《初中铁的思维导图》

中心主题：铁 (Fe)

一、铁的物理性质

• 颜色和状态:
  • 银白色金属 (纯铁)
  • 固体 (常温常压)
• 密度:
  • 7.86 g/cm³ (较大)
• 熔点:
  • 1535℃ (较高)
• 沸点:
  • 2750℃ (很高)
• 硬度:
  • 较硬 (纯铁较软，加入杂质后硬度增加)
• 导电性:
  • 良导体
• 导热性:
  • 良导体
• 磁性:
  • 能被磁铁吸引
  • 可以被磁化
• 延展性:
  • 具有良好的延展性，可拉成丝，轧成片。
• 其他:
  • 金属光泽
  • 不透明

二、铁的化学性质

• 与氧气反应:
  • 常温: 缓慢氧化，表面生成氧化铁，铁锈(Fe₂O₃·xH₂O)，疏松多孔，加速腐蚀。
    • 实验：铁钉生锈实验
    • 影响因素：水、氧气 (二者缺一不可)
  • 点燃: 剧烈燃烧，火星四射，生成四氧化三铁 (Fe₃O₄)。
    • 化学方程式：3Fe + 2O₂ 点燃→ Fe₃O₄
    • 现象：剧烈燃烧，火星四射，放出大量热，生成黑色固体。
• 与水反应:
  • 高温: 铁与水蒸气在高温下反应，生成四氧化三铁和氢气。
    • 化学方程式：3Fe + 4H₂O (g) 高温→ Fe₃O₄ + 4H₂
• 与酸反应:
  • 盐酸/稀硫酸: 铁与稀盐酸或稀硫酸反应，生成亚铁盐和氢气。
    • 化学方程式：Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑
    • 化学方程式：Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑
    • 现象：有气泡产生，溶液由无色变为浅绿色。
    • 注意：铁与浓硫酸、浓硝酸常温下发生钝化。
  • 铁与酸反应的特点: 生成亚铁盐，而不是铁盐。
• 与盐溶液反应:
  • 活动性较弱金属的盐溶液: 铁与活动性比铁弱的金属盐溶液反应，置换出金属。
    • 化学方程式：Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu
    • 化学方程式：Fe + AgNO₃ → FeNO₃ + Ag (实际上反应较复杂，产物可能不唯一)
    • 现象：铁钉表面覆盖一层红色物质 (铜)，溶液由蓝色变为浅绿色。
• 金属性:
  • 铁是一种比较活泼的金属，但不如钾、钙、钠活泼。

三、铁的冶炼

• 原理: 利用还原剂将铁从铁矿石中还原出来。
  • 常用还原剂：一氧化碳 (CO)
• 原料: 铁矿石 (赤铁矿、磁铁矿等)、焦炭、石灰石、空气。
• 主要设备: 高炉
• 主要反应:
  • C + O₂ → CO₂
  • CO₂ + C 高温→ 2CO
  • Fe₂O₃ + 3CO 高温→ 2Fe + 3CO₂ (以赤铁矿为例)
  • CaCO₃ 高温→ CaO + CO₂
  • CaO + SiO₂ → CaSiO₃ (造渣，除去杂质)
• 产物: 生铁、炉渣
• 铁矿石种类:
  • 赤铁矿 (主要成分：Fe₂O₃)
  • 磁铁矿 (主要成分：Fe₃O₄)
  • 菱铁矿 (主要成分：FeCO₃)
  • 黄铁矿 (主要成分：FeS₂)

四、铁的用途

• 制造钢铁: 最主要的用途。
  • 钢铁的分类：
    • 钢：含碳量0.03%-2%的铁合金，硬度较高，韧性较好。
    • 生铁：含碳量2%-4.3%的铁合金，硬而脆。
  • 钢铁的性能：强度高、韧性好、耐腐蚀性好。
• 制造机器、车辆、船舶、桥梁等: 利用钢铁的强度和韧性。
• 制造工具、仪器: 利用钢铁的硬度和强度。
• 其他:
  • 催化剂 (如合成氨工业)
  • 化学试剂

五、铁的化合物

• 氧化物:
  • 氧化铁 (Fe₂O₃)：红色粉末，又称铁红，不溶于水，是铁锈的主要成分。可作颜料，也用于冶铁。
  • 四氧化三铁 (Fe₃O₄)：黑色晶体，具有磁性，俗称磁性氧化铁。
  • 氧化亚铁 (FeO)：黑色粉末，不稳定，易被氧化。
• 氢氧化物:
  • 氢氧化亚铁 [Fe(OH)₂]：白色固体，难溶于水，极易被空气中的氧气氧化成氢氧化铁，变成红褐色。
    • 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃
  • 氢氧化铁 [Fe(OH)₃]：红褐色固体，难溶于水，是一种胶体。
• 盐:
  • 亚铁盐 (Fe²⁺)：浅绿色溶液，具有还原性，易被氧化为铁盐。
    • 如：氯化亚铁 (FeCl₂)、硫酸亚铁 (FeSO₄)
    • 硫酸亚铁的用途：治疗缺铁性贫血、用作媒染剂、净水剂。
  • 铁盐 (Fe³⁺)：黄色或棕色溶液，具有氧化性。
    • 如：氯化铁 (FeCl₃)、硫酸铁 [Fe₂(SO₄)₃]
    • 三价铁离子的检验：向溶液中滴加硫氰化钾溶液，溶液变红色。
      • Fe³⁺ + 3SCN⁻ ⇌ Fe(SCN)₃

六、铁的腐蚀与防护

• 腐蚀类型:
  • 化学腐蚀：金属与非电解质直接发生化学反应而引起的腐蚀。
  • 电化学腐蚀：金属与电解质溶液接触，因发生电化学反应而引起的腐蚀。（更普遍）
    • 析氢腐蚀：酸性较强的条件下发生。
    • 吸氧腐蚀：酸性较弱或中性条件下发生。（更常见）
• 电化学腐蚀原理: 形成原电池。
  • 负极：铁失去电子，被氧化。
  • 正极：氧气得电子，被还原。
• 影响因素: 金属的性质、电解质溶液的成分、温度、湿度等。
• 防护方法:
  • 改变金属的内部结构: 制成合金，如不锈钢。
  • 覆盖保护层:
    • 油漆
    • 电镀
    • 喷镀
    • 搪瓷
    • 在金属表面形成致密的氧化膜 (如铝)
  • 电化学保护法:
    • 外加电流的阴极保护法
    • 牺牲阳极的阴极保护法

七、与铁相关的实验

• 铁丝在氧气中燃烧
• 铁与稀盐酸/稀硫酸反应
• 铁与硫酸铜溶液反应
• 氢氧化亚铁的制备及观察其被氧化
• 三价铁离子的检验
• 铁钉生锈实验
• 工业炼铁 (原理性实验)

八、铁的相关计算

• 根据化学方程式计算:
  • 铁与氧气、酸、盐溶液反应的计算
  • 高炉炼铁的计算
• 根据质量分数计算:
  • 铁矿石中铁的质量分数计算
  • 钢铁中碳的质量分数计算
• 混合物计算:
  • 铁与其他金属混合物的反应计算

九、易错点

• 铁与酸反应一定生成亚铁盐。
• 铁生锈的条件是铁与氧气和水同时接触。
• 三价铁离子可以使硫氰化钾溶液变红色，这是检验三价铁离子的常用方法。
• 区分铁盐和亚铁盐：观察溶液颜色、加入氢氧化钠溶液观察现象、加入硫氰化钾溶液观察现象。
• 注意钝化现象：铁在浓硫酸或浓硝酸中常温下发生钝化，阻止进一步反应。
• 掌握铁及其重要化合物的颜色和状态。