铁及其化合物知识复习与习题解析

铁及其化合物知识复习与习题解析铁及其化合物是高中化学元素化合物知识的核心内容之一，涉及氧化还原反应、物质转化、实验设计等多个考点。本文将从单质、氧化物、氢氧化物、盐类四个维度梳理核心知识，并结合典型习题解析，助力同学们系统掌握这部分内容。一、铁的单质：性质与反应规律铁（Fe）位于周期表第四周期第Ⅷ族，是一种典型的过渡金属，兼具金属的通性与变价特性（常见价态为+2、+3）。1.物理性质铁为银白色金属（粉末状为黑色），密度较大，熔点较高，具有良好的导电性、导热性和延展性，能被磁铁吸引（磁性）。2.化学性质：氧化性与还原性的体现铁的化学性质活泼，反应产物与反应物浓度、反应条件、氧化剂/还原剂的强弱密切相关。与非金属单质反应：与O₂：常温下缓慢氧化生成Fe₂O₃（铁锈的主要成分）；点燃时剧烈反应，生成黑色的$\ce{Fe_{3}O_{4}}$（$\ce{3Fe+2O_{2}\xlongequal{\text{点燃}}Fe_{3}O_{4}}$）。与Cl₂：Cl₂的强氧化性使Fe直接被氧化为+3价，生成棕黄色的$\ce{FeCl_{3}}$（$\ce{2Fe+3Cl_{2}\xlongequal{\text{点燃}}2FeCl_{3}}$）。与S：S的氧化性较弱，Fe被氧化为+2价，生成黑色的$\ce{FeS}$（$\ce{Fe+S\xlongequal{\Delta}FeS}$）。与酸反应：非氧化性酸（如稀$\ce{H_{2}SO_{4}}$、$\ce{HCl}$）：$\ce{Fe+2H^{+}=Fe^{2+}+H_{2}\uparrow}$（生成$\ce{Fe^{2+}}$和$\ce{H_{2}}$）。强氧化性酸：浓$\ce{H_{2}SO_{4}}$、浓$\ce{HNO_{3}}$：常温下铁表面形成钝化膜（致密氧化物层），阻止反应继续；加热时，Fe被氧化为+3价（如$\ce{Fe+6HNO_{3}(浓)\xlongequal{\Delta}Fe(NO_{3})_{3}+3NO_{2}\uparrow+3H_{2}O}$）。稀$\ce{HNO_{3}}$：产物与Fe的量有关。若Fe不足，生成$\ce{Fe(NO_{3})_{3}}$（$\ce{Fe+4HNO_{3}(稀)=Fe(NO_{3})_{3}+NO\uparrow+2H_{2}O}$）；若Fe过量，过量的Fe与$\ce{Fe^{3+}}$归中生成$\ce{Fe^{2+}}$（$\ce{Fe+2Fe^{3+}=3Fe^{2+}}$）。与水反应：高温下与水蒸气反应，生成$\ce{Fe_{3}O_{4}}$和$\ce{H_{2}}$（$\ce{3Fe+4H_{2}O(g)\xlongequal{\text{高温}}Fe_{3}O_{4}+4H_{2}}$）。与金属化合物溶液反应：置换反应：如$\ce{Fe+CuSO_{4}=FeSO_{4}+Cu}$（置换出不活泼金属）。归中反应：与$\ce{Fe^{3+}}$反应，$\ce{Fe+2Fe^{3+}=3Fe^{2+}}$（体现$\ce{Fe^{3+}}$的氧化性、Fe的还原性）。二、铁的氧化物：结构、性质与用途铁的氧化物有$\ce{FeO}$（氧化亚铁）、$\ce{Fe_{2}O_{3}}$（氧化铁）、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$（四氧化三铁），三者的性质可通过价态、晶体结构、反应类型对比理解。1.结构与外观$\ce{FeO}$：黑色粉末，Fe为+2价，不稳定（易被氧化）。$\ce{Fe_{2}O_{3}}$：红棕色粉末（俗称“铁红”），Fe为+3价，是铁锈的主要成分。$\ce{Fe_{3}O_{4}}$：黑色晶体（俗称“磁性氧化铁”），可看作$\ce{FeO·Fe_{2}O_{3}}$（或$\ce{Fe^{2+}(Fe^{3+})_{2}O_{4}}$），兼具+2、+3价Fe。2.化学性质与酸反应：非氧化性酸（如$\ce{HCl}$）：$\ce{FeO+2H^{+}=Fe^{2+}+H_{2}O}$；$\ce{Fe_{2}O_{3}+6H^{+}=2Fe^{3+}+3H_{2}O}$；$\ce{Fe_{3}O_{4}+8H^{+}=Fe^{2+}+2Fe^{3+}+4H_{2}O}$（生成$\ce{Fe^{2+}}$和$\ce{Fe^{3+}}$）。强氧化性酸（如$\ce{HNO_{3}}$）：$\ce{FeO}$、$\ce{Fe_{3}O_{4}}$中的$\ce{Fe^{2+}}$会被氧化为$\ce{Fe^{3+}}$（如$\ce{3FeO+10HNO_{3}(稀)=3Fe(NO_{3})_{3}+NO\uparrow+5H_{2}O}$）。氧化性（高温还原）：三者均可被$\ce{CO}$、$\ce{H_{2}}$、$\ce{Al}$等还原剂还原为Fe（如炼铁原理$\ce{Fe_{2}O_{3}+3CO\xlongequal{\text{高温}}2Fe+3CO_{2}}$）。3.用途$\ce{Fe_{2}O_{3}}$：作红色颜料（油漆、涂料）、炼铁原料。$\ce{Fe_{3}O_{4}}$：作磁性材料（如磁带、磁流体）。三、铁的氢氧化物：制备与转化铁的氢氧化物有$\ce{Fe(OH)_{2}}$（氢氧化亚铁）和$\ce{Fe(OH)_{3}}$（氢氧化铁），二者的稳定性、还原性差异显著。1.制备：关键在于“隔绝空气”$\ce{Fe(OH)_{2}}$：可溶性亚铁盐（如$\ce{FeSO_{4}}$）与强碱（如$\ce{NaOH}$）反应，但需隔绝O₂（因$\ce{Fe(OH)_{2}}$易被氧化）。操作示例：用煮沸过的蒸馏水（除O₂）配制$\ce{FeSO_{4}}$溶液，液面加植物油（隔绝空气），将吸有$\ce{NaOH}$溶液的胶头滴管尖端插入$\ce{FeSO_{4}}$液面下，挤出$\ce{NaOH}$，可观察到白色沉淀（$\ce{Fe^{2+}+2OH^{-}=Fe(OH)_{2}\downarrow}$），随后沉淀迅速变为灰绿色，最终变为红褐色（$\ce{4Fe(OH)_{2}+O_{2}+2H_{2}O=4Fe(OH)_{3}}$）。$\ce{Fe(OH)_{3}}$：可溶性铁盐（如$\ce{FeCl_{3}}$）与强碱反应，生成红褐色沉淀（$\ce{Fe^{3+}+3OH^{-}=Fe(OH)_{3}\downarrow}$）。2.化学性质热稳定性：$\ce{Fe(OH)_{3}}$受热易分解（$\ce{2Fe(OH)_{3}\xlongequal{\Delta}Fe_{2}O_{3}+3H_{2}O}$）；$\ce{Fe(OH)_{2}}$在空气中易被氧化，加热时先氧化为$\ce{Fe(OH)_{3}}$，再分解。与酸反应：二者均为碱，与酸中和生成盐和水（如$\ce{Fe(OH)_{2}+2H^{+}=Fe^{2+}+2H_{2}O}$；$\ce{Fe(OH)_{3}+3H^{+}=Fe^{3+}+3H_{2}O}$）。四、铁盐与亚铁盐：离子性质与转化$\ce{Fe^{2+}}$（亚铁离子，浅绿色）和$\ce{Fe^{3+}}$（铁离子，黄色）的性质差异（还原性/氧化性）、检验方法、相互转化是核心考点。1.离子检验$\ce{Fe^{2+}}$：①KSCN+氧化剂：先加KSCN溶液，无明显现象；再加氯水（或$\ce{H_{2}O_{2}}$），溶液变血红色（$\ce{2Fe^{2+}+Cl_{2}=2Fe^{3+}+2Cl^{-}}$；$\ce{Fe^{3+}+3SCN^{-}\rightleftharpoonsFe(SCN)_{3}}$）。②NaOH溶液：生成白色沉淀，迅速变为灰绿色，最终为红褐色（$\ce{Fe^{2+}+2OH^{-}=Fe(OH)_{2}\downarrow}$；$\ce{4Fe(OH)_{2}+O_{2}+2H_{2}O=4Fe(OH)_{3}}$）。$\ce{Fe^{3+}}$：①KSCN溶液：直接变血红色（$\ce{Fe^{3+}+3SCN^{-}\rightleftharpoonsFe(SCN)_{3}}$）。②NaOH溶液：生成红褐色沉淀（$\ce{Fe^{3+}+3OH^{-}=Fe(OH)_{3}\downarrow}$）。2.相互转化：氧化还原驱动的价态变化$\ce{Fe^{2+}\toFe^{3+}}$（被氧化，需强氧化剂）：常见氧化剂：$\ce{Cl_{2}}$（$\ce{2Fe^{2+}+Cl_{2}=2Fe^{3+}+2Cl^{-}}$）、$\ce{H_{2}O_{2}}$（酸性条件：$\ce{2Fe^{2+}+H_{2}O_{2}+2H^{+}=2Fe^{3+}+2H_{2}O}$）、$\ce{HNO_{3}}$等。$\ce{Fe^{3+}\toFe^{2+}}$（被还原，需还原剂）：常见还原剂：$\ce{Fe}$（$\ce{2Fe^{3+}+Fe=3Fe^{2+}}$）、$\ce{Cu}$（$\ce{2Fe^{3+}+Cu=2Fe^{2+}+Cu^{2+}}$）、$\ce{I^{-}}$（$\ce{2Fe^{3+}+2I^{-}=2Fe^{2+}+I_{2}}$）等。3.盐的水解$\ce{Fe^{3+}}$（或$\ce{Fe^{2+}}$）在水溶液中易水解，使溶液显酸性（$\ce{Fe^{3+}+3H_{2}O\rightleftharpoonsFe(OH)_{3}+3H^{+}}$）。加热、加酸（如$\ce{HCl}$）可抑制水解；加碱、弱酸根（如$\ce{CO^{2-}_{3}}$）会促进水解（如$\ce{2Fe^{3+}+3CO^{2-}_{3}+3H_{2}O=2Fe(OH)_{3}\downarrow+3CO_{2}\uparrow}$，双水解反应）。五、典型习题解析：从考点到思路例1：价态判断与反应产物分析下列物质反应后，最终一定有+3价铁生成的是（）①过量Fe与Cl₂反应；②Fe与过量稀H₂SO₄反应后，再加H₂O₂；③Fe(NO₃)₂溶液中加少量盐酸；④Fe和Fe₂O₃的混合物溶于盐酸中A.①②③B.①②C.①②④D.②③解析：①$\ce{Cl_{2}}$为强氧化剂，无论Fe是否过量，均生成$\ce{FeCl_{3}}$（$\ce{Fe}$被氧化为+3价）。②Fe与稀$\ce{H_{2}SO_{4}}$生成$\ce{Fe^{2+}}$，$\ce{H_{2}O_{2}}$（酸性条件）将$\ce{Fe^{2+}}$氧化为$\ce{Fe^{3+}}$。③$\ce{NO^{-}_{3}}$在酸性条件下（$\ce{H^{+}+NO^{-}_{3}}$）具有强氧化性，将$\ce{Fe^{2+}}$氧化为$\ce{Fe^{3+}}$。④若Fe过量，溶于盐酸后生成的$\ce{Fe^{3+}}$会与Fe归中为$\ce{Fe^{2+}}$，不一定含+3价铁。综上，①②③符合，答案为$\boldsymbol{A}$。例2：实验设计：制备$\ce{Fe(OH)_{2}}$并长期观察设计实验，制备$\ce{Fe(OH)_{2}}$并较长时间观察其白色沉淀的颜色。解析：核心是隔绝空气，防止$\ce{Fe(OH)_{2}}$被氧化。步骤如下：1.配制溶液：用煮沸过的蒸馏水（除去溶解的$\ce{O_{2}}$）配制$\ce{FeSO_{4}}$溶液（抑制$\ce{Fe^{2+}}$水解，可加少量稀$\ce{H_{2}SO_{4}}$）。2.隔绝空气：在$\ce{FeSO_{4}}$溶液表面滴加一层植物油（或苯），隔绝空气。3.制备沉淀：将吸有$\ce{NaOH}$溶液的胶头滴管尖端插入$\ce{FeSO_{4}}$溶液液面下，缓慢挤出$\ce{NaOH}$溶液，即可观察到白色沉淀（$\ce{Fe(OH)_{2}}$），且因隔绝空气，沉淀可保持白色较长时间。例3：氧化还原与物质共存分析向$\ce{FeCl_{3}}$溶液中加入一定量的铁粉和铜粉，充分反应后，下列情况可能的是（）A.溶液中有$\ce{Fe^{3+}}$、$\ce{Fe^{2+}}$、$\ce{Cu^{2+}}$，不溶物为$\ce{Cu}$B.溶液中有$\ce{Fe^{2+}}$、$\ce{Cu^{2+}}$，不溶物为$\ce{Fe}$C.溶液中有$\ce{Fe^{2+}}$、$\ce{Cu^{2+}}$，不溶物为$\ce{Fe}$、$\ce{Cu}$D.溶液中有$\ce{Fe^{3+}}$、$\ce{Fe^{2+}}$，不溶物为$\ce{Fe}$、$\ce{Cu}$解析：Fe的还原