过渡金属(Fe,Al,Cu)

I. 铁Fe

一、铁的结构和性质

1. 铁是26号元素，位于第四周期第Ⅷ族，属于过渡元素。 原子结构示意图：

主要化合价：+2，+3

2.铁在金属的分类中属于黑色金属，重金属，常见金属。纯净的铁是光亮的银白色金属，密度为7.86g/㎝3,熔沸点高，有较好的导电、传热性，能被磁铁吸引，也能被磁化。还原铁粉为黑色粉末。

3.铁是较活泼的金属元素，在金属活动性顺序表中排在氢的前面。 ①跟非金属反应：

点燃 点燃 △ 3Fe+2O2 == Fe3O4 2Fe+3Cl2 ==2FeCl3 Fe+S= FeS

Fe+I2= FeI2

②跟水反应： 3Fe+4H2O==(高温)== Fe3O4+4H2

③跟酸作用：Fe+2H+=Fe2++H2↑(遇冷浓硝酸、浓硫酸钝化；与氧化性酸反应不产生H2，且氧化性酸过量时生成Fe3+)

④与部分盐溶液反应：Fe+Cu2+=Fe2++Cu Fe+2Fe3+=3Fe2+ 3.生铁与钢的比较 铁的合金 含碳量 其它杂质 机械性能 机械加工 生铁 2%～4.3% 钢 0.03%～2% 含硅、锰、硫、含硅、锰少量，硫磷较多 和磷几乎没有 硬而脆、无韧性 可铸不可锻 延 硬而韧、有弹性 可铸、可锻、可压4.炼铁和炼钢的比较 原料 化炼铁 炼钢 铁矿石、焦炭、石灰石、生铁、空气（或纯氧、氧化铁）、空气 生石灰、脱氧剂 在高温下用还原剂从①还原剂的生成 C+O2CO2+CCO2 2CO FeO氧化铁水里的Si、Mn、C等。如C+FeO Fe+CO ②造渣：生成的硅锰氧化物得铁水里的硫、磷跟造渣材料反应形成炉渣排出。 ③脱氧，并调整Mn、Si含量 2FeO+Si2Fe+SiO2 在高温下用氧化剂把生铁里过多的碳和其它氧化为气体或炉清除去 ①氧化：2Fe+O22FeO 学原理 铁矿石里还原出来 主 要 反 应 ②铁的还原 Fe2O3+3CO2Fe+3CO2 ③炉渣的生成 CaCO3CaO+CO2 CaO+SiO2主要设备 高炉 CaSiO3 转炉 1.过渡元素位于周期表中中部从ⅢB～ⅡB族十个纵行，分属于第四周期至第七周期。过渡元素都是金属，又叫过渡金属。

过渡金属的密度一般比较大，熔沸点较高，有较高的硬度、较好的延展性和机械加工性能，较好的导电、导热性能和耐腐蚀性能。

过渡元素的原子最外层电子数不超过两个，在化学反应中，最外层和次外层都容易失去电子，因此过渡元素有可变化合价。所以当Fe与弱氧化剂反应时，只失去最外层上的2个电子，形成Fe2+；当Fe与强氧化剂反应时，还能进一步失去次外层上的一个电子，形成Fe3+。这就是铁在其化合物中通常显+2价或+3价的原因。则Fe发生化学反应能得到+2价还是+3价，需看参加反应的氧化剂的强弱，有时还要看反应物的量之间的关系。

例如：①铁在O2中燃烧的，一定要在集气瓶低留有少量的水或一层沙子，防止瓶子被炸裂；②Fe与S反应中Fe只能失去其最外层的2个电子而变成+2价，反应开始后撤去酒精灯，反应可以继续进行，说明反应放热；③Fe在Cl2中燃烧时不但能失去最外层的2个电子，而且还可失去次外层的1个电子后成+3价，说明氧化性Cl2>S；④在高温时能与C、P、Si等化合。

2.铁的合金

一般地说，含碳量在2%～4.3%的铁的合金叫做生铁。生铁里除含碳外，还含有硅、锰以及少量的硫、磷等，它可铸不可煅。根据碳的存在形式可分为炼钢生铁、铸造生铁和球墨铸铁等几种。

一般地说，含碳量在0.03%～2%的铁的合金叫做钢。钢坚硬有韧性、弹性，可以锻打、

压延，也可以铸造。

钢的分类方法很多，如果按化学成分分类，钢可以分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢就是普通的钢。合金钢也叫特种钢，是在碳素钢是适当地加入一种或几种，如锰、铬、镍、钨、铜等合金元素而制成的。合金元素使合金钢具有各种不同的特殊性能。

3.炼铁

(1)反应原理：利用氧化——还原反应，在高温下，用还原剂(主要是CO)把铁从铁矿石里还原出来。

(2)原料：铁矿石、焦炭、石灰石和空气 (3)设备：高炉 (4)生产过程 ①还原剂的生成 C+O2

CO2 CO2+C

2CO

②铁矿石还原成铁 Fe2O3+3CO

2Fe+3CO2↑

③除脉石、炉渣的形成 CaCO3

CaO+CO2↑

SiO2+CaO4.炼钢

CaSiO3

(1)设备：氧气顶吹转炉

(2)主要原料：炼钢生铁、生石灰、氧气。

(3)反应原理：利用氧化还原反应，在高温下，用氧化剂把生铁中过多的碳和其它杂质氧化为气体或炉渣除去。

(4)炼钢时的主要反应：

①氧化剂的生成，热能的来源 2Fe+O2

2FeO

②降低碳的含量 C+FeO

CO+Fe

③除去S、P等杂质

④加硅铁、锰铁、铝除剩余FeO——脱氧 2FeO+Si

2Fe+SiO2

二、铁的氧化物和氢氧化物 1.铁的氧化物的比较 铁的氧 化物 俗称 色、态 铁的价态 水溶性 稳定性 FeO Fe2O3 Fe3O4 黑色粉末 +2 不稳定性 铁红 黑色晶体 +3 难溶于水 稳定 磁性氧化铁 红棕色粉末 +2、+3 稳定 6FeO+O2=2Fe3O4 与酸的反FeO+2H+=Fe2++H2O 应 与CO的反应 制取 高温熔融，过量的铁与氧气反应 2Fe+O2=2FeO Fe2O3+6H+=2Fe3+ +3H2O FexOy+yCO=xFe+yCO2 Fe(OH)3的分解 2Fe(OH)3=Fe2O3 +3H2O Fe3O4+8H+=2Fe3++ Fe2++4H2O 铁在氧气中燃烧 3Fe+2O2=Fe3O4 2.铁的氢氧化物的比较

Fe(OH)2 Fe(OH)3 物理性质 白色，难溶于水的固体 红褐色，难溶于水的固体 化学性质 （1）与非氧化性强酸反应 （1）与酸反应 Fe(OH)2+2H+=Fe2++2H2O (2)与氧化性酸反应 3Fe(OH)2+10HNO3=3Fe(NO3)3+NOFe(OH)3+3H+=Fe3++3H2O （2）受热分解 2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O

↑+8H2O （3）空气中放置被氧化 4Fe(OH)2+2H2O+O2=4Fe(OH)3 制备 ①煮沸蒸馏水，赶走溶解的氧将NaOH溶液滴入Fe2(SO4)3气②煮沸NaOH溶液，赶走溶解溶液中 的氧气③配制FeSO4溶液，加3+-少量的还原铁粉④用长滴管将Fe+3OH=Fe(OH)3↓ NaOH溶液送入FeSO4溶液液面以下 Fe+2OH=Fe(OH)2↓ 1. Fe3O4是复杂的化合物，经研究证明，在Fe3O4晶体中有1/3的Fe是+2价，有2/3的Fe是+3价，可看成FeO·Fe2O3，实际应写成Fe(FeO2)2,即铁酸亚铁盐，不是一般的氧化物。

2.Fe(OH)2和Fe(OH)3从溶液中析出的现象不同，前者是白色絮状沉淀，后者是红褐色沉淀。而Fe(OH)2极不稳定，易被氧化成Fe(OH)3，反应现象是：白色→灰绿色→红褐色。

若要观察到白色的Fe(OH)2沉淀，需要创造以下条件：

（1）排除亚铁盐溶液里的Fe3+离子，以免Fe3+离子直接与OH-结合生成Fe(OH)3。 （2）尽量排除溶液中溶解的氧气（绝对排除是办不到的），以减慢生成的Fe(OH)2被氧化成Fe(OH)3的速度。

反应要用新制备的亚铁盐溶液，并放入少量的铁以防止Fe3+离子产生。亚铁盐溶液与碱溶液在混合前分别加热以排除溶有的空气，然后，把碱溶液沿着试管壁加入盛亚铁盐溶液的试管中，或把滴管尖嘴直接插入液面下再加入碱溶液，可观察到白色絮状沉淀。

三、Fe、Fe2+和Fe3+之间相互转化及检验

从Fe、Fe2+和Fe3+的结构可知:Fe只有还原性，Fe3+通常只有氧化性，Fe2+既具有氧化性又具有还原性。上述微粒通过跟一定的氧化剂或还原剂发生氧化还原反应，才能实现不同价态的铁相互转化，如下图（常称为铁三角）：

2+-

1.学习铁及其化合物的性质要注意：

(1)抓价态：从铁元素三种价态的相互转化(铁三角关系)去认识铁及其化合物间的氧化—还原反应规律.

(2)想属类：如铁是一种比较活泼的过渡金属，氧化亚铁、氧化铁为碱性氧化物，氢氧化亚铁、氢氧化铁为不溶性弱碱，氯化铁为强酸弱碱盐，由此去分析理解它们各自所具有的性质.

2.铁元素的原子在化学反应中，当遇弱氧化剂(如S、H+、Cu2+、I2等)时，铁只能失去最外层的两个电子，而生成+2价铁的化合物，当遇到强氧化剂(如Cl2、Br2、HNO3等)时，铁原子可以再失去次外层上的一个电子而生成+3价铁的化合物.

3.具体反应有：（1）Fe2+→Fe3+

①2Fe2++Cl2=2Fe3++2Cl-（在亚铁盐溶液中通入氯气，溶液由浅绿色变为棕黄色）。

②4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O（亚铁盐溶液在空气中容易变质，如绿矾露置于空气中则是：12FeSO4+3O2=4Fe2(SO4)3+2Fe2O3）

③3Fe2++NO3-+4H+=3Fe3++2H2O+NO↑ ④5Fe2++MnO4-+8H+=5Fe3++4H2O+Mn2+

如在FeCl2溶液中滴加酸性KMnO4溶液，溶液由浅绿色变棕黄色，在酸性KMnO4

溶液滴加FeCl2溶液，溶液由紫红变棕黄。

⑤2Fe2++H2O2+2H+=2Fe3++2H2O （2）Fe3+→Fe2+

①2Fe3++S2+=2Fe2++S,如在FeCl3溶液中滴加适量的Na2S溶液,溶液变浑浊，滤去沉淀则滤液为浅绿色；如加入过量的Na2S溶液，，则又有黑色沉淀生成（FeS），向Fe3+溶液中通入H2S气体的离子方程式为：2Fe2++H2S=2Fe3++2H++S↓。

②2Fe3++SO32－+2H2O=2Fe2++SO42-+2H+

③2Fe3++Fe=3Fe2+,在FeSO3溶液中往往要加铁的原因是可以防止Fe2+被氧化为3+

Fe。

④2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+,电路板的制作是利用FeCl3溶液与裸露的铜反应。 ⑤2Fe+2I=2Fe+I2

3+

－

2+

4.Fe2+和Fe3+的检验 （1）Fe2+的检验：

方法一：滴加KSCN溶液，无明显现象，再滴加新制氯水，溶液立即变红色。 方法二：滴加NaOH溶液,生成白色絮状沉淀，该沉淀迅速变为灰绿色，最后变为红褐色。

（2）Fe3+的检验：

方法一：滴加KSCN溶液或NH4SCN溶液，溶液立即变为血红色。 方法二：滴加NaOH溶液,出现红褐色沉淀。 1.Fe2+和Fe3+的相互转化

Fe2+有还原性，高锰酸钾、重铬酸钾、过氧化氢等氧化剂能把它氧化成Fe3+：

MnO-4+5Fe2++8H+=Mn2++5Fe3++4H2O

+6Fe2++14H+=2Cr3++6Fe3++7H2O H2O2+2Fe2++2H+=2F3++2H2O

在酸性溶液中，空气中的氧也能把Fe2+氧化：

4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O

在碱性溶液中，Fe2+的还原性更强，它能把NO-3和NO-2还原成NH3，能把Cu2+还原成金属铜.Fe3+具有氧化性，它能把I-氧化成I2：

2Fe3++2I-=2Fe2++I2

在无线电工业上，常利用FeCl3溶液来刻蚀铜，制造印刷线路，它们反应的化学方程式是：

2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+

因此，铜在氯化铁溶液中能作还原剂，而FeCl3是氧化剂. Fe3+在酸性溶液中容易被H2S、SnCl2等还原成Fe2+：

2Fe3++H2S=2Fe2++S↓+2H+ 2F3++Sn2+=2Fe2++Sn4+

Fe3+还能被金属铁还原：

2Fe3++Fe=3Fe2+

在亚铁盐溶液中加入铁钉可防止Fe2+被氧化为Fe3+.

II. 铝Al

1、铝的原子结构

分析：铝位于元素周期表中第三周期ⅢA族，易失去3个电子形成铝离子，所以铝具有强还原性。

2、物理性质及用途

（1）物理性质：铝是一种银白色金属、有金属光泽，密度较小、熔点较低、硬度较小，具有良好的导电、导热性和延展性，具有一定的强度，在空气中具有很好的耐腐蚀性。 （2）用途： 物理性质

物理性质 良好的导电性 良好的导热性 银白色光泽 密度较小 器材 反光性强 良好的延展性 耐低温 铝电缆 用途 制炊具、热交换器 制银漆 制航空用的合金、航天高质量的反射镜、卫星信号接收器 极薄的铝箔 抗低温的材料 3、化学性质 （1）与氧气反应 2Al +3O2 ==2Al2O3

铝是一种活泼的金属，常温下被氧气氧化，在表面形成一层致密氧化层，阻止内部的金属继续与氧气反应，所以铝具有很强的抗腐蚀能力。铝去膜在纯氧中的反应现象：继续燃烧发出耀眼的白光。 （2）与酸反应

铝与稀盐酸（或稀硫酸）反应的离子方程式：2Al+6H+ = 2Al 3+ +3H2↑ 铝与稀硝酸反应的离子方程式：Al+4H++NO3- = A l 3+ +NO↑+2H2O

常温下，铝在浓硝酸、浓硫酸中发生钝化。这种钝化是金属与酸发生化学反应的结果，具体地说是酸将金属氧化生成了一层致密而又坚硬的氧化物薄膜，将金属与酸隔离开，化学反应不再发生。

（3）与强碱溶液反应：

铝与NaOH溶液反应的离子方程式：2Al+2OH―+2H2O=2AlO2―+3H2↑

反应中H2O作氧化剂，转移电子数为6e―，NaOH并未充当氧化剂。铝是一种既能与酸反应又能与碱反应的金属，相同物质的量的铝分别与足量的盐酸和氢氧化钠反应，放出的氢气一样多。

（4）铝热反应

铝与某些难熔金属氧化物的反应称为铝热反应，铝粉和氧化铁的混合物称为铝热剂。 2Al+Fe2O3==2Fe+Al2O3

氧化铁粉末和铝粉剧烈反应，放出大量的热，发出耀眼的光芒。纸漏斗下部被烧穿，有黑色物质落入沙中。铝热反应能够进行的原因是：铝具有强还原性，且反应放出大量的热。铝热反应属于置换反应，常用于焊接金属、冶炼熔点高的金属如：钒、铬、锰等。 4、铝的冶炼

①从铝土矿中获得纯净的氧化铝 铝土矿(Al2O3),杂质：SiO2、Fe2O3

用酸法：先加酸,后加碱,最后用CO2：

Al2O3+6H+=2Al3++3H2OFe2O3+6H+=2Fe3++3H2O

SiO2不反应,过滤除去.向滤液中加NaOH:

Al3++4OH-=AlO2-+2H2OFe3++3OH-=Fe(OH)3,是沉淀,过滤除去.再向滤液中通入CO2,得Al(OH)3沉淀,过滤后加热分解得Al2O3.

AlO2-+CO2+H2O=Al(OH)3+HCO3-（这是过量CO2,如果少量CO2,得CO32-)

2Al(OH)3=加热=Al2O3+3H2O

用碱法：先加碱,再加酸,最后用氨水：

Al2O3+2OH-=2AlO2-+H2OSiO2+2OH-=SiO32-+H2O Fe2O3不反应,过滤除去.向滤液中加盐酸：

AlO2-+4H=Al3++H2OSiO32-+2H+=H2SiO3是沉淀,过滤除去.再向滤液中加入氨水,得Al(OH)3沉淀,过滤后加热分解得Al2O3. Al3++3NH3.H2O=Al(OH)3+3NH4+ 2Al(OH)3=加热=Al2O3+3H2O

②电解熔融氧化铝制取铝

2Al2O3==4Al+3O2

（二）氧化铝

氧化铝是白色、不溶于水的固体，熔点高，硬度大。是一种良好的耐火材料，可以用来制造耐火坩埚，耐火管和耐高温的实验仪器。氧化铝是典型的两性氧化物。 1、制取：

氯化铝溶液加热至干灼烧得到氧化铝的原因：加热促使氯化铝的水解平衡右移，氯化氢受热挥发，使水解平衡不断右移直至完全得到氢氧化铝，氢氧化铝受热分解得到氧化铝。 2、两性氧化物的性质

（1）溶于强酸生成盐和水：Al2O3+6H+ == 2Al 3+ +3H2O （2）溶于强碱生成盐和水：Al2O3+2NaOH== 2NaAIO2 +H2O

（三）氢氧化铝

氢氧化铝是不溶于水的白色胶状物质。能凝聚水中的悬浮物，吸附色素，可用于净水。 1、氢氧化铝的两性

（1）电离方程式：Al（OH3）在水溶液中存在如下电离平衡： H++AlO+H2OAl（OH）3Al3++3OH－ （酸式电离）（碱式电离）

分析：加入大量H+（或OH－），平衡右移（或左移）；当H+（或OH－）浓度不大时，对平衡的移动影响不大，故Al（OH）3溶于强酸或强碱，不溶于弱酸或弱碱。 （2）与强酸反应生成盐和水：Al（OH）3+3H+====Al3++3H2O （3）与强碱反应生成盐和水：Al（OH）3+OH－====AlO+2H2O

【归纳总结1】涉及Al3+、AlO2－的离子共存问题：Al3+与OH－会发生复分解反应而不能共存，AlO2－与H＋会发生AlO2－+H＋+H2O ==Al（OH）3↓反应而不能共存。Al3+与AlO2－、HS-、S2-、HCO3-、CO32-等以及AlO2－与Al3+、NH4+、Fe3+等会发生双水解反应而不能共存。

【归纳总结2】涉及AI3+、AIO2－和Al（OH）3相互转化： （1）在适量的可溶性铝盐溶液中逐滴加入NaOH溶液至过量 现象：立即产生白色沉淀→渐多→最多→渐少→沉淀消失

离子方程式：Al3++3OH－====Al（OH）3↓ Al（OH）3+OH－====AlO+2H2O （2）在适量的可溶性铝盐溶液中逐滴加入氨水至过量 现象：立即产生白色沉淀→渐多→最多

离子方程式：Al3++3NH3?H2O====Al（OH）3↓+3NH，Al（OH）3与NH3?H2O不反应。 （3）在适量的偏铝酸盐溶液中逐滴加入稀盐酸至过量 现象：立即产生白色沉淀→渐多→最多→渐少→沉淀消失

离子方程式：AlO+H++H2O====Al（OH）3↓，Al（OH）3+3H+====Al3++3H2O （4）在适量的偏铝酸盐溶液中缓慢通入CO2至过量 现象：立即产生白色沉淀→渐多→最多

离子方程式：2AlO+CO2+3H2O====2Al（OH）3↓+CO，Al（OH）3与CO2、H2O不反应。 （5）在适量强碱性溶液中逐滴加入铝盐溶液至过量

现象：局部产生白色沉淀→振荡消失→白色沉淀→渐多→最多

离子方程式：Al3++4OH－====AlO+2H2O ，Al3++3AlO+6H2O====4Al（OH）3↓ （6）在适量强酸性溶液中逐滴加入偏铝酸盐溶液至过量

现象：局部产生白色沉淀→振荡消失→白色沉淀→渐多→最多

离子方程式：AlO+4H+====Al3++2H2O，Al3++3AlO+6H2O====4Al（OH）3↓ 【规律总结1】“先沉淀后溶解”的化学反应： （1）可溶性铝盐中滴加强碱至过量 （2）在偏铝酸盐溶液中滴加盐酸至过量

（3）澄清石灰水中通入CO2（或SO2 ）至过量 （4）AgNO3溶液中滴加氨水至过量

（5）Fe（OH）3胶体或Al（OH）3胶体中滴加强酸至过量，胶体先聚沉，然后沉淀溶解 （6）硅酸胶体中滴加强碱至过量，胶体先聚沉，然后沉淀溶解。

【规律总结2】滴定顺序不同，实验现象不同，实验结果不同的化学反应 （1）盐酸和碳酸钠溶液

（2）氯化铝溶液和氢氧化钠溶液 （3）偏铝酸钠溶液和盐酸溶液 （4）硝酸银溶液和氨水

（5）磷酸溶液和澄清石灰水

III. 铜Cu

1、原子结构：原子序数为29，位于元素周期表中第4周期、第IB族，最外层有1个电子，常见化合价有+1、+2价。

2、物理性质：纯铜呈暗红色，属有色金属，导电导热性、延展性良好，焰色反应呈绿色。

3、化学性质：铜是一种较不活泼的金属，位于金属活动性顺序表中氢原子之后。

（1）与O2的反应在空气中或O2中加热表面变黑：此反应可除去混在H2、CO中的少量O2。

，利用

（2）与O2、CO2、H2O的作用 在潮湿的空气中铜可生成铜绿，（3）与其他非金属的反应

。

Cu在中燃烧生成棕黄色烟：

；

在硫蒸气里燃烧生成黑色固体：（4）与酸的反应 ①与稀盐酸、稀

不反应；

②与浓反应：

③与硝酸反应：

（浓）

（稀）

（5）与盐溶液反应：

二、铜的化合物 1、氧化物

CuO是不溶于水的碱性氧化物，具有较强的氧化性，在加热时能被CO、H2、C等还原：可与酸反应：

，

。

；

呈砖红色，可用于制红色玻璃，

歧化反应生成Cu和

。

本身较稳定，但在酸液中易发生

2、

。

（1）难溶性碱，可与酸反应：

（2）受热易分解：（3）有弱氧化性，新制的为

，常用于醛基化合物的检验：

悬浊液能氧化醛基化合物，本身被还原

。

（4）制备：可溶性铜盐与强碱反应：沉淀）。

3、铜盐 常见的铜盐有

等。

（蓝色絮状

（1）颜色：无水呈棕黄色，硫酸铜晶体（，又称胆矾或及其溶液呈蓝

蓝矾）呈蓝色，其浓溶液呈绿色，无水硫酸铜呈白色，色。常用无水硫酸铜白色粉末检验水蒸气或水的存在。

（2）化学性质

①水解性，其水溶液显弱酸性：

。

②氧化性，与金属单质反应：

。

③与强碱反应：

。

④胆矾受热可失去结晶水变成白色粉末，过热时，。

会进一步分解出

⑤可溶性铜盐能与H2S或反应生成黑色的沉淀，它难溶于强酸，常

用于

的检验。

⑥

易与形成

络离子。