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- 2021-05-13 发布
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第10讲 铁及其重要的化合物
考纲要求
1.掌握铁的主要性质及应用。
2.掌握铁的重要化合物的主要性质及应用。
3.能鉴别溶液中的Fe2+、Fe3+。
考点一 铁的性质
1.位置、物理性质
铁位于元素周期表的第四周期Ⅷ族,主要化合价为+2、+3,在地壳中的含量仅次于氧、硅和铝。铁具有金属的通性,具有被磁铁吸引的特性。
2.化学性质(写出化学方程式或离子方程式)
【多维思考】
1.铁、铝遇冷的浓硫酸或浓硝酸发生钝化,是物理变化还是化学变化?
提示:化学变化。
2.FeCl2、FeCl3是否都可以通过化合反应制取?
提示:都可以。
铁与氧化剂反应后的价态判断方法
(1)铁与弱氧化剂(如S、I2、H+、Fe3+、Cu2+)等反应所得产物为Fe2+,铁元素的价态为+2价。
(2)铁与强氧化剂(如Cl2、Br2、浓H2SO4、硝酸等)反应所得产物为Fe3+,铁元素的价态为+3价。
(3)铁在纯氧中燃烧以及在高温下与H2O(g)反应得到的产物为Fe3O4,铁元素的价态为+2、+3价。
考向一 铁的存在和性质
1.下表中,对陈述Ⅰ、Ⅱ的正确性及其有无因果关系的判断都正确的是( )
陈述Ⅰ
陈述Ⅱ
判断
A
铁是地壳中含量最高的金属元素
铁是人类最早使用的金属材料
Ⅰ对;Ⅱ对;有
B
常温下铁与稀硫酸反应生成氢气
高温下氢气能还原氧化铁得到铁
Ⅰ对;Ⅱ对;无
C
铁元素属于过渡元素
铁和铁的某些化合物可用作催化剂
Ⅰ错;Ⅱ对;无
D
在空气中铁表面形成致密氧化膜
铁不能与氧气反应
Ⅰ对;Ⅱ对;有
解析:A项,地壳中含量最高的金属元素是Al,Ⅰ错,最早使用的金属是铜,Ⅱ错;C项,陈述Ⅰ、Ⅱ都正确,且有因果关系;D项,铁在空气中易形成铁锈,而不是致密的氧化膜,且铁与氧气反应,Ⅰ、Ⅱ均错。
答案:B
2.下列关于铁的说法正确的是( )
A.纯铁为灰黑色,所以铁属于黑色金属
B.铁在硫蒸气中燃烧生成Fe2S3
C.纯铁的抗腐蚀能力非常强,铁在干燥的空气里不易被氧化
D.铁的化学性质比较活泼,它能和水蒸气反应生成H2和Fe(OH)3
解析:纯铁为银白色,A错;铁在硫蒸气中燃烧生成FeS,B错;3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2,D错。
答案:C
考向二 铁反应后元素价态的判断
3.下列物质反应后一定有+3价铁生成的是( )
①过量的Fe与Cl2加热时发生反应 ②Fe与过量稀H2SO4反应后,再向其中加KNO3 ③Fe与过量的S加热时发生反应 ④Fe(NO3)2溶液中加少量盐酸 ⑤Fe和Fe2O3的混合物溶于盐酸中
A.①②③ B.③④⑤
C.①④⑤ D.①②④
解析:Fe与Cl2反应只生成FeCl3;Fe与S反应生成FeS;FeFe2+Fe3+;Fe2+Fe3+;Fe2O3溶于盐酸生成Fe3+,当混合物中Fe不足时,溶液中仍有Fe3+,当Fe足量时,溶液中无Fe3+。
答案:D
4.在一定量的稀HNO3中慢慢加入铁粉,得到的Fe2+
的物质的量(纵坐标)与所加铁粉的物质的量(横坐标)的关系如图所示。请将正确答案的序号填在相应的横线上。
①Fe3+ ②Fe2+ ③Fe、Fe2+ ④Fe2+、Fe3+
(1)AB段铁元素以________形式存在。
(2)BC段铁元素以________形式存在。
(3)CD段铁元素以________形式存在。
解析:向稀HNO3中加入铁粉,开始时稀HNO3过量应生成Fe3+,故AB段铁元素以Fe3+形式存在。随着铁粉的增加,溶液中的Fe3+与Fe反应生成Fe2+,故BC段铁元素以Fe2+、Fe3+形式存在。Fe3+全部转化成Fe2+后,铁粉不再溶解,故CD段铁元素以Fe、Fe2+形式存在。
答案:(1)① (2)④ (3)③
考点二 铁的氧化物与氢氧化物
1.铁的氧化物
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
俗名
铁红
磁性氧化铁
颜色状态
黑色粉末
红棕色粉末
黑色晶体
(有磁性)
溶解性
难溶于水
难溶于水
难溶于水
铁的
化合价
+2
+3
+2、+3
稳定性
不稳定
稳定
稳定
与H+反应的离子方程式
FeO+2H+
===Fe2++H2O
Fe2O3+6H+
===2Fe3++3H2O
Fe3O4+8H+
===Fe2+
+2Fe3++4H2O
2.铁的氢氧化物
化学式
Fe(OH)2
Fe(OH)3
色态
白色固体
红褐色固体
与盐酸反应
Fe(OH)2+2H+===
Fe2++2H2O
Fe(OH)3+3H+
===Fe3++3H2O
受热分解
分解产物复杂
2Fe(OH)3
Fe2O3+3H2O
制法
可溶性亚铁盐与碱溶液反应Fe2++2OH-
=== Fe(OH)2↓
可溶性铁盐与碱溶液反应
Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
两者的关系
在空气中,Fe(OH)2能够非常迅速地被氧气氧化成Fe(OH)3,现象是白色絮状沉淀迅速变成灰绿色,最后变成红褐色,反应方程式为4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
【多维思考】
1.盐酸、氢碘酸均是强酸,Fe(OH)3分别与它们反应有何不同?写出有关的反应方程式?
提示:Fe(OH)3悬浊液遇到盐酸、氢碘酸均能使红褐色沉淀溶解,但HI具有较强的还原性,能被Fe3+氧化为I2,使溶液颜色变深,故HCl与Fe(OH)3反应只是中和反应:Fe(OH)3+3HCl===FeCl3+3H2O,而HI与Fe(OH)3反应为氧化还原反应,反应方程式为2Fe(OH)3+6HI===2FeI2+I2+6H2O。
2.用FeSO4溶液和NaOH溶液制备Fe(OH)2沉淀,应注意哪些问题?
提示:(1)配制FeSO4溶液和NaOH溶液的蒸馏水要加热煮沸以除去蒸馏水中的O2;
(2)用长滴管吸取NaOH溶液插入FeSO4溶液液面以下挤出。
1.铁的氧化物组成的判断方法
设铁的氧化物中铁元素与氧元素的质量比为m∶n,则氧化物中n(Fe)∶n(O)=∶=a:b,
若a∶b=1∶1,则铁的氧化物为FeO;
若a∶b=2∶3,则铁的氧化物为Fe2O3;
若a∶b=3∶4,则铁的氧化物是Fe3O4,或FeO与Fe2O3按物质的量比1∶1的混合物,或FeO、Fe2O3、Fe3O4的混合物其中FeO、Fe2O3物质的量之比为1∶1,Fe3O4为任意值。
2.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。
图3
考向一 铁的氧化物、氢氧化物的组成与性质
1.把少量废铁屑溶于过量稀硫酸中,过滤,除去杂质,在滤液中加入适量硝酸,再加入过量的氨水,有红褐色沉淀生成。过滤,加热沉淀物至质量不再发生变化,得到红棕色的残渣。上述沉淀和残渣分别为( )
A.Fe(OH)3;Fe2O3 B.Fe(OH)2;FeO
C.Fe(OH)2、Fe(OH)3;Fe3O4 D.Fe2O3;Fe(OH)3
解析:红褐色沉淀应为Fe(OH)3,因为加入HNO3,Fe(OH)2不存在;Fe(OH)3受热分解生成Fe2O3。
答案:A
2.由FeO、Fe2O3和Fe3O4组成的混合物,测得其中铁元素与氧元素的质量比为21∶8,则这种混合物中FeO、Fe2O3和Fe3O4的物质的量之比是( )
A.1∶2∶1 B.2∶1∶1
C.1∶3∶1 D.1∶1∶3
解析:混合物中,n(Fe)∶n(O)=∶=3∶4,故FeO与Fe2O3按物质的量1∶1混合,D项符合要求。
答案:D
考向二 Fe(OH)2的制备
3.用下列方法可制得白色的Fe(OH)2沉淀: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)用硫酸亚铁晶体配制上述FeSO4溶液时还需加入__________________________________________________________
_________________________________________________________。
(2)除去蒸馏水中溶解的O2常采用__________的方法。
(3)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______________________________________________。
解析:(1)Fe2+易水解,要加入稀硫酸防止其水解;Fe2+易被空气中的O2氧化,要加Fe粉防止Fe2+被氧化。
(2)气体的溶解度随温度升高而降低,所以煮沸后的水中溶解的O2较少。
答案:(1)稀硫酸、铁屑 (2)煮沸
(3)避免生成的Fe(OH)2沉淀接触O2
4.下列各图示中能较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀的是________(填序号)。
解析:因为Fe(OH)2在空气中很容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3,即4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3,因此要较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀,就要排除装置中的氧气或空气。①、②原理一样,都是先用氢气将装置中的空气排尽,并使生成的Fe(OH)2处在氢气的保护中;③的原理为铁作阳极产生Fe2+,与电解水产生的OH-结合生成Fe(OH)2,且液面用汽油保护,能防止空气进入;⑤中液面加苯阻止了空气进入;④由于带入空气中的氧气,能迅速将Fe(OH)2氧化,因而不能较长时间看到白色沉淀。
答案:①②③⑤
考点三 Fe2+、Fe3+的性质及检验
1.“铁三角”的转化关系
写出上述转化关系中标号反应的离子方程式:
①2Fe3++Fe===3Fe2+;
②2Fe3++H2S===2Fe2++S↓+2H+;
③2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O;
④3Fe2++NO+4H+===3Fe3++NO↑+2H2O。
2.Fe2+和Fe3+的检验
(1)Fe2+的检验:先加KSCN溶液,无明显现象,再加氯水出现红色,反应的离子方程式:Cl2+2Fe2+===2Cl-+2Fe3+、Fe3++3SCN-Fe(SCN)3。
(2)Fe3+的检验:滴加KSCN溶液,生成红色溶液,反应的离子方程式为Fe3++3SCN-Fe(SCN)3。
【多维思考】
1.如何除去FeCl3溶液中的Fe2+?
提示:加一定量的氯水或H2O2溶液。
2.Fe2+与NO能否大量共存?若向其中再加入少量盐酸,情况又会如何?
提示:Fe2+与NO能大量共存,但在酸性条件下NO能将Fe2+氧化成Fe3+而不能大量共存。
3.检验Fe2+时能不能先加氯水再加KSCN溶液?为什么?
提示:不能,因为若溶液中含有Fe3+时,就无法排除其干扰。
Fe2+、Fe3+的转化应用——除杂
主要成分
杂质
除杂方法
FeCl3
FeCl2
加入氯水或H2O2
FeCl2
FeCl3
加过量铁粉后过滤
FeCl2
CuCl2
加过量铁粉后过滤
考向一 Fe2+与Fe3+之间的转化
1.如何除去括号中的杂质?
(1)Fe2+(Fe3+):________________________________________;
(2)FeCl3(FeCl2):______________________________________;
(3)FeCl2(CuCl2):______________________________________;
(4)Fe2O3(Al2O3、SiO2):__________________________________。
答案:(1)加过量铁粉,过滤
(2)加氯水或H2O2
(3)加过量铁粉,过滤
(4)加过量强碱溶液,过滤
2.在FeCl3溶液蚀刻铜箔制造电路板的工艺中,废液处理和资源回收的过程简述如下:
Ⅰ.向废液中投入过量铁屑,充分反应后分离出固体和滤液;
Ⅱ.向滤液中加入一定量石灰水,调节溶液pH,同时鼓入足量的空气。
(1)FeCl3蚀刻铜箔反应的离子方程式为__________________________________________________________
_________________________________________________________。
(2)过程Ⅰ加入铁屑的主要作用是_______________________,
分离得到的固体主要成分是____________________________,
从固体中分离出铜需采用的方法是_______________________。
(3)过程Ⅱ中发生反应的化学方程式为____________________
_________________________________________________________。
解析:FeCl3溶液蚀刻铜箔的离子方程式为2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+,得到的废液中含有FeCl3、CuCl2、FeCl2。
答案:(1)2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+
(2)反应掉FeCl3、CuCl2 Fe、Cu 加入足量稀盐酸过滤
(3)4FeCl2+4Ca(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3+4CaCl2
考向二 探究Fe2+与Fe3+的性质
3.某班同学用如下实验探究Fe2+、Fe3+的性质。
回答下列问题:
(1)分别取一定量氯化铁、氯化亚铁固体,均配制成0.1 mol·L-1的溶液。在FeCl2溶液中需加入少量铁屑,其目的是_____________
_________________________________________________________。
(2)甲组同学取2 mL FeCl2溶液,加入几滴氯水,再加入1滴KSCN溶液,溶液变红,说明Cl2可将Fe2+氧化。FeCl2溶液与氯水反应的离子方程式为________________________________________
_________________________________________________________。
(3)乙组同学认为甲组的实验不够严谨,该组同学在2 mL FeCl2溶液中先加入0.5 mL煤油,再于液面下依次加入几滴氯水和1滴KSCN溶液,溶液变红,煤油的作用是________________________。
(4)丙组同学取10 mL 0.1 mol·L-1 KI溶液,加入6 mL 0.1 mol·L-1 FeCl3溶液混合。分别取2 mL此溶液于3支试管中进行如下实验:
①第一支试管中加入1 mL CCl4充分振荡、静置,CCl4层显紫色;
②第二支试管中加入1滴K3[Fe(CN)6]溶液,生成蓝色沉淀;
③第三支试管中加入1滴KSCN溶液,溶液变红。
实验②检验的离子是______(填离子符号);实验①和③说明:在I-过量的情况下,溶液中仍含有________(填离子符号),由此可以证明该氧化还原反应为________。
(5)丁组同学向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的FeCl2溶液,溶液变成棕黄色,发生反应的离子方程式为____________;一段时间后,溶液中有气泡出现,并放热,随后有红褐色沉淀生成。产生气泡的原因是_________________________________________;
生成沉淀的原因是_________________________________________
________________________(用平衡移动原理解释)。
解析:(1)Fe2+具有很强的还原性,易被空气中的O2氧化为Fe3+,在FeCl2溶液中加入少量铁屑,可防止Fe2+被氧化。
(2)Fe2+被氧化为Fe3+,Cl2被还原为Cl-,反应的离子方程式为2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-。
(3)O2难溶于煤油,加入煤油能隔绝空气,排除O2对实验的影响。
(4)KI溶液与FeCl3溶液反应的离子方程式为2I-+2Fe3+===I2+2Fe2+。K3[Fe(CN)6]是检验Fe2+的试剂。实验③溶液变红,说明溶液中仍存在Fe3+
,由此可说明该氧化还原反应为可逆反应。
(5)酸化的FeCl2溶液与H2O2反应,Fe2+被氧化为Fe3+,H2O2被还原为H2O,反应的离子方程式为H2O2+2Fe2++2H+===2Fe3++2H2O。Fe3+对H2O2的分解起催化作用,当反应一段时间后,会发生反应:2H2O22H2O+O2↑,故溶液中产生气泡。由于H2O2分解反应放热,促使Fe3++3H2OFe(OH)3+3H+平衡右移,最终出现Fe(OH)3红褐色沉淀。
答案:(1)防止Fe2+被氧化
(2)2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-
(3)隔绝空气(排除氧气对实验的影响)
(4)Fe2+ Fe3+ 可逆反应
(5)2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O
Fe3+催化H2O2分解产生O2 H2O2分解反应放热,促进Fe3+的水解平衡正向移动
1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)
(1)(2019·高考江苏卷,7A)FeFeCl2Fe(OH)2( )
(2)(2019·高考江苏卷,9A)无色透明的溶液中: Fe3+、Mg2+、SCN-、Cl- 能大量共存( )
(3)(2019·高考江苏卷9C)c(Fe2+)=1 mol·L-1的溶液中:K+、NH、MnO、SO能大量共存( )
(4)(2019·高考四川卷Ⅲ,2B)常温下,将铁片浸入足量浓硫酸中,铁片不溶解,则常温下铁与浓硫酸一定没有发生化学反应( )
(5)(2019·高考全国卷Ⅲ,7B)根据铁比铜金属性强,在实际应用中可用FeCl3腐蚀Cu刻制印刷电路板( )
(6)(2019·高考全国卷Ⅰ,10C)配制氯化铁溶液时,将氯化铁溶解在较浓的盐酸中再加水稀释( )
(7)(2019·高考海南卷)将铁屑放入稀HNO3中证明Fe比H2活泼( )
(8)(2019·高考重庆卷,4A)观察Fe(OH)2生成( )
(9)(2019·高考天津卷,2A)在溶液中加KSCN,溶液显红色,证明原溶液中有Fe3+
,无Fe2+( )
(10)(2019·高考山东卷,11B)向某溶液中滴加氯水后再加入KSCN溶液,溶液呈红色,则溶液中一定含有Fe2+( )
(11)(2019·高考四川卷,1A改编)铁粉作食品袋内的脱氧剂,铁粉起还原作用( )
答案:(1)× (2)× (3)× (4)× (5)× (6)√ (7)× (8)√ (9)× (10)× (11)√
2.(2019·高考全国卷Ⅲ)绿矾是含有一定量结晶水的硫酸亚铁,在工农业生产中具有重要的用途。某化学兴趣小组对绿矾的一些性质进行探究。回答下列问题:
(1)在试管中加入少量绿矾样品,加水溶解,滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化。再向试管中通入空气,溶液逐渐变红。由此可知:________、________。
(2)为测定绿矾中结晶水含量,将石英玻璃管(带两端开关K1和K2)(设为装置A)称重,记为m1 g。将样品装入石英玻璃管中,再次将装置A称重,记为m2 g。按下图连接好装置进行实验。
①仪器B的名称是________________。
②将下列实验操作步骤正确排序________________(填标号);重复上述操作步骤,直至A恒重,记为m3 g。
a.点燃酒精灯,加热 B.熄灭酒精灯
c.关闭K1和K2 D.打开K1和K2,缓缓通入N2
e.称量A f.冷却到室温
③根据实验记录,计算绿矾化学式中结晶水数目x=________________(列式表示)。若实验时按a、d次序操作,则使x________(填“偏大”“偏小”或“无影响”)。
(3)为探究硫酸亚铁的分解产物,将(2)中已恒重的装置A接入下图所示的装置中,打开K1和K2,缓缓通入N2,加热。实验后反应管中残留固体为红色粉末。
①C、D中的溶液依次为________(填标号)。C、D中有气泡冒出,并可观察到的现象分别为________________。
a.品红 B.NaOH c.BaCl2
d.Ba(NO3)2 e.浓H2SO4
②写出硫酸亚铁高温分解反应的化学方程式_______________
________________________________________________________。
解析:(1)样品溶于水滴加KSCN溶液,溶液颜色无明显变化,说明样品中无Fe3+;再向试管中通入空气,溶液逐渐变红,这说明有铁离子产生,即硫酸亚铁易被空气氧化为硫酸铁,铁离子遇KSCN溶液显红色;(2)①根据仪器构造可知B是球形干燥管;②由于装置中含有空气,空气能氧化硫酸亚铁,所以加热前需要排尽装置中空气,利用氮气排出空气,为了使生成的水蒸气完全排除,应该先熄灭酒精灯再冷却,然后关闭K1和K2
,最后称量,即正确的排序是dabfce;③样品的质量是m2-m1,加热后剩余固体是硫酸亚铁,根据铁原子守恒可知=,解得x=;若实验时按a、d次序操作,在加热过程中硫酸亚铁被空气氧化为硫酸铁,导致m3增加,因此x偏小;(3)①最终得到红棕色固体,说明有氧化铁生成,即分解过程发生了还原反应,根据化合价变化可知一定有SO2生成,这说明硫酸亚铁分解生成氧化铁、二氧化硫和三氧化硫。三氧化硫溶于水生成硫酸,硫酸根离子和钡离子结合生成白色沉淀硫酸钡,由于硝酸钡在酸性溶液中有氧化性,能氧化SO2,所以应该用氯化钡,检验SO2用品红溶液,所以C、D的溶液依次为氯化钡溶液和品红溶液,实验现象是C中溶液变浑浊产生白色沉淀,D中品红溶液褪色;②根据以上分析可知硫酸亚铁高温分解的方程式为2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑。
答案:(1)样品中无Fe3+ 硫酸亚铁易被空气氧化为硫酸铁
(2)①球形干燥管 ② dabfce ③ 偏小
(3)①c、a 产生白色沉淀、品红溶液褪色
②2FeSO4Fe2O3+SO2↑+SO3↑