第8讲 铁铜及其重要化合物.docx
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第8讲铁铜及其重要化合物
第8讲 铁、铜及其重要化合物
基础考点梳理
最新考纲
了解金属铁及其化合物的主要性质及应用。
自主复习
一、铁的结构和性质
1.铁的原子结构和物理性质
(1)铁的原子结构特点
铁位于元素周期表中的第四周期,第Ⅷ族。
Fe的原子序数是26,其原子结构示意图为
。
铁为变价金属,通常显+2和+3价。
(2)铁的物理性质
纯净的铁是光亮的银白色金属,密度较大,熔、沸点较高,纯铁的抗腐蚀性强,有较好的导电、导热、延展性。
铁能被磁铁吸引。
2.铁的化学性质
(1)铁与非金属的反应
①铁和氯气的反应
化学方程式:
2Fe+3Cl2
2FeCl3。
②铁和氧气的反应
实验步骤:
把细铁丝在火柴杆上盘成螺旋状,点燃火柴,然后迅速伸入盛有O2的集气瓶中,观察现象。
实验现象:
铁丝在O2中剧烈燃烧,火星四射,生成黑色固体物质。
化学方程式:
3Fe+2O2
Fe3O4。
③铁和其他非金属的反应
2Fe+3Br2===2FeBr3
Fe+S
FeS(黑色固体) Fe+I2
FeI2
(2)铁与水蒸气的反应
实验步骤:
在玻璃管中放入还原铁粉或石棉绒的混合物,加热,并通入水蒸气。
用试管收集产生的经干燥的气体,并靠近火焰点火。
观察现象。
实验现象:
红热的铁与水蒸气起反应,放出气体。
用试管收集气体,将气体靠近火焰点火,能燃烧或发出爆鸣声。
实验结论:
3Fe+4H2O(g)
Fe3O4+4H2。
(3)铁与酸反应
①铁与非氧化性酸(如稀H2SO4、HCl等)反应生成Fe2+,放出H2。
离子方程式:
Fe+2H+===Fe2++H2↑。
②铁与氧化性酸(如稀HNO3)反应时,不放出H2。
a.HNO3(稀)过量时生成Fe3+
Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O。
b.铁粉过量时生成Fe2+
3Fe+8HNO3(稀)===3Fe(NO3)2+2NO↑+4H2O。
(4)铁与盐溶液的反应
①铁能与比它活动性弱的金属的盐溶液反应,置换出这种金属。
Fe+CuSO4===Cu+FeSO4。
②铁能与FeCl3溶液反应生成FeCl2。
离子方程式:
2Fe3++Fe===3Fe2+。
二、铁的重要化合物
1.铁的氧化物
化学式
FeO
Fe2O3
Fe3O4
名称
氧化亚铁
氧化铁
(俗名铁红)
四氧化三铁(俗名磁性氧化铁)
铁的价态
+2
+3
+2、+3
颜色和状态
黑色固体
红棕色固体
黑色晶体
类别
碱性氧化物
碱性氧化物
碱性氧化物
与还原剂的反应(如H2、CO、Al)
H2+FeO
Fe+H2O
3CO+Fe2O3
2Fe+3CO2
8Al+3Fe3O4
4Al2O3+9Fe
与酸(H+)的反应
FeO+2H+===Fe2++H2O
Fe2O3+6H+===2Fe3++3H2O
Fe3O4+8H+===2Fe3++Fe2++4H2O
2.铁的氢氧化物
氢氧化物
氢氧化亚铁
氢氧化铁
化学式
Fe(OH)2
Fe(OH)3
物理性质
白色固体,不溶于水
红棕色固体,不溶于水
化学性质
Fe(OH)2+2H+===Fe2++2H2O
4Fe(OH)2+2H2O+O2===4Fe(OH)3
Fe(OH)3+3H+===Fe3++3H2O
2Fe(OH)3
Fe2O3+3H2O
制法
可溶性碱与亚铁盐溶液反应
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓
Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
3.Fe2+和Fe3+的相互转化及Fe3+的检验
比较
Fe2+
Fe3+
颜色
浅绿色
棕黄色
主要化学性质
还原性:
Fe2+
Fe3+
与碱反应:
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓
水解性:
水溶液显酸性
氧化性:
Fe3
Fe2+
与碱反应:
Fe3++3OH-===Fe(OH)3↓
水解性:
水溶液显酸性
检验方法
(1)加KSCN溶液不变色,再加氯水溶液变红色
(2)加碱反应产生白色沉淀,迅速变为灰绿色,最后变为红褐色
遇含SCN-的溶液显红色,与碱反应生成红褐色沉淀
保存方法
加Fe防止氧化,密封
无特殊要求
溶液配制
加酸防变浑浊,加Fe防止氧化
加酸防止变浑浊
转化关系
三、铜及其化合物
1.铜的物理性质
紫红色固体,符合金属的通性,具有导电性、导热性和延展性。
2.铜的化学性质
铜在金属活动性顺序表中排在H后,活动性较弱,不能从酸中置换H。
但能与非金属发生反应,一定条件下也能与强氧化性酸反应。
铜的化学性质简表
铜的性质
化学方程式及有关反应现象
与O2反应
2Cu+O2
2CuO;表面变黑
与S反应
2Cu+S
Cu2S;剧烈燃烧,铜丝红热,生成黑色物质
与Cl2反应
Cu+Cl2
CuCl2;剧烈燃烧,产生棕色烟
生成铜锈
2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3;生成绿色固体
与浓H2SO4反应
Cu+2H2SO4(浓)
CuSO4+SO2↑+2H2O;Cu溶解,溶液变黑,有刺激性气味气体生成,反应液加水稀释呈蓝色
与HNO3反应
Cu+4HNO3(浓)===Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O;Cu溶解,生成蓝绿色溶液
与Fe3+溶液反应
2Fe3++Cu===2Fe2++Cu2+;棕黄色溶液转化为绿色
3.铜的化合物
(1)氧化物
物质
性质
Cu2O
CuO
Cu的化合价
+1
+2
对应的水化物
CuOH
Cu(OH)2
物理性质
红色粉末、不溶于水
黑色粉末、不溶于水
主要化学性质
Cu2O+2H+===Cu+Cu2++H2O
Cu2O+H2
2Cu+H2O
CuO+2H+===Cu2++H2O
CuO+H2
Cu+H2O
(2)氢氧化铜和硫酸铜
①Cu(OH)2:
蓝色固体,难溶于水,是一种弱碱,与强酸反应的离子方程式:
Cu(OH)2+2H+===Cu2++2H2O。
②CuSO4:
其无水盐为白色粉末,遇少量水时转化成蓝色晶体,化学式为CuSO4·5H2O,俗名胆矾。
CuSO4和CuSO4·5H2O均易溶于水,在水溶液中,Cu2+呈现蓝色。
网络构建
1.铁及其重要化合物的转化关系
2.铜及其化合物的转化关系
热点典例突破
热点考向
1.以铁及其化合物为载体考查基本概念、理论。
2.与实验推断相结合考查Fe(OH)2的制备、Fe2+与Fe3+的检验等知识。
3.以铁元素的转化关系考查化学方程式的计算。
热点探究
热点1铁及其化合物的相互转化
铁是常见的还原剂,在参与化学反应时,一般可失去2e-或3e-而变成Fe2+或Fe3+。
铁元素的原子在化学反应中,当遇弱氧化剂(如S、H+、Cu2+、I2等)时,铁只能失去最外层的两个电子,而生成+2价铁的化合物,当遇到强氧化剂(如Cl2、Br2、HNO3等)时,铁原子可以再失去次外层上的一个电子而生成+3价铁的化合物,Fe、Fe2+、Fe3+形成三角关系:
(1)Fe―→Fe3+和Fe2+―→Fe3+需要较强的氧化剂。
如O2、Cl2、HNO3(浓、稀)、H2SO4(浓)、KMnO4(H+)溶液等。
2Fe+3Cl2
2FeCl3;
Fe+4HNO3(稀)===Fe(NO3)3+NO↑+2H2O;
4Fe(OH)2+2H2O+O2===4Fe(OH)3;
2FeCl2+Cl2===2FeCl3。
(2)Fe―→Fe2+需要较弱的氧化剂,如S、Cu2+(CuSO4)、H+(稀H2SO4、盐酸)等。
Fe+CuSO4===FeSO4+Cu;Fe+2HCl===FeCl2+H2↑
Fe+S
FeS;Fe+I2
FeI2
(3)Fe2+―→Fe,在金属活动性顺序表中排在Fe前的金属,如Zn、Al等,可以将Fe2+还原成Fe。
Zn+FeSO4===ZnSO4+Fe
注意:
K、Ca、Na等活泼金属,由于它们在水溶液中先跟水反应,所以不能作为还原剂来完成Fe2+―→Fe的转化。
(4)Fe3+―→Fe2+需要较强的还原剂。
如Fe、Zn、H2S(S2-)、KI(I-)、Na2SO3(SO
)等,Cu虽不是强还原剂,但因Fe3+具有较强的氧化性,可被Cu还原成Fe2+。
Cu+2FeCl3===CuCl2+2FeCl2;
H2S+2FeCl3===2FeCl2+S↓+2HCl;
2KI+2FeCl3===2FeCl2+I2+2KCl。
(5)Fe3+―→Fe常发生在金属的热还原反应中。
如高温下用CO还原铁矿石中的铁。
Fe2O3+3CO
2Fe+3CO2
铝热反应也是这种转化的实例。
如:
Fe2O3+2Al
Al2O3+2Fe。
【例1】 下列物质反应后一定有+3价铁生成的是( )
①过量的Fe与Cl2加热时发生反应;②Fe与过量稀H2SO4反应后,再向其中加KNO3;③Fe与过量的S加热时发生反应;④Fe(NO3)2溶液中加少量盐酸;⑤Fe和Fe2O3的混合物溶于盐酸中。
A.只有①②⑤ B.只有②④
C.只有①②④D.只有②③④
[解析] 明确哪些氧化剂能将Fe2+氧化为Fe3+,以及哪些还原剂能将Fe3+还原为Fe2+是正确解题的关键。
Fe2+、Fe3+常见的相互转化关系归纳如下:
①中的Cl2氧化性强,它能将铁氧化为+3价,由于不是在溶液中反应,因此过量的铁不会将氯化铁还原。
②中Fe与稀H2SO4反应只能生成Fe2+,但要注意,由于稀H2SO4过量,加入KNO3后,H+、NO
能将Fe2+氧化成Fe3+。
③S的氧化性不强,与Fe发生反应只能生成FeS。
④H+和NO
会将Fe2+氧化为Fe3+。
⑤中未给出反应物间相对量的关系,若铁是足量的,则能将生成的FeCl3全部还原为FeCl2。
[答案] C
变式1 根据下列框图回答问题(答题时,方程式中的M、E用所对应的元素符号表示):
(1)写出M溶于稀H2SO4和H2O2混合液的化学方程式:
______________________________________。
(2)某同学取X的溶液,酸化后加入KI—淀粉溶液,变为蓝色。
写出与上述变化过程相关的离子方程式:
__________________________,____________________________。
(3)写出Cl2将Z氧化为K2EO4的化学方程式:
__________________________________________。
(4)将M、E、ECl3溶液、ECl2溶液、MCl2溶液混合于某容器中充分反应(容器不参与反应),试判断下列情况下容器中存在的金属离子和金属单质。
①若E有剩余,则容器中不可能有________。
②若MCl2有剩余,则容器中还可能有________,一定有________。
解析:
M为红色金属,与酸反应生成蓝色溶液,推知M为Cu。
由Y中加KSCN得红色溶液,确定Y中含有Fe3+,从而确定E为Fe。
M为Cu,X为FeSO4,Y为Fe2(SO4)3,Z为Fe(OH)3,K2EO4为K2FeO4。
(2)FeSO4溶液酸化后加入KI-淀粉溶液变蓝色,说明有I2生成。
其变化过程中相关离子方程式为4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O,2Fe3++2I-===2Fe2++I2。
(4)该题属物质共存问题,解答该题应首先弄清物质间可能发生的反应,凡相互间能发生反应的物质,就不可能(大量)共存。
该题涉及的反应有:
2FeCl3+Fe===3FeCl2①
Fe+CuCl2===FeCl2+Cu②
2FeCl3+Cu===2FeCl2+CuCl2③
①若铁粉有剩余,则容器中就不可能有Fe3+、Cu2+,因为它们能发生上述①②反应;
②若CuCl2有剩余,则容器中不可能有Fe,可能有Fe3+或Cu,一定有Fe2+。
答案:
(1)Cu+H2O2+H2SO4===CuSO4+2H2O
(2)4Fe2++O2+4H+===4Fe3++2H2O
2Fe3++2I-===2Fe2++I2
(3)10KOH+3Cl2+2Fe(OH)3===2K2FeO4+6KCl+8H2O
(4)①Fe3+、Cu2+ ②Fe3+或Cu Fe2+
热点2铁的氢氧化物的制备
Fe(OH)2沉淀的制备
1.碱液沉淀法
(1)操作:
将吸有NaOH溶液的胶头滴管插入新制备的亚铁盐溶液(或FeSO4溶液)的液面下,缓慢挤出NaOH溶液。
(2)原理:
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓。
(3)改进方法:
为了防止Fe(OH)2被O2氧化,在制备Fe(OH)2时可采取如下改进措施:
①微热FeSO4溶液、煮沸NaOH溶液(除去溶解的O2)、滴加植物油或苯(隔绝空气)等。
②在FeSO4溶液中通入N2或CO2赶出装置中的O2。
③在FeSO4溶液中不断通入H2形成还原性氛围。
2.电解法
以铁棒作阳极,石墨作阴极,用NaOH溶液或NaCl溶液作电解质溶液进行电解。
如下图
原理:
阳极:
Fe-2e-===Fe2+
阴极:
2H++2e-===H2↑
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓
为了加速电解,可增大电源电压、缩短两极间距离或增大离子浓度。
【例2】 下面是制备Fe(OH)2白色沉淀的几种方案,请回答下列各问题:
(1)用不含Fe3+的FeSO4溶液与不含O2的蒸馏水配制的NaOH溶液反应制备。
①用硫酸亚铁晶体配制上述FeSO4溶液时还需要加入________;
②除去蒸馏水中溶解的O2常采用________的方法。
③生成Fe(OH)2白色沉淀的操作是用长滴管吸取不含O2的NaOH溶液,插入FeSO4溶液液面下,再挤出NaOH溶液。
这样操作的理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(2)在如图所示的装置中,用NaOH溶液、铁屑、稀H2SO4等试剂制备。
①在试管Ⅰ里加入的试剂是________。
②在试管Ⅱ里加入的试剂是________。
③为了制得Fe(OH)2白色沉淀,在试管Ⅰ和Ⅱ中加入试剂,打开止水夹,塞紧塞子后的实验步骤是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
④这样生成的Fe(OH)2沉淀能较长时间保持白色,理由是________________________________________________________________________
________________________________________________________________________。
(3)利用电解实验可以制得纯净的Fe(OH)2白色沉淀,如图所示,已知两电极的材料分别为石墨和铁。
①a电极的材料应为________,电极反应式为__________________________________________。
②电解液c可以是________(填编号)。
A.纯水B.NaCl溶液
C.NaOH溶液D.CuCl2溶液
③d为苯,其作用是____________,在加入苯之前对电解液c应作何简单处理?
______________________________。
④为了在较短时间内看到白色沉淀,可采取的措施是________(填编号)。
A.改用稀H2SO4作电解液
B.适当增大电源的电压
C.适当减小两极间的距离
D.适当降低电解液的温度
⑤若c用Na2SO4溶液,当电解一段时间后看到白色Fe(OH)2沉淀,再反接电源电解,除了电极上看到气泡外,另一明显现象为________________________________________________________________________。
[解析]
(1)Fe2+易水解,要加入稀H2SO4防止其水解;Fe2+易被空气中的O2氧化,要加铁粉,将被氧化的Fe3+还原成Fe2+,气体的溶解度随着温度升高而降低,所以煮沸后的蒸馏水中溶解的O2变少。
(2)两支试管,试管Ⅱ是开口式,无法用产生的气体将试液压入试管Ⅰ中,所以制取FeSO4应放在试管Ⅰ中,而在试管Ⅱ中盛不含O2的NaOH溶液。
当Fe与稀H2SO4放入试管Ⅰ后,产生的H2可以从试管Ⅰ内短管处排出,从而排尽试管Ⅰ内空气。
再经过止水夹通入试管Ⅱ中,排尽试管Ⅱ内空气。
然后关闭止水夹,试管Ⅰ内产生的H2无法逸出,造成管内压强增大,将试管Ⅰ内FeSO4溶液通过长导管压入试管Ⅱ内,在此过程中,液体都处于H2环境,从而避免了被空气中O2的氧化,使得Fe(OH)2能保存更长时间。
(3)电解时阳极反应Fe-2e-===Fe2+,阴极反应2H2O+2e-===H2↑+2OH-,或电解质溶液能直接提供OH-,Fe2+与OH-发生反应Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓,当电解液选用NaOH溶液时,在阳极处立即产生白色沉淀,选其他溶液时,只有迁移后两者相遇时才能产生沉淀(大约在电解池中部);当反接电源后,阳极反应4OH--4e-===2H2O+O2↑,产生的O2立即把Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3。
[答案]
(1)①稀H2SO4、铁屑 ②煮沸 ③避免生成的Fe(OH)2沉淀接触O2而被氧化
(2)①稀H2SO4和铁屑 ②NaOH溶液 ③检验试管Ⅱ出口处排出的H2的纯度,当排出的H2已经纯净时再夹紧止水夹 ④试管Ⅰ中反应生成的H2充满了试管Ⅰ和试管Ⅱ,且外界O2不易进入
(3)①Fe Fe-2e-===Fe2+ ②BC ③隔绝空气,防止生成的Fe(OH)2被氧化 加热煮沸,排出溶解的O2 ④BC ⑤白色沉淀迅速变为灰绿色,最后变成红褐色
变式2 有人设计了如图制备氢氧化亚铁的改进实验:
(1)按图所示组装仪器;向一支小的具支试管中加入2mL左右稀盐酸,再加入2mL左右的煤油;玻璃管下端粘住钠粒(用滤纸吸干表面煤油,切去氧化层)。
(2)将铁丝浸入盐酸,反应放出氢气,待试管内空气排尽后,向上提拉铁丝,使铁丝脱离液面。
并关闭弹簧夹;用另一根细铁丝沿玻璃管内将钠粒捣入液体中。
请回答下列问题:
(1)写出该实验中发生反应的化学方程式:
________________________________________________________________________。
(2)如何检验试管内空气已排尽(回答具体操作)?
________________________________________________________________________。
(3)捣入钠粒后,预测具支试管中的现象:
________________________________________________________________________。
(4)已知钠粒的质量约0.05g,现实验室有以下两种不同浓度的盐酸,你选择(填A或B)__________。
A.1.1mol/L B.10mol/L
答案:
(1)Fe+2HCl===FeCl2+H2↑,2Na+2H2O+FeCl2===Fe(OH)2↓+2NaCl+H2↑(也可写成3个:
Fe+2HCl===FeCl2+H2↑,2Na+2H2O===2NaOH+H2↑,2NaOH+FeCl2===Fe(OH)2↓+2NaCl)
(2)在具支试管的出口处用向下排空气法收集满一试管气体,用拇指堵住管口,移向酒精灯火焰,松开拇指,若听到“噗”的一声,则说明空气已排尽
(3)钠不停地上下移动,并有气泡产生,很快有白色沉淀出现(答其他现象如:
熔化成闪亮的小球,在煤油与界面间上下移动,钠粒最后消失等的不扣分)
(4)A (估算,B选项中盐酸的量太大,溶液呈酸性,不能生成氢氧化亚铁,也不符合节约药品的原则)
热点3Fe2+、Fe3+的检验
鉴别方法
Fe2+
Fe3+
直接观色
浅绿色
棕黄色
利用显
色反应
与KSCN溶液
不显红色
显红色
与苯酚
不显紫色
显紫色
利用Fe3+
的氧化性
与铜片
无现象
Cu溶解,溶液
变为蓝绿色
与KI淀粉溶液
无现象
溶液变蓝
利用Fe2+
的还原性
与溴水
溴水褪色
无现象
与KMnO4(H+)
紫色褪去
无现象
利用沉淀反应
Fe2++2OH-===Fe(OH)2↓
沉淀颜色:
白色→灰绿色→红褐色
Fe3++3OH-
===Fe(OH)3↓
红褐色沉淀
【例3】 张老师做了一个如图所示实验,发现烧杯中酸性KMnO4溶液褪色,若将烧杯中的溶液换成含有少量KSCN的FeCl2溶液,溶液显红色,判断下列说法正确的是( )
A.该条件下生成的水分子化学性质比较活泼
B.该条件下H2被冷却为液态氢,液氢的水溶液具有还原性
C.该条件下H2燃烧生成了只具有氧化性的物质
D.该条件下H2燃烧的产物中可能含有一定量的H2O2
[解析] 生成的物质既可使KMnO4(H+)褪色,又可将Fe2+氧化为Fe3+,则既有氧化性又有还原性。
[答案] D
变式3 要证明某溶液中不含Fe3+,而可能含有Fe2+,进行如下实验操作时最佳顺序为( )
①加入足量氯水;②加入足量酸性KMnO4溶液;③加入少量KSCN溶液。
A.①③B.③②
C.③①D.①②③
解析:
KMnO4能氧化Fe2+,但KMnO4本身为紫色,使溶液显色不易观察。
答案:
C
热点4铜及其化合物
1.铜是第29号元素,位于周期表中第四周期、第ⅠB族,最外层有1个e-,常见化合价为+1和+2价。
2.铜的物理性质:
红色,有金属光泽,密度8.92g/cm3,导电、导热性、延展性良好,焰色反应呈绿色。
3.铜的化学性质:
铜是一种较不活泼的金属。
(1)与非金属单质反应
①铜在常温下不和干燥空气反应,加热时发生氧化,在潮湿空气中可锈蚀。
2Cu+O2
2CuO(黑色) 用此反应可除去混在氢气、一氧化碳中的少量O2。
2Cu+O2+CO2+H2O===Cu2(OH)2CO3(绿色)。
②Cu+Cl2
CuCl2(棕黄色)
2Cu+S
Cu2S(黑色)。
(2)与酸的反应
①与稀盐酸、稀H2SO4溶液不反应。
②与强氧化性酸反应
Cu+2H2SO4(浓)
CuSO4+SO2↑+2H2O
Cu+4HNO3(浓)
Cu(NO3)2+2NO2↑+2H2O
3Cu+8HNO3(稀)===3Cu(NO3)2+2NO↑+4H2O
(3)与盐溶液反应
Cu+2Ag+===Cu2++2Ag
Cu+2Fe3+===Cu2++2Fe2+(印刷电路板反应原理)
(4)作催化剂:
铜能催化醇氧化为醛或酮的反应,如
2
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