探究鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化高一下學(xué)期化學(xué)蘇教版（2019）必修第二冊(cè)

專題9

金屬與人類文明

第二單元

探究鐵及其化合物的轉(zhuǎn)化自然界蘊(yùn)藏著大量的金屬化合物，為了更好地開發(fā)和利用這些自然資源，探索金屬及其化合物的轉(zhuǎn)化規(guī)律至關(guān)重要。在人類的生產(chǎn)、生活實(shí)踐中，為了合理利用已經(jīng)獲得的金屬及其化合物，必須深入了解它們的性質(zhì)和反應(yīng)。金屬種類多，性質(zhì)也有差異，必須結(jié)合具體的金屬進(jìn)行分析。本單元側(cè)重探究鐵及其化合物轉(zhuǎn)化的思路。反應(yīng)的合理選擇物質(zhì)轉(zhuǎn)化首先必須明確目標(biāo)產(chǎn)物是什么。有了目標(biāo)產(chǎn)物，可以依據(jù)產(chǎn)物特性選擇反應(yīng)原料和可能的反應(yīng)路徑，確定反應(yīng)的類型和反應(yīng)條件，依據(jù)所發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和產(chǎn)物分離的要求合理選擇反應(yīng)的裝置等。鐵元素有多種不同價(jià)態(tài)的存在形式和不同的物質(zhì)類型，如單質(zhì)、氧化物、氫氧化物和硫酸鹽等。這些物質(zhì)具有不同的性質(zhì)，在一定條件下能相互轉(zhuǎn)化。下面以鐵及其化合物為例，嘗試探索物質(zhì)之間轉(zhuǎn)化路徑的設(shè)計(jì)。鐵的物理性質(zhì)：熔點(diǎn)：1535℃沸點(diǎn)：2750℃密度:7.8g/cm3色澤：純鐵具有銀白色金屬光澤延展性：良好傳導(dǎo)性：良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性

從理論上看，上述3條反應(yīng)路徑都可以制備氯化鐵：路徑(1)，在點(diǎn)燃條件下氯氣將鐵氧化為+3價(jià)的鐵化合物，并從反應(yīng)爐中排出，經(jīng)冷凝后得到固體三氯化鐵；路徑(2)，用鹽酸溶解鐵，生成的FeCl2在溶液中被Cl2氧化為FeCl3，分離提純后得到產(chǎn)物；路徑(3)，在一定條件下用空氣將鐵氧化成氧化鐵，再將氧化鐵溶解在鹽酸中得到氯化鐵，分離提純后得到產(chǎn)物。鐵、氯化亞鐵與氯氣的反應(yīng)如下:1、用于制藥、農(nóng)藥、粉末冶金、熱氫發(fā)生器、凝膠推進(jìn)劑、燃燒活性劑、催化劑、水清潔吸附劑、燒結(jié)活性劑、粉末冶金制品、各種機(jī)械零部件制品、硬質(zhì)合金材料制品等。2、純鐵用于制發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的鐵芯，還原鐵粉用于粉末冶金，鋼鐵用于制造機(jī)器和工具。此外，鐵及其化合物還用于制磁鐵、藥物、墨水、顏料、磨料等。3、用作還原劑。用于鐵鹽制備。還用于制備電子元器件。4、用作營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑（鐵質(zhì)強(qiáng)化劑）。5、在膠黏劑中用作環(huán)氧膠黏劑的填料，配制鑄件修補(bǔ)膠。常作為還原劑使用。在電子工業(yè)、粉末冶金、機(jī)械工業(yè)中具有廣泛的用途。鐵的用途學(xué)科提煉物質(zhì)制備反應(yīng)路線的選擇實(shí)際制備物質(zhì)時(shí)，必須根據(jù)反應(yīng)原料、反應(yīng)條件、反應(yīng)步驟、產(chǎn)物要求、反應(yīng)裝置、環(huán)境保護(hù)、生產(chǎn)成本等因素進(jìn)行綜合判斷，選擇合適、可控的反應(yīng)路徑。在實(shí)驗(yàn)室中，可從與Fe3+有關(guān)的多種反應(yīng)中選擇合適的反應(yīng)，以檢驗(yàn)溶液中的Fe3+。如在含有Fe3+的溶液中加入氫氧化鈉溶液，通過觀察是否生成紅褐色的氫氧化鐵沉淀，便可定性地檢驗(yàn)出Fe3+的存在。這種方法需要加入的堿量較多，現(xiàn)象也容易受到干擾，反應(yīng)的靈敏度和精確性都不高。缺點(diǎn)：這種方法需要加入的堿量較多，現(xiàn)象也容易受到干擾，反應(yīng)的靈敏度和精確性都不高。方法導(dǎo)引Fe3+的檢驗(yàn)在溶液中，某些金屬離子能與一些特定的物質(zhì)結(jié)合生成有顏色的物質(zhì)，即便金屬離子的含量很少，溶液顏色也會(huì)因特定物質(zhì)的加入而發(fā)生顯著變化。在含有Fe3+的溶液中滴加KSCN溶液，反應(yīng)混合液立刻變成了血紅色，而Fe2+遇KSCN溶液不顯色。這種方法靈敏度高，常用于檢驗(yàn)溶液中是否存在Fe3+。用KSCN溶液檢驗(yàn)Fe3+，發(fā)生的反應(yīng)可簡(jiǎn)單表示為:鐵及其化合物的性質(zhì)實(shí)驗(yàn)【實(shí)驗(yàn)1】取兩支試管分別編為A、B，向A試管中加入3mL0.1mol·L-1FeCl3溶液，向B試管中加入3mL0.1mol·L-1FeCl2

溶液。然后向兩試管各滴加2滴硫氰化鉀溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。現(xiàn)象：A試管溶液變?yōu)榧t色，B試管無(wú)明顯現(xiàn)象結(jié)論：Fe3++3SCN-=Fe(SCN)3【實(shí)驗(yàn)2】向?qū)嶒?yàn)1的A試管加入過量鐵粉，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。預(yù)測(cè)該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。結(jié)論：Fe3+具有氧化性，F(xiàn)e具有還原性：現(xiàn)象：紅色褪去Fe3++Fe===2Fe2+【實(shí)驗(yàn)3】向?qū)嶒?yàn)1的B試管加入少量新制氯水，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象?，F(xiàn)象：加入KSCN溶液后，無(wú)明顯現(xiàn)象，滴加氯水后溶液呈紅色。結(jié)論：Fe2+具有還原性：2Fe2++Cl2

===2Fe3++2Cl2-Fe3+的檢驗(yàn)方法：未知溶液觀察顏色NaOH溶液KSCN溶液溶液呈棕黃色產(chǎn)生紅褐色沉淀溶液呈紅色含有Fe3+含有Fe3+含有Fe3+Fe2+的檢驗(yàn)方法：未知溶液觀察顏色NaOH溶液KSCN溶液溶液呈淺綠色產(chǎn)生白色絮狀沉淀，然后迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色溶液不變紅色，含有Fe2+含有Fe2+含有Fe2+溶液呈紅色氯水Fe2+在溶液中容易被一些氧化劑(如氯水中的Cl2、空氣中的O2、H2O2等)氧化為Fe3+，而Fe粉可以將Fe3+還原為Fe2+。為實(shí)現(xiàn)+2價(jià)的亞鐵鹽、+3價(jià)的鐵鹽之間的相互轉(zhuǎn)化，可以選擇適當(dāng)?shù)难趸瘎┗蜻€原劑。Fe2+和Fe3+之間的轉(zhuǎn)化常發(fā)生在溶液中。例如，若要除去廢水中的Fe2+，我們常先將其氧化為Fe3+，再調(diào)節(jié)溶液的pH使Fe3+轉(zhuǎn)化為紅褐色的Fe(OH)3沉淀析出，通過過濾的方法將其除去。FeCl3溶液中的Fe3+具有較強(qiáng)的氧化性，能將Cu氧化成Cu2+。在制作印刷電路板時(shí)常用到這一反應(yīng)。印刷電路版Fe、Fe2+、Fe3+常見的轉(zhuǎn)化FeFe2+Fe3++弱氧化劑：H+、Cu2+、Fe3++強(qiáng)氧化劑：O2、Cl2、Br2+強(qiáng)氧化劑：O2、Cl2、Br2

、H2O2+還原劑：Cu、Fe、I-+強(qiáng)還原劑：Al、C、CO等+強(qiáng)還原劑：Al、C、CO等反應(yīng)條件的控制化學(xué)反應(yīng)都是在一定條件下發(fā)生的。反應(yīng)條件對(duì)化學(xué)反應(yīng)的方向、速率和限度都會(huì)有不同程度的影響。在研究物質(zhì)的性質(zhì)和制備時(shí)，應(yīng)依據(jù)化學(xué)反應(yīng)的規(guī)律和反應(yīng)物、生成物的特點(diǎn)，合理選擇并控制好反應(yīng)條件，才能達(dá)到預(yù)期的結(jié)果。例如，亞鐵鹽與氫氧化鈉溶液反應(yīng)能生成白色氫氧化亞鐵沉淀。亞鐵鹽非常容易被氧氣或其他氧化劑氧化，生成的氫氧化亞鐵也很不穩(wěn)定，容易被空氣中的氧氣氧化。在實(shí)驗(yàn)室中，希望利用亞鐵鹽與氫氧化鈉溶液反應(yīng)制得氫氧化亞鐵，反應(yīng)的原料必須使用新制的、不含三價(jià)鐵鹽的亞鐵鹽溶液與不含溶解氧的氫氧化鈉溶液；在反應(yīng)過程中還要采取措施，防止反應(yīng)混合物與氧氣或其他氧化劑接觸，才能得到白色氫氧化亞鐵沉淀。實(shí)驗(yàn)探究取A、B兩支試管，分別加入6mL0.1mol.L-1的新制FeSO4溶液。(1)向A試管中滴加0.1mol.L-1NaOH溶液，邊滴加邊振蕩試管，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。(2)用長(zhǎng)膠頭滴管吸取幾滴經(jīng)過煮沸并冷卻的0.1mol·L-1NaOH溶液，將膠頭滴管末端伸入B試管中FeSO4溶液的液面之下，慢慢擠出NaOH溶液，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象試管A試管B溶液中先有的白色絮狀沉淀生成，迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色有紅褐色沉淀生成實(shí)驗(yàn)表明，在不同的反應(yīng)條件下，F(xiàn)eSO4溶液與NaOH溶液反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不同，得到的產(chǎn)物也不同。A試管中開始生成白色絮狀的氫氧化亞鐵沉淀，并迅速被溶解在溶液中和液面上方的氧氣氧化，逐步變成灰綠色，最后變成紅褐色沉淀。B試管中控制了反應(yīng)條件，生成物盡量避免與空氣中的氧氣接觸而被氧化，因此可得到白色的氫氧化亞鐵絮狀沉淀。在化學(xué)研究和化學(xué)工業(yè)中，控制反應(yīng)條件十分重要。例如，二氧化硫的催化氧化、氨的合成反應(yīng)等，都需要嚴(yán)格控制反應(yīng)的溫度、壓強(qiáng)，選擇合適的催化劑，確定反應(yīng)物的配比，才能使物質(zhì)制備的過程得以順利進(jìn)行。生活向?qū)цF元素與人體健康在人體膳食結(jié)構(gòu)中，鐵元素有血紅素鐵和非血紅素鐵。血紅素鐵是與血紅蛋白、肌紅蛋白中的卟啉結(jié)合的二價(jià)鐵，而非血紅素鐵則