2024年高中化学新教材同步 必修第一册 第3章　第1节　第1课时　铁的单质、氧化物和氢氧化物

第一节铁及其化合物第1课时铁的单质、氧化物和氢氧化物[核心素养发展目标]1.结合生活中铁制品的应用，了解单质铁、铁的氧化物的性质及用途，培养化学服务社会的责任意识。2.通过探究实验，认识铁单质与水蒸气反应的条件，对比钠与水的反应，加深对微观原子结构决定物质宏观性质的认识，培养宏观辨识与微观探析的能力。3.通过实验掌握Fe(OH)2、Fe(OH)3的制备原理及化学性质。一、铁的单质1．铁的存在和冶炼(1)存在铁在自然界中可以以单质形态(陨铁)存在，但主要是以＋2价和＋3价化合物的形态存在于矿石中。铁元素在地壳中的含量居第四位，仅次于氧、硅和铝。(2)冶炼工业炼铁的原理是用还原法把铁从铁矿石中提炼出来，化学方程式(以Fe2O3为例)：3CO＋Fe2O3eq\o(=,\s\up7(高温))2Fe＋3CO2。2．铁的物理性质铁有延展性、导热性、导电性，但其导电性不如铜和铝，铁还能被磁体吸引，其熔、沸点较高。思考1为什么铁片是银白色，而铁粉却是黑色？提示金属小颗粒能反射光线。小颗粒的分布是非常混乱的，所以不能像镜面一样把入射光线定向地反射回去。入射光线进到金属小颗粒中，就像进了“迷魂阵”，从一个小颗粒反射到另一个颗粒，这样反射过来又反射回去，光线越来越弱，很少按入射方向返回去，因此看上去是黑色的。3．铁的化学性质(1)与某些非金属单质、非氧化性酸和盐溶液反应。写出下列有关反应的化学方程式，是离子反应的写出离子方程式。①Fe与非金属单质反应②Fe与非氧化性酸反应(如盐酸)Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑。③Fe与盐溶液反应(如CuSO4溶液)Fe＋Cu2＋=Cu＋Fe2＋。思考2上述反应中，铁的化合价的变化有何异同？为什么会有这样的异同？提示在一定条件下，铁作为还原剂能与某些金属单质、酸和盐溶液反应。铁与弱氧化剂(如盐酸、CuSO4等)反应，生成＋2价铁的化合物，而与较强的氧化剂(如Cl2等)反应，生成＋3价铁的化合物。(2)实验探究铁粉与水蒸气的反应思考3在钢铁厂的生产中，炽热的铁水注入模具之前，模具为什么必须进行充分的干燥处理？提示在高温下，铁能与水发生反应。用燃着的火柴去点肥皂泡，观察到的现象是肥皂泡燃烧，听到爆鸣声，证明生成了H2，则该反应的化学方程式为3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2。上述实验装置中，湿棉花的作用是受热时提供反应所需的水蒸气。铁在氧气中燃烧或与水蒸气反应生成既有＋2价又有＋3价铁元素的氧化物Fe3O4。1．判断正误(1)由于铁单质性质比较活泼，所以自然界中没有游离态的铁单质()(2)铁与AgNO3、ZnCl2等盐溶液均能发生反应生成Fe2＋()(3)分离铁粉与铜粉的混合物时，只能用化学方法()(4)1molFe与水蒸气高温下反应转移eq\f(8,3)mole－()答案(1)×(2)×(3)×(4)√2．下列有关铁的说法不正确的是()A．铁与水蒸气的反应中铁为还原剂B．铁和稀硫酸反应的离子方程式为2Fe＋6H＋=2Fe3＋＋3H2↑C．铁在纯氧中燃烧生成Fe3O4D．工业上用CO在高温条件下还原含Fe2O3的矿石炼铁答案B解析铁和稀硫酸反应的离子方程式应为Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑。二、铁的氧化物和氢氧化物1．铁的氧化物阅读课本，填写下表空白：氧化亚铁(FeO)氧化铁(Fe2O3)四氧化三铁(Fe3O4)俗称—铁红磁性氧化铁颜色、状态黑色粉末红棕色粉末黑色晶体(有磁性)溶解性不溶于水类别碱性氧化物碱性氧化物－铁的价态＋2＋3＋2、＋3与H＋反应的离子方程式FeO＋2H＋=Fe2＋＋H2O6H＋＋Fe2O3=2Fe3＋＋3H2OFe3O4＋8H＋=2Fe3＋＋Fe2＋＋4H2O稳定性6FeO＋O2eq\o(=,\s\up7(△))2Fe3O4稳定稳定与CO、C、H2反应生成单质铁及CO2或H2O用途Fe2O3常用作油漆、涂料、油墨和橡胶的红色颜料，赤铁矿(主要成分是Fe2O3)是炼铁的原料2.铁的氢氧化物(1)铁的氢氧化物的制备反应原理：Fe(OH)3与Fe(OH)2分别由相应的可溶性盐与可溶性碱反应而制得。Fe(OH)2Fe(OH)3操作现象产生白色絮状沉淀，迅速变为灰绿色，最终变为红褐色沉淀生成红褐色沉淀离子方程式Fe2＋＋2OH－=Fe(OH)2↓；4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3Fe3＋＋3OH－=Fe(OH)3↓实验结论Fe(OH)2很不稳定，极易转化为Fe(OH)3思考如图是制备氢氧化亚铁的改进装置，思考并回答下列问题：(1)配制NaOH和FeSO4溶液的蒸馏水要经过______，目的是_________________________。(2)在FeSO4溶液表面覆盖一层苯(一种有机溶剂，难溶于水，密度比水小)的作用是_________。(3)将吸有NaOH溶液的长滴管伸入FeSO4溶液液面以下，其目的是_________________。提示(1)加热煮沸赶走溶解的氧气(2)隔绝空气，防止生成的氢氧化亚铁被氧化(3)防止滴加NaOH溶液时带入空气氧化Fe(OH)2(2)Fe(OH)2和Fe(OH)3的比较Fe(OH)2Fe(OH)3颜色、状态白色固体红褐色固体溶解性不溶于水不溶于水与非氧化性强酸反应的离子方程式Fe(OH)2＋2H＋=Fe2＋＋2H2OFe(OH)3＋3H＋=Fe3＋＋3H2O稳定性Fe(OH)2eq\o(=,\s\up7(△))FeO＋H2O(隔绝空气)2Fe(OH)3eq\o(=,\s\up7(△))Fe2O3＋3H2O1．判断正误(1)磁铁矿的主要成分是Fe3O4()(2)FeO在空气中加热生成Fe2O3()(3)Fe3O4中铁的化合价有＋2和＋3价，是一种混合物()(4)Fe(OH)3不能利用化合反应生成()(5)因为Fe(OH)2易被氧化，所以在制备时要隔绝空气()答案(1)√(2)×(3)×(4)×(5)√2．下列有关铁的化合物的说法不正确的是()A．Fe(OH)2不稳定，具有较强的氧化性B．FeO、Fe2O3均为碱性氧化物，均可与盐酸反应C．Fe(OH)3可通过化合反应得到，Fe(OH)2则不能D．Fe3O4为磁性氧化铁，其中铁的化合价为＋2和＋3答案A解析Fe(OH)2中的Fe2＋具有还原性，可被空气中的O2氧化为Fe(OH)3，A项错误；FeO、Fe2O3均为碱性氧化物，故具有碱性氧化物的通性，都能与盐酸反应，B项正确；Fe(OH)2只能通过复分解反应得到，Fe(OH)3可由Fe(OH)2与O2、H2O发生化合反应得到，C项正确；Fe3O4俗称磁性氧化铁，其组成可表示为FeO·Fe2O3，Fe元素的化合价为＋2和＋3，D项正确。1．(2022·黑龙江宾县二中高一月考)下列关于铁的叙述错误的是()A．纯净的铁是光亮的银白色金属B．铁能被磁体吸引C．铁是地壳中含量最多的金属元素D．铁具有延展性和导热性，可制作炊具答案C解析铝是地壳中含量最多的金属元素，铁是地壳中含量排在第二位的金属元素，C错误。2．铁与水蒸气反应实验改进前后的装置如图所示：下列说法错误的是()A．将湿棉花改为浸水的尿不湿，酒精灯由单头改为双头，可提供足量的水蒸气B．用具支试管可将试管口附近冷凝的水导出C．将肥皂液改为吹泡泡水，收集H2的效果更好，点燃效果更明显D．改进后，悬挂的磁铁能吸引铁粉，实验过程中，我们能看到具支试管中有黑色固体不断落下答案D解析尿不湿可吸附更多的水，且不易洒出，酒精灯改为双头的可增加受热面积，故可提供足够多的水蒸气，A项正确；具支试管的结构中含支管，冷凝的水可从支管中流出，B项正确；吹泡泡水易起泡，收集H2更容易，点燃效果更好，C项正确；磁铁可以吸引单质铁和Fe3O4，D项错误。3.如图所示装置可用来制取Fe(OH)2并观察其在空气中被氧化的颜色变化。实验时必须使用铁屑、稀硫酸和NaOH溶液。(1)在试管Ⅰ中加入的试剂是________________。(2)在试管Ⅱ中加入的试剂是_________________________________________。(3)为了制得白色Fe(OH)2沉淀，在试管Ⅰ和试管Ⅱ中加入试剂，塞紧塞子后的实验步骤是______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________。(4)这样生成的Fe(OH)2沉淀能较长时间保持白色，其理由是____________________________。(5)实验完毕，拔去试管Ⅱ中的橡胶塞，放入一部分空气，此时试管Ⅱ中发生反应的化学方程式为________________________________________________________________________。答案(1)稀硫酸、铁屑(2)NaOH溶液(3)打开止水夹a，待试管Ⅰ中反应生成的氢气排尽装置中的空气后，再关闭止水夹a(4)试管Ⅰ中反应生成的H2充满了试管Ⅰ和试管Ⅱ，且外界空气不容易进入(5)4Fe(OH)2＋2H2O＋O2=4Fe(OH)3题组一铁的单质1．我国宋代《开宝本草》中记载了中药材铁华粉的制作方法：“取钢煅作叶，如笏或团，平面磨错令光、净，以盐水洒之，于醋瓮中阴处埋之一百日，铁上衣生，铁华成矣。”下列说法错误的是()A．“取钢煅作叶，如笏或团”说明金属铁有较好的延展性B．“平面磨错令光、净”的目的是除去表面的铁锈C．“铁上衣生”的原因是铁被氧气氧化D．中药材铁华粉的主要成分是醋酸亚铁答案C解析把钢煅制成长或圆的叶子形状，说明金属铁有良好的延展性，故A正确；中药材铁华粉的主要成分是醋酸亚铁，故开始要除去铁锈，防止三价铁影响产物纯度，故B正确；金属铁在醋瓮中密封保存，隔绝空气，不能与氧气反应，故C错误；隔绝空气，铁与醋酸反应生成醋酸亚铁，故D正确。2．(2022·桂林高一检测)下列各项物质间的转化不能通过反应一步完成的是()A．Fe→Fe3O4 B．Fe→FeCl3C．Fe→FeCl2 D．Fe→Fe(OH)3答案D解析Fe与O2点燃可得到Fe3O4，A不符合题意；Fe与Cl2点燃可得到FeCl3，B不符合题意；Fe与盐酸反应可得到FeCl2，C不符合题意；Fe不能通过反应一步生成Fe(OH)3，D符合题意。3．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Cu3O4B．Na和H2O反应生成NaOH和H2，推测Fe和H2O反应生成Fe(OH)3和H2C．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反应，推测Fe在常温下也能与H2O反应答案C解析Fe和O2反应生成Fe3O4，Cu和O2反应生成CuO，A项错误；Fe和H2O(g)反应生成Fe3O4和H2，B项错误；Fe与H2O(g)在高温下才能反应，D项错误。4．(2022·陕西长安一中高一月考)将铁片放入下列溶液中，溶液质量减轻的是()A．稀硫酸 B．硫酸铜溶液C．稀盐酸 D．AlCl3溶液答案B解析铁和稀硫酸反应生成硫酸亚铁和氢气，由于每溶解56gFe，溶液中逸出2gH2，所以溶液质量增加，A错误；铁和硫酸铜反应生成铜和硫酸亚铁，由于每溶解56gFe，溶液中析出64gCu，所以溶液质量减轻，B正确；铁和稀盐酸反应生成氯化亚铁和氢气，由于每溶解56gFe，溶液中逸出2gH2，所以溶液质量增加，C错误；Fe与AlCl3溶液不发生反应，溶液质量不变，D错误。题组二铁的氧化物5．(2023·长春检测)下列关于铁的氧化物的说法错误的是()A．FeO不稳定，在空气中加热迅速变为Fe2O3B．Fe2O3俗称铁红，可用作油漆的红色颜料C．Fe3O4中Fe呈现＋2和＋3两种价态D．Fe3O4晶体俗称磁性氧化铁，具有磁性答案A解析FeO是一种黑色粉末，不稳定，在空气中受热，被氧化成Fe3O4，A错误。6．建筑用的红砖和青砖，其颜色是由其中含有的不同价态的铁氧化物所致。我国古代砖瓦建筑能够保持到现在的，几乎无一例外是由青砖建成的。有人提出以下可能的原因：①青砖中含有Fe2O3；②青砖中含FeO或Fe3O4；③Fe2O3长期遇酸雨侵蚀会风化溶解使砖瓦强度降低；④Fe3O4性质更稳定；⑤FeO或Fe3O4更不容易被氧化。你认为以上说法合理的是()A．①③⑤ B．②③④C．③⑤ D．①②③④⑤答案B解析Fe2O3呈红棕色，则红砖中含有Fe2O3，青砖中不含有Fe2O3，①不符合题意；根据青砖颜色可知，青砖中含有FeO或Fe3O4，②符合题意；Fe2O3为碱性氧化物，能与酸反应使砖瓦强度降低，③符合题意；根据题中所述，古代砖瓦能够保持到现在的，几乎无一例外是由青砖建成的，说明Fe3O4性质更稳定，④符合题意；FeO性质不稳定，易被氧化，⑤不符合题意。题组三铁的氢氧化物7．(2022·广东惠州高一期末)将铁屑溶于过量的稀盐酸后加入过量的NaOH溶液，有白色沉淀生成，过滤，在空气中加热至沉淀质量不再发生变化为止，得到红棕色残渣。上述沉淀和残渣分别是()A．Fe(OH)3；Fe2O3B．Fe(OH)2；Fe2O3C．Fe(OH)2；Fe(OH)3、Fe3O4D．Fe2O3；Fe(OH)3答案B解析铁屑溶于过量的稀盐酸后生成氯化亚铁，加入过量的NaOH溶液，生成Fe(OH)2白色沉淀，Fe(OH)2在空气中易被氧化为Fe(OH)3，Fe(OH)3受热分解生成水和红棕色的Fe2O3，故B正确。8．(2022·上海高一检测)下列有关铁的氢氧化物的说法错误的是()A．Fe(OH)2是一种黑色固体，不稳定，在空气中易被氧化为红褐色固体B．Fe(OH)2具有还原性，在空气中易被氧化为Fe(OH)3C．Fe(OH)2、Fe(OH)3都具有不稳定性，受热都能分解D．Fe(OH)3胶体透明、呈红褐色，能产生丁达尔效应答案A解析Fe(OH)2是一种白色固体，不稳定，具有还原性，在空气中易被氧化为红褐色的Fe(OH)3：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3，故A错误、B正确；Fe(OH)2、Fe(OH)3都具有不稳定性，受热能分解为氧化物和水，故C正确。9．下列各图示中能较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀的是()A．①②④B．①②③C．①②D．②③④答案A解析Fe(OH)2在空气中很容易被氧化为红褐色的Fe(OH)3，即发生反应：4Fe(OH)2＋O2＋2H2O=4Fe(OH)3，若要较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀，则要排尽装置中的氧气或空气。①②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处于氢气的保护中；③由于溶液与空气直接接触，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；④中苯在FeSO4溶液的液面上，阻止了空气的进入，能较长时间看到白色沉淀。10．(2022·长沙高一质检)等量的铁分别与足量的盐酸、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()A．1∶1 B．3∶4C．2∶3 D．4∶3答案B解析根据反应的化学方程式：Fe＋2HCl=FeCl2＋H2↑、3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2可知，1molFe与盐酸反应生成1molH2,1molFe与水蒸气反应生成eq\f(4,3)molH2，故在相同条件下，产生H2的体积比是3∶4。11．(2022·内蒙古赤峰二中高一月考)将磁性氧化铁放入稀HNO3中可发生如下反应：3Fe3O4＋28HNO3=9Fe(NO3)x＋NO↑＋14H2O，下列判断正确的是()A．Fe(NO3)x中的x为2B．反应中每生成0.2mol还原产物，就有0.6mol电子转移C．HNO3在反应中全部被还原D．磁性氧化铁中的铁元素全部被氧化答案B解析由N原子守恒可知，28＝9x＋1，解得x＝3，故A项错误；N元素的化合价由＋5价降低为＋2价，则反应中每生成0.2mol还原产物，就有0.2mol×(5－2)＝0.6mol电子转移，故B项正确；稀HNO3在反应中生成硝酸盐和NO，则HNO3在反应中部分被还原，故C项错误；磁性氧化铁中的Fe元素有＋2价和＋3价，则铁元素部分被氧化，故D项错误。12．以某硫酸渣(含Fe2O3等)为原料制备FeOOH(铁黄)的一种工艺流程如下：下列说法不正确的是()A．“酸溶”后溶液中金属阳离子主要是Fe3＋B．滤渣的主要成分是FeC．“沉铁”过程中生成Fe(OH)2的化学方程式为FeSO4＋2NH4HCO3=Fe(OH)2↓＋(NH4)2SO4＋2CO2↑D．“氧化”Fe(OH)2浆液时，可用氯气代替空气答案D解析B项，根据流程图分析可知，滤渣的主要成分是Fe，正确；C项，由图示可知，“沉铁”过程中反应物为FeSO4和NH4HCO3，生成物有CO2和Fe(OH)2，故化学方程式为FeSO4＋2NH4HCO3=Fe(OH)2↓＋(NH4)2SO4＋2CO2↑，正确；D项，“氧化”Fe(OH)2浆液时，若用氯气代替空气，制备的FeOOH中会有含氯化合物，导致FeOOH的含量较低且有杂质，错误。13．金属单质A可发生以下反应。试推断：(1)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________________________________________________________________________。答案(1)FeFe2O3Fe3O4CuH2(2)Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋CuFe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑14．(2022·广东梅州高一检测)某化学兴趣小组利用如图所示装置进行铁粉与水蒸气反应的实验，并检验产物的性质。请回答下列问题：(1)A装置的作用是_____________________________________________________________，D装置的作用是________________________________________________________________。(2)写出B装置中发生反应的化学方程式：_________________________________________。(3)A、B、E装置中应先点燃________________处的酒精灯，点燃E处酒精灯之前应进行的操作是________________。(4)铁粉与水蒸气发生了反应，则E处的实验现象是________________。答案(1)提供水蒸气除去未反应的水蒸气(或干燥生成的气体)(2)3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2(3)A检验氢气纯度(4)黑色氧化铜粉末变红色解析(1)铁与水蒸气的反应条件是高温，水的状态是气体，所以A装置的作用是提供水蒸气；E是氢气还原氧化铜的装置，气体进入E装置前要干燥，否则会有危险，硬质玻璃管可能炸裂，因此D装置的作用是除去未反应的水蒸气(或干燥生成的气体)。(2)B装置中铁与水蒸气反应生成氢气和四氧化三铁，反应的化学方程式为3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2。(3)若先点燃B处酒精灯，铁会与氧气发生反应，所以应先点燃A处酒精灯；氢气是可燃性气体，混有空气加热时会发生爆炸，所以点燃E处酒精灯之前应进行的操作是收集H2并检验其纯度。(4)氢气还原氧化铜得到铜和水，即H2＋CuOeq\o(=,\s\up7(△))Cu＋H2O，所以E装置中的实验现象是硬质玻璃管中黑色氧化铜粉末变红色。15.某化学学习小组设计了下列方法探究氢氧化亚铁的制备等相关问题。(1)用NaOH溶液和FeSO4溶液直接反应能观察到白色的Fe(OH)2沉淀(方法如图)，但沉淀颜色快速发生变化。请分析沉淀颜色变化的原因：_____________________________(用化学方程式表示)。(2)该小组为探究反应物浓度对Fe(OH)2制备效果的影响，以Fe(OH)2沉淀白色持续时间(t)为指标，t越大，实验效果越好。部分实验数据如表(w代表质量分数)：实验序号w(FeSO4)/%w(NaOH)/%t/si2.515149ii515138iii101593iv525142v535180①实验i、ii、iii的目的是______________________________________________。②该小组同学通过实验推断：其他条件不变时，所用NaOH溶液的浓度越大，实验效果越好。推断的