资源简介

专题1 元素及其化合物
第一单元 金属及其化合物(氧化还原反应)
第3讲 铁及其化合物
一、课程标准要求
1．了解铁的物理性质和化学反应。
2．了解铁的氧化物、氢氧化物的化学性质。
3．结合真实情境中的应用实例或通过实验探究，了解铁及其重要化合物的主要性质，了解它们在生产生活中的主要应用。
二、在高中化学教材体系中的地位
“铁及其化合物”是高中化学必修教材中的核心内容，是高中一年级全体学生都应学习的重点化学内容。铁元素不仅是典型的金属元素，还是重要的变价元素。铁及其化合物与人体健康密切相关，在生产生活中也有着广泛的应用。
思维导图
四、课时安排建议
第1课时 铁、铁的氧化物和氢氧化物(1课时)
第2课时 铁盐、亚铁盐的性质及其综合应用(1课时)
第1课时 铁、铁的氧化物和氢氧化物(1课时)
一、教学流程
活动一：构建知识体系
问题1：铁单质有哪些物理性质、化学性质？
[例题1] 1．判断正误，正确的打“√”，错误的打“×”。
(1)铁位于元素周期表中第4周期第ⅧB族。(　　)
(2)室温下，Fe与浓H2SO4反应生成FeSO4。(　　)
(3)将一定量的铁、铜的混合物加入100 mL 0.1 mol·L－1的FeCl3溶液中，充分反应后，溶液中有固体剩余，则剩余的固体中一定含有铜，可能含有铁。(　　)
(4)Fe分别与氯气和盐酸反应所得氯化物相同。(　　)
(5)氢氧化铁与HI溶液仅发生中和反应。(　　)
[答案] (1)×　(2)×　(3)√　(4)×　(5)×
[归纳总结]
(一)铁元素及其原子结构
1．铁位于周期表中第 周期 族，是一种应用最广泛的过渡金属元素；铁元素是一种典型的变价金属元素。
2．原子结构
(二)铁单质
1.物理性质：纯铁具有金属的共性，如具有 色金属光泽，具有 性、 性和 性，具有能被 吸引的特性。
2.化学性质
(1)与非金属单质的反应
①与氧气反应： 。
②与氯气反应： 。
③与硫反应： 。
(2)与水蒸气的反应： 。
(3)与酸、盐的反应
①与氧化性酸反应(写离子方程式)：
铁与过量稀硝酸反应： 。
铁与少量量稀硝酸反应： 。
铁在冷的浓硫酸、浓硝酸中 。
②与非氧化性酸反应：
铁与稀硫酸、盐酸反应的离子方程式： 。
③与硫酸铜溶液反应： 。
3．用途：用量最大、用途最广泛的合金是铁合金——钢，可用于制造不锈钢、特种钢、钢板、钢管等。
(三)铁的冶炼
1．铁元素的存在
铁元素在自然界主要以 态的形式存在，常见的铁矿有磁铁矿(主要成分为 )、赤铁矿(主要成分为 )。
2．炼铁原料：铁矿石、 、空气、 。
3．完成下列化学方程式
(1)一氧化碳的生成： 。
(2)铁矿石被还原： 。
(3)石灰石的作用： 。
问题2：铁的氧化物和氢氧化物有哪些性质？
(四)铁的氧化物
化学式 FeO Fe2O3 Fe3O4
俗名 /
颜色状态
溶解性
铁的化合价
稳定性
与盐酸反应的 离子方程式
(五)铁的氢氧化物
化学式 Fe(OH)2 Fe(OH)3
色态
与盐酸反应的 离子方程式
受热分解 /
制法
二者的关系 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 ，化学方程式为 。
[练习1]下列实验中，对应的现象以及结论都正确且二者具有因果关系的是(　　)
选项 实验 现象 结论
A 将稀硝酸加入过量铁粉中，充分反应后滴加KSCN溶液 有气体生成，溶液呈血红色 稀硝酸将Fe氧化为Fe3＋
B 将铜粉加入1.0 mol·L－1 Fe2(SO4)3溶液中 溶液变蓝、有黑色固体出现 金属铁比铜活泼
C 向FeCl3、CuCl2的混合溶液中加入铁粉，充分反应 溶液中有固体存在 溶液中一定含有Cu2＋
D 相同质量、相同表面积的纯铁和生铁分别与相同浓度的盐酸反应 生铁的反应速率比纯铁快 原电池反应能加快化学反应速率
(例题1出处：高三调研试题。推荐理由：本题考查铁及其化合物的性质，综合考察了与量有关的离子反应、氧化还原反应中强制弱的原理、原电池原理的应用等知识，综合性强)
[简析] A.稀硝酸与过量铁粉发生的反应分两步进行，先发生反应：Fe＋4HNO3(稀)===Fe(NO3)3＋NO↑＋2H2O，过量的铁粉再与Fe(NO3)3发生反应：Fe＋2Fe(NO3)3===3Fe(NO3)2，充分反应后滴加KSCN溶液，溶液不会变为血红色，实验现象错误，故A不正确。B.铜粉与Fe2(SO4)3溶液发生反应：Cu＋Fe2(SO4)3===CuSO4＋2FeSO4，实验现象为溶液变蓝色，但是没有黑色固体出现，该实验能说明Fe3＋的氧化性比Cu2＋强，不能说明金属铁比铜活泼，因为铁没有置换出铜单质，故B不正确。C.Fe3＋的氧化性比Cu2＋的氧化性强，Fe先与Fe3＋反应生成Fe2＋，再与Cu2＋反应生成单质Cu。固体一定含Cu，可能含Fe；溶液中一定含Fe2＋，可能含Cu2＋，故C不正确。D.纯铁和稀盐酸不能构成原电池，生铁中铁、碳、盐酸构成原电池，能加快反应速率，所以生铁反应速率比纯铁快，故D正确。
[答案] 选D。
活动二：重难点突破
问题3：制备Fe(OH)2的关键与方法是什么？
典例简析
[典型题例] 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_______________________。
(4)下列各图示中，能较长时间观察到Fe(OH)2白色沉淀的是________。
[简析] (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，要加铁屑防止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。(4)因为Fe(OH)2在空气中很容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3，即发生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。①②原理相同，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的原理为铁做阳极产生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，因而不能较长时间观察到白色沉淀。
[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)①②③⑤
[练习2] 下列中学常见实验的现象或表述正确的是(　　)
A．过量的铁投入一定量的稀硝酸中，充分反应后取上层清液于试管中，滴加KSCN溶液，溶液显血红色
B．制备氢氧化亚铁时，向硫酸亚铁溶液中滴加氢氧化钠溶液，边加边搅拌，即可制得白色的氢氧化亚铁
C．检验红砖中的氧化铁成分，向红砖粉末中加入盐酸，充分反应后取上层清液于试管中，滴加KSCN溶液2～3滴，溶液显血红色即可证明
D．向CuSO4溶液中滴入过量NaOH溶液充分反应后，将混合液体倒入蒸发皿中加热煮沸一会儿，然后冷却、过滤，滤纸上的物质为蓝色固体
[简析] 过量的铁与一定量的稀硝酸反应最终生成Fe2＋，A错误；制备氢氧化亚铁应避免被氧气氧化，向硫酸亚铁溶液中滴加氢氧化钠溶液时应把长胶头滴管的下端插入硫酸亚铁溶液液面以下且不能搅拌，B错误；向CuSO4 溶液中滴入过量NaOH溶液充分反应后生成Cu(OH)2 沉淀，加热煮沸一会儿，然后冷却、过滤，滤纸上留有的是CuO(黑色)，D错误。
[答案] 选C。
[例题2] 某实验小组在实验室利用氨气和新制备的硫酸亚铁溶液反应制备氢氧化亚铁。
(一)制备硫酸亚铁溶液
(1)步骤①加入稀硫酸的目的是____________________。
(2)步骤②加入还原铁粉后观察到的现象是__________________。
(二)制备氢氧化亚铁
(3)选择上图中的装置制备氢氧化亚铁，连接顺序为　　　　　　　　(按气流方向，用装置字母表示)。反应结束后继续通入一段时间的N2，目的是__________________________。
(4)装置B中发生反应的离子方程式是________________。
装置C的作用是　　　　　　　　。
(三)探究思考
反应后将装置B中固体过滤时白色沉淀会逐渐转变为灰绿色。在查阅不同资料后，有同学认为灰绿色物质是Fe(OH)2 被空气中的氧气氧化后生成的Fe3(OH)8。
(5)Fe3(OH)8中n(Fe2＋)∶n(Fe3＋)＝　　　　，用氧化物的形式表示可写成　　　　　　　。
(6)设计实验证明灰绿色物质中含Fe3(OH)8：_______________________。
[简析] (一)向硫酸铁晶体中加入除氧蒸馏水和稀硫酸，再加入过量的还原铁粉，将Fe3＋还原成Fe2＋，得到硫酸亚铁溶液。(1)步骤①加入稀硫酸的目的是抑制Fe3＋的水解。(2)步骤②加入还原铁粉后，铁粉和Fe3＋、酸反应，铁粉过量，观察到的现象是铁粉部分溶解、有无色气体生成、溶液由棕黄色逐渐变为浅绿色。(二)制备氢氧化亚铁的原理是将氨气通入硫酸亚铁溶液中，此过程的关键是隔绝空气。(3)装置A中将浓氨水滴到生石灰上，使生石灰和水反应放出热量，放出氨气，氮气的作用是将装置中的空气全部排出，装置B中氨气和硫酸亚铁溶液反应产生氢氧化亚铁，装置C的作用是作为安全瓶，防倒吸，装置D的作用是吸收尾气，故装置连接顺序为A→C→B→D；反应结束后继续通入一段时间的N2，目的是排尽装置中残留的氨气，防止拆除装置时残留的氨气逸出污染空气。(4)装置B中发生反应的离子方程式是Fe2＋＋2NH3 ＋2H2O===Fe(OH)2↓＋2NH，装置C在装置A和装置B之间，故装置C的作用是作为安全瓶，防倒吸。(三)(5)Fe3(OH)8中，3个Fe带8个正电荷，故n(Fe2＋)∶n(Fe3＋)＝1∶2，用氧化物的形式表示可写成FeO·Fe2O3·4H2O。(6)要设计实验证明灰绿色物质中含Fe3(OH)8，即要证明此物质中既有Fe2＋又有Fe3＋，Fe2＋用K3[Fe(CN)6]溶液检验，Fe3＋用KSCN溶液检验，故实验方法为取少量灰绿色物质于试管中，加入稀盐酸(或稀硫酸)溶解，将溶液分成两份，一份滴入几滴KSCN溶液，变为红色；另一份加入适量 K3[Fe(CN)6]溶液，生成蓝色沉淀，则灰绿色物质中含Fe3(OH)8。
[答案] (一)(1)抑制Fe3＋的水解
(2)铁粉部分溶解、有无色气体生成、溶液由棕黄色逐渐变为浅绿色
(二)(3)A→C→B→D　防止拆除装置时残留的氨气逸出污染空气
(4)Fe2＋＋2NH3 ＋2H2O===Fe(OH)2↓＋2NH　作为安全瓶，防倒吸
(三)(5)1∶2　FeO·Fe2O3·4H2O
(6)取少量灰绿色物质于试管中，加入稀盐酸(或稀硫酸)溶解，将溶液分成两份，一份滴入几滴KSCN溶液，变为红色；另一份加入适量 K3[Fe(CN)6]溶液，生成蓝色沉淀，则灰绿色物质中含Fe3(OH)8
活动三：巩固提升
1．将下列物质的颜色和用途或性质用短线连接起来。
(1)Fe2O3　　 a．红褐色 A．具有较强的还原性
(2)Fe(OH)2 b．红棕色 B．易被氧化成灰绿色，最终变成红褐色
(3)Fe(OH)3 c．白色 C．制作红色油漆、涂料
(4)Fe2＋ d．棕黄色 D．受热分解成红棕色粉末
(5)Fe3＋ e．浅绿色　　 E．具有较强的氧化性
2．铁是日常生活中使用最广泛的金属，下列关于铁的一些说法正确的是(　　)
A．常温下浓硝酸与铁不反应，故常温下可用铁制容器贮藏、贮运浓硝酸
B．铁是较活泼的金属，它与卤素单质(X2)反应的生成物均为FeX3
C．Fe(OH)2易被氧化成Fe(OH)3，说明稳定性：Fe(OH)2D．铁在纯氧中燃烧或高温下与水蒸气反应均能得到Fe2O3
3．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．可存在的循环转化关系
4．铁片投入下列溶液后，铁片质量减少，但无气体产生的是(　　)
A．冷浓HNO3 B．Cu(NO3)2溶液 C．稀硫酸 D．Fe(NO3)3溶液
5．在Fe(NO3)3和Cu(NO3)2的混合液中逐渐加入铁粉，溶液中Fe2＋的物质的量浓度和加入铁粉的物质的量之间关系如图所示，则原混合溶液中Fe(NO3)3与 Cu(NO3)2的物质的量浓度之比为(　　)
A．3∶1 B．1∶2
C．2∶1 D．1∶1
6．将1.12 g铁粉加入25 mL 2 mol·L－1氯化铁溶液中，充分反应后，其结果是(　　)
A．铁有剩余，溶液呈浅绿色，Cl－浓度基本不变
B．向溶液中滴入无色KSCN溶液，显血红色
C．Fe2＋和Fe3＋的物质的量之比为5∶1
D．氧化产物与还原产物的物质的量之比为2∶5
7．以高硫铝土矿(主要成分为Al2O3、Fe2O3、SiO2，少量FeS2和金属硫酸盐)为原料，生产氧化铝并获得Fe3O4的部分工艺流程如下：
(1)焙烧过程均会产生SO2，用NaOH溶液吸收过量SO2的离子方程式为____________________。
(2)添加1% CaO和不添加CaO的矿粉焙烧，其硫去除率随温度变化曲线如图所示。
已知：多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃
硫去除率＝(1－)×100%
①不添加CaO的矿粉在低于500 ℃焙烧时，去除的硫元素主要来源于　　　　。
②700 ℃焙烧时，添加1% CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低，其主要原因是__________________。
(3)向“过滤”得到的滤液中通入过量CO2，铝元素存在的形式由　　　　(填化学式)转化为　　　　(填化学式)。
(4)“过滤”得到的滤渣中含大量的Fe2O3。Fe2O3与FeS2混合后在缺氧条件下焙烧生成Fe3O4和SO2，理论上完全反应消耗的n(FeS2)∶n(Fe2O3)＝　　　　。
8. (2022年江苏高考14)硫铁化合物(FeS、FeS2等)应用广泛。
(1)纳米FeS可去除水中微量六价铬[Cr(Ⅵ)]。在pH = 4 ~ 7的水溶液中，纳米FeS颗粒表面带正电荷，Cr(Ⅵ)主要以HCrO4－、Cr2O72－、CrO42－等形式存在，纳米FeS去除水中Cr(Ⅵ)主要经过“吸附→反应→沉淀”的过程。
已知：，； H2S电离常数分别为、。
①在弱碱性溶液中，FeS与CrO42－反应生成Fe(OH)3、Cr(OH)3和单质S，其离子方程式为_______。
②在弱酸性溶液中，反应的平衡常数K的数值为_______。
③在pH = 4 ~ 7溶液中，pH越大，FeS去除水中Cr(Ⅵ)的速率越慢，原因是_______。
(2)FeS2具有良好半导体性能。FeS2的一种晶体与NaCl晶体的结构相似，该FeS2晶体的一个晶胞中S22－的数目为_______，在FeS2晶体中，每个S原子与三个Fe2+紧邻，且Fe－S间距相等，如图给出了FeS2晶胞中的Fe2+和位于晶胞体心的S22－(S22－中的S－S键位于晶胞体对角线上，晶胞中的其他S22－已省略)。如图中用“-”将其中一个S原子与紧邻的Fe2+连接起来_______。
(3)FeS2、FeS在空气中易被氧化，将FeS2在空气中氧化，测得氧化过程中剩余固体的质量与起始FeS2的质量的比值随温度变化的曲线如图所示。800℃时，FeS2氧化成含有两种元素的固体产物为_______(填化学式，写出计算过程)。
[参考答案]
1．(1)－b－C　(2)－c－B　(3)－a－D　(4)－e－A (5)－d－E
2．C 解析：A项，铁在常温下与浓硝酸反应形成致密的氧化膜而钝化；B项，Fe与I2反应只能生成FeI2；D项，均得到Fe3O4。
3．C．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胶体操作为：向沸水中滴加饱和FeCl3溶液，继续煮沸至溶液呈红褐色，停止加热，故C选；D．转化如，故D不选；
4．D 解析： Fe在冷浓硝酸中钝化，铁片质量增加；Fe和Cu(NO3)2反应，在Fe片上附有Cu，铁片质量增加；Fe和稀H2SO4反应有H2产生；Fe与Fe(NO3)3反应无气体放出，生成Fe(NO3)2，铁片质量减少。
5．C 解析：由离子方程式：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋、Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，结合图像可知，c(Fe2＋)的大小范围在 0～3 mol·L－1变化快，3 mol·L－1是拐点，此前发生2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，在3～4 mol·L－1范围内变化时发生Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu，两阶段消耗Fe的量相同。由化学方程式2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋可得，n(Fe3＋)＝2n(Fe)，由化学方程式Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu可得，n(Cu2＋)＝n(Fe)，故原溶液中c(Fe3＋)∶c(Cu2＋)＝2∶1。
6．B 解析： n(Fe)＝＝0.02 mol，n(Fe3＋)＝0.025 L×2 mol·L－1＝0.05 mol，由反应：Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋可知Fe3＋过量，加入KSCN显血红色，溶液中 n(Fe2＋)＝3n(Fe)＝0.06 mol，溶液中剩余n(Fe3＋)＝0.05 mol－2n(Fe)＝0.01 mol，即Fe2＋和Fe3＋的物质的量之比为6∶1；氧化产物与还原产物的物质的量之比为 1∶2。　
7．解析：(1)二氧化硫是酸性氧化物，少量二氧化硫与NaOH溶液反应生成正盐Na2SO3，过量二氧化硫与NaOH溶液反应生成NaHSO3。(2)①根据高硫铝土矿的成分中含FeS2和金属硫酸盐，而已知多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃，如果不添加CaO在低于500 ℃焙烧，则去除的硫元素主要来源于FeS2，具体的反应原理为4FeS2＋11O22Fe2O3＋8SO2。②添加的CaO吸收SO2生成CaSO3，CaSO3易被空气中的氧气氧化为CaSO4。根据题目所给“多数金属硫酸盐的分解温度都高于600 ℃”，可知700 ℃时CaSO4可能未分解或未完全分解而留在矿粉中，从而导致添加1% CaO的矿粉硫去除率比不添加CaO的矿粉硫去除率低。(3)高硫铝土矿中的氧化铝溶于NaOH生成NaAlO2：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O；向NaAlO2溶液中通入过量的二氧化碳，生成氢氧化铝：CO2(过量)＋2H2O＋NaAlO2===Al(OH)3↓＋NaHCO3。(4)根据得失电子守恒可知FeS2与Fe2O3的物质的量之比为 1∶16。
答案：(1)OH－＋SO2===HSO
(2)①FeS2　②硫元素转化为CaSO4而留在矿粉中
(3)NaAlO2　Al(OH)3　(4)1∶16
8. (1)①. ②. 5 ③. c(OH-)越大，表面吸附的Cr(Ⅵ)的量越少，溶出量越少，Cr(Ⅵ)中物质的量分数越大
(2) ①. 4 ②.
(3)Fe2O3；设FeS2氧化成含有两种元素的固体产物化学式为FeOx，，则，则56+16x=80.04，x= ，即固体产物为Fe2O3
二、教学建议
1.高三一轮复习课对知识内容的呈现，要立足于知识情景化、情景生活化。在复习铁及其化合物时，可借助与铁相关的江苏高考题，让学生从题目数量比例和具体生活化内容题材两个角度，感受铁及其化合物知识的重要性。
2.复习具体物质的性质，以具体情境导入，强化学生将知识应用于生产或者生活的能力，培养其思维训练及知识迁移能力。
三、情境素材
铁与生活
铁元素也是构成人体的必不可少的元素之一。成人体内约有4～5克铁，其中72%以血红蛋白、3%以肌红蛋白、0.2以其它化合物形式存在，其余为储备铁。储备铁约占25%，主要以铁蛋白的形式储存在肝、脾和骨髓中。成人摄取量是10～15mg。妊娠期妇女需要30mg。1个月内，女性所流失的铁大约为男性的两倍，吸收铁时需要铜、钴、锰、维生素C。需要人群：妇女特别是孕妇需要补充铁质，但要注意妊娠期妇女服用过多铁剂会使胎儿发生铁中毒。假如您正在服用消炎药或每天必须服用阿司匹林的话，那么您就需要补充铁。经常喝红茶或咖啡的人请注意，饮用大量的红茶和咖啡会阻碍铁的吸收。
铁在代谢过程中可反复被利用。除了肠道分泌排泄和皮肤、黏膜上皮脱落损失一定数量的铁(1mg/每日)，几乎没有其它途径的丢失。
铁是人体含量的必需微量元素，人体内铁的总量约4～5克，是血红蛋白的重要部分，人全身都需要它，这种矿物质可以存在于向肌肉供给氧气的红细胞中，还是许多酶和免疫系统化合物的成分，人体从食物中摄取所需的大部分铁，并小心控制着铁含量。
铁对人体的功能表现在许多方面，铁参与氧的运输和储存。红细胞中的血红蛋白是运输氧气的载体;铁是血红蛋白的组成成分，与氧结合，运输到身体的每一个部分，供人们呼吸氧化，以提供能量(能量食品)，消化(消化食品)食物，获得营养；人体内的肌红蛋白存在于肌肉之中，含有亚铁血红素，也结合着氧，是肌肉中的“氧库”。当运动(运动食品)时肌红蛋白中的氧释放出来，随时供应肌肉活动所需的氧。心、肝、肾这些具有高度生理活动能力和生化功能的细胞线粒体内，储存的铁特别多，线粒体是细胞的“能量工厂”，铁直接参与能量的释放。
铁还可以促进发育，增加对疾病的抵抗力，调节组织呼吸，防止疲劳，构成血红素，预防和治疗因缺铁而引起的贫血，使皮肤恢复良好的血色。
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