高考化学一轮复习第3章金属及其化合物第3节铁及其化合物学案

引言：铁——古老而重要的金属铁，这个在人类文明史上扮演了至关重要角色的金属，从远古的铁器时代到现代工业的支柱，其身影无处不在。在化学的世界里，铁及其化合物同样占据着举足轻重的地位，是高考化学考查的重点内容之一。本节我们将系统梳理铁及其化合物的性质、转化与应用，为同学们构建清晰的知识网络，助力高考复习。一、铁的原子结构与在周期表中的位置铁元素位于元素周期表第四周期第Ⅷ族，原子序数为26。其核外电子排布式为[Ar]3d⁶4s²。最外层2个电子，次外层d轨道有6个电子，这使得铁在化学反应中容易失去最外层电子，也能进一步失去部分次外层d电子，从而表现出+2价和+3价两种主要化合价，其中+3价更为稳定。这种结构特点是理解铁及其化合物化学性质的基础。二、铁单质的性质1.物理性质纯净的铁是一种银白色金属，具有金属光泽，质地较软，有良好的延展性和导电导热性。它的密度较大，熔点较高。铁能被磁铁吸引，这一特性在生活和工业中有着广泛应用。2.化学性质铁的化学性质比较活泼，在一定条件下能与多种物质发生反应。（1）与非金属单质反应：铁与氧气的反应因条件不同而产物各异。在空气中缓慢氧化生成疏松的铁锈（主要成分为Fe₂O₃·xH₂O）；在纯氧中点燃则剧烈燃烧，火星四射，生成黑色的四氧化三铁（Fe₃O₄）。铁与氯气在加热条件下反应，生成棕褐色的氯化铁（FeCl₃），体现了氯气的强氧化性。铁与硫在加热时反应生成硫化亚铁（FeS），这里硫的氧化性相对较弱。（2）与水反应：在常温下，铁与水不反应。但在高温下，红热的铁能与水蒸气发生反应，生成四氧化三铁和氢气。（3）与酸反应：铁与非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸）反应，生成亚铁盐和氢气。铁与氧化性酸（如硝酸、浓硫酸）反应时，情况较为复杂，产物与酸的浓度、温度以及铁的用量有关。通常，过量的铁与稀硝酸反应生成硝酸亚铁，而硝酸过量时则生成硝酸铁。铁在冷的浓硫酸或浓硝酸中会发生钝化，表面形成一层致密的氧化膜，阻止反应进一步进行。（4）与某些盐溶液反应：铁能与比它活动性弱的金属盐溶液发生置换反应，例如与硫酸铜溶液反应生成铜和硫酸亚铁（“湿法炼铜”的原理）。此外，铁还能与铁盐溶液反应，生成亚铁盐。三、铁的重要化合物1.铁的氧化物铁的常见氧化物有氧化亚铁（FeO）、氧化铁（Fe₂O₃）和四氧化三铁（Fe₃O₄）。FeO是一种黑色粉末，不稳定，在空气中加热易被氧化为Fe₃O₄。它能与酸反应生成亚铁盐。Fe₂O₃，俗称铁红，是一种红棕色粉末，常用作红色颜料和炼铁原料。它与酸反应生成铁盐。Fe₃O₄，俗称磁性氧化铁，是一种具有磁性的黑色晶体，可以看作是FeO·Fe₂O₃，其中铁元素既有+2价也有+3价。它能与酸反应生成亚铁盐和铁盐的混合物。2.铁的氢氧化物铁的氢氧化物主要有氢氧化亚铁[Fe(OH)₂]和氢氧化铁[Fe(OH)₃]。Fe(OH)₂是一种白色絮状沉淀，极不稳定，易被空气中的氧气氧化。在制备Fe(OH)₂时，需要创造无氧环境以观察到其白色。它与酸反应生成亚铁盐。Fe(OH)₃是一种红褐色沉淀，相对稳定，受热易分解生成Fe₂O₃和水。它与酸反应生成铁盐。3.铁盐与亚铁盐（1）亚铁盐（Fe²⁺）：溶液通常呈浅绿色。Fe²⁺具有较强的还原性，易被空气中的氧气、Cl₂、H₂O₂、KMnO₄（H⁺）等氧化剂氧化为Fe³⁺。例如，氯化亚铁溶液在空气中放置会逐渐变为黄色。Fe²⁺能与碱溶液反应生成Fe(OH)₂沉淀。（2）铁盐（Fe³⁺）：溶液通常呈棕黄色。Fe³⁺具有较强的氧化性，能氧化Fe、Cu、I⁻等还原性物质。例如，FeCl₃溶液能溶解铜，这一反应在印刷电路板的制作中有所应用。Fe³⁺能与碱溶液反应生成Fe(OH)₃沉淀。Fe³⁺还能与SCN⁻离子发生特征性的显色反应，溶液变为血红色，这是检验Fe³⁺的常用方法。四、Fe²⁺与Fe³⁺的相互转化Fe²⁺和Fe³⁺之间的转化是铁及其化合物知识的核心，也是高考的高频考点。Fe²⁺→Fe³⁺：需要加入氧化剂，如O₂、Cl₂、Br₂、H₂O₂、HNO₃、KMnO₄（H⁺）等。例如：2Fe²⁺+Cl₂=2Fe³⁺+2Cl⁻Fe³⁺→Fe²⁺：需要加入还原剂，如Fe、Cu、I⁻、S²⁻、SO₂等。例如：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺理解并掌握这些转化关系，对于解决相关的推断题、实验题和计算题至关重要。五、铁及其化合物的检验1.Fe³⁺的检验：方法一：加入KSCN溶液，溶液立即变为血红色。方法二：加入NaOH溶液，产生红褐色沉淀。2.Fe²⁺的检验：方法一：先加入KSCN溶液，无明显现象，再加入氯水（或H₂O₂等氧化剂），溶液变为血红色。方法二：加入NaOH溶液，先产生白色絮状沉淀，迅速变为灰绿色，最终变为红褐色。六、铁及其化合物的重要应用铁是人体必需的微量元素，是血红蛋白的重要组成部分，参与氧气的运输。铁的合金（如钢、生铁）是现代工业的基础材料。Fe₂O₃可用作红色颜料、炼铁原料。FeCl₃溶液可用于刻蚀铜电路板、净水（水解生成Fe(OH)₃胶体吸附杂质）等。FeSO₄可用于补铁剂、净水剂等。七、典型例题分析例题1：下列关于铁及其化合物的说法正确的是（）A.铁在空气中燃烧生成Fe₂O₃B.Fe³⁺遇KSCN溶液显红色，Fe²⁺遇KSCN溶液不显红色C.Fe(OH)₂在空气中放置最终变为FeOD.FeO和Fe₂O₃均为碱性氧化物，都能与水反应生成相应的碱解析：A项，铁在空气中燃烧生成的是Fe₃O₄，A错误；B项，Fe³⁺与SCN⁻形成血红色络合物，Fe²⁺不与SCN⁻发生显色反应，B正确；C项，Fe(OH)₂在空气中放置最终被氧化为Fe(OH)₃，C错误；D项，FeO和Fe₂O₃都是碱性氧化物，但它们都不与水直接反应，D错误。故答案为B。例题2：如何鉴别某溶液中含有Fe²⁺而不含Fe³⁺？简述实验步骤和现象。解析：取少量待测溶液于试管中，先滴加几滴KSCN溶液，若溶液不变红色，证明无Fe³⁺。再向溶液中滴加适量新制氯水（或H₂O₂溶液），若溶液变为红色，则证明原溶液中含有Fe²⁺。八、课后巩固与思考1.梳理铁及其化合物的转化关系图，并写出关键反应的化学方程式或离子方程式。2.思考如何设计实验制备纯净的Fe(OH)₂，并分析实验成功的关键因素。3.某溶液中可能含有Fe²⁺、Fe³⁺、Cu²⁺，如何通过实