4．实战演练

3．例题精讲

例1.把铜粉和过量的铁粉加入到热的浓硝酸中，充分反应后，溶液中大量存在的金属阳离子是　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(　　　 )

A.只有Fe²⁺　　　　　　　　　　 B.只有Fe³⁺

C.有Fe²⁺和Cu²⁺　　　　　　　　　 D.有Fe³⁺和Cu²⁺

思路与解析：浓硝酸具有强氧化性，热的浓硝酸可将Fe和Cu分别氧化成Fe³⁺和Cu²⁺，过量的铁又与Fe²⁺和Cu²⁺反应生成Fe²⁺和Cu，所以充分后，溶液中大量存在的金属阳离子为Fe²⁺，故选A。

例2.将6g纯铁粉加入200mLFe₂(SO₄)₃和CuSO₄的混合溶液中充分反应后得到200mL0.5mol/L的FeSO₄溶液和5.2g固体，求：

(1)反应后生成铜多少克？

(2)加入铁粉前Fe₂(SO₄)₃物质的量浓度。

[思路]：在Fe₂(SO₄)₃和CuSO₄的混合溶液中投入铁粉后，Fe³⁺和Cu²⁺均可与铁发生反应，但由于氧化性Fe³⁺>Cu²⁺，所以Fe应首先还原Fe³⁺，即首先发生反应：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，但不可以只发生此反应，原因有二：第一是若只发生此反应则说明铁粉较少，已完全反应无剩余，则不可能有5.2g不溶物；第二，若只发生此反应可依此反应计算出生成的FeSO₄为(6g÷56g/mol)×3=0.32mol>0.1mol。通过以上分析，可以看出，Fe在把全部的Fe³⁺还原后，不发生了还原Cu²⁺的反应，此时的Fe是否有剩余呢？也就是余5.2g固体中肯定有Cu，是否含Fe呢？这就是此题的关键所在，需通过计算推导确定。

[解析]：发生反应的化学方程式为：

①Fe+Fe₂(SO₄)₃=3FeSO₄　　　　 ②Fe+CuSO₄=Cu+FeSO₄

两个反应共生成FeSO₄为：0.2L×0.5mol/L=0.1mol

观察两个反应不难发现，若生成同样的FeSO₄，②式消耗的铁更多。假设0.1molFeSO₄全部为②式产生，则此时消耗的铁将达最大量为a。

　Fe　　 -　　 FeSO₄

　　　　　　　　　 1mol　　　　　 1mol

　　　　　　　　　 a　　　　　 0.1mol

a=0.1mol，即铁为5.6g，则5.2g固体中含Cu也含剩余的Fe，设原溶液的Fe₂(SO₄)₃和CuSO₄的物质的量分别为x和y。

Fe+Fe₂(SO₄)₃=3FeSO₄　　　　　　 Fe+CuSO₄=Cu+FeSO₄

X　　 x　　　 3x　　　　　　　 y　　 y　 y　　 y

由题意得　 3x+y=0.1mol

　　　　 6g-56g/mol×(x+y)+64g/mol×y=5.2g

解得：x=0.02mol　　　　　　 y=0.04mol

则生成铜：0.04mol×64g/mol=2.56g

原Fe₂(SO₄)₃和物质的量浓度为0.02mol/0.2L=0.1mol/L

例3.mg 铁粉与一定量的HNO₃在一定条件下充分反应,将生成的气体与标准状况nL氧气混合,恰好能被水完全吸收,m和n的关系是什么?

[思路]此题看起来,涉及的化学反应相当复杂,因HNO₃的浓度和用量不同,生成Fe(NO₃)₃还是Fe(NO₃)₂不能确定,HNO₃的还原产物是NO还是NO₂也不能确定。所以消耗的氧气也无从下手求出.但是从始态和终态来看,HNO₃的还原产物与氧气混合后,最终还是生成HNO₃,这样消耗的氧气相当于把mg铁粉氧化成+2价或+3价化合物,用极端思考法很容易求出。

　 [解析]:假设HNO₃为稀的,铁与HNO₃反应后的价态是+2,

　 则有:　 3 Fe +8 HNO₃= 3 Fe(NO₃)₂ + 2 NO↑+ 4 H₂O　　 (1)

　　　　 4NO +3O₂ +2H₂O=4HNO₃ 　　　　　　　　　　(2)

(1)×2 +(2)得：2Fe + O₂ +4HNO₃= 2Fe(NO₃)₂ +2H₂O

　　 可改写为 ： 2Fe + O₂ +4HNO₃ =　 2FeO + 4HNO₃

　　　　　　 即：　 2Fe + O₂ =2FeO

　　 同理可得 ：　 4Fe +3O₂=2Fe₂O₃ 问题便得以解决

即 ：当铁被氧化为+2价时，由电子得失守衡得：

　 m/56×2=n/22.4×4　　 n=O.2m

当铁被氧化为=+3价时，由电子得失守衡得：

　 m/56×3=n/22.4×4　　 n=O.3m　

则m与n的关系是：O.2m≤n≤O.3m

[小结]此题在解题过程中，巧妙得使用了始态和终态，使复杂的问题简单化。氧化还原反应中，电子得失守衡的使用，避免了繁琐的计算，在应试中赢得了时间，思维训练方面堪称是一道好题。

例4.由FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄组成的混合物，测得其中铁元素与氧元素的质量比为21：8，，则这种混合物中FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄的物质的量之比是(　　　 )。

A.1：2：1　　　 B. 2：1：1　　　 C. 1：1：1　　 D. 1：1：3

[思路]：可用平均组成法来求解：

[解析]在混合物中Fe原子和氧原子物质的量之比为(21/56)：(8/16)=3：4，则混合物的平均组成为Fe₃O₄，在三种组合中Fe₃O₄则不必多考虑，应注意FeO和Fe₂O₃混合后也应符合Fe₃O₄，所以在混合物中它们的物质的量之比必需是1：1.故答案应选C、D。

例5.某铁的“氧化物”样品，用5mol/L的盐酸140mL恰好完全溶解，所得溶液还能吸收标准状况下0.56L氯气，使其中Fe²⁺全部转化为Fe³⁺。该样品可能的化学式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (　　　 )

A. Fe₂O₃　　　　 B. Fe₃O₄　　　　 C. Fe₄O₅　　　　　 D. Fe₅O₇

[思路]：利用正、负电荷相等列方程可快速解题。

[解析]设铁的氧化物中含O^2-为xmol，则其化学式为Fe_xO_y，由O^2-个数守恒有：

2yH⁺+　 Fe_xO_y = yH₂O+ xFe^+(2y/x)

2ymol　 ymol

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。

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⁺.

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。

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⁺+SO₃^2－+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+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

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.

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⁺　　　　 H₂　　　 HNO₃　　　　

　　　　　　　 　　I^-、I₂、S　　　　 Al　　 KMnO₄　　　　　

　　　　　　　　　 Cl₂、O₂、HNO₃、KMnO₄、H₂O₂　　　　　　　　　　

　　　　 Fe²⁺ Fe、Cu、I^-、S^2-、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.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。