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第3讲 铁及其化合物
考点一铁及其氧化物和氢氧化物
知识梳理1.铁的性质（1）原子结构与物理性质银白四四Ⅷ
（2）化学性质铁单质性质活泼，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与水蒸气的反应：_____________________________________________________。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与少量稀HNO3的反应：_____________________________________________________。④Fe与FeCl3溶液的反应（写离子方程式）：_____________________________________________________。Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋
[思考]铁有＋2、＋3价两种价态，单质铁与（填下列编号，下同）反应时只生成＋3价铁；与反应时只生成＋2价铁；与反应时既生成＋2价铁也生成＋3价铁。所选试剂：①Cl2②O2③H2O（g）④S⑤盐酸⑥稀硝酸（足量）⑦稀硫酸⑧CuSO4溶液⑨FeCl3溶液①⑥④⑤⑦⑧⑨②③
2.铁的氧化物（1）物理性质铁红磁性氧化铁红棕色＋2＋3
（2）化学性质FeO、Fe2O3、Fe3O4分别与盐酸反应的离子方程式为_____________________________________________________，_____________________________________________________，______________________________________________________。FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2OFe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2OFe3O4＋8H＋===2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O
3.铁的氢氧化物（1）物理性质白色红褐色难难
（2）化学性质①稳定性Fe（OH）2：不稳定，分解产物复杂；在空气中易被氧化成Fe（OH）3，反应的化学方程式为，现象为白色固体变成，最终变为。Fe（OH）3：不稳定，受热易分解，化学方程式为。②碱性Fe（OH）2属于二元弱碱，Fe（OH）3属于三元弱碱，与非氧化性强酸反应的离子方程式分别为。4Fe（OH）2＋O2＋2H2O===4Fe（OH）3灰绿色红褐色Fe（OH）2＋2H＋===Fe2＋＋2H2O；Fe（OH）3＋3H＋===Fe3＋＋3H2O
4.Fe（OH）2、Fe（OH）3的制备分别由可溶性的亚铁盐和铁盐与碱反应制得，离子方程式分别为。Fe2＋＋2OH－===Fe（OH）2↓；Fe3＋＋3OH－===Fe（OH）3↓
[判断]（正确的打“√”，错误的打“×”）（1）铁具有导电、导热、延展性及被磁体吸引的特性（ ）（2）Fe在足量Cl2中燃烧生成FeCl3，在少量Cl2中燃烧生成FeCl2（ ）（3）根据Cl2、S与铁的反应可以判断氯元素和硫元素的非金属性强弱（ ）（4）Fe分别与氯气和盐酸反应所得氯化物相同（ ）（5）用铁制容器可以运输浓硝酸和浓硫酸（ ）（6）氧化铁能与酸反应，所以可用于制作红色染料（ ）（7）Fe2O3不可与水反应得到Fe（OH）3，所以不能通过化合反应制取Fe（OH）3（ ）√×√×√××
[提醒]1.铁在潮湿的空气中生成的铁锈的主要成分是Fe2O3，而铁在纯氧中燃烧的产物是Fe3O4。2.制取Fe（OH）2时，所用溶液要煮沸除氧气，要将吸有NaOH溶液的胶头滴管插到液面以下，或在液面上覆盖一层苯或煤油（不能用CCl4），以防止空气与Fe（OH）2接触发生反应。
对点速练练点一铁及其氧化物性质1.《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，俗谓之熁铁石”。“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.下列金属中，表面自然形成的氧化层能保护内层金属不被空气氧化的是（ ）A．KB．NaC．FeD．Al答案：D解析：金属铝在空气中表面会形成一层致密的氧化膜保护层，防止内层的金属进一步被氧化，D正确；K、Na、Fe表面形成的氧化膜比较疏松，不能保护内层金属，A、B、C错误。
3.下列叙述正确的是（ ）A．Fe与稀HNO3、稀H2SO4反应均有气泡产生，说明Fe与两种酸均发生置换反应B．足量的Fe在Cl2中燃烧生成FeCl2和FeCl3C．先后将等物质的量的Fe2O3和Fe分别溶于同一稀盐酸时无气体放出D．Fe2O3FeCl3（aq）无水FeCl3，在给定的条件下能实现转化答案：C
解析：HNO3具有强氧化性，与Fe反应产生的气体为NO，A项错；铁与Cl2反应无论量的多少产物都是FeCl3，B项错；C项中Fe2O3溶解产生Fe3＋恰好将铁单质氧化，因而不能置换出H2，正确；FeCl3溶液加热时易水解，D项错。
练点二铁及其氧化物的计算4.将10.7gMg、Al和Fe组成的合金溶于足量的氢氧化钠溶液中，产生标准状况下3.36L气体。另取等质量的合金溶于过量盐酸中，生成标准状况下7.84L气体，向反应后的溶液中加入过量NaOH溶液，得到沉淀的物质的量为（ ）A．0.1molB．0.2molC．0.25molD．0.3mol答案：B
5.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∶2＝1∶4，故该氧化物可表示为FeO·2Fe2O3，即Fe5O7。答案：D
练点三探究性实验6.某学生以铁丝和Cl2为原料进行下列实验。从分类角度分析下列说法正确的是（ ）A．实验①③反应制得的物质均为纯净物B．实验②③均未发生氧化还原反应C．实验②③均为放热过程D．实验①②所涉及的物质均为电解质或非电解质答案：B
解析：实验③得到的是氢氧化铁胶体，是混合体系，A项错误；实验②中的溶解主要是物理变化，实验③中的水解是发生复分解反应，两者均未发生氧化还原反应，B项正确；实验③中盐的水解是吸热过程，C项错误；实验①中的铁和氯气是单质，既不是电解质也不是非电解质，D项错误。
7.铁与水蒸气反应，通常有以下两种装置，请回答下列问题：
（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）。提供水蒸气Fe3O4＋8H＋===Fe2＋＋2Fe3＋＋4H2O，2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋
8.（1）下列各图示中，能较长时间观察到Fe（OH）2白色沉淀的是。①②③⑤
解析：（1）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。①、②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。
（2）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________________________________________________。稀硫酸、铁屑煮沸避免生成的Fe（OH）2沉淀接触O2
解析：（2）①Fe2＋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Fe粉防止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。
方法总结Fe（OH）2的制备防氧化方法方法一：有机覆盖层法将吸有NaOH溶液的胶头滴管插到液面以下，并在液面上覆盖一层苯或煤油（不能用CCl4），以防止空气与Fe（OH）2接触发生反应，如图1所示。
方法二：还原性气体保护法用H2将装置内的空气排尽后，再将亚铁盐与NaOH溶液混合，这样可长时间观察到白色沉淀，如图2所示。方法三：电解法用铁作阳极，电解NaCl（或NaOH）溶液，并在液面上覆盖苯或煤油，如图3所示。
考点二Fe2＋、Fe3＋的性质、转化及检验
知识梳理1.亚铁盐和铁盐（1）亚铁盐（Fe2＋）含有Fe2＋的溶液呈色，Fe2＋既有性，又有性，Fe2＋与Zn、Cl2反应的离子方程式分别为，。（2）铁盐（Fe3＋）①氧化性：含有Fe3＋的溶液呈色，Fe3＋具有氧化性，Fe3＋与Cu反应的离子方程式为。②特性：含有Fe3＋的溶液遇到时变成血红色。③易水解：FeCl3滴入沸水中的化学方程式：。浅绿氧化还原Zn＋Fe2＋===Zn2＋＋Fe2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－棕黄2Fe3＋＋Cu===2Fe2＋＋Cu2＋KSCNFeCl3＋3H2OFe（OH）3（胶体）＋3HCl
2.Fe2＋和Fe3＋的转化Fe2＋氧化剂还原剂Fe3＋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：。（2）将FeCl3溶液滴入KI淀粉溶液，溶液变蓝：。（3）用FeCl3溶液腐蚀废旧线路板上的铜箔：。（4）将H2O2滴入到酸性FeCl2溶液中：。（5）将FeCl2溶液滴入到HNO3溶液中，有无色气体放出：。H2S＋2Fe3＋===S↓＋2Fe2＋＋2H＋2I－＋2Fe3＋===I2＋2Fe2＋Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O
血红蓝紫红色褪去褪色
氧化水解水解HCl红褐色
√××××√×
[提醒]含铁物质的除杂方法
对点速练练点一Fe3＋、Fe2＋的相互转化1.下列试剂中，不能使Fe2＋转化为Fe3＋的是（ ）①氯气②NaCl溶液③KMnO4溶液④稀硝酸⑤盐酸⑥NaNO3溶液A．①②③B．①③④C．②④⑤D．②⑤⑥答案：D
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。①④③
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.ZnSO4溶液[含有少量FeSO4、Fe2（SO4）3]，为除去溶液中的FeSO4、Fe2（SO4）3，设计实验如下：（1）可先向溶液中通入氧气，目的是；（2）加入（填最佳试剂）调节溶液的pH至2.8；（3）过滤。已知相关金属离子[c0（Mn＋）＝0.1mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：将Fe2＋氧化成Fe3＋ZnO
（4）问题讨论：①调节溶液pH时是否可以用NaOH溶液？，理由是____________________________。②如果不通入氧气，其后果是______________________________。不可以pH不易控制，引入杂质Zn2＋沉淀的同时Fe2＋也沉淀，无法除去杂质
练后归纳“铁三角”中的转化关系
练点二Fe2＋、Fe3＋的检验4.下列离子的检验方法合理的是（ ）A．向某溶液中滴入KSCN溶液呈血红色，说明不含Fe2＋B．用酸性KMnO4溶液检验FeCl3溶液中是否含有FeCl2C．向某溶液中加入NaOH溶液，得红褐色沉淀，说明溶液中含有Fe3＋D．向某溶液中加入NaOH溶液得白色沉淀，又观察到颜色逐渐变为红褐色，说明该溶液中只含有Fe2＋，不含有Mg2＋解析：A项中只能说明含有Fe3＋，不能说明不含Fe2＋，不合理；B项中Cl－也能使KMnO4溶液褪色，不合理；D项中氧化后生成的红褐色沉淀Fe（OH）3也可能掩盖了白色沉淀Mg（OH）2，不合理。答案：C
5.下列实验操作和现象、结论或目的均正确的是（ ）答案：A
下列说法不正确的是（ ）A．用Na2CO3溶液浸泡是为了除去废铁屑表面的油污B．通入N2是为了防止空气中的O2氧化二价铁元素C．加适量的H2O2是为了将部分的Fe2＋氧化为Fe3＋，涉及反应：H2O2＋2Fe2＋＋2H＋===2Fe3＋＋2H2OD．溶液A中Fe2＋和Fe3＋的浓度比为2∶1答案：D
解析：Na2CO3的水溶液显碱性，油污在碱性溶液中发生水解，因此用Na2CO3溶液浸泡可以除去废铁屑表面的油污，A正确；Fe2＋容易被氧气氧化，因此通入N2的目的是防止空气中的氧气氧化Fe2＋，B正确；利用H2O2的氧化性，把Fe2＋氧化成Fe3＋，涉及的反应：2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O，C正确；Fe3O4中Fe2＋和Fe3＋物质的量之比为1∶2，所以溶液A中Fe2＋和Fe3＋的浓度比为1∶2，D错误。
7.硫酸亚铁是一种重要的化工原料，可以制备一系列物质（如图所示），下列说法错误的是（ ）A．FeSO4与NH4HCO3反应制备FeCO3，适宜在高温条件下进行B．碱式硫酸铁水解能产生Fe（OH）3胶体，可用作净水剂C．可用KSCN溶液检验（NH4）2Fe（SO4）2是否被氧化D．常温下，FeSO4比（NH4）2Fe（SO4）2易溶于水答案：A解析：A项中，NH4HCO3高温下易分解，且生成的FeCO3可能受热分解。
8.铁及其化合物在日常生产生活中用途广泛，利用FeSO4制备还原铁粉的工业流程如下：
实验室中可用FeSO4（用铁粉和稀硫酸反应制得）和NH4HCO3在如下装置模拟上述流程中的“转化”环节。
（1）装置A的名称是，装置B中盛放的药品是，NH4HCO3盛放在装置中。（2）实验过程中，欲将生成的FeSO4溶液和NH4HCO3溶液混合，操作方法是______________________________________________，发生主要反应的离子方程式为___________________________________________________________________________________________________________。FeSO4溶液要现用现配制的原因是_____________________，检验久置的FeSO4是否变质的方法是_______________________________________________________________________________________________________。分液漏斗铁粉C（待D处的氢气纯净后）关闭活塞3，打开活塞2亚铁离子易被氧化取样品配成溶液，取少量溶液于试管中，再向试管中加入KSCN溶液，观察是否显血红色
解析：（1）装置A是分液漏斗，盛放稀硫酸，装置B中盛放铁粉，稀硫酸与铁粉反应生成H2和FeSO4。装置C中盛放NH4HCO3。（2）检验D处氢气已纯净时，表明装置中空气已排尽，关闭活塞3，打开活塞2，在氢气作用下将FeSO4溶液压入C中发生反应。FeSO4具有还原性，易被O2氧化，故FeSO4溶液要现用现配。用KSCN溶液检验久置的FeSO4是否变质。
（3）干燥过程的主要目的是脱去游离水，该过程中会有少量FeCO3在空气中被氧化为FeOOH，该反应的化学方程式为_________________________________，取干燥后的FeCO3样品12.49g，与炭混合后焙烧，最终得到还原铁粉6.16g，计算样品中杂质FeOOH的质量：g。4FeCO3＋O2＋2H2O===4FeOOH＋4CO20.89解析：FeCO3、H2O、O2反应生成FeOOH和CO2。设干燥后的FeCO3样品中FeCO3、FeOOH的物质的量分别为x、y，则x×116g·mol－1＋y×89g·mol－1＝12.49g，56g·mol－1×（x＋y）＝6.16g，解得：x＝0.1mol，y＝0.01mol。故m（FeOOH）＝0.89g。
本讲真题研练1.[2020·浙江7月，25]黄色固体X，可能含有漂白粉、FeSO4、Fe2（SO4）3、CuCl2、KI之中的几种或全部。将X与足量的水作用，得到深棕色固体混合物Y和无色碱性溶液Z。下列结论合理的是（ ）A.X中含KI，可能含有CuCl2B.X中含有漂白粉和FeSO4C.X中含有CuCl2，Y中含有Fe（OH）3D.用H2SO4酸化溶液Z，若有黄绿色气体放出，说明X中含有CuCl2答案：C
解析：本题考查物质推断和元素化合物知识，考查的化学学科核心素养是证据推理与模型认知。由黄色固体X与足量的水作用得到深棕色固体混合物Y和无色碱性溶液Z可知，X中含有CuCl2、漂白粉，至少含有FeSO4、Fe2（SO4）3中的一种，不含KI，A、B项错误，C项正确；漂白粉中含有CaCl2和Ca（ClO）2，用硫酸酸化可得到氯气，由题述实验现象不能说明X中含有CuCl2，D项错误。
2.[2019·天津卷，3]下列有关金属及其化合物的应用不合理的是（ ）A.将废铁屑加入FeCl2溶液中，可用于除去工业废气中的Cl2B.铝中添加适量锂，制得低密度、高强度的铝合金，可用于航空工业C.盐碱地（含较多Na2CO3等）不利于作物生长，可施加熟石灰进行改良D.无水CoCl2呈蓝色，吸水会变为粉红色，可用于判断变色硅胶是否吸水答案：C
解析：本题涉及的考点有铁、氯、钠及其化合物的性质，合金的性质与应用。考查学生对元素化合物基础知识的整合能力，体现了宏观辨识与微观探析的学科核心素养。A项，溶液中发生反应：2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－、2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋，将废铁屑加入FeCl2溶液中可以除去工业废气中的Cl2，故正确；B项，铝、锂均为轻金属，铝中添加适量锂可以制得低密度、高强度的铝合金，故正确；C项，Na2CO3＋Ca（OH）2===CaCO3＋2NaOH，施加熟石灰生成了烧碱NaOH，碱性增加，不利于作物生长，故错误；D项，无水CoCl2吸水的现象（蓝色变粉红色）明显，可用于判断变色硅胶是否吸水，故正确。
3.[2019·全国卷Ⅲ，26]高纯硫酸锰作为合成镍钴锰三元正极材料的原料，工业上可由天然二氧化锰粉与硫化锰矿（还含Fe、Al、Mg、Zn、Ni、Si等元素）制备，工艺如下图所示。回答下列问题：相关金属离子[c0（Mn＋）＝0.1mol·L－1]形成氢氧化物沉淀的pH范围如下：
（1）“滤渣1”含有S和；写出“溶浸”中二氧化锰与硫化锰反应的化学方程式。（2）“氧化”中添加适量的MnO2的作用是___________________。（3）“调pH”除铁和铝，溶液的pH范围应调节为～6之间。（4）“除杂1”的目的是除去Zn2＋和Ni2＋，“滤渣3”的主要成分是。SiO2（或不溶性硅酸盐）MnO2＋MnS＋2H2SO4===2MnSO4＋S＋2H2O将Fe2＋氧化为Fe3＋4.7NiS和ZnS
解析：本题涉及元素化合物知识的综合应用，通过工艺流程形式给出信息，考查分析和解决化学工艺流程问题的能力，根据题给信息书写相应的化学方程式和离子方程式，体现了证据推理与模型认知的学科核心素养。（1）由题干信息可知，滤渣有生成的S和不与H2SO4反应的SiO2（或写不溶性硅酸盐）；依据氧化还原反应原理可知，MnO2作氧化剂，MnS作还原剂，由此可写出化学方程式。（2）Fe溶于H2SO4中得到Fe2＋，为了去除方便，需将Fe2＋氧化为Fe3＋。（3）由相关金属离子形成氢氧化物沉淀的pH范围可知除铁和铝时溶液pH范围应调节为4.7～6之间。（4）NiS和ZnS是难溶于水的硫化物。
F－与H＋结合形成弱电解质HF，MgF2⇌Mg2＋＋2F－平衡向右移动
4.[2020·江苏卷，19]实验室由炼钢污泥（简称铁泥，主要成分为铁的氧化物）制备软磁性材料αFe2O3。其主要实验流程如下：（1）酸浸。用一定浓度的H2SO4溶液浸取铁泥中的铁元素。若其他条件不变，实验中采取下列措施能提高铁元素浸出率的有（填序号）。A.适当升高酸浸温度B.适当加快搅拌速度C.适当缩短酸浸时间AB
解析：本题考查由炼钢污泥制备软磁性材料αFe2O3。考查的化学学科核心素养是科学探究与创新意识。（1）适当升高酸浸温度、适当加快搅拌速度，均可以加快铁泥的溶解，即提高铁元素的浸出率。
（2）还原。向“酸浸”后的滤液中加入过量铁粉，使Fe3＋完全转化为Fe2＋。“还原”过程中除生成Fe2＋外，还会生成（填化学式）；检验Fe3＋是否还原完全的实验操作是____________________________________________________________。（3）除杂。向“还原”后的滤液中加入NH4F溶液，使Ca2＋转化为CaF2沉淀除去。若溶液的pH偏低，将会导致CaF2沉淀不完全，其原因是[Ksp（CaF2）＝5.3×10－9，Ka（HF）＝6.3×10－4]。H2取少量清液，向其中滴加几滴KSCN溶液，观察溶液颜色是否呈血红色pH偏低形成HF，导致溶液中F－浓度减小，CaF2沉淀不完全
解析：（2）“酸浸”时，H2SO4过量，加入过量铁粉，除生成Fe2＋外，还会产生H2。Fe3＋与KSCN反应所得溶液呈血红色，当加入KSCN溶液观察不到血红色，则说明Fe3＋已完全被还原为Fe2＋。（3）当c（Ca2＋）·c2（F－）
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