内容正文:
第 三 章
铁 金属材料
化学·必修第一册
1
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第一节 铁及其化合物
课时1 铁的单质、铁的氧化物和氢氧化物
3
「任务一」 探究铁单质的性质
4
×
√
×
√
×
×
√
√
「任务二」 探究铁的氧化物和氢氧化物的性质
26
×
√
×
√
√
课后分层练(十六) 铁的单质、铁的氧化物和氢氧化物
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eq \a\vs4\al([学习目标])
1.知道铁元素在自然界中的存在形态、与人体健康的关系,体会化学对人类生活的重要意义。
2.能用氧化还原反应原理进一步认识铁的化学性质,基于实验事实写出铁与水蒸气反应的化学方程式,并用于解释生产中简单的化学问题,培养安全意识。
3.通过实验探究铁的氢氧化物的化学性质,并能用化学方程式或离子方程式正确表示。体会实验对认识和研究物质性质的重要作用,形成证据意识
铁是地壳中最丰富的元素之一,仅次于氧、硅和铝。铁分布很广,常以氧化物的形式存在,有赤铁矿(主要成分是Fe2O3)、磁铁矿(主要成分是Fe3O4)、褐铁矿(主要成分是Fe2O3·3H2O)、黄铁矿(主要成分是FeS2)等。
纯铁化学性质比较活泼,是一种良好的还原剂。纯铁在空气中不易被腐蚀,含杂质的铁在潮湿空气里逐渐生锈,外表生成一层褐色的铁锈。铁红热时能与水蒸气反应生成氢气。铁的最大用途是炼钢。
问题1.怎么把铁从矿石中提炼出来?
提示:矿石中铁元素的化合价一般为+2价或+3价,利用还原剂,如焦炭、CO、H2等将铁从矿石中还原出来。
问题2.请例举身边的钢铁制品,并从氧化还原角度思考铁制品生锈的原因。
提示:铁制品中的铁易失电子,空气中的氧气易得电子,在一定条件下(有水的参与)二者发生反应,最终转化为铁锈(Fe2O3·xH2O)。
问题3.“纯铁化学性质比较活泼,是一种良好的还原剂”,请列举事实或证据说明。
提示:铁分布很广,常以氧化物的形式存在,说明铁易被氧化;含杂质的铁在潮湿空气里逐渐生锈,外表生成一层褐色的铁锈;铁红热时能与水蒸气反应生成氢气等。
+2
+3
还原
Fe2O3+3CO2Fe+3CO2
1.铁的存在与冶炼
(1)存在:铁在地壳中的含量居第四位,仅次于 、 和 ;铁的主要化合价有 和 。
(2)冶炼:工业炼铁的原理是利用 的方法把铁从铁矿石中提炼出来,以赤铁矿为例,工业炼铁的反应原理为 (用化学方程式表示)。
氧
硅
铝
2.铁的物理性质
在冶金工业上,人们常把金属分为黑色金属和有色金属,铁属
于 ;铁能被 吸引,其熔、沸点较 。
【拓展】 铁属于过渡金属,过渡金属具有熔点高、硬度大、密度大等性质。
黑色金属
磁铁
高
3.铁的化学性质
(1)依据金属活动性顺序及所学,预测铁能发生哪些化学反应,尝试用化学方程式或离子方程式进行表征。
答案:铁活动性比H+强:Fe+2H+===Fe2++H2↑;
铁在高温下与水蒸气反应:3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2;
铁与强氧化性的氧化剂反应:2Fe+3Cl22FeCl3。
(2)从氧化还原反应的角度再分析上述反应,反应中体现了铁的什么性质?
答案:还原性。
1.铁的化学性质比较活泼,所以铁在自然界中全部以化合态形式存在( )
2.Fe分别与Cl2和盐酸反应,所得氯化物相同( )
3.(2024·山东卷)铁粉可用作食品脱氧剂( )
4.红热的铁丝伸到盛有氯气的集气瓶中,可观察到铁丝剧烈燃烧,产生棕红色的烟( )
5.(2024·河北卷)还原铁粉与水蒸气反应生成的气体点燃后有爆鸣声,说明H2O具有还原性( )
突破1 铁粉与水蒸气的反应
实验装置
操作及现象
用火柴点燃肥皂泡,听到爆鸣声,反应后试管内固体仍为黑色
现象解释
进一步验证
设计实验验证黑色固体产物为Fe3O4:
实验结论
红热的铁能与水蒸气发生反应:
依据火柴点燃肥皂泡听到爆鸣声推测产生可燃性气体,依据元
素守恒进一步推测该物质为H2;依据反应后试管内固体仍为黑
色推测,该物质可能为FeO或Fe3O4
取少许固体溶于盐酸,再加入KSCN,若溶液变红则证明产物
为Fe3O4
3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
【例1】 某同学为探究高温下铁粉与水蒸气的反应,设计如图所示的实验装置,在硬质玻璃管中加入石棉绒和5.6 g铁粉,下列说法错误的是( )
A.硬质玻璃管中发生的反应3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
B.铁粉与水蒸气反应后,可立即用磁铁将剩余铁粉分离出来
C.若反应产生0.448 L气体(标准状况下),则铁粉的转化率为15%
D.反应开始时应先点燃A处的酒精灯
答案:B
【拓展延伸】判断下列说法是否正确
E.A装置的作用是提供水蒸气( )
F.每消耗3 mol Fe,生成4 mol H2( )
G.铁全部被氧化为+3价( )
突破2 从“价—类”二维的角度认识铁单质的性质
(1)将你所知道的有关铁及其化合物填写在下列“价—类”二维图中。
(2)基于“价—类”二维图,实现Fe→Fe(Ⅱ)转化的常见氧化剂有哪些?并写出其中一个反应的化学或离子方程式。
答案:实现Fe→Fe(Ⅱ)转化的常见氧化剂有:H+(如盐酸、稀硫酸等);金属活动顺序中排在铁之后的金属阳离子(如Cu2+);部分非金属单质(如S、I2等)。
常见的化学反应有:Fe+2H+===Fe2++H2↑(或Fe+Cu2+===Fe2++Cu、Fe+SFeS等)(答案合理即可)
(3)基于“价—类”二维图,实现Fe→Fe(Ⅲ)转化的常见氧化剂有哪些?并写出其中一个反应的化学方程式。
答案:实现Fe→Fe(Ⅲ)转化的常见氧化剂有:Cl2、Br2、HNO3、浓硫酸等。
常见的化学反应有:2Fe+3Cl22FeCl3(答案合理即可)
◎沪科技版第二册P6
日常生活中人们常用铁或铜制的水壶来盛水和烧水,说明这些金属与冷水或热水不发生反应。但在更高温度下,铁能与水蒸气发生反应,生成四氧化三铁和氢气。
3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
1.下列变化过程中,不能一步实现的是( )
A.FeFeCl3 B.FeFe3O4
C.FeFe3O4 D.FeFeCl3
答案:D
2.(原创)纯铁银白色有金属光泽,工业上因铁表面常覆盖一层四氧化三铁的黑色保护膜而被称为黑色金属。下列有关说法错误的是( )
A.红热的铁丝在氯气中燃烧,产生棕红色的烟
B.从元素价态看Na2FeO4具有强氧化性
C.铁单质与硫酸铜、氯气反应的产物不同,体现了化学反应的复杂性
D.炽热的铁能与水蒸气反应生成氢氧化铁和氢气,故铁水注入的模具必须干燥
答案:D
3.氢能是理想清洁能源,可利用铁及其氧化物循环制氢,其原理如图所示。下列有关说法不正确的是( )
A.反应器Ⅰ中化合价发生改变的元素只有C、H、Fe
B.含CO和H2各1 mol的混合气体与初始量足量的Fe2O3在反应器中完全反应,理论上反应器Ⅱ能获得1.6 mol H2
C.反应器Ⅱ中生成标准状况下22.4 L H2,则反应器Ⅱ中的反应转移2 mol电子
D.反应器Ⅲ中发生反应的化学方程式为:4Fe3O4+O2===6Fe2O3
解析:选B。A.反应器Ⅰ中 CO、H2、Fe2O3反应生成CO2、H2O和Fe,C、H、Fe三种元素化合价发生变化,故A正确;B.CO、H2各1 mol参加反应,共转移4 mol电子,生成 eq \f(4,3) mol Fe, eq \f(4,3) mol Fe在反应器Ⅱ中发生反应3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2,生成 eq \f(16,9) mol H2,故B错误;C.反应器Ⅱ中发生的反应:3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2,生成标准状况下22.4 L H2,即生成1 mol氢气,反应转移2 mol电子,故C正确;D.反应器Ⅲ中Fe3O4 、O2为反应物,Fe2O3为生成物,发生的反应为4Fe3O4+O2===6Fe2O3,故D正确。
砖有红砖与青砖之分,砖的颜色为何不同呢?将用黏土制成的砖坯置于窑内,先用大火将砖坯从外向里烧透,然后停火,使砖和窑体慢慢冷却下来,在这个过程中,由于空气充足,砖坯中的铁元素就被氧化成红棕色的氧化铁而使砖呈现红色;如果在砖坯烧透之后,从窑顶向砖坯上淋水,使其迅速冷却,由于产生大量的CO和H2,氧化铁被还原为氧化亚铁和四氧化三铁,同时还有未烧的炭粒,使砖呈现青色。
问题3.写出氧化铁被 CO还原为四氧化三铁的化学方程式:________________________________________________________________________。
提示:3Fe2O3+CO2Fe3O4+CO2
问题1.写出文本中涉及的铁的氧化物的化学式:___________________。
提示:FeO、Fe2O3、Fe3O4
问题2.写出高温条件下,二价铁(以氧化物形式表示)氧化形成氧化铁的化学方程式:__________________。
提示:4FeO+O22Fe2O3
磁性氧化铁
黑色粉末
红棕色粉末
黑色晶体
1.铁的氧化物
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
铁的化合价
+2,+3
俗称
—
颜色、状态
溶解性
均不溶于水
+2
+3
铁红
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
与H+反应的离子方程式
—
稳定性
6FeO+O2
2Fe3O4
稳定
稳定
用途
—
油漆 、涂料、颜料及炼铁原料
制磁铁及炼铁原料
FeO+2H+===
Fe2++H2O
Fe2O3+6H+===
2Fe3++3H2O
◎鲁科版第一册P90
氧化亚铁(FeO)是一种黑色粉末,可以用作色素,如应用于瓷器制作中使釉呈绿色。
2.铁的氢氧化物
(1)Fe(OH)2与Fe(OH)3的制备
项目
Fe(OH)2
Fe(OH)3
操作
Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
Fe(OH)3
项目
Fe(OH)2
Fe(OH)3
现象
离子方程式
实验结论
Fe(OH)2和Fe(OH)3,二者更稳定的是
产生白色絮状沉淀,迅速变为灰绿
色,最终变为红褐色
产生红褐色沉淀
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓、
4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3
不溶于水
2Fe(OH)3Fe2O3+3H2O
Fe(OH)2+2H+===Fe2++2H2O
Fe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O
(2)Fe(OH)2与Fe(OH)3的比较
项目
Fe(OH)2
Fe(OH)3
颜色
溶解性
热稳定性
—
(用化学方程式表示)
与H+反应的离子方程式
白色
红褐色
不溶于水
1.在空气中,白色的Fe(OH)2迅速转变成灰绿色,最终变成红褐色( )
2.FeCl3溶液滴入热的浓NaOH溶液中可得到Fe(OH)3胶体( )
3.Fe(OH)3与氢碘酸反应生成FeI3( )
4.(2024·浙江6月选考)FeO有还原性,能被氧化成Fe3O4( )
5.丹霞地貌的岩层因含Fe2O3而呈现红色( )
【例1】 实验小组设计了在隔绝空气条件下钠与FeSO4溶液的反应。实验时,向100 mL的大试管中先加 40 mL煤油,取3颗米粒大小的金属钠放入大试管中,塞上橡皮塞;通过长颈漏斗向大试管中加入 FeSO4溶液使煤油的液面至橡胶塞,并夹紧弹簧夹,装置如图所示。
(1)依据所学知识预测,大试管下层溶液中出现的现象为_____________;装置中长颈漏斗内液面下降还是上升并说明理由:________________________________________________________________________。
(2)实验中煤油的作用是________________________________________________________________________。
(3)实验小组同学发现,大试管下层溶液中的现象不是预期的现象,请帮助其分析可能的原因并改进。由此你得到什么启示?________________________________________________________________________。
答案:(1)有白色沉淀产生 装置中长颈漏斗内液面上升。金属钠与FeSO4溶液中的水发生反应,生成NaOH和H2;H2使容器中压强增大,溶液沿长颈漏斗上升
(2)液封,隔绝空气,防止生成的Fe(OH)2被氧化
(3)可能是FeSO4溶液中溶解的氧气将Fe(OH)2氧化;FeSO4溶液要现用现配,且配制溶液的蒸馏水要煮沸晾凉后使用等。即防氧化是全方位的,从装置、试剂、操作多维度防氧化(答案合理即可)
1.下列关于氧化亚铁、氧化铁、四氧化三铁三种铁的氧化物的说法不正确的是( )
A.铁元素化合价不完全相同
B.氧化亚铁在空气中受热,能迅速被氧化成Fe3O4
C.氧化亚铁俗称铁红,为红棕色粉末
D.铁在氧气中燃烧的产物为黑色晶体
答案:C
2.某学习小组向盛硫酸亚铁溶液的试管中加过量氢氧化钠溶液,观察到有白色沉淀生成,随后迅速变为灰绿色,振荡试管一段时间后,灰绿色加深且试管壁上有少量红褐色固体生成。下列分析不正确的是( )
A.白色沉淀和红褐色固体分别是Fe(OH)2和Fe(OH)3
B.白色沉淀Fe(OH)2与过量NaOH发生反应生成红褐色的Fe(OH)3
C.上述实验过程中发生了复分解反应和氧化还原反应
D.制备Fe(OH)2需要在隔绝空气的条件下进行
答案:B
3.下列实验操作能够制取Fe(OH)2并能较长时间观察到白色沉淀的是( )
答案:D
1.(2025·天津南仓中学高一期末)《本草纲目》中记载“慈石治肾家诸病,而通耳明目。慈石,色轻紫,石上皲涩,可吸连针铁,俗谓之熠铁石”。“慈石”的主要成分是( )
A.铁 B.氧化铜 C.氧化铁 D.四氧化三铁
答案:D
2.(2025·华东师大附中高二开学考)有关铁的氧化物的说法中,不正确的是( )
A.赤铁矿的主要成分是 Fe2O3 ,Fe2O3 呈红棕色,常用作油漆、涂料等的红色颜料
B.Fe3O4是黑色晶体,其中 eq \f(1,3)的铁显+2价, eq \f(2,3)的铁显+3价
C.FeO和Fe2O3均是金属氧化物,都不溶于水,与盐酸反应分别生成亚铁盐和铁盐
D.FeO不稳定,在空气中加热迅速被氧化成 Fe2O3
答案:D
3.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·3Fe2O3 B.2FeO·3Fe2O3
C.4FeO·2Fe2O3 D.6FeO·Fe2O3
答案:B
4.(原创)下列说法错误的是( )
A.铁在纯氧中燃烧或高温下与水蒸气反应均能得到 Fe3O4
B.含有不同价态铁元素的物质之间的转化,可借助氧化还原反应实现
C.铁在潮湿的空气中生成铁锈的主要成分是Fe2O3·xH2O
D.铁单质不能与冷水发生反应,但能与热水发生反应
答案:D
5.(原创)金属单质A可发生以下反应。试判断:
(1)物质A、B、C、D、E分别是(写化学式,B写主要成分):A__________、B__________、C__________、D________、E________。
(2)写出反应③和⑤的离子方程式:
③_________________________________________________________;
⑤_________________________________________________________。
(3)写出反应④的化学方程式:_________________________________________________________________________。
答案:(1)Fe Fe2O3 Fe3O4 Cu H2
(2)Fe+Cu2+===Fe2++Cu
Fe+2H+===Fe2++H2↑
(3)3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
请用“价—类”二维图总结本节课的主要内容。
答案略。
【基础达标练】
1.盛放在油罐车内的石油产品,振荡时可产生静电引起火灾,所以油罐车尾部有一条拖地的铁链,这是利用铁的( )
A.延展性 B.导电性 C.硬度小 D.熔点高
答案:B
2.(原创)在冶金行业中通常把铁称为“黑色金属”,铁制品在生产、生活中有广泛用途。下列说法错误的是( )
A.铁是黑色的金属
B.铁粉可用作食品脱氧剂
C.用作避雷针是利用铁的导电性
D.地壳中含量位居第二的金属元素是铁元素
答案:A
3.下列反应中,铁元素表现出氧化性的是( )
A.FeCl3溶液使淀粉碘化钾试纸变蓝
B.向FeCl3溶液中加入 AgNO3溶液,产生白色沉淀
C.向FeCl3溶液中加入NaOH溶液,产生红褐色沉淀
D.将Cl2通入FeCl2 溶液中
解析:选A。淀粉碘化钾试纸变蓝说明FeCl3与KI反应生成I2,碘元素从-1价转化为0价,化合价升高,则铁元素(Fe3+)的化合价降低,作氧化剂,显氧化性,故A 符合题意;向FeCl3溶液中加入 AgNO3溶液,产生白色沉淀,为复分解反应,故B不符合题意;向FeCl3溶液中加入NaOH溶液,产生红褐色沉淀,为复分解反应,故C不符合题意; 氯气能将亚铁离子氧化,铁元素显还原性,故D不符合题意。
4.(2025·山东济南高一阶段检测)下列离子方程式中,错误的是( )
A.氯化亚铁溶液与氯气反应:2Fe2++Cl2===2Fe3++2Cl-
B.铁与盐酸反应:Fe+2H+===Fe2++H2 ↑
C.氯化铁溶液与铁反应:Fe3++Fe===2Fe2+
D.氯化铁溶液与氢氧化钠溶液反应:Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
解析:选C。氯化铁溶液与铁反应为Fe3++Fe===2Fe2+,该离子方程式电荷不守恒、得失电子不守恒,正确的离子方程式为2Fe3++Fe===3Fe2+。
5.部分含铁物质的类别与铁元素化合价的关系如图所示。下列说法正确的是( )
A.a可在氧气中剧烈燃烧生成红色物质
B.a可与盐酸反应生成d,反应后溶液呈浅绿色
C.d可与NaOH溶液反应生成红褐色f
D.c可在常温下与水发生化合反应生成g
答案:B
6.下列方程式与所给事实不相符的是( )
A.红热的铁与水蒸气发生反应:3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2
B.铁在氯气中燃烧:2Fe+3Cl22FeCl3
C.钠放置在空气中表面变暗:2Na+O2===Na2O2
D.用大理石和稀盐酸制取CO2:CaCO3+2H+===Ca2++CO2↑+H2O
解析:选C。钠放置在空气中表面变暗是因为常温下钠与空气中的氧气反应生成白色固体氧化钠,反应的化学方程式为4Na+O2===2Na2O,故C错误,符合题意。
7.类比是研究物质的常用方法之一,可预测许多物质的性质。下列类比推测的说法中正确的是( )
A.Fe和O2能直接化合生成Fe3O4,推测Cu和O2可直接化合生成Cu3O4
B.Na和H2O反应生成NaOH和H2,推测Fe和H2O反应生成Fe(OH)3和H2
C.Fe能与CuSO4溶液发生反应,推测Fe能与AgNO3溶液发生反应
D.Na在常温下能与H2O(l)反应,推测Fe在常温下也能与H2O(l)反应
答案:C
【拓展提能练】
8.(2025·江苏天一中学月考改编)如图是铁与水蒸气反应的实验装置。在硬质玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒(石棉绒是耐高温材料,与水、铁不反应)的混合物,加热,并通入水蒸气,就可以完成高温下铁与水蒸气反应的实验。
(1)仪器a的名称是________________。
(2)某同学为了研究一定时间内铁粉的转化率,设计了如下实验:准确称量一定质量的铁粉进行反应,测量反应后生成气体的体积,计算铁粉的转化率。
该同学应该先点燃______(填“A”或“B”)处的酒精灯(或酒精喷灯),测量气体体积不可以选用上图中_____(填“甲”“乙”或“丙”)装置。
(3)取反应后得到的黑色粉末放入一试管中,加入稀硫酸将固体溶解,再滴加几滴KSCN溶液,振荡,溶液没有出现红色,可能的原因是________
_______________________________________________(用离子方程式表示)。
答案:(1)球形干燥管 (2)A 甲 (3)2Fe3++Fe===3Fe2+
9.(2025·浙江宁波效实中学阶段检测)探究铁粉在高温下与水蒸气反应,装置如图所示(某些夹持装置已省略)。
(1)仪器a的名称是________,A装置的作用是___________________,B、 D两处应先点燃________处酒精灯(或酒精喷灯),点燃D处酒精灯之前应进行的操作是__________________________________________________。
(2)干燥管C内盛放的试剂是________。
(3)装置D中的现象是__________________________________________。
(4)当装置B的玻璃管中固体的质量增加16 g时,生成的H2在标准状况下的体积为________。
(5)等物质的量的铁粉分别与足量的盐酸、水蒸气在一定条件下充分反应,则在相同的条件下,产生氢气的体积比是________。
答案:(1)圆底烧瓶 产生水蒸气 B 检验氢气的纯度
(2)碱石灰 (3)黑色粉末变红色
(4)22.4 L (5)3∶4
10.工业上,向500~600 ℃的铁屑中通入氯气生产无水氯化铁;向炽热铁屑中通入氯化氢生产无水氯化亚铁。现用如图所示的装置模拟上述过程进行实验。
回答下列问题:
(1)制取无水氯化铁的实验中,A中反应的化学方程式为_________________,装置B中加入的试剂是_____________。
(2)制取无水氯化亚铁的实验中,装置A用来制取________。尾气的成分是________。若仍用D装置进行尾气处理,存在的问题是______________、_________。
(3)若操作不当,制得的FeCl2会含有少量FeCl3。欲制得纯净的FeCl2,在实验操作中应先_______________,再_______________。
答案:(1)MnO2+4HCl(浓)MnCl2+Cl2↑+2H2O 浓硫酸
(2)HCl HCl和H2 易发生倒吸 可燃性气体H2不能被吸收
(3)点燃A处的酒精灯 点燃C处的酒精灯
$