【文化课学习笔记】【化学】金属及其化合物

【化学】必修一：金属及其化合物

钠及其化合物

钠单质

物理性质

1. 颜色：银白色，有金属光泽；
2. 密度：\(\mathrm{\rho_{H_2O}>\rho_{Na}>\rho_{煤油}}\)(钠可以在煤油中进行保存)；
3. 熔点：低于 \(100\mathrm{℃}\)；
4. 硬度：柔软，可用小刀切割；
5. 自然界中存在形态：只有化合态。

化学性质

1. 与氧气的反应：

   \[\mathrm{4Na+O_2=2Na_2O(失去金属光泽)}\\ \mathrm{2Na+O_2\xlongequal{\triangle}Na_2O_2(淡黄色)} \]

   钠的连续氧化：从钠反应得到氧化钠再反应得到过氧化钠，第一个反应钠化合价由 \(0\to +1\)，第二个反应氧化合价由 \(-2\to -1\)。

   钠在空气中久置：

   \[\mathrm{Na\xrightarrow{O_2}Na_2O\xrightarrow{H_2O}NaOH\xrightarrow{CO_2}Na_2CO_3\cdot 10H_2O\rightarrow Na_2CO_3} \]

2. 与水反应：

   \[\mathrm{2Na+2H_2O=2NaOH+H_2↑}\\ \mathrm{2Na+2H_2O=2Na^++2OH^-+H_2↑} \]

   将钠单质加入到含有酚酞的水溶液中现象：浮熔游响红

   浮：密度小于水；

   熔：熔点低；放热；

   游响红：生成氢气。

3. 与盐溶液反应：

   先与水反应，生成的 \(\mathrm{NaOH}\) 再与盐溶液反应。

   注意：钠加入到饱和氢氧化钠水溶液中，氢氧化钠析出。

钠的氧化物

名称	氧化钠 \(\mathbf{Na_2O}\)	过氧化钠 \(\mathbf{Na_2O_2}\)
阴阳离子个数比	\(\mathrm{Na^{+}:O^{2-}=2:1}\)	\(\mathrm{Na^+:{O_2}^{2-}=2:1}\)
化合物类型	离子化合物(碱性氧化物)	离子化合物(非碱性氧化物、过氧化物)
性质	碱性氧化物通性	强氧化性
颜色、状态	白色、固体	淡黄色、固体
稳定性	不稳定、加热生成 \(\mathrm{Na_2O_2}\)	较稳定
与水	\(\mathrm{Na_2O+H_2O=2NaOH}\)	\(\mathrm{2Na_2O_2+2H_2O=4NaOH+O_2↑(转移电子数：2e^{-})}\)
与 \(\mathbf{CO_2}\)	\(\mathrm{Na_2O+CO_2=Na_2CO_3}\)	\(\mathrm{2Na_2O_2+2CO_2=2Na_2CO_3+O_2↑}\)
与盐酸	\(\mathrm{Na_2O+2HCl=NaCl+H_2O}\)	\(\mathrm{2Na_2O_2+4HCl=4NaCl+2H_2O+O_2↑}\)
与 \(\mathbf{SO_2}\)	\(\mathrm{Na_2O+SO_2=Na_2SO_3}\)	\(\mathrm{Na_2O_2+CO_2=Na_2SO_4}\)
与品红/石蕊	遇品红不变色，与石蕊变蓝	品红因氧化褪色；遇到石蕊先变蓝，后褪色(生成 \(\mathrm{H_2O_2}\))

一般性规律：

1. \(\mathrm{Na_2O_2}\) 与 \(\mathrm{H_2O}\) 和 \(\mathrm{CO_2}\) 的反应中均既做氧化剂又做还原剂，均生成氧气；
2. \(\mathrm{Na_2O_2}\) 与 \(\mathrm{SO_2}\) 反应时并不是按照跟 \(\mathrm{H_2O}\) 和 \(\mathrm{CO_2}\) 的反应规律反应的，因为 \(\mathrm{SO_2}\) 还可以被氧化(硫元素化合价可以上升)，但 \(\mathrm{H_2O}\) 和 \(\mathrm{CO_2}\) 中氢元素和碳元素已经到达最高价态，不能被氧化。
3. 不能电解 \(\mathrm{NaCl}\) 溶液制备金属和氧气。因为在水溶液中制备出来的钠单质会直接与水发生反应又生成 \(\mathrm{NaOH}\)。所以制备钠和氯气应该使用电解熔融的 \(\mathrm{NaCl}\)。
4. \(1\mathrm{mol}\) 钠发生氧化还原反应，无论发生了什么反应，转移的电子数永远是 \(1\mathrm{N_A}\)。

碳酸钠与碳酸氢钠

物质	碳酸钠 \(\mathbf{Na_2CO_3}\)	碳酸氢钠 \(\mathbf{NaHCO_3}\)
俗名	纯碱、苏打	小苏打
色态	白色粉末	细小白色粉末
溶解性	易溶于水	在水中比碳酸钠小
热稳定性	稳定，受热难分解	受热易分解：\(\mathrm{2NaHCO_3\xlongequal{\triangle}Na_2CO_3+H_2O+CO_2↑}\)
与酸反应	\(\mathrm{{CO_3}^{2-}+2H^+=H_2O+CO_2↑}\)	\(\mathrm{{HCO_3}^-+H^+=H_2O+CO_2↑}\)
与 \(\mathbf{CO_2}\) 反应	\(\mathrm{Na_2CO_3+CO_2+H_2O=2NaHCO_3}\)	不反应
与 \(\mathbf{NaOH}\) 反应	不反应	\(\mathrm{NaHCO_3+NaOH=Na_2CO_3+H_2O}\)
与 \(\mathbf{Ca(OH)_2}\) 反应	\(\mathrm{Ca^{2+}+{CO_3}^{2-}=CaCO_3↓}\)	少量：\(\mathrm{Ca^{2+}+2OH^-+2{HCO_3}^-=CaCO_3↓+{CO_3}^{2-}+2H_2O}\) 过量：\(\mathrm{{HCO_3}^-+OH^-+Ca^{2+}=CaCO_3↓+H_2O}\)
与可溶性钙盐、钡盐反应	生成 \(\mathrm{CaCO_3}\)、\(\mathrm{BaCO_3}\) 沉淀	无沉淀生成

说明：

1. 侯氏制碱法(制备纯碱)：先将氨气和二氧化碳分别通入到饱和 \(\mathrm{NaOH}\) 溶液(先通氨气：溶解后使得溶液变为碱性增大二氧化碳的吸收效果)，碳酸氢钠析出(因为溶解度最小)，将碳酸氢钠加热后，得到碳酸钠。

   图解：

   

2. 验证碳酸钠与碳酸氢钠热稳定性的套管实验：

   实验装置：

   

   外部试管温度高，故必须放碳酸钠，以此说明碳酸氢钠热稳定性更强。固体不可以颠倒。

3. 碳酸氢钠受热分解的应用：①烘焙；②干粉灭火器；

4. 不能用 \(\mathrm{Ca(OH)_2}\) 检验二者，因为两者现象相同，均生成白色沉淀；

5. 可以用可溶性钙盐、钡盐检验二者，碳酸钠生成白色沉淀，碳酸氢钠无沉淀；

6. 二者相互转换：

   \[\mathrm{Na_2CO_3\xleftrightarrow[加热或加氢氧化钠溶液]{通二氧化碳或滴加少量酸}NaHCO_3} \]

7. 鉴别：

   • 固体：
     1. 溶解度：\(\mathrm{Na_2CO_3>NaHCO_3}\)；
     2. 加酸：立即冒泡，快：\(\mathrm{NaHCO_3}\)(可作制酸剂，碳酸钠不能作，因为其腐蚀性强)；
     3. 加热：分解：\(\mathrm{NaHCO_3}\)(是固体，不是水溶液)；
   • 水溶液：
     1. \(\mathrm{pH}\)：\(\mathrm{Na_2CO_3>NaHCO_3}\)；
     2. 加酸：逐滴加酸，立即冒泡：\(\mathrm{NaHCO_3}\)；
     3. 沉淀：假如氯化钙、氯化钡等可溶性钡盐，产生白色沉淀：\(\mathrm{Na_2CO_3}\)

8. 除杂：

   • \(\mathrm{Na_2CO_3}\) 固体(\(\mathrm{NaHCO_3}\))：加热；
   • \(\mathrm{NaHCO_3}\) 溶液(\(\mathrm{Na_2CO_3}\))：通入二氧化碳；
   • \(\mathrm{Na_2CO_3}\)溶液(\(\mathrm{NaHCO_3}\))：假如适量氢氧化钠溶液。

焰色反应

1. 概念：很多金属或它们的化合物在灼烧时都会使火焰呈现出特征颜色，根据火焰呈现的特征颜色，可以判断试样中所含的金属元素，化学上把这样的定性分析操作称为焰色反应。

2. 实验操作：

   

   注意事项：

   • 使用盐酸洗净而不是硫酸的原因：盐酸具有挥发性，硫酸不易挥发；
   • 用铂丝或铁丝灼烧，不能用铜丝或玻璃棒代替铂丝的原因：二者焰色反应与火焰颜色差别不大不会干扰试验，玻璃棒本身有钠元素会干扰试验。
   • 灼烧钠化合物和单质，火焰呈黄色；
   • 透过蓝色钴玻璃，钾化合物及其单质呈紫色。
   • 焰色反应属于物理变化不属于化学变化。

   常见金属焰色：

   

铝及其化合物

铝单质

1. 铝元素是地壳中含量最多的金属元素；

2. 活泼，常温下就能与氧气反应，生成一层致密的氧化铝薄膜；

3. 与酸的反应

   • 稀 \(\mathrm{H_2SO4}\)、\(\mathrm{HCl}\)：\(\mathrm{2Al+6H^+=2Al^{3+}+3H_2↑}\)；

   • 稀硝酸(具有氧化性)：跟硝酸根反应，不是跟氢离子反应：\(\mathrm{Al+4HNO_3(稀)=Al(NO_3)_3+NO↑+2H_2O}\)

     铝加入溶液中如果只生成氢气，那么溶液中不能大量存在 \(\mathrm{{NO_3}^-}\)。

   • 浓硝酸、浓硫酸：常温 \(\to\) 钝化。

     钝化的三个条件：①铁或铝；②常温(冷)；③浓硫酸或浓硝酸。

4. 与碱的反应：\(\mathrm{2Al+2NaOH+2H_2O=2NaAlO_2+3H_2↑}\)(化学计量数：四 2 一 3)

5. 铝的制备：

   铝在地壳中主要以铝土矿等矿物形式存在，提纯 \(\mathrm{Al_2O_3}\) 后，用电解法制备铝。

   \(\mathrm{2Al_2O_3(熔融)\xlongequal[冰晶石]{电解}4Al+3O_2↑}\)

6. 铝热反应：是指工业上用铝粉来还原一些金属氧化物得到难溶金属的反应，用于冶炼稀有金属、野外焊接铁轨、定向爆破等。

   

\[ \mathrm{2Al+Fe_2O_3\xlongequal{高温}2Fe+Al_2O_3} \]

注意：工业上不用铝热反应制备铁。

氧化铝

1. 物理性质：白色固体，熔点高，硬度大，难溶于水。
2. 用途：①制耐火材料；②冶炼铝
3. 两性氧化物：既能与强酸反应生成盐和水又能与强碱反应生成盐和水。
   • 与强酸反应：\(\mathrm{Al_2O_3+6H^+=2Al^{3+}+3H_2O}\)
   • 与强碱反应：\(\mathrm{Al_2O_3+2OH^-=2{AlO_2}^-+H_2O}\)

氢氧化铝

1. 物理性质：白色固体，难溶，胶体，吸附能力强能凝聚水中的悬浮物。

2. 两性氢氧化物：

   • 与强酸反应：\(\mathrm{Al(OH)_3+3H^+=Al^{3+}+3H_2O}\)
   • 与强碱反应：\(\mathrm{Al(OH)_3+OH^-={AlO_2}^-+2H_2O}\)

3. 热稳定性：\(\mathrm{2Al(OH)_3\xlongequal{\triangle}2Al+3H_2O}\)

4. 制备：

   

   \(\mathrm{Al^{3+}}\) 变 \(\mathrm{Al(OH)_3}\) 强碱、弱碱均可，一般制备时用弱碱更好，因为强碱无法控制量，有可能生成偏铝酸根。\(\mathrm{Al(OH)_3}\) 变 \(\mathrm{{AlO_2}^-}\) 只能用强碱。弱碱无法让沉淀溶解。

   同理，\(\mathrm{{AlO_2}^-}\) 变 \(\mathrm{Al(OH)_3}\) 强酸、弱酸均可，一般制备时用弱酸更好，因为强酸无法控制量，有可能生成铝离子。\(\mathrm{Al(OH)_3}\) 变 \(\mathrm{Al^{3+}}\) 只能用强酸。弱酸无法让沉淀溶解。

   • 可溶性铝盐溶液与氨水反应：\(\mathrm{Al^{3+}+3NH_3·H_2O=Al(OH)_3↓+3{NH_4}^+}\)；
   • 由偏铝酸盐制取：过量二氧化碳通入偏铝酸钠溶液，即：\(\mathrm{{AlO_2}^-+CO_2+2H_2O=Al(OH)_3↓+{HCO_3}^-}\)

铝三角

一般性规律：

1. \(\mathrm{Al、Al_2O_3、Al(OH)_3、{AlO_2}^-}\) 加酸(氢离子)最终的归宿都是 \(\mathrm{Al^{3+}}\)；
2. \(\mathrm{Al、Al_2O_3、Al(OH)_3、Al^{3+}}\) 加碱(氢氧根离子)最终的归宿都是 \(\mathrm{{AlO_2}^-}\)。
3. \(\mathrm{Al_2O_3}\) 无法一步变成 \(\mathrm{Al(OH)_3}\)。只可能是先加酸变 \(\mathrm{Al^{3+}}\) 再加碱，或先加碱变 \(\mathrm{AlO_2}^-\) 再加酸。

方程式：

\[\begin{array}{} (1) & \mathrm{Al \xrightarrow{3H^+} Al^{3+}} & \mathrm{2Al + 6H^+ = 2Al^{3+} + 3H_2\uparrow} \\ (2) & \mathrm{Al \xrightarrow{OH^-} {AlO_2}^-}& \mathrm{2Al + 2OH^- + 2H_2O = 2{AlO_2}^- + 3H_2\uparrow} \\ (3) & \mathrm{2Al \xrightarrow{O_2 / 铝热剂} Al_2O_3} & \begin{cases} \mathrm{4Al + 3O_2 \xlongequal\Delta 2Al_2O_3} \\ \mathrm{2Al + Fe_2O_3 \xlongequal{高温} Al_2O_3 + 2Fe} \end{cases}\\ (4) & \mathrm{Al_2O_3 \to 2Al} & \mathrm{2Al_2O_3(熔融) \xlongequal[Na_3AlF_6]{电解}4Al + 3O_2\uparrow} \\ (5) & \mathrm{2Al(OH)_3 \xrightarrow\Delta Al_2O_3} & \mathrm{2Al(OH)_3 \xlongequal\Delta Al_2O_3 + 3H_2O} \\ (6) & \mathrm{Al_2O_3 \xrightarrow{6H^+} 2Al} & \mathrm{Al_2O_3 + 6H^+ = 2Al^{3+} + 3H_2O} \\ (7) & \mathrm{Al_2O_3 \xrightarrow{2{OH}^-} 2{AlO_2}^-} & \mathrm{Al_2O_3 + 2OH^- = 2{AlO_2}^- + H_2O} \\ (8) & \mathrm{Al(OH)_3 \xrightarrow{3H^+(必须是强酸)} Al^{3+}} & \mathrm{Al(OH)_3 + 3H^+ = Al^{3+} + 3H_2O} \\ (9) & \mathrm{Al^{3+} \xrightarrow{3OH^-} Al(OH)_3\downarrow} & \mathrm{Al^{3+} + 3OH^- = Al(OH)_3\downarrow}\\ (10) & \mathrm{{AlO_2}^- \xrightarrow{H^+} Al(OH)_3\downarrow} & \mathrm{{AlO_2}^- + H^+ + H_2O = Al(OH)_3\downarrow} \\ (11) & \mathrm{{Al(OH)_3}\xrightarrow{{OH}^-(必须是强碱)} {AlO_2}^-} & \mathrm{Al(OH)_3 + OH^- = AlO_2 + 2H_2O} \\ (12) & \mathrm{{AlO_2}^- \xrightarrow{4H^+(必须是强酸)} {Al}^{3+}} & \mathrm{{AlO_2}^- + 4H^+ = Al^{3+} +2H_2O} \\ (13) & \mathrm{{Al}^{3+} \xrightarrow{4{OH}^-(必须是强碱)} {AlO_2}^-} & \mathrm{Al^{3+} + 4OH^- = {AlO_2}^- + 2H_2O} \\ \end{array} \]

重要考点总汇

1. 两性：只要遇到过量强酸最终反应物就是 \(\mathrm{Al^{3+}}\)，只要遇到过量强碱最终反应物就是 \(\mathrm{AlO_2}^-\)；

2. 用途：

   • \(\mathrm{Al}\)：铝合金；航空航天材料(通常添加适量锂，低密度、高强度)；
   • \(\mathrm{Al_2O_3}\)：耐热材料；炼铝材料；刚玉(与 \(\mathrm{C}\) 和 \(\mathrm{SiO_2}\) 区别：钻石是 \(\mathrm{C}\)，宝石是 \(\mathrm{Al_2O_3}\)，玛瑙是 \(\mathrm{SiO_2}\))
   • \(\mathrm{Al(OH)_3}\)：净水剂；制酸剂；阻燃剂。
   • 可溶性铝盐：净水剂。

图像题型总结

1. \(\mathrm{Al^{3+}+3OH^-=Al(OH)_3}↓\)

   \(\mathrm{Al(OH)_3+OH^-={AlO_2}^-+2H_2O}\)

   \(\mathrm{Al^{3+}}\thicksim 3\mathrm{OH^-}\thicksim \mathrm{Al(OH)_3}\thicksim \mathrm{OH^-}\)

   

2. \(\mathrm{{AlO_2}^-+H^++H_2O=Al(OH)_3↓}\)

   \(\mathrm{Al(OH)_3+3H^+=Al^{3+}+3H_2O}\)

   \(\mathrm{{AlO_2}^-}\thicksim \mathrm{H^+} \thicksim \mathrm{Al(OH)_3}\thicksim 3\mathrm{H^+}\)

   

   拓展：

   \(\mathrm{Ca(OH)_2+CO_2=CaCO_3↓+H_2O}\)

   \(\mathrm{CaCO_3+CO_2+H_2O+Ca(HCO_3)_2}\)

   \(\mathrm{Ca(OH)_2}\thicksim \mathrm{CO_2} \thicksim \mathrm{CaCO_3}\thicksim \mathrm{CO_2}\)

   

3. ① \(\mathrm{Al^{3+}+3NH_3\cdot H_2O=Al(OH)_3↓+3{NH_4}^+}\)

   ② \(\mathrm{{AlO_2}^-+CO_2(过量)+H_2O=Al(OH)_3+{HCO_3}^-}\)

   

4. \(\mathrm{I}.\) \(\mathrm{H^++NH_3\cdot H_2O={NH_4}^++H_2O}\)

   \(\mathrm{II.}\) ① \(\mathrm{Al^{3+}+3NH_3\cdot H_2O=Al(OH)_3↓+3{NH_4}^+}\)​

   ② \(\mathrm{{AlO_2}^-+CO_2(过量)+H_2O=Al(OH)_3+{HCO_3}^-}\)

   两种情况：过量 \(\mathrm{NH_3\cdot H_2O}\) 通入既有氢离子又有铝离子的溶液中；过量 $\mathrm{CO_2} $ 通入既有氢氧根又有偏铝酸根的溶液中。

   

5. \(\mathrm{I}.~① ~\mathrm{Mg^{2+}+2OH^-=Mg(OH)_2↓}\) \(②~\mathrm{Al^{3+}+3OH^-=Al(OH)_3↓}\)

   \(\mathrm{II}.~\mathrm{Al(OH)_3+OH^-={AlO_2}^-+2H_2O}\)

   

   补充：如果是铝离子和铁离子反应也是相同的图像。

6. \(\mathrm{I}.~\mathrm{H^++OH^-=H_2O}\)

   \(\mathrm{II}.~① ~\mathrm{Mg^{2+}+2OH^-=Mg(OH)_2↓}\) \(②~\mathrm{Al^{3+}+3OH^-=Al(OH)_3↓}\)$

   \(\mathrm{III}.\) \(\mathrm{{NH_4}^++OH^-=NH_3\cdot H_2O}\)

   \(\mathrm{IV}.~\mathrm{Al(OH)_3+OH^-={AlO_2}^-+2H_2O}\)

   

   注意：沉淀达到最大值时，溶液中阳离子只有 \(\mathrm{Na^+}\)，且所有的 \(\mathrm{Cl^-}\) 都被反应掉。

铁及其化合物

铁单质

物理性质

银白色金属光泽，粉末为黑色；有良好的导电导热性、延展性；铁能被磁铁吸引。

自然界存在形态

主要以化合态存在，有游离态(陨铁)。

化学性质

1. 与 \(\mathrm{O_2}\)：

• 常温：铁锈(成分为 \(\mathrm{Fe_2O_3\cdot} x\mathrm{H_2O}\))；
• 点燃：\(\mathrm{3Fe+2O_2\xlongequal{点燃}Fe_3O_4}\)

2. 与非金属反应：

   对于氧化性较强的物质：

   \[\mathrm{2Fe+3Cl_2\xlongequal{点燃}2FeCl_3}\\ \mathrm{2Fe+3Br_2\xlongequal{}2FeBr_3} \]

   注意：无论铁是否过量，铁与氯气反应只生成氯化铁，过量的铁不会再跟氯化铁反应生成氯化亚铁，因为生成固体氯化铁，不是水溶液中的三价铁离子。

   对于氧化性较弱的物质：

   \[\mathrm{Fe+I_2\xlongequal{\triangle}FeI_2}\\ \mathrm{Fe+S\xlongequal{\triangle}FeS} \]

3. 与水反应：

   方程式：

   \[\mathrm{3Fe+4H_2O(g)\xlongequal{高温}Fe_3O_4+4H_2} \]

   实验装置：

   

   湿棉花：提供高温水蒸气；

   小木条：将其靠近肥皂液会有爆鸣声，证明肥皂液破裂，生成氢气。

4. 与酸反应

   • 稀盐酸、稀硫酸：\(\mathrm{Fe+2H^+=Fe^{2+}+H_2↑}\)

   • 稀硝酸(过量)：

     \[\mathrm{Fe+HNO_3(稀)=Fe(NO_3)_3+NO↑+2H_2O}\\ \mathrm{Fe+{NO_3}^-+4H^+=Fe^{3+}+NO↑+2H_2O} \]

     产物是 \(\mathrm{Fe^{3+}}\)。

     稀硝酸(少量)：

     \[\mathrm{3Fe+8HNO_3(稀)=3Fe(NO_3)_2+2NO↑+4H_2O}\\ \mathrm{3Fe+2{NO_3}^-+8H^+=3Fe^{2+}+2NO↑+4H_2O} \]

     相当于铁过量，\(\mathrm{Fe^{3+}}\) 重新被氧化成 \(\mathrm{Fe^{2+}}\)。

   • 浓硫酸、浓硝酸：

     • 冷、常温：钝化。(不是不反应，是不连续反应。)

     • 加热不钝化：

       \[\mathrm{Fe+6HNO_3(浓)\xlongequal{\triangle}Fe(NO_3)_3+3NO_2↑+3H_2O} \\ \mathrm{2Fe+6H_2SO_4(浓)\xlongequal{\triangle}Fe_2(SO_4)_3+3SO_2↑+6H_2O} \]

铁的氧化物

化学式	\(\mathbf{FeO}\)	\(\mathbf{Fe_2O_3}\)	\(\mathbf{Fe_3O_4}\)
俗名	/	铁红(赤铁矿)	磁性氧化铁
色态	黑色粉末	红棕色粉末	黑色晶体
\(\mathbf{Fe}\) 价态	\(+2\)	\(+3\)	\(+2,+3,+3\)
与 \(\mathbf{H_2}\)	\(\mathrm{FeO+H_2\xlongequal{高温}Fe+H_2O}\)	\(\mathrm{Fe_2O_3+3H_2\xlongequal{高温}2Fe+3H_2O}\)	\(\mathrm{Fe_3O_4+4H_2\xlongequal{高温}3Fe+4H_2O}\)
稳定性	\(\mathrm{6FeO+O_2\xlongequal{\triangle}2Fe_3O_4}\)	稳定	稳定
与 \(\mathbf{HCl}\) 或 \(\mathbf{H_2SO_4}\)	\(\mathrm{FeO+2H^+=Fe^{2+}+H_2O}\)	\(\mathrm{Fe_2O_3+6H^+=2Fe^{3+}+3H_2O}\)	\(\mathrm{Fe_3O_4+8H^+=Fe^{2+}+2Fe^{3+}+4H_2O}\)
与 \(\mathbf{HNO_3}\)	\(\mathrm{3FeO+{NO_3}^-+10H^+=3Fe^{3+}+NO↑+5H_2O}\)	同上	\(\mathrm{Fe_3O_4+{NO_3}^-+28H^+=9Fe^{3+}+NO↑+14H_2O}\)

注意：

1. 四氧化三铁不是碱性氧化物，因为其与酸反应生成两种盐；
2. 四氧化三铁与酸的反应实际上可以看做 \(\mathrm{FeO}\) 和 \(\mathrm{Fe_2O_3}\) 与酸反应的方程式叠加形成；
3. 目前学过的生成四氧化三铁的反应只有三个：①铁在氧气中燃烧；②铁与水蒸气反应；③氧化铁受热分解。

铁的氢氧化物

名称	氢氧化亚铁 \(\mathbf{Fe(OH)_2}\)	氢氧化铁 \(\mathbf{Fe(OH)_3}\)
物理性质	白色固体，不溶于水	红褐色固体，不溶于水
与 \(\mathbf{HCl}\)	\(\mathrm{Fe(OH)_2+2H^+=Fe^{2+}+2H_2O}\)	\(\mathrm{Fe(OH)_3+3H^+=Fe^{3+}+3H_2O}\)
与稀硝酸	\(\mathrm{3Fe(OH)_2+10HNO_3=3Fe(NO_3)_3+NO↑+8H_2O}\)	同上
加热	\(\mathrm{Fe(OH)_2\xlongequal{\triangle}FeO+H_2O(无 ~O_2)}\)	\(\mathrm{2Fe(OH)_3\xlongequal{\triangle}Fe_2O_3+3H_2O}\)

二者转化：在空气中，\(\mathrm{Fe(OH)_2}\) 能够非常迅速地被氧气氧化成 \(\mathrm{Fe(OH)_3}\)；

反应方程式：\(\mathrm{4Fe(OH)_2+O_2+2H_2O=4Fe(OH)_3}\)

现象：白色沉淀迅速变成灰绿色，最终变成红褐色。

铁三角

一般性规律：

1. 铁和 \(\mathrm{H^+}\)、\(\mathrm{I_2}\)、\(\mathrm{S}\)、\(\mathrm{Cu^{2+}}\)、\(\mathrm{Fe^{3+}}\) 等弱氧化剂反应生成二价铁；
2. 铁和 \(\mathrm{Cl_2}\)、\(\mathrm{Br_2}\)、稀硫酸、浓硫酸、浓硝酸(两浓酸一稀酸)等强氧化剂反应生成三价铁；
3. 二价铁可以和 2. 中的所有氧化剂反应生成三价铁；除此之外，也可以与酸性高锰酸钾 \(\mathrm{{MnO_4}^-}\)、酸性重铬酸钾 \(\mathrm{{Cr_2O_7}^{2-}}\)、\(\mathrm{H_2O_2}\) 等强氧化剂反应生成三价铁。
4. 不管是二价铁还是铁与“两浓酸一稀酸“反应，生成物均遵循：稀硫酸变一氧化氮，浓硝酸变二氧化氮，浓硫酸变二氧化硫(浓酸变二氧化物，稀酸变一氧化物)。
5. 二价铁和三价铁可以通过 \(\mathrm{Zn}\)、\(\mathrm{Al}\) 等活泼金属(活泼性比铁强)，以及 \(\mathrm{H_2}\)、\(\mathrm{CO}\)、\(\mathrm{C}\) 等常见的强还原剂还原为铁单质。
6. 一般情况下，三价铁变铁单质的还原剂需要过量(若不过量可能会反应生成二价铁)。
7. 三价铁可以通过 \(\mathrm{Fe}\)、\(\mathrm{Cu}\) 等金属(活泼性似乎小于等于铁)，以及 \(\mathrm{S^{2-}}\)、\(\mathrm{S^{4+}}\)、\(\mathrm{I_2}\) 等弱还原剂还原出二价铁；
8. 三价铁离子与铜的反应不是置换反应，同时这也是“用氯化铁溶液来腐蚀铜制印刷电路板”的离子反应。
9. 三价铁与弱还原剂反应遵循：二价硫变硫单质，四价硫变硫酸根离子(价态 +2)。

重点方程式(此处只写上面未提到的且较为重要的)：

\[\begin{array}{} &\mathrm{5Fe^{2+}+{MnO_4}^-+8H^+=5Fe^{3+}+Mn^{2+}+4H_2O}\\ &\mathrm{6Fe^{2+}+{Cr_2O_7}^{2-}+14H^+=6Fe^{3+}+2Cr^{3+}+7H_2O}\\ &\mathrm{2Fe^{2+}+H_2O_2+2H^+=2Fe^{3+}+H2_2O}\\ &\mathrm{2Fe^{3+}+Cu=2Fe^{2+}+Cu^{2+}}\\ &\mathrm{2Fe^{3+}+H_2S=2Fe^{2+}+S↓+2H^+} \end{array} \]

氢氧化亚铁的制备

• 制备原理：\(\mathrm{FeSO_4+2NaOH=Fe(OH)_2↓+Na_2SO_4}\)

• 关键：

  1. 溶液中不含三价铁和氧气等物质：
     • 新配制作 \(\mathrm{FeSO_4}\) 溶液且加入少量铁粉(防止 \(\mathrm{Fe^{2+}}\) 被氧化) ；
     • 配制 \(\mathrm{FeSO_4}\) 溶液的蒸馏水、氢氧化钠溶液均需煮沸(除去 \(\mathrm{O_2}\))；
  2. 制备过程中要保证生成的氢氧化亚铁沉淀处在隔绝空气的体系中。

• 实验装置：

  1. 有机物覆盖层法：

     将吸取氢氧化钠溶液的胶头滴管直接伸入硫酸亚铁溶液中进行挤压，使氢氧化钠直接与硫酸亚铁溶液反应。

     其中，苯与水互不相溶，且 \(\rho_笨<\rho_水\)，也可以用正己烷替换苯。

     四氯化碳不能替换苯，因为其密度大于水。

     

  2. 还原性气体(\(\mathrm{H_2}\))保护法：

     • 先打开止水夹 a：稀硫酸与铁反应生成的 \(\mathrm{H_2}\) 会充满整个装置，并排除装置内的空气。

     • 再关闭 a：氢气在试管 A 内由于压强会将液面向下挤压，生成的硫酸亚铁被压入导管，进入 B 装置内，与氢氧化钠溶液发生反应，生成白色沉淀。

       

\(\mathbf{Fe^{2+}}\) 和 \(\mathbf{Fe^{3+}}\) 的检验

1. 直接观色：二价铁：浅绿；三价铁：棕黄色；
2. 与 \(\mathrm{KSCN}\) 溶液反应：二价铁：无明显变化；三价铁：显红色；(最常使用检验三价铁)
3. 利用三价铁离子的氧化性(与 \(\mathrm{KI}\) 淀粉溶液反应)：二价铁：不反应；三价铁：溶液变蓝。
4. 利用二价铁离子的还原性(与酸性高锰酸钾溶液反应)：二价铁：紫色褪去；三价铁：不反应；
5. 利用沉淀：
   • 与 \(\mathrm{NaOH}\) 溶液反应：二价铁：白色沉淀，迅速灰绿，最终红褐；三价铁：直接生成红褐色沉淀；
   • 与 \(\mathrm{K_3[Fe(CN)_6]}\)(铁氰化钾) 反应：蓝色沉淀；三价铁：无现象。(最常使用检验二价铁)
6. 检验有二价铁无三价铁：先加入 \(\mathrm{KSCN}\) 溶液，不变红(排除三价铁)，再加入 \(\mathrm{H_2O_2}\) 或氯水，溶液变红。不能加入高锰酸钾作为还原剂，因为它本身为紫红色，干扰试验。

\(\mathbf{Fe}\)、\(\mathbf{Cu}\) 与 \(\mathbf{FeCl_3}\)、\(\mathbf{CuCl_2}\) 溶液的反应问题

1. 原理：

\[\mathrm{Fe+2Fe^{3+}=3Fe^{2+}}\\ \mathrm{Fe+Cu^{2+}=Fe^{2+}+Cu}\\ \mathrm{2Fe^{3+}+Cu=2Fe^{2+}+Cu^{2+}} \]

氧化性：\(\mathrm{Fe^{3+}>Cu^{2+}>Fe^{2+}}\)(两铁夹一铜)

还原性：\(\mathrm{Fe>Cu>Fe^{2+}}\)

2. 反应的先后顺序(根据氧化还原反应“强者先行”)：

   • \(\mathrm{Fe+Cu}\to \mathrm{FeCl_3}\) 溶液：铁先铜后；
   • \(\mathrm{Fe}\to \mathrm{FeCl_3+CuCl_3}\) 溶液：先三价铁再铜离子；

3. 互斥性(判断剩下的物质跟谁会反应)：

   • 反应完还有铁：三价铁、铜离子不存在；
   • 反应完还有铜：三价铁不存在；
   • 反应完还有三价铁：铁、铜不存在(无固体)；换句话说，只要有固体一定没三价铁。
   • 反应完还有铜离子：铁不存在；

铁及其化合物与酸反应的思维模型

1. 观察开始反应物质和结尾反应物质，不考虑中间量，直接根据三大守恒计算；

2. 确认反应方程式&反应先后顺序：

   例：\(\mathrm{Fe}\)、\(\mathrm{FeO}\)、\(\mathrm{Fe_2O_3}\) 和 \(\mathrm{Fe_3O_4}\) 与稀 \(\mathrm{H_2SO_4}\) 反应，若假如硫氰化钾溶液不变红，则说明溶液中无 \(\mathrm{Fe^{3+}}\)，即 \(\mathrm{Fe}\) 和 \(\mathrm{FeO}\) 反应生成 \(\mathrm{Fe^{2+}}\)，\(\mathrm{Fe_2O_3}\) 反应生成 \(\mathrm{Fe^{3+}}\)，\(\mathrm{Fe_3O_4}\) 反应生成 \(\mathrm{Fe^{2+}}\) 和 \(\mathrm{Fe^{3+}}\)，后两者生成的 \(\mathrm{Fe^{3+}}\) 再与过量铁粉反应生成 \(\mathrm{Fe^{2+}}\)，除去 \(\mathrm{Fe^{3+}}\)。

3. 考虑让第一步反应过量的剩余物质在第二步再次进行反应，需要弄清“剩余物质”都是什么，且物质的量是多少。