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第三章 鐵 金屬材料
章末復習
考點一：鐵的單質 鐵的氧化物
一．鐵元素在自然界中的存在形態
1.人類最早使用的鐵是來自太空的隕鐵。
2.存在形態
(1)可以像隕鐵中的鐵那樣以單質形態存在。
(2)主要是以＋2價和＋3價化合物的形態存在于礦石中；
鐵元素在地殼中的含量僅次于氧、硅和鋁，居第四位。
春秋初年，我國已經掌握了冶鐵技術
二．鐵單質的物理性質
純鐵具有金屬的共性，如具有銀白色金屬光澤，具有導電性、導熱性和延展性，具有能被磁鐵吸引的特征。
三．鐵單質的化學性質
鐵元素性質活潑，有較強的還原性，主要化合價為＋2價和＋3價。
鐵單質只有還原性，一般遇弱氧化劑被氧化為＋2價，遇強氧化劑被氧化為＋3價。
1.與非金屬單質反應
(1)與O2反應 點燃(化學方程式)：3Fe＋2O2===Fe3O4；
現象：劇烈燃燒，火星四射。
常溫：鐵在潮濕的空氣中易被腐蝕，生成鐵銹，其主要成分為Fe2O3·xH2O。
點燃
(2)與Cl2反應(化學方程式)：
2Fe＋3Cl2===2FeCl3
現象：劇烈燃燒，棕紅色煙。
注意：鐵在氯氣中燃燒，只生成FeCl3，與反應物量比無關。
(3)與S反應(化學方程式)：Fe＋S===FeS
氧化性：Cl2 > S，鐵與Cl2反應被氧化為＋3價，與S反應被氧化為＋2價。
燃燒
2.與水反應
常溫下，鐵與水是不反應的；但高溫下可與水蒸氣反應。
實驗裝置
操作及現象
實驗結論
用火柴點燃肥皂泡，有爆鳴聲，反應后試管內固體仍為黑色
紅熱的鐵能與水蒸氣反應：
3Fe＋4H2O(g) Fe3O4＋4H2
濕棉花作用：產生水蒸氣，與鐵粉反應
3.與酸反應
與非氧化性酸，如鹽酸、稀硫酸反應離子方程式：
Fe＋2H＋===Fe2＋＋H2↑
4.與鹽溶液反應
(1)置換反應
與CuSO4溶液反應(離子方程式)：曾青得鐵則化為銅
Fe＋Cu2＋===Fe2＋＋Cu
(2)與FeCl3溶液反應(離子方程式)：
Fe＋2Fe3＋===3Fe2＋
【總結】
在一定條件下，鐵作為還原劑能與某些非金屬單質、酸和鹽溶液反應。
(1)鐵與氧化性較弱的氧化劑(如鹽酸、硫酸銅等)反應，鐵原子失去2個電子生成＋2價鐵的化合物。
(2)鐵與氧化性較強的氧化劑(如氯氣等)反應，鐵原子則失去3個電子生成＋3價鐵的化合物。
(3)紅熱的鐵能與水蒸氣發生反應，生成四氧化三鐵和氫氣。
四．鐵單質的冶煉
鐵單質冶煉的原理就是利用還原劑將鐵從礦石中還原出來。
如高爐煉鐵：
(1)設備：煉鐵高爐；原料：鐵礦石、焦炭、空氣等。
(2)主要反應
①還原劑的生成。
a．生成CO2：C＋O2===CO2
b．生成CO：CO2＋C===2CO
②鐵的生成：Fe2O3＋3CO===2Fe＋3CO2
高溫
高溫
高溫
五．鐵的氧化物
化學式 FeO Fe2O3 Fe3O4
俗名 － 鐵紅 磁性氧化鐵
顏色狀態 黑色粉末 紅棕色粉末 黑色晶體
(有磁性)
溶解性 難溶于水 難溶于水 難溶于水
鐵元素的化合價 ＋2 ＋3 ＋2，＋3
穩定性 不穩定 穩定 穩定
類別 堿性氧化物 堿性氧化物 特殊氧化物
油漆、紅色顏料
FeO、Fe2O3、Fe3O4它們均可溶于強酸
FeO＋2H＋===Fe2＋＋H2O
Fe2O3＋6H＋===2Fe3＋＋3H2O
Fe3O4＋8H＋===Fe2＋＋2Fe3＋＋4H2O
考點二：鐵的氫氧化物 鐵鹽和亞鐵鹽
一．鐵的氫氧化物
1.FeCl3和NaOH溶液
現象：
化學方程式：
離子方程式：
2.FeSO4和NaOH溶液
現象：
化學方程式：
產生紅褐色沉淀
FeCl3＋3NaOH=Fe(OH)3↓＋3NaCl
Fe3＋＋3OH－===Fe(OH)3↓
生成白色絮狀沉淀迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色
FeSO4＋2NaOH=Fe(OH)2↓＋Na2SO4
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
3.Fe(OH)2和Fe(OH)3都是不溶性弱堿，可以和酸反應。
Fe(OH)2非常容易被氧化為Fe(OH)3，
加熱Fe(OH)3時，失水生成紅棕色的Fe2O3粉末。
反應方程式：
2Fe(OH)3===Fe2O3＋3H2O
化學式 Fe(OH)2 Fe(OH)3
顏色狀態 白色固體 紅褐色固體
與鹽酸反應 Fe(OH)2＋2H＋=Fe2＋＋2H2O Fe(OH)3＋3H＋=Fe3＋＋3H2O
受熱分解 －
制備 可溶性亞鐵鹽與堿反應： 可溶性鐵鹽與堿反應：
二者的關系 2Fe(OH)3===Fe2O3＋3H2O
Fe2＋＋2OH－=Fe(OH)2↓
Fe3＋＋3OH－=Fe(OH)3↓
在空氣中，Fe(OH)2能夠非常迅速地被氧氣氧化Fe(OH)3，現象是白色絮狀沉淀迅速變成灰綠色，最后變成紅褐色，反應的化學方程式為
4Fe(OH)2＋O2＋2H2O===4Fe(OH)3
三．鐵鹽和亞鐵鹽
常見的鐵鹽有 等，
常見的亞鐵鹽有 等。
FeCl3、Fe2(SO4)3
FeCl2、FeSO4
1.Fe3+的檢驗 【實驗3-2】觀察實驗，填寫下表：
滴入KSCN溶液的現象 解 釋（用離子方程式） 結論與應用
FeCl3溶液
FeCl2溶液 Fe3+＋3SCN－=Fe(SCN)3
溶液變紅色
沒有明顯
現象
可用來檢驗Fe3+
2.Fe3+的氧化性 【實驗3-2】觀察實驗，填寫下表：
在 FeCl3溶液中加入 現象 反應的化學方程式 結論
鐵粉，充分反應再加入KSCN溶液 加入鐵粉，溶液變淺綠色，再加KSCN溶液，沒有明顯現象。
再加入氯水，振蕩 溶液變紅色 2Fe3+＋Fe=3Fe2＋
2Fe2＋＋Cl2=2Fe3＋＋2Cl－
氧化性：
Cl2>Fe3+>Fe2＋
由實驗3-2得知，Fe3+和Fe2+可以相互轉化，
Fe3+ Fe2+。
還原劑
氧化劑
3.Fe3+的氧化性
含有Fe3＋的溶液呈黃色，Fe3＋處于鐵的高價態，
遇Fe、Cu、HI、H2S等均表現氧化性。
(1)Fe3＋與S2－、HS－、I－、SO32－等具有較強還原性的離子不能大量共存。
(2)Fe3＋可腐蝕印刷電路板上的銅箔，反應的離子方程式
Cu＋2Fe3＋===Cu2＋＋2Fe2＋
4.Fe2+的氧化性和還原性
含有Fe2＋的溶液呈淺綠色，Fe2＋處于鐵的中間價態，
既有氧化性，又有還原性，以還原性為主，
如遇Br2、Cl2、H2O2、NO3－(H＋)ClO－、MnO4－等均表現還原性。
Fe2＋的酸性溶液與H2O2反應的離子方程式：
2Fe2＋＋H2O2＋2H＋===2Fe3＋＋2H2O
5.應用
(1)判斷離子共存
Fe2＋與氧化性離子NO3－(H＋)、ClO－、MnO4－；
Fe3＋與還原性離子S2－、I－、SO32－；
因發生氧化還原反應不能大量共存。
(2)除雜
溶液 雜質 除雜方法
FeCl2 FeCl3 加過量鐵粉后過濾
FeCl3 FeCl2 加足量氯水或H2O2溶液
FeCl2 CuCl2 加過量鐵粉后過濾
考點三：金屬材料
材料
化學組成
使用性能
應用對象
金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料、復合材料
結構材料——力學性能；功能材料——光、電、磁、熱、聲特性和效應
信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料
金屬
材料
黑色金屬
有色金屬
除去黑色金屬外的金屬
鐵、錳、鉻及其合金
一．合金
金屬材料包括純金屬和它們的合金，日常使用的金屬材料，大多數屬于合金。
1.合金的概念
由純金屬(或金屬與非金屬)制得的金屬材料。
2.合金的一般性質
（1）硬度：合金的硬度及機械加工性能一般高于各成分金屬。
（2）熔點：合金的熔點一般低于各成分金屬。
二．鐵合金
鐵合金：生鐵和鋼是含碳量不同的兩種鐵碳合金。
1.生鐵
①生鐵的含碳量為2%～4.3%。
②性能及用途
生鐵硬度大、抗壓，性脆、可以鑄造成型，是制造機座、管道的重要材料。
2.鋼
①鋼的含碳量為0.03%～2%。
②性能及用途
鋼有良好的延展性，機械性能好，可以鍛軋和鑄造，廣泛用于制造機械和交通工具等。
③分類
鋼 碳素鋼 合金鋼
低碳鋼 中碳鋼 高碳鋼 組成元素 Fe和C Fe、C、Cr、Mn、W、Ni、Mo、Co、Si
含碳量 低于0.3% 0.3%-0.6% 高于0.6%
性能 韌性、焊接性好，但強度低 強度高、韌性及加工性好 硬而脆，熱處理后彈性好 種類多，性能差別大
用途 用于制造鋼板、鋼絲、鋼管等 用于制造鋼軌、車輪、建材等 用于制造器械、彈簧、刀具等
④常用合金鋼
a．不銹鋼
合金元素主要是鉻(Cr)和鎳(Ni)。
性能：大氣中比較穩定，不容易生銹，具有很強的抗腐蝕能力。
用途：醫療器材、廚房用具和餐具、地鐵列車的車體材質等。
b．超級鋼
合金元素：Mn、C、Al、V。
性能：強度很大，在應用時能夠實現鋼板的輕薄化。
用途：汽車、航空和航天等領域。
三．鋁和鋁合金
1．鋁與氧化鋁(鋁是地殼中含量最多的金屬元素)
(1)Al與O2反應：
常溫下能與空氣中的O2發生反應，表面形成
一層 。
其反應方程式為： 。
致密的氧化鋁薄膜
4Al＋3O2===2Al2O3
(2)Al、Al2O3與酸反應
將一鋁片放入鹽酸中，開始沒有氣泡，后來又放出氣體，有關反應的化學方程式為：
Al2O3＋6HCl===2AlCl3＋3H2O,
2Al＋6HCl===2AlCl3＋3H2↑ 。
鋁表面存在一層致密的氧化鋁薄膜
(3)Al、Al2O3與強堿的反應
(4)兩性氧化物：
既能與酸反應生成鹽和水，又能與堿反應生成鹽和水的氧化物叫做兩性氧化物，如Al2O3。
2．氫氧化鋁
（1）物理性質
Al(OH)3是白色固體，幾乎不溶于水，但能凝聚水中的懸浮物，并能吸附色素。
（2）化學性質
①兩性氫氧化物：像Al(OH)3這樣既能與酸反應生成鹽和水，又能與堿反應生成鹽和水的氫氧化物，稱為兩性氫氧化物。
②Al(OH)3是典型兩性氫氧化物，在強酸與強堿溶液里都能溶解。
a．與強酸反應：Al(OH)3＋3H＋===Al3＋＋3H2O
b．與強堿反應：Al(OH)3＋OH－===AlO2-＋2H2O
③氫氧化鋁的熱穩定性
Al(OH)3的熱穩定性較差，將Al(OH)3加熱后，可分解為Al2O3和H2O。
2Al(OH)3 Al2O3＋3H2O
3．鋁合金——目前用途廣泛的合金之一
（1）成分元素：除鋁外，主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。
（2）主要特性：鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性
（3）主要用途：用于汽車、飛機、火箭、船舶制造及建筑用門窗，工業上廣泛使用，使用量僅次于鋼。
【思考】鋁制餐具不宜長期存放酸、堿性食物原因是什么？
Al和Al2O3均易與酸、堿反應。
四．新型合金
新型儲氫合金材料的研究和開發將為氫氣作為能源的實際應用起到重要的推動作用。此外，鈦合金、耐熱合金和形狀記憶合金等新型合金廣泛應用于航空航天、生物工程和電子工業等領域。
考點四：物質的量在化學方程式計算中的應用
一．物質的量在化學方程式中的應用
物質是由原子、分子、離子等粒子構成的，
物質之間的化學反應也是粒子按照一定的數目關系進行的。
化學方程式中的化學計量系數可以明確表示出化學反應中粒子之間的數目關系。
2Na ＋ 2H2O　 === 2NaOH ＋ H2↑
化學計量系數 2 ∶ 2 ∶ 2 ∶ 1
擴大倍2NA倍 2NA∶ 2NA ∶ 2NA ∶1NA
物質的量 2 mol 2 mol ∶ 2 mol ∶1 mol
結論：
化學方程式中各物質的化學計量數之比等于粒子個數之比，也等于各物質的物質的量的變化量之比。
二．化學方程式中化學計量數與相關物理量的關系
1．物質的量應用于化學方程式計算的基本步驟
轉：將已知物理量轉化為物質的量
設：設所求物質的物質的量為n（B）
寫：寫出相關的化學方程式
標：在相關物質化學式下面標出已知量和未知量
列：列出比例式
解：根據比例式求解
答：簡明的寫出答案
2．計算過程中的注意事項
(1)書寫格式規范化：在根據化學方程式計算的過程中，各物理量、物質名稱、公式等盡量用符號表示，且數據的運算要公式化并帶單位。
(2)單位運用對應化：根據化學方程式計算時，如果題目所給兩個量單位不一致，要注意兩個量的單位要“上下一致，左右相當”，且單位要注明。
(3)如果兩種反應物的量都是已知的，求解某種產物的量時，必須先判斷哪種物質過量，然后根據不足量的物質進行計算。
三．化學計算中常用的解題方法
1.關系式法
當已知量和未知量之間是靠多個反應來聯系時，只需直接確定已知量和未知量之間的比例關系，即“關系式”。
①根據化學方程式確定關系式。
寫出發生反應的化學方程式，根據量的關系寫出關系式。
②根據原子守恒確定關系式。
示例：
把CO還原Fe2O3生成的CO2通入澄清石灰水中，求生成沉淀的質量。
分析：
a.寫出反應方程式：
3CO＋Fe2O3===2Fe＋3CO2
CO2＋Ca(OH)2===CaCO3↓＋H2O
b．列關系式
3CO～3CO2～3CaCO3
即CO～CaCO3
三．化學計算中常用的解題方法
2.守恒法
①原子守恒：反應前后原子的種類和數目不變。
②電子守恒：氧化還原反應中得電子總數等于失電子總數。
③電荷守恒：
電解質溶液中，陽離子所帶正電荷總數＝陰離子所帶負電荷總數；
離子方程式中，反應物所帶電荷總數＝生成物所帶電荷總數。
三．化學計算中常用的解題方法
3.差量法
原理：根據化學反應前后物質的有關物理量發生的變化，找出“理論差量”，如反應前后的質量、物質的量、氣體體積等。結合題目實際差量列出比例式進行解答。
【例題】向500 mL NaOH溶液中投入10.8 g Al，二者恰好完全反應后，2Al＋2NaOH＋2H2O===2NaAlO2＋3H2↑。則：
(1)Al的物質的量為________。
(2)參加反應的NaOH的物質的量為________，
NaOH溶液的物質的量濃度為________。
(3)生成標準狀況下H2的體積為________。
【答案】(1)0.4 mol　(2)0.4 mol　0.8 mol/L
(3)13.44 L
【例題】標準狀況下，把4.48 L CO2通過一定量的過氧化鈉固體后收集到3.36 L氣體，則這3.36 L氣體 的質量是
A．4.8 g B．5.4 g C．6.0 g D．6.6 g
【答案】C

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