第3章 铁 金属材料（word版）-【精英1号】2024年高一化学学考名师解析与训练·知识梳理手册

第三章　铁　金属材料 第一节　铁及其化合物 1．铁的单质 (1)铁有延展性和导热性，能导电，能被磁铁吸引。 (2)铁与较强的氧化剂反应时，铁原子失去3个电子生成＋3价铁的化合物。 例如：2Fe＋3Cl22FeCl3。 (3)铁与较弱的氧化剂反应时，铁原子失去2个电子生成＋2价铁的化合物。 例如：Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑；Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu。 (4)红热的铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。 3Fe＋4H2OFe3O4＋4H2 2．铁的氧化物 物质 氧化亚铁(FeO) 氧化铁(Fe2O3) 四氧化三铁(Fe3O4) 俗称 — 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 不溶于水 铁的价态 ＋2 ＋3 ＋2、＋3 与H＋反应的 离子方程式 FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O 6H＋＋Fe2O3=== 2Fe3＋＋3H2O Fe3O4＋8H＋=== 2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O 稳定性 6FeO＋O22Fe3O4 稳定 稳定 用途 Fe2O3常用于制作红色油漆与涂料，赤铁矿(主要成分是Fe2O3)是炼铁的原料 　　 3.铁的氢氧化物 4.铁盐和亚铁盐 (1)Fe2＋具有还原性，与强氧化剂(Cl2、Br2、O2、H2O2)反应。 例如：2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－；4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3。 (2)Fe3＋具有氧化性，与强还原剂(Fe、Cu、I－、S2－、SO)反应。 例如：2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋；2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋；2Fe3＋＋2I－===2Fe2＋＋I2。 (3)Fe3＋遇SCN－显红色，常用KSCN溶液检验Fe3＋的存在。 1．注意铁元素的变价：铁是较活泼的金属，发生化学反应时可生成＋2价、＋3价两种价态的化合物。铁与氧化性较弱的氧化剂(如盐酸、硫酸铜溶液等)反应，铁原子失去2个电子生成＋2价铁的化合物；与氧化性较强的氧化剂(如氯气、硝酸等)反应，铁原子则失去3个电子生成＋3价铁的化合物。 2．注意Fe(OH)2的制备方法：为了防止Fe(OH)2被O2氧化，在制备Fe(OH)2时，一般从两个角度考虑，一是反应试剂，二是反应环境。取用最新配制的FeSO4溶液；NaOH溶液加热煮沸并冷却后使用，以去除溶液中溶解的O2。 3．注意分析物质性质的两个基本角度：物质类别和核心元素的化合价。以FeSO4为例，从物质类别角度看，属于盐类，能与碱反应生成新的碱与新的盐(复分解反应)；从化合价角度看，铁元素显＋2价，既具有氧化性，又具有还原性，能与Zn、Al等还原剂反应，也能与氯水、酸性KMnO4溶液等氧化剂反应(氧化还原反应)。可以通过绘制铁及其化合物的价类二维图并书写各物质间转化的反应方程式，整理所学知识，形成知识网络。 例1　如图所示为一些物质之间的转化关系。 请回答下列问题： (1)A的化学式为________；C的化学式为________。 (2)F转化为G的离子方程式为__________________________。 (3)有同学向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的B溶液，溶液变为棕黄色，发生反应的离子方程式为_____________________________________________________。 (4) 设问顺序前后颠倒，应为：可将产为溶解于水配成溶液，然后选用________进行检验，其现象是______________________________________________。 【答案】(1)Fe　KOH　(2)Fe(OH)3＋3H＋===Fe3＋＋3H2O　(3)H2O2＋2Fe2＋＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O (4)KSCN溶液　溶液变为红色 【解析】结合图示“白色沉淀E,空气Ｆ红褐色沉淀F”，可知E为Fe(OH)2、F为Fe(OH)3；Fe(OH)3与盐酸反应可生成FeCl3和水，则G为FeCl3；结合“D溶液白色沉淀H”，可知D中含Cl－，再结合溶液焰色呈紫色可知溶液中含K＋，可逆推出D为KCl，结合图示可确定B为FeCl2，A为Fe，C为KOH。 (1)由分析知A为Fe，C为KOH。 (2)F转化为G即Fe(OH)3转化为FeCl3的离子方程式为Fe(OH)3＋3H＋===Fe3＋＋3H2O。 (3)向盛有H2O2溶液的试管中加入几滴酸化的B溶液，溶液变为棕黄色，是酸性条件下Fe2＋能被H2O2溶液氧化为Fe3＋，发生反应的离子方程式为H2O2＋2Fe2＋＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O。 (4)Fe在Cl2中燃烧生成FeCl3，KSCN溶液遇Fe3＋，溶液变红。 例2　长期放置的FeSO4溶液易被氧化而变质，某兴趣小组进行了如下实验： (1) 设计实验检验FeSO4溶液的变质程度。 ①将上述方案补充完整：__________________________、_______________________。 ②若要使部分变质的FeSO4复原，方法是__________________(用离子方程式表示)。 (2) 利用部分变质的FeSO4溶液制备Fe2O3。 ①“(　　)”中所填是所需试剂或条件，分别为__________、__________、__________。“”中所填是含铁物质的化学式，分别是__________、__________(以离子形式存在的可写离子符号)。 ②若用100mL该变质溶液可以制得1.6g Fe2O3，则变质前FeSO4溶液的浓度为________mol·L－1。 (3)FeSO4可用作补铁剂，使用时建议与维生素C同服，同学甲猜测维生素C可将Fe3＋转化为Fe2＋，以利于人体吸收。为了验证这一猜想，设计了如下实验： 实验方案 实验现象 取适量Fe2(SO4)3溶液于试管中，加入维生素C片，振荡溶解后，滴加酸性高锰酸钾溶液 紫色褪去 由上述实验能否得出“维生素C可将Fe3＋转化为Fe2＋”的结论？请说明理由：____________________________________________________。 【答案】(1)①溶液变红　紫色褪去　②2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋　(2)①H2O2溶液　NaOH溶液　加热　Fe3＋　Fe(OH)3　②0.2　(3)不能，维生素C也具有还原性，若其过量，也可使酸性高锰酸钾溶液褪色，则无法说明一定有Fe2＋生成 【解析】(1)①要证明FeSO4溶液部分变质，需证明溶液中同时含Fe3＋和Fe2＋；步骤1向待检测液中加入KSCN溶液，溶液变红，说明溶液中含Fe3＋；步骤2向待检测液中滴加少量酸性高锰酸钾溶液，紫色褪去，说明溶液中含Fe2＋。②要使变质的FeSO4溶液复原，可向溶液中加入过量Fe粉，再经过滤除去剩余Fe粉即可，反应的离子方程式为2Fe3＋＋Fe＝3Fe2＋。 (2)①利用部分变质的FeSO4溶液制备Fe2O3，为了不引入杂质可用H2O2溶液将Fe2＋氧化成Fe3＋，即得到Fe2(SO4)3溶液，再加入足量NaOH溶液得到Fe(OH)3沉淀，过滤后加热使Fe(OH)3分解即生成Fe2O3。 ②n(Fe2O3)＝＝0.01mol，则变质前100mL溶液中含n(FeSO4)＝0.02mol，故c(FeSO4)＝＝0.2mol/L； (3)该实验现象不能验证猜想，因为维生素C也具有还原性，若维生素C过量，也可使酸性高锰酸钾溶液褪色，则无法说明一定有Fe2＋生成。 第二节　金属材料 1．铁合金 (1)金属材料包括纯金属和它们的合金；合金具有许多优良的物理、化学或机械性能，在许多方面不同于各成分金属；合金的硬度一般大于其成分金属。 (2)生铁和钢是含碳量不同的两种铁碳合金。生铁的含碳量为2%～4.3%，钢的含碳量为0.03%～2%；生铁硬度大、抗压，性脆、可以铸造成型；钢有良好的延展性，机械性能好。 (3)钢按化学成分可分为两大类：碳素钢和合金钢。碳素钢可分为高碳钢(含碳量高于0.6%)、中碳钢(含碳量为0.3%～0.6%)和低碳钢(含碳量低于0.3%)；合金钢是在碳素钢中加入铬、锰、钨、镍、钼、钴、硅等合金元素，不锈钢是最常见的合金钢。 2．铝和铝合金 (1)铝的重要性质(与酸、碱反应，钝化现象)。 ①与稀盐酸反应：2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑。 ②与NaOH溶液反应：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。 ③常温下，铝遇浓硝酸、浓硫酸会钝化。 (2)氧化铝的重要性质(与酸、碱反应，两性氧化物)。 ①与稀盐酸反应：Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O。 ②与NaOH溶液反应：Al2O3＋2NaOH===2NaAlO2＋H2O。 (3)铝合金指铝中加入少量合金元素，如Cu、Mg、Si、Mn、Zn及稀土元素等。 3．新型合金 (1)储氢合金：一类能够大量吸收H2并与H2结合成金属氢化物的材料，如Ti－Fe合金、La－Ni合金等，为氢气作为能源的实际应用起到重要的推动作用。 (2)其他新型合金：钛合金、耐热合金和形状记忆合金等新型合金广泛应用于航空航天、生物工程和电子工业等领域。 4．物质的量在化学方程式计算中的应用 (1)化学方程式中化学计量数与各化学计量间的关系。 　 结论：化学方程式中化学计量数之比等于各物质的物质的量之比。 (2)有关物质的量的计算中的“三个规范”。 ①书写规范：各种符号的书写要规范，大写字母与小写字母的意义各不相同。例如，“M”表示摩尔质量，而“m”表示质量；“N”表示微粒数，而“n”表示物质的量。 ②符号规范：各物理量及单位、物质的名称、公式等用规范的符号表示，如参加反应HCl溶液的体积为V[HCl(aq)]。 ③单位规范：把已知量代入计算式中计算时都要带单位且单位要统一。 1．注意合金的性质：合金具有许多良好的物理、化学和机械性能，许多方面不同于各成分金属，合金的性质不是成分金属性质简单的加合；但在化学性质上，一般认为合金体现的是各成分金属的化学性质。 2．注意Al与NaOH溶液反应机理：铝先与强碱溶液中的水反应生成H2和Al(OH)3，Al(OH)3可溶于NaOH生成NaAlO2和H2O，反应中Al为还原剂，H2O为氧化剂。反应过程分两步： (1)2Al＋6H2O===2Al(OH)3↓＋3H2↑； (2)Al(OH)3＋NaOH===NaAlO2＋2H2O。 3．注意几种计算类型： (1)基本计算——已知一种反应物(或生成物)的量求解其他物质的有关量，按照化学方程式中量的关系，列出已知物质和待求物质的比例式计算便可。 (2)混合物反应的计算——设混合物中各物质的物质的量为x、y，按照化学方程式中量的关系，并用x、y表示，列出方程组解答。 (3)过量计算——写出反应的化学方程式，判断哪一种反应物过量，根据不足量的物质求解。 例1　用教材中的实验装置进行铝热反应实验时，存在纸漏斗易燃烧、火星四射等问题，某校化学兴趣小组同学为了解决这些问题将实验装置做了如图所示改进(如图A所示)。取磁性氧化铁在图A所示装置中进行铝热反应，冷却后得到“铁块”混合物。 (1)实验中可以用蔗糖和浓硫酸代替镁条作引火剂，原因是________________。 (2)该铝热反应的化学方程式为________________________。 (3)取反应后的“铁块”研碎取样称量，加入如图B所示装置，滴入足量NaOH溶液充分反应，测量生成气体的体积以求得样品中残留铝的质量分数。 ①量气管在读数时必须进行的操作步骤是______________。 ②取1g样品进行上述实验，共收集到44.8mL(标准状况下)气体，则“铁块”中铝的质量分数为________。 ③图B所示装置中分液漏斗上端和试管用橡胶管连通，除了可以平衡压强让液体顺利滴入试管之外，还可以起到降低实验误差的作用。如果装置没有橡胶管，则测得的“铁块”中铝的质量分数将会________(填“偏大”或“偏小”)。 【答案】(1)蔗糖在浓硫酸中脱水并放出大量的热　(2)8Al＋3Fe3O44Al2O3＋9Fe　(3)①冷却至常温、调节量气管使左右液面相平　②3.6%　③偏大 【解析】(1)浓硫酸能使蔗糖脱水并放出大量的热，可作引火剂。 (2)Al还原Fe3O4生成Fe和Al2O3，化学方程式为8Al＋3Fe3O44Al2O3＋9Fe。 (3)①因为气体的体积受温度和压强影响，所以量气管在读数时必须进行的步骤是：冷却至常温、调节量气管使左右液面相平；②根据Al与NaOH溶液反应的化学方程式：2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑可知，m(Al)＝n(Al)×27g·mol－1＝n(H2)×27g·mol－1＝×0.0448L÷22.4L·mol－1×27g·mol－1＝0.036g，则“铁块”中铝的质量分数为0.036g÷1g×100%＝3.6%；③如果装置没有橡胶管，随着分液漏斗中液体流下，试管中压强增大，会导致排入量气管中的液体增多，造成气体读数偏大，即“铁块”中铝的质量分数偏大。 例2　铝土矿的主要成分是Al2O3，还含有少量SiO2、Al2O3、Fe2O3等杂质(已知SiO2不溶于盐酸)。从铝土矿中提取铝的工艺流程如图所示。 请回答下列问题。 (1)写出①②中发生的主要反应的离子方程式：①_______________，_______________；②_______________，_______________。 (2)步骤②中不用氨水沉淀Fe3＋的原因是__________________________________。 【答案】(1)①Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O　Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O　②Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O　Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓　(2)Al(OH)3能溶于强碱溶液但不溶于氨水，用氨水不能将反Fe(OH)3和Al(OH)3分离开 【解析】由流程可知，铝土矿加过量盐酸溶解，发生的主要反应为Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O、Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O，而SiO2不与盐酸反应，可知滤渣为SiO2；滤液甲中含有的阳离子有Fe3＋、Al3＋、H＋，加入过量烧碱，氢离子和氢氧化钠反应生成水，铝离子和氢氧化钠反应生成氢氧化铝沉淀，铁离子与氢氧化钠反应生成氢氧化铁沉淀，氢氧化铝易溶于氢氧化钠溶液中生成偏铝酸钠溶液，滤液C与过量二氧化碳反应生成Al(OH)3沉淀和NaHCO3; Al(OH)3经洗涤、加热生成Al2O3，电解Al2O3生成Al，以此来解答问题。 (1)根据上述分析，过程①的反应为：Fe2O3＋6HCl===2FeCl3＋3H2O、Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O，离子方程式为：Al2O3＋6H＋===2Al3＋＋3H2O、Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O。过程②为与碱的反应，离子方程式为：Al3＋＋4OH－===AlO＋2H2O、Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓。 (2)步骤②中不用氨水沉淀Fe3＋的原因是Al(OH)3能溶于强碱溶液但不溶于氨水，用氨水不能将反Fe(OH)3和Al(OH)3分离开。 学科网（北京）股份有限公司 $$