铁,铁的化合物和铁的氧化物的性质,反应等?

一、铁的结构和性质
1.\x09铁是26号元素,位于第四周期第Ⅷ族,属于过渡元素.
主要化合价：+2,+3
2.铁在金属的分类中属于黑色金属,重金属,常见金属.纯净的铁是光亮的银白色金属,密度为7.86g/㎝3,熔沸点高,有较好的导电、传热性,能被磁铁吸引,也能被磁化.还原铁粉为黑色粉末.
3.铁是较活泼的金属元素,在金属活动性顺序表中排在氢的前面.
①跟非金属反应：点燃点燃 △
3Fe+2O2== Fe3O42Fe+3Cl2==2FeCl3Fe+S= FeS
Fe+I2= FeI2
②跟水反应： 3Fe+4H2O= Fe3O4+4H2↑
③跟酸作用：Fe+2H+=Fe2++H2↑(遇冷浓硝酸、浓硫酸钝化；与氧化性酸反应不产生H2,且氧化性酸过量时生成Fe3+)
④与部分盐溶液反应：Fe+Cu2+=Fe2++CuFe+2Fe3+=3Fe2+
3.生铁与钢的比较
铁的合金\x09生铁\x09钢
含碳量\x092%～4.3%\x090.03%～2%
其它杂质\x09含硅、锰、硫、磷较多\x09含硅、锰少量,硫和磷几乎没有
机械性能\x09硬而脆、无韧性\x09硬而韧、有弹性
机械加工\x09可铸不可锻\x09可铸、可锻、可压延
4.炼铁和炼钢的比较
\x09炼铁\x09炼钢
原料\x09铁矿石、焦炭、石灰石、空气\x09生铁、空气（或纯氧、氧化铁）、生石灰、脱氧剂
化学原理\x09在高温下用还原剂从铁矿石里还原出来\x09在高温下用氧化剂把生铁里过多的碳和其它氧化为气体或炉清除去
主
要
反
应\x09①还原剂的生成
C+O2 CO2
CO2+C 2CO
②铁的还原
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
③炉渣的生成
CaCO3 CaO+CO2
CaO+SiO2 CaSiO3
①氧化：2Fe+O2 2FeO
FeO氧化铁水里的Si、Mn、C等.如C+FeO
Fe+CO
②造渣：生成的硅锰氧化物得铁水里的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出.
③脱氧,并调整Mn、Si含量
2FeO+Si 2Fe+SiO2
主要设备\x09高炉\x09转炉
1.过渡元素位于周期表中中部从ⅢB～ⅡB族十个纵行,分属于第四周期至第七周期.过渡元素都是金属,又叫过渡金属.
过渡金属的密度一般比较大,熔沸点较高,有较高的硬度、较好的延展性和机械加工性能,较好的导电、导热性能和耐腐蚀性能.
过渡元素的原子最外层电子数不超过两个,在化学反应中,最外层和次外层都容易失去电子,因此过渡元素有可变化合价.所以当Fe与弱氧化剂反应时,只失去最外层上的2个电子,形成Fe2+；当Fe与强氧化剂反应时,还能进一步失去次外层上的一个电子,形成Fe3+.这就是铁在其化合物中通常显+2价或+3价的原因.则Fe发生化学反应能得到+2价还是+3价,需看参加反应的氧化剂的强弱,有时还要看反应物的量之间的关系.
例如：①铁在O2中燃烧的,一定要在集气瓶低留有少量的水或一层沙子,防止瓶子被炸裂；②Fe与S反应中Fe只能失去其最外层的2个电子而变成+2价,反应开始后撤去酒精灯,反应可以继续进行,说明反应放热；③Fe在Cl2中燃烧时不但能失去最外层的2个电子,而且还可失去次外层的1个电子后成+3价,说明氧化性Cl2>S；④在高温时能与C、P、Si等化合.
2.铁的合金
一般地说,含碳量在2%～4.3%的铁的合金叫做生铁.生铁里除含碳外,还含有硅、锰以及少量的硫、磷等,它可铸不可煅.根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种.
一般地说,含碳量在0.03%～2%的铁的合金叫做钢.钢坚硬有韧性、弹性,可以锻打、
压延,也可以铸造.
钢的分类方法很多,如果按化学成分分类,钢可以分为碳素钢和合金钢两大类.碳素钢就是普通的钢.合金钢也叫特种钢,是在碳素钢是适当地加入一种或几种,如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的.合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能.
3.炼铁
(1)反应原理：利用氧化——还原反应,在高温下,用还原剂(主要是CO)把铁从铁矿石里还原出来.
(2)原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气
(3)设备：高炉
(4)生产过程
①还原剂的生成
C+O2CO2CO2+C 2CO
②铁矿石还原成铁
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2↑
③除脉石、炉渣的形成
CaCO3 CaO+CO2↑
SiO2+CaO CaSiO3
4.炼钢
(1)设备：氧气顶吹转炉
(2)主要原料：炼钢生铁、生石灰、氧气.
(3)反应原理：利用氧化还原反应,在高温下,用氧化剂把生铁中过多的碳和其它杂质氧化为气体或炉渣除去.
(4)炼钢时的主要反应：
①氧化剂的生成,热能的来源2Fe+O2 2FeO
②降低碳的含量C+FeO CO+Fe
③除去S、P等杂质
④加硅铁、锰铁、铝除剩余FeO——脱氧
2FeO+Si 2Fe+SiO2
二、铁的氧化物和氢氧化物
1.铁的氧化物的比较
铁的氧
化物\x09FeO\x09Fe2O3\x09Fe3O4
俗称\x09\x09铁红\x09磁性氧化铁
色、态\x09黑色粉末\x09黑色晶体\x09红棕色粉末
铁的价态\x09+2\x09+3\x09+2、+3
水溶性\x09难溶于水
稳定性\x09不稳定性
6FeO+O2=2Fe3O4\x09稳定\x09稳定
与酸的反应\x09FeO+2H+=Fe2++H2O\x09Fe2O3+6H+=2Fe3+
+3H2O\x09Fe3O4+8H+=2Fe3++ Fe2++4H2O
与CO的反应\x09FexOy+yCO=xFe+yCO2
制取\x09高温熔融,过量的铁与氧气反应
2Fe+O2=2FeO\x09Fe(OH)3的分解
2Fe(OH)3=Fe2O3
+3H2O\x09铁在氧气中燃烧
3Fe+2O2=Fe3O4
2.铁的氢氧化物的比较
\x09Fe(OH)2\x09Fe(OH)3
物理性质\x09白色,难溶于水的固体\x09红褐色,难溶于水的固体
化学性质\x09（1）与非氧化性强酸反应
Fe(OH)2+2H+=Fe2++2H2O
(2)与氧化性酸反应
3Fe(OH)2+10HNO3=3Fe(NO3)3+NO↑+8H2O
（3）空气中放置被氧化
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3\x09（1）与酸反应
Fe(OH)3+3H+=Fe3++3H2O
（2）受热分解
2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O
制备\x09①煮沸蒸馏水,赶走溶解的氧气②煮沸NaOH溶液,赶走溶解的氧气③配制FeSO4溶液,加少量的还原铁粉④用长滴管将NaOH溶液送入FeSO4溶液液面以下
Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓\x09将NaOH溶液滴入Fe2(SO4)3溶液中
Fe3++3OH-=Fe(OH)3↓
1. Fe3O4是复杂的化合物,经研究证明,在Fe3O4晶体中有1/3的Fe是+2价,有2/3的Fe是+3价,可看成FeO•Fe2O3,实际应写成Fe(FeO2)2,即铁酸亚铁盐,不是一般的氧化物.
2.Fe(OH)2和Fe(OH)3从溶液中析出的现象不同,前者是白色絮状沉淀,后者是红褐色沉淀.而Fe(OH)2极不稳定,易被氧化成Fe(OH)3,反应现象是：白色→灰绿色→红褐色.
若要观察到白色的Fe(OH)2沉淀,需要创造以下条件：
（1）排除亚铁盐溶液里的Fe3+离子,以免Fe3+离子直接与OH-结合生成Fe(OH)3.
（2）尽量排除溶液中溶解的氧气（绝对排除是办不到的）,以减慢生成的Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3的速度.
反应要用新制备的亚铁盐溶液,并放入少量的铁以防止Fe3+离子产生.亚铁盐溶液与碱溶液在混合前分别加热以排除溶有的空气,然后,把碱溶液沿着试管壁加入盛亚铁盐溶液的试管中,或把滴管尖嘴直接插入液面下再加入碱溶液,可观察到白色絮状沉淀.
三、Fe、Fe2+和Fe3+之间相互转化及检验
从Fe、Fe2+和Fe3+的结构可知:Fe只有还原性,Fe3+通常只有氧化性,Fe2+既具有氧化性又具有还原性.上述微粒通过跟一定的氧化剂或还原剂发生氧化还原反应,才能实现不同价态的铁相互转化,如下图（常称为铁三角）：

Fe
Cl2
CO Fe3+CO O2
Zn Cu2+H2HNO3
I-、I2、S Al KMnO4
Cl2、O2、HNO3、KMnO4、H2O2
Fe2+ Fe、Cu、I-、S2-、H2S Fe3+
（溶液为绿色）（溶液为棕黄色）
1.学习铁及其化合物的性质要注意：
(1)抓价态：从铁元素三种价态的相互转化(铁三角关系)去认识铁及其化合物间的氧化—还原反应规律.
(2)想属类：如铁是一种比较活泼的过渡金属,氧化亚铁、氧化铁为碱性氧化物,氢氧化亚铁、氢氧化铁为不溶性弱碱,氯化铁为强酸弱碱盐,由此去分析理解它们各自所具有的性质.
2.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.
3.具体反应有：
（1）Fe2+→Fe3+
①2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-（在亚铁盐溶液中通入氯气,溶液由浅绿色变为棕黄色）.
②4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O（亚铁盐溶液在空气中容易变质,如绿矾露置于空气中则是：12FeSO4+3O2=4Fe2(SO4)3+2Fe2O3）
③3Fe2++NO3-+4H+=3Fe3++2H2O+NO↑
④5Fe2++MnO4-+8H+=5Fe3++4H2O+Mn2+
如在FeCl2溶液中滴加酸性KMnO4溶液,溶液由浅绿色变棕黄色,在酸性KMnO4溶液滴加FeCl2溶液,溶液由紫红变棕黄.
⑤2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O
（2）Fe3+→Fe2+
①2Fe3++S2+=2Fe2++S,如在FeCl3溶液中滴加适量的Na2S溶液,溶液变浑浊,滤去沉淀则滤液为浅绿色；如加入过量的Na2S溶液,则又有黑色沉淀生成（FeS）,向Fe3+溶液中通入H2S气体的离子方程式为：2Fe2++H2S=2Fe3++2H++S↓.
②2Fe3++SO32－+2H2O=2Fe2++SO42-+2H+
③2Fe3++Fe=3Fe2+,在FeSO3溶液中往往要加铁的原因是可以防止Fe2+被氧化为Fe3+.
④2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+,电路板的制作是利用FeCl3溶液与裸露的铜反应.
⑤2Fe3++2I－=2Fe2++I2
4.Fe2+和Fe3+的检验
（1）Fe2+的检验：
方法一：滴加KSCN溶液,无明显现象,再滴加新制氯水,溶液立即变红色.
方法二：滴加NaOH溶液,生成白色絮状沉淀,该沉淀迅速变为灰绿色,最后变为红褐色.
（2）Fe3+的检验：
方法一：滴加KSCN溶液或NH4SCN溶液,溶液立即变为血红色.
方法二：滴加NaOH溶液,出现红褐色沉淀.
1.Fe2+和Fe3+的相互转化
Fe2+有还原性,高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢等氧化剂能把它氧化成Fe3+：
MnO-4+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O
+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O
H2O2+2Fe2++2H+=2F3++2H2O
在酸性溶液中,空气中的氧也能把Fe2+氧化：
4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O
在碱性溶液中,Fe2+的还原性更强,它能把NO-3和NO-2还原成NH3,能把Cu2+还原成金属铜.Fe3+具有氧化性,它能把I-氧化成I2：
2Fe3++2I-=2Fe2++I2
在无线电工业上,常利用FeCl3溶液来刻蚀铜,制造印刷线路,它们反应的化学方程式是：
2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+
因此,铜在氯化铁溶液中能作还原剂,而FeCl3是氧化剂.
Fe3+在酸性溶液中容易被H2S、SnCl2等还原成Fe2+：
2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+
2F3++Sn2+=2Fe2++Sn4+
Fe3+还能被金属铁还原：
2Fe3++Fe=3Fe2+
在亚铁盐溶液中加入铁钉可防止Fe2+被氧化为Fe3+.
2.Fe2+和Fe3+的颜色
Fe2+在水溶液中通常以水合离子［Fe(H2O)6］2+形式存在,呈淡绿色,并存在下列平衡：
［Fe(H2O)6］2++H2O ［Fe(H2O)5OH］++H2O+
这个平衡的pK=9.5,水解的程度很小,溶液近于中性.
Fe3+在酸性溶液中,通常以淡紫色的［Fe(H2O)6］3+形式存在.三氯化铁以及其他+3价铁盐溶于水后都发生显著的水解,实质是+3价水合铁离子的水解.只有在PH=0左右时,才有［Fe(H2O)6］3+存在(但由于有阴离子的存在,会生成其他的络离子,影响淡紫色的观察).当PH为2～3时,水解趋势很明显.它们的水解平衡如下：
［Fe(H2O)6］3++H2O ［Fe(H2O)5(OH)］2++H3O+
K=10-3.05
［Fe(H2O)5(OH)］2++H2O ［Fe(H2O)4(OH)2］++H3O+
K=10-3.26
生成的碱式离子呈黄色,它可聚合成二聚体：
2［Fe(H2O)6］3+［Fe2(H2O)8(OH) 2］4++2H3O+
K=10-2.91
二聚体是借OH-为桥把2个Fe3+连结起来形成的多核络离子.溶液的PH越高,水解聚合的倾向越大,最后逐渐形成胶体,析出红综色水合氧化铁沉淀.