高中化学 · 铁金属材料：变价金属与合金

铁

铁金属材料：变价金属与合金

Iron · +2/+3 之间的魔法师

钠是 +1 价、氯是 −1 价，化合价很专一。这章认识铁——它有 +2 和 +3 两个常见价态，两者之间还能互相转化。再看看合金为什么比纯金属好用，以及人类怎么把矿石里的金属'挖'出来。

①

铁单质

与氧气/酸/盐

②

Fe²⁺/Fe³⁺

互相转化与检验

③

合金

铁合金/铝合金

④

金属冶炼

热还原/电解

开场场景：铁钉放进 CuSO₄ 溶液，表面长出红色的铜——这是初中就见过的湿法炼铜。但把铁钉放入氯水，铁却变成黄棕色的 Fe³⁺ 溶液。同样是铁，遇到弱氧化剂停在 +2，遇到强氧化剂冲到 +3。

卡必背方程式 / 概念

铁与 O₂：3Fe+2O₂ --点燃--> Fe₃O₄（黑色晶体，可看成 FeO·Fe₂O₃）

铁与盐酸/稀硫酸：Fe+2H⁺=Fe²⁺+H₂↑（只到 +2）

铁与 Cl₂：2Fe+3Cl₂ --点燃--> 2FeCl₃（冲到 +3）

Fe²⁺ 检验：加 KSCN 无明显现象，再加氯水变血红色 → 含 Fe²⁺

Fe³⁺ 检验：加 KSCN 直接变血红色 → 含 Fe³⁺

Fe²⁺→Fe³⁺：加氯水、Br₂、H₂O₂、HNO₃ 等氧化剂

Fe³⁺→Fe²⁺：加 Fe、Cu、I⁻、S²⁻ 等还原剂：2Fe³⁺+Fe=3Fe²⁺

合金：金属与金属（或非金属）熔合，硬度比成分金属大、熔点比成分金属低；生铁含碳 2%~4.3%，钢 0.03%~2%

口诀：铁遇弱氧化剂停 +2，遇强氧化剂冲到 +3；检 Fe³⁺ 一滴 KSCN 见红。

义是什么

为什么铁有两个价态：铁原子最外层 2 个 4s 电子易失去成 Fe²⁺，次外层 3d 还能再失 1 个成 Fe³⁺（3d⁵ 半满稳定）。所以 Fe²⁺ 既有氧化性又有还原性，以还原性为主，容易被氧化成 Fe³⁺。

合金为什么好用：纯金属原子排列整齐，容易滑动；混入其他原子后晶格被'打乱'，位错运动受阻，所以硬度变大、强度变高，同时熔点下降。钢比铁硬、铝合金比纯铝轻而强，都是这个道理。

路怎么学 / 怎么想

铁三角转化：Fe → Fe²⁺（加弱氧化剂 H⁺、Cu²⁺、S）；Fe → Fe³⁺（加强氧化剂 Cl₂、Br₂、稀硝酸）；Fe²⁺ → Fe³⁺（Cl₂、H₂O₂、HNO₃）；Fe³⁺ → Fe²⁺（Fe、Cu、I⁻）；Fe²⁺ → Fe（加 Zn、Al 等活泼金属置换）。

金属冶炼方法选择：K~Al 太活泼用电解（电解熔融 NaCl、Al₂O₃）；Zn~Cu 用热还原（CO 还原铁矿石）；Hg、Ag 用热分解（HgO 加热）；Pt、Au 自然界游离。铝热反应：2Al+Fe₂O₃ --高温--> Al₂O₃+2Fe，焊接钢轨。

典型例题：三道

例1：要除去 FeCl₂ 溶液中少量的 FeCl₃，应加什么？

审题：Fe³⁺→Fe²⁺ 除杂。

加入过量铁粉后过滤：2FeCl₃+Fe=3FeCl₂。不能加 Cu（会引入 Cu²⁺）。

例2：检验某溶液是否含 Fe²⁺，操作是？

审题：离子检验顺序。

先加 KSCN 溶液无明显现象（排除 Fe³⁺），再加入氯水或 H₂O₂，溶液变血红色，证明原溶液含 Fe²⁺。

例3：铝热反应焊接钢轨，氧化剂是谁？

审题：氧化还原。

Fe₂O₃ 中 Fe 由 +3 降到 0，得电子作氧化剂；Al 由 0 升到 +3，作还原剂。氧化剂是 Fe₂O₃。

用途与案例

生活：不锈钢

钢中加入 Cr、Ni 形成致密氧化膜，抗腐蚀；餐具、医疗器械都用它。

工业：高炉炼铁

铁矿石（Fe₂O₃）+焦炭+石灰石从高炉顶加入，底部通入热风：Fe₂O₃+3CO --高温--> 2Fe+3CO₂。

展往哪儿长

初中衔接：你学过金属活动性顺序 K Ca Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au——前置换后置，前面的把后面的从盐溶液里置换出来。

选必一：金属的电化学腐蚀与防护——钢铁生锈本质是原电池反应，牺牲阳极法、外加电流法。

防坑警示

把 Fe 与盐酸产物写成 FeCl₃：盐酸是弱氧化剂，只能把 Fe 氧化到 Fe²⁺：Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑。只有 Cl₂、稀硝酸等强氧化剂才把铁氧化到 +3。另外 Fe(OH)₂ 是白色沉淀，迅速变灰绿、最后变红褐色 Fe(OH)₃，这个变色链必考。