实验活动 2 铁及其化合物的性质

本节学习目标

• 能规范完成铁、铁盐和亚铁盐性质实验，准确记录颜色、沉淀和金属表面变化。
• 能依据现象判断 $Fe$、$F{e}^{2+}$、$F{e}^{3+}$ 的氧化性或还原性。
• 掌握 $F{e}^{3+}$ 的 $KSCN$ 检验，理解阴性和阳性对照的意义。
• 能用离子方程式和电子转移解释铁元素不同价态之间的转化。
• 能设计由铁屑制备硫酸亚铁晶体的方案，并考虑防氧化、过滤、结晶和安全。

核心知识点讲解

一、知识对象与物质情境

本实验不是单纯观察“颜色表”，而是用一组证据验证铁元素在 $0$、$+2$、$+3$ 价之间的氧化还原关系。每项实验都要回答五个问题：做了什么；看到什么；哪种微粒发生变化；方程式是什么；由此证明哪种性质。

二、核心概念与物质分类

实验对象	铁的价态	可能的性质	代表试剂或证据
$Fe$	$0$	还原性	还原 $C{u}^{2+}$、$F{e}^{3+}$
$F{e}^{2+}$	$+2$	既有氧化性又有还原性	被 $Zn$ 还原；使酸性 $KMn{O}_4$ 褪色
$F{e}^{3+}$	$+3$	氧化性	氧化 $Cu$、$I^{-}$、$Fe$；遇 $KSCN$ 显红色

实验现象、结论和解释要分开：例如“紫色褪去”是现象，“$F{e}^{2+}$ 具有还原性”是结论，“$F{e}^{2+}$ 被氧化为 $F{e}^{3+}$”是微观解释。

三、关键规律、反应原理与方程式

1. 铁单质还原 $C{u}^{2+}$

$$Fe+C{u}^{2+}=F{e}^{2+}+Cu$$

$Fe$ 失电子，是还原剂；$C{u}^{2+}$ 得电子，是氧化剂。

2. 铁盐的氧化性

$$2F{e}^{3+}+Cu=2F{e}^{2+}+C{u}^{2+}$$ $$2F{e}^{3+}+2I^{-}=2F{e}^{2+}+I_2$$

生成的 $I_2$ 使淀粉溶液显蓝色，构成“反应产物—特征试剂—实验现象”的间接证据链。

3. 亚铁盐的氧化性和还原性

$F{e}^{2+}$ 被锌还原：

$$Zn+F{e}^{2+}=Z{n}^{2+}+Fe$$

$F{e}^{2+}$ 被酸性高锰酸根氧化：

$$5F{e}^{2+}+Mn{O}_4^{-}+8H^{+}=5F{e}^{3+}+M{n}^{2+}+4H_{2}O$$

前一反应中 $F{e}^{2+}$ 是氧化剂，后一反应中 $F{e}^{2+}$ 是还原剂，证明中间价态可兼具两种性质。

4. 铁粉还原 $F{e}^{3+}$

$$2F{e}^{3+}+Fe=3F{e}^{2+}$$

反应后加 $KSCN$ 不显红色，只能说明 $F{e}^{3+}$ 已低于可检出的程度；再用合适氧化剂把 $F{e}^{2+}$ 氧化为 $F{e}^{3+}$ 后显红色，才能形成转化证据。

四、典型转化模型与分析方法

1. 实验推理模板

控制变量并取样 → 加入性质明确的试剂 → 记录可观察现象 → 排除试剂本身颜色等干扰 → 写净离子变化 → 依据价态升降得出结论

2. 检验模板

检验 $F{e}^{3+}$：取样，滴加 $KSCN$，溶液显红色。检验 $F{e}^{2+}$：先取样加 $KSCN$ 确认无 $F{e}^{3+}$ 干扰，再加入适量氧化剂和 $KSCN$，若随后显红色，说明原样品含 $F{e}^{2+}$。

3. 方案评价模板

评价一个方案时检查：试剂能否产生唯一现象；是否引入干扰；是否设置空白或对照；试剂用量是否影响结论；废液是否规范回收。

五、实验现象、装置与证据

1. 铁及其化合物的性质

实验操作	预期现象	方程式	性质结论
$CuS{O}_4$ 溶液中放入铁丝	铁丝表面有红色铜，蓝色变浅，溶液逐渐呈浅绿色	$Fe+C{u}^{2+}=F{e}^{2+}+Cu$	$Fe$ 有还原性
$FeC{l}_3$ 稀溶液中加入铜片	铜片逐渐溶解，棕黄色变浅并出现 $C{u}^{2+}$ 的蓝绿色	$2F{e}^{3+}+Cu=2F{e}^{2+}+C{u}^{2+}$	$F{e}^{3+}$ 有氧化性
稀释的 $FeC{l}_3$ 中加 $KI$，再加淀粉	溶液出现碘的颜色，淀粉显蓝色	$2F{e}^{3+}+2I^{-}=2F{e}^{2+}+I_2$	$F{e}^{3+}$ 氧化 $I^{-}$
$FeC{l}_2$ 中加入锌片	锌片溶解，有铁析出，浅绿色变浅	$Zn+F{e}^{2+}=Z{n}^{2+}+Fe$	$F{e}^{2+}$ 有氧化性
酸性 $KMn{O}_4$ 中加 $FeS{O}_4$	紫色褪去；随后加 $KSCN$ 显红色	酸性高锰酸根氧化 $F{e}^{2+}$	$F{e}^{2+}$ 有还原性

2. 铁离子的检验和转化

向稀 $FeC{l}_3$ 溶液滴加 $KSCN$，溶液显红色。另取 $FeC{l}_3$，加入适量铁粉并充分振荡，红棕黄色变浅；若铁粉足量，再加 $KSCN$ 通常不显红色，说明 $F{e}^{3+}$ 被还原。

3. 安全与废液

• 酸性 $KMn{O}_4$、铁盐和铜盐溶液避免接触皮肤与衣物。
• 所有试剂均应少量取用，胶头滴管不混用。
• 含锰、铜、铁离子的废液分类收集，不倒入水槽。
• 金属片反应后用镊子取出，清洗并按要求回收。

六、题型应用与迁移

• 完善实验报告：现象必须是可观察事实，离子方程式必须配平并守恒。
• 判断氧化性强弱：可依据自发置换或电子转移建立相对顺序，但只在给定条件下成立。
• 连续实验推断：每次加试剂后都要更新溶液成分，不能沿用初始组成。
• 检验方案评价：有色试剂褪色可能被其他还原性物质干扰，需设置对照或补充特征检验。
• 晶体制备：溶解、过滤、蒸发浓缩、冷却结晶、过滤洗涤等操作要结合 $F{e}^{2+}$ 防氧化。

重点梳理

1. 用证据证明氧化性或还原性

结论必须对应价态变化。要证明 $F{e}^{3+}$ 有氧化性，需要找到被它氧化的物质及产物证据；要证明 $F{e}^{2+}$ 有还原性，需要证明氧化剂被还原且 $F{e}^{2+}$ 变为 $F{e}^{3+}$。

2. $F{e}^{2+}$ 的双重性质

与 $Zn$ 反应时得到电子形成 $Fe$，表现氧化性；与酸性 $KMn{O}_4$ 反应时失电子形成 $F{e}^{3+}$，表现还原性。判断角色要看反应方向，不能只背“亚铁离子有还原性”。

3. 显色检验的对照意识

$FeC{l}_3$ 本身有颜色，实验时要用稀溶液或先稀释，才能清楚观察 $KSCN$ 引起的新红色。样品本身有色时，应设置不加 $KSCN$ 的空白对照。

4. 硫酸亚铁晶体制备中的防氧化

用过量铁屑和稀硫酸反应可保持还原性环境；趁热过滤除去过量铁屑和不溶杂质；蒸发浓缩后冷却结晶，避免长时间强热和暴露空气；晶体用少量合适洗液快速洗涤。

难点突破

1. 酸性 $KMn{O}_4$ 褪色是否足以证明 $F{e}^{2+}$

褪色说明存在能还原 $Mn{O}_4^{-}$ 的物质，但不一定只有 $F{e}^{2+}$。本实验使用已知 $FeS{O}_4$ 溶液，因此可作性质验证；未知样品中还需排除其他还原剂，并用生成 $F{e}^{3+}$ 后遇 $KSCN$ 显红色作为补充证据。

2. 为什么先稀释 $FeC{l}_3$ 再观察碘和淀粉反应

$FeC{l}_3$ 的棕黄色可能遮盖碘的颜色；稀释可减弱本底颜色，使新现象更清晰。随后加入淀粉，把难以判断的碘颜色转化为特征明显的蓝色。

3. 铁粉与 $FeC{l}_3$ 的用量

铁粉不足时溶液中仍有 $F{e}^{3+}$，加 $KSCN$ 仍显红色；铁粉适量或过量并充分反应后，$F{e}^{3+}$ 才能基本转为 $F{e}^{2+}$。因此“未显红色”的前提包括铁粉量足、反应充分和检验灵敏度足够。

例题讲解

例题一：实验报告补全

向酸性 $KMn{O}_4$ 溶液加入 $FeS{O}_4$ 溶液，紫色褪去，再滴加 $KSCN$ 后显红色。说明每个现象的含义。

分析： 紫色褪去说明 $Mn{O}_4^{-}$ 被还原；$KSCN$ 显红色说明生成 $F{e}^{3+}$。两条证据共同证明 $F{e}^{2+}$ 被氧化。

方程式：

$$5F{e}^{2+}+Mn{O}_4^{-}+8H^{+}=5F{e}^{3+}+M{n}^{2+}+4H_{2}O$$

结论： $F{e}^{2+}$ 具有还原性。

例题二：硫酸亚铁晶体制备

以含少量不溶性杂质的铁屑为原料制备 $FeS{O}_4\cdot 7H_{2}O$ 晶体，写出主要流程。

答案： 铁屑先用适当方法除去表面油污并洗净；加入适量稀硫酸，保持铁屑稍过量并加热促进反应；待反应基本完成后趁热过滤；将滤液在较少接触空气的条件下蒸发浓缩；冷却结晶；过滤，用少量合适洗液快速洗涤并干燥。反应为：

$$Fe+H_{2}S{O}_4=FeS{O}_4+H_2\uparrow$$

反思： 过量铁屑既保证硫酸充分反应，也有助于防止 $F{e}^{2+}$ 被氧化；不能把铁屑全部过滤前长时间暴露滤液。

易错点整理

常见错误表现	错因分析	正确处理步骤
把“有铜生成”写成实验现象	把结论当现象	写“铁丝表面出现红色固体”
$FeC{l}_3$ 加 $KSCN$ 写成红色沉淀	混淆显色与沉淀	写“溶液显红色”
酸性高锰酸钾方程式漏 $H^{+}$ 或水	未在酸性条件配平	用电子守恒、电荷守恒、原子守恒检查
只凭紫色褪去断定未知液含 $F{e}^{2+}$	忽略其他还原剂干扰	补充 $F{e}^{3+}$ 生成的检验并设置对照
制晶体时把溶液蒸干	不理解结晶操作	蒸发浓缩至适度，再冷却结晶
含金属离子废液倒入下水道	忽略环保与安全	分类收集，统一处理或回收

考点考证点整理

考点一：性质实验与氧化还原证据

• 出题思路：给出试剂、现象或表格空白，要求补方程式和结论。
• 关键条件：反应物价态、溶液颜色、是否加入特征检验试剂。
• 解答要点：现象—产物—价态变化—氧化剂/还原剂逐层作答。
• 易扣分点：把推断当现象；方程式未配平；氧化剂和还原剂判断相反。

考点二：$F{e}^{2+}$、$F{e}^{3+}$ 的检验

• 出题思路：未知溶液鉴别、补铁剂变质、食品铁检验或连续加入试剂。
• 关键条件：原样品是否有色、是否共存两种价态、是否有其他还原剂。
• 解答要点：分样、空白对照、先检 $F{e}^{3+}$、再氧化验证 $F{e}^{2+}$。
• 易扣分点：直接用 $KSCN$ 检验 $F{e}^{2+}$；不排除原有 $F{e}^{3+}$ 的干扰。

考点三：实验方案评价

• 出题思路：分析某方案能否证明性质，或选择试剂改进方案。
• 关键条件：现象是否唯一、试剂是否过量、是否引入待检离子、废液处理。
• 解答要点：指出现有证据能证明什么、不能排除什么，再提出对照或补充实验。
• 易扣分点：只评价“可行/不可行”而无证据理由。

考点四：晶体制备

• 出题思路：以铁屑制 $FeS{O}_4$ 晶体，考流程排序、操作目的和产率质量。
• 关键条件：铁屑过量、$F{e}^{2+}$ 易氧化、晶体溶解度、过滤温度。
• 解答要点：反应—趁热过滤—蒸发浓缩—冷却结晶—过滤洗涤，并说明防氧化措施。
• 易扣分点：直接蒸干；过滤时机错误；遗漏晶体洗涤。

练习题

基础训练

1. 铁丝放入 $CuS{O}_4$ 溶液中有什么现象？写出离子方程式。
2. 向 $FeC{l}_3$ 稀溶液滴加 $KSCN$，现象和结论分别是什么？
3. 写出 $F{e}^{3+}$ 分别与 $Cu$、$I^{-}$ 反应的离子方程式。
4. 为什么 $F{e}^{2+}$ 既可作氧化剂又可作还原剂？

巩固训练

5. 向酸性 $KMn{O}_4$ 溶液加入 $FeS{O}_4$，描述现象、写方程式并判断 $F{e}^{2+}$ 的作用。
6. 某同学用“未知溶液使酸性 $KMn{O}_4$ 褪色”证明其中含 $F{e}^{2+}$。评价该结论并提出改进。
7. $FeC{l}_3$ 溶液加过量铁粉后再滴加 $KSCN$，通常不显红色；向滤液加入氯水后再滴加 $KSCN$ 又显红色。解释两次现象。
8. 设计一个实验证明 $F{e}^{3+}$ 能氧化 $I^{-}$，写出操作与证据。

提升训练

9. 用 $0.100\mathrm{mol}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}$ 酸性 $KMn{O}_4$ 滴定 $20.0\mathrm{mL}$ $FeS{O}_4$ 溶液，恰好反应时消耗 $12.0\mathrm{mL}$ $KMn{O}_4$。求 $FeS{O}_4$ 溶液浓度。
10. 以铁屑和稀硫酸制备 $FeS{O}_4\cdot 7H_{2}O$，某次由 $11.2\mathrm{g}$ 纯铁理论上最多制得多少克晶体？取 $M(Fe)=56\mathrm{g}\cdot \mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$，$M(FeS{O}_4\cdot 7H_{2}O)=278\mathrm{g}\cdot \mathrm{mo}{\mathrm{l}}^{-1}$。

练习题答案

1. 铁丝表面出现红色固体，蓝色溶液变浅并逐渐呈浅绿色。$Fe+C{u}^{2+}=F{e}^{2+}+Cu$。
2. 现象是溶液显红色；结论是溶液含 $F{e}^{3+}$。不是产生红色沉淀。
3. $2F{e}^{3+}+Cu=2F{e}^{2+}+C{u}^{2+}$；$2F{e}^{3+}+2I^{-}=2F{e}^{2+}+I_2$。
4. $F{e}^{2+}$ 处于中间价态，可得电子降为 $Fe$，表现氧化性；也可失电子升为 $F{e}^{3+}$，表现还原性。
5. 紫色褪去，随后用 $KSCN$ 可检出生成的 $F{e}^{3+}$。方程式为 $5F{e}^{2+}+Mn{O}_4^{-}+8H^{+}=5F{e}^{3+}+M{n}^{2+}+4H_{2}O$；$F{e}^{2+}$ 作还原剂。
6. 结论不充分，其他还原性物质也能使酸性 $KMn{O}_4$ 褪色。可另取样先加 $KSCN$ 排除 $F{e}^{3+}$，再加入适量氧化剂后加 $KSCN$；出现新的红色现象可作为原有 $F{e}^{2+}$ 的补充证据，同时设置空白对照。
7. 铁粉把 $F{e}^{3+}$ 还原为 $F{e}^{2+}$，所以不显红色：$2F{e}^{3+}+Fe=3F{e}^{2+}$。氯水把 $F{e}^{2+}$ 氧化回 $F{e}^{3+}$，再加 $KSCN$ 显红色：$2F{e}^{2+}+C{l}_2=2F{e}^{3+}+2C{l}^{-}$。
8. 取少量稀 $FeC{l}_3$ 溶液，滴加 $KI$ 溶液，再滴加淀粉溶液；若显蓝色，说明生成 $I_2$，证明 $F{e}^{3+}$ 氧化了 $I^{-}$。离子方程式为 $2F{e}^{3+}+2I^{-}=2F{e}^{2+}+I_2$。
9. $n(Mn{O}_4^{-})=0.100\times 0.0120=1.20\times 10^{-3}\mathrm{mol}$；$n(F{e}^{2+})=5n(Mn{O}_4^{-})=6.00\times 10^{-3}\mathrm{mol}$；$c(FeS{O}_4)=6.00\times 10^{-3}/0.0200=0.300\mathrm{mol}\cdot {\mathrm{L}}^{-1}$。
10. $n(Fe)=11.2/56=0.200\mathrm{mol}$。由铁与稀硫酸反应，$n(FeS{O}_4)=0.200\mathrm{mol}$，理论上晶体质量为 $0.200\times 278=55.6\mathrm{g}$。