4．實戰(zhàn)演練

3．例題精講

例1.把銅粉和過量的鐵粉加入到熱的濃硝酸中，充分反應后，溶液中大量存在的金屬陽離子是　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(　　　 )

A.只有Fe²⁺　　　　　　　　　　 B.只有Fe³⁺

C.有Fe²⁺和Cu²⁺　　　　　　　　　 D.有Fe³⁺和Cu²⁺

思路與解析：濃硝酸具有強氧化性，熱的濃硝酸可將Fe和Cu分別氧化成Fe³⁺和Cu²⁺，過量的鐵又與Fe²⁺和Cu²⁺反應生成Fe²⁺和Cu，所以充分后，溶液中大量存在的金屬陽離子為Fe²⁺，故選A。

例2.將6g純鐵粉加入200mLFe₂(SO₄)₃和CuSO₄的混合溶液中充分反應后得到200mL0.5mol/L的FeSO₄溶液和5.2g固體，求：

(1)反應后生成銅多少克？

(2)加入鐵粉前Fe₂(SO₄)₃物質的量濃度。

[思路]：在Fe₂(SO₄)₃和CuSO₄的混合溶液中投入鐵粉后，F(xiàn)e³⁺和Cu²⁺均可與鐵發(fā)生反應，但由于氧化性Fe³⁺>Cu²⁺，所以Fe應首先還原Fe³⁺，即首先發(fā)生反應：Fe+2Fe³⁺=3Fe²⁺，但不可以只發(fā)生此反應，原因有二：第一是若只發(fā)生此反應則說明鐵粉較少，已完全反應無剩余，則不可能有5.2g不溶物；第二，若只發(fā)生此反應可依此反應計算出生成的FeSO₄為(6g÷56g/mol)×3=0.32mol>0.1mol。通過以上分析，可以看出，F(xiàn)e在把全部的Fe³⁺還原后，不發(fā)生了還原Cu²⁺的反應，此時的Fe是否有剩余呢？也就是余5.2g固體中肯定有Cu，是否含F(xiàn)e呢？這就是此題的關鍵所在，需通過計算推導確定。

[解析]：發(fā)生反應的化學方程式為：

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

兩個反應共生成FeSO₄為：0.2L×0.5mol/L=0.1mol

觀察兩個反應不難發(fā)現(xiàn)，若生成同樣的FeSO₄，②式消耗的鐵更多。假設0.1molFeSO₄全部為②式產生，則此時消耗的鐵將達最大量為a。

　Fe　　 -　　 FeSO₄

　　　　　　　　　 1mol　　　　　 1mol

　　　　　　　　　 a　　　　　 0.1mol

a=0.1mol，即鐵為5.6g，則5.2g固體中含Cu也含剩余的Fe，設原溶液的Fe₂(SO₄)₃和CuSO₄的物質的量分別為x和y。

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

X　　 x　　　 3x　　　　　　　 y　　 y　 y　　 y

由題意得　 3x+y=0.1mol

　　　　 6g-56g/mol×(x+y)+64g/mol×y=5.2g

解得：x=0.02mol　　　　　　 y=0.04mol

則生成銅：0.04mol×64g/mol=2.56g

原Fe₂(SO₄)₃和物質的量濃度為0.02mol/0.2L=0.1mol/L

例3.mg 鐵粉與一定量的HNO₃在一定條件下充分反應,將生成的氣體與標準狀況nL氧氣混合,恰好能被水完全吸收,m和n的關系是什么?

[思路]此題看起來,涉及的化學反應相當復雜,因HNO₃的濃度和用量不同,生成Fe(NO₃)₃還是Fe(NO₃)₂不能確定,HNO₃的還原產物是NO還是NO₂也不能確定。所以消耗的氧氣也無從下手求出.但是從始態(tài)和終態(tài)來看,HNO₃的還原產物與氧氣混合后,最終還是生成HNO₃,這樣消耗的氧氣相當于把mg鐵粉氧化成+2價或+3價化合物,用極端思考法很容易求出。

　 [解析]:假設HNO₃為稀的,鐵與HNO₃反應后的價態(tài)是+2,

　 則有:　 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

　　 可改寫為 ： 2Fe + O₂ +4HNO₃ =　 2FeO + 4HNO₃

　　　　　　 即：　 2Fe + O₂ =2FeO

　　 同理可得 ：　 4Fe +3O₂=2Fe₂O₃ 問題便得以解決

即 ：當鐵被氧化為+2價時，由電子得失守衡得：

　 m/56×2=n/22.4×4　　 n=O.2m

當鐵被氧化為=+3價時，由電子得失守衡得：

　 m/56×3=n/22.4×4　　 n=O.3m　

則m與n的關系是：O.2m≤n≤O.3m

[小結]此題在解題過程中，巧妙得使用了始態(tài)和終態(tài)，使復雜的問題簡單化。氧化還原反應中，電子得失守衡的使用，避免了繁瑣的計算，在應試中贏得了時間，思維訓練方面堪稱是一道好題。

例4.由FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄組成的混合物，測得其中鐵元素與氧元素的質量比為21：8，，則這種混合物中FeO、Fe₂O₃和Fe₃O₄的物質的量之比是(　　　 )。

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

[思路]：可用平均組成法來求解：

[解析]在混合物中Fe原子和氧原子物質的量之比為(21/56)：(8/16)=3：4，則混合物的平均組成為Fe₃O₄，在三種組合中Fe₃O₄則不必多考慮，應注意FeO和Fe₂O₃混合后也應符合Fe₃O₄，所以在混合物中它們的物質的量之比必需是1：1.故答案應選C、D。

例5.某鐵的“氧化物”樣品，用5mol/L的鹽酸140mL恰好完全溶解，所得溶液還能吸收標準狀況下0.56L氯氣，使其中Fe²⁺全部轉化為Fe³⁺。該樣品可能的化學式是　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 (　　　 )

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

[思路]：利用正、負電荷相等列方程可快速解題。

[解析]設鐵的氧化物中含O^2-為xmol，則其化學式為Fe_xO_y，由O^2-個數守恒有：

2yH⁺+　 Fe_xO_y = yH₂O+ xFe^+(2y/x)

2ymol　 ymol

2.Fe²⁺和Fe³⁺的顏色

Fe²⁺在水溶液中通常以水合離子［Fe(H₂O)₆］²⁺形式存在，呈淡綠色，并存在下列平衡：

［Fe(H₂O)₆］²⁺+H₂O［Fe(H₂O)₅OH］⁺+H₂O⁺

這個平衡的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.三氯化鐵以及其他+3價鐵鹽溶于水后都發(fā)生顯著的水解，實質是+3價水合鐵離子的水解.只有在PH=0左右時，才有［Fe(H₂O)₆］³⁺存在(但由于有陰離子的存在，會生成其他的絡離子，影響淡紫色的觀察).當PH為2-3時，水解趨勢很明顯.它們的水解平衡如下：

［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

生成的堿式離子呈黃色，它可聚合成二聚體：

2［Fe(H₂O)₆］³⁺ ［Fe₂(H₂O)₈(OH) ₂］⁴⁺+2H₃O⁺

K=10^-2.91

二聚體是借OH^-為橋把2個Fe³⁺連結起來形成的多核絡離子.溶液的PH越高，水解聚合的傾向越大，最后逐漸形成膠體，析出紅綜色水合氧化鐵沉淀。

1.Fe²⁺和Fe³⁺的相互轉化

Fe²⁺有還原性，高錳酸鉀、重鉻酸鉀、過氧化氫等氧化劑能把它氧化成Fe³⁺：

MnO^-₄+5Fe²⁺+8H⁺=Mn²⁺+5Fe³⁺+4H₂O

+6Fe²⁺+14H⁺=2Cr³⁺+6Fe³⁺+7H₂O

H₂O₂+2Fe²⁺+2H⁺=2F³⁺+2H₂O

在酸性溶液中，空氣中的氧也能把Fe²⁺氧化：

4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O

在堿性溶液中，F(xiàn)e²⁺的還原性更強，它能把NO^-₃和NO^-₂還原成NH₃，能把Cu²⁺還原成金屬銅.Fe³⁺具有氧化性，它能把I^-氧化成I₂：

2Fe³⁺+2I^-=2Fe²⁺+I₂

在無線電工業(yè)上，常利用FeCl₃溶液來刻蝕銅，制造印刷線路，它們反應的化學方程式是：

2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺

因此，銅在氯化鐵溶液中能作還原劑，而FeCl₃是氧化劑.

Fe³⁺在酸性溶液中容易被H₂S、SnCl₂等還原成Fe²⁺：

2Fe³⁺+H₂S=2Fe²⁺+S↓+2H⁺

2F³⁺+Sn²⁺=2Fe²⁺+Sn⁴⁺

Fe³⁺還能被金屬鐵還原：

2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺

在亞鐵鹽溶液中加入鐵釘可防止Fe²⁺被氧化為Fe³⁺.

4.Fe²⁺和Fe³⁺的檢驗

(1)Fe²⁺的檢驗：

方法一：滴加KSCN溶液，無明顯現(xiàn)象，再滴加新制氯水，溶液立即變紅色。

方法二：滴加NaOH溶液,生成白色絮狀沉淀，該沉淀迅速變?yōu)榛揖G色，最后變?yōu)榧t褐色。

(2)Fe³⁺的檢驗：

方法一：滴加KSCN溶液或NH₄SCN溶液，溶液立即變?yōu)檠�紅色。

方法二：滴加NaOH溶液,出現(xiàn)紅褐色沉淀。

3.具體反應有：

　　 (1)Fe²⁺→Fe³⁺

　　 ①2Fe²⁺+Cl₂=2Fe³⁺+2Cl^-(在亞鐵鹽溶液中通入氯氣，溶液由淺綠色變?yōu)樽攸S色)。

②4Fe²⁺+O₂+4H⁺=4Fe³⁺+2H₂O(亞鐵鹽溶液在空氣中容易變質，如綠礬露置于空氣中則是：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，溶液由淺綠色變棕黃色，在酸性KMnO₄溶液滴加FeCl₂溶液，溶液由紫紅變棕黃。

⑤2Fe²⁺+H₂O₂+2H⁺=2Fe³⁺+2H₂O

(2)Fe³⁺→Fe²⁺

①2Fe³⁺+S²⁺=2Fe²⁺+S,如在FeCl₃溶液中滴加適量的Na₂S溶液,溶液變渾濁，濾去沉淀則濾液為淺綠色；如加入過量的Na₂S溶液，，則又有黑色沉淀生成(FeS)，向Fe³⁺溶液中通入H2S氣體的離子方程式為：2Fe²⁺+H₂S=2Fe³⁺+2H⁺+S↓。

②2Fe³⁺+SO₃^2－+2H₂O=2Fe²⁺+SO₄^2-+2H⁺

③2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺,在FeSO₃溶液中往往要加鐵的原因是可以防止Fe²⁺被氧化為Fe³⁺。

④2Fe³⁺+Cu=2Fe²⁺+Cu²⁺,電路板的制作是利用FeCl₃溶液與裸露的銅反應。

⑤2Fe³⁺+2I^－=2Fe²⁺+I₂

2.鐵元素的原子在化學反應中，當遇弱氧化劑(如S、H⁺、Cu²⁺、I₂等)時，鐵只能失去最外層的兩個電子，而生成+2價鐵的化合物，當遇到強氧化劑(如Cl₂、Br₂、HNO₃等)時，鐵原子可以再失去次外層上的一個電子而生成+3價鐵的化合物.

從Fe、Fe²⁺和Fe³⁺的結構可知:Fe只有還原性，F(xiàn)e³⁺通常只有氧化性，F(xiàn)e²⁺既具有氧化性又具有還原性。上述微粒通過跟一定的氧化劑或還原劑發(fā)生氧化還原反應，才能實現(xiàn)不同價態(tài)的鐵相互轉化，如下圖(常稱為鐵三角)：

　　　　　 　　　　　　　　　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⁺　

　(溶液為綠色)　　　　　　　　　　　　　 (溶液為棕黃色)

1.學習鐵及其化合物的性質要注意：

(1)抓價態(tài)：從鐵元素三種價態(tài)的相互轉化(鐵三角關系)去認識鐵及其化合物間的氧化-還原反應規(guī)律.

(2)想屬類：如鐵是一種比較活潑的過渡金屬，氧化亞鐵、氧化鐵為堿性氧化物，氫氧化亞鐵、氫氧化鐵為不溶性弱堿，氯化鐵為強酸弱堿鹽，由此去分析理解它們各自所具有的性質.

2.Fe(OH)₂和Fe(OH)₃從溶液中析出的現(xiàn)象不同，前者是白色絮狀沉淀，后者是紅褐色沉淀。而Fe(OH)₂極不穩(wěn)定，易被氧化成Fe(OH)₃，反應現(xiàn)象是：白色→灰綠色→紅褐色。

若要觀察到白色的Fe(OH)₂沉淀，需要創(chuàng)造以下條件：

(1)排除亞鐵鹽溶液里的Fe³⁺離子，以免Fe³⁺離子直接與OH^-結合生成Fe(OH)₃。

(2)盡量排除溶液中溶解的氧氣(絕對排除是辦不到的)，以減慢生成的Fe(OH)₂被氧化成Fe(OH)₃的速度。

反應要用新制備的亞鐵鹽溶液，并放入少量的鐵以防止Fe³⁺離子產生。亞鐵鹽溶液與堿溶液在混合前分別加熱以排除溶有的空氣，然后，把堿溶液沿著試管壁加入盛亞鐵鹽溶液的試管中，或把滴管尖嘴直接插入液面下再加入堿溶液，可觀察到白色絮狀沉淀。