一、铁的单质

1.1 组成

  1. 铁元素在自然界中的存在状态：
    1. 单质：陨铁（人类最早使用的铁）
    2. 化合物：主要以+2、+3价的化合物形态存在在矿石中
    3. 在地壳中的含量排在第四：氧、硅、铝、铁、钙

1.2 性质

  1. 物理性质： 银白色固体，熔沸点高，具有导热性、导电性、延展性、能被磁铁吸引
  2. 化学性质： 化学性质活泼，有较强的还原性

1.3 转化规律

  1. 铁与非金属单质反应：
    • 铁与氯气反应：\(\ce{2Fe + 3Cl2 \xlongequal[]{\Delta} 2FeCl3}\)
    • 铁与硫反应：\(\ce{Fe + S \xlongequal[]{\Delta} FeS}\)
    • 铁与氧气反应：\(\ce{3Fe + 2O2 \xlongequal[]{点燃} Fe3O4}\)
  2. 铁与酸的反应：
    • 铁与盐酸、硫酸反应：\(\ce{Fe + 2H^+ \xlongequal[]{} Fe^{2+} + H2 ^}\)
    • 铁与过量稀硝酸反应：\(\ce{Fe + 4HNO3(稀) \xlongequal[]{} Fe(NO3)3 + NO ^ + 2H2O}\) (氧化还原反应)
  3. 铁与盐反应：
    • 铁与硫酸铜反应：\(\ce{Fe + Cu^{2+} \xlongequal[]{} Fe^{2+} + Cu}\)
  4. 铁与水蒸气的反应：
    • 实验现象：蒸发皿中产生肥皂泡，点燃肥皂泡，听到爆鸣声。反应后，试管中固体呈黑色。
    • 实验结论：在高温下，铁能与水蒸气反应生成 \(\rm Fe_3O_4和H_2\) ,\(\ce{ 3Fe + 4H2O(g) \xlongequal[]{高温} Fe3O4 + 4H2}\)

二、铁的氧化物

铁的氧化物.png
铁的氧化物

三、铁的氢氧化物

  1. 认识铁的氢氧化物
铁的氢氧化物.png
铁的氢氧化物
  1. 实验室中\(\rm Fe(OH)_2\) 的制备
    1. 原理：\(\ce{FeSO4 + 2NaOH \xlongequal[]{} Na2SO4 + Fe(OH)2 v}\)
    2. 防止氢氧化铁被氧化是本实验的关键，可以采取以下措施：
      • 亚铁盐溶液必须是新制的
      • 可以在亚铁溶液中加入铁粉，或通入氢气防止产物被氧化
      • 可以采用加热\(\rm NaOH\) 溶液，除去溶液溶解中的\(\rm O_2\)；同时液面可以倒植物油隔绝空气
      • 滴加\(\rm NaOH\) 溶液的试管，要深入到液面以下

四、铁盐和亚铁盐

4.1 铁离子的氧化性与亚铁离子的还原性探究

  1. 实验步骤： 在氯化铁溶液中加入适量的铁粉，振荡后，再加入 \(\rm KSCN\) 溶液，观察现象。而后再滴加氯水观察现象
  2. 实验现象： 加入铁粉后，溶液由黄色变为浅绿色，加入 \(\rm KSCN\) 溶液后，溶液不变色。加入氯水后，溶液变为红色
  3. 实验结论： \(\ce{2Fe^3+ + Fe \xlongequal[]{} 3Fe^2+}\) ; \(\ce{2Fe^2+ + Cl2 \xlongequal[]{} 2Fe^3+ + 2Cl-}\)
  4. 注意事项： \(\rm KSCN 中的SCN- 可以与 Fe^{3+}\) 发生配合反应，生成血红色沉淀，所以可以用它来检验\(\rm Fe^{3+}\)（与 \(\rm Fe^{2+}\) 不反应，所以该试剂只能检验\(\rm Fe^{3+}\)）

4.2 铁离子与亚铁离子的检验

  1. \(\rm KSCN\) 溶液和氯水检验(单一离子)
    • 溶液加入\(\rm KSCN\) 溶液，若溶液变为红色，则说明有 \(\rm Fe^{3+}\) ;若无明显现象，加入氯水后，若溶液变为红色，则说明溶液中是 \(\rm Fe^{3+}\)
  2. 用 \(\rm NaOH\) 溶液检验：（单一离子）
    • 溶液加入 \(\rm NaOH\) 溶液，若溶液变为红色，则说明有 \(\rm Fe^{3+}\)； 若生成的白色絮状沉淀迅速转化成灰绿色，最终变为红褐色，则说明有 \(\rm Fe^{2+}\)
  3. 含\(\rm Fe^{2+} ,Fe^{3+}\) 的混合溶液（\(\rm 不含Cl^-\)）
    • \(\rm KSCN\) 溶液检验
    • 酸性\(\rm KMnO4\) 溶液紫红色褪去，说明溶液中有 \(\rm Fe^{2+}\) (前提是没有氯离子)
  4. \(\rm Fe^2+\) 的特征检验
    • 溶液中加入 \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\) (六氰合铁（Ⅲ）酸钾)溶液如果产生蓝色沉淀，则说明溶液中含有 \(\rm Fe^{2+}\) ,反应离子方程式

\(\ce{Fe^2+ + K+ + [Fe(CN)6]^3- \xlongequal[]{} KFe[Fe(CN)6] v }\) （六氰合铁（Ⅱ）酸铁（Ⅲ）钾）

五、铁的其他化合物

5.1 高铁酸钾

1. 组成

  1. 高铁酸钾：由\(\rm K^+\) 和 \(\rm FeO_4 ^{2-}\) 构成

2.性质

  1. 物理性质：暗紫色有光泽的粉末，极易溶于水形成浅紫红色溶液
  2. 化学性质： \(\rm K_2FeO_4\) 中\(\rm Fe\) 的化合价为+6，其具有强氧化性；\(\rm K_2FeO_4\) 在受潮或受热时都易发生分解；在酸性或中性溶液中可以快速生产 \(\rm O_2\) ;在碱性溶液中较稳定

3.转化

  1. 高铁酸钾加热分解: \(\ce{4K2FeO4 \xlongequal[]{\Delta} 2Fe2O3 + 4K2O + 3O2 ^}\)
  2. 高铁酸钾与水或受潮反应：\(\ce{4K2FeO4 + 10H2O \xlongequal[]{} 4Fe(OH)3 + 8KOH +3O2 ^}\)

4.制备

  1. 强碱条件将 \(\rm NaClO 和 Fe(NO_3)_3\) 混合：利用\(\rm NaClO 氧化 Fe(NO_3)_3\) 强碱性溶液\(\ce{K2FeO4 }\) 溶解度小于 \(\ce{Na2FeO4}\) ，得到\(\ce{K2FeO4}\)

\(\ce{3NaClO + 2Fe(NO3)3 + 10NaOH \xlongequal[]{} 2Na2FeO4 v + 3NaCl + 6NaNO3 + 5H2O}\)

  1. 将\(\ce{Fe2O3 、KNO3 、KOH}\) 固体加热熔融：

\(\ce{Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH \xlongequal[]{高温} 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O }\)

5.用途

  1. 是一种新型高效、无毒的消毒剂（强氧化性）和净水剂，污水处理有氧化、吸附作用。消毒效果比含氯消毒剂更强且无二次污染

5.2 氯化铁溶液的重要应用

  1. 制作印刷电路板：\(\ce{2Fe^3+ Cu \xlongequal[]{} 2Fe^2+ + Cu^2+}\)

六、不同化合价的铁之间的转化

不同价态铁的转化.png
不同价态铁的转化

6.1 转化过程中典型的化学方程式（或离子方程式）

1.补充氧化剂

  1. \(\ce{Fe \rightarrow Fe^2+}\) :(较弱氧化剂)
    • \(\ce{H+}\)：\(\ce{Fe + 2H+ \xlongequal[]{} Fe^2+ + H2 ^}\)
    • \(\rm I_2\)：\(\ce{Fe + I_2 \xlongequal[]{\Delta} Fe^2+ + 2I-}\)
    • \(\rm S\) ：\(\ce{Fe + S \xlongequal[]{\Delta} FeS}\)
    • \(\rm Cu^{2+}\) ：\(\ce{Fe + Cu^2+ \xlongequal[]{} Fe^2+ + Cu}\)
    • \(\ce{Fe^3+}\) ：\(\ce{Fe + 2Fe^3+ \xlongequal[]{} 3Fe^2+}\)
  2. \(\ce{Fe \rightarrow Fe^3+}\) :(强氧化剂)
    • \(\rm Cl_2\) ：\(\ce{ 2Fe + 3Cl2 \xlongequal[]{点燃} 2FeCl3}\)
    • \(\rm Br_2\) ：\(\ce{ 2Fe + 3Br2 \xlongequal[]{点燃} 2FeBr3}\)
    • \(\rm 稀HNO_3\) ：\(\ce{Fe + 4HNO3(稀) \xlongequal[]{} Fe(NO3)3 + NO ^ + 2H2O}\)
    • \(\rm 浓HNO_3\) ：\(\ce{Fe + 6HNO3(浓) \xlongequal[]{} Fe(NO3)3 + 3NO2 ^ + 3H2O}\) （钝化）
    • \(\rm 浓H_2SO_4\) ：\(\ce{2Fe + 6H2SO4(浓) \xlongequal[]{} Fe2(SO4)3 + 3SO2 ^ + 6H2O}\) (钝化)
  3. \(\ce{ Fe^2+ \rightarrow Fe^3+}\) ：(强氧化剂)
    • \(\rm O_2\) ：\(\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O \xlongequal[]{} 4Fe(OH)3}\)
    • \(\rm Cl_2\) ：\(\ce{2Fe^2+ + Cl2 \xlongequal[]{} 2Fe^3+ + 2Cl-}\)
    • \(\rm Br_2\) ：\(\ce{2Fe^2+ + Br2 \xlongequal[]{} 2Fe^3+ + 2Br-}\)
    • \(\rm MnO^{-}_4（H^+）\) ：\(\ce{5Fe^2+ + MnO^{-}_4 + 8H+ \xlongequal[]{} 5Fe^3+ + Mn^2+ + 4H2O }\)

2.补充还原剂

  1. \(\ce{Fe^2+ \rightarrow Fe}\) :
    • \(\rm CO\) ：\(\ce{FeO + CO \xlongequal[]{高温} Fe + CO2}\)
    • \(\rm Zn\) ：\(\ce{Fe^2+ + Zn \xlongequal[]{} Zn^2+ + Fe}\)
  2. \(\ce{Fe^3+ \rightarrow Fe}\) :
    • \(\rm CO\) ：\(\ce{Fe2O3 + 3CO \xlongequal[]{高温} 2Fe + 3CO2}\)
  3. \(\ce{Fe^3+ \rightarrow Fe^2+}\)
    • \(\ce{2Fe^3+ + Cu \xlongequal[]{} 2Fe^2+ + Cu^2+}\)
    • \(\ce{2Fe^3+ + H2S \xlongequal[]{} 2Fe^2+ S v + 2H+}\)
    • \(\ce{2Fe^3+ + 2I- \xlongequal[]{} 2Fe^2+ + I2}\)
    • \(\ce{2Fe^3+ + Fe \xlongequal[]{} 3Fe^2+}\)

七、铜及其化合物

7.1 铜单质

1. 组成

  1. 存在：铜元素在自然界中有单质存在，但含量较少；绝大多数以化合物形式存在在各种矿石中

2. 性质

  1. 物理性质： 紫红色固体，具有良好的延展性，导热性和导电性
  2. 化学性质： 铜金属的金属活动性较弱，无论氧化性还是还原性都较弱，所以只能和强氧化剂/还原剂反应

3. 转化规律

  1. 与非金属单质反应（氧化剂）
    1. \(\rm O_2\) ：\(\ce{2Cu + O2 \xlongequal[]{\Delta} 2CuO}\)
    2. 潮湿空气中：\(\ce{2Cu + O2 + H2O + CO2 \xlongequal[]{} Cu2(OH)2CO3}\)
    3. \(\ce{Cl2}\) ：\(\ce{Cu + Cl2 \xlongequal[]{\Delta} CuCl2}\) (棕黄色烟)
    4. \(\ce{S}\) ：\(\ce{2Cu + S \xlongequal[]{\Delta} Cu2S}\)
  2. 与氧化性酸反应
    1. 浓硫酸：\(\ce{Cu + 2H2SO4(浓) \xlongequal[]{\Delta} CuSO4 + SO2 ^ + 2H2O}\)
    2. 浓硝酸：\(\ce{Cu + 4HNO3(浓) \xlongequal[]{} Cu(NO3)2 + 2NO2 ^ + 2H2O}\)
    3. 稀硝酸：\(\ce{3Cu + 8HNO3(稀) \xlongequal[]{} 3Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 4H2O}\)
    4. 铜与稀硫酸不反应，但是在通入 \(\ce{O2}\) 的条件下可以反应：\(\ce{2Cu + O2 + 2H2SO4 \xlongequal[]{} 2CuSO4 + 2H2O}\)
  3. 与盐溶液反应
    1. \(\ce{AgNO3}\) : \(\ce{Cu + 2AgNO3 \xlongequal[]{} Cu(NO3)2 + 2Ag}\)
    2. \(\ce{FeCl3}\) ：\(\ce{Cu + 2FeCl3 \xlongequal[]{} CuCl2 + 2FeCl2}\)

7.2 铜的氧化物(\(\ce{CuO 与 Cu2O}\))

1. 组成

  1. \(\rm CuO\) 构成： 氧化铜由\(\ce{Cu^2+}\) 和\(\ce{O^2-}\) 构成
  2. \(\rm Cu_2O\) 构成： 由\(\ce{Cu^+}\) 和\(\ce{O^2-}\) 构成

2. 性质

  1. \(\ce{CuO}\)
    1. 物理性质： 黑色固体，不溶于水
    2. 化学性质： 属于碱性氧化物，能与酸反应； 处于铜的最高价，只表现出氧化性（但氧化性较弱）；另外在高温下可以分解
  2. \(\ce{Cu2O}\)
    1. 物理性质： 砖红色，不溶于水
    2. 化学性质： +1价的铜既有还原性（强），又具有氧化性

3. 转化规律

  1. \(\ce{CuO}\)
    1. 与非氧化性酸，以\(\rm HCl\) 为例： \(\ce{CuO + 2H+ \xlongequal[]{} Cu^2+ + H2O}\) (复分解反应)
    2. 与还原剂：（\(\ce{H2、C、CO、Al、NH3 等反应 }\) ）
      • \(\ce{2Al + 3CuO \xlongequal[]{\Delta} 3Cu + Al2O3}\)
      • \(\ce{2NH3 + 3CuO \xlongequal[]{\Delta} N2 + 3Cu + 3H2O}\)
    3. 与乙醇：\(\ce{CuO + C2H5OH ->[\Delta] Cu + CH3CHO + H2O}\)
    4. 高温分解： \(\ce{4CuO \xlongequal[]{高温} 2Cu2O + O2 ^}\)
  1. \(\rm Cu_2O\)
    1. 与非氧化性酸反应，以\(\ce{H2SO4}\) 为例： \(\ce{Cu2O + 2H+ \xlongequal[]{} Cu^2+ + Cu +H2O}\) （既氧又还）
      • 可以利用该反应鉴别 \(\ce{Cu 与 Cu2O}\) (两者都属于红色)，加入酸之后，无明显现象则为 \(\ce{Cu}\) ;如果溶液由无色变为蓝色，则说明是\(\rm Cu_2O\)
    2. 与\(\rm H_2\) 反应：\(\ce{Cu2O + H2 \xlongequal[]{\Delta} 2Cu + H2O}\) (表现氧化性)
    3. 与稀\(\ce{HNO3}\) 反应：\(\ce{ 3Cu2O + 14HNO3\xlongequal[]{} 6Cu(NO3)2 + 2NO ^ + 7H2O}\) (表现还原性)

7.3 铜的氢氧化物

1. 组成

  1. 构成： \(\ce{Cu(OH)2}\) 由 \(\rm Cu^{2+}\) 和\(\rm OH^-\) 构成

2. 性质

  1. 物理性质： 蓝色固体，不溶于水
  2. 化学性质： 弱碱性、不稳定性、若氧化性

3. 转化规律

  1. 与酸反应：\(\ce{Cu(OH)2 + 2H+ \xlongequal[]{} Cu^2+ + 2H2O}\)
  2. 受热分解：\(\ce{Cu(OH)2 \xlongequal[]{\Delta} CuO + H2O}\)
  3. 若氧化性：\(\ce{2Cu(OH)2 + RCHO + OH- ->[\Delta] Cu2O + RCOO- +3H2O}\) (检验醛基)

7.4 铜盐

1.概况：

  1. 铜盐属于重金属盐，铜盐溶液有毒，能使蛋白质变性，铜离子能与蛋白质作用，使蛋白质失去生理活性

2.硫酸铜

  1. 物理性质： 白色固体，易溶于水形成蓝色溶液
  2. 化学性质： 固体与水反应生成结晶水合物，表现出氧化性，与还原性物质反应
  3. 转化规律：
    • 生成结晶水合物：\(\ce{CuSO4 + 5H2O \xlongequal[]{} CuSO4 ·5H2O}\) (蓝矾/胆矾)
    • 胆矾受热分解：\(\ce{CuSO4·5H2O \xlongequal[]{\Delta} CuSO4 + 5H2O}\)
    • 盐的性质：\(\ce{CuSO4 + H2S \xlongequal[]{} CuS v + H2SO4}\)
  4. 用途：
    • 可以检验少量水，硫酸铜与水反应之后，白色会变成蓝色
    • 制备波尔多液：\(\ce{CuSO4 + Ca(OH)2 \xlongequal[]{} CaSO4 + Cu(OH)2 v}\)
    • 除去 \(\ce{H2S}\) 气体，生成极难溶的沉淀 \(\ce{CuS}\)

3.碱式碳酸铜 （\(\ce{Cu2(OH)2CO3}\)）

  1. 形成：铜在潮湿空气会生锈形成碱式碳酸铜：\(\ce{2Cu + O2+H2O + CO2 \xlongequal[]{} Cu2(OH)2CO3}\)
  2. 受热易分解：\(\ce{Cu2(OH)2CO3 \xlongequal[]{\Delta} 2CuO + CO2 ^ + H2O}\)
  3. 溶于稀硫酸：\(\ce{Cu2(OH)2CO3 + 4H+ \xlongequal[]{} 2Cu^2+ + CO2 ^ + 3H2O}\)