2025版高一化学必修第一册 第三章 第一节 第1课时 铁单质、铁的氧化物、铁的氢氧化物

第一节铁及其化合物第1课时铁单质、铁的氧化物、铁的氢氧化物课标定向目标定位1.了解铁、铁的氧化物和氢氧化物的主要性质及在生产、生活中的应用,能用化学方程式、离子方程式正确表示相应物质的主要化学性质。(宏观辨识与微观探析)2.能从物质类别、元素价态的角度,依据复分解反应和氧化还原反应原理,预测铁、铁的氧化物和氢氧化物的化学性质和变化,设计实验进行初步验证,并能分析、解释有关实验现象。(证据推理与模型认知)厘清重点学会从物质类别和元素价态的视角认识元素物质间的转化关系,并建立认知模型突破难点掌握Fe(OH)2制备的实验设计学习任务一:铁的单质、氧化物和氢氧化物【必备知识·导学】[引入]我国目前发现最早的人工冶铁制品是河南三门峡出土的西周晚期的玉柄铁剑,这说明西周晚期我国已掌握了冶铁技术。铁元素在自然界是怎样存在?炼铁的实质是什么?铁在生产生活中有哪些用途?一、铁的单质1.铁元素的存在与冶炼(1)铁在自然界中可以像陨铁中的铁那样以单质形态存在,但主要以+2价和+3价化合物的形态存在于矿石中。在地壳中铁元素的含量仅次于氧、硅和铝,居第四位。丹霞地貌的岩层因含Fe2O3而呈红色。(2)现代工业炼铁的原理是用还原的方法把铁从铁矿石中提炼出来。化学方程式为3CO+Fe2O32Fe+3CO2。2.物理性质铁有良好的延展性、导热性和导电性,还能被磁铁吸引,其熔、沸点很高。3.化学性质(1)铁与非金属单质、酸、盐溶液的反应①铁与氯气反应的化学方程式:2Fe+3Cl22FeCl3;②加热条件下,铁与弱氧化性的S单质反应的化学方程式:Fe+SFeS;氧化性:Cl2>S,铁与Cl2反应被氧化为+3价,与S反应被氧化为+2价。③铁与盐酸、稀硫酸反应的离子方程式:Fe+2H+===Fe2++H2↑;④铁与硫酸铜溶液、FeCl3溶液反应的离子方程式:Fe+Cu2+===Fe2++Cu,Fe+2Fe3+===3Fe2+。(2)实验探究铁粉与水蒸气的反应实验装置操作现象用火柴点燃肥皂液,听到爆鸣声,证明生成了H2实验结论在高温下,铁能与水蒸气反应生成H2,化学方程式为3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2注意事项:(1)试管口应低于试管底;(2)湿棉花的作用是在受热时提供反应所需的水蒸气;(3)先加热湿棉花,让水蒸气充满装置,再加热还原铁粉;(4)实验结束后,应先从肥皂水中撤出导管,再移开燃着的酒精灯。[思考]铁与水蒸气可以反应,为什么在日常生活中可以用铁壶烧水?提示:铁与冷水、热水均不易反应,只有在高温下才能与水蒸气反应,所以可以用铁壶烧水。二、铁的氧化物1.常见铁的氧化物氧化物氧化亚铁氧化铁(铁红)四氧化三铁化学式FeOFe2O3Fe3O4颜色状态黑色粉末红棕色粉末黑色晶体铁的价态+2+3+2、+3溶解性都不溶于水,但都能溶于酸溶液2.化学性质(1)都与盐酸反应(离子方程式)FeO+2H+===Fe2++H2O;Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O;Fe3O4+8H+===Fe2++2Fe3++4H2O。[思考]从氧化物的分类看,Fe3O4属于碱性氧化物吗?提示:Fe3O4与非氧化性酸反应,生成铁盐和亚铁盐,故Fe3O4不属于碱性氧化物,而FeO、Fe2O3属于碱性氧化物。(2)都能被CO、H2等还原为铁单质。FexOy+yCOxFe+yCO2(3)FeO不稳定,在空气中加热可生成Fe3O4。化学方程式为6FeO+O22Fe3O4。3.用途:Fe2O3常用作红色油漆与涂料,赤铁矿(主要成分是Fe2O3)是炼铁的原料。三、铁的氢氧化物1.铁的氢氧化物的制备实验室制备氢氧化铁和氢氧化亚铁如图所示:(1)图甲实验中观察到的现象是有红褐色沉淀生成,反应的离子方程式是Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓。(2)图乙实验中先观察到有白色沉淀生成,在空气中迅速变成灰绿色,最后变成红褐色,有关反应的方程式是FeSO4+2NaOH===Fe(OH)2↓(白色)+Na2SO4;4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3。[思考]为了较长时间看到白色沉淀,用于制备Fe(OH)2的氢氧化钠溶液应该事先进行怎样的操作?为什么?提示:煮沸。Fe(OH)2容易被氧气氧化,故用于制备Fe(OH)2的氢氧化钠溶液应加热煮沸赶走溶液中的溶解氧。2.Fe(OH)2和Fe(OH)3性质的比较化学式Fe(OH)2Fe(OH)3物质类别二元弱碱三元弱碱颜色、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Fe(OH)2+2H+===__Fe2++2H2OFe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O稳定性Fe(OH)2FeO+H2O(隔绝空气)2Fe(OH)3__Fe2O3+3H2O【判对错·通教材】判断下列说法是否正确,正确的打“√”,错误的打“×”(1)在自然界中铁元素均以化合态形式存在。 (×)提示:在自然界中陨铁以单质形态存在。(2)Fe在少量Cl2中燃烧生成FeCl2,在足量Cl2中燃烧生成FeCl3。 (×)提示:Cl2氧化性强,与Fe反应不论少量还是过量,均生成FeCl3。(3)Fe3O4中铁的化合价有+2和+3价,是一种混合物。 (×)提示:Fe3O4为纯净物。(4)Fe(OH)3不能利用化合反应生成。 (×)提示:可由反应4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3生成。(5)由于Fe(OH)2易被氧化,所以在制备时要隔绝空气。 (√)提示:Fe(OH)2易被空气中氧气氧化,所以制备时必须隔绝空气。【核心要点·归纳】1.Fe只具有还原性,可以被氧化剂氧化为Fe2+、Fe3+2.铁单质化学性质易错点(1)Fe与冷水、热水不反应,Fe与H2O(g)高温下反应的产物是Fe3O4,而不是Fe2O3。(2)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。(3)Fe与Cl2反应不论用量多少都生成FeCl3,而Fe与盐酸反应生成FeCl2。3.铁的氧化物都是不溶于水的化合物,其中FeO在空气中加热能迅速转化为具有磁性的化合物Fe3O4;FeO、Fe2O3都是碱性氧化物;FeO、Fe2O3、Fe3O4都能与酸反应,也都能与H2、CO等反应(表现其氧化性),如工业上利用Fe2O3、Fe3O4与CO反应制备重要的金属材料铁。【学力诊断·测评】1.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,其中铁元素的化合价为+2和+3【解析】选A。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、+3,D正确。2.铁屑溶于过量稀硫酸,过滤后向滤液中加入过量氨水,有白色沉淀生成,过滤,在空气中加热沉淀至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)3Fe2O3 B.Fe(OH)2Fe2O3C.Fe(OH)2Fe(OH)3 D.Fe(OH)2Fe3O4【解析】选B。铁与稀硫酸反应生成FeSO4,再与过量氨水反应生成白色沉淀Fe(OH)2,在空气中加热Fe(OH)2,铁元素被氧化为+3价,最后所得红棕色残渣为Fe2O3。【补偿训练】1.下列反应能通过置换反应生成铁的是()①Zn+FeCl2(溶液)②Na+FeSO4(溶液)③Fe2O3+CO(高温) ④Fe3O4+H2(高温)A.①③④ B.①②③C.①④ D.①②③④【解析】选C。①中Zn比Fe活泼,可以置换生成Fe;②中钠先与水反应生成NaOH,再与FeSO4发生复分解反应,并不能置换出铁;③中该反应虽然生成铁,但不是置换反应;④可以发生置换反应生成铁。2.中科院化学所研制的晶体材料——纳米四氧化三铁,在医药上有广泛用途。其生产过程的部分流程如下所示。FeCl3·6H2OFeOOH纳米四氧化三铁下列有关叙述不合理的是()A.纳米四氧化三铁具有磁性,可作为药物载体用于治疗疾病B.纳米四氧化三铁可分散在水中,它与FeCl3溶液的分散质直径大小相等C.反应①不属于氧化还原反应D.反应②的化学方程式是6FeOOH+CO===2Fe3O4+3H2O+CO2【解析】选B。纳米四氧化三铁为磁性纳米晶体材料,可作为药物载体用于疾病的治疗,A正确;纳米四氧化三铁分散在适当的分散剂中形成的分散系属于胶体,不同于溶液中溶质粒子的直径,B错误;反应①生成FeOOH,化合价未发生改变,所以不是氧化还原反应,C正确;由制备过程可知,反应②的反应物为FeOOH和CO,由一种生成物为Fe3O4和质量守恒定律可知反应为6FeOOH+CO===2Fe3O4+3H2O+CO2,D正确。3.某化学兴趣小组利用如图装置进行“铁与水反应”的实验,并检验产物的性质,请回答下列问题:(1)A装置的作用是产生水蒸气,

B中反应的化学方程式为3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2。

【解析】(1)B中进行的反应是3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2,故A为提供水蒸气的装置。(2)D的作用是吸收未反应的水蒸气。

【解析】(2)D的作用是除去未反应的水蒸气,干燥H2。(3)E中的现象是黑色固体变为红色,右端管壁有水珠生成。

【解析】(3)E中反应为H2+CuOCu+H2O,故黑色粉末变红,同时硬质玻璃管右端会有水珠生成。(4)A、B两个装置中应先点燃A处的酒精(喷)灯,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。

【解析】(4)若先点燃B处,B中的Fe会与空气中O2反应,不纯的氢气加热存在安全隐患,所以点燃E处酒精灯前要收集H2,检验纯度。学习任务二:Fe(OH)2制备实验的改进【必备知识·探究】[情境]在两支试管里分别加入少量的FeCl3和新制FeSO4溶液,然后滴入NaOH溶液,观察并记录现象。项目FeCl3溶液新制FeSO4溶液实验操作(1)两试管中有什么现象?久置于空气中又有什么现象?提示:甲中生成红褐色沉淀,久置不变色;乙中生成白色沉淀,且沉淀迅速变成灰绿色,过一段时间后有红褐色物质生成。(2)在制备Fe(OH)2时,为什么要用新制的FeSO4溶液并将吸有NaOH溶液的胶头滴管尖嘴插入液面以下?提示:用新制的FeSO4溶液为了防止Fe2+被氧化成Fe3+;滴管尖嘴插入液面以下是为了防止生成的Fe(OH)2与O2接触而被氧化。(3)为了长时间观察到生成的白色Fe(OH)2沉淀,实验室制备Fe(OH)2装置的改进如下:请分析改进后装置①、②、③的优点?提示:改进后装置①的优点:配制溶液的蒸馏水煮沸,除去溶解的氧气,然后用苯液封,防止空气溶解,装有NaOH溶液的滴管插入液面下慢慢挤出溶液,这些操作均能防止Fe(OH)2与氧气接触,避免其被氧化,因此能较长时间观察到白色沉淀。装置②的优点:铁粉与稀硫酸反应生成的氢气排除了装置内的空气,同时试管内剩余的氢气起到保护气的作用,防止Fe(OH)2与氧气接触,避免其被氧化,因此能较长时间观察到白色沉淀。装置③的优点:打开止水夹a,Fe与H2SO4反应产生H2将装置内的空气排出,再关闭止水夹a,产生的H2使试管A中气压大于外界气压,把试管A中的液体(FeSO4溶液)压入试管B中,反应得到Fe(OH)2白色沉淀,由于空气已被排出且苯可以隔绝b处进入的空气,故可以长时间观察到Fe(OH)2沉淀。【核心要点·归纳】1.制备Fe(OH)2的注意事项(1)Fe2+必须是新制的,并放入铁粉,以防Fe2+被氧化成Fe3+;(2)除去溶液中溶解的O2,其方法是加热煮沸NaOH溶液;(3)滴管末端插入试管内的液面以下;(4)必要时可在液面上加植物油或苯进行液封。2.Fe(OH)2的制备方法(1)有机层覆盖法将吸有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,密度大于水),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,再将亚铁盐溶液与NaOH溶液混合,这样可长时间观察到白色沉淀,如图2所示。【学力诊断·测评】(2024·宿州高一检测)在实验室里用以下方法制备并较长时间保存Fe(OH)2,能成功的是()【解析】选C。NaOH溶液滴入FeSO4溶液中,二者在FeSO4液面处生成Fe(OH)2,迅速被O2氧化,不能较长时间保存Fe(OH)2,A错误;NaOH溶液与FeCl3溶液反应生成红褐色沉淀Fe(OH)3,不能制取Fe(OH)2,B错误;先滴加稀硫酸,铁粉与稀硫酸反应生成H2,利用产生的H2排出装置内的空气,再滴加NaOH溶液,反应生成白色沉淀Fe(OH)2,植物油液封,可较长时间保存Fe(OH)2,C正确;NaOH溶液通过长胶头滴管滴入FeSO4溶液中,在液体内部生成Fe(OH)2,未隔绝空气,不能较长时间保存Fe(OH)2,D错误。学情检测·素养达标1.《神农本草经》记载:“磁石,味辛寒,主周痹风湿,肢节中痛,不可持物,洗洗酸消,除大热烦满及耳聋。”下列说法错误的是()A.磁石的主要成分是Fe3O4B.磁石不能被磁铁吸引C.磁石不溶于水D.磁石可作药材使用【解析】选B。磁石的主要成分是Fe3O4,A正确;磁石具有磁性,能被磁铁吸引,B错误;Fe3O4难溶于水,C正确;根据题意知磁石可作药材,D正确。2.铁在一定条件下与Cl2、O2、S反应的产物分别为FeCl3、Fe3O4、FeS,下列有关说法正确的是()A.三种非金属单质中,S的氧化性最弱B.等质量的铁分别与Cl2、O2、S反应,转移的电子数相等C.反应生成的三种产物都只具有氧化性D.反应生成的三种产物都是易溶于水的固体【解析】选A。根据反应后铁元素的价态,可知S的氧化性最弱,A正确;反应产物中铁元素的价态不同,等质量的铁分别与Cl2、O2、S反应,转移的电子数不相等,B错误;Fe3O4和FeS中含有+2价的铁元素,也具有一定的还原性,C错误;Fe3O4和FeS难溶于水,D错误。3.“价类二维图”是学习元素化合物知识的高效模型。如图为铁元素的“价类二维图”,图中字母代表含铁元素的物质。下列判断错误的是()A.赤铁矿的主要成分为ZB.M、Q、P都可以通过化合反应制得C.Y不稳定,在空气中加热迅速被氧化为ZD.向Q溶液中滴加NaOH溶液,存在Q→N→M的转化【解析】选C。Z为+3价铁元素的氧化物Fe2O3,赤铁矿的主要成分是Fe2O3,A正确;M为+3价铁元素的碱Fe(OH)3,可以通过化合反应4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3制得,Q为+2价铁元素的盐如FeCl2,可以通过化合反应2FeCl3+Fe===3FeCl2制得,P为+3价铁元素的盐如FeCl3,可以通过化合反应2Fe+3Cl22FeCl3制得,B正确;Y为+2价铁元素的氧化物FeO,FeO在空气中受热,迅速被氧化成Fe3O4,C错误;Q为+2价铁元素的盐如FeCl2,滴加NaOH溶液,生成Fe(OH)2,其与空气中氧气反应,生成Fe(OH)3,D正确。4.A、B、C是中学化学中常见的单质,A是金属单质,B、C是气体单质。甲、乙两化合物在常温下分别为黑色晶体和无色液体。这些化合物和单质之间的关系如图所示,据此判断:(1)若金属元素A有可变化合价,则A的化学式为Fe,甲的化学式为Fe3O4。

(2)写出A+乙甲+C反应的化学方程式:3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2。

【解析】金属元素A有可变化合价,一般为铁,有+2价和+3价,可以作为本题的突破口。金属A与气体单质B点燃可化合生成甲,可推知B为氧气。从而推出甲是Fe3