铁的单质-高一化学同步(人教版2019必修第一册)(解析版)

第三章铁金属材料第一节铁及其化合物第1课时铁的单质一．铁元素在自然界中的存在形态1.人类最早使用的铁是来自太空的陨铁。2.存在形态(1)可以像陨铁中的铁那样以单质形态存在。(2)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仅次于氧、硅和铝，居第四位。二．铁单质的物理性质纯铁具有金属的共性，如具有银白色金属光泽，具有导电性、导热性和延展性，具有能被磁铁吸引的特征。三．铁单质的冶炼铁单质冶炼的原理就是利用还原剂将铁从矿石中还原出来。如高炉炼铁：(1)设备：炼铁高炉；原料：铁矿石、焦炭、空气等。(2)主要反应①还原剂的生成。a．生成CO2：C＋O2eq\o(=,\s\up15(高温))CO2b．生成CO：CO2＋Ceq\o(=,\s\up15(高温))2CO②铁的生成：Fe2O3＋3COeq\o(=,\s\up15(高温))2Fe＋3CO2四．铁单质的化学性质铁元素性质活泼，有较强的还原性，主要化合价为＋2价和＋3价。铁单质只有还原性，一般遇弱氧化剂被氧化为＋2价，遇强氧化剂被氧化为＋3价。1.与非金属单质反应(1)与O2反应点燃(化学方程式)：3Fe＋2O2eq\o(=,\s\up7(点燃))Fe3O4；现象：剧烈燃烧，火星四射。常温：铁在潮湿的空气中易被腐蚀，生成铁锈，其主要成分为Fe2O3·xH2O。(2)与Cl2反应(化学方程式)：2Fe＋3Cl2eq\o(=,\s\up7(△))2FeCl3；现象：剧烈燃烧，棕红色烟。注意：铁在氯气中燃烧，只生成FeCl3，与反应物量比无关。(3)与S反应(化学方程式)：Fe＋Seq\o(=,\s\up7(△))FeS。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。2.与水反应常温下，铁与水是不反应的。但高温下可与水蒸气反应(化学方程式)：3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up7(高温))Fe3O4＋4H2。3.与酸反应与非氧化性酸，如盐酸、稀硫酸反应的离子方程式：Fe＋2H＋=Fe2＋＋H2↑。4.与盐溶液反应(1)置换反应与CuSO4溶液反应(离子方程式)：Fe＋Cu2＋=Fe2＋＋Cu。(2)与FeCl3溶液反应(离子方程式)：Fe＋2Fe3＋=3Fe2＋。【总结】在一定条件下，铁作为还原剂能与某些非金属单质、酸和盐溶液反应。(1)铁与氧化性较弱的氧化剂(如盐酸、硫酸铜等)反应，铁原子失去2个电子生成＋2价铁的化合物。(2)铁与氧化性较强的氧化剂(如氯气等)反应，铁原子则失去3个电子生成＋3价铁的化合物。(3)红热的铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。化学方程式：3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2。【典例1】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．铁能被磁铁吸引，在磁场作用下，铁自身也能产生磁场C．铁是地壳中含量最多的金属元素，所以分布在地壳中的铁有游离态也有化合态D．纯铁的抗腐蚀能力强，在干燥空气中不易被氧化【答案】C【解析】地壳中含量最多的金属元素是Al，地壳中的铁为化合态，C项错误。【典例2】把一定量的铁粉放入氯化铁溶液中，完全反应后，所得溶液中Fe2＋和Fe3＋的浓度恰好相等。则已反应的Fe3＋和未反应的Fe3＋的物质的量之比为（）A．1∶1 B．2∶1 C．2∶3 D．3∶2【答案】C【解析】设已反应的Fe3+的物质的量为2mol，根据Fe+2Fe3+=3Fe2+，溶液中Fe2+的物质的量为3mol，因为溶液中的Fe3+和Fe2+浓度相等，所以未反应的Fe3+的物质的量为3mol，则已反应的Fe3+和未反应的Fe3+的物质的量之比为2mol∶3mol=2∶3，故选C。【典例3】某学习小组进行了下图所示的实验，实验后组员之间的交流不合理的是()A．甲同学认为试管b中收集到的气体可点燃，且产生淡蓝色火焰B．丙同学认为将少量还原性铁粉放入试管中，加适量的水，加热也可实现该反应C．乙同学认为试管a中生成的黑色固体可能为四氧化三铁D．丁同学认为用盐酸溶解固体生成所得溶液有颜色【答案】B【解析】铁不与冷、热水反应，铁只能与水蒸气在高温条件下反应生成Fe3O4和H2；Fe3O4与HCl反应生成FeCl3(棕黄色)和FeCl2(浅绿色)。基础练1．下列叙述正确的是()A．纯铁为灰黑色，所以铁属于黑色金属B．铁在硫蒸气中燃烧生成Fe2S3C．纯铁的抗腐蚀能力非常强，铁在干燥的空气里不易被氧化D．足量的铁在氯气中燃烧生成FeCl2和FeCl3【答案】C【解析】A.在冶金上，把铁归为黑色金属，但纯铁为银白色，故A不选；B.铁在硫蒸气中燃烧生成FeS，故B不选；C.由于纯铁不易形成原电池，所以纯铁的抗腐蚀能力非常强，铁在干燥的空气里不易被氧化，故C选；D.铁在氯气中燃烧只生成FeCl3，不会生成FeCl2，故D不选。故选C。【点睛】铁在氯气中燃烧只能生成FeCl3，即使铁过量，过量的铁也不会和生成的FeCl3生成FeCl2，铁和FeCl3生成FeCl2的反应需要在溶液中进行。2．有关铁的叙述中不正确的是（）A．铁能被磁铁吸引 B．人体的血红蛋白中含有铁元素C．在空气中能剧烈燃烧 D．铁能与水蒸气反应【答案】C【解析】A.铁能被磁铁吸引，A项说法正确；B.人体的血红蛋白中含有铁元素，B项说法正确C.铁在氧气中能剧烈燃烧，在空气中不燃烧。故C项错误；D.铁能与水蒸气在高温条件下反应生成四氧化三铁和氢气，故D说法正确；故答案为C。3．下列氯化物，不能用单质直接反应制得的是()A．CuCl2B．FeCl2C．NaClD．HCl【答案】B【解析】本题考查氯气的化学性质，氯气具有强氧化性，和铁化合生成物是氯化铁，B不正确，其余都是可以用单质直接反应制得的，答案为B。4．下列关于铁与水蒸气反应的叙述不正确的是()A．是氧化还原反应B．铁是还原剂C．需在高温条件下进行D．产物是氧化铁和氢气【答案】D【解析】据3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2可知反应产物为Fe3O4而非氧化铁，D项错误。5．已知钠、铁都能与水反应，下列叙述不正确的是()A．它们反应的难易程度不同B．它们反应的产物不完全相同C．都需在高温条件下进行D．反应类型都是置换反应【答案】C【解析】据2Na＋2H2O=2NaOH＋H2↑、3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2可知，两反应条件不同，难易程度不同，产物不完全相同，均为置换反应，所以C项错误。6．高炉炼铁的生产中，下列说法正确的是()A．焦炭和一氧化碳都是还原剂B．采用富氧空气可以得到纯铁C．加石灰石的目的主要是为了得到CO2D．用于冶炼生铁的矿石主要有磁铁矿、赤铁矿和黄铁矿【答案】A【解析】高炉炼铁的生产中，焦炭燃烧生成二氧化碳，二氧化碳再和焦炭反应生成一氧化碳，一氧化碳还原铁的氧化物，在反应中焦炭和一氧化碳是还原剂，A正确；采用富氧空气是为了焦炭能充分燃烧，B不正确；加石灰石的目的主要是为了造渣，C不正确；黄铁矿中铁的含量低，一般不用于冶炼生铁，D不正确。7．下列有关金属及其化合物的说法正确的是()A．钠在空气中燃烧生成白色固体Na2O2B．过量铁粉在氯气中燃烧，可以生成FeCl2C．铁在高温下与水蒸气反应生成Fe3O4和H2D．铁在潮湿的空气中不发生任何反应【答案】C【解析】钠在空气中燃烧的产物是过氧化钠，过氧化钠是淡黄色固体，故A错误；氯气的氧化性较强，无论铁粉是否过量，在氯气中燃烧均生成FeCl3，故B错误；铁在高温下与水蒸气反应生成Fe3O4和H2，故C正确；铁在潮湿空气中会生锈形成Fe2O3，故D错误。8．如图所示，在玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热，并通入水蒸气。用试管收集产生的经干燥的气体，并靠近火焰点燃。(1)所观察到现象是__________________，有关反应的化学方程式是____________。(2)干燥管内可装入的试剂是______________，其作用是________________。干燥管还可用________(装置)代替。(3)玻璃管中石棉绒的作用是________________。实验开始时应先点燃________，实验结束时，应先熄灭________。【答案】(1)红热的铁与水蒸气反应，放出气体，这种气体点燃时，能燃烧且发出爆鸣声3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up15(高温))Fe3O4＋4H2(2)碱石灰(或无水CaCl2、硅胶等)吸收水蒸气，使收集的氢气易点燃U形管(3)铁粉的载体，增大铁粉与水蒸气的接触面积A处酒精灯B处酒精灯【解析】高温下，Fe与H2O(g)反应生成Fe3O4和H2。铁粉和Fe3O4均为黑色，因此实验过程中固体颜色无明显变化，但产物H2可用点燃的方法证明。石棉绒成分为硅酸盐，它耐高温且性质稳定，是铁粉的载体。能力练9．某化学兴趣小组利用如图装置进行“铁与水蒸气反应”的实验，并检验产物的性质，下列说法正确的是()A．实验时，应先点燃B处的酒精灯，再点燃A处的酒精灯B．B中发生反应的化学方程式是：2Fe+3H2O(g)Fe2O3+3H2↑C．B中生成1molH2时，E处有1molCuO被还原D．碱石灰的作用是吸收水蒸气【答案】D【解析】A.实验时，应先点燃A处的酒精灯，再点燃B处的酒精灯，防止铁被氧气氧化，故A错误；B.B中发生反应的化学方程式是：3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2↑，故B错误；C.B中生成1molH2时，由于H2先排除装置内空气，再与CuO反应，因此E处有CuO被还原物质的量小于1mol，故C错误；D.碱石灰的作用是吸收水蒸气，干燥H2，故D正确。综上所述，答案为D。10．下列物质反应后一定有＋3价铁生成的是（）①过量的Fe与Cl2反应②Fe与过量稀硫酸反应③FeCl2溶液中通入少量Cl2④Fe和Fe2O3的混合物溶于盐酸中A．只有① B．只有①③ C．只有①②③ D．全部【答案】B【解析】①Fe与Cl2反应，Cl2是强氧化剂，发生反应2Fe+3Cl2=2FeCl3，①满足题意；②稀硫酸不是强氧化性酸，不论稀硫酸是否过量与Fe反应生成的都是硫酸亚铁，②不满足题意；③FeCl2溶液中通入少量Cl2，氯气是强氧化剂，可以把氯化亚铁氧化为+3价铁，③满足题意；④Fe和Fe2O3的混合物溶于盐酸中，Fe2O3溶于盐酸生成氯化铁，如果铁足量，可发生Fe+2FeCl3=3FeCl2，所以不一定生成+3价铁，④不满足题意；反应后一定有＋3价铁生成的是①③，答案选B。11．下列既能由金属和氯气直接制取，又能由金属和盐酸直接制取的是A．FeCl2 B．AlCl3 C．FeCl3 D．CuCl2【答案】B【解析】A．Fe和Cl2加热条件下反应生成FeCl3，故FeCl2不能由金属和氯气直接反应得到，故A不符合题意；B．Al和Cl2加热条件下反应生成AlCl3，Al和盐酸反应生成AlCl3和H2，故B符合题意；C．Fe和Cl2加热条件下反应生成FeCl3，Fe和盐酸反应生成FeCl2和H2，故C不符合题意；D．Cu和Cl2加热条件下反应生成CuCl2，但Cu与盐酸不反应，故D不符合题意；答案选B。12．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【答案】A【解析】根据反应后铁元素的价态，可知S的氧化性最弱，A项正确；反应产物中铁元素的价态不同，等量的铁分别与Cl2、O2、S反应，转移的电子数不相等，B项错误；Fe3O4和FeS中含有＋2价的铁元素，也具有一定的还原性，C项错误；Fe3O4和FeS难溶于水，D项错误。13．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，避免冷凝水与灼热铁粉接触C．肥皂水改为吹泡泡水，收集H2效果更好，点燃效果更明显D．悬挂的磁铁仅能吸引反应铁粉，不能吸引反应产物【答案】D【解析】A．原装置加热试管提供水蒸气，Fe与水蒸气高温下反应生成氢气，则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，故A正确；B．Fe与冷水不反应，则具支试管可将试管口附近冷凝的水导出，避免冷凝水与灼热铁粉接触，故B正确；C．肥皂水改为吹泡泡水，更易产生泡沫，现象明显，收集H2效果更好，点燃效果更明显，故C正确；D．铁、四氧化三铁均可被磁铁吸引，则悬挂的磁体不仅能吸引铁粉，也能吸引反应产物四氧化三铁，故D错误；故选D。14．下列氯化物既可以由氯气与金属反应制得，又可以由金属与盐酸反应制得的是A．AlCl3 B．FeCl2 C．FeCl3 D．CuCl2【答案】A【解析】A.单质铝与氯气或盐酸反应均生成AlCl3，A正确；B.铁与盐酸反应生成FeCl2，与氯气反应生成氯化铁，B错误；C.铁与盐酸反应生成FeCl2，与氯气反应生成氯化铁，C错误；D.铜与氯气反应生成CuCl2，铜与盐酸不反应，D错误；答案选A。15．等物质的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】设Fe的物质的量为1mol，则Fe＋2HCl=FeCl2＋H2↑1mol1mol3Fe＋4H2O(g)eq\o(=,\s\up15(△))Fe3O4＋4H21moleq\f(4,3)mol相同条件下体积之比等于物质的量之比，则两反应中生成H2体积之比为：1∶eq\f(4,3)＝3∶4，故选B。16．用一定量的铁与足量的稀硫酸及足量的CuO反应制取单质铜，有人设计了以下两种方案：①Feeq\o(→,\s\up15(H2SO4))H2eq\o(→,\s\up15(CuO))Cu，②CuOeq\o(→,\s\up15(H2SO4))CuSO4eq\o(→,\s\up15(Fe))Cu。若按实验原则进行操作，则两者制得单质铜的量为()A．一样多 B．①多C．②多 D．无法判断【答案】C【解析】气体还原金属氧化物时，需先排净空气，且还原得到的金属单质需在还原气氛中冷却。铁的量一定，转移的电子数一定。由于H2还原CuO的实验中开始需消耗H2排净装置中的空气，实验结束后，铜需在H2氛围中冷却，所以能够用于还原CuO的H2量减少，根据电子守恒原理可知，①制得铜较少。对于方案②来说，铁完全用于置换铜，所以②多。17．在常温下，Fe与水并不起反应，但在高温下，Fe与水蒸气可发生反应。应用下列装置，在硬质玻璃管中放入还原铁粉和石棉绒的混合物，加热，并通入水蒸气，就可以完成高温下“Fe与水蒸气的反应实验”。请回答该实验中的问题。（1）写出该反应的反应方程式：________________________________________，并指明该氧化还原反应的还原剂是_____________，氧化剂是____________。（2）实验前必须对整套装置进行气密性检查，操作方法是______________________。（3）圆底烧瓶中盛装的水，该装置受热后的主要作用是________________________，烧瓶底部放置了几片碎瓷片，碎瓷片的作是__________________________________。（4）酒精灯和酒精喷灯点燃的顺序是________________________________________。（5）干燥管中盛装是的物质是___________________，作用是___________________。【答案】3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2FeH2O在玻璃管口A处接一断乳胶管，乳胶管头上连一段玻璃管，并将管口没入水中，用酒精灯火焰微热烧瓶底部，如果能够观察到没入水中的玻璃管口有气体逸出，停止加热后，玻璃管内有水柱上升，且较长时间水柱不回落，则标明该套装置气密性良好为硬质玻璃管内Fe与水蒸气的反应实验提供持续不断的水蒸气防止爆沸事故的发生先点燃酒精灯，产生水蒸气后，再点燃酒精喷灯；防止先点燃酒精喷灯所导致的Fe与O2的反应碱石灰干燥剂除去反应产生的H2中的水蒸气【解析】【分析】铁与水蒸气在加热条件下发生氧化还原反应生成四氧化三铁和氢气，实验时先加热酒精灯，以提供水蒸气，且排除空气，防止铁与氧气反应，生成氢气可用碱石灰干燥，用点燃的方法检验氢气，注意防止不纯的气体爆炸，以此解答该题。【详解】(1)铁与水蒸气发生氧化还原反应：3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2，根据化合价升降来判断氧化剂和还原剂，因铁元素的化合价升高，则铁作还原剂，水中氢元素的化合价降低，水作氧化剂；(2)实验前必须对整套装置进行气密性检查，检查方法是在玻璃管口A处接一断乳胶管，乳胶管头上连一段玻璃管，并将管口没入水中，用酒精灯火焰微热烧瓶底部，如果能够观察到没入水中的玻璃管口有气体逸出，停止加热后，玻璃管内有水柱上升，且较长时间水柱不回落，则标明该套装置气密性良好；(3)因为反应物为水蒸气与铁，所以这里加热的目的就是提供水蒸气，烧瓶底部应事先放置碎瓷片，放碎瓷片的目的是防止暴沸；(4)空气中的氧气会和金属铁反应，为防止氧气干扰，应该先点燃酒精灯，产生水蒸气，并除去装置内空气，后再点燃酒精喷灯，可防止加热铁粉时与空气中氧气反应；(5)干燥管应只能盛装固体干燥剂，一般为碱石灰，用于干