一、鐵的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
1.\x09鐵是26號元素,位于第四周期第Ⅷ族,屬于過渡元素.
主要化合價(jià)：+2,+3
2.鐵在金屬的分類中屬于黑色金屬,重金屬,常見金屬.純凈的鐵是光亮的銀白色金屬,密度為7.86g/㎝3,熔沸點(diǎn)高,有較好的導(dǎo)電、傳熱性,能被磁鐵吸引,也能被磁化.還原鐵粉為黑色粉末.
3.鐵是較活潑的金屬元素,在金屬活動性順序表中排在氫的前面.
①跟非金屬反應(yīng)：點(diǎn)燃點(diǎn)燃 △
3Fe+2O2== Fe3O42Fe+3Cl2==2FeCl3Fe+S= FeS
Fe+I2= FeI2
②跟水反應(yīng)： 3Fe+4H2O= Fe3O4+4H2↑
③跟酸作用：Fe+2H+=Fe2++H2↑(遇冷濃硝酸、濃硫酸鈍化；與氧化性酸反應(yīng)不產(chǎn)生H2,且氧化性酸過量時(shí)生成Fe3+)
④與部分鹽溶液反應(yīng)：Fe+Cu2+=Fe2++CuFe+2Fe3+=3Fe2+
3.生鐵與鋼的比較
鐵的合金\x09生鐵\x09鋼
含碳量\x092%～4.3%\x090.03%～2%
其它雜質(zhì)\x09含硅、錳、硫、磷較多\x09含硅、錳少量,硫和磷幾乎沒有
機(jī)械性能\x09硬而脆、無韌性\x09硬而韌、有彈性
機(jī)械加工\x09可鑄不可鍛\x09可鑄、可鍛、可壓延
4.煉鐵和煉鋼的比較
\x09煉鐵\x09煉鋼
原料\x09鐵礦石、焦炭、石灰石、空氣\x09生鐵、空氣（或純氧、氧化鐵）、生石灰、脫氧劑
化學(xué)原理\x09在高溫下用還原劑從鐵礦石里還原出來\x09在高溫下用氧化劑把生鐵里過多的碳和其它氧化為氣體或爐清除去
主
要
反
應(yīng)\x09①還原劑的生成
C+O2 CO2
CO2+C 2CO
②鐵的還原
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2
③爐渣的生成
CaCO3 CaO+CO2
CaO+SiO2 CaSiO3
①氧化：2Fe+O2 2FeO
FeO氧化鐵水里的Si、Mn、C等.如C+FeO
Fe+CO
②造渣：生成的硅錳氧化物得鐵水里的硫、磷跟造渣材料反應(yīng)形成爐渣排出.
③脫氧,并調(diào)整Mn、Si含量
2FeO+Si 2Fe+SiO2
主要設(shè)備\x09高爐\x09轉(zhuǎn)爐
1.過渡元素位于周期表中中部從ⅢB～ⅡB族十個(gè)縱行,分屬于第四周期至第七周期.過渡元素都是金屬,又叫過渡金屬.
過渡金屬的密度一般比較大,熔沸點(diǎn)較高,有較高的硬度、較好的延展性和機(jī)械加工性能,較好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能和耐腐蝕性能.
過渡元素的原子最外層電子數(shù)不超過兩個(gè),在化學(xué)反應(yīng)中,最外層和次外層都容易失去電子,因此過渡元素有可變化合價(jià).所以當(dāng)Fe與弱氧化劑反應(yīng)時(shí),只失去最外層上的2個(gè)電子,形成Fe2+；當(dāng)Fe與強(qiáng)氧化劑反應(yīng)時(shí),還能進(jìn)一步失去次外層上的一個(gè)電子,形成Fe3+.這就是鐵在其化合物中通常顯+2價(jià)或+3價(jià)的原因.則Fe發(fā)生化學(xué)反應(yīng)能得到+2價(jià)還是+3價(jià),需看參加反應(yīng)的氧化劑的強(qiáng)弱,有時(shí)還要看反應(yīng)物的量之間的關(guān)系.
例如：①鐵在O2中燃燒的,一定要在集氣瓶低留有少量的水或一層沙子,防止瓶子被炸裂；②Fe與S反應(yīng)中Fe只能失去其最外層的2個(gè)電子而變成+2價(jià),反應(yīng)開始后撤去酒精燈,反應(yīng)可以繼續(xù)進(jìn)行,說明反應(yīng)放熱；③Fe在Cl2中燃燒時(shí)不但能失去最外層的2個(gè)電子,而且還可失去次外層的1個(gè)電子后成+3價(jià),說明氧化性Cl2>S；④在高溫時(shí)能與C、P、Si等化合.
2.鐵的合金
一般地說,含碳量在2%～4.3%的鐵的合金叫做生鐵.生鐵里除含碳外,還含有硅、錳以及少量的硫、磷等,它可鑄不可煅.根據(jù)碳的存在形式可分為煉鋼生鐵、鑄造生鐵和球墨鑄鐵等幾種.
一般地說,含碳量在0.03%～2%的鐵的合金叫做鋼.鋼堅(jiān)硬有韌性、彈性,可以鍛打、
壓延,也可以鑄造.
鋼的分類方法很多,如果按化學(xué)成分分類,鋼可以分為碳素鋼和合金鋼兩大類.碳素鋼就是普通的鋼.合金鋼也叫特種鋼,是在碳素鋼是適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或幾種,如錳、鉻、鎳、鎢、銅等合金元素而制成的.合金元素使合金鋼具有各種不同的特殊性能.
3.煉鐵
(1)反應(yīng)原理：利用氧化——還原反應(yīng),在高溫下,用還原劑(主要是CO)把鐵從鐵礦石里還原出來.
(2)原料：鐵礦石、焦炭、石灰石和空氣
(3)設(shè)備：高爐
(4)生產(chǎn)過程
①還原劑的生成
C+O2CO2CO2+C 2CO
②鐵礦石還原成鐵
Fe2O3+3CO 2Fe+3CO2↑
③除脈石、爐渣的形成
CaCO3 CaO+CO2↑
SiO2+CaO CaSiO3
4.煉鋼
(1)設(shè)備：氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐
(2)主要原料：煉鋼生鐵、生石灰、氧氣.
(3)反應(yīng)原理：利用氧化還原反應(yīng),在高溫下,用氧化劑把生鐵中過多的碳和其它雜質(zhì)氧化為氣體或爐渣除去.
(4)煉鋼時(shí)的主要反應(yīng)：
①氧化劑的生成,熱能的來源2Fe+O2 2FeO
②降低碳的含量C+FeO CO+Fe
③除去S、P等雜質(zhì)
④加硅鐵、錳鐵、鋁除剩余FeO——脫氧
2FeO+Si 2Fe+SiO2
二、鐵的氧化物和氫氧化物
1.鐵的氧化物的比較
鐵的氧
化物\x09FeO\x09Fe2O3\x09Fe3O4
俗稱\x09\x09鐵紅\x09磁性氧化鐵
色、態(tài)\x09黑色粉末\x09黑色晶體\x09紅棕色粉末
鐵的價(jià)態(tài)\x09+2\x09+3\x09+2、+3
水溶性\x09難溶于水
穩(wěn)定性\x09不穩(wěn)定性
6FeO+O2=2Fe3O4\x09穩(wěn)定\x09穩(wěn)定
與酸的反應(yīng)\x09FeO+2H+=Fe2++H2O\x09Fe2O3+6H+=2Fe3+
+3H2O\x09Fe3O4+8H+=2Fe3++ Fe2++4H2O
與CO的反應(yīng)\x09FexOy+yCO=xFe+yCO2
制取\x09高溫熔融,過量的鐵與氧氣反應(yīng)
2Fe+O2=2FeO\x09Fe(OH)3的分解
2Fe(OH)3=Fe2O3
+3H2O\x09鐵在氧氣中燃燒
3Fe+2O2=Fe3O4
2.鐵的氫氧化物的比較
\x09Fe(OH)2\x09Fe(OH)3
物理性質(zhì)\x09白色,難溶于水的固體\x09紅褐色,難溶于水的固體
化學(xué)性質(zhì)\x09（1）與非氧化性強(qiáng)酸反應(yīng)
Fe(OH)2+2H+=Fe2++2H2O
(2)與氧化性酸反應(yīng)
3Fe(OH)2+10HNO3=3Fe(NO3)3+NO↑+8H2O
（3）空氣中放置被氧化
4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3\x09（1）與酸反應(yīng)
Fe(OH)3+3H+=Fe3++3H2O
（2）受熱分解
2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O
制備\x09①煮沸蒸餾水,趕走溶解的氧氣②煮沸NaOH溶液,趕走溶解的氧氣③配制FeSO4溶液,加少量的還原鐵粉④用長滴管將NaOH溶液送入FeSO4溶液液面以下
Fe2++2OH-=Fe(OH)2↓\x09將NaOH溶液滴入Fe2(SO4)3溶液中
Fe3++3OH-=Fe(OH)3↓
1. Fe3O4是復(fù)雜的化合物,經(jīng)研究證明,在Fe3O4晶體中有1/3的Fe是+2價(jià),有2/3的Fe是+3價(jià),可看成FeO•Fe2O3,實(shí)際應(yīng)寫成Fe(FeO2)2,即鐵酸亞鐵鹽,不是一般的氧化物.
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(yīng)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(jié)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(yīng)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(chǎn)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.
三、Fe、Fe2+和Fe3+之間相互轉(zhuǎn)化及檢驗(yàn)
從Fe、Fe2+和Fe3+的結(jié)構(gòu)可知:Fe只有還原性,Fe3+通常只有氧化性,Fe2+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(yīng),才能實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)的鐵相互轉(zhuǎn)化,如下圖（常稱為鐵三角）：

Fe
Cl2
CO Fe3+CO O2
Zn Cu2+H2HNO3
I-、I2、S Al KMnO4
Cl2、O2、HNO3、KMnO4、H2O2
Fe2+ Fe、Cu、I-、S2-、H2S Fe3+
（溶液為綠色）（溶液為棕黃色）
1.學(xué)習(xí)鐵及其化合物的性質(zhì)要注意：
(1)抓價(jià)態(tài)：從鐵元素三種價(jià)態(tài)的相互轉(zhuǎn)化(鐵三角關(guān)系)去認(rèn)識鐵及其化合物間的氧化—還原反應(yīng)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(qiáng)酸弱堿鹽,由此去分析理解它們各自所具有的性質(zhì).
2.鐵元素的原子在化學(xué)反應(yīng)中,當(dāng)遇弱氧化劑(如S、H+、Cu2+、I2等)時(shí),鐵只能失去最外層的兩個(gè)電子,而生成+2價(jià)鐵的化合物,當(dāng)遇到強(qiáng)氧化劑(如Cl2、Br2、HNO3等)時(shí),鐵原子可以再失去次外層上的一個(gè)電子而生成+3價(jià)鐵的化合物.
3.具體反應(yīng)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(zhì),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++SO32－+2H2O=2Fe2++SO42-+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(yīng).
⑤2Fe3++2I－=2Fe2++I2
4.Fe2+和Fe3+的檢驗(yàn)
（1）Fe2+的檢驗(yàn)：
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(yàn)：
方法一：滴加KSCN溶液或NH4SCN溶液,溶液立即變?yōu)檠t色.
方法二：滴加NaOH溶液,出現(xiàn)紅褐色沉淀.
1.Fe2+和Fe3+的相互轉(zhuǎn)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,Fe2+的還原性更強(qiáng),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(yīng)的化學(xué)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+.
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(gè)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(jià)鐵鹽溶于水后都發(fā)生顯著的水解,實(shí)質(zhì)是+3價(jià)水合鐵離子的水解.只有在PH=0左右時(shí),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(luò)離子,影響淡紫色的觀察).當(dāng)PH為2～3時(shí),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(gè)Fe3+連結(jié)起來形成的多核絡(luò)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.