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第8讲　Fe及其化合物
学习目标
1.掌握铁及其重要化合物的主要性质及其应用。
2.了解铁及其化合物的制备方法。
考点一 Fe及其重要化合物的性质
考点一　铁的单质、氧化物、氢氧化物
1．单质铁
(1)铁在自然界中的存在
铁位于元素周期表中第四周期Ⅷ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)铁的物理性质
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。
(3)铁的化学性质
铁的原子结构示意图：
还原性较强，失去电子后生成＋2价或＋3价的铁。
生成不同价态的反应关系如下：
按要求填空：
①Fe在O2、Cl2中燃烧的现象及化学方程式：
铁在氧气中燃烧，火星四射：3Fe＋2O2Fe3O4。铁在氯气中燃烧，产生棕褐色的烟：2Fe＋3Cl22FeCl3(不论铁的量多少，与氯气反应的产物都是氯化铁)。
②Fe与S、水蒸气反应的化学方程式：
Fe与S：Fe＋SFeS(不论铁的量多少，与硫反应的产物都是硫化亚铁)。
Fe与水蒸气：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＋。
特别提醒　铁遇冷的浓硝酸、浓硫酸时，表面会生成一层致密的氧化膜，化学上称之为钝化，属于化学变化。
2．铁的氧化物比较
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
与CO的反应(炼铁原理) FexOy＋yCOxFe＋yCO2
3.氢氧化铁和氢氧化亚铁的比较
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)3Fe2O3＋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
判断
(1)铁位于元素周期表中第四周期ⅧB族(×)
错因：铁位于Ⅷ族，不是副族。
(2)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(×)
错因：在陨铁中存在铁单质。
(3)Fe在足量Cl2中燃烧生成FeCl3，在少量Cl2中燃烧生成FeCl2(×)
错因：Fe与Cl2反应生成FeCl3，与Cl2的量无关。
(4)Fe分别与氯气、盐酸反应得到相同的氯化物(×)
错因：Fe与Cl2反应生成FeCl3，与盐酸反应生成FeCl2，产物不同。
(5)Fe3O4中Fe的化合价有＋2价和＋3价，因而Fe3O4是FeO与Fe2O3的混合物(×)
错因：Fe3O4是一种化合物，不是混合物。
题组练习
题组一　铁及重要化合物性质
1．(2020·湖北枝江月考)下列关于铁的说法正确的是(　　)
A．铁在硫蒸气中燃烧生成Fe2S3
B．纯铁的抗腐蚀能力较差，铁在干燥的空气里易被氧化
C．工业上用CO在高温条件下还原含Fe2O3的铁矿石炼铁
D．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
答案　C
解析　Fe与S反应生成FeS，A项错误；纯铁不易发生电化学腐蚀，抗腐蚀能力较强，铁在干燥的空气里不易被氧化，B项错误；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，D项错误。
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．常温下浓硫酸与铁不反应，故常温下可用铁制容器贮藏、贮运浓硫酸
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和水蒸气反应均能得到Fe2O3
答案　C
解析　A项，铁在常温下与浓硫酸反应形成致密的氧化膜；B项，Fe与I2只能生成FeI2；D项，均得到Fe3O4。
3．关于铁及其化合物，下列说法正确的是(　　)
A．灼热的Fe与Cl2反应生成FeCl2
B．氢氧化亚铁溶于稀硝酸中：Fe(OH)2＋2H＋===Fe2＋＋2H2O
C．Fe(OH)2暴露在空气中会变为红褐色
D．向FeSO4溶液中滴加NaOH溶液可得到纯净的Fe(OH)2沉淀
答案　C
解析　Cl2氧化性强，灼热的Fe与Cl2反应生成FeCl3，故A错误；氢氧化亚铁具有还原性，会被具有氧化性的稀硝酸氧化变为Fe3＋，B错误。
题组二　铁的氧化物的性质与组成确定
4．(2020·营口期末)铁的氧化物有很多，在中学化学中经常提到的有FeO、Fe2O3和Fe3O4，而且在一定条件下它们之间是可以相互转化的，例如：在1400℃以上的温度下加热Fe2O3时，Fe2O3会部分失去氧，生成Fe3O4。下列有关说法正确的是(　　)
A．FeO、Fe2O3和Fe3O4均为黑色固体
B．Fe3O4常写成FeO·Fe2O3，其中既有＋2价的Fe，又有＋3价的Fe，所以Fe3O4是一种混合物
C．热稳定性：Fe2O3>Fe3O4
D．FeO、Fe2O3和Fe3O4均可与盐酸反应，且反应类型均为复分解反应
答案　D
解析　FeO和Fe3O4均为黑色固体，Fe2O3为红棕色固体，故A错误；Fe3O4是一种纯净物，化合价是一种复合化合价，故B错误；在1400℃以上的温度下加热Fe2O3时，Fe2O3会部分失去氧，生成Fe3O4，说明Fe3O4比Fe2O3稳定，故C错误；FeO、Fe2O3和Fe3O4均可与盐酸反应生成盐和水，反应过程中无元素化合价变化，反应类型均为复分解反应，故D正确。
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4.00g，则这种铁的氧化物为(　　)
A．Fe3O4 B．Fe2O3 C．FeO D．以上都不是
答案　C
解析　4.00gCaCO3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的质量为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的物质的量之比为∶0.04mol＝1∶1，则这种铁的氧化物的化学式为FeO。
6．(2019·舟山质检)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。
小结
确定铁的氧化物组成的基本方法
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按物质的量之比为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　铁与水蒸气反应的实验探究
7．某化学兴趣小组利用如图装置进行“铁与水蒸气反应”的实验，并检验产物的性质，下列说法正确的是(　　)
A．实验时，应先点燃B处的酒精喷灯，再点燃A处的酒精灯
B．B中发生反应的化学方程式是：2Fe＋3H2O(g)Fe2O3＋3H2
C．B中生成1molH2时，E处有1molCuO被还原
D．碱石灰的作用是吸收水蒸气
答案　D
解析　实验时，应先点燃A处的酒精灯，再点燃B处的酒精灯，防止铁被氧气氧化，故A错误；B中发生反应的化学方程式是：3Fe＋4H2O(g)Fe3O4＋4H2，故B错误；B中生成1molH2时，由于H2要先排出装置内空气，再与CuO反应，因此E处CuO被还原的物质的量小于1mol，故C错误；碱石灰的作用是吸收水蒸气，干燥H2，故D正确。
8．铁与水蒸气反应，通常有以下两种装置，请回答下列问题：
装置一 装置二

(1)装置二中湿棉花的作用为______________________________________________________。
(2)实验完毕后，取出装置一的少量固体，溶于足量稀盐酸，再滴加KSCN溶液，溶液颜色无明显变化，试解释原因：_______________________________________(用离子方程式表示)。
答案　(1)提供水蒸气　(2)Fe3O4＋8H＋===Fe2＋＋2Fe3＋＋4H2O、2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋
知识点二　Fe2＋和Fe3＋的性质及其检验
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，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等具有较强还原性的离子不能大量共存。
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。
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＋3H2OFe(OH)3(胶体)＋3HCl。
3．Fe2＋、Fe3＋的检验方法
(1)用KSCN溶液和氯水
(2)用NaOH溶液
(3)含Fe2＋、Fe3＋的混合溶液中Fe2＋、Fe3＋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↓。
判断
(1)金属阳离子只有氧化性，不可能有还原性(×)
错因：Fe2＋具有还原性。
(2)氢氧化铁与HI溶液反应仅能发生中和反应(×)
错因：Fe3＋与I－会发生氧化还原反应。
(3)中性溶液中可能大量存在Fe3＋、Cl－、K＋、SO(×)
错因：在溶液呈中性时，Fe3＋转化为Fe(OH)3，不能大量存在。
(4)用酸性KMnO4溶液检验FeCl3溶液中是否含有FeCl2(×)
错因：Cl－也能与KMnO4反应，使其褪色。
(5)能通过化合反应制取FeCl2(√)
练习
1．在Fe2(SO4)3溶液中，加入ag铜，完全溶解后，再加bg铁，充分反应后得到cg残余固体，且a>c。试分析残留固体的成分为________，所得溶液中阳离子为________。
答案　Cu　Cu2＋、Fe2＋
2．混合溶液中除去Fe3＋、Fe2＋的常用方法
已知：沉淀的pH
化合物 Fe(OH)3 Fe(OH)2 Mg(OH)2 Cu(OH)2
pH 1.14～3.0 5.8～8.3 8.4～10.8 4.2～6.7
(1)除去Mg2＋中混有的Fe3＋的方法
向混合溶液中加入________、____________、__________其中之一，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Mg2＋中混有的Fe2＋的方法
先加入氧化剂(如______)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＋。
(3)请设计实验方案：除去CuCl2溶液中混有的少量FeCl2。
答案　(1)MgO　MgCO3　Mg(OH)2　(2)H2O2
(3)先通入适量Cl2(或加入H2O2)，再向混合溶液中加入足量CuO[或CuCO3、Cu(OH)2、Cu2(OH)2CO3其中之一]，充分反应后过滤。
题组练习
题组一　Fe2＋、Fe3＋的性质及应用
1．《新修本草》中关于“青矾”的描述：“本来绿色，新出窟未见风者，正如琉璃，烧之赤色”。《物理小识》中说：“青矾厂气熏人，衣服当之易烂，栽木不茂”，下列相关叙述不正确的是(　　)
A．赤色固体可能是Fe2O3
B．青矾宜密闭保存，防止氧化变质
C．青矾燃烧过程中发生了电子转移
D．“青矾厂气”可能是CO和CO2
答案　D
解析　根据《新修本草》关于青矾的描述可知为FeSO4·7H2O，其分解产生的气体二氧化硫有刺激性气味，三氧化硫有腐蚀性，不可能产生CO和CO2。
2．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＋和Fe3＋。
3．下列有关Fe3＋、Fe2＋的性质及应用的说法正确的是____________(填序号)。
①Fe2(SO4)3易溶于水，所以可用作净水剂
②向Fe2(SO4)3溶液中加入过量铁粉，可制得硫酸亚铁溶液
③室温下，向FeCl3溶液中滴加少量KI溶液，再滴加几滴淀粉溶液，溶液变蓝色，则说明Fe3＋的氧化性比I2的强
④Fe2＋与H2O2在酸性溶液中的反应：2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O
⑤硫酸亚铁片和维生素C同时服用，能增强治疗缺铁性贫血的效果
答案　②③④⑤
解析　Fe3＋水解生成Fe(OH)3胶体，可用于净水，与Fe2(SO4)3是否易溶于水无对应关系，①错误；2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，②正确；Fe3＋将I－氧化成I2，依据氧化剂的氧化性大于氧化产物的氧化性，可知Fe3＋的氧化性强于I2，③正确；H2O2具有强氧化性，能将Fe2＋氧化为Fe3＋，④正确；维生素C具有还原性，能防止硫酸亚铁片中的Fe2＋被氧化，⑤正确。
题组二　Fe2＋、Fe3＋的检验
4．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。
5．(2020·济南质检)将0.2mol·L－1的KI溶液和0.05mol·L－1Fe2(SO4)3溶液等体积混合充分反应后，取混合液分别完成下列实验，能说明溶液中存在化学平衡2Fe3＋＋2I－??2Fe2＋＋I2的是(　　)
A．向混合液中滴入KSCN溶液，溶液变红色
B．向混合液中滴入AgNO3溶液，有黄色沉淀生成
C．向混合液中滴入K3[Fe(CN)6]溶液，有蓝色沉淀生成
D．向混合液中滴入淀粉溶液，溶液变蓝色
答案　A.解析　0.2 mol·L－1的KI溶液和0.05 mol·L－1 Fe2(SO4)3溶液等体积混合，KI过量，向混合液中滴入KSCN溶液，溶液变红色，说明溶液中仍含有Fe3＋，能说明溶液中存在化学平衡2Fe3＋＋2I－??2Fe2＋＋I2，A项正确；KI过量，溶液中存在I－，B项错误；该反应生成Fe2＋，向混合液中滴入K3[Fe(CN)6]溶液，有蓝色沉淀生成，只能说明溶液中含有Fe2＋，C项错误；该反应生成I2，向混合液中滴入淀粉溶液，溶液变蓝色，说明溶液中含有碘单质，D项错误。
小结
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)；检验Fe2＋最好用K3[Fe(CN)6]溶液。
氢氧化亚铁制备实验探究
1．制备原理
(1)制备原理：Fe2＋＋2OH－===Fe(OH)2↓。
(2)成功关键：溶液中不含O2等氧化性物质；制备过程中，保证生成的Fe(OH)2在密闭的、隔绝空气的体系中。
2．常用方法
(1)有机层隔离法
①反应在试管底部进行(这是唯一一种把胶头滴管插入反应溶液的实验)。
②加隔氧剂，如加入汽油、苯等比水轻的有机溶剂[如图，由于苯的液封作用，可防止生成的Fe(OH)2被氧化，因而可较长时间观察到白色的Fe(OH)2沉淀]。
(2)还原性气体保护法
该方法是先在装置Ⅰ中生成FeSO4溶液，并利用生成的H2排尽整个装置中的空气，待检验H2的纯度后，再关闭止水夹K，利用生成的H2把FeSO4溶液压入装置Ⅱ中与NaOH溶液进行反应。
练习
1．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。
2．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。①②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。
3．如下图所示，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6mol·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中应预先加入的药品是________。A中反应的离子方程式是____________________________________。
(2)实验开始时先将止水夹a_____ (填“打开”或“关闭”)，其目的是__________________。
(3)简述生成Fe(OH)2的操作过程___________________________________________________。
(4)实验完毕，打开b处止水夹，放入一部分空气，此时B瓶中观察到的现象是___________，
发生的反应为______________________________。
答案　(1)铁屑　Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
(2)打开　利用氢气排出装置中的空气，以防止Fe(OH)2被氧气氧化生成氢氧化铁
(3)待A装置反应一段时间后关闭止水夹a，将FeSO4溶液压入B中进行反应
(4)白色絮状物迅速变成灰绿色，最后变为红褐色
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
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