雨過天青云破處 這般顏色做將來——鐵系元素知識歸納與典例解析

江西 張萬程 黃宗元

鐵系元素位于元素周期表第四周期Ⅷ族，包含鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)三種元素。鐵系作為一類重要的過渡金屬元素，是高考命題的重要考查載體，考生在高考復習的過程中，應構建起鐵系元素的知識體系，關注重難點知識，綜合訓練高考真題及經(jīng)典模擬題，切實提高復習效率，從而突破鐵系元素的考點。

一、2019年理綜化學涉及鐵系元素及其化合物的考查點

卷區(qū)題型題號考查知識點全國卷Ⅰ選擇題·7·AFe2O3的顏色工藝流程題·26·(2)濾液中Fe3+的檢驗實驗題·27硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]的制備及化學式的確定全國卷Ⅱ選擇題·10·DFe3+與Fe2+的轉化及Fe3+的檢驗選擇題·11·DMg(OH)2和Fe(OH)3沉淀轉化的離子方程式反應原理題·27·(4)二茂鐵的電化學制備全國卷Ⅲ選擇題·13強堿性電解質(zhì)的3DZnNiOOH二次電池工藝流程題·27·(2)(3)(7)Fe2+的氧化、調(diào)節(jié)pH除鐵和鋁、確定層狀鎳鈷錳中原子的個數(shù)物質(zhì)結構與性質(zhì)題·35(2)FeCl3的結構式的確定、Fe的配位數(shù)北京卷選擇題·10·AFeCl2溶液(FeCl3)的除雜天津卷選擇題·2·B·DFe(OH)3膠體的制備、FeO和稀硝酸的反應選擇題·3·A廢鐵屑加入FeCl2溶液中除廢氣中的Cl2選擇題·3·D利用CoCl2的變色判斷硅膠是否吸水江蘇卷選擇題·3·B稀硫酸除鐵銹選擇題·6·A鐵的鈍化選擇題·10鐵的電化學腐蝕實驗選擇題·13·AFe2+的檢驗實驗題·18聚合硫酸鐵[Fe2(OH)6-2n(SO4)n]m的制備及鐵的質(zhì)量分數(shù)的測定海南卷選擇題·11·AFeBr2溶液與過量的Cl2反應

通過對2019年高考真題的分析，發(fā)現(xiàn)考查鐵系元素以考查Fe及其化合物占絕大多數(shù)，其關聯(lián)考查的知識點主要涉及：阿伏加德羅常數(shù)、離子方程式的判斷、Fe2+和Fe3+的轉化及檢驗、以鐵系元素為載體的原電池、含鐵化合物的制備等。從歷年的高考試題來看，考查Co和Ni的試題也出現(xiàn)過多次，如2017年全國卷Ⅲ物質(zhì)結構與性質(zhì)考查了Co原子的電子排布式、2017年天津卷考查了羰基化法精煉鎳的平衡問題、2016年全國卷Ⅱ選做題物質(zhì)結構與性質(zhì)考查了以鎳白銅合金為載體涉及Ni及其化合物的相關知識。

二、鐵系元素知識體系

三、重難點突破

1.單質(zhì)的性質(zhì)

鐵(Fe)、鈷(Co)、鎳(Ni)屬于中等活潑金屬。

性質(zhì)鐵(Fe)鈷(Co)鎳(Ni)空氣中穩(wěn)定性易形成鐵銹(Fe2O3·xH2O)表面形成致密氧化膜,較穩(wěn)定與稀酸反應①與稀鹽酸、稀硫酸發(fā)生置換反應②與稀硝酸反應的產(chǎn)物:Fe3+(Fe不足)、Fe2+(Fe過量)速率比鐵慢,鈷(Co)與稀硝酸反應與濃酸反應冷、濃H2SO4和HNO3均使其表面“鈍化”

2.氧化物的性質(zhì)

鐵(Fe)鈷(Co)鎳(Ni)氧化物FeOFe2O3Fe3O4CoOCo2O3NiONi2O3顏色黑色紅棕色黑色灰綠色黑色暗綠色黑色

3.氫氧化物的性質(zhì)

鐵(Fe)鈷(Co)鎳(Ni)氫氧化物Fe(OH)2Fe(OH)3Co(OH)2CoO(OH)Ni(OH)2NiO(OH)顏色白色紅褐色粉紅色棕黑色淺綠色黑色

4.M(Ⅱ)鹽——Fe2+鹽、Co2+鹽、Ni2+鹽

5.M(Ⅲ)鹽——Fe3+鹽

Fe3+易水解、具有強氧化性，能與還原劑如I-、S2-、SO2、Sn2+、Cu等發(fā)生氧化還原反應。

6.其他典型鐵系鹽

(1)莫爾鹽：硫酸亞鐵銨[(NH4)2SO4·FeSO4·6H2O]，比綠礬(FeSO4·7H2O)穩(wěn)定，不易被氧化，常用作化學分析中的還原劑，用于標定KMnO4的標準溶液。

(2)CoCl2·6H2O

制備硅膠時加入少量CoCl2，經(jīng)烘干后硅膠呈藍色，其中CoCl2可表示硅膠的吸濕情況。

7.鐵的配合物

(1)鐵氰化鉀K3[Fe(CN)6]和亞鐵氰化鉀K4[Fe(CN)6]

(2)硫氰合物

n值隨溶液中的SCN-濃度和酸度而定。這一反應常用來檢驗Fe3+和比色法測定Fe3+的含量。

四、典型例題解析

1.基礎知識考查

【例1】下列有關敘述正確的是

( )

①(2019·全國卷Ⅰ·7)“雨過天晴云破處”所描述的瓷器青色，來自氧化鐵

③(2019·天津卷·3)將廢鐵屑加入FeCl2溶液中，可用于除去工業(yè)廢氣中的Cl2

④(2019·天津卷·3)無水CoCl2呈藍色，吸水會變?yōu)榉奂t色，可用于判斷變色硅膠是否吸水

⑤(2019·江蘇卷·3)稀硫酸具有酸性，可用于除去鐵銹

⑥(2019·江蘇卷·6)Fe在稀硝酸中發(fā)生鈍化

⑦(2019·江蘇卷·13)向X溶液中滴加幾滴新制氯水，振蕩，再加入少量KSCN溶液，溶液變?yōu)榧t色，則X溶液中一定含有Fe2+

⑨(2018·全國卷Ⅰ·10)16.25 g FeCl3水解形成的Fe(OH)3膠體粒子數(shù)為0.1NA

⑩(2018·全國卷Ⅱ·11)100 mL 1 mol·L-1FeCl3溶液中所含F(xiàn)e3+的數(shù)目為0.1NA

【答案】②③④⑤

2.結合實驗題進行考查

【例2】(2019·全國卷Ⅰ·27)硫酸鐵銨[NH4Fe(SO4)2·xH2O]是一種重要鐵鹽。為充分利用資源，變廢為寶，在實驗室中探究采用廢鐵屑來制備硫酸鐵銨，具體流程如下：

回答下列問題：

(1)步驟①的目的是去除廢鐵屑表面的油污，方法是

______________。

(2)步驟②需要加熱的目的是______________，

溫度保持80～95℃，采用的合適加熱方式是______________。

鐵屑中含有少量硫化物，反應產(chǎn)生的氣體需要凈化處理，合適的裝置為________(填標號)。

A

B

C

D

(3)步驟③中選用足量的H2O2，理由是______________。

分批加入H2O2，同時為了____________________，溶液要保持pH小于0.5。

(4)步驟⑤的具體實驗操作有____________________，經(jīng)干燥得到硫酸鐵銨晶體樣品。

(5)采用熱重分析法測定硫酸鐵銨晶體樣品所含結晶水數(shù)，將樣品加熱到150℃時失掉1.5個結晶水，失重5.6%。硫酸鐵銨晶體的化學式為______________。

【答案】(1)堿煮水洗

(2)加快反應速率 水浴加熱 C

(3)將Fe2+全部氧化為Fe3+，不引入新的雜質(zhì) 防止Fe3+水解

(4)加熱濃縮、冷卻結晶、過濾(洗滌)

(5)NH4Fe(SO4)2·12H2O

【流程分析】

3.結合電化學知識進行考查

下列說法錯誤的是

( )

A.三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高

D.放電過程中OH-通過隔膜從負極區(qū)移向正極區(qū)

【答案】D

【電化學分析】對總反應式進行如下分析：

列表分析如下：

電極反應式放電正極2NiOOH(s)+2H2O(l)+2e-2Ni(OH)2(s)+2OH-(aq)負極Zn(s)+2OH-(aq)-2e-ZnO(s)+H2O(l)充電陽極2Ni(OH)2(s)+2OH-(aq)-2e-2NiOOH(s)+2H2O(l)陰極ZnO(s)+H2O(l)+2e-Zn(s)+2OH-(aq)

【解析】三維多孔海綿狀Zn具有較高的表面積，所沉積的ZnO分散度高，可延長電池的使用壽命，A項正確；根據(jù)分析可知B項、C項正確；正極產(chǎn)生OH-，陰離子增多，故OH-應向負極移動，D項錯誤。

4.以工藝流程題形式的綜合考查

【例4】(2020·四川成都一診·27)以某含鎳廢料(主要成分為NiO，還含有少量FeO、Fe2O3、SiO2、CoO)為原料制備NixOy和碳酸鈷的工藝流程如下：

(1)“酸溶”時需將含鎳廢料粉碎，目的是______________；

“濾渣1”的主要成分為________(填化學式)。

(2)“氧化”中添加NaClO3的作用是將______________，

為證明添加的NaClO3已足量，可用________(寫化學式)溶液進行檢驗。

(3)“調(diào)pH”過程中生成黃鈉鐵礬沉淀，其離子方程式為______________________________。

(4)“沉鈷”過程的離子方程式為______________。

若“沉鈷”開始時c(Co2+)=0.10 mol/L，則控制pH≤________時不會產(chǎn)生Co(OH)2沉淀。{已知Ksp[Co(OH)2]=4.0×10-15，lg2=0.3}

(5)從NiSO4溶液獲得NiSO4·6H2O晶體的操作依次是：加熱濃縮溶液至有晶膜出現(xiàn)，________，過濾，洗滌，干燥。“煅燒”時剩余固體質(zhì)量與溫度變化曲線如圖，該曲線中B段所表示氧化物的化學式為________。

【答案】(1)提高浸出速率和提高原料浸出率 SiO2

(2)將Fe2+氧化為Fe3+K3[Fe(CN)6]

(5)冷卻結晶 Ni2O3

【流程分析】

5.結合選做題進行考查

【例5】(2019·全國卷Ⅲ·35節(jié)選)磷酸亞鐵鋰(LiFePO4)可用作鋰離子電池正極材料，具有熱穩(wěn)定性好、循環(huán)性能優(yōu)良、安全性高等特點，文獻報道可采用FeCl3、NH4H2PO4、LiCl和苯胺等作為原料制備。回答下列問題：

(2)FeCl3中的化學鍵具有明顯的共價性，蒸汽狀態(tài)下以雙聚分子存在的FeCl3的結構式為________，其中Fe的配位數(shù)為________。

【解析】根據(jù)題給信息，F(xiàn)eCl3的化學鍵具有共價性，蒸汽狀態(tài)下以雙聚分子存在，可聯(lián)想AlCl3的雙聚分子的結構式，寫出FeCl3的結構式；每個Fe分別和4個Cl成鍵，故配位數(shù)為4。

【例6】(2016·全國卷Ⅱ·35)東晉《華陽國志·南中志》卷四中已有關于白銅的記載，云南鎳白銅(銅鎳合金)聞名中外，曾主要用于造幣，亦可用于制作仿銀飾品.回答下列問題：

(1)鎳元素基態(tài)原子的電子排布式為________，3d能級上的未成對電子數(shù)為________。

(2)硫酸鎳溶于氨水形成[Ni(NH3)6]SO4藍色溶液。

①[Ni(NH3)6]SO4中陰離子的立體構型是________。

②在[Ni(NH3)6]SO4中Ni2+與NH3之間形成的化學鍵稱為________，提供孤電子對的成鍵原子是________。

③氨的沸點________(填“高于”或“低于”)膦(PH3)，原因是____________________；氨是________分子(填“極性”或“非極性”)，中心原子的軌道雜化類型為________。

(3)單質(zhì)銅及鎳都是由________鍵形成的晶體；元素銅與鎳的第二電離能分別為ICu=1 958 kJ·mol-1、INi=1 753 kJ·mol-1，ICu>INi的原因是______________。

(4)某鎳白銅合金的立方晶胞結構如圖所示。

①晶胞中銅原子與鎳原子的數(shù)量比為________。

②若合金的密度為dg·cm-3，晶胞參數(shù)a=________nm。

【答案】(1)1s22s22p63s23p63d84s22

(2)①正四面體 ②配位鍵 N ③高于 氨氣分子之間形成氫鍵，分子間作用力更強 極性 sp3

(3)金屬 Cu+電子排布呈全充滿狀態(tài)，比較穩(wěn)定，失電子需要能量高，第二電離能數(shù)值大

五、備考建議

1.研究《中國高考評價體系》，掌握命題規(guī)律

《中國高考評價體系》明確提出：要立足全面發(fā)展育人目標，構建包括“核心價值、學科素養(yǎng)、關鍵能力、必備知識”在內(nèi)的高考考查內(nèi)容體系，主要包括高考的核心功能、考查內(nèi)容、考查要求和考查載體等。掌握高考命題“四翼”考查要求即“基礎性、綜合性、應用性、創(chuàng)新性”。鐵系元素作為一類重要的過渡元素，是考查的重要載體。

2.適當拓展，拓寬知識面

鐵系元素及其化合物的考查以鐵為主，歷年高考題中也偶爾會涉及鈷和鎳的相關考查。在今后的考題中或許會有所涉及鐵系元素的其他配合物的物質(zhì)結構與性質(zhì)的內(nèi)容。

3.精選練習，強化訓練