第三章 第12讲.docx
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第三章第12讲
考纲要求
1.了解铁及其重要化合物的主要性质及其应用。
2.能鉴别溶液中的Fe2+、Fe3+。
考点一 铁的单质、氧化物和氢氧化物
1.铁
(1)物理性质
银白色固体,熔点较高,具有良好的导热、导电、延展性,能被磁铁吸引。
(2)结构
(3)化学性质
铁元素性质活泼,有较强的还原性,主要化合价为+2价和+3价。
按要求书写下列反应的方程式:
①Fe与Cl2、S反应的化学方程式:
2Fe+3Cl2
2FeCl3;
Fe+S
FeS。
②Fe与水蒸气的反应:
3Fe+4H2O(g)
Fe3O4+4H2。
③与氧化性酸(如HNO3)的反应(写离子方程式)。
Fe与过量稀HNO3的反应:
Fe+NO
+4H+===Fe3++NO↑+2H2O。
Fe与少量稀HNO3的反应:
3Fe+2NO
+8H+===3Fe2++2NO↑+4H2O。
④Fe与FeCl3溶液的反应(写离子方程式):
Fe+2Fe3+===3Fe2+。
2.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
3.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
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↓
二者的关系
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,化学方程式为4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
深度思考
1.正误判断,正确的打“√”,错误的打“×”
(1)铁位于元素周期表中第四周期第ⅧB族(×)
(2)氧化铁能与酸反应,所以可用于制作红色染料(×)
(3)用铁制容器可以运输浓硝酸和浓硫酸(√)
(4)Fe2O3与NaOH溶液反应可制取Fe(OH)3(×)
(5)铁与过量的硫粉共热产物是Fe2S3(×)
(6)Fe在足量Cl2中燃烧生成FeCl3,在少量Cl2中燃烧生成FeCl2(×)
2.纯铁有较强的抗腐蚀能力,为什么日常生活中的铁制品容易生锈?
答案 日常生活中的铁制品中的铁通常含有杂质碳,在潮湿的空气中易发生原电池反应(电化学腐蚀),生成氧化铁的水合物。
3.通过化合反应能制取FeCl2、FeCl3、Fe(OH)2、Fe(OH)3吗?
能制取的用化学方程式表示。
答案 FeCl2、FeCl3和Fe(OH)3均能通过化合反应制取,而Fe(OH)2则不能。
FeCl2:
2FeCl3+Fe===3FeCl2
FeCl3:
①2Fe+3Cl2
2FeCl3
②2FeCl2+Cl2===2FeCl3
Fe(OH)3:
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
题组一 铁的单质、氧化物和氢氧化物的性质
1.下列有关铁及其化合物的说法中正确的是( )
A.铁的化学性质比较活泼,所以铁在自然界中全部以化合态存在
B.铁在纯氧中燃烧或在氯气中燃烧所得产物中铁的化合价均为+3价
C.工业上可用铁质容器储存浓硝酸和浓硫酸,原因是铁在常温下与两种酸不反应
D.工业上用CO在高温条件下还原含Fe2O3的铁矿石炼铁
答案 D
解析 自然界中有少量铁以单质形式存在(如陨铁),A错;铁在纯氧中燃烧产物是Fe3O4,其中铁的化合价有+2价和+3价两种价态,B错;铁在常温下遇浓硫酸或浓硝酸钝化,形成了致密的氧化膜隔绝铁与酸的接触,C项错。
2.(2017·大连高三调研)在一定条件下,下列物质能与铁单质发生反应,其中能将铁元素从0价转变为+3价的是( )
A.盐酸B.稀硫酸C.稀硝酸D.硫酸铜溶液
答案 C
解析 能将铁元素从0价转变为+3价,选项中只有硝酸具有强氧化性。
3.铁屑溶于过量稀硫酸,过滤后向滤液中加入过量氨水,有白色沉淀生成,过滤,在空气中加热沉淀至质量不再发生变化为止,得到红棕色残渣。
上述沉淀和残渣分别是( )
A.Fe(OH)3 Fe2O3B.Fe(OH)2 Fe2O3
C.Fe(OH)2 Fe(OH)3D.Fe(OH)2 Fe3O4
答案 B
解析 铁与稀硫酸反应生成FeSO4,再与过量氨水反应生成白色沉淀Fe(OH)2,在空气中加热Fe(OH)2,铁元素被氧化为+3价,最后所得红棕色残渣为Fe2O3。
题组二 用守恒思想判断氧化物的组成
4.(2016·樟树市模拟)铁的常见化合价有+2价和+3价。
据研究,铁在浓HNO3中发生钝化时,可生成一种化学式为Fe8O11的化合物,它可以看作由FeO和Fe2O3组成的复杂氧化物。
该化合物可以表示为( )
A.FeO·3Fe2O3B.2FeO·3Fe2O3
C.FeO·2Fe2O3D.2FeO·Fe2O3
答案 B
解析 化合物Fe8O11可以看作由FeO和Fe2O3组成的复杂氧化物,设化学式为nFeO·mFe2O3,则
解得n=2,m=3,该化合物可以表示为2FeO·3Fe2O3。
5.准确称取某种铁的氧化物2.88g,用足量的CO进行还原,将生成的CO2全部用足量的澄清石灰水吸收,得到沉淀4g,则这种铁的氧化物为( )
A.Fe3O4B.Fe2O3C.FeOD.以上都不是
答案 C
解析 4gCaCO3沉淀的物质的量为0.04mol,则CO、CO2的物质的量也为0.04mol,增加的氧元素为0.04mol,质量为0.04mol×16g·mol-1=0.64g,铁的氧化物中氧元素质量为0.64g,铁元素质量为2.88g-0.64g=2.24g,铁的氧化物中铁元素与氧元素物质的量之比为
∶
=1∶1,则铁的化学式为FeO。
6.有一块铁的“氧化物”样品,用140mL5.0mol·L-1盐酸恰好将之完全溶解,所得溶液还能吸收0.025molCl2,恰好使其中的Fe2+全部转变为Fe3+,则该样品可能的化学式为( )
A.Fe2O3B.Fe3O4C.Fe4O5D.Fe5O7
答案 D
解析 根据2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-,可知铁的“氧化物”样品用盐酸溶解后所得溶液中n(Fe2+)=0.025mol×2=0.05mol,根据电荷守恒得2n(Fe2+)+3n(Fe3+)=n(Cl-),则n(Fe3+)=0.2mol,故n(Fe2+)∶n(Fe3+)=0.05∶0.2=1∶4,故该氧化物可表示为FeO·2Fe2O3,即Fe5O7。
确定铁的氧化组成的基本方法
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)。
题组三 氢氧化亚铁的制备方法
7.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_________________________________
________________________________________________________________________。
答案
(1)稀硫酸、铁屑
(2)加热煮沸 (3)避免生成的Fe(OH)2与氧气接触而被氧化
解析
(1)稀硫酸抑制Fe2+水解,铁屑防止Fe2+被氧化。
(3)Fe(OH)2很容易被氧化,实验过程中要确保在无氧条件下生成。
8.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)。
答案 ①②③⑤
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。
防止Fe(OH)2氧化的方法
(1)将配制溶液的蒸馏水煮沸,驱除溶液中的氧气。
(2)将盛有NaOH溶液的胶头滴管尖端插入试管的亚铁盐溶液底部,并慢慢挤出NaOH溶液。
(3)在亚铁盐溶液上面充入保护气,如H2、N2、稀有气体等。
(4)在亚铁盐溶液上面加保护层,如苯、植物油等。
(5)用Fe作阳极,石墨作阴极,电解NaOH溶液,利用新产生的Fe2+与OH-反应制取。
考点二 Fe2+与Fe3+的性质及检验
1.亚铁盐
(1)Fe2+的氧化性和还原性
含有Fe2+的溶液呈浅绿色,Fe2+处于铁的中间价态,既有氧化性,又有还原性,其中以还原性为主,如:
遇Br2、Cl2、H2O2、NO
(H+)等均表现为还原性。
Fe2+的酸性溶液与H2O2反应的离子方程式:
2Fe2++H2O2+2H+===2Fe3++2H2O。
(2)可水解
Fe(OH)2是弱碱,含Fe2+的盐(如硫酸亚铁)溶液呈酸性。
配制硫酸亚铁溶液时常加少量硫酸抑制Fe2+的水解,加少量铁屑防止Fe2+被氧化。
2.铁盐的性质及应用
(1)氧化性:
含有Fe3+的溶液呈棕黄色,Fe3+处于铁的高价态,遇Fe、Cu、HI、H2S等均表现为氧化性。
①Fe3+与S2-、I-、HS-、SO
等具有较强还原性离子不能大量共存。
②Fe3+可腐蚀印刷电路板上的铜箔,反应的离子方程式为2Fe3++Cu===Cu2++2Fe2+。
(2)易水解:
Fe(OH)3是很弱的碱,且溶度积很小,因而Fe3+极易水解,只能存在于酸性较强的溶液中。
①利用Fe3+易水解的性质,实验室可用FeCl3滴入沸水中制取氢氧化铁胶体,反应的化学方程式:
FeCl3+3H2O
Fe(OH)3(胶体)+3HCl。
②利用Fe3+易水解的性质,工业上常用调节pH方法除去溶液中的铁离子。
③利用Fe3+易水解的性质,实验室配制氯化铁溶液,通常将氯化铁固体先溶于较浓的盐酸中,然后再稀释至所需浓度。
④Fe3+与HCO
、AlO
、CO
、ClO-等水解呈碱性的离子不能大量共存。
3.Fe2+、Fe3+的检验方法
(1)用KSCN溶液和氯水
溶液
(2)用NaOH溶液
溶液
(3)含Fe2+、Fe3+的混合溶液中Fe3+、Fe2+的检验
溶液变红色,说明含有Fe3+
KMnO4溶液紫红色褪去,说明含有Fe2+。
(4)Fe2+的特征检验方法
溶液
产生蓝色沉淀,说明溶液中含有Fe2+,3Fe2++2[Fe(CN)6]3-===Fe3[Fe(CN)6]2↓
4.含Fe2+、Fe3+的除杂问题
主要成分
杂质
除杂方法
FeCl3(aq)
FeCl2(aq)
加入氯水或H2O2
FeCl2(aq)
FeCl3(aq)
加过量铁粉后过滤
FeCl2(aq)
CuCl2(aq)
加过量铁粉后过滤
题组一 含铁物质的除杂问题
1.硫酸亚铁溶液含有杂质硫酸铜和硫酸铁,为除去杂质,提纯硫酸亚铁,应该加入下列物质中的( )
A.锌粉B.镁粉C.铁粉D.铝粉
答案 C
解析 铁粉可将硫酸铁转化为硫酸亚铁,将硫酸铜转化为硫酸亚铁和单质铜,然后过滤即可提纯硫酸亚铁,锌、镁、铝都有可能将亚铁离子置换成铁,并且会引入新的杂质锌离子、镁离子或铝离子等。
2.下列除杂的操作不正确的是( )
A.MgCl2溶液中混有少量FeCl3:
加入足量镁充分反应后过滤
B.FeCl2溶液中混有少量FeCl3:
加入过量铁粉充分反应后过滤
C.CuCl2溶液中混有少量FeCl3:
加入NaOH溶液充分反应后过滤
D.CuCl2溶液中混有少量FeCl2:
先加入H2O2将Fe2+氧化成Fe3+,再加入CuO充分反应后过滤
答案 C
解析 FeCl3溶液中存在水解平衡:
FeCl3+3H2OFe(OH)3+3HCl,加入Mg与H+反应,上述平衡右移,使Fe3+转化成Fe(OH)3而除去,A正确;加入过量铁粉,FeCl3与Fe反应生成FeCl2而达到除杂的目的,B正确;先用H2O2将Fe2+氧化成Fe3+,再利用FeCl3的水解,加入的CuO与H+反应将Fe3+转化成Fe(OH)3而除去,D正确;C项中加入NaOH溶液,Cu2+、Fe3+均转化成氢氧化物沉淀,不符合除杂要求。
3.Fe2+、Fe3+、Zn2+较完全地形成氢氧化物沉淀的pH分别为6.7、3.7、4.6。
某硫酸锌酸性溶液中含有少量Fe2+、Fe3+杂质离子,为除去这些离子制得纯净的ZnSO4,应加入的试剂是( )
A.NaOH溶液B.氨水
C.KMnO4、ZnCO3D.H2O2、ZnO
答案 D
解析 由于Fe2+沉淀所需pH比Zn2+大,应首先将Fe2+氧化为Fe3+,然后调节溶液的pH使Zn2+还不沉淀时Fe3+已沉淀完全。
氧化剂H2O2将Fe2+氧化为Fe3+,ZnO能消耗溶液中的H+且不引入新的杂质离子,故D项符合要求。
混合溶液中Fe3+、Fe2+的除去的常用方法
(1)除去Mg2+中混有的Fe3+的方法
向混合溶液中加入Mg、MgO、MgCO3、Mg(OH)2中之一,与Fe3+水解产生的H+反应,促进Fe3+的水解,将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀除去。
(2)除去Cu2+中混有的Fe3+的方法
向混合溶液中加入CuO、CuCO3、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3中之一,与Fe3+水解产生的H+反应,促进Fe3+的水解,将Fe3+转化为Fe(OH)3沉淀而除去。
(3)除去Mg2+中混有的Fe2+的方法
先加入氧化剂(如H2O2)将溶液中的Fe2+氧化成Fe3+,然后再按
(1)的方法除去溶液中的Fe3+。
(4)除去Cu2+中混有的Fe2+的方法
先加入氧化剂(如H2O2)将溶液中的Fe2+氧化成Fe3+,然后再按
(2)的方法除去溶液中的Fe3+。
题组二 Fe2+和Fe3+的检验
4.下列有关物质检验方法不合理的是( )
A.向某溶液中滴加KSCN溶液,溶液不变色,滴加氯水后溶液显红色,该溶液中一定含有Fe2+
B.用酸性KMnO4溶液检验FeCl3溶液中是否含有FeCl2
C.检验绿矾晶体是否已氧化变质,可将绿矾晶体溶于稀H2SO4后滴加KSCN溶液,再观察溶液是否变红
D.向某溶液中加入NaOH溶液产生红褐色沉淀,说明溶液中含有Fe3+
答案 B
解析 B项中的Cl-也能使酸性KMnO4溶液褪色。
5.要证明某溶液中不含Fe3+而可能含有Fe2+,进行如下实验操作时,最佳顺序为( )
①加入足量氯水 ②加入足量酸性KMnO4溶液 ③加入少量NH4SCN溶液
A.①③B.③②C.③①D.①②③
答案 C
解析 在该溶液中先加入少量NH4SCN溶液,溶液不变红色,证明无Fe3+存在,再加入氯水,将Fe2+氧化成Fe3+,溶液变为红色。
KMnO4溶液呈紫红色,溶液颜色变化不明显,所以不能用酸性KMnO4溶液检验。
6.为了证明化学反应有一定的限度,进行了如下探究活动:
探究活动一:
取5mL0.1mol·L-1的KI溶液于试管,滴加0.1mol·L-1的FeCl3溶液5~6滴,振荡;
探究活动二:
在上述试管中加入2mLCCl4,充分振荡、静置;
探究活动三:
取上述静置分层后的上层水溶液于试管,滴加0.1mol·L-1的KSCN溶液5~6滴,振荡。
(1)写出探究活动一中反应的离子方程式_______________________________________
________________________________________________________________________。
(2)探究活动二的实验现象为________。
a.溶液分层,上层呈紫色
b.溶液分层,下层呈紫色
c.溶液分层,均为无色
(3)在探究活动三中,可以证明该化学反应有一定的限度的实验现象是_____________
________________________________________________________________________。
答案
(1)2Fe3++2I-2Fe2++I2
(2)b (3)溶液变红色
解析
(2)碘溶于水呈棕黄色,CCl4能萃取水中的碘,液体呈紫色,由于CCl4的密度比水大而且难溶于水,所以碘的四氯化碳溶液在下层,则实验现象为溶液分层,下层呈紫色,b正确。
(3)取上述静置分层后的上层水溶液于试管中,滴加0.1mol·L-1的KSCN溶液5~6滴,Fe3+可与KSCN反应显红色,若溶液变红色,说明溶液中有铁离子存在,则说明铁离子没有完全反应,即该化学反应有一定的限度。
检验Fe2+和Fe3+时的注意事项
(1)检验Fe2+时不能先加氯水后加KSCN溶液,也不能将加KSCN后的混合溶液加入到足量的新制氯水中(新制氯水能氧化SCN-)。
(2)Fe3+、Fe2+、Cl-同时存在时不能用酸性KMnO4溶液检验Fe2+(Cl-能还原酸性KMnO4,有干扰)。
(3)检验Fe2+、Fe3+的其他方法
检验Fe3+也可用苯酚(C6H5OH),在FeCl3溶液中滴加苯酚,溶液显紫色。
考点三 铁及其化合物转化关系及应用
“铁三角”的转化关系
完成下列变化的离子方程式,体会Fe2+与Fe3+转化条件。
(1)将H2S气体通入FeCl3溶液中产生淡黄色沉淀:
H2S+2Fe3+===S↓+2Fe2++2H+。
(2)将FeCl3溶液滴入KI淀粉溶液,溶液变蓝:
2I-+2Fe3+===I2+2Fe2+。
(3)FeCl3可溶解铁片:
2Fe3++Fe===3Fe2+。
(4)FeSO4可使酸性KMnO4溶液褪色:
5Fe2++MnO
+8H+===5Fe3++Mn2++4H2O。
(5)将FeCl2溶液滴入到HNO3溶液中,有无色气体放出:
3Fe2++NO
+4H+===3Fe3++NO↑+2H2O。
题组一 化学反应中铁元素价态的判断
1.(2016·荆门高三上学期期末)在FeCl3、CuCl2混合溶液中,加入一定量的铁屑,反应完全后将固体滤出,下列说法中正确的是( )
A.若滤出的固体中只有铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe2+,一定不含Cu2+
B.若滤出的固体中只有铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe2+,可能含Cu2+和Fe3+
C.若滤出的固体中只有铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe3+和Fe2+,一定不含Cu2+
D.若滤出的固体中含有铁和铜,则溶液中一定含有的阳离子是Fe2+,一定不含Cu2+和Fe3+
答案 D
解析 氧化性Fe3+>Cu2+>Fe2+,加入铁粉后有固体剩余,Fe3+一定不存在;若剩余固体全部都是Cu,溶液中还可能有Cu2+,也可能恰好被完全置换;若剩余固体是Cu和Fe,则溶液中不可能有Cu2+。
2.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。
答案
(1)①
(2)④ (3)③
解析 向稀HNO3中加入铁粉,开始时稀HNO3过量应生成Fe3+,随加入铁粉量的增加,HNO3反应完全后,发生反应2Fe3++Fe===3Fe2+,最后全部转化为Fe2+。
3.向含有1molHNO3和1molH2SO4的混合溶液中逐渐加入铁粉至过量,溶液中金属阳离子a、b与所加铁粉的物质的量的关系如图所示(已知稀硝酸的还原产物只有NO)。
下列有关判断不正确的是( )
A.a表示Fe3+的关系曲线
B.n1=0.75
C.P点时,n(Fe2+)=0.5625mol
D.向P点溶液中加入铜粉,最多可溶解14.4g
答案 C
解析 该反应可以看作两步:
①Fe+4H++NO
===Fe3++NO↑+2H2O,硝酸根过量,氢离子不足;②2Fe3++Fe===3Fe2+。
a表示Fe3+的关系曲线,故A正确;溶液中共有3molH+参加反应,消耗铁为0.75mol,B正确;P点n(Fe2+)=n(Fe3+),二者均为0.45mol,C错误;剩余0.45molFe3+,消耗0.225mol铜,质量为14.4g,D正确。
1.铁与稀硝酸反应产物中铁元素价态的判断方法
(1)当HNO3过量时:
反应原理:
Fe+4HNO3===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O,铁元素的存在形式为Fe3+,铁元素的价态为+3价。
(2)当Fe过量时:
铁被硝酸氧化为Fe3+,然后Fe3+被剩余的铁还原为Fe2+,也就是说最终得到亚铁盐,总方程式:
3Fe+8HNO3===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。
(3)当
<
<
时:
铁元素的存在形式为Fe2+和Fe3+,铁元素的价态为+2、+3价。
(4)用数轴法表示,铁与硝酸的用量比与反应产物的关系:
2.铁与硫酸、硝酸的混酸反应顺序总结
足量铁与稀硫酸、稀硝酸的混合溶液反应,则可利用离子反应分析,依次发生反应:
Fe+NO
+4H+===Fe3++NO↑+2H2O、2Fe3++Fe===3Fe2+、Fe+2H+===Fe2++H2↑(若H+量不足,该反应不再发生)。
题组二 “铁三角”在物质转化推断题中的应用
4.(2016·沈阳东北育才中学模拟)如图是物质间发生化学反应时颜色的变化情况,下列选项中正确的是( )
↑N
↓Q
选项
M
N
P
Q
A
NH3·H2