高中化学必修第一册第三章铁金属材料知识清单

高中化学必修第一册第三章铁金属材料知识清单一、铁的单质及其性质【核心素养引导】【基础必会】（一）铁元素的存在与铁的原子结构1、铁在自然界中的存在形态：地球上的铁元素主要以化合态形式存在于铁矿石中，如赤铁矿（主要成分Fe₂O₃）、磁铁矿（主要成分Fe₃O₄）、菱铁矿（主要成分FeCO₃）和黄铁矿（主要成分FeS₂）。游离态的铁（单质铁）存在于陨石中，称为陨铁。2、铁的原子结构：铁是26号元素，位于第四周期第Ⅷ族，其原子结构示意图为。铁原子在参加化学反应时，不仅容易失去最外层的2个电子，还容易失去次外层的一个电子，因此铁在其化合物中通常显+2价或+3价。（二）铁的物理性质【基础】纯净的铁是具有银白色金属光泽的金属，熔点较高（1535℃），沸点也很高（2750℃），具有良好的延展性和导热性，铁能被磁铁吸引，也具有导电性，但导电性不如铜和铝。通常我们见到的铁制品表面往往覆盖着一层铁锈，呈现暗灰色。（三）铁的化学性质【核心内容】【高频考点】铁是比较活泼的金属，在一定条件下能与许多非金属单质、水、酸以及某些盐溶液发生反应。反应的产物中铁元素的价态取决于氧化剂的强弱。1、铁与非金属单质的反应（1）与氧气反应：铁在纯氧中点燃，剧烈燃烧，火星四射，生成黑色的四氧化三铁。化学方程式：3Fe+2O₂点燃Fe₃O₄（注意：产物不是Fe₂O₃）。【重要】【实验现象关键词：剧烈燃烧、火星四射、生成黑色固体】（2）与氯气反应：铁在氯气中点燃，剧烈反应，生成棕褐色的氯化铁固体。化学方程式：2Fe+3Cl₂点燃2FeCl₃。该反应证明了氯气是强氧化剂，能将铁直接氧化为+3价。【重要】【特别注意：常温下干燥氯气与铁不反应，故可用钢瓶储运液氯】（3）与硫反应：铁粉与硫粉混合加热，发生反应，生成黑色的硫化亚铁。化学方程式：Fe+S△FeS。该反应证明硫是较弱的氧化剂，只能将铁氧化为+2价。【难点】【对比：Cl₂、S与Fe反应产物中铁的价态不同，体现氧化剂强弱对反应产物的影响】（4）与其他非金属：铁在高温下还能与碳、硅、磷等非金属反应，常用于钢铁冶炼中控制成分。2、铁与水的反应【高频考点】【难点】（1）常温下：铁在常温下与水几乎不反应，但在潮湿空气中，铁会与水和氧气共同作用而生锈，这是一个复杂的电化学腐蚀过程。（2）高温下：炽热的铁能与水蒸气反应，生成四氧化三铁和氢气。这是实验室制取氢气的一种方法，也是工业上“水煤气法”制氢的早期原理。化学方程式：3Fe+4H₂O(g)高温Fe₃O₄+4H₂。【重要】【实验装置：通常使用硬质玻璃管，加热铁粉，通入水蒸气，用肥皂泡收集氢气并点燃检验】3、铁与酸的反应【高频考点】（1）与非氧化性酸（如稀盐酸、稀硫酸）：铁与酸发生置换反应，生成亚铁盐和氢气。Fe+2H⁺==Fe²⁺+H₂↑。【基础】【离子方程式书写注意】（2）与氧化性酸（如浓硫酸、浓硝酸、稀硝酸）：铁与氧化性酸的反应较为复杂，一般不生成氢气。【常温钝化】：常温下，铁（或铝）在浓硫酸或浓硝酸中，表面会生成一层致密的氧化膜，阻止内部金属继续反应，这种现象称为“钝化”。因此，可用铁制或铝制容器储运浓硫酸和浓硝酸。【重要考点】【特别注意：钝化是化学变化，且仅常温下发生，加热时反应剧烈】【加热条件下】：加热时，钝化膜被破坏，铁与浓硫酸或浓硝酸发生剧烈氧化还原反应。例如，铁与稀硝酸反应，若铁少量，生成Fe³⁺；若铁过量，生成的Fe³⁴会被过量的铁还原为Fe²⁺，最终得到Fe²⁺。产物复杂，需结合计算分析。4、铁与盐溶液的反应【基础】铁的活动性比铜强，因此铁能将铜从铜盐溶液中置换出来。Fe+Cu²⁺==Fe²⁺+Cu。【重要】【实验现象：铁表面有红色物质析出，溶液颜色变浅（如蓝色CuSO₄溶液颜色变浅或褪去）】（四）铁的制备与用途1、铁的冶炼：工业上高炉炼铁的主要原理是利用还原剂（主要是CO）在高温下将铁从铁矿石中还原出来。主要反应：Fe₂O₃+3CO高温2Fe+3CO₂。【基础】【原料：铁矿石、焦炭、石灰石、空气】2、铁的用途：纯铁主要用于制造发电机和电动机的铁芯；大量使用的是铁的合金——钢和铸铁，广泛应用于建筑、机械制造、交通运输等领域。二、铁的氧化物和氢氧化物【核心内容】（一）铁的氧化物【基础】氧化亚铁（FeO）、氧化铁（Fe₂O₃）和四氧化三铁（Fe₃O₄）是三种重要的铁的氧化物。它们都是碱性氧化物（Fe₃O₄不是简单的碱性氧化物，但有此性质），都能与酸反应生成盐和水。1、氧化亚铁（FeO）【性质】：黑色粉末，不稳定，在空气中加热会迅速被氧化成Fe₃O₄或Fe₂O₃。与非氧化性酸反应：FeO+2H⁺==Fe²⁺+H₂O。【重要】【注意：FeO中的铁为+2价，具有还原性】2、氧化铁（Fe₂O₃）【性质】：红棕色粉末，俗称铁红，常用作红色油漆和涂料。与酸反应：Fe₂O₃+6H⁺==2Fe³⁺+3H₂O。【基础】【注意：Fe₂O₃中的铁为+3价，在高温下可被CO、H₂等还原为铁】3、四氧化三铁（Fe₃O₄）【性质】：具有磁性的黑色晶体，俗称磁性氧化铁。它是复杂的氧化物，可写作FeO·Fe₂O₃，其中铁的价态为+2、+3混合价态。与酸反应：Fe₃O₄+8H⁺==Fe²⁺+2Fe³⁺+4H₂O。【重要】【考点：Fe₃O₄与酸反应生成两种铁离子】（二）铁的氢氧化物【核心内容】【高频考点】铁的氢氧化物有两种：氢氧化亚铁Fe(OH)₂和氢氧化铁Fe(OH)₃。1、氢氧化铁Fe(OH)₃【制备】：可溶性铁盐（如FeCl₃）与碱（如NaOH）溶液反应。离子方程式：Fe³⁺+3OH⁻==Fe(OH)₃↓。【基础】【实验现象：生成红褐色沉淀】【化学性质】：（1）与酸反应：Fe(OH)₃+3H⁺==Fe³⁺+3H₂O。【基础】【中和反应】（2）受热分解：Fe(OH)₃不稳定，受热易分解生成氧化铁和水。2Fe(OH)₃△Fe₂O₃+3H₂O。【基础】【颜色变化：红褐色固体变为红棕色】2、氢氧化亚铁Fe(OH)₂【难点】【热点】【制备】：可溶性亚铁盐（如FeSO₄）与碱（如NaOH）溶液反应。离子方程式：Fe²⁺+2OH⁻==Fe(OH)₂↓。【关键现象】：生成的Fe(OH)₂本是白色絮状沉淀，但很快会变成灰绿色，最后变为红褐色的Fe(OH)₃。这一系列颜色变化的原因：Fe(OH)₂极易被空气中的氧气氧化。首先，部分Fe(OH)₂被氧化为Fe(OH)₃，两者混合呈现出灰绿色；最终全部被氧化为红褐色的Fe(OH)₃。【氧化反应方程式】：4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O==4Fe(OH)₃。【必考方程式】【特别重要】【成功制备Fe(OH)₂的关键措施】：【实验设计高频考点】核心思路是隔绝空气（O₂），防止Fe(OH)₂被氧化。具体方法有：（1）驱氧：将配制亚铁盐和碱溶液的蒸馏水煮沸，以除去溶解在水中的氧气。（2）油封：在亚铁盐溶液液面上加一层植物油或煤油，隔绝空气。（3）滴加方式：将吸有碱溶液的胶头滴管尖端插入亚铁盐溶液液面以下再挤出碱液，避免滴落过程中带入氧气。（4）还原性环境：在亚铁盐溶液中加入铁钉或铁粉，防止Fe²⁺被氧化。【化学性质】：（1）与酸反应：Fe(OH)₂+2H⁺==Fe²⁺+2H₂O。【基础】【注意生成的Fe²⁺】（2）还原性：极易被氧气氧化，如上所述。三、铁盐和亚铁盐【核心内容】【高频考点】（一）Fe²⁺和Fe³⁺的性质对比1、颜色：Fe²⁺的溶液通常呈浅绿色，Fe³⁺的溶液通常呈棕黄色。【基础】【定性判断】2、氧化还原性：【重要】（1）Fe²⁺：处于铁的中间价态，既具有氧化性（可被还原为Fe），又具有还原性（可被氧化为Fe³⁺），且以还原性为主。（2）Fe³⁺：处于铁的最高价态，只具有氧化性，且氧化性较强。（二）Fe²⁺和Fe³⁺的相互转化【必考】【核心】1、Fe²⁺→Fe³⁺（Fe²⁺被氧化）（1）与氯气反应：2Fe²⁺+Cl₂==2Fe³⁺+2Cl⁻。（常用于除去FeCl₃溶液中的FeCl₂）【重要】（2）与氧气反应：在空气中，Fe²⁺溶液容易被氧气氧化而变质。12FeSO₄+3O₂+6H₂O==4Fe₂(SO₄)₃+4Fe(OH)₃↓（复杂反应，理解变质原理）（3）与过氧化氢（H₂O₂）反应：2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺==2Fe³⁺+2H₂O。（常用于酸性条件下的氧化，无污染）【重要】【绿色氧化剂】（4）与高锰酸钾（KMnO₄）等强氧化剂反应：5Fe²⁺+MnO₄⁻+8H⁺==5Fe³⁺+Mn²⁺+4H₂O。（常用于氧化还原滴定分析）【难点】【高频计算】2、Fe³⁺→Fe²⁺（Fe³⁺被还原）（1）与铁反应：2Fe³⁺+Fe==3Fe²⁺。（常用于除去FeCl₂溶液中的FeCl₃，或配制Fe²⁺溶液时加入铁钉防止氧化）【特别重要】（2）与铜反应：2Fe³⁺+Cu==2Fe²⁺+Cu²⁺。（可用于制作印刷电路板，体现了Fe³⁺的氧化性）【重要】【热点】（3）与碘离子（I⁻）反应：2Fe³⁺+2I⁻==2Fe²⁺+I₂。（I⁻的还原性较强）（4）与硫化氢（H₂S）反应：2Fe³⁺+H₂S==2Fe²⁺+S↓+2H⁺。（H₂S是还原性气体）（三）Fe²⁺和Fe³⁺的检验方法【高频考点】【实验探究】1、直接观察颜色法：浅绿色为Fe²⁺（稀溶液颜色较浅），棕黄色为Fe³⁺（但需注意其他有色离子的干扰）。2、利用KSCN溶液（硫氰化钾）法：【最重要】Fe³⁺+3SCN⁻==Fe(SCN)₃（血红色络合物，反应灵敏，特征明显）。【现象】溶液变红，证明存在Fe³⁺。Fe²⁺遇SCN⁻不变色，可先加氯水（或其他氧化剂）将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，溶液再变红，说明原溶液含有Fe²⁺。【步骤：先加KSCN，不变色→再加氯水，变红→证明含Fe²⁺】3、利用NaOH溶液法：Fe³⁺+3OH⁻==Fe(OH)₃↓（红褐色沉淀）Fe²⁺+2OH⁻==Fe(OH)₂↓（白色沉淀）→迅速变为灰绿色→最终变为红褐色。根据最终现象可判断。4、其他检验方法：（1）K₃[Fe(CN)₆]（铁氰化钾，俗称赤血盐）溶液：用于检验Fe²⁺。现象：生成深蓝色沉淀（滕氏蓝）。离子方程式：3Fe²⁺+2[Fe(CN)₆]³⁻==Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓。（2）K₄[Fe(CN)₆]（亚铁氰化钾，俗称黄血盐）溶液：用于检验Fe³⁺。现象：生成深蓝色沉淀（普鲁士蓝）。离子方程式：4Fe³⁺+3[Fe(CN)₆]⁴⁻==Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓。（四）铁及其化合物的“价—类”二维图【思维模型】【难点转化】以物质类别（单质、氧化物、碱、盐）为横坐标，以铁元素的化合价（0、+2、+3）为纵坐标，可以构建一个二维图。这个图是理解和预测铁及其化合物性质的重要工具。1、横向变化：同一价态不同类别物质的转化，如Fe²⁺→Fe(OH)₂→FeO（需通过特定反应）。2、纵向变化：不同价态同类物质的转化，体现氧化还原性，如Fe²⁺与Fe³⁺之间的转化。3、对角线规则：不同价态、不同类别的物质也可能发生反应，如Fe³⁺与Fe反应生成Fe²⁺。掌握此图，能有效串联本章所有知识点，提升综合分析问题的能力。四、铜及其化合物【基础拓展】【常考】（一）铜的性质1、物理性质：紫红色金属，具有良好的导电性、导热性和延展性。2、化学性质：铜是不活泼金属，位于金属活动性顺序表中氢之后。（1）与非金属反应：加热时与O₂反应生成黑色CuO；与Cl₂反应生成棕黄色烟（CuCl₂）。（2）与酸反应：不与非氧化性酸（盐酸、稀硫酸）反应生成氢气。但可与氧化性酸（浓硫酸、硝酸）反应。例如：Cu+2H₂SO₄(浓)△CuSO₄+SO₂↑+2H₂O。（3）与盐反应：Cu+2AgNO₃==Cu(NO₃)₂+2Ag（置换反应）。（二）铜的常见化合物【基础】1、氧化铜（CuO）：黑色粉末，碱性氧化物，与酸反应生成铜盐和水。高温下可被H₂、CO、C等还原为铜。2、氧化亚铜（Cu₂O）：砖红色或红色粉末，也用于制红色玻璃。3、氢氧化铜[Cu(OH)₂]：蓝色絮状沉淀，不溶于水，溶于酸，受热易分解为CuO和水。可与醛类等含有醛基的物质反应生成砖红色Cu₂O沉淀，用于检验醛基。4、铜盐：CuSO₄·5H₂O为蓝色晶体，俗称蓝矾或胆矾。无水CuSO₄为白色粉末，遇水变蓝，可用于检验水的存在。可溶性铜盐（如CuSO₄）有毒，但Cu²⁺是生命必需的微量元素。五、金属材料【基础】【应用拓展】（一）合金的概念与特性【核心素养引导】1、合金的定义：由两种或两种以上的金属（或金属与非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。【基础】2、合金的特性：【重要】（1）硬度与强度：合金的硬度一般比其各成分金属的硬度都大。例如，纯铝较软，而硬铝（铝铜镁硅合金）硬度大，可用于制造飞机外壳。（2）熔点：合金的熔点一般比其各成分金属的熔点都低。例如，伍德合金（铋铅锡镉合金）熔点仅为70℃，可用于自动灭火设备中的保险丝。（3）化学性质：合金的化学性质与组分金属有关，但整体耐腐蚀性可能增强，如不锈钢。（4）物理性能：合金可能具有特殊的电、磁、热性能。（二）铁合金【高频考点】铁和碳形成的合金是使用最广泛的金属材料。根据含碳量不同，分为钢和铸铁。1、生铁（铸铁）：含碳量在2%~4.3%之间，还含有硅、锰、硫、磷等杂质。生铁硬而脆，但抗压强度高，主要用于制造机床床身、铁锅等。2、钢：含碳量在0.03%~2%之间。根据化学成分可分为碳素钢和合金钢。（1）碳素钢：主要含铁和碳，根据含碳量高低分为低碳钢（韧性好）、中碳钢和高碳钢（硬度大）。（2）合金钢（特种钢）：在碳素钢中加入一种或多种合金元素（如铬、镍、钼、钨、钒等），以获得特殊性能。如：【不锈钢】：主要含铬（Cr）和镍（Ni），铬能使钢表面形成致密的氧化膜，耐腐蚀性极强。典型代表：188型铬镍不锈钢（含Cr18%，Ni8%）。【重要】【锰钢】：含锰量高，抗冲击、耐磨损，常用于制造钢轨、破碎机颚板等。【硅钢】：含硅量高，导磁性好，用作变压器铁芯。（三）铝和铝合金【热点】【重要】1、铝的物理性质：银白色轻金属，密度小（2.7g/cm³），导电性和导热性良好，延展性好。2、铝的化学性质：【重要】（1）与氧气反应：常温下与氧气反应生成致密的氧化铝薄膜，保护内部金属不再被氧化，因此铝具有很好的抗腐蚀性。点燃时也能剧烈燃烧：4Al+3O₂点燃2Al₂O₃。（2）与酸反应：与非氧化性酸反应生成铝盐和氢气。2Al+6HCl==2AlCl₃+3H₂↑。（3）与碱反应：铝的特殊性在于能与强碱溶液反应，生成偏铝酸盐和氢气。2Al+2NaOH+2H₂O==2NaAlO₂+3H₂↑。【必考方程式】【重要】【注意：该反应中Al是还原剂，H₂O是氧化剂，NaOH只起溶解Al₂O₃和促进反应的作用】（4）钝化：常温下，铝在浓硫酸或浓硝酸中也发生钝化。3、铝合金：在纯铝中加入硅、铜、镁、锌等合金元素形成的合金。具有密度小、强度高、耐腐蚀等特点，是航空航天、汽车制造、建筑装饰等领域的重要材料。（四）新型金属材料【拓展视野】1、形状记忆合金：如镍钛合金，具有形状记忆效应，在特定温度下能恢复到预先设定的形状，用于航天、医疗（如牙齿矫形丝、血管支架）等领域。2、储氢合金：如镧镍合金（LaNi₅），能可逆地吸收和释放氢气，是氢能利用的关键材料，用于镍氢电池。3、稀土合金：稀土元素具有独特的光、电、磁性能，加入金属中能显著改善材料性能，用于制造永磁材料（如钕铁硼永磁体）、荧光材料等。六、化学计算基础——物质的量在金属材料中的应用【难点】【高频考点】（一）以物质的量为核心的计算模型【核心方法】在涉及金属与酸、碱、盐溶液的反应，以及合金成分分析时，物质的量是联系质量、气体体积、粒子数、物质的量浓度的桥梁。基本公式：n=m/M=N/NA=V(气体)/Vm=c·V(溶液)。（二）常见题型与解题步骤【解题模板】1、金属与酸反应的计算【题型特点】：计算生成H₂的量、金属的纯度、消耗酸的量等。【解题关键】：根据电子守恒或反应方程式建立关系。例如，对于反应M+nH⁺==Mⁿ⁺+n/2H₂↑，金属与H₂的物质的量之比为1:n/2。等质量的不同金属，其价电子数（摩尔电子质量）不同，生成H₂的量不同。【重要】【易错点】：注意金属在酸中的价态（变价金属如Fe与稀盐酸生成Fe²⁺），以及酸是否足量。2、铁与稀硝酸反应的计算【难点】【热点】【题型特点】：Fe与HNO₃反应，产物可能为Fe²⁺、Fe³⁺或两者混合物，需根据Fe和HNO₃的量进行讨论。【解题关键】：利用离子方程式和电子守恒、物料守恒。（1）Fe少量时：Fe+4H⁺+NO₃⁻==Fe³⁺+NO↑+2H₂O（产物为Fe³⁺）（2）Fe过量时：3Fe+8H⁺+2NO₃⁻==3Fe²⁺+2NO↑+4H₂O（产物为Fe²⁺）（3）当铁的量介于两者之间时，Fe³⁺和Fe²⁺共存。可通过设Fe³⁺为xmol，Fe²⁺为ymol，根据铁守恒：x+y=n(Fe)总；根据电子守恒：3x+2y=3n(NO)（或氮守恒等其他关系）联立求解。【必会方法】3、合金成分分析计算【题型特点】：给定合金与酸或碱反应，求合金组成或各组分的质量分数。【解题关键】：明确合金中各组分与试剂的反应情况（如Al既能与酸反应也能与碱反应，而Fe、Cu等只与某些试剂反应），利用差量法或列方程组求解。【例】：CuZnAl合金与足量NaOH溶液反应，只有Al反应，通过收集H₂的量可求Al的质量；剩余固体（Cu、Zn）再与足量稀硫酸反应，Zn反应，Cu不反应，又可求Zn和Cu的量。4、守恒法的应用【核心思维】（1）电子守恒：氧化还原反应中，氧化剂得电子总数=还原剂失电子总数。（2）原子守恒（物料守恒）：反应前后某种元素的原子总数不变。（3）电荷守恒：电解质溶液中，阳离子所带正电荷总数=阴离子所带负电荷总数；在离子方程式中，反应前后离子所带电荷总数相等。七、本章实验方法与探究【核心素养提升】（一）Fe(OH)₂制备实验的改进与探究1、常规方法的问题分析：氧化速度过快，难以观察到白色沉淀。2、改进思路：通过多种途径（如驱氧、油封、还原性氛围）隔绝氧气，延长Fe(OH)₂的寿命，以便观察。3、装置创新：例如，利用H₂的还原性氛围制备。装置：在稀硫酸中加入铁粉，产生H₂，用H₂排尽装置内的空气，然后将FeSO₄压入NaOH溶液中反应，可在H₂氛围中得到Fe(OH)₂白色沉淀，并能保持较长时间。【实验创新题高频考点】（二）“铁三角”转化关系的实验验证1、设计实验方案：验证Fe、Fe²⁺、Fe³⁺之间的相互转化。例如，用Fe与稀盐酸制FeCl₂；取FeCl₂溶液，加氯水转化为FeCl₃，再用KSCN检验；在FeCl₃溶液中加入铁粉，振荡后，再滴加KSCN，观察颜色变化（红色褪去），验证Fe³⁺被还原为Fe²⁺。2、异常现象分析：为何FeCl₂溶液久置后颜色加深或变黄？解释：Fe²⁺被空气中O₂氧化为Fe³⁺，Fe³⁺水解生成Fe(OH)₃等，使颜色改变。（三）金属腐蚀与防护的简单探究（结合原电池原理初步）1、实验设计：将铁钉分别置于干燥空气、蒸馏水、食盐水等不同环境中，观察生锈速率，探究影响金属腐蚀的因素。2、结论：在潮湿空气中（尤其电解质溶液存在时）更易生锈，说明电化学腐蚀是主因。3、防护方法探究：通过实验验证，如涂油、镀层、连接更活泼金属（牺牲阳极的阴极保护法）等方法的有效性。八、本章易错点与备考指南（一）常见易错点辨析【警示