以與“鐵”相關試題為例談化學核心素養的培養

山東 宮建民

對于元素化合物的學習，2017年9月新頒布的《新課程標準教學要求與建議》指出：應該幫助學生建立元素與物質的聯系，建立基于元素認識物質的意識。發揮物質分類、氧化還原反應、電離及離子反應等核心概念的功能價值，豐富學生認識物質及其性質的角度。通過鈉、鐵、硫、氮、氯元素及其化合物性質的教學，在教學中幫助學生建立基于類別、核心元素價態等認識物質性質、設計物質轉化的核心角度，形成認識路徑，并將其應用于解決真實問題，進而形成問題解決的思路和方法。引導學生從化學的角度認識和理解人與自然的關系，幫助學生初步形成科學的物質觀和合理利用物質的意識；建立分析解決材料、環境、健康、能源等領域關于物質制備和應用等實際問題的思路和方法。促進學生在“宏觀辨識與微觀探析”“實驗探究與創新意識”及“科學精神與社會責任”等化學學科核心素養的發展。元素化合物的學習關鍵在于構建“類別”“核心元素”思想。本文擬以“鐵”為專題進行教學流程與思路設計，拋磚引玉。

【考題展示】(2016全國Ⅱ，28)某班同學用如下實驗探究Fe2+、Fe3+的性質。回答下列問題：

(1)分別取一定量氯化鐵、氯化亞鐵固體，均配制成0.1 mol/L的溶液。在FeCl2溶液中需加入少量鐵屑，其目的是_______________________________________。

(2)甲組同學取2 mL FeCl2溶液，加入幾滴氯水，再加入1滴KSCN溶液，溶液變紅，說明Cl2可將Fe2+氧化。FeCl2溶液與氯水反應的離子方程式為_______________________________________。

(3)乙組同學認為甲組的實驗不夠嚴謹，該組同學在2 mL FeCl2溶液中先加入0.5 mL煤油，再于液面下依次加入幾滴氯水和1滴KSCN溶液，溶液變紅，煤油的作用是__________________________________________________________。

(4)丙組同學取10 mL 0.1 mol/L KI溶液，加入6 mL 0.1 mol/L FeCl3溶液混合。分別取2 mL此溶液于3支試管中進行如下實驗：

①第一支試管中加入1 mL CCl4充分振蕩、靜置，CCl4層顯紫色；

②第二支試管中加入1滴K3[Fe(CN)6]溶液，生成藍色沉淀；

③第三支試管中加入1滴KSCN溶液，溶液變紅。

實驗②檢驗的離子是________(填離子符號)；實驗①和③說明：在I-過量的情況下，溶液中仍含有________(填離子符號)，由此可以證明該氧化還原反應為_______________________________________。

(5)丁組同學向盛有H2O2溶液的試管中加入幾滴酸化的FeCl2溶液，溶液變成棕黃色，發生反應的離子方程式為_______________________________________;一段時間后，溶液中有氣泡出現，并放熱，隨后有紅褐色沉淀生成，產生氣泡的原因是_______________________________________，生成沉淀的原因是_______________________________(用平衡移動原理解釋)。

【參考答案】(1)防止Fe2+被氧化

(3)隔絕空氣

(4)Fe2+Fe3+可逆反應

【考題點評】本題以核心元素“鐵及其化合物”為素材比較全面地考查了元素化合物的基礎知識、平衡移動反應原理，值得深入探究挖掘。適合專題復習與學習使用。從知識歸納上分析，可總結兩點：①Fe2+的性質及檢驗方法；②Fe3+的性質及檢驗方法。

【核心素養一】培養“實驗探究與創新意識”

探究題組一

1.速力菲是一種人工合成的補鐵劑，如何證明速力菲中鐵元素的價態？

2.速力菲的主要成分是硫酸亞鐵，如何測定速力菲中鐵元素的百分含量，有哪些方法？如何操作。(提示：氣體法：轉化為氣體，測量氣體的質量或體積。沉淀法：通過反應使其轉化為穩定的沉淀。滴定法：酸堿中和滴定或氧化還原滴定法)

3.思考與交流：(對上述三法之一進一步思考交流)

(1)沉淀法測量硫酸亞鐵片中鐵元素的百分含量，最好選擇的試劑是________。

A.BaCl2溶液

B.NaOH溶液

C.氨水

D.氫氧化鈉溶液和雙氧水

(2)如果選用滴定法，選擇哪些標準液可以滴定Fe2+濃度？指示劑如何選擇？

【參考答案】1.取少量速力菲藥品，加適量鹽酸溶解，加入KSCN溶液，若溶液變為紅色，則證明含有Fe3+；若沒有顏色變化，再滴加氯水，若變紅則存在Fe2+；若有顏色變化，再滴加酸性KMnO4后紫色褪去，則既有Fe2+又有Fe3+。2.可加堿使其沉淀為Fe(OH)2，稱量沉淀質量求得(或其他合理答案均可)。3.(1)D (2)酸性KMnO4，不加指示劑即可。

設計說明：以真實情境材料來探究知識的運用能力。

探究題組二

1.CaCO3與FeCl3溶液能反應嗎？請說明原因。

2.在有Cu2+、Fe3+、Fe2+三種陽離子的混合溶液中，如何除去Fe3+和Fe2+？

3.弱氧化劑I2能將Fe2+轉化為Fe3+嗎？

設計說明:拓展反應原理知識，加強核心知識的總深度。

【參考答案】1.能 FeCl3水解使溶液呈較強酸性，CaCO3可溶解其中 2.先加入H2O2，充分攪拌，加入CaO或Ca(OH)2調節pH。根據沉淀時不同的pH范圍，可除去Fe3+和Fe2+3.不能

【核心素養二】培養“科學精神與社會責任”

請根據相關資料，總結Na2FeO4的有關性質，寫出畫線部分涉及的離子(或電極)方程式。

高鐵酸鈉(Na2FeO4)是一種能氧化、殺菌、脫色、除臭的新型高效水處理劑，其中鐵元素的化合價是+6，有強的氧化性，從而非常有效地殺滅水中的病菌和病毒。高鐵酸鹽除了具有優異的氧化漂白、優良的殺菌作用以外，它還能迅速有效地去除淤泥中的臭味物質。高鐵酸鹽除臭主要是氧化掉諸如硫化氫(H2S)、氨氣(NH3)等惡臭物質，將其轉化為安全無味的物質。由于高鐵酸鹽在整個pH范圍都具有極強的氧化性，因而對于淤泥除臭處理是較為理想的方法。

制備方法

方法一:以鐵為工作電極，通過電解NaOH溶液(12 mol/L)制備高鐵酸鈉。

方法二:采用次氯酸鹽氧化法,在10.00 mL質量分數為8%的次氯酸鈉溶液中加入5.5 g氫氧化鈉和0.70 g硫酸鐵,可制備濃度為0.01 mol/L的高鐵酸鈉。

【參考答案】Na2FeO4具有漂白殺菌作用等(合理即可)

方法一：

設計說明：給出具體實用性物質，討論制備的方法、原理，進一步提高知識的深廣度與實用性。

【核心素養三】培養“宏觀辨識與微觀探析”

鐵的化合物在生產和生活中的應用非常廣泛，高鐵酸鹽是一種殺菌、凈水的水處理劑，高鐵酸鹽電池是一種新型可充電電池。

(1)工業上可用如圖裝置制備Na2FeO4，則陽極的電極反應式為_______________________________________；

可循環使用的物質是_______________________________________。

(3)新型納米材料ZnFe2Ox由ZnFe2O4經高溫用H2還原而得，常溫下能使工業廢氣中的CO2、SO2、NO2等酸性氣體分解成其單質而除去，同時得到ZnFe2O4。若4 mol ZnFe2Ox和1 mol SO2恰好完全反應，則ZnFe2Ox中的x=________，該反應過程中的氧化劑是_______________________________________。