第二單元探究鐵及其化合物的轉化專題9

金屬與人類文明素養目標1.了解鐵及其化合物的主要化學性質,從物質分類和氧化還原反應角度理解物質的性質,逐漸形成宏觀辨識與微觀探析的化學學科核心素養。2.掌握Fe、Fe2+、Fe3+之間的相互轉化;掌握Fe2+、Fe3+的檢驗方法,逐漸形成科學探究與創新意識的化學學科核心素養。基礎落實

必備知識全過關必備知識一、反應的合理選擇1.氯化鐵的制備(1)鐵元素的化合價鐵元素的常見價態有

、

價,在相同價態鐵元素化合物之間進行轉化,通過非氧化還原反應即可實現;在不同價態鐵元素化合物之間進行轉化,則需通過

反應才能實現。

+2+3氧化還原(2)氯化鐵的制備路徑以鐵屑為原料制取,有多條反應路徑。Fe→FeCl3①Fe→FeCl2→FeCl3②Fe→Fe2O3→FeCl3③上述反應過程中生成FeCl3的化學方程式:①

;

②

;

③

。

2Fe+3Cl22FeCl3Fe+2HCl══FeCl2+H2↑,2FeCl2+Cl2══2FeCl3

4Fe+3O2══2Fe2O3,Fe2O3+6HCl══2FeCl3+3H2O2.物質制備反應路線的選擇實際制備物質時,必須根據反應原料、反應條件、反應步驟、產物要求、反應裝置、環境保護、生產成本等因素進行綜合判斷,選擇合適、可控的反應路徑。3.Fe3+的檢驗紅褐血紅色4.Fe2+與Fe3+的相互轉化(1)Fe2+→Fe3+:需加氧化劑,如Cl2、O2、H2O2、HNO3等。反應的離子方程式:

,

,

,

。

(2)Fe3+→Fe2+:需加還原劑,如Fe、Cu等,反應的離子方程式:

,

。

2Fe2++Cl2══2Fe3++2Cl-

4Fe2++4H++O2══4Fe3++2H2O

2Fe2++H2O2+2H+══2Fe3++2H2O3Fe2++4H++

══3Fe3++NO↑+2H2O2Fe3++Fe══3Fe2+

2Fe3++Cu══2Fe2++Cu2+【微思考1】Fe元素的常見價態有單質中0價,化合物中+2和+3價,在很強的氧化條件下可以呈現不穩定的+6價,試從鐵元素的化合價特點分析Fe、Fe2+、Fe3+的氧化性和還原性,并舉例說明。提示

(1)單質鐵0價,為鐵的最低價態,在化學反應中化合價升高,只具有還原性,可被氧化劑氧化,強氧化劑可把鐵直接氧化為+3價,如2Fe+3Cl22FeCl3,弱氧化劑可把Fe氧化為+2價,如Fe+Cu2+══Cu+Fe2+。(2)Fe2+處于中間價態,既可以升高到+3價,表現還原性,也可以降低到0價,表現氧化性。表現還原性可被強氧化劑氧化,如2Fe2++Cl2══2Fe3++2Cl-;表現氧化性可被還原劑還原,如Fe2++Zn══Zn2++Fe。(3)Fe3+處于較高價態,具有較強氧化性,可被還原劑還原,如2Fe3++Fe══3Fe2+,若加入過量的強還原劑可能會還原生成Fe,如2Fe3++3Zn══2Fe+3Zn2+。二、反應條件的探究向FeSO4溶液中加入NaOH溶液

根據該實驗現象可推斷Fe2+的存在現象:產生

色絮狀沉淀并逐漸變成

色,最后變成

色。

反應方程:

,

。

結論:Fe2+與OH-反應生成白色的氫氧化亞鐵。氫氧化亞鐵極易被空氣中的氧氣氧化,最后生成紅褐色的氫氧化鐵。白

灰綠紅褐FeSO4+2NaOH══

Na2SO4+Fe(OH)2↓

4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3【微思考2】根據Fe2+與堿液的反應現象可以檢驗溶液中的Fe2+。若某溶液中同時含有Fe2+和Fe3+,能否通過加入堿液的方法檢驗其中的Fe2+?提示

不能。Fe3+與堿液反應生成紅褐色的Fe(OH)3沉淀,會掩蓋Fe(OH)2沉淀的顏色,難以確定Fe2+是否存在。自我檢測1.判斷正誤(正確的打“√”,錯誤的打“×”)。(1)Fe2+只有還原性,沒有氧化性。(

)(2)Fe3+被Cu還原可得到鐵單質。(

)(3)Fe2+、Fe3+共存時,也可用KSCN溶液和氯水檢驗Fe2+的存在。(

)(4)鐵與稀硫酸反應的離子方程式為2Fe+6H+══2Fe3++3H2↑。(

)(5)Fe3+遇到KSCN溶液會生成血紅色沉淀。(

)×√×××2.下列氫氧化物既有堿性又有還原性的是(

)A.Mg(OH)2

B.Fe(OH)2C.NaOH

D.Al(OH)3B解析

四種氫氧化物均有堿性,而Fe(OH)2中Fe元素為+2價,處于中間價態,故Fe(OH)2具有還原性。3.已知有以下物質相互轉化,A是中學化學中常見的金屬單質。

(1)寫出下列物質的化學式:A

;B

。

(2)由E轉變成F的化學方程式:

。

(3)用KSCN溶液鑒別G溶液的現象為

;向G溶液加入A的有關反應的離子方程式:

。

FeFeCl24Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3溶液變為血紅色

2Fe3++Fe══3Fe2+解析

F是紅褐色沉淀氫氧化鐵,金屬單質A是鐵,與鹽酸反應生成氫氣J和氯化亞鐵B,氯化亞鐵與堿溶液反應生成白色沉淀氫氧化亞鐵E和D溶液,氫氧化亞鐵在空氣中被氧氣氧化生成氫氧化鐵F,氫氧化鐵與鹽酸反應生成氯化鐵G。重難探究

能力素養全提升探究一鐵與酸、鹽溶液及水的反應深化拓展1.從物質類別角度認識鐵的化學性質

2.從元素價態角度認識鐵的化學性質

應用體驗【典例1】把鐵粉放入下列溶液中,鐵粉溶解,溶液質量減小,但沒有氣體放出的是(

)A.稀硫酸

B.NaHSO4溶液C.CuSO4溶液

D.NaOH溶液C解析

Fe與稀硫酸發生的反應為Fe+H2SO4══FeSO4+H2↑,鐵粉溶解,溶液的質量增加,有氣體放出,A錯誤;NaHSO4在水溶液中能電離出H+,加入鐵粉,生成FeSO4和H2,有氣體放出,B錯誤;Fe與CuSO4溶液發生的反應為Fe+CuSO4══FeSO4+Cu,溶解56

g

Fe的同時析出64

g

Cu,溶液的質量減小,不產生氣體,C正確;Fe投入NaOH溶液中,不發生反應,D錯誤。變式訓練1(2024陜西榆林高一期中)用如圖所示裝置進行Fe與水蒸氣反應的實驗(部分夾持裝置已略去),下列說法錯誤的是(

)A.裝置A的作用是為實驗提供持續不斷的水蒸氣B.反應中生成22.4L(標準狀況下)氫氣時,轉移電子數為

NAC.裝置C中加入的固體干燥劑可能是堿石灰D.實驗開始時應先點燃裝置A中的酒精燈,再點燃酒精噴燈B解析

進行Fe與水蒸氣反應的實驗,裝置A的作用是為實驗提供持續不斷的水蒸氣,故A正確;反應中氫元素化合價由+1價降低為0價,生成22.4

L(標準狀況下)氫氣時,轉移電子數為2NA,故B錯誤;裝置C的作用是干燥氫氣,加入的固體干燥劑可能是堿石灰,故C正確;為防止鐵和氧氣反應,實驗開始時應先點燃裝置A中的酒精燈,等水蒸氣排盡裝置內的空氣后再點燃酒精噴燈,故D正確。探究二

Fe2+與Fe3+的檢驗

問題探究1.向含Fe2+的溶液中加入NaOH溶液時有何現象?提示

先生成白色沉淀,逐步變成灰綠色,最后變成紅褐色。

2.檢驗Fe2+時,能否先加氯水再加KSCN溶液?

3.Fe2+和Fe3+共存時,如何檢驗溶液中的Fe3+?提示

不能。先加氯水可把Fe2+氧化成Fe3+,如果原溶液中不含Fe2+,只含Fe3+,則加KSCN溶液后,溶液變為血紅色,不能證明原溶液中含有Fe2+。提示

加入KSCN溶液,若溶液變為血紅色,則證明有Fe3+。

深化拓展Fe2+和Fe3+的檢驗主要有兩種方法:加堿法和加KSCN溶液法。一般用加KSCN溶液法物質Fe2+Fe3+溶液顏色淺綠色黃色沉淀顏色(NaOH溶液)①現象:白色沉淀→灰綠色沉淀→紅褐色沉淀;②反應:Fe2++2OH-══Fe(OH)2↓,4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3①現象:紅褐色沉淀;②反應:Fe3++3OH-══Fe(OH)3↓顯色反應(KSCN溶液)①現象:滴加KSCN溶液無明顯現象,再滴入氯水,溶液變為血紅色;②反應:2Fe2++Cl2══2Fe3++2Cl-,Fe3++3SCN-══Fe(SCN)3①現象:溶液變為血紅色;②反應:Fe3++3SCN-══Fe(SCN)3

微點撥

(1)用KSCN溶液與氯水驗證Fe2+的存在時,KSCN溶液與氯水的滴加順序不能顛倒,也不能用酸性高錳酸鉀溶液代替氯水。Fe2+對檢驗Fe3+無干擾,可滴加KSCN溶液檢驗Fe3+(2)Fe2+和Fe3+共存時,檢驗Fe2+的方法:①利用Fe2+的還原性,一般可用酸性KMnO4溶液,加入酸性KMnO4溶液,若紫色褪去,說明含有Fe2+。②若溶液中含有還原性較強的離子,如Cl-,則不能用酸性KMnO4溶液,可用K3[Fe(CN)6]溶液。加入K3[Fe(CN)6]溶液產生藍色沉淀,說明含有Fe2+。應用體驗【典例2】選擇合適試劑完成甲、乙兩組實驗。甲組:檢驗含Fe3+的溶液中是否含有Fe2+;乙組:檢驗含Fe2+的溶液中是否含有Fe3+。下列試劑及加入試劑順序能達到實驗目的的是(

)選項甲組乙組A新制氯水、KSCN溶液氫氧化鈉溶液B酸性KMnO4溶液KSCN溶液CKOH溶液溴水D溴水酸性KMnO4溶液B解析

甲組,在Fe3+存在的條件下,檢驗Fe2+,要排除Fe3+干擾。所選試劑應具備下列條件:一是能與Fe2+發生有明顯現象的反應;二是與Fe3+不反應。酸性KMnO4溶液符合條件:5Fe2+++8H+══5Fe3++Mn2++4H2O,現象為紫色變淺(或褪色)。乙組為在Fe2+存在的條件下,檢驗Fe3+,用KSCN溶液檢驗Fe3+,Fe2+無干擾。變式訓練2(2024河北唐山高一期末)某混合物可能含有Al、Fe、CuO、Fe2O3,為探究該混合物成分,學習小組設計如圖所示方案。下列分析錯誤的是(

)A.已知m>n,則混合物中一定含有AlB.藍綠色溶液中一定含Fe3+C.步驟Ⅰ反應的離子方程式:2Al+2OH-+6H2O══2[Al(OH)4]-+3H2↑D.向溶液N中加入足量鹽酸可得到無色溶液B解析

混合物加入NaOH溶液中,由于Al和NaOH溶液反應,結合m>n,可知混合物中一定含有Al,A正確;步驟Ⅰ反應的離子方程式為2Al+2OH-+6H2O══2[Al(OH)4]-+3H2↑,C正確;溶液N的主要成分為Na[Al(OH)4]和過量的NaOH,向溶液N中加入足量鹽酸,[Al(OH)4]-轉化為Al3+,得到無色溶液,D正確;固體N加入過量鹽酸,得到藍綠色溶液和固體P,說明鹽酸和CuO、Fe2O3反應生成氯化銅、氯化鐵,Fe還原氯化銅、氯化鐵生成Cu和氯化亞鐵,則固體P為Cu,Cu可以與Fe3+反應,因此藍綠色溶液中一定不含Fe3+,B錯誤。探究三探究氫氧化亞鐵的制備問題探究實驗表明,Fe(OH)2很不穩定,容易被空氣中的O2氧化。小倩同學查閱資料,設計如圖所示裝置來制取Fe(OH)2沉淀和觀察Fe(OH)2在空氣中被O2氧化時的顏色變化。(1)實驗開始時,如何排出裝置內的空氣,防止Fe(OH)2被氧化?

(2)裝置A中反應一段時間后,如何操作可制取Fe(OH)2白色沉淀?

提示

先打開活塞E,再打開分液漏斗活塞滴入6

mol·L-1硫酸,利用反應產生的H2排出裝置內的空氣。提示

關閉活塞E,利用產生的H2使裝置A中壓強增大,將A中溶液壓入裝置B中,在B中生成Fe(OH)2白色沉淀。(3)取下裝置B的橡膠塞,使空氣進入裝置B,觀察到什么現象?寫出反應的化學方程式。提示

白色絮狀沉淀迅速變成灰綠色,過一段時間后還會有紅褐色物質生成;4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3。深化拓展1.實驗室制備Fe(OH)2的兩種方法

2.實驗室制備Fe(OH)2的注意事項(1)亞鐵鹽必須是新制的,并加入鐵粉,防止Fe2+被空氣中的O2氧化為Fe3+;(2)要除去溶液中溶解的O2,其方法是加熱煮沸NaOH溶液;(3)長膠頭滴管末端伸入試管內亞鐵鹽溶液的液面以下,再擠出NaOH溶液;(4)必要時,可在溶液上方加少量煤油、植物油、苯等密度小于水的有機溶劑進行液封,以隔絕空氣。應用體驗【典例3】在實驗室里用以下方法制備并較長時間保存Fe(OH)2,能成功的是(

)C解析

NaOH溶液滴入FeSO4溶液中,二者在FeSO4液面處生成Fe(OH)2,Fe(OH)2迅速被O2氧化,不能較長時間保存,A錯誤;NaOH溶液與FeCl3溶液反應生成紅褐色沉淀Fe(OH)3,不能制取Fe(OH)2,B錯誤;先滴加稀硫酸,鐵粉與稀硫酸反應生成H2,利用產生的H2排出裝置內空氣,再滴加NaOH溶液,反應生成白色沉淀Fe(OH)2,并能較長時間保存,C正確;NaOH溶液通過長膠頭滴管滴入FeCl2溶液中,在液體內部生成Fe(OH)2,未隔絕空氣,不能較長時間保存Fe(OH)2,D錯誤。【變式設問】若對裝置D進行改進,如何操作可達到預期實驗目的?提示

預先將NaOH溶液煮沸、冷卻,向FeCl2溶液中加少量鐵粉,并在FeCl2溶液表面加少量煤油、苯等有機化合物隔絕空氣。變式訓練3(2024河北石家莊高一期末)某同學欲利用如圖裝置制取能較長時間存在的Fe(OH)2,其中實驗所用溶液現配現用且蒸餾水先加熱煮沸。下列分析正確的是(

)A.Fe(OH)2易被氧化,反應的化學方程式為2Fe(OH)2+O2+H2O══2Fe(OH)3B.實驗開始時應先關閉止水夾a、打開b,再向燒瓶中加入XC.反應一段時間后可在燒瓶中觀察到白色沉淀D.反應結束后若關閉b及分液漏斗活塞,則Fe(OH)2可較長時間存在D解析

實驗開始時應先打開止水夾a、b,再向燒瓶中加入稀硫酸,鐵和稀硫酸反應生成的氫氣排盡錐形瓶內的空氣,故B錯誤;Fe(OH)2具有還原性,易被氧氣氧化為氫氧化鐵,反應的化學方程式為4Fe(OH)2+O2+2H2O══4Fe(OH)3,故A錯誤;反應一段時間后,關閉止水夾a,燒瓶內的硫酸亞鐵被氫氣壓入錐形瓶,在錐形瓶內生成白色沉淀氫氧化亞鐵,故C錯誤;反應結束后若關閉b及分液漏斗活塞,氫氧化亞鐵與空氣隔絕,則Fe(OH)2可較長時間存在,故D正確。學以致用隨堂檢測全達標12341.(2024四川雅安高一期末)下列物質能通過單質間化合反應直接制得的是(

)①FeCl2

②FeCl3

③Fe(OH)3

④FeSA.只有②

B.只有①②③C.只有①③④ D.只有②④D解析

鐵在氯氣中燃燒只能生成FeCl3,不能生成FeCl2,故①不符合題意,②符合題意;不能通過單質化合反應直接制得氫氧化鐵,故③不符合題意;鐵與硫共熱反應生成FeS,故④符合題意;故選D。12342.向含有一定物質的量的FeCl3和CuCl2的混合溶液中逐漸加入Fe粉至過量,該溶液的質量隨加入鐵粉的質量的變化關系圖為(

)A1234解析

FeCl3和CuCl2的混合溶液中逐漸加入Fe粉至過量,可先后發生反應:2FeCl3+Fe══3FeCl2、CuCl2+Fe══FeCl2+Cu。Fe先與FeCl3溶液反應,溶液的質量增加,FeCl3反應完全后再與CuCl2溶液反應,由于Fe的相對原子質量小于Cu的相對原子質量,導致溶液質量減小,當FeCl3和CuCl2全部反應完全,溶液質量保持不變,故A圖像正確。12343.(2024河北張家口高一期末)下列實驗操作、現象和結論均正確的是(

)選項實驗操作和現象實驗結論A向某溶液中加入NaOH溶液,立即產生紅褐色沉淀該溶液中一定含有Fe3+,可能含有Fe2+B向某溶液中滴加BaCl2溶液,產生白色沉淀該溶液中一定含有Ag+C向新制的氯水中滴加紫色石蕊溶液,紫色褪去Cl2具有漂白性D向某溶液中滴加新制氯水,無明顯現象,再滴加幾滴KSCN溶液,溶液變為紅色原溶液中一定含有Fe2+A1234解析

向某溶液中加入NaOH溶液,立即產生紅褐色沉淀氫氧化鐵,一定含有Fe3+