《铁及其化合物 第2课时》示范课教学设计【化学人教版高中必修第一册(新课标)】

铁及其化合物（第2课时）大单元-高中化学必修1第三章第一单元学习目标学习目标1.通过学习铁的氧化物和氢氧化物，学会从物质类别和元素价态的视角认识具有变价元素物质间的转化关系，并建立认识模型，丰富研究物质的思路和方法。2.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。3.通过铁及其化合物的应用以及工业制备铁黑颜料的生产流程的讨论等真实情境，让学生感受化学对人类社会发展的巨大贡献，进一步提升学生对化学与社会发展关系的认识水平；能建立物质的性质和用途之间的联系，提升学生在真实情境中解决问题的能力。情境导入情境导入铁黑(Fe3O4)是常见的铁系颜料。一种制取铁黑的实验流程如下图所示：制取铁黑的反应原理可表示为：Fe(OH)2＋2Fe(OH)3∆Fe(OH)2·2Fe(OH)3∆Fe3O4＋4H2O(1)制取铁黑的反应原理中涉及铁的氢氧化物，它们又该如何制备？你想探究它们的哪些相关性质？(2)你知道哪些铁的氧化物？你想探究它们的哪些相关性质？在生产、生活中有什么样的应用呢？学习任务学习任务【任务三】实验探究氢氧化亚铁和氢氧化铁的性质【任务四】认识铁系颜料——探究铁的氧化物【任务五】解决问题——铁及其化合物知识的综合应用学习活动学习活动【任务三】实验探究氢氧化亚铁和氢氧化铁的性质如何制备氢氧化亚铁？——氢氧化亚铁的性质【活动设计】在FeSO4溶液中加入NaOH溶液。白色灰绿色红褐色实验中生成的氢氧化亚铁是________色絮状固体，迅速变成_________，最后变成________，反应过程中的化学方程式为_________________________________________________________________________。【设计意图】使学生掌握亚铁盐与碱反应生成氢氧化亚铁这一性质，氢氧化亚铁在空气中易被氧化，即Fe2+在碱性条件下易被氧化，据此进一步讨论在制备氢氧化亚铁时应尽可能隔绝空气，思考实验中要改进的地方，如将吸有氢氧化钠溶液的滴管伸入试管中硫酸亚铁溶液的液面下再挤出氢氧化钠溶液或在硫酸亚铁溶液液面上方加一层煤油。另外，可设计用铁、硫酸、氢氧化钠溶液来制备氢氧化亚铁的反应装置，利用铁和硫酸反应产生的氢气赶尽系统内的空气，然后再利用氢气产生的压力将硫酸亚铁溶液压入氢氧化钠溶液中。2.探究铁锈的前体——氢氧化铁的制备和性质【活动设计】在FeCl3溶液中加入NaOH溶液。红褐色生成氢氧化铁的离子方程式为_________________________________________________。氢氧化铁不稳定，加热氢氧化铁时，它能失去水生成红棕色的Fe2O3粉末。反应的化学方程式为________________________________________________________________________。【设计意图】总结难溶性碱生成的一般规律：一般用可溶性盐溶液和强碱溶液反应。制备氢氧化铁一般用可溶性铁盐溶液和氢氧化钠溶液反应。难溶性金属氢氧化物一般对热不太稳定，受热易分解成氧化物和水。加热氢氧化铁时，它能失水生成红棕色的Fe2O3粉末，而氢氧化亚铁则需在隔绝空气的条件下受热失水生成FeO黑色粉末。由此引出下一任务。【任务四】认识铁系颜料——探究铁的氧化物1.认识铁系颜料大家族【活动设计】观察三种铁的氧化物样品，描述它们的物理性质。铁元素形成的三种常见氧化物分别是氧化亚铁(FeO)、氧化铁(Fe2O3)和四氧化三铁(Fe3O4)。铁系颜料是重要的无机合成颜料，包括铁红(Fe2O3)、铁黑(Fe3O4)、铁黄、铁蓝、铁绿、铁紫和铁棕等。FeO是一种_______色粉末；Fe3O4是一种复杂的化合物，它是具有_______的_______色晶体，俗称_________；Fe2O3是一种_______色粉末，俗称_________常用作赤铁矿(主要成分是_____)是炼铁原料。【设计意图】利用学生已有知识和经验，通过观察、分析，认识铁的氧化物的物理性质，体会其在生产、生活中的应用，激发学生的学习热情，有助于学生理解化学、技术、社会和环境之间的相互关系，赞赏化学对社会发展的重大贡献，体验化学的学科价值，增强社会责任感。2.实验探究铁的氧化物的化学性质【活动设计】(1)分别向铁的氧化物中滴加少量水。(2)分别向FeO、Fe2O3中滴加盐酸，根据现象书写反应的化学方程式。(3)预测Fe3O4与硫酸反应的产物。(1)铁的氧化物都_______溶于水，也______与水发生反应。(2)FeO和Fe2O3是_______性氧化物，它们都能与________发生反应，分别生成_______盐和_________盐。写出FeO与酸反应的现象及离子方程式：________________________________________。写出Fe2O3与酸反应的现象及离子方程式：_______________________________________。(3)写出Fe3O4与酸反应的离子方程式：__________________________________________。【设计意图】学生亲身体验实验探究的过程，不仅培养了学生的实验操作技能，更有助于提升学生的思维能力。通过观察、分析实验现象，推理反应的化学原理，得出铁的氧化物的主要性质，写出相应的化学方程式，并能从化合价角度进行分析，建立铁的氧化物和酸反应的一般模型，进而能够预测Fe3O4与酸反应的产物。3.如何检验铁的氧化物与酸反应后的产物【活动设计】(1)在盛有2mLFeCl3溶液的试管中，滴入几滴KSCN溶液，观察现象并记录。(2)在盛有2mLFeCl2溶液的试管中，滴入几滴KSCN溶液，观察现象并记录。再加入几滴氯水，观察现象并记录。(3)提出问题：如何设计实验检验Fe3O4与稀硫酸反应后的溶液中含有Fe2+和Fe3+？(1)实验现象：_______________________________________________________________。可以利用这一反应检验Fe3+的存在。(2)实验现象：________________________________________________________________。反应的离子方程式：___________________________________________________________。(3)我的实验方案：____________________________________________________________。我的实验现象：_______________________________________________________________。我的结论：___________________________________________________________________。其他同学的方案：_____________________________________________________________。【设计意图】培养学生体会科学探究的一般过程和方法——提出假设、设计方案、实验探究、分析结果、评价反思。在实验探究的过程中，学生的动手能力、合作能力、观察能力、语言能力等都得到了提升，而这些都是发展学生“实验探究”核心素养的关键能力。在小组合作的过程中，小组成员讨论设计实验、协作完成实验、观察实验现象、记录实验结果，这样不仅培养了学生独立思考的能力，还培养了学生的合作交流能力。在质疑、反思、评价的互动中，学生能够多角度、辩证地分析问题,进而解决问题。4.铁及其重要化合物之间的相互转化【活动设计】画出铁及其重要化合物之间的相互转化关系，标注相关物质的重要性质、转化试剂等。大观念：铁及其重要化合物之间的转化无机物之间的转化主要分为两类：一类是同一元素同一价态不同物质间的转化，如酸性氧化物、酸和盐之间的转化，碱性氧化物、碱和盐之间的相互转化；另一类是同一元素不同价态之间的转化，即氧化还原反应，如Fe、Fe2+、Fe3+之间的转化。铁元素是典型的变价元素，从物质类别的视角，我们可以掌握物质的通性；从化合价的视角，我们可以分析Fe3+的氧化性、Fe和Fe2+的还原性，从而实现不同物质间的转化。【设计意图】通过构建“物质类别-化合价二维坐标关系图”，对铁及其重要化合物的性质进行总结提升，在分立知识的基础上形成总观性认识。培养学生从元素组成和价态转化两个角度认识同种元素的不同物质之间的相互转化关系的化学学科思维。帮助学生将认识物质的视角从对单一含铁物质的认识发展到对以铁元素为核心的物质组的认识，同时发展学生从核心元素的化合价研究物质性质的视角，逐步建立元素观和转化观。利用二维坐标图中物质的性质及转化关系，实现含铁物质不同类别、不同价态间的转化，从而能设计出多条物质转化途径。【任务五】解决问题——铁及其化合物知识的综合应用如何综合运用铁及其他化合物知识解决问题【活动设计】问题：铁黑(Fe3O4)是常见的铁系颜料。一种制取铁黑的实验流程如下图所示。制取铁黑的反应原理可表示为：Fe(OH)2＋2Fe(OH)3∆Fe(OH)2·2Fe(OH)3∆Fe3O4＋4H2O(1)加入氨水调pH至7~9时，发生反应的离子方程式为_________________________。(2)为了保证铁黑样品的质量，“合成”中需要控制的因素有________________________________________________________________________________________________(填3个)。(3)铁黑产品中Fe3O4的含量是判断产品等级的依据之一。某铁黑样品中混有的杂质为FeO、Fe2O3中的一种。进行的测定实验如下。步骤1：称取1.908g样品置于锥形瓶中，加入足量盐酸，加热使之完全溶解。步骤2：向锥形瓶中先加入足量的SnCl2溶液，将Fe3+全部转化为Fe2+，除去过量的Sn2+，再加入一定量的硫酸和磷酸，并滴加指示剂。步骤3：再向锥形瓶中滴加0.082mol·L-1K2Cr2O7溶液，发生反应：Cr恰好完全反应时，共消耗50mLK2Cr2O7溶液。请计算样品中Fe3O4的质量分数(写出计算过程)。【分析解答】(1)在FeSO4溶液中加氨水调pH至7~9时，发生反应的离子方程式为：Fe2+＋NH3·H2O=Fe(OH)2↓＋2NH(2)在合成步骤中，生成铁黑样品的质量可能与哪些因素有关呢？从题目所提供的信息看，关键是要使生成的Fe(OH)2和Fe(OH)3的物质的量之比为1：2或高度接近1：2，所有的分析思考都要以此为基点。要根据初始溶液中硫酸亚铁的量确定通入空气的量，尽可能使第一步生成的Fe(OH)2的23被氧化成Fe(OH)3。通常Fe2+开始沉淀时的pH为7.6，沉淀完全时的pH为9.6。从工艺流程看，合成步骤的pH应高于9，当反应溶液的初始pH低于9时，铁黑颜料的产率低，随着pH的增大，溶液中的Fe2+几乎都形成Fe(OH)2沉淀，产率升高。在铁黑颜料的形成过程中，碱性越强越有利于铁黑颜料的形成，但过高则造成碱的浪费。Fe2+在碱性条件下易被氧化，且当溶液的初始pH高于10时，由于氧化速率加快，使得Fe(OH)2还未氧化到所需的量，其颗粒外部就被快速产生的铁黑粒子包裹，无法进行反应。因此，要通过控制加入氨水的量(浓度)来控制溶液的碱性(pH)，也要通过控制通入空气的速率来控制Fe(OH)2Fe(OH)2和Fe(OH)3“合成”Fe(OH)2·2Fe(OH)3时需要加热，显然温度较低时，加成反应很难进行，使得Fe(OH)2会全部缓慢氧化成Fe(OH)3。随着温度的升高，对加成反应逐渐有利，Fe(OH)2与Fe(OH)3加成后脱水，生成铁黑，铁黑含量增加，颜料色光变好，产率增大。因此，反应温度必须控制在80℃以上。反应温度越高，越有利于铁黑的生成，但温度过高时，氧化速率过快，加成脱水与氧化速率不一致，且溶剂蒸发过快，难以保持微晶液相的生长环境，导致铁黑粒子生成不完全，易夹带一些Fe2O3，使色光不纯。因此，需要控制好反应的温度，研究表明制备铁黑颜料合适的反应温度为80~90℃。制备过程中，随着反应时间的增长，Fe(OH)2不断地被氧化为Fe(OH)3，使Fe3+与Fe2+的物质的量之比在不断增大，当最终Fe3+与Fe2+的比值为2.0左右时，产品的色光最好。当反应时间短时，Fe3+与Fe2+的比值偏低，氧化不完全，产物中有部分Fe(OH)2，在烘干过程中易氧化变色，使颜料呈棕黑色；但是反应时间过长，易造成铁黑的深度氧化，Fe3+与Fe2+的比值过高，因此反应过程的时间控制也是很重要的。铁黑颜料的制备过程是一个气、液、固三相反应过程，因此在制备过程中需要不断地搅拌，搅拌速度的大小对硫铁矿废水制备铁黑颜料的影响非常大，过大或过小均会导致铁黑颜料不纯。从主要反应式可看出，当其他条件一定时，加成和脱水反应速率都较快，对于整个反应而言，主控步骤是Fe(OH)2的氧化反应。搅拌速度太小时，气、液不能达到良好的混合状态，使空气与Fe(OH)2间接触不够充分，氧化时间增长，铁黑颜料形成速率太慢，使颜料的颜色发萎，还会导致氧化不完全，有Fe(OH)2沉淀进入产品中，同时由于搅拌速度过小，使反应器内的溶液局部之间的反应有差别，形成的颗粒不均匀。当搅拌速度太大时，使反应剧烈，微观混合状态好，增大了铁黑的形成速率，生成的颗粒多、粒径小，但却使颗粒的生长速率减慢；同时由于搅拌速度太大，使氧气在反应液中停留时间缩短，不能很好地扩散在Fe(OH)2表面，不利于Fe(OH)2的氧化，Fe(OH)2和Fe(OH)3粒子之间的接触不充分，使加成反应不能顺利地进行，最终使产品的颜色不纯正。因此，要选择一个适宜的搅拌速度，既有利于氧化反应，又有利于加成脱水反应。综上所述，为了保证铁黑样品的质量，“合成”中需要控制的因素有：通入空气的量、空气的通入速率、氨水的量(浓度、溶液的pH)、反应温度、搅拌速度等。(3)首先，可将测定过程用下列一句话来概括：将一定质量的氧化物样品溶解于盐酸后，得到含有Fe3+、Fe2+的溶液，加入足量的SnCl2溶液，将Fe3+全部转化为Fe2+，除去过量的Sn2+，再用K2Cr2O7溶液测定出Fe2+的物质的量，然后再进行进一步计算。与Cr2O72−反应的Fe2+的物质的量为50mL×10-3L·mL-1思路一：设原氧化物样品中Fe2+的物质的量为x，Fe3+的物质的量为y，根据铁元素守恒有x＋y=0.0246mol，根据化合价关系有2x+3y=2×0.03315mol，则Fe2+的物质的量x为0.0075mol，Fe3+的物质的量y为0.0171mol，即相当于样品中有0.0075molFeO、有0.00855molFe2O3，因此原样品中含Fe3O4的物质的量为0.0075mol，Fe2O3的物质的量为0.00105mol，Fe3O4的质量分数为91.2%。思路二：氧化物样品中氧原子和铁原子的物质的量之比为0.03315mol：0.0246mol=1.3476，Fe3O4中氧原子和铁原子的物质的量之比为4：3≈1.3333，因此氧化物样品应由Fe3O4和Fe2O3组成，设Fe3O4的物质的量为x，Fe2O3的物质的量为y，则有：3x+2y=0.0246mol，x×232g·mol-1＋y×160g·mol-1=1.908g。解得x为0.0075mol，y为0.00105mol，Fe3O4的质量分数为91.2%。【品味反思】(1)为什么要除去过量的Sn2+？根据氧化还原反应规律，Cr2O72−的氧化性强于Fe3+，而Fe3+能氧化Sn2+，所以Cr(2)能否直接用Cr2O7不可以，因为氧化物样品溶解时产生的Fe2+会被空气中的氧气氧化，会导致测定的Fe3O4的质量分数不准确。假如说不考虑溶解时Fe2+会被空气中的氧气氧化，我们能准确测定溶解后溶液中Fe2+的量，那么又如何进行求解呢？其实，只要把样品看成由Fe2+、Fe3+和O2-三种微粒组成即可，知道了Fe2+的量，再用电荷守恒、质量关系即可列式求解了。练习与测评练习与测评1.为了检验某FeCl2溶液是否变质，可向溶液中加入()A.NaOH溶液B.KSCN溶液C.铁片D.石蕊溶液2.将某铁的氧化物(FexO)1.52g溶于足量盐酸中，向所得溶液中通入标准状况下112mLCl2恰好将Fe2+完全氧化。x值为()A.0.80B.0.85C.0.90D.0.933.下列物质间的转化不能通过化合反应一步实现的是()A.Fe→FeCl2B.FeCl2→FeCl3C.Fe2O3→Fe(OH)3D.Fe(OH)2→Fe(OH)34.钢铁生锈过程发生如下反应：①2Fe＋O2＋2H2O=2Fe(OH)2；②4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3；③2Fe(OH)3≜Fe2O3＋3H2O。下列说法不正确的是()A.Fe(OH)2为红褐色不溶物B.反应①中的氧化剂是氧气C.铁锈的成分是Fe2O3·xH2OD.消耗相同量O2时，反应①②中的电子转移数目相等5.能正确表示下列反应的离子方程式的是()A.将铁粉加入稀硫酸中：2Fe＋6H+=2Fe2+＋+3H2↑B.将铁粉加入FeCl3溶液中：Fe＋Fe3+=Fe2+C.将磁性氧化铁溶于盐酸：Fe3O4＋8H+=3Fe3+＋4H2OD.将NaOH溶液滴入FeCl3溶液中：Fe3+＋3OH-=Fe(OH)3↓6.如图为Fe(OH)2制备实验的改进装置，使用该装置将能在较长时间内观察到白色絮状沉淀。关于此实验，下列说法正确的是()A.装入药品后应关闭止水夹，等反应完成后再打开止水夹B.实验开始时应打开止水夹，反应一段时间后再关闭止水夹C.此装置是通过H2的排出使A中压强减小，从而将B中的NaOH吸入A中产生Fe(OH)2D.H2的作用是排尽装置内的空气并将A中溶液压入B中7.聚合硫酸铁(PFS)是一种优质高效无机高分子絮凝剂，在水处理领域中有良好的应用前景，其分子式一般可表示为[Fe2(OH)n(SO4)3－n2]m。用铁的氧化物为原料来制取聚合硫酸铁，为控制水解时Fe3+(1