7.1 铁单质+铁的氧化物

A.铁单质

a.自然界存在 铁元素在自然界中几乎都以化合物的形式存在（但铁在自然界中可以像陨铁中的铁那样以单质形态存在，因此铁元素在自然界是有游离态的）。铁元素在地壳中的含量居第四位，前三位的元素依次是 \(O\)、\(Si\)、\(Al\)。
b.人体中的铁元素 铁元素是人体必需微量元素中含量最多的一种，功能性铁元素主要参与氧的运输。为了减少缺铁性贫血，可以食用铁强化酱油 。
c.铁的化合价 铁的常见化合价有 \(0\)、\(+2\)、\(+3\)，用于净水的 \(K_2FeO_4\)（高铁酸钾）中，铁元素的化合价为 \(+6\)。
d.物理性质 在常温下，纯净的铁块为银白色（铁的合金以及铁粉一般为黑色）具有金属光泽的固体，能导电和导热，具有延展性和磁性 。
e.化学性质
  根据金属活动性顺序表可知，铁单质具有较强的还原性，能与很多氧化剂反应。
  1.与非金属单质的反应
  ① 与 \(O_2\) 反应
  i. 常温下暴露在空气中的生铁容易发生吸氧腐蚀，铁锈的主要成分为 \(Fe_2O_3 \cdot xH_2O\)（常温下，潮湿环境利于铁的腐蚀，所以减少铁的腐蚀措施之一是保持其干燥）。
  ii. 在纯氧中点燃：\(3Fe + 2O_2 \xrightarrow{点燃} Fe_3O_4\)

注意

这两个反应体现了温度的“量变引起质变”。

  ② 与 \(Cl_2\) 反应：\(2Fe + 3Cl_2 \xlongequal{\Delta} 2FeCl_3\)（或点燃）

注意

强氧化性的 \(Cl_2\) 与 \(Fe\) 反应只能生成 \(+3\) 价的铁盐，无量变引起质变。铁可以和\(\ce{FeCl3}\)反应生成\(\ce{FeCl2}\)，但是这个反应只能在溶液中进行，而\(2Fe + 3Cl_2 \xlongequal{\Delta} 2FeCl_3\)不在溶液中进行，因此除非将反应后的产物溶解在水中，否则不会产生\(\ce{FeCl2}\)。

  ③ 与 \(S\) 反应：\(Fe + S \xlongequal{\Delta} FeS\)
  注：\(S\) 的氧化性较弱，铁与 \(S\) 反应只能生成 \(+2\) 价的亚铁盐，无量变引起质变。
  同理，遇到\(\ce{Br2}\)、\(I_2\)等物质也会生成对应的无氧酸盐，其中\(Cl_2、Br_2\)这类氧化性强的物质能够把铁氧化到+3价，\(I_2、S\)这些氧化性比较弱的物质只能把铁氧化到+2价。
  2.与化合物的反应

反应物	反应及注解
与水蒸气	\(3Fe + 4H_2O(g) \xlongequal{高温} Fe_3O_4 + 4H_2\) (g)指气态 （记忆方法：三思三思（3434），第一个“三思（34）”指反应物化学计量数，第二个“三思（34）”指四氧化三铁的小角标。）
与酸	i. 盐酸或稀硫酸：\(Fe + 2H^+ = Fe^{2+} + H_2 \uparrow\) （Fe 与非氧化性酸，如稀硫酸、盐酸等反应，不管酸量多，还是酸量少，只能生成亚铁盐） ii. 稀硝酸：铁与足量稀硝酸：\(\overset{0}{Fe} + 4H\overset{+5}{N}O_{3}(稀) = \overset{+3}{Fe}(NO_{3})_{3} + \overset{+2}{N}O\uparrow + 2H_{2}O\) （硝酸具有强氧化性，能够把铁氧化成三价铁。） iii. 足量铁和稀硝酸：（铁先和稀硝酸反应，之后生成的三价铁和铁单质反应生成二价铁） \(3\overset{0}{Fe} + 8H\overset{+5}{N}O_3(稀) = 3\overset{+2}{Fe}(NO_3)_2 + 2\overset{+2}{N}O\uparrow + 4H_2O\) iv. 常温下，铁和浓硝酸或浓硫酸：钝化反应 v. 加热下，铁和浓硝酸或浓硫酸： \(2\overset{0}{Fe} + 6H_2\overset{+6}{S}O_4(浓) \xlongequal{\Delta} \overset{+3}{Fe}_2(SO_4)_3 + 3\overset{+4}{S}O_2\uparrow + 6H_2O\) \(\overset{0}{Fe} + 6H\overset{+5}{N}O_3(浓) \xlongequal{\Delta} \overset{+3}{Fe}(NO_3)_3 + 3\overset{+4}{N}O_2\uparrow + 3H_2O\)
与盐	\(Fe + 2Fe^{3+} = 3Fe^{2+}\)（归中反应） ; \(Fe + Cu^{2+} = Cu + Fe^{2+}\)（湿法冶铜）

  注：铁和 \(Cl_2\)、\(O_2\) 反应需要一定的引发条件，要么需要水的存在，要么需要一定的温度。常温下，铁和干燥的 \(Cl_2\)、\(O_2\) 均不反应，所以液氯、液氧可以保存在钢瓶中。

注意

钝化反应发生的条件：①铁或铝 ②冷或常温 ③浓硫酸或浓硝酸 。钝化反应的原理是由于反应过快，迅速形成了一层具有抗腐蚀性的氧化物薄膜，使得反应停止。因此，钝化反应不是不反应，只是反应会快速停止，不持续反应。加热会破坏钝化氧化膜，因此加热不会发生钝化反应。

f.重点实验——铁与水蒸气反应的实验
  1.原理：\(3Fe + 4H_2O(g) \xlongequal{高温} Fe_3O_4 + 4H_2\)
  2.装置图：
  
  注：①湿棉花用于提供水蒸气。②还原性铁粉下的酒精灯可用酒精喷灯替换。③肥皂液用于收集氢气。
  3.现象：用火柴点燃肥皂泡，听到爆鸣声。
  4.结论：铁与水蒸气反应，生成可燃性气体 \(H_2\)。

注意

这个反应生成的氢气易燃易爆，因此需要尾气处理。

g.用途
  (1) 铁的合金是良好的建筑材料；
  (2) 用于其他金属的冶炼。
h.冶炼——高炉炼铁（热还原法）
  \(Fe_2O_3 + 3CO \xlongequal{高温} 2Fe + 3CO_2\)
  注：原料可以是赤铁矿（主要成分是 \(Fe_2O_3\)），也可以是磁铁矿（主要成分是 \(Fe_3O_4\)）。

B.铁的氧化物

物质	氧化亚铁(\(FeO\))	氧化铁(\(Fe_2O_3\))	四氧化三铁(\(Fe_3O_4\))
类别	碱性氧化物	碱性氧化物	——
俗名	——	铁红	磁性氧化铁
色、态	黑色粉末	红棕色粉末	黑色晶体
溶解度(水)	难溶	难溶	难溶
\(Fe\) 的化合价	\(+2\)	\(+3\)	\(一个+2、两个+3\)
与 \(CO\) 反应	\(FeO + CO \xlongequal{高温} Fe + CO_2\)	\(Fe_2O_3 + 3CO \xlongequal{高温} 2Fe + 3CO_2\)	\(Fe_3O_4 + 4CO \xlongequal{高温} 3Fe + 4CO_2\)
与盐酸或稀硫酸（氢离子）反应	\(FeO + 2H^+ = Fe^{2+} + H_2O\)	\(Fe_2O_3 + 6H^+ = 2Fe^{3+} + 3H_2O\)	\(Fe_3O_4 + 8H^+ = Fe^{2+} + 2Fe^{3+} + 4H_2O\)
用途	冶炼铁	冶炼铁、颜料	冶炼铁、磁铁
与稀硝酸反应（氧化性）	\(3FeO + 10HNO_3(稀) = 3Fe(NO_3)_3 + NO\uparrow + 5H_2O\)	\(Fe_2O_3 + 6H^+ = 2Fe^{3+} + 3H_2O\)	\(3Fe_3O_4 + 28HNO_3(稀) = 9Fe(NO_3)_3 + NO\uparrow + 14H_2O\)
与氢碘酸反应（还原性）	\(FeO + 2HI = FeI_2 + H_2O\)	\(Fe_2O_3 + 6HI = 2FeI_2 + I_2 + 3H_2O\)	\(Fe_3O_4 + 8HI = 3FeI_2 + I_2 + 4H_2O\)

注意

\(FeO\) 不稳定，在空气中受热，能迅速被氧化成 \(Fe_3O_4\)，对应化学方程式为 \(6FeO + O_2 \xlongequal{\Delta} 2Fe_3O_4\)。

总结：高中范围内产物是\(\ce{Fe3O4}\)的反应：
①\(3Fe + 2O_2 \xrightarrow{点燃} Fe_3O_4\)
②\(3Fe + 4H_2O(g) \xlongequal{高温} Fe_3O_4 + 4H_2\)
③ \(6FeO + O_2 \xlongequal{\Delta} 2Fe_3O_4\)

C.总结：铁三角

铁及其化合物的氧化还原转化（铁三角）

一、铁的氧化反应（失去电子，化合价升高）

铁原子（\(\ce{Fe}\)）及其低价离子（\(\ce{Fe^{2+}}\)）在遇到不同强弱氧化剂时，会升到不同的价态。

1. 铁单质（\(\ce{Fe}\)） \(\rightarrow\) 亚铁（\(\ce{Fe^{2+}}\)）

氧化剂： 弱氧化剂（\(\ce{H+}\)、\(\ce{Cu^{2+}}\)、\(\ce{Fe^{3+}}\)、\(\ce{S}\)、\(\ce{I2}\)）
对应化学方程式：
   \(\ce{Fe + 2H+ -> Fe^{2+} + H2 ^}\)
   \(\ce{Fe + Cu^{2+} -> Fe^{2+} + Cu}\)
   \(\ce{Fe + 2Fe^{3+} -> 3Fe^{2+}}\)
   \(\ce{Fe + S \xlongequal{\Delta} FeS}\) （注：通常需要加热条件）
*   \(\ce{Fe + I2 \xlongequal{\Delta} FeI2}\) （注：通常需要加热条件）

2. 铁单质（\(\ce{Fe}\)） \(\rightarrow\) 铁离子（\(\ce{Fe^{3+}}\)）

氧化剂： 强氧化剂（\(\ce{Cl2}\)、\(\ce{Br2}\)、\(\ce{HNO3}\)（稀/浓）、\(\ce{H2SO4}\)（浓））
对应化学方程式：
   \(\ce{2Fe + 3Cl2 \xlongequal{\Delta} 2FeCl3}\)
   \(\ce{2Fe + 3Br2 -> 2FeBr3}\)
   \(\ce{Fe + HNO3(稀) -> Fe(NO3)3 + NO ^}\)
   \(\ce{Fe + HNO3(浓) -> Fe(NO3)3 + NO2 ^}\)
*   \(\ce{Fe + H2SO4(浓) \xlongequal{\Delta} Fe2(SO4)3 + SO2 ^}\)

3. 亚铁离子（\(\ce{Fe^{2+}}\)） \(\rightarrow\) 铁离子（\(\ce{Fe^{3+}}\)）

氧化剂： 强氧化剂（\(\ce{O2}\)、\(\ce{Cl2}\)、\(\ce{Br2}\)、\(\ce{MnO4^{-}(H+)}\)、\(\ce{Cr2O7^{2-}(H+)}\)、\(\ce{H2O2}\)、\(\ce{HNO3}\)、\(\ce{H2SO4(浓)}\)）
对应化学方程式：
   \(\ce{4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O -> 4Fe(OH)3}\)
   \(\ce{2Fe^{2+} + Cl2 -> 2Fe^{3+} + 2Cl^-}\)
   \(\ce{2Fe^{2+} + Br2 -> 2Fe^{3+} + 2Br^-}\)
   \(\ce{5Fe^{2+} + MnO4^- + 8H+ -> 5Fe^{3+} + Mn^{2+} + 4H2O}\)
   \(\ce{6Fe^{2+} + Cr2O7^{2-} + 14H+ -> 6Fe^{3+} + 2Cr^{3+} + 7H2O}\)
   \(\ce{2Fe^{2+} + H2O2 + 2H+ -> 2Fe^{3+} + 2H2O}\)
   \(\ce{3Fe^{2+} + NO3^- + 4H+ -> 3Fe^{3+} + NO ^ + 2H2O}\)
   \(\ce{2FeSO4 + H2SO4(浓) \xlongequal{\Delta} Fe2(SO4)3 + SO2 ^ + 2H2O}\)

二、铁的还原反应（得到电子，化合价降低）

高价铁离子（\(\ce{Fe^{3+}}\)）和亚铁离子（\(\ce{Fe^{2+}}\)）在遇到还原剂时，会被还原成更低价态或金属单质。

1. 铁离子（\(\ce{Fe^{3+}}\)） \(\rightarrow\) 铁单质（\(\ce{Fe}\)）

还原剂： 强还原剂（\(\ce{C}\)、\(\ce{CO}\)、\(\ce{H2}\)、\(\ce{Al}\)、\(\ce{Zn}\)（过量））
对应化学方程式：
   \(\ce{Fe2O3 + 3CO \xlongequal{高温} 2Fe + 3CO2}\)
   \(\ce{Fe2O3 + 2Al \xlongequal{高温} 2Fe + Al2O3}\) （铝热反应）
*   \(\ce{Fe^{3+} ->[Zn] Fe^{2+} ->[Zn] Fe}\) （在溶液中，锌可以逐步将铁还原）

2. 亚铁离子（\(\ce{Fe^{2+}}\)） \(\rightarrow\) 铁单质（\(\ce{Fe}\)）

还原剂： 强还原剂（\(\ce{C}\)、\(\ce{CO}\)、\(\ce{H2}\)、\(\ce{Al}\)、\(\ce{Zn}\)）
（实际工业或实验中，此类转化常需要在高温条件下进行，或利用活泼金属置换）

3. 铁离子（\(\ce{Fe^{3+}}\)） \(\rightarrow\) 亚铁离子（\(\ce{Fe^{2+}}\)）

还原剂： 常见还原剂（\(\ce{Fe}\)、\(\ce{Cu}\)、\(\ce{H2S}\) / \(\ce{HS^-}\) / \(\ce{S^{2-}}\)、\(\ce{SO2}\) / \(\ce{H2SO3}\) / \(\ce{HSO3^-}\) / \(\ce{SO3^{2-}}\)、\(\ce{I^-}\)）
对应化学方程式：
   \(\ce{Fe + 2Fe^{3+} -> 3Fe^{2+}}\)
   \(\ce{2Fe^{3+} + Cu -> 2Fe^{2+} + Cu^{2+}}\)
   \(\ce{2Fe^{3+} + H2S -> 2Fe^{2+} + S v + 2H+}\) （产生淡黄色沉淀硫）
   \(\ce{2Fe^{3+} + SO2 + 2H2O -> 2Fe^{2+} + SO4^{2-} + 4H+}\)
*   \(\ce{2Fe^{3+} + 2I^- -> 2Fe^{2+} + I2}\) （生成的碘单质可以通过淀粉溶液检验）