H2S F e3＋ ①2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－； ②3Fe2＋＋4H＋＋NO－ 3 ===3Fe3＋＋2H2O＋NO↑； ③2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O； ④5Fe2＋＋MnO－ 4 ＋8H＋===5Fe3＋＋Mn2＋＋4H2O； ⑤2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋； ⑥Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋； ⑦2Fe3＋＋H2S===2Fe2＋＋S↓＋2H＋。 (4)Fe2＋与 Fe3＋的鉴别方法 ①直接观察颜色 Fe2＋溶液呈浅绿色，Fe3＋溶液呈棕黄色。 ②利用显色反应(形成配离子) a. b. ③利用氢氧化物沉淀的颜色 ④利用 Fe3＋的氧化性 a. b. c. ⑤利用 Fe2＋的还原性 a. b. 学霸巧学卡 高中化学中其他重要的铁盐 (1)绿矾(FeSO4·7H2O)：一种重要的还原剂，可用作补血剂及植物的补铁剂。 (2)高铁酸钾( K2FeO4)：深紫色晶体，具有强氧化性，可用作水处理剂或高能电池。 (3)铁铵矾[NH4Fe(SO4)2·12H2O]：无色晶体，易溶于水，常用作化学分析试剂、药物和 织物媒染剂。 (4)赤血盐[K3Fe(CN)6]：红色晶体，易溶于水，常用于检验 Fe2＋，生成蓝色沉淀。 1.思维辨析 (1)铁表面自然形成的氧化层能保护内层金属不被空气氧化。( ) (2)将试管①中铁粉与水蒸气加热，试管②中肥皂水冒泡，说明铁与水蒸气在加热条件 下发生了反应。( ) (3)FeCl3 溶液可用于铜质印刷线路板制作的原理是 FeCl3 能从含 Cu2＋的溶液中置换出 铜。( ) (4)(NH4)2Fe(SO4)2溶液与过量NaOH溶液反应制Fe(OH)2：Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓。( ) (5)向硫酸亚铁溶液中滴加 NaOH 溶液，边加边搅拌，即可制得白色的氢氧化亚铁。( ) (6)Fe2O3 是红棕色粉末，俗称铁红，常用作红色油漆和涂料。( ) 答案 (1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ 2．下列有关铁及其化合物的说法中正确的是( ) A．赤铁矿的主要成分是 Fe3O4 B．铁与水蒸气在高温下的反应产物为 Fe2O3 和 H2 C．除去 FeCl2 溶液中的 FeCl3 杂质可以向溶液中加入铁粉，然后过滤 D．Fe3＋遇 KSCN 产生红色沉淀 答案 C 解析 赤铁矿的主要成分是 Fe2O3，A 错；Fe 与水蒸气在高温下的反应产物为 Fe3O4 和 H2， B 错；Fe3＋遇 KSCN 溶液变为红色，但没有沉淀生成，D 错。 [考法综述] 本考点主要考查铁及其化合物的相关化学反应，包括实验现象、生 成物种类以及各物质的量的关系，除了需要熟练掌握铁及其化合物之间相互转化的化学方程 式、离子方程式和实验现象外，还需对它们进行适当的归纳整理，梳理关系。 命题法 1 铁与稀硝酸反应的有关计算 典例 1 向 200 mL 某浓度的硝酸溶液中投入 2.8 g 铁粉，结果铁粉全部溶解，同时 得到 1.12 L(标准状况)气体，并测得反应后溶液的 pH＝1。若反应前后溶液的体积变化忽略 不计，则下列有关判断中不正确的是 ( ) A．反应前 c(HNO3)＝1.0 mol·L－1 B．1.12 L 气体全部是 NO C．反应后溶液中 c(NO－ 3 )＝0.85 mol·L－1 D．反应后的溶液最多还能溶解 1.82 g 铁粉 [解析] 溶液的 pH＝1，说明 HNO3 有剩余，Fe 完全反应生成 Fe(NO3)3，根据 N 原子守恒 可知，与 Fe3＋结合的 NO － 3 物质的量＝ 3×2.8 g 56 g·mol－1＝0.15 mol，氮的氧化物的物质的量＝ 1.12 L 22.4 L·mol－1＝0.05 mol，剩余硝酸的物质的量＝0.2 L×0.1 mol·L－1＝0.02 mol。开始 时硝酸的物质的量＝0.15 mol＋0.05 mol＋0.02 mol＝0.22 mol，c(HNO3)＝0.22 mol 0.2 L ＝1.1 mol·L－1，A 错误；稀硝酸与 Fe 反应生成 NO，B 正确；反应后 c(NO－ 3 )＝0.15 mol＋0.02 mol 0.2 L ＝0.85 mol·L－1，C 正确；铁过量生成 Fe(NO3)2,3Fe＋8HNO3===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，n(Fe) ＝3n HNO3 8 ＝3×0.22 mol 8 ＝0.0825 mol，即还可溶解铁的质量＝0.0825 mol×56 g·mol －1－2.8 g＝1.82 g，D 正确。 [答案] A 【解题法】 数轴法分析铁与稀 HNO3 反应的产物 一是明确哪种物质过量，二是根据两种物质的量分析讨论判断，根据反应方程式： HNO3 过量：Fe＋4HNO3===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O； Fe 过量：Fe＋2Fe(NO3)3===3Fe(NO3)2； 两者相加得总方程式：3Fe＋8HNO3===3Fe(NO3)2＋2NO↑＋4H2O，可以用数轴表示： 解题时需注意量的范围。 即：① n Fe n HNO3 ≤1 4 ，产物仅有 Fe(NO3)3，HNO3 可能有剩余；② n Fe n HNO3 ≥3 8 ，产物仅 有 Fe(NO3)2，Fe 可能有剩余；③1 4 < n Fe n HNO3 <3 8 ，产物为 Fe(NO3)3 和 Fe(NO3)2，Fe 和 HNO3 都 反应完全。 命题法 2 Fe2＋和 Fe3＋的检验 典例 2 证明某溶液中只含有 Fe2＋而不含有 Fe3＋的实验方法是( ) A．先滴加氯水，再滴加 KSCN 溶液后显红色 B．先滴加 KSCN 溶液，不显红色，再滴加氯水后显红色 C．先滴加 KSCN 溶液，不显红色，再滴加 KMnO4 溶液后显红色 D．只需滴加 KSCN 溶液 [解析] A 项，若无 Fe2＋，只含 Fe3＋，滴加 KSCN 溶液后也会显红色；C 项，因 KMnO4 溶 液呈紫色，会干扰对红色现象的观察；D 项，用于检验 Fe3＋。 [答案] B 【解题法】 溶液中 Fe2＋、Fe3＋共存的检验方法 (1)在检验 Fe2＋时，加入的氧化剂除了氯水外，还可以是 HNO3 或 H2O2，但不能是颜色较 深的物质，如 KMnO4 溶液，以免造成颜色的干扰。 (2)含 Fe2＋、Fe3＋的混合溶液中 Fe2＋、Fe3＋的检验的方法 ①Fe3＋的检验： a. 混合溶液 ―――――――→ 滴加 KSCN 溶液 溶液变红色，说明含有 Fe3＋ b. 混合溶液 ―――――――→ 淀粉KI 试纸 试纸变蓝色，说明含有 Fe3＋ ②Fe2＋的检验： a. 混合溶液 ―――――――→ 滴加酸性 KMnO4 KMnO4 溶液紫红色褪去，说明含有 Fe2＋ b. 混合溶液 ―――――――→ 滴加溴水 溴水褪色，说明含有 Fe2＋ 命题法 3 “铁三角”的转化关系及综合应用 典例 3 已知 A 为常见的金属单质，根据下图所示的关系： 下列说法正确的是( ) A．A 为 Fe，B 为 FeO B．C→D 溶液的颜色变化：由浅绿色到黄色 C．④的离子方程式：Fe＋Fe3＋===2Fe2＋ D．⑤的离子方程式：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3 [解析] 从最初条件看，框图很模糊，直接得不出结论，但找到“题眼”→“红褐色固 体 F”，就可迅速得出 F 是 Fe(OH)3，从而得出 A 为 Fe，“黑色晶体” B 为 Fe3O4，继而推出 C 为 FeCl2，D 为 FeCl3，E 为 Fe(OH)2。④的离子方程式：2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－，⑤的离 子方程式：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋。 [答案] B 【解题法】 “铁三角”及重要应用归纳总结 (1)掌握“铁三角”的转化关系 (2)“铁三角”的重要应用 ①判断离子共存 Fe2＋ ――→ 不共存 NO－ 3 (H＋)、ClO－、MnO－ 4 (H＋)。 Fe3＋ ――→ 不共存 S2－、I－、SO2－ 3 。 Fe2＋、Fe3＋ ――→ 不共存 HCO－ 3 、CO 2－ 3 等水解相互促进的离子。 ②除杂 溶液 杂质 除杂方法 FeC l2 FeCl3 加过量铁粉后过滤 FeCl3 FeCl2 加氯水或 H2O2 FeCl2 CuCl2 加过量铁粉后过滤 ③盐溶液的配制与保存 命题法 4 Fe(OH)2 的制备 典例 4 如图所示，此装置可用来制取和观察 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 中应预先加入的试剂是________。A 中反应的离子 方程式是_________________________。 (2)实验开始时应先将活塞 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 活 塞 ， 放 入 一 部 分 空 气 ， 此 时 B 瓶 中 发 生 的 反 应 为 ______________________________________。 (5)下列各图示中________能较长时间看到 Fe(OH)2 白色沉淀。 [解析] Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑，当关闭活塞 a 时，由于 H2 的压力使溶液压入 B 中，从 而 发 生 Fe2 ＋ ＋ 2OH － ===Fe(OH)2↓ ； Fe2 ＋ 在 空 气 中 很 容 易 被 氧 化 ， 即 4Fe(OH)2 ＋ O2 ＋ 2H2O===4Fe(OH)3。因此在 H2 的环境中就不易被 O2 侵入，从而可以较长时间看到 Fe(OH)2 白色 沉淀。 [答案] (1)铁屑 Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑ (2)打开 (3)关闭活塞 a，使 FeSO4 溶液压入 B 中进行反应 (4)4Fe(OH)2＋2H2O＋O2===4Fe(OH)3 (5)①②③⑤ 【解题法】 制备 Fe(OH)2 常用的三种方法及防氧化措施 (1)制备 Fe(OH)2 常用的三种方法 方法一：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。 方法二：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。 方法三：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)实验室制备氢氧化亚铁的防氧化措施 ①将配制溶液的蒸馏水煮沸，驱除溶解的氧气。 ②将盛有氢氧化钠溶液的胶头滴管尖端插入试管里的亚铁盐溶液底部，再慢慢挤出 NaOH 溶液。 ③在亚铁盐溶液上面加保护层，例如苯或植物油等。 ④充入保护气，如氢气、氮气、稀有气体等。 ⑤用铁作阳极，石墨作阴极，电解 NaOH 溶液或 NaCl 溶液，利用新产生的 Fe2＋与 OH－反 应制取。 1．用 FeCl3 溶液腐蚀印刷电路板上的铜，所得溶液中加入铁粉。对加入铁粉充分反应 后的溶液分析合理的是( ) A．若无固体剩余，则溶液中一定有 Fe3＋ B．若有固体存在，则溶液中一定有 Fe2＋ C．若溶液中有 Cu2＋，则一定没有固体析出 D．若溶液中有 Fe2＋，则一定有 Cu 析出 答案 B 解 析 所 得 溶 液 中 加 入 铁 粉 ， 发 生 的 反 应 可 能 有 Fe ＋ 2FeCl3===3FeCl2, Fe ＋ CuCl2===FeCl2＋Cu，Cu＋2FeCl3===2FeCl2＋CuCl2，若无固体剩余，说明铁粉以及产生的 Cu 全部参加反应，此时溶液中可能含有 Fe3＋，也可能不含有 Fe3＋，A 错误；若有固体存在，说 明固体中一定含有 Cu，还有可能含有 Fe，因此溶液中一定含有 Fe2＋，B 正确；若溶液中有 Cu2＋，那么可能会有部分 Cu2＋和 Fe 反应置换出 Cu，所以可能会有固体析出，C 错误；若溶 液中有 Fe2＋，同时还有 Fe3＋，则没有 Cu 析出，D 错误。 2．不能同时满足在溶液和非溶液状态下发生置换反应的是( ) A．金属单质置换金属单质 B．金属单质置换非金属单质 C．非金属单质置换金属单质 D．非金属单质置换非金属单质 答案 C 解析 A 项，两种情况下均可发生置换反应，如铁和硫酸铜溶液反应：Fe＋CuSO4===FeSO4 ＋Cu，铝热反应：2Al＋Fe2O3===== 高温 2Fe＋Al2O3；B 项，两种情况下均可发生置换反应，如 Fe ＋2HCl===FeCl2＋H2↑，2Mg＋CO2===== 点燃 2MgO＋C；C 项，非金属单质置换金属单质在溶液中不 能发生；D 项，两种情况下均可发生置换反应，如 Cl2＋2KBr===2KCl＋Br2、2C＋SiO2===== △ Si ＋2CO↑。 3．FeCl3 具有净水作用，但腐蚀设备，而聚合氯化铁是一种新型的絮凝剂，处理污水比 FeCl3 高效，且腐蚀性小。请回答下列问题： (1)FeCl3 净水的原理是________________。FeCl3 溶液腐蚀钢铁设备，除 H＋作用外，另 一主要原因是(用离子方程式表示)________________________。 (2)为节约成本，工业上用 NaClO3 氧化酸性 FeCl2 废液得到 FeCl3。 ①若酸性 FeCl2 废液中 c(Fe2＋) ＝2.0×10－2 mol·L－1，c(Fe3＋)＝1.0×10－3 mol·L－1， c(Cl－)＝5.3×10－2 mol·L－1，则该溶液的 pH 约为________。 ②完成 NaClO3 氧化 FeCl2 的离子方程式： ClO－ 3 ＋ Fe2＋＋ ________=== Cl－ ＋ Fe3＋＋ ________ (3)FeCl3 在溶液中分三步水解： Fe3＋＋H2O Fe(OH)2＋＋H＋ K1 Fe(OH)2＋＋H2O Fe(OH)＋ 2 ＋H＋ K2 Fe(OH)＋ 2 ＋H2O Fe(OH)3＋H＋ K3 以上水解反应的平衡常数 K1、K2、K3 由大到小的顺序是________________________。 通过控制条件，以上水解产物聚合，生成聚合氯化铁，离子方程式为 xFe3 ＋ ＋ yH2O Fex(OH) 3x－y ＋ y ＋yH＋。 欲使平衡正向移动可采用的方法是(填序号)________。 a．降温 B．加水稀释 c．加入 NH4Cl D．加入 NaHCO3 室 温 下 ， 使 氯 化 铁 溶 液 转 化 为 高 浓 度 聚 合 氯 化 铁 的 关 键 条 件 是 ________________________。 (4)天津某污水处理厂用聚合氯化铁净化污水的结果如图所示。由图中数据得出每升污 水中投放聚合氯化铁[以 Fe(mg·L－1)表示]的最佳范围约为________mg·L－1。 答案 (1)Fe3＋水解产生的 Fe(OH)3 胶体粒子能吸附水中悬浮的杂质 2Fe3＋＋Fe===3Fe2 ＋ (2)①2 ②1 6 6H＋ 1 6 3H2O (3)K1>K2>K3 bd 调节溶液的 pH (4)18～20 解析 (1)氯化铁水解生成的氢氧化铁胶体，具有吸附作用，可吸附水中的杂质，起到 净水作用。氯化铁溶液腐蚀钢铁，原因之一是 Fe3＋能与 Fe 反应，生成 Fe2＋。 (2)①酸性 FeCl2 废液中，由电荷守恒：2c(Fe2＋)＋3c(Fe3＋)＋c(H＋)＝c(OH－)＋c(Cl－)， 忽略溶液中 c(OH－)，并将已知数据代入上式解得 c(H＋)＝0.01 mol·L－1，故溶液的 pH 约为 2。②依据电子守恒、电荷守恒和元素守恒，可完成方程式配平。 (3)盐类的逐级水解程度依次减弱，故 K1>K2>K3。盐类的水解反应是吸热反应，降温，水 解平衡逆向移动，a 错误。加水稀释促进水解，b 正确。NH4Cl 水解呈酸性，故加入 NH4Cl， 平衡逆向移动，而 NaHCO3 水解呈碱性可使平衡正向移动，故 c 错误，d 正确。在室温下，使 上述平衡正向移动的关键条件是溶液的 pH。 (4)“浑浊度”的去除率越大，净化效果越好，此时聚合氯化铁的最佳浓度为 18 mg·L－1； “还原性物质”的去除率越大，净化效果越好，此时聚合氯化铁的最佳浓度为 20 mg·L－1。综 合考虑，投放聚合氯化铁的最佳范围是 18～20 mg·L－1。