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02 铁及其化合物.md

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元素及其化合物 · 二 · 「铁 $(\ce{Fe})$ 及其化合物」

铁单质

物理性质

  • 银白色固体，有金属性光泽
  • 容易被磁铁吸引
  • 地壳中居第四位

化学性质

铁元素性质活泼，有较强的还原性，主要化合价为+2 价和+3 价

  1. 与非金属单质反应

    • $\ce{3Fe + 2O2 \xlongequal{点燃} Fe3O4}$

    • $\ce{2Fe + 3Cl2 \xlongequal{点燃} FeCl3}$

    • $\ce{Fe + S \xlongequal{\Delta} FeS}$

  2. 与水反应

    • 铁在高温下与水蒸气反应：$\ce{3Fe + 4H2O(g) \xlongequal{高温} Fe3O4 + 4H2}$

  3. 与酸反应

    • 与非还原性酸：$\ce{Fe + 2H+ \xlongequal{} Fe^2+ + H2 ^}$

    • 与少量稀硝酸：$\ce{3Fe + 8H+ + 2NO^-_3 \xlongequal{} 3Fe^2+ + 2NO ^ + 4H2O}$

    • 与过量稀硝酸：$\ce{Fe + 4H+ + NO^-_3 \xlongequal{} Fe^3+ + NO ^ + 2H2O}$

    • 铁遇到冷的浓硫酸或浓硝酸会钝化

      常考：对于特定比例的 $\ce{Fe}$ 与 $\ce{HNO3}$ 进行反应的方程式

      1. 当比例大于等于 $3:8$ ，此时铁过量，生成物全部都是亚铁

        $\ce{3Fe(过量) +8HNO3(稀) \xlongequal{} 3Fe(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O}$

      2. 比例介于 $3:8$ 和 $1:4$ 之间，则会有部分二价铁继续被硝酸氧化成三价铁

      $\ce{3Fe(NO3)2 +4HNO3(稀) \xlongequal{} 3Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O}$

      1. 比例小于等于 $1:4$ ，此时稀硝酸足量，铁单质全都被氧化成三价铁

        $\ce{Fe +4HNO3(稀) \xlongequal{} Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O}$

  4. 与盐溶液反应

    • 置换反应：$\ce{Fe + Cu^2+ \xlongequal{} Fe^2+ + Cu}$

    • 与氯化铁溶液：$\ce{Fe + 2Fe^3+ \xlongequal{} 3Fe^2+}$

铁的氧化物

物理性质

名称 氧化亚铁 $\ce{FeO}$ 氧化铁 $\ce{Fe2O3}$ 四氧化三铁 $\ce{Fe3O4}$
俗称 - 铁红 磁性氧化铁
化合价 $+2$ $+3$ 两个 $+2$、一个 $+3$
物理性质 黑色粉末 红褐色粉末 黑色粉末
用途 - 炼铁、铝热剂、油漆、涂料 炼铁

化学性质

  1. 与非氧化性酸（盐酸 $\ce{HCl}$ ）反应：

    • 氧化亚铁 $\ce{FeO}$：$\ce{FeO + 2H+} \xlongequal{} \ce{Fe^2+ + H2O}$

    • 氧化铁 $\ce{Fe2O3}$：$\ce{Fe2O3 + 6H+} \xlongequal{} \ce{2Fe^3+ + 3H2O}$

    • 四氧化三铁 $\ce{Fe3O4}$：$\ce{Fe3O4 + 8H+} \xlongequal{} \ce{Fe^2+ + 2Fe^3+ + 4H2O}$

  2. 与氧化性酸（过量稀硝酸 $\ce{HNO3}$ ）反应：

    • 氧化亚铁 $\ce{FeO}$：$\ce{3FeO + 10H+ +NO^-_3} \xlongequal{} \ce{3Fe^3+ +NO ^ + 5H2O}$

    • 氧化铁 $\ce{Fe2O3}$：$\ce{Fe2O3 + 6H+} \xlongequal{} \ce{2Fe^3+ + 3H2O}$

    • 四氧化三铁 $\ce{Fe3O4}$：$\ce{3Fe3O4 + 28H^+ +NO^-_3} \xlongequal{} \ce{9Fe^3+ +NO ^ + 14H2O}$

  3. 与氧化性酸（少量稀硝酸 $\ce{HNO3}$ ）反应：

    • 氧化亚铁 $\ce{FeO}$：$\ce{FeO + 2HNO3 \xlongequal{} Fe(NO3)2 + H2O}$

    • 氧化铁 $\ce{Fe2O3}$：$\ce{Fe2O3 + 6HNO3 \xlongequal{} 2Fe(NO3)3 + 3H2O}$

    • 四氧化三铁 $\ce{Fe3O4}$：$\ce{Fe3O4 + 8HNO3 \xlongequal{} 3Fe(NO3)3 + 2H2O}$

  4. 与还原性酸（ 氢碘酸 $\ce{HI}$ ） 反应：

    • 氧化亚铁 $\ce{FeO}$：$\ce{FeO + 2H+} \xlongequal{} \ce{Fe^2+ + H2O}$

    • 氧化铁 $\ce{Fe2O3}$：$\ce{Fe2O3 + 6H+ +2I-} \xlongequal{} \ce{2Fe^2+ +I2 + 3H2O}$

    • 四氧化三铁 $\ce{Fe3O4}$：$\ce{Fe3O4 + 8H+ +2I-} \xlongequal{} \ce{3Fe^2+ +I2 + 4H2O}$

  5. 与还原性物质（ $\ce{CO}$ ）反应：

    • 氧化亚铁 $\ce{FeO}$：$\ce{FeO + CO} \xlongequal{} \ce{Fe + CO2}$

    • 氧化铁 $\ce{Fe2O3}$：$\ce{Fe2O3 + 3CO} \xlongequal{} \ce{2Fe + 3CO2}$

    • 四氧化三铁 $\ce{Fe3O4}$：$\ce{Fe3O4 + 4CO} \xlongequal{} \ce{3Fe + 4CO2}$

铁的氢氧化物

物理性质

名称 氢氧化亚铁 $\ce{Fe(OH)2}$ 氢氧化铁 $\ce{Fe(OH)3}$
颜色状态 白色固体 红褐色固体
水溶性 难溶 难溶

化学性质

  1. 与非氧化性酸（盐酸 $\ce{HCl}$ ）反应：

    • 氢氧化亚铁 $\ce{Fe(OH)2}$ ：$\ce{Fe(OH)2 + 2HCl} \xlongequal{} \ce{FeCl2 + 2H2O}$

    • 氢氧化铁 $\ce{Fe(OH)3}$ ：$\ce{Fe(OH)3 + 3HCl} \xlongequal{} \ce{FeCl3 + 3H2O}$

  2. 与氧化性酸（稀硝酸 $\ce{HNO3}$ ）反应：

    • 氢氧化亚铁 $\ce{Fe(OH)2}$ ：$\ce{Fe(OH)2 + 2HNO3(少量) \xlongequal{} Fe(NO3)2 + 2H2O\3Fe(OH)2 + 10HNO3(过量) \xlongequal{} 3Fe(NO3)3 + NO ↑+ 8H2O}$

    • 氢氧化铁 $\ce{Fe(OH)3}$ ：$\ce{Fe(OH)3 + 3HNO3} \xlongequal{} \ce{Fe(NO3)3 + 3H2O}$

  3. 与还原性酸（ 氢碘酸 $\ce{HI}$） 反应：

    • 氢氧化亚铁 $\ce{Fe(OH)2}$ ：$\ce{Fe(OH)2 + 2HI} \xlongequal{} \ce{FeI2 + 2H2O}$

    • 氢氧化铁 $\ce{Fe(OH)3}$ ：$\ce{Fe(OH)3 + 3HI} \xlongequal{} \ce{FeI3 + 3H2O}$

  4. 稳定性

    • $\ce{Fe(OH)2}$ 不稳定，在空气中易被氧化

      $\ce{4Fe(OH)2 +O2 +2H2O \xlongequal{} 4Fe(OH)2}$

    • $\ce{Fe(OH)3}$ 不稳定（但较 $\ce{Fe(OH)2}$ 稳定），受热分解

      $\ce{2Fe(OH)3 \xlongequal{\Delta} Fe2O3 +3H2O}$

  5. 制备

    • $\ce{Fe(OH)2}$ ：$\ce{Fe^2+ + 2OH- \xlongequal{} Fe(OH)2 v}$

      （将含有 $\ce{NaOH}$ 的滴管插入到含 $\ce{Fe^2+}$ 的溶液中，防止被空气中的 $\ce{O2}$ 氧化）

    • $\ce{Fe(OH)3}$ ：$\ce{Fe^2+ + 3OH- \xlongequal{} Fe(OH)3 v}$

  6. 转化

    $\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O \xlongequal{} 4Fe(OH)3}$

铁盐与亚铁盐

$\ce{Fe^2+}$

含有 $\ce{Fe^2+}$ 的溶液呈浅绿色，既有氧化性又有还原性

  1. 氧化性：$\ce{Zn + Fe^2+ \xlongequal{} Fe + Zn^2+}$
  2. 还原性：$\ce{Cl2 + 2Fe^2+ \xlongequal{} 2Fe^3+ + 2Cl^-}$
  3. 特性：含有 $\ce{Fe^2+}$ 的盐溶液遇铁氰化钾 $\ce{K3[Fe(CN)6]}$ 生成蓝色沉淀

$\ce{Fe^3+}$

含有 $\ce{Fe^3+}$ 的溶液呈黄色，有较强的氧化性

  1. 氧化性

    1. 铁离子与铜（$\ce{Cu}$）的反应：$\ce{Fe^3+ + Cu \xlongequal{} Fe^2+ + Cu^2+}$

    2. 铁离子与碘离子（$\ce{I^-}$）的反应：$\ce{2Fe^3+ + 2I^- \xlongequal{} 2Fe^2+ + I2}$

    3. 铁离子与硫离子（$\ce{S^2-}$）的反应：$\ce{2Fe^3+ + 3S^2- \xlongequal{} Fe2S3}$

  2. 特性：含有 $\ce{Fe^3+}$ 的盐溶液遇 $\ce{KSCN}$ 溶液 变成红色

常见的铁盐与亚铁盐

  1. 三氯化铁 $\ce{FeCl3}$：棕黄色固体，一种常见的氧化剂，能与多种还原剂发生氧化还原反应，能回收废铜，刻制印刷电路板时作腐蚀液，其反应的离子方程式为 $\ce{2Fe^3+ + Cu \xlongequal{} 2Fe^2+ + Cu^2+}$

    • 制备无水 $\ce{FeCl3}$：在 $\ce{HCl}$ 气氛中加热蒸干 $\ce{FeCl3}$ 溶液，抑制 $\ce{FeCl3 +3H2O<=>Fe(OH)3 +3HCl}$ 正移
    • 制备 $\ce{Fe(OH)3}$ 胶体：向沸水中滴入饱和 $\ce{FeCl3}$ 溶液并煮沸至溶液呈红褐色为止

  2. 绿矾 $\ce{FeSO4\cdot 7H2O}$：一种重要的还原剂，可用作补血剂及植物的补铁剂

  3. 高铁酸钾 $\ce{K2FeO4}$ ：深紫色晶体，具有强氧化性，可用作水处理剂和高能电池

  4. 铁铵矾 $\ce{NH4Fe(SO4)2·12H2O}$ ：无色晶体，易溶于水，常用作化学分析试剂药物和织物媒染剂

  5. 赤血盐 $\ce{K3[Fe(CN)6]}$ ：红色晶体，易溶于水，常用于检验 $\ce{Fe^2+}$ ，生成蓝色沉淀

盐溶液保存

  • $\ce{Fe^2+}$ 的盐溶液：加入少量铁粉，防止 $\ce{Fe^2+}$ 被氧化；加入少量对应的酸，抑制 $\ce{Fe^2+}$ 水解
  • $\ce{Fe^3+}$ 的盐溶液：加入少量对应的酸，抑制 $\ce{Fe^3+}$ 水解

$\ce{Fe^2+}$ 与 $\ce{Fe^3+}$ 的检验

  1. 直接观察颜色

    • 含有 $\ce{Fe^2+}$ 的溶液呈浅绿色
    • 含有 $\ce{Fe^3+}$ 的溶液呈黄色

  2. 利用显色反应

    • $\ce{KSCN}$ 溶液
      • 溶液变红色：$\ce{Fe^3+}$
      • 溶液不变色，加入 $\ce{HCl}$ / 氯水，变红色：$\ce{Fe^2+}$
    • 苯酚
      • 溶液呈紫色：$\ce{Fe^2+}$

  3. 利用 $\ce{Fe(OH)3}$ 沉淀的颜色

    • $\ce{NaOH}$ 溶液

      • 红褐色沉淀：$\ce{Fe^3+}$

      • 生成白色絮状沉淀，白色沉淀变为灰绿色，最后变为红褐色：$\ce{Fe^2+}$

  4. 利用 $\ce{Fe^3+}$ 的氧化性

    • $\ce{Cu}$ 片
      • 铜被腐蚀，溶液变为蓝绿色：$\ce{Fe^3+}$
    • 淀粉$\ce{-KI}$ 试纸
      • 变蓝：$\ce{Fe^3+}$
    • $\ce{H2S}$ 水溶液
      • 产生淡黄色沉淀：$\ce{Fe^3+}$

  5. 利用 $\ce{Fe^2+}$ 的还原性

    • 溴水
      • 溴水褪色： $\ce{Fe^2+}$
    • $\ce{KMnO4}$ 溶液
      • 紫色褪去：$\ce{Fe^2+}$

  6. 利用 $\ce{Fe^2+}$ 的特殊反应

    • $\ce{K3 [Fe(CN)6]}$
      • 生成蓝色沉淀：$\ce{KFe [Fe(CN)6] }$

铁及其重要化合物的转化