高中化学必修一 第三章
铁 金属材料 | 学习笔记
第一节 铁及其化合物
一、 铁的单质 (Fe)
1. 物理性质
- 银白色金属，有金属光泽。
- 具有延展性、导热性、导电性（不如铜和铝）。
- 具有磁性，能被磁体吸引。
- 熔点 1535℃，沸点 2750℃，密度 7.86 g/cm³。
2. 化学性质
铁是较活泼的金属，作为还原剂，遇到不同强度的氧化剂表现出不同的价态（+2价或+3价）。
与非金属单质反应：
- 与氯气（强氧化剂）反应：生成棕黄色的烟（\(FeCl_3\)）。
$$2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{\Delta} 2FeCl_3$$
- 与氧气反应：剧烈燃烧，火星四射，生成黑色固体（\(Fe_3O_4\)）。
$$3Fe + 2O_2 \xrightarrow{\text{点燃}} Fe_3O_4$$
与酸反应（弱氧化剂，如稀盐酸、稀硫酸）：生成浅绿色溶液（\(Fe^{2+}\)）和氢气。
$$Fe + 2H^+ = Fe^{2+} + H_2\uparrow$$
与盐溶液反应（如 \(CuSO_4\)）：置换出铜，溶液由蓝色变为浅绿色。
$$Fe + Cu^{2+} = Fe^{2+} + Cu$$
与水蒸气反应：常温下不反应，高温下与水蒸气反应生成 \(Fe_3O_4\) 和 \(H_2\)。
$$3Fe + 4H_2O(g) \xrightarrow{\text{高温}} Fe_3O_4 + 4H_2$$
二、 铁的氧化物
| 化学式 | FeO | \(Fe_2O_3\) | \(Fe_3O_4\) |
|---|---|---|---|
| 俗称 | — | 铁红 | 磁性氧化铁 |
| 颜色状态 | 黑色粉末 | 红棕色粉末 | 黑色晶体 |
| 化合价 | +2 | +3 | +2, +3 |
| 溶解性 | 难溶于水 | 难溶于水 | 难溶于水 |
| 稳定性 | 不稳定，受热氧化 | 稳定 | 稳定 |
| 与酸反应 | 生成 \(Fe^{2+}\) | 生成 \(Fe^{3+}\) | 生成 \(Fe^{2+}, Fe^{3+}\) |
| 用途 | — | 油漆、涂料、颜料 | — |
三、 铁的氢氧化物
1. 制备与转化
- 氢氧化铁 (\(Fe(OH)_3\))：红褐色沉淀。
- 氢氧化亚铁 (\(Fe(OH)_2\))：白色絮状沉淀。
转化现象（必考）：在 \(FeSO_4\) 溶液中加入 \(NaOH\) 溶液，先生成白色絮状沉淀，迅速变成灰绿色，最后变成红褐色。
$$FeSO_4 + 2NaOH = Fe(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4$$
$$4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O = 4Fe(OH)_3 \quad (\text{被空气氧化})$$
2. 性质
\(Fe(OH)_3\) 受热分解：
$$2Fe(OH)_3 \xrightarrow{\Delta} Fe_2O_3 + 3H_2O$$
四、 铁盐 (\(Fe^{3+}\)) 和亚铁盐 (\(Fe^{2+}\))
1. 离子的检验
- 检验 \(Fe^{3+}\)： 滴入 KSCN (硫氰化钾) 溶液，溶液变成红色。
- 检验 \(Fe^{2+}\)： 先滴加 KSCN 溶液无现象，再滴加氯水（氧化剂），溶液变红。
2. 相互转化 (三角关系)
- \(Fe^{2+} \rightarrow Fe^{3+}\) (氧化)： 需加入强氧化剂（如 \(Cl_2, O_2, HNO_3, KMnO_4\)）。
$$2Fe^{2+} + Cl_2 = 2Fe^{3+} + 2Cl^-$$
- \(Fe^{3+} \rightarrow Fe^{2+}\) (还原)： 需加入还原剂（如 Fe, Cu, I⁻）。
$$2FeCl_3 + Cu = 2FeCl_2 + CuCl_2 \quad (\text{工业腐蚀印刷电路板})$$$$2Fe^{3+} + Fe = 3Fe^{2+} \quad (\text{防止亚铁氧化})$$
第二节 金属材料
一、 合金
- 定义： 在金属中加热熔合某些金属或非金属，制得的具有金属特征的物质。
- 性能特点： 硬度通常大于其成分金属；熔点通常低于其成分金属。
- 铁合金：
- 生铁： 含碳量 2% ~ 4.3%，硬度大，性脆。
- 钢： 含碳量 0.03% ~ 2%，延展性好。
- 不锈钢： 添加 Cr、Ni，抗腐蚀性强。
二、 铝和铝合金
1. 化学性质 (两性)
铝和氧化铝既能与酸反应，又能与强碱反应，表现出两性。
重要方程式：
与酸反应 (以盐酸为例)：
$$2Al + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2\uparrow$$
$$Al_2O_3 + 6HCl = 2AlCl_3 + 3H_2O$$
与强碱反应 (以 NaOH 为例) [重点]：
$$2Al + 2NaOH + 2H_2O = 2NaAlO_2 + 3H_2\uparrow$$
$$Al_2O_3 + 2NaOH = 2NaAlO_2 + H_2O$$
*(注：\(NaAlO_2\) 称为偏铝酸钠)*
2. 两性氧化物：既能与酸反应生成盐和水，又能与碱反应生成盐和水的氧化物（如 \(Al_2O_3\)）。
三、 新型合金
- 储氢合金： 如 Ti-Fe 合金，解决氢气储存运输难题。
- 钛合金： 耐高温、耐腐蚀、强度大，用于航空航天、深海潜水器（蛟龙号）。
🧪 实验总结 (必考点)
1. 配制 \(Fe(OH)_2\) 的注意事项：
- 原理： \(Fe(OH)_2\) 极易被氧化。 [cite_start]
- 操作： 使用新煮沸的蒸馏水（除氧）；滴管尖端伸入液面以下（隔绝空气）；可在液面上覆盖一层植物油或苯 [cite: 1635-1658]。
2. 印刷电路板的制作：
- 利用 \(FeCl_3\) 溶液的氧化性腐蚀铜箔：
$$2Fe^{3+} + Cu = 2Fe^{2+} + Cu^{2+}$$
3. 铝与碱反应的特殊性：
- 铝片放入 NaOH 溶液中，若未打磨，先无气泡（氧化膜反应），后产生气泡；若打磨过，立即产生气泡。
📊 知识结构图解
铁的价态转化：
$$Fe \xrightarrow{\text{弱氧化剂}} Fe^{2+} \xrightarrow{\text{强氧化剂}} Fe^{3+}$$
$$Fe \xleftarrow{\text{还原剂}} Fe^{2+} \xleftarrow{\text{还原剂}} Fe^{3+}$$
物质类别转化：
$$Fe \rightarrow Fe_xO_y \rightarrow \text{盐} \rightarrow Fe(OH)_n \rightarrow Fe_2O_3$$