資源簡介

(共36張PPT)
專題9
金屬與人類文明
第二單元
探究鐵及其化合物的轉化
自然界蘊藏著大量的金屬化合物，為了更好地開發和利用這些自然資源，探索金屬及其化合物的轉化規律至關重要。在人類的生產、生活實踐中，為了合理利用已經獲得的金屬及其化合物，必須深入了解它們的性質和反應。金屬種類多，性質也有差異，必須結合具體的金屬進行分析。本單元側重探究鐵及其化合物轉化的思路。
反應的合理選擇
物質轉化首先必須明確目標產物是什么。有了目標產物，可以依據產物特性選擇反應原料和可能的反應路徑，確定反應的類型和反應條件，依據所發生的化學反應和產物分離的要求合理選擇反應的裝置等。
鐵元素有多種不同價態的存在形式和不同的物質類型，如單質、氧化物、氫氧化物和硫酸鹽等。這些物質具有不同的性質，在一定條件下能相互轉化。下面以鐵及其化合物為例，嘗試探索物質之間轉化路徑的設計。
鐵的物理性質：
熔點： 1535℃
沸點： 2750℃
密度: 7.8g/cm3
色澤：純鐵具有銀白色金屬光澤
延展性：良好
傳導性：良好的導電、導熱性
金屬及其化合物之間的相互轉化，既有非氧化還原反應，也有氧化還原反應。例如，鐵元素的常見價態有+2、+3價，在相同價態鐵元素化合物之間相互轉化，通過非氧化還原反應即可實現；在不同價態鐵元素化合物之間相互轉化，則需通過氧化還原反應才能實現。以鐵屑為原料制取氯化鐵，有多條反應路徑。如：
FeFeCl3 (1)
FeFeCl2 FeCl3 (2)
FeFe2O3 FeCl3 (3)
從理論上看，上述3條反應路徑都可以制備氯化鐵：路徑 (1)，在點燃條件下氯氣將鐵氧化為+3價的鐵化合物，并從反應爐中排出，經冷凝后得到固體三氯化鐵；路徑(2)，用鹽酸溶解鐵，生成的FeCl2在溶液中被Cl2氧化為FeCl3，分離提純后得到產物；路徑(3)，在一定條件下用空氣將鐵氧化成氧化鐵，再將氧化鐵溶解在鹽酸中得到氯化鐵，分離提純后得到產物。鐵、氯化亞鐵與氯氣的反應如下:
1、用于制藥、農藥、粉末冶金、熱氫發生器、凝膠推進劑、燃燒活性劑、催化劑、水清潔吸附劑、燒結活性劑、粉末冶金制品、各種機械零部件制品、硬質合金材料制品等。
2、純鐵用于制發電機和電動機的鐵芯，還原鐵粉用于粉末冶金，鋼鐵用于制造機器和工具。此外，鐵及其化合物還用于制磁鐵、藥物、墨水、顏料、磨料等。
3、用作還原劑。用于鐵鹽制備。還用于制備電子元器件。
4、用作營養增補劑（鐵質強化劑）。
5、在膠黏劑中用作環氧膠黏劑的填料，配制鑄件修補膠。常作為還原劑使用。在電子工業、粉末冶金、機械工業中具有廣泛的用途。
鐵的用途
學科提煉
物質制備反應路線的選擇
實際制備物質時，必須根據反應原料、反應條件、反應步驟、產物要求、反應裝置、環境保護、生產成本等因素進行綜合判斷，選擇合適、可控的反應路徑。
在實驗室中，可從與Fe3+有關的多種反應中選擇合適的反應，以檢驗溶液中的Fe3+。如在含有Fe3+的溶液中加入氫氧化鈉溶液，通過觀察是否生成紅褐色的氫氧化鐵沉淀，便可定性地檢驗出Fe 3+的存在。這種方法需要加入的堿量較多，現象也容易受到干擾，反應的靈敏度和精確性都不高。
缺點：這種方法需要加入的堿量較多，現象也容易受到干擾，反應的靈敏度和精確性都不高。
方法導引
Fe3+的檢驗
在溶液中，某些金屬離子能與一些特定的物質結合生成有顏色的物質，即便金屬離子的含量很少，溶液顏色也會因特定物質的加入而發生顯著變化。在含有Fe3+的溶液中滴加KSCN溶液，反應混合液立刻變成了血紅色，而Fe2+遇KSCN溶液不顯色。這種方法靈敏度高，常用于檢驗溶液中是否存在Fe3+。
用KSCN溶液檢驗Fe3+，發生的反應可簡單表示為:
鐵及其化合物的性質實驗
【實驗1】取兩支試管分別編為A、B，向A試管中加入3 mL
0.1 mol·L-1 FeCl3溶液，向B試管中加入3 mL 0.1 mol·L-1 FeCl2 溶液。然后向兩試管各滴加2滴硫氰化鉀溶液，觀察實驗現象。
現象：A試管溶液變為紅色，B試管無明顯現象
結論：Fe3+ + 3SCN-=Fe(SCN)3
【實驗2】向實驗1的A試管加入過量鐵粉，觀察實驗現象。
預測該實驗的實驗現象。
結論：Fe3+具有氧化性，Fe具有還原性：
現象：紅色褪去
Fe3+ + Fe === 2Fe2+
【實驗3】向實驗1的B試管加入少量新制氯水，觀察實驗現象。
現象：加入KSCN溶液后，無明顯現象，滴加氯水后溶液呈紅色。
結論：Fe2+具有還原性：
2Fe2+ + Cl2 === 2Fe3+ + 2Cl2-
Fe3+的檢驗方法：
未知溶液
觀察顏色
NaOH溶液
KSCN溶液
溶液呈棕黃色
產生紅褐色沉淀
溶液呈紅色
含有Fe3+
含有Fe3+
含有Fe3+
Fe2+的檢驗方法：
未知溶液
觀察顏色
NaOH溶液
KSCN溶液
溶液呈淺綠色
產生白色絮狀沉淀，然后迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色
溶液不變紅色，含有Fe2+
含有Fe2+
含有Fe2+
溶液呈紅色
氯水
Fe2+在溶液中容易被一些氧化劑 (如氯水中的Cl2、空氣中的O2、H2O2等 )氧化為Fe3+，而Fe粉可以將Fe3+還原為Fe2+。
為實現+2價的亞鐵鹽、+3價的鐵鹽之間的相互轉化，可以選擇適當的氧化劑或還原劑。Fe2+和Fe3+之間的轉化常發生在溶液中。例如，若要除去廢水中的Fe2+ ，我們常先將其氧化為Fe3+，再調節溶液的pH使Fe3+轉化為紅褐色的Fe(OH)3沉淀析出，通過過濾的方法將其除去。
FeCl3溶液中的Fe3+具有較強的氧化性，能將Cu氧化成Cu2+。在制作印刷電路板時常用到這一反應。
印刷電路版
Fe、Fe2+、Fe3+常見的轉化
Fe
Fe2+
Fe3+
+弱氧化劑：H+、Cu2+、Fe3+
+強氧化劑：O2、Cl2、Br2
+強氧化劑：O2、Cl2、Br2 、H2 O2
+還原劑：Cu、Fe 、I-
+強還原劑：Al 、C、CO等
+強還原劑：Al 、C、CO等
反應條件的控制
化學反應都是在一定條件下發生的。反應條件對化學反應的方向、速率和限度都會有不同程度的影響。在研究物質的性質和制備時，應依據化學反應的規律和反應物、生成物的特點，合理選擇并控制好反應條件，才能達到預期的結果。
例如，亞鐵鹽與氫氧化鈉溶液反應能生成白色氫氧化亞鐵沉淀。
亞鐵鹽非常容易被氧氣或其他氧化劑氧化，生成的氫氧化亞鐵也很不穩定，容易被空氣中的氧氣氧化。在實驗室中，希望利用亞鐵鹽與氫氧化鈉溶液反應制得氫氧化亞鐵，反應的原料必須使用新制的、不含三價鐵鹽的亞鐵鹽溶液與不含溶解氧的氫氧化鈉溶液；在反應過程中還要采取措施，防止反應混合物與氧氣或其他氧化劑接觸，才能得到白色氫氧化亞鐵沉淀。
實驗探究
取A、B兩支試管，分別加入6 mL 0.1 mol.L-1的新制FeSO4溶液。
(1)向A試管中滴加 0.1 mol.L-1 NaOH溶液，邊滴加邊振蕩試管，觀察實驗現象。
(2) 用長膠頭滴管吸取幾滴經過煮沸并冷卻的 0.1 mol·L-1 NaOH溶液，將膠頭滴管末端伸入B試管中FeSO4溶液的液面之下，慢慢擠出NaOH溶液，觀察實驗現象。
實驗現象
試管A
試管B
溶液中先有的白色絮狀沉淀生成，迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色
有紅褐色沉淀生成
實驗表明，在不同的反應條件下，FeSO4溶液與NaOH溶液反應的實驗現象不同，得到的產物也不同。A試管中開始生成白色絮狀的氫氧化亞鐵沉淀，并迅速被溶解在溶液中和液面上方的氧氣氧化，逐步變成灰綠色，最后變成紅褐色沉淀。
B試管中控制了反應條件，生成物盡量避免與空氣中的氧氣接觸而被氧化，因此可得到白色的氫氧化亞鐵絮狀沉淀。
在化學研究和化學工業中，控制反應條件十分重要。例如，二氧化硫的催化氧化、氨的合成反應等，都需要嚴格控制反應的溫度、壓強，選擇合適的催化劑，確定反應物的配比，才能使物質制備的過程得以順利進行。
生活向導
鐵元素與人體健康
在人體膳食結構中，鐵元素有血紅素鐵和非血紅素鐵。血紅素鐵是與血紅蛋白、肌紅蛋白中的卟啉結合的二價鐵，而非血紅素鐵則主要以三價鐵形式存在于植物中。血紅素鐵容易被人體吸收利用，而非血紅素鐵則需要將三價鐵還原為二價鐵才能被吸收。
維生素C具有還原性，能將三價鐵轉化為二價鐵。因此，營養學家建議進食含鐵的植物食品時，補充一定量的維生素C，以促進鐵的吸收。為了預防缺鐵性貧血，人們應合理進食含鐵食物，如動物血、肝臟、骨髓、蛋黃、紅棗、大豆、芝麻等。
富含鐵的食物
完成課后相關練習
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