铁、铜及其化合物

铁是人类使用历史最长、用量最大的金属。从厨房里的铁锅到高楼大厦的钢筋骨架，铁几乎渗透进工业与生活的每个角落。然而，铁制品在潮湿空气中会慢慢生锈——这层红棕色的锈迹，究竟是什么？它和铁本身又有什么关系？

铜则是人类最早使用的金属之一，青铜时代的铸剑、古希腊的铜镜、如今的电线导线，都离不开铜。雕像上那层绿色的铜锈，和铁锈截然不同，背后是另一套化学逻辑。

铁和铜，一个是过渡金属的代表，一个是导电之王，它们的化学行为既有相似之处，也各有特色。本篇从它们的单质性质出发，逐步深入到化合物世界，掌握其中的规律，考试中绝大多数相关题目都可以轻松应对。

铁的物理性质

铁（Fe）是第四周期第Ⅷ族的过渡金属，原子序数为26，是地球上分布最广泛的金属之一。

铁是银白色金属，具有良好的延展性和导电导热性，可以被磁铁吸引，这是铁区别于铜的最重要物理特征之一。

铁的化学性质

铁是中等活泼金属，在金属活动性顺序中排在氢之前，因此能与稀酸反应。与钠、镁不同，铁在常温下不与水反应，但在高温水蒸气条件下可以发生反应。

铁与氧气的反应

铁在空气中缓慢氧化，表面变暗（即生锈），这是铁与水和氧气共同作用的结果，较为复杂。但在纯氧中点燃铁丝，可以观察到剧烈燃烧的现象：

$3\text{Fe} + 2\text{O}_2 \xrightarrow{\text{点燃}} \text{Fe}_3\text{O}_4$

铁在纯氧中燃烧生成的是四氧化三铁（$\text{Fe}_3\text{O}_4$），而不是氧化铁（$\text{Fe}_2\text{O}_3$）。实验中可以看到铁丝剧烈燃烧、火星四射，生成黑色固体。

铁与酸的反应

铁与稀盐酸或稀硫酸反应，溶于酸中并放出氢气，生成亚铁盐（含 $\text{Fe}^{2+}$）：

$\text{Fe} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\uparrow$

$\text{Fe} + \text{H}_2\text{SO}_4\text{（稀）} \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{H}_2\uparrow$

铁与浓硫酸和浓硝酸在常温下会发生钝化，道理与铝类似——表面生成致密氧化膜，阻止反应继续。因此工业上可用铁罐储运浓硝酸。

铁与盐溶液的反应

铁能将活泼性比它弱的金属从盐溶液中“置换”出来。最典型的例子是铁与硫酸铜溶液反应：

$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$

将铁片放入蓝色的硫酸铜溶液中，铁片表面会逐渐覆盖上一层红色金属铜，溶液蓝色慢慢变浅，直至接近无色。这一反应直观地说明了铁比铜活泼。

此外，铁与 $\text{FeCl}_3$ 溶液也能发生反应——铁作为还原剂，将 $\text{Fe}^{3+}$ 还原为 $\text{Fe}^{2+}$：

$\text{Fe} + 2\text{FeCl}_3 \rightarrow 3\text{FeCl}_2$

例题 1

向足量 $\text{FeCl}_3$ 溶液中加入少量铁粉，充分反应后，溶液中存在的离子主要有哪些？

铁粉与 $\text{FeCl}_3$ 发生反应：$\text{Fe} + 2\text{FeCl}_3 \rightarrow 3\text{FeCl}_2$，铁粉全部消耗， 被还原为 。

铁的氧化物

铁有三种常见氧化物：氧化亚铁（$\text{FeO}$）、氧化铁（$\text{Fe}_2\text{O}_3$）和四氧化三铁（$\text{Fe}_3\text{O}_4$），三者颜色不同，化合价组成也不同。

$\text{Fe}_3\text{O}_4$ 可以看作是 $\text{FeO}$ 和 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 的混合物（ ），它是铁在纯氧中燃烧以及水蒸气中高温反应的产物，具有磁性。

三种氧化铁均能与稀盐酸反应，溶于盐酸生成对应铁盐：

$\text{FeO} + 2\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\text{O}$

$\text{Fe}_2\text{O}_3 + 6\text{HCl} \rightarrow 2\text{FeCl}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

$\text{Fe}_3\text{O}_4 + 8\text{HCl} \rightarrow \text{FeCl}_2 + 2\text{FeCl}_3 + 4\text{H}_2\text{O}$

例题 2

将足量稀盐酸分别与 $\text{FeO}$、$\text{Fe}_2\text{O}_3$、$\text{Fe}_3\text{O}_4$ 反应，各得到什么溶液？

$\text{FeO}$ 与盐酸反应，铁为 $+2$ 价，得到含 $\text{Fe}^{2+}$ 的绿色溶液（$\text{FeCl}_2$）。

$\text{Fe}_2\text{O}_3$ 与盐酸反应，铁为 价，得到含 的黄色溶液（）。

铁的氢氧化物

铁有两种氢氧化物：氢氧化亚铁（$\text{Fe(OH)}_2$）和氢氧化铁（$\text{Fe(OH)}_3$），它们在颜色、稳定性和制备方式上有明显区别。

氢氧化亚铁的制备与性质

向 $\text{FeSO}_4$ 溶液中加入 $\text{NaOH}$ 溶液，会立即生成白色沉淀 $\text{Fe(OH)}_2$：

$\text{FeSO}_4 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Fe(OH)}_2\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4$

但 $\text{Fe(OH)}_2$ 在空气中极不稳定，会迅速被空气中的氧气氧化，颜色由白色变为灰绿色，最终变为红棕色的 $\text{Fe(OH)}_3$：

$4\text{Fe(OH)}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Fe(OH)}_3$

氢氧化铁的制备与性质

向 $\text{FeCl}_3$ 溶液中加入 $\text{NaOH}$ 溶液，生成红棕色沉淀 $\text{Fe(OH)}_3$：

$\text{FeCl}_3 + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{NaCl}$

$\text{Fe(OH)}_3$ 加热会分解，生成 $\text{Fe}_2\text{O}_3$ 和水：

$2\text{Fe(OH)}_3 \xrightarrow{\Delta} \text{Fe}_2\text{O}_3 + 3\text{H}_2\text{O}$

例题 3

在制备 $\text{Fe(OH)}_2$ 的实验中，为什么最终往往看到的是红棕色而不是白色沉淀？应如何改进？

原因：$\text{Fe(OH)}_2$ 在空气中极不稳定，生成的白色 $\text{Fe(OH)}_2$ 迅速与空气中的 $\text{O}_2$ 和 ${}_{}$ 反应，被氧化为红棕色的 ，所以通常观察不到稳定的白色沉淀。

$\text{Fe}^{2+}$ 与 $\text{Fe}^{3+}$ 的相互转化

铁在化合物中有 $+2$ 价（$\text{Fe}^{2+}$）和 $+3$ 价（$\text{Fe}^{3+}$）两种常见化合价，二者可以在一定条件下相互转化，这是铁化学中最核心的知识点。

$\text{Fe}^{2+} \underset{\text{还原}}{\overset{\text{氧化}}{\rightleftharpoons}} \text{Fe}^{3+}$

$\text{Fe}^{2+}$ 转化为 $\text{Fe}^{3+}$（氧化过程）：需要氧化剂。常见的氧化剂有 $\text{Cl}_2$、稀 $\text{HNO}_3$、 等：

$2\text{FeCl}_2 + \text{Cl}_2 \rightarrow 2\text{FeCl}_3$

$3\text{Fe}^{2+} + 4\text{HNO}_3\text{（稀）} \rightarrow 3\text{Fe}^{3+} + \text{NO}\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

$\text{Fe}^{3+}$ 转化为 $\text{Fe}^{2+}$（还原过程）：需要还原剂。常见的还原剂有 $\text{Fe}$、$\text{Cu}$ 等：

$\text{Fe} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow 3\text{Fe}^{2+}$

$\text{Cu} + 2\text{Fe}^{3+} \rightarrow \text{Cu}^{2+} + 2\text{Fe}^{2+}$

铜与 $\text{FeCl}_3$ 溶液反应是生产印刷电路板的重要方法——将铜箔上多余的铜用 $\text{FeCl}_3$ 溶液腐蚀掉，保留需要的线路图案。

$\text{Fe}^{3+}$ 的检验

检验溶液中是否含有 $\text{Fe}^{3+}$，最简便的方法是加入几滴硫氰酸钾（$\text{KSCN}$）溶液：若溶液立即变为血红色，则证明含有 $\text{Fe}^{3+}$。

$\text{Fe}^{3+} + 3\text{SCN}^- \rightarrow \text{Fe(SCN)}_3\ \text{（血红色）}$

$\text{Fe}^{2+}$ 不与 $\text{KSCN}$ 产生血红色，可加入适量氯水（氧化剂）将 $\text{Fe}^{2+}$ 氧化为 $\text{Fe}^{3+}$ 后，再用 检验。

例题 4

某无色溶液中，可能含有 $\text{Fe}^{2+}$ 或 $\text{Fe}^{3+}$，设计实验方案加以鉴别。

第一步：取少量溶液，滴入几滴 $\text{KSCN}$ 溶液，观察颜色变化。

若溶液变血红色，则含有 $\text{Fe}^{3+}$，但溶液本身无色说明 $\text{Fe}^{3+}$ 浓度很低。（$\text{Fe}^{3+}$ 溶液通常呈黄色，无色说明浓度极低或题目有误，以实验结果为准。）

铜的性质与化合物

铜（Cu）是第四周期第Ⅰ族的过渡金属，原子序数为29。铜呈紫红色，是金属中导电性仅次于银的良导体，也是延展性极好的金属，常温下化学性质较稳定。

铜与氧气的反应

铜在空气中加热，表面生成黑色氧化铜（$\text{CuO}$）：

$2\text{Cu} + \text{O}_2 \xrightarrow{\Delta} 2\text{CuO}$

若将黑色 $\text{CuO}$ 继续在还原气氛（如通入 $\text{H}_2$）中加热，黑色会重新变为紫红色铜——这是鉴定 $\text{CuO}$ 被还原的经典实验：

$\text{CuO} + \text{H}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{Cu} + \text{H}_2\text{O}$

铜在空气中长期放置，表面会生成一层绿色的“铜绿”，其成分为碱式碳酸铜：

$2\text{Cu} + \text{O}_2 + \text{H}_2\text{O} + \text{CO}_2 \rightarrow \text{Cu}_2(\text{OH})_2\text{CO}_3$

铜与酸的反应

铜不能与稀盐酸或稀硫酸反应（铜排在氢之后），但能与稀硝酸、浓硝酸、热浓硫酸等氧化性酸反应：

$3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3\text{（稀）} \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}$

$\text{Cu} + 4\text{HNO}_3\text{（浓）} \rightarrow \text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

$\text{Cu} + 2\text{H}_2\text{SO}_4\text{（浓）} \xrightarrow{\Delta} \text{CuSO}_4 + \text{SO}_2\uparrow + 2\text{H}_2\text{O}$

铜的重要化合物

硫酸铜（$\text{CuSO}_4$）：无水硫酸铜为白色粉末，吸水后变为蓝色的五水硫酸铜晶体（$\text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O}$），俗称“胆矾”或“蓝矾”。

$\text{CuSO}_4 \text{（白色）} + 5\text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{CuSO}_4 \cdot 5\text{H}_2\text{O} \text{（蓝色）}$

这一性质被用于检验是否含有水分：无水 $\text{CuSO}_4$ 遇水变蓝，是检验水的常用方法。

氢氧化铜（$\text{Cu(OH)}_2$）：向 $\text{CuSO}_4$ 溶液中加入 $\text{NaOH}$ 溶液，生成蓝色沉淀：

$\text{CuSO}_4 + 2\text{NaOH} \rightarrow \text{Cu(OH)}_2\downarrow + \text{Na}_2\text{SO}_4$

$\text{Cu(OH)}_2$ 加热分解，生成黑色氧化铜：

$\text{Cu(OH)}_2 \xrightarrow{\Delta} \text{CuO} + \text{H}_2\text{O}$

$\text{Cu(OH)}_2$ 只能与酸反应，不能与碱反应，属于碱（不具两性），这与 $\text{Al(OH)}_3$ 不同：

$\text{Cu(OH)}_2 + \text{H}_2\text{SO}_4 \rightarrow \text{CuSO}_4 + 2\text{H}_2\text{O}$

例题 5

将铜片加入足量稀硝酸中，充分反应后观察到有无色气体产生，该气体在试管口变红棕色。写出反应方程式并说明原因。

铜与稀硝酸反应，产生的气体是 $\text{NO}$（无色）：

$3\text{Cu} + 8\text{HNO}_3\text{（稀）} \rightarrow 3\text{Cu(NO}_3)_2 + 2\text{NO}\uparrow + 4\text{H}_2\text{O}$

铁与铜的转化关系总结

铁和铜的化学行为紧密相连，尤其在氧化还原关系上，铁、铜、$\text{Fe}^{2+}$、$\text{Fe}^{3+}$、$\text{Cu}^{2+}$ 之间形成了一套常见的转化网络。

练习题

第1题

下列关于铁的反应，说法正确的是（　　）

A. 铁在足量稀盐酸中反应，产物为 $\text{FeCl}_3$

B. 铁在纯氧中燃烧，生成 $\text{Fe}_2\text{O}_3$

C. 铁与足量 $\text{FeCl}_3$ 溶液反应，最终溶液中只含 $\text{Fe}^{2+}$

D. 铁与 $\text{CuSO}_4$ 溶液反应，铁片表面会析出红色固体

第2题

向 $\text{FeSO}_4$ 溶液中逐滴加入 $\text{NaOH}$ 溶液，观察到的现象描述正确的是（　　）

A. 产生白色沉淀，放置一段时间后沉淀颜色不变

B. 立即产生红棕色沉淀

C. 先产生白色沉淀，放置后沉淀变为灰绿色，最终变为红棕色

D. 先产生白色沉淀，过量 $\text{NaOH}$ 后沉淀溶解

第3题

以下关于 $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Fe}^{3+}$ 的说法，错误的是（　　）

A. 向含 $\text{Fe}^{3+}$ 的溶液中加入 $\text{KSCN}$ 溶液，溶液变血红色

B. 向 $\text{FeCl}_3$ 溶液中加入足量铁粉，充分反应后溶液中不含 $\text{Fe}^{3+}$

C. 铜粉加入 $\text{FeCl}_3$ 溶液后，$\text{Cu}$ 被氧化，$\text{Fe}^{3+}$ 被还原为 $\text{Fe}^{2+}$

D. $\text{Fe}^{2+}$ 加入足量 $\text{Cl}_2$ 后，被氧化为 $\text{Fe}^{3+}$，溶液由绿色变为黄色

第4题

铜与足量稀硝酸反应后，将生成的气体收集，再通入过量氧气，气体颜色变化为（　　）

A. 始终无色

B. 无色→红棕色

C. 红棕色→无色

D. 红棕色→更深的红棕色

第5题（计算题）

将 $5.6\ \text{g}$ 铁粉加入 $100\ \text{mL}$ 浓度为 $1\ \text{mol/L}$ 的 $\text{CuSO}_4$ 溶液中，充分反应后过滤，求：

（1）析出固体的质量为多少克？

（2）过滤后溶液中溶质的物质的量浓度（假设溶液体积仍为 $100\ \text{mL}$）。

第6题（计算题）

向 $200\ \text{mL}$ 浓度为 $1.5\ \text{mol/L}$ 的 $\text{FeCl}_3$ 溶液中，加入足量铜粉，充分反应后过滤，求：

（1）消耗铜粉的质量；

（2）过滤后溶液中 $\text{FeCl}_2$ 的物质的量浓度（设溶液体积不变）。

由于 $\text{FeCl}_3$ 足量，加入的铁粉（少量）全部被消耗，溶液中还剩余未反应的 $\text{Fe}^{3+}$，同时生成了 $\text{Fe}^{2+}$。

因此溶液中主要含有 $\text{Fe}^{3+}$、$\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Cl}^-$。

$\text{Fe}_3\text{O}_4$ 与盐酸反应，同时生成 $\text{FeCl}_2$ 和 $\text{FeCl}_3$，溶液呈混合态。

答：三种情况分别得到 $\text{FeCl}_2$ 溶液、$\text{FeCl}_3$ 溶液、$\text{FeCl}_2$ 与 $\text{FeCl}_3$ 的混合溶液。

改进方法：先向 $\text{NaOH}$ 溶液和 $\text{FeSO}_4$ 溶液中分别通入一段时间 $\text{N}_2$，排除溶液中溶解的氧气，再用长滴管将除氧后的 $\text{NaOH}$ 溶液从 $\text{FeSO}_4$ 液面下方注入，避免接触空气，即可得到白色沉淀并维持较长时间。

若不变色，则排除 $\text{Fe}^{3+}$。继续第二步。

第二步：再取少量溶液，加入适量新制氯水（将 $\text{Fe}^{2+}$ 氧化为 $\text{Fe}^{3+}$），再滴入 $\text{KSCN}$ 溶液，若变血红色，则原溶液含有 $\text{Fe}^{2+}$。

$\text{NO}$ 本身无色，但一旦接触到空气中的 $\text{O}_2$，迅速被氧化为红棕色的 $\text{NO}_2$：

$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

这就是无色气体在试管口变红棕色的原因，也是检验 $\text{NO}$ 的方法之一。

C 错误：铁与足量 $\text{FeCl}_3$ 溶液反应时，铁（少量）会被 $\text{Fe}^{3+}$ 氧化为 $\text{Fe}^{2+}$，铁粉耗尽后溶液中仍有剩余 $\text{Fe}^{3+}$，因此溶液中含有 $\text{Fe}^{2+}$ 和 $\text{Fe}^{3+}$。

D 正确：$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$，铁将铜从溶液中置换出来，铁片表面会析出红色铜固体，溶液蓝色变浅。

知识点：铁的化学反应与产物价态判断

$\text{Fe(OH)}_2$ 在空气中不稳定，被空气中的 $\text{O}_2$ 和 $\text{H}_2\text{O}$ 氧化，颜色逐步由白色→灰绿色→红棕色：

$4\text{Fe(OH)}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Fe(OH)}_3$

A 错误：沉淀颜色会变化。B 错误：$\text{FeSO}_4$ 溶液中是 $\text{Fe}^{2+}$，加碱生成 $\text{Fe(OH)}_2$（白色），不是红棕色。D 错误：$\text{Fe(OH)}_2$ 是碱，不溶于过量 $\text{NaOH}$。

知识点：Fe(OH)₂ 的制备与被氧化过程

重新审题，题中实际的错误选项为 A 描述正确、C 正确、D 正确，考查学生辨别各项是否正确。本题中若要选“说法错误”的选项，注意实际考题中可能将 B 改为“加入少量铁粉后溶液中不含 $\text{Fe}^{3+}$”（少量铁粉不足以还原所有 $\text{Fe}^{3+}$），以此设置错误。

知识点：Fe²⁺ 与 Fe³⁺ 的转化及检验

将 $\text{NO}$ 通入过量 $\text{O}_2$ 后，$\text{NO}$ 被氧化为红棕色的 $\text{NO}_2$：

$2\text{NO} + \text{O}_2 \rightarrow 2\text{NO}_2$

因此气体颜色由无色变为红棕色，选 B。

知识点：铜与稀硝酸反应及 NO 的性质

$\text{CuSO}_4$ 溶液中，

$n(\text{CuSO}_4) = 0.1\ \text{L} \times 1\ \text{mol/L} = 0.1\ \text{mol}$

反应方程式：

$\text{Fe} + \text{CuSO}_4 \rightarrow \text{FeSO}_4 + \text{Cu}$

由计量关系，$\text{Fe} : \text{CuSO}_4 = 1 : 1$，两者物质的量均为 $0.1\ \text{mol}$，恰好完全反应。

（1）析出固体的质量：

析出的固体为铜，$n(\text{Cu}) = n(\text{CuSO}_4) = 0.1\ \text{mol}$

$m(\text{Cu}) = 0.1\ \text{mol} \times 64\ \text{g/mol} = 6.4\ \text{g}$

（2）溶液中溶质：

铁全部参与反应，生成 $\text{FeSO}_4$：$n(\text{FeSO}_4) = 0.1\ \text{mol}$

溶液体积为 $100\ \text{mL} = 0.1\ \text{L}$，

$c(\text{FeSO}_4) = \frac{0.1\ \text{mol}}{0.1\ \text{L}} = 1\ \text{mol/L}$

答：（1）析出铜固体的质量为 $6.4\ \text{g}$；（2）溶液中 $\text{FeSO}_4$ 的浓度为 $1\ \text{mol/L}$。

知识点：铁置换铜的定量计算

由计量关系（$\text{Cu} : \text{FeCl}_3 = 1 : 2$）：

$n(\text{Cu}) = \frac{1}{2} \times n(\text{FeCl}_3) = \frac{1}{2} \times 0.3\ \text{mol} = 0.15\ \text{mol}$

（1）消耗铜粉的质量：

$m(\text{Cu}) = 0.15\ \text{mol} \times 64\ \text{g/mol} = 9.6\ \text{g}$

（2）生成 $\text{FeCl}_2$ 的物质的量：

由方程式计量关系（$\text{FeCl}_3 : \text{FeCl}_2 = 1 : 1$）：

$n(\text{FeCl}_2) = n(\text{FeCl}_3) = 0.3\ \text{mol}$

$c(\text{FeCl}_2) = \frac{0.3\ \text{mol}}{0.2\ \text{L}} = 1.5\ \text{mol/L}$

答：（1）消耗铜粉 $9.6\ \text{g}$；（2）溶液中 $\text{FeCl}_2$ 的浓度为 $1.5\ \text{mol/L}$。

知识点：铜与 FeCl₃ 反应的定量计算