专题1（实验活动）铁及其重要化合物（导学案）高一化学

第三章铁金属材料第一节铁及其化合物专题1（实验活动）铁及其重要化合物【学习目标】1.进一步认识铁及其化合物的化学性质和Fe3+的检验方法，能由氢氧化亚铁性质实验分析并设计出制备氢氧化亚铁的实验，构建“铁三角”转化关系模型。2.以铁及其化合物的性质为例，能从物质类别和元素价态的视角建立含变价元素物质的转化关系，丰富研究物质的思路和方法。3.通过阅读硫酸亚铁药片说明书，培养获取信息和初步加工信息的能力，学会设计简单实验的方法。并从实际条件出发，解决生产、生活中的简单问题，进一步感受化学与生活的紧密联系和对人类所作的贡献。【学习重点】Fe2+的还原性、Fe3+的氧化性及检验【学习难点】铁及其化合物的学习方法的建构、实验方案的设计【课前预习】旧知回顾：1.铁在潮湿的空气中生成铁锈的主要成分是Fe2O3，而铁在纯氧中燃烧的产物是Fe3O4。Fe与Cl2反应特点是不论用量多少都生成FeCl3，而Fe与盐酸反应生成FeCl2。还原性，铁盐具有氧化性，亚铁盐具有氧化性和还原性。新知预习：1.Fe与Br2反应生成FeBr3，与I2反应时生成FeI2，通过这一事实可以说明Br2的氧化性比I2强。2.FeO和Fe3O4与HNO3反应时，除考虑与H＋的反应外，还考虑Fe2＋被HNO3氧化成Fe3＋。Fe2O3、Fe3O4、Fe(OH)3与HI反应时，除考虑与H＋的反应外，还考虑Fe3＋被I－还原为Fe2＋。【课中探究】情景导入：已知铁直接与35%硝酸反应是很快的，但将一小块纯铁放入盛70%浓硝酸的小烧杯中(室温)，铁在浓硝酸不溶解。再用滴管缓慢地向烧杯中加蒸馏水，直加到溶液体积是原酸液的2倍，浓度约为35%，铁在这稀释后的硝酸还是不溶解。那么为什么浓度从70%慢慢降为35%就不反应了呢？困惑的法拉第拿起玻璃棒，想去翻动一下铁块，看看它是否出了什么问题。当它刚用玻璃棒的尖端触到铁块时，烧杯里发生了异常现象—铁块迅速地反应起来，就这样这种奇异的钝化现象被法拉第发现了，人们称这个实验为法拉第钝化实验。一、铁单质的还原性和Fe3+的氧化性活动一、探究铁单质的还原性任务一、实验探究：铁与硝酸溶液、硫酸铜溶液反应的现象，并分析其原理是什么？完成下表内容。【答案要点】实验步骤实验现象实验原理实验结论步骤1：在一支试管中加入2mLCuSO4溶液，再将一段铁丝放入硫酸铜溶液中，过一会儿，取出铁丝，观察现象并加以解释。铁丝表面有红色物质生成。Fe+CuSO4=Cu+FeSO4金属铁可以从盐溶液中置换出比它更不活泼的金属。步骤2：在一支试管中加入2mL稀硝酸溶液，再将一段铁丝放入溶液中，观察现象并加以解释。铁丝不断溶解，产生大量气泡，在试管口变为红棕色，溶液变为棕黄色。Fe+4HNO3(稀）=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O2NO+O2=2NO2铁单质可以被稀硝酸氧化成Fe3+盐步骤3：在一支试管中加入2mL70%的浓硝酸溶液，将一段铁丝放入溶液中，观察现象，再将溶液加热，观察现象，并加以解释。先无明显现。加热会继续反应，生成红棕色气体和棕黄色溶液。室温，铁遇浓硝酸，表面形成一层致密的氧化膜保护膜，阻止反应的进行。加热时保护膜受到破坏，反应继续进行。Fe+6HNO3(浓）eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())Fe(NO3)3+3NO2↑+3H2O在室温下，铁遇浓硝酸会发生钝化（先反应即停止）。步骤4：在一支试管中加入2mL98%的浓硫酸，将一段铁丝放入溶液中，观察现象，再将溶液加热，观察现象，并加以解释。先无明显现。加热会继续反应，生成有刺激性气味的气体和棕黄色溶液。2Fe+6H2SO4（浓）eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O铁遇冷浓硫酸会发生钝化，加热反应继续进行。任务二、问题探究：将铁丝插入稀硫酸和稀硝酸的混合溶液中，可能发生哪些化学反应，其先后顺序时什么？【答案要点】①足量铁与稀硫酸、稀硝酸的混合溶液反应，则可利用离子反应分析，依次发生反应：Fe＋NOeq\o\al(－,3)＋4H＋=Fe3＋＋NO↑＋2H2O、2Fe3＋＋Fe=3Fe2＋、Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑(若H＋量不足，该反应不再发生)。②由于铁是变价金属元素，它与氧化性不同的氧化剂反应时，其产物中铁元素的化合价不同：Fe被弱氧化剂如S、I2、H＋、Fe3＋、Cu2＋等氧化为Fe2＋；Fe被强氧化剂如Cl2、Br2、HNO3、浓H2SO4(△)等氧化为Fe3＋。【对应训练】1.下列有关铁的说法正确的是()A．Fe在稀硝酸中发生钝化B．将废铁屑加入FeCl2溶液中，可用于除去工业废气中的Cl2C．向FeCl2溶液中滴加NH4SCN溶液，溶液显红色D．镀锌铁不如镀锡铁耐腐蚀【答案】B【解析】常温下，Fe在浓硝酸中发生钝化反应，A项错误；铁和亚铁离子能将氯气还原为氯离子，从而除去工业废气中的氯气，B项正确；FeCl2溶液中含Fe2＋，NH4SCN可用于检验Fe3＋，向FeCl2溶液中滴加NH4SCN溶液，溶液不会显红色，C项错误；镀锌铁因Zn比Fe活泼，镀层破损时Zn被腐蚀，镀锡铁因Fe比Sn活泼，因而镀层破损时是铁被腐蚀，所以镀锌铁比镀锡铁更耐腐蚀，D项错误。2．将0.02mol铁分别投入足量的下列物质中，在一定条件下充分反应，产生氢气最多的是（）A．2mol/L稀硫酸 C．5mol/L硝酸 D．灼热的水蒸气【答案】D【解析】A．铁与稀硫酸反应的化学方程式为：Fe+H2SO4=FeSO4+H22；B．铁与浓硫酸反应不产生氢气；C．铁与硝酸反应不生成氢气；D．铁与灼热的水蒸气反应的化学方程式为：3Fe+4H2O(g)eq\o(\o(\s\up6(_____),\s\up4(_____)),\s\up6(高温))Fe3O4+4H2mol>0.02mol；答案选D。活动二、探究Fe3+的氧化性任务一、实验探究：根据表格内容，完成相关实验，观察实验现象，并分析实验原理。【答案要点】序号实验操作实验现象实验原理实验结论1取3mLFeCl3溶液加入试管中，加入几小块铜片，振荡，观察现象。铜片逐渐溶解，棕黄色的溶液逐渐变为蓝色2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+Fe3＋具有氧化性2在一支盛有3mL蒸馏水的试管中加几滴FeCl3溶液，再滴加3滴KI溶液，观察现象。然后向溶液中滴加2滴淀粉溶液，观察现象。溶液颜色逐渐变深，滴加淀粉溶液后变蓝色2Fe3++2I=2Fe2++I2I2遇淀粉变蓝色Fe3＋具有氧化性，能将碘离子氧化成I2，I2使淀粉变蓝色任务二、问题探究：Fe3＋具有氧化性，有何特点和规律？有何应用？【答案要点】①金属阳离子被还原不一定得到金属单质,如Fe3+被还原可以生成Fe,也可以被还原生成Fe2+。②保存亚铁盐时,为了防止被氧化为铁盐,通常在溶液中加少量铁粉或铁钉。③Fe3＋虽具有氧化性，但遇强氧化剂仍可将其氧化成更高价态的铁。如用过氧化钠与熔融的赤铁矿（Fe2O3）在高温下反应可制得高铁酸钠（Na2FeO4）。3Na2O2＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(△),\s\do5())2Na2FeO4＋Na2O。④Na2FeO4具有很强的氧化性，非常有效地杀灭水中的病菌和病毒。与此同时，自身被还原生成Fe(OH)3胶体能高效地除去水中的微细悬浮物。因此Na2FeO4既是自来水的净水剂，又是消毒剂。【对应训练】1．取某含铁元素的固体A进行如下实验：根据下列转化关系，下列叙述不正确的是()A．试剂1是KSCN溶液B．试剂2可以是新制氯水C．溶液B中只有Fe3＋无Fe2＋D．溶液C到溶液F红色加深的原因是溶液中的Fe2＋被氧化剂氧化成Fe3＋，使Fe3＋浓度增大【答案】C【解析】从框图可知，A和稀盐酸反应生成棕黄色溶液，加入试剂1变成淡红色溶液C，可以推断溶液B中含有Fe3＋，加入KSCN溶液生成Fe(SCN)3；加入试剂2得到深红色溶液F，可知试剂2为强氧化剂，溶液B中含有Fe2＋，加入试剂2(强氧化剂)，Fe2＋被氧化为Fe3＋，并进一步转化为Fe(SCN)3，所以溶液红色加深，故C错误。2.将金属铁、铜投入FeCl3溶液中充分反应，下列对反应情况设想的评价正确的是()选项反应情况设想评价A当铁、铜均无剩余时，溶液中一定有Fe2＋、Cu2＋，一定无Fe3＋正确，Fe3＋和铁、铜均可反应B当铁、铜均有剩余时，溶液中一定有Fe2＋、Cu2＋，无Fe3＋正确，铁和铜都与Fe3＋反应，故无Fe3＋C当铜有剩余，铁无剩余时，溶液中一定只有Fe2＋，无Cu2＋正确，铜有剩余，故无Cu2＋D当铁有剩余，铜无剩余时，溶液中一定有Fe2＋、Cu2＋不正确，不可能出现铁有剩余而铜无剩余的情况，因为铁的还原性比铜的强，铁先与Fe3＋反应【答案】D【解析】对各选项的分析如下：A铁、铜均无剩余时，说明反应①②均发生，可能铁、铜恰好把Fe3＋反应完，也可能铁、铜的量不足，Fe3＋有剩余错误B铁、铜均有剩余时，说明只发生反应①，且Fe3＋反应完了，反应②没发生，故溶液中无Cu2＋错误C当铜有剩余，铁无剩余时，说明反应①发生，反应②可能发生也可能没发生，因此溶液中一定有Fe2＋，可能有Cu2＋错误D反应①先发生，把铁消耗完了，铜才参与反应，不可能存在铁有剩余而铜无剩余的情况正确二、亚铁盐的氧化性和还原性活动一、探究亚铁盐的氧化性和还原性任务一、实验探究：根据表格内容，完成相关实验，观察实验现象，分析实验原理。【答案要点】序号实验操作实验现象实验原理实验结论1取3mLFeCl2溶液加入试管中，加入几小块锌片，振荡，观察现象。浅绿色溶液逐渐变为无色，同时有黑色固体生成Fe2＋＋ZnFe＋Zn2+Fe2＋具有氧化性2取3mLFeCl3溶液入试管中，加入足量铁粉，振荡，观察现象。铁粉逐渐溶解，溶液由棕黄色变为浅绿色2Fe3＋＋Fe3Fe2＋Fe3＋具有氧化性3取3mLFeCl2溶液加入试管中，滴加几滴氯水，振荡，观察现象。溶液由浅绿色变为棕黄色Fe2＋＋Cl2Fe3+＋2ClFe2＋具有还原性4取少量酸性KMnO4溶液于试管中，逐滴加入FeSO4溶液，当溶液紫色褪去时，再滴加2滴KSCN溶液，观察现象溶液的紫色逐渐褪去，后溶液呈现血红色5Fe2++MnO4+8H+=5Fe3++Mn2++4H2OFe3++3SCN=Fe(SCN)3Fe2＋具有还原性；Fe3＋与KSCN溶液反应成血红色溶液任务二、问题探究：某溶液中加KSCN溶液，颜色无变化，再加氯水溶液变红，说明什么？发生的反应是什么？若溶液变红，然后加足量Fe粉，红色又褪去，说明什么？写出反应的离子方程式。【答案要点】①颜色无变化，再加氯水溶液变红，说明原溶液中无Fe3＋，有Fe2＋，2Fe2＋＋Cl2===2Fe3＋＋2Cl－。②若溶液变红，然后加足量Fe粉，红色又褪去，说明原溶液中有Fe3＋，2Fe3＋＋Fe===3Fe2＋。【对应训练】1．把表面有少量氧化物的铜片和铁片一起放入盐酸中，充分反应后，所得溶液中的金属离子为（）A．Fe3＋和Cu2＋ B．Fe2＋和Cu2＋C．Fe2＋和Fe3＋ D．Fe2＋【答案】D【解析】本题涉及的物质的性质有：CuO与盐酸的反应，Fe、Fe2O3与盐酸的反应，Fe3＋与Fe、Cu的反应，Fe与Cu2＋的反应等。表面氧化物较少，溶于盐酸后，生成的Fe3＋和Cu2＋较少，分别被Fe还原为Fe2＋和Cu，Cu与盐酸不反应，Fe与盐酸反应生成Fe2＋。2．已知氯气有强氧化性，能氧化Fe2+、Br、I等。又已知还原性I>Fe2+>Br。向含有Fe2+、I、Br的溶液中通入一定量氯气后，对所得溶液中离子的成分分析正确的是（）A．I、Fe3+、Cl B．Fe2+、Cl、BrC．Fe2+、Fe3+、Cl D．Fe2+、I、Cl【答案】B【解析】在氧化还原反应中，氧化剂先氧化还原性强的离子，再氧化还原性弱的离子，只含有I、Fe2+、Br溶液中通入氯气后，碘离子先被氧化，其次是亚铁离子，最后是溴离子。A．当溶液中含有碘离子，就不会出现铁离子，I、Fe3+、Cl不能共存，故A错误；B．通入氯气后，碘离子先被氧化，其次是亚铁离子，当亚铁离子存在，则溴离子一定不会参与反应，氯气做氧化剂，对应产物是氯离子，故B正确；C．当溶液中存在亚铁离子时，则一定会存在溴离子，故C错误；D．当溶液中存在亚铁离子时，则一定会存在溴离子，故D错误；故选B。活动二、Fe(OH)2的制备任务一、问题探究：为了提高皮革的耐曲折强度以及耐化学药剂和微生物的作用，常常使用绿矾作为鞣革剂。绿矾晶体(FeSO4·7H2O)由于保存不妥或长久放置，容易被空气中的氧气氧化而变质。为探究绿矾样品的变质情况，化学兴趣小组的同学设计了下列实验方案。可供选择的试剂：硫氰化钾溶液、酸性高锰酸钾溶液、氯水、氢氧化钠溶液、氯化钡溶液、铁粉，请参与完成方案设计。实验准备：取少量绿矾样品，用蒸馏水在烧杯中配成溶液。①如何证明绿矾已被氧化？②如何证明绿矾已完全被氧化③为了防止绿矾溶液被氧化，如何操作？【答案要点】①取少量溶液于试管中，加入几滴硫氰化钾溶液，若观察到溶液变红色，则证明绿矾样品已被氧化。②取少量溶液于试管中，加入几滴酸性高锰酸钾溶液，若观察到溶液不褪色，则证明绿矾样品完全被氧化。③取少量溶液于试管中，向溶液中加入适量铁粉防止绿矾溶液中的Fe2+被氧化：2Fe3++Fe==3Fe2+。任务二、结合Fe(OH)2容易被空气中的氧气氧化成Fe(OH)3的性质，思考制备Fe(OH)2有哪些方法？【答案要点】①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。②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。③电解法：用铁作阳极，电解NaCl(或NaOH)溶液，并在液面上覆盖一层苯(或煤油)，如图3所示。【对应训练】1.下列各图示中能较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀的是()A．①②③ B．①②④ C．①②③④ D．②③④【答案】B【解析】Fe(OH)2在空气中很容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3，发生4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3。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原理一样，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无法避免氧气与氢氧化亚铁的反应；④中液面加苯阻止了空气进入，能较长时间看到白色沉淀，选B。2．实验室用FeCl2和烧碱制备Fe(OH)2，为了使生成的产物不容易被氧化，下列说法不正确的是()A．配制FeCl2溶液和烧碱溶液所用的蒸馏水通常要煮沸B．可在FeCl2溶液的上面加一层苯，以隔绝空气C．向FeCl2溶液中滴加烧碱溶液时，胶头滴管尖嘴不能伸入溶液内D．产生Fe(OH)2沉淀后，不能振荡试管【答案】C【解析】A对，FeCl2溶液和烧碱溶液要现用现配，且配制溶液的蒸馏水要煮沸以除去氧气，确保Fe(OH)2在无氧环境中生成。B对，在FeCl2溶液的上面加一层苯或一层油，以隔绝空气。C错，向FeCl2溶液中滴加烧碱溶液时，要将胶头滴管的尖嘴伸入FeCl2溶液中，防止氢氧化钠溶液在滴入时接触空气而溶有氧气。D对，产生Fe(OH)2沉淀后，若振荡试管，会增大沉淀与空气接触的机会，使沉淀更易被氧化。【课后巩固】1．下列说法错误的是()A．浓硫酸在空气中敞口放置一段时间，浓度变小B．铁片投入冷的浓硝酸中，铁片不溶解C．钢片投入浓硝酸中，产生红棕色气体D．石蕊溶液滴入稀硫酸中，溶液变蓝【答案】D【解析】A．浓硫酸具有吸水性，在空气中敞口放置一段时间，吸收空气中的水蒸气，浓度变小，故A正确；B．铁片投入冷的浓硝酸中，铁片钝化，铁片不溶解，故B正确；C．钢片投入浓硝酸中发生反应，硝酸被还原为红棕色二氧化氮气体，故C正确；D．石蕊遇酸变红，石蕊溶液滴入稀硫酸中，溶液变红，故D错误；选D。2．向FeCl3溶液中同时加入铁粉和铜粉，充分反应后不会出现的结果是()A．铁、铜均有 B．铁、铜均无C．有铜无铁 D．有铁无铜【答案】D【解析】Fe3＋先与Fe反应，Fe完全反应后，Fe3＋再与Cu反应，故充分反应后不可能有铁无铜，D符合题意。3．在硫酸铁溶液中，加入ag铜完全溶解后再加入bg铁，充分反应后得到cg残余固体，且a＞c，则下列说法中正确的是()A．残余固体可能为铁和铜的混合物B．最后得到的溶液可能含有Fe3＋C．残余固体是铁，溶液中一定不含Cu2＋D．残余固体全部是铜【答案】D【解析】加入的ag铜由于发生反应：2Fe3＋＋Cu=2Fe2＋＋Cu2＋而全部溶解，如果这部分铜在加入bg铁后恰好被全部还原出来，则c应与a相等，现题给条件中知a＞c，说明加入的ag铜没有全部被还原，溶液中还有Cu2＋，同时也说明加入的铁不足(否则ag铜将会被全部还原出来)，加入的铁被氧化成Fe2＋；而Fe3＋由于不能与单质铜共存，在溶液中已经不再存在；综上所述，cg残余固体是铜，溶液中还存在Cu2＋、Fe2＋这2种金属阳离子，D项正确。4．将过氧化钠投入FeCl2溶液中，可观察到的实验现象是（）A．有无色气体和白色沉淀生成 B．有无色气体和红褐色沉淀生成C．无气体产生，有沉淀生成 D．有气体产生，无沉淀生成【答案】B【解析】将过氧化钠投入FeCl2溶液中，过氧化钠会和水反应生成无色气体氧气和氢氧化钠，同时氧化亚铁离子生成铁离子，再结合氢氧根离子生成红褐色的Fe(OH)3沉淀，所以可以看到的现象是：有无色气体和红褐色沉淀生成，B正确。合理选项是B。5.甲同学用FeCl2和烧碱制备Fe(OH)2；乙同学用如图装置制备Fe(OH)2，为了生成的产物不容易被氧化，下列说法不正确的是()FeCl2溶液的上面加一层植物油，以隔绝空气FeCl2溶液中滴加烧碱溶液时，胶头滴管尖嘴可以伸入到液面下D.乙同学应该先关闭止水夹，一段时间以后再打开止水夹【答案】D【解析】配制溶液时为防止水中溶解的氧气氧化亚铁离子，应先加热煮沸蒸馏水除去溶解氧，故A正确；植物油的密度比水小，浮在水面上，可以起到隔绝空气的作用，防止亚铁离子被氧化，故B正确；向FeCl2溶液中滴加烧碱溶液，为防止空气中的氧气被带入溶液中，将胶头滴管尖嘴直接伸入液面下再挤出烧碱溶液，故C正确；实验过程中应先打开止水夹，让产生的氢气排尽装置内的空气，以防亚铁离子被氧化，故D错误；故选D。6.纳米级四氧化三铁是应用最为广泛的软磁性材料之一。共沉淀法是目前制备纳米四氧化三铁的重要方法，其流程如图所示：下列说法错误的是()A.保存溶液A时，应加入少量铁粉B.FeSO4‧7H2O和FeCl3‧6H2O的物质的量之比最好应为2∶1C.取滤液进行焰色反应，火焰为黄色【答案】B【解析】保存溶液A时，应加入少量铁粉，防氧化；依据反应原理可知：FeSO4‧7H2O和FeCl3‧6H2O的物质的量之比最好应为1∶2；取滤液（Na2SO4）进行焰色反应，火焰为黄色；其制备反应有化合价的变化，属于氧化还原反应。7．某同学欲利用如图装置制取能较长时间存在的Fe(OH)2，其中实验所用溶液现配现用且蒸馏水先加热煮沸。下列分析不正确的是A．X可以是稀硫酸或稀盐酸，但不能是稀硝酸B．实验开始时应先关闭止水夹a、打开b，再向烧瓶中加入XC．反应一段时间后可在锥形瓶中观察到白色沉淀D．反应结束后若关闭b及分液漏斗活塞，则Fe(OH)2可较长时间存在【答案】B【解析】A．稀硝酸会将铁氧化为+3价的铁离子，故A正确；B．实验开始时，应先打开a、b，利用生成的氢气将装置中的空气排出，然后关闭a，利用压强差将烧瓶中生成的亚铁离子排入锥形瓶中反应生成Fe(OH)2，故B错误；C．反应一段时间后可在锥形瓶中观察到白色沉淀，故C正确；D．由于装置中的空气及溶液中的氧气已经被除去，故Fe(OH)2可较长时间存在，故D正确。故选B。8．实验探究Fe2＋、Fe3＋的性质。已知：Fe2＋可与K3[Fe(CN)6]溶液反应生成蓝色沉淀。（1）分别取一定量硫酸铁、氯化亚铁固体，均配制成0.1mol·L－1溶液。配制FeCl2溶液时需加入少量铁屑，目的是__________________________________。（2）甲组同学取2mLFeCl2溶液，加入几滴氯水，再加入1滴KSCN溶液，溶液变红，说明Cl2可将Fe2＋氧化。FeCl2溶液与氯水反应的离子方程式为________________________________。（3）乙组同学认为甲组实验不够严谨，该组同学用煮沸冷却后的水配制溶液，向2mLFeCl2溶液中先加入0.5mL煤油，再于液面下依次加入几滴氯水和1滴KSCN溶液，溶液变红，煤油的作用是_____________________________。（4）丙组同学取10mL0.1mol·L－1KI溶液，加入足量0.1mol·L－1Fe2(SO4)3溶液混合后，滴加淀粉溶液，出现蓝色，该现象说明氧化性：Fe3＋_______I2(填“＞”或“＜”)；另取2mLFeCl2溶液，加入几