铁及其化合物
本节课系统学习铁的单质、氧化物、氢氧化物以及铁盐和亚铁盐的性质与转化。重点掌握铁三角（Fe↔Fe²⁺↔Fe³⁺）关系、Fe²⁺的还原性、Fe³⁺的氧化性以及特征检验方法。
1. 概念导入：生活中的铁
铁是生活中最常用的金属——铁锅、铁轨、铁桥……但你是否注意到，铁制品很容易生锈？铁锈疏松多孔，主要成分是 Fe₂O₃（氧化铁）。为什么铁会生锈？生锈后铁还能变回来吗？这些都和铁的化学性质密切相关。今天我们就走进“铁及其化合物”的世界，弄清楚铁为什么会变价、如何变价。
2. 核心讲解
2.1 铁原子的结构
铁是第26号元素，位于第四周期第Ⅷ族。其原子结构示意图为：
$Fe：\; +26 \; 2 \; 8 \; 14 \; 2$
最外层2个电子，但次外层未满（14个电子）。因此铁在化学反应中容易失去最外层2个电子形成 Fe²⁺，也可以再失去次外层1个电子形成 Fe³⁺。所以铁具有 +2 价（亚铁）和 +3 价（铁）两种常见化合价。
2.2 铁单质的性质
- 物理性质：银白色金属光泽、延展性、导热导电性、能被磁铁吸引。
- 化学性质：
- 与非金属反应：$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} Fe_3O_4$（火星四射），$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{\text{点燃}} 2FeCl_3$（产生棕褐色烟）。
- 与水蒸气反应：$3Fe + 4H_2O(g) \xrightarrow{\text{高温}} Fe_3O_4 + 4H_2$。
- 与酸反应：
与盐酸、稀硫酸：$Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2↑$（产生H₂）。
与稀硝酸（常温）：$Fe + 4HNO_3(稀) \rightarrow Fe(NO_3)_3 + NO↑ + 2H_2O$（不生成H₂）。 - 与盐反应：$Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu$（湿法炼铜）。
2.3 铁的氧化物
| 化学式 | 俗名 | 颜色状态 | 铁元素价态 | 主要性质 |
|---|---|---|---|---|
| FeO | 氧化亚铁 | 黑色粉末 | +2 | 不稳定，易被氧化；碱性氧化物 |
| Fe₂O₃ | 氧化铁（铁锈主要成分） | 红棕色粉末 | +3 | 稳定性好；碱性氧化物，可用作颜料 |
| Fe₃O₄ | 磁性氧化铁（磁铁矿） | 黑色晶体 | +2, +3（混合价态） | 有磁性；可看作FeO·Fe₂O₃ |
2.4 铁的氢氧化物
Fe(OH)₂ 和 Fe(OH)₃ 均由可溶性铁盐/亚铁盐与碱反应生成：
Fe(OH)₂ 的制备：$Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2↓$（白色沉淀，但迅速变成灰绿色，最终变成红褐色，因为被空气中O₂氧化：$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3$）。
Fe(OH)₃ 的制备：$Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3↓$（红褐色沉淀）。
Fe(OH)₃ 受热分解：$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{\triangle} Fe_2O_3 + 3H_2O$。
2.5 Fe²⁺ 与 Fe³⁺ 的相互转化（铁三角）
这是本节最核心的内容，也是学习铁及其化合物的“通关密码”。
记忆口诀：
“铁遇弱氧显+2，遇强氧剂变+3；
亚铁遇氧升+3，铁盐遇铁还+2。”
2.6 Fe³⁺ 的检验
- 加 KSCN 溶液：Fe³⁺ 与 SCN⁻ 反应生成血红色配合物 $[Fe(SCN)_n]^{3-n}$，是 Fe³⁺ 的 特征反应（Fe²⁺ 无此现象）。
- 加 NaOH 溶液：Fe³⁺ → 红褐色沉淀 Fe(OH)₃；Fe²⁺ → 白色沉淀迅速变为灰绿最终红褐。
3. 典型例题
例1（基础）：如何除去 FeCl₂ 溶液中混有的少量 FeCl₃？写出原理和离子方程式。
思路：Fe³⁺ 具有氧化性，Fe 单质可将其还原为 Fe²⁺，同时不引入新杂质。
操作：向溶液中加入过量铁粉，充分反应后过滤。
离子方程式：$2Fe^{3+} + Fe \rightarrow 3Fe^{2+}$
例2（中档）：将铁粉投入到氯化铁和氯化铜的混合溶液中，充分反应后，若剩余固体中有铁粉，则溶液中的阳离子一定存在______，一定不存在______。
思路：铁粉优先还原 Fe³⁺（氧化性 Fe³⁺ > Cu²⁺），然后再与 Cu²⁺ 反应。若剩余铁粉，说明 Fe³⁺ 和 Cu²⁺ 已被完全还原。
答案：一定存在 Fe²⁺；一定不存在 Fe³⁺ 和 Cu²⁺。
易错点：注意反应顺序，Fe³⁺ 先反应。
例3（提高）：现有含 Fe₂O₃ 和 Fe 的混合物 10 g，加入足量稀硫酸，充分反应后生成 H₂ 0.2 g，求原混合物中 Fe₂O₃ 的质量分数。
思路：根据生成 H₂ 计算与稀硫酸反应的铁的质量，再结合 Fe₂O₃ 与酸反应后 Fe³⁺ 被 Fe 还原的关系列方程。
解：设铁单质为 x g，其中与酸反应生成 H₂ 的 Fe 为 a g，与 Fe³⁺ 反应的 Fe 为 b g，则 a+b = x。
由 $Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2↑$，生成 0.2 g H₂ 需 Fe：
$ rac{a}{56} = rac{0.2}{2} \Rightarrow a = 5.6$ g。
设 Fe₂O₃ 为 y g，则 $n(Fe_2O_3)=\frac{y}{160}$，消耗的 Fe³⁺ 为 $\frac{2y}{160}$ mol。
由 $Fe + 2Fe^{3+} \rightarrow 3Fe^{2+}$，消耗 Fe 的物质的量 = $\frac{1}{2}n(Fe^{3+}) = \frac{y}{160}$ mol，对应质量 $b = 56 \times \frac{y}{160} = 0.35y$ g。
则有 $5.6 + 0.35y + y = 10 \Rightarrow 1.35y = 4.4 \Rightarrow y ≈ 3.26$ g。
质量分数 $= \frac{3.26}{10} \times 100\% = 32.6\%$。
易错点：注意 Fe 不仅与酸反应，还与 Fe³⁺ 反应。
4. 常见误区
- 误区1：铁与任何酸反应都生成氢气 —— Fe 与浓硫酸、浓硝酸常温钝化，与稀硝酸生成 NO 等，不生成 H₂。
- 误区2：Fe(OH)₂ 是白色沉淀，可以直接看到 —— 实际因为极易被氧化，看到的是灰绿色或红褐色。
- 误区3：Fe²⁺ 和 Fe³⁺ 相互转化时忽略离子共存 —— 例如 Fe³⁺ 与 S²⁻、I⁻ 等还原性离子不共存，Fe²⁺ 与强氧化剂不共存。
- 误区4：除杂时认为加 Cu 可以除去 FeCl₃ —— 会引入 Cu²⁺，应加 Fe 粉。
5. 学习建议
- 熟记铁三角转化，每个箭头对应的典型氧化剂/还原剂要牢记。
- 多做实验思考题，如 Fe(OH)₂ 的制备为什么需要隔绝空气？
- 对比记忆：把 Fe²⁺ 和 Fe³⁺ 的检验、颜色、性质对比列表。
- 练习氧化还原配平，Fe 的变价是氧化还原反应的好素材。
6. 知识链接
本内容是“金属及其化合物”的重要部分，前面已学《钠及其化合物》《铝及其化合物》，钠只有 +1 价、铝只有 +3 价，而铁呈现变价，为后续学习《氧化还原反应》的深入应用打下基础。同时，铁的化合物也与《离子反应》《铁盐与亚铁盐在水溶液中的水解》有关。在元素周期表中，铁处在第Ⅷ族，与钴、镍性质相似，同属过渡金属，常有多种化合价。
7. 习题自测
- 向 FeCl₃ 溶液中加入铁粉，充分反应后，溶液中含有的阳离子是______。
- 写出 Fe(OH)₃ 受热分解的化学方程式。
- 用化学方法区别 FeCl₂ 和 FeCl₃ 两种溶液，至少写出两种方法。
答案
- Fe²⁺（反应：2Fe³⁺ + Fe → 3Fe²⁺）
- 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O（条件：加热）
- ① 加 KSCN 溶液，变血红色的是 FeCl₃；② 加 NaOH 溶液，立即出现红褐色沉淀的是 FeCl₃，先白色沉淀后变灰绿最终红褐的是 FeCl₂；③ 加淀粉-KI 溶液，变蓝色的是 FeCl₃（2Fe³⁺ + 2I⁻ → 2Fe²⁺ + I₂）。