2025版高一化學(xué)必修第一冊 第三章 第一節(jié) 第1課時 鐵單質(zhì)、鐵的氧化物、鐵的氫氧化物

第一節(jié)鐵及其化合物第1課時鐵單質(zhì)、鐵的氧化物、鐵的氫氧化物課標(biāo)定向目標(biāo)定位1.了解鐵、鐵的氧化物和氫氧化物的主要性質(zhì)及在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用,能用化學(xué)方程式、離子方程式正確表示相應(yīng)物質(zhì)的主要化學(xué)性質(zhì)。(宏觀辨識與微觀探析)2.能從物質(zhì)類別、元素價態(tài)的角度,依據(jù)復(fù)分解反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)原理,預(yù)測鐵、鐵的氧化物和氫氧化物的化學(xué)性質(zhì)和變化,設(shè)計實驗進行初步驗證,并能分析、解釋有關(guān)實驗現(xiàn)象。(證據(jù)推理與模型認(rèn)知)厘清重點學(xué)會從物質(zhì)類別和元素價態(tài)的視角認(rèn)識元素物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系,并建立認(rèn)知模型突破難點掌握Fe(OH)2制備的實驗設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)一:鐵的單質(zhì)、氧化物和氫氧化物【必備知識·導(dǎo)學(xué)】[引入]我國目前發(fā)現(xiàn)最早的人工冶鐵制品是河南三門峽出土的西周晚期的玉柄鐵劍,這說明西周晚期我國已掌握了冶鐵技術(shù)。鐵元素在自然界是怎樣存在?煉鐵的實質(zhì)是什么?鐵在生產(chǎn)生活中有哪些用途?一、鐵的單質(zhì)1.鐵元素的存在與冶煉(1)鐵在自然界中可以像隕鐵中的鐵那樣以單質(zhì)形態(tài)存在,但主要以+2價和+3價化合物的形態(tài)存在于礦石中。在地殼中鐵元素的含量僅次于氧、硅和鋁,居第四位。丹霞地貌的巖層因含F(xiàn)e2O3而呈紅色。(2)現(xiàn)代工業(yè)煉鐵的原理是用還原的方法把鐵從鐵礦石中提煉出來?；瘜W(xué)方程式為3CO+Fe2O32Fe+3CO2。2.物理性質(zhì)鐵有良好的延展性、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性,還能被磁鐵吸引,其熔、沸點很高。3.化學(xué)性質(zhì)(1)鐵與非金屬單質(zhì)、酸、鹽溶液的反應(yīng)①鐵與氯氣反應(yīng)的化學(xué)方程式:2Fe+3Cl22FeCl3;②加熱條件下,鐵與弱氧化性的S單質(zhì)反應(yīng)的化學(xué)方程式:Fe+SFeS;氧化性:Cl2>S,鐵與Cl2反應(yīng)被氧化為+3價,與S反應(yīng)被氧化為+2價。③鐵與鹽酸、稀硫酸反應(yīng)的離子方程式:Fe+2H+===Fe2++H2↑;④鐵與硫酸銅溶液、FeCl3溶液反應(yīng)的離子方程式:Fe+Cu2+===Fe2++Cu,Fe+2Fe3+===3Fe2+。(2)實驗探究鐵粉與水蒸氣的反應(yīng)實驗裝置操作現(xiàn)象用火柴點燃肥皂液,聽到爆鳴聲,證明生成了H2實驗結(jié)論在高溫下,鐵能與水蒸氣反應(yīng)生成H2,化學(xué)方程式為3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2注意事項:(1)試管口應(yīng)低于試管底;(2)濕棉花的作用是在受熱時提供反應(yīng)所需的水蒸氣;(3)先加熱濕棉花,讓水蒸氣充滿裝置,再加熱還原鐵粉;(4)實驗結(jié)束后,應(yīng)先從肥皂水中撤出導(dǎo)管,再移開燃著的酒精燈。[思考]鐵與水蒸氣可以反應(yīng),為什么在日常生活中可以用鐵壺?zé)?提示:鐵與冷水、熱水均不易反應(yīng),只有在高溫下才能與水蒸氣反應(yīng),所以可以用鐵壺?zé)?。二、鐵的氧化物1.常見鐵的氧化物氧化物氧化亞鐵氧化鐵(鐵紅)四氧化三鐵化學(xué)式FeOFe2O3Fe3O4顏色狀態(tài)黑色粉末紅棕色粉末黑色晶體鐵的價態(tài)+2+3+2、+3溶解性都不溶于水,但都能溶于酸溶液2.化學(xué)性質(zhì)(1)都與鹽酸反應(yīng)(離子方程式)FeO+2H+===Fe2++H2O;Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O;Fe3O4+8H+===Fe2++2Fe3++4H2O。[思考]從氧化物的分類看,Fe3O4屬于堿性氧化物嗎?提示:Fe3O4與非氧化性酸反應(yīng),生成鐵鹽和亞鐵鹽,故Fe3O4不屬于堿性氧化物,而FeO、Fe2O3屬于堿性氧化物。(2)都能被CO、H2等還原為鐵單質(zhì)。FexOy+yCOxFe+yCO2(3)FeO不穩(wěn)定,在空氣中加熱可生成Fe3O4?；瘜W(xué)方程式為6FeO+O22Fe3O4。3.用途:Fe2O3常用作紅色油漆與涂料,赤鐵礦(主要成分是Fe2O3)是煉鐵的原料。三、鐵的氫氧化物1.鐵的氫氧化物的制備實驗室制備氫氧化鐵和氫氧化亞鐵如圖所示:(1)圖甲實驗中觀察到的現(xiàn)象是有紅褐色沉淀生成,反應(yīng)的離子方程式是Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓。(2)圖乙實驗中先觀察到有白色沉淀生成,在空氣中迅速變成灰綠色,最后變成紅褐色,有關(guān)反應(yīng)的方程式是FeSO4+2NaOH===Fe(OH)2↓(白色)+Na2SO4;4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3。[思考]為了較長時間看到白色沉淀,用于制備Fe(OH)2的氫氧化鈉溶液應(yīng)該事先進行怎樣的操作?為什么?提示:煮沸。Fe(OH)2容易被氧氣氧化,故用于制備Fe(OH)2的氫氧化鈉溶液應(yīng)加熱煮沸趕走溶液中的溶解氧。2.Fe(OH)2和Fe(OH)3性質(zhì)的比較化學(xué)式Fe(OH)2Fe(OH)3物質(zhì)類別二元弱堿三元弱堿顏色、狀態(tài)白色固體紅褐色固體溶解性不溶于水不溶于水與非氧化性強酸反應(yīng)Fe(OH)2+2H+===__Fe2++2H2OFe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O穩(wěn)定性Fe(OH)2FeO+H2O(隔絕空氣)2Fe(OH)3__Fe2O3+3H2O【判對錯·通教材】判斷下列說法是否正確,正確的打“√”,錯誤的打“×”(1)在自然界中鐵元素均以化合態(tài)形式存在。 (×)提示:在自然界中隕鐵以單質(zhì)形態(tài)存在。(2)Fe在少量Cl2中燃燒生成FeCl2,在足量Cl2中燃燒生成FeCl3。 (×)提示:Cl2氧化性強,與Fe反應(yīng)不論少量還是過量,均生成FeCl3。(3)Fe3O4中鐵的化合價有+2和+3價,是一種混合物。 (×)提示:Fe3O4為純凈物。(4)Fe(OH)3不能利用化合反應(yīng)生成。 (×)提示:可由反應(yīng)4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3生成。(5)由于Fe(OH)2易被氧化,所以在制備時要隔絕空氣。 (√)提示:Fe(OH)2易被空氣中氧氣氧化,所以制備時必須隔絕空氣?！竞诵囊c·歸納】1.Fe只具有還原性,可以被氧化劑氧化為Fe2+、Fe3+2.鐵單質(zhì)化學(xué)性質(zhì)易錯點(1)Fe與冷水、熱水不反應(yīng),Fe與H2O(g)高溫下反應(yīng)的產(chǎn)物是Fe3O4,而不是Fe2O3。(2)鐵在潮濕的空氣中生成鐵銹的主要成分是Fe2O3,而鐵在純氧中燃燒的產(chǎn)物是Fe3O4。(3)Fe與Cl2反應(yīng)不論用量多少都生成FeCl3,而Fe與鹽酸反應(yīng)生成FeCl2。3.鐵的氧化物都是不溶于水的化合物,其中FeO在空氣中加熱能迅速轉(zhuǎn)化為具有磁性的化合物Fe3O4;FeO、Fe2O3都是堿性氧化物;FeO、Fe2O3、Fe3O4都能與酸反應(yīng),也都能與H2、CO等反應(yīng)(表現(xiàn)其氧化性),如工業(yè)上利用Fe2O3、Fe3O4與CO反應(yīng)制備重要的金屬材料鐵?！緦W(xué)力診斷·測評】1.下列有關(guān)鐵的化合物的說法不正確的是()A.Fe(OH)2不穩(wěn)定,具有較強的氧化性B.FeO、Fe2O3均為堿性氧化物,均可與鹽酸反應(yīng)C.Fe(OH)3可通過化合反應(yīng)得到,Fe(OH)2則不能D.Fe3O4為磁性氧化鐵,其中鐵元素的化合價為+2和+3【解析】選A。Fe(OH)2中的Fe2+具有還原性,可被空氣中的O2氧化為Fe(OH)3,A錯誤;FeO、Fe2O3均為堿性氧化物,故具有堿性氧化物的通性,都能與鹽酸反應(yīng),B正確;Fe(OH)2只能通過復(fù)分解反應(yīng)得到,Fe(OH)3可由Fe(OH)2與O2、H2O發(fā)生化合反應(yīng)得到,C正確;Fe3O4俗稱磁性氧化鐵,其組成可表示為FeO·Fe2O3,Fe元素的化合價為+2、+3,D正確。2.鐵屑溶于過量稀硫酸,過濾后向濾液中加入過量氨水,有白色沉淀生成,過濾,在空氣中加熱沉淀至質(zhì)量不再發(fā)生變化為止,得到紅棕色殘渣。上述沉淀和殘渣分別是()A.Fe(OH)3Fe2O3 B.Fe(OH)2Fe2O3C.Fe(OH)2Fe(OH)3 D.Fe(OH)2Fe3O4【解析】選B。鐵與稀硫酸反應(yīng)生成FeSO4,再與過量氨水反應(yīng)生成白色沉淀Fe(OH)2,在空氣中加熱Fe(OH)2,鐵元素被氧化為+3價,最后所得紅棕色殘渣為Fe2O3?！狙a償訓(xùn)練】1.下列反應(yīng)能通過置換反應(yīng)生成鐵的是()①Zn+FeCl2(溶液)②Na+FeSO4(溶液)③Fe2O3+CO(高溫) ④Fe3O4+H2(高溫)A.①③④ B.①②③C.①④ D.①②③④【解析】選C。①中Zn比Fe活潑,可以置換生成Fe;②中鈉先與水反應(yīng)生成NaOH,再與FeSO4發(fā)生復(fù)分解反應(yīng),并不能置換出鐵;③中該反應(yīng)雖然生成鐵,但不是置換反應(yīng);④可以發(fā)生置換反應(yīng)生成鐵。2.中科院化學(xué)所研制的晶體材料——納米四氧化三鐵,在醫(yī)藥上有廣泛用途。其生產(chǎn)過程的部分流程如下所示。FeCl3·6H2OFeOOH納米四氧化三鐵下列有關(guān)敘述不合理的是()A.納米四氧化三鐵具有磁性,可作為藥物載體用于治療疾病B.納米四氧化三鐵可分散在水中,它與FeCl3溶液的分散質(zhì)直徑大小相等C.反應(yīng)①不屬于氧化還原反應(yīng)D.反應(yīng)②的化學(xué)方程式是6FeOOH+CO===2Fe3O4+3H2O+CO2【解析】選B。納米四氧化三鐵為磁性納米晶體材料,可作為藥物載體用于疾病的治療,A正確;納米四氧化三鐵分散在適當(dāng)?shù)姆稚┲行纬傻姆稚⑾祵儆谀z體,不同于溶液中溶質(zhì)粒子的直徑,B錯誤;反應(yīng)①生成FeOOH,化合價未發(fā)生改變,所以不是氧化還原反應(yīng),C正確;由制備過程可知,反應(yīng)②的反應(yīng)物為FeOOH和CO,由一種生成物為Fe3O4和質(zhì)量守恒定律可知反應(yīng)為6FeOOH+CO===2Fe3O4+3H2O+CO2,D正確。3.某化學(xué)興趣小組利用如圖裝置進行“鐵與水反應(yīng)”的實驗,并檢驗產(chǎn)物的性質(zhì),請回答下列問題:(1)A裝置的作用是產(chǎn)生水蒸氣,

B中反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2。

【解析】(1)B中進行的反應(yīng)是3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2,故A為提供水蒸氣的裝置。(2)D的作用是吸收未反應(yīng)的水蒸氣。

【解析】(2)D的作用是除去未反應(yīng)的水蒸氣,干燥H2。(3)E中的現(xiàn)象是黑色固體變?yōu)榧t色,右端管壁有水珠生成。

【解析】(3)E中反應(yīng)為H2+CuOCu+H2O,故黑色粉末變紅,同時硬質(zhì)玻璃管右端會有水珠生成。(4)A、B兩個裝置中應(yīng)先點燃A處的酒精(噴)燈,點燃E處酒精燈之前應(yīng)進行的操作是收集H2,并檢驗其純度。

【解析】(4)若先點燃B處,B中的Fe會與空氣中O2反應(yīng),不純的氫氣加熱存在安全隱患,所以點燃E處酒精燈前要收集H2,檢驗純度。學(xué)習(xí)任務(wù)二:Fe(OH)2制備實驗的改進【必備知識·探究】[情境]在兩支試管里分別加入少量的FeCl3和新制FeSO4溶液,然后滴入NaOH溶液,觀察并記錄現(xiàn)象。項目FeCl3溶液新制FeSO4溶液實驗操作(1)兩試管中有什么現(xiàn)象?久置于空氣中又有什么現(xiàn)象?提示:甲中生成紅褐色沉淀,久置不變色;乙中生成白色沉淀,且沉淀迅速變成灰綠色,過一段時間后有紅褐色物質(zhì)生成。(2)在制備Fe(OH)2時,為什么要用新制的FeSO4溶液并將吸有NaOH溶液的膠頭滴管尖嘴插入液面以下?提示:用新制的FeSO4溶液為了防止Fe2+被氧化成Fe3+;滴管尖嘴插入液面以下是為了防止生成的Fe(OH)2與O2接觸而被氧化。(3)為了長時間觀察到生成的白色Fe(OH)2沉淀,實驗室制備Fe(OH)2裝置的改進如下:請分析改進后裝置①、②、③的優(yōu)點?提示:改進后裝置①的優(yōu)點:配制溶液的蒸餾水煮沸,除去溶解的氧氣,然后用苯液封,防止空氣溶解,裝有NaOH溶液的滴管插入液面下慢慢擠出溶液,這些操作均能防止Fe(OH)2與氧氣接觸,避免其被氧化,因此能較長時間觀察到白色沉淀。裝置②的優(yōu)點:鐵粉與稀硫酸反應(yīng)生成的氫氣排除了裝置內(nèi)的空氣,同時試管內(nèi)剩余的氫氣起到保護氣的作用,防止Fe(OH)2與氧氣接觸,避免其被氧化,因此能較長時間觀察到白色沉淀。裝置③的優(yōu)點:打開止水夾a,Fe與H2SO4反應(yīng)產(chǎn)生H2將裝置內(nèi)的空氣排出,再關(guān)閉止水夾a,產(chǎn)生的H2使試管A中氣壓大于外界氣壓,把試管A中的液體(FeSO4溶液)壓入試管B中,反應(yīng)得到Fe(OH)2白色沉淀,由于空氣已被排出且苯可以隔絕b處進入的空氣,故可以長時間觀察到Fe(OH)2沉淀?！竞诵囊c·歸納】1.制備Fe(OH)2的注意事項(1)Fe2+必須是新制的,并放入鐵粉,以防Fe2+被氧化成Fe3+;(2)除去溶液中溶解的O2,其方法是加熱煮沸NaOH溶液;(3)滴管末端插入試管內(nèi)的液面以下;(4)必要時可在液面上加植物油或苯進行液封。2.Fe(OH)2的制備方法(1)有機層覆蓋法將吸有NaOH溶液的膠頭滴管插到液面以下,并在液面上覆蓋一層苯或煤油(不能用CCl4,密度大于水),以防止空氣與Fe(OH)2接觸發(fā)生反應(yīng),如圖1所示。(2)還原性氣體保護法用H2將裝置內(nèi)的空氣排盡后,再將亞鐵鹽溶液與NaOH溶液混合,這樣可長時間觀察到白色沉淀,如圖2所示?！緦W(xué)力診斷·測評】(2024·宿州高一檢測)在實驗室里用以下方法制備并較長時間保存Fe(OH)2,能成功的是()【解析】選C。NaOH溶液滴入FeSO4溶液中,二者在FeSO4液面處生成Fe(OH)2,迅速被O2氧化,不能較長時間保存Fe(OH)2,A錯誤;NaOH溶液與FeCl3溶液反應(yīng)生成紅褐色沉淀Fe(OH)3,不能制取Fe(OH)2,B錯誤;先滴加稀硫酸,鐵粉與稀硫酸反應(yīng)生成H2,利用產(chǎn)生的H2排出裝置內(nèi)的空氣,再滴加NaOH溶液,反應(yīng)生成白色沉淀Fe(OH)2,植物油液封,可較長時間保存Fe(OH)2,C正確;NaOH溶液通過長膠頭滴管滴入FeSO4溶液中,在液體內(nèi)部生成Fe(OH)2,未隔絕空氣,不能較長時間保存Fe(OH)2,D錯誤。學(xué)情檢測·素養(yǎng)達標(biāo)1.《神農(nóng)本草經(jīng)》記載:“磁石,味辛寒,主周痹風(fēng)濕,肢節(jié)中痛,不可持物,洗洗酸消,除大熱煩滿及耳聾。”下列說法錯誤的是()A.磁石的主要成分是Fe3O4B.磁石不能被磁鐵吸引C.磁石不溶于水D.磁石可作藥材使用【解析】選B。磁石的主要成分是Fe3O4,A正確;磁石具有磁性,能被磁鐵吸引,B錯誤;Fe3O4難溶于水,C正確;根據(jù)題意知磁石可作藥材,D正確。2.鐵在一定條件下與Cl2、O2、S反應(yīng)的產(chǎn)物分別為FeCl3、Fe3O4、FeS,下列有關(guān)說法正確的是()A.三種非金屬單質(zhì)中,S的氧化性最弱B.等質(zhì)量的鐵分別與Cl2、O2、S反應(yīng),轉(zhuǎn)移的電子數(shù)相等C.反應(yīng)生成的三種產(chǎn)物都只具有氧化性D.反應(yīng)生成的三種產(chǎn)物都是易溶于水的固體【解析】選A。根據(jù)反應(yīng)后鐵元素的價態(tài),可知S的氧化性最弱,A正確;反應(yīng)產(chǎn)物中鐵元素的價態(tài)不同,等質(zhì)量的鐵分別與Cl2、O2、S反應(yīng),轉(zhuǎn)移的電子數(shù)不相等,B錯誤;Fe3O4和FeS中含有+2價的鐵元素,也具有一定的還原性,C錯誤;Fe3O4和FeS難溶于水,D錯誤。3.“價類二維圖”是學(xué)習(xí)元素化合物知識的高效模型。如圖為鐵元素的“價類二維圖”,圖中字母代表含鐵元素的物質(zhì)。下列判斷錯誤的是()A.赤鐵礦的主要成分為ZB.M、Q、P都可以通過化合反應(yīng)制得C.Y不穩(wěn)定,在空氣中加熱迅速被氧化為ZD.向Q溶液中滴加NaOH溶液,存在Q→N→M的轉(zhuǎn)化【解析】選C。Z為+3價鐵元素的氧化物Fe2O3,赤鐵礦的主要成分是Fe2O3,A正確;M為+3價鐵元素的堿Fe(OH)3,可以通過化合反應(yīng)4Fe(OH)2+O2+2H2O===4Fe(OH)3制得,Q為+2價鐵元素的鹽如FeCl2,可以通過化合反應(yīng)2FeCl3+Fe===3FeCl2制得,P為+3價鐵元素的鹽如FeCl3,可以通過化合反應(yīng)2Fe+3Cl22FeCl3制得,B正確;Y為+2價鐵元素的氧化物FeO,FeO在空氣中受熱,迅速被氧化成Fe3O4,C錯誤;Q為+2價鐵元素的鹽如FeCl2,滴加NaOH溶液,生成Fe(OH)2,其與空氣中氧氣反應(yīng),生成Fe(OH)3,D正確。4.A、B、C是中學(xué)化學(xué)中常見的單質(zhì),A是金屬單質(zhì),B、C是氣體單質(zhì)。甲、乙兩化合物在常溫下分別為黑色晶體和無色液體。這些化合物和單質(zhì)之間的關(guān)系如圖所示,據(jù)此判斷:(1)若金屬元素A有可變化合價,則A的化學(xué)式為Fe,甲的化學(xué)式為Fe3O4。

(2)寫出A+乙甲+C反應(yīng)的化學(xué)方程式:3Fe+4H2O(g)Fe3O4+4H2。

【解析】金屬元素A有可變化合價,一般為鐵,有+2價和+3價,可以作為本題的突破口。金屬A與氣體單質(zhì)B點燃可化合生成甲,可推知B為氧氣。從而推出甲是Fe3