化学必修一笔记 4（铁的多样性，硫的转化，氮的循环）
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update: 自查发现稀硝酸与铁反应方程式出错，并修复之前讨论区指出的多处错误。很抱歉浪费管理员审核时间并对读者产生一定误导。
update on 2026-04-27: 再次修改一些错误。
铁的多样性
其实铁也没有什么多样性，它反倒是三种元素里面最简单的。在中学阶段主要有四个价态：0, +2, +3, +6。最后一个是高铁。一般来说高铁这种价态很少讨论，基本就是前面三个价态组成的铁三角。其中，0 价的铁只具有还原性，+3 价的铁一般只具有氧化性，+2 价的铁既具有氧化性又具有还原性。
铁的氧化物
铁的氧化物有三种：\mathrm{FeO, Fe_2O_3, \color{red}{Fe_3O_4}}。其中最后一种不是碱性氧化物，因为它与酸反应会生成两种价态的盐，而非一种。
铁的氧化物与稀酸（不是硝酸）的反应就是初中学过的复分解反应，也可以近似为中和反应，根本没有什么新意。铁的氢氧化物的反应也一样。
铁的氢氧化物
铁的氢氧化物主要有一个重点：氢氧化亚铁（\mathrm{Fe(OH)_2}）。这种化合物甚至静置都会变成 \mathrm{Fe(OH)_3}，化学方程式如下。
\mathrm{4Fe(OH)_2+O_2+2H_2O = 4Fe(OH)_3}
整个反应的现象可以概括成：白色沉淀，迅速灰绿，最终红褐。
还有一个事情：氢氧化亚铁的制备。它和其性质息息相关。由于氢氧化亚铁不能与空气接触，因此可以考虑使用苯、植物油等密度比水小，不溶于水的有机物覆盖在水上，然后就成就了初高中唯一一个可以把胶头滴管伸进溶液中进行的实验。把在胶头滴管中吸入 \mathrm{NaOH} 溶液，将胶头滴管伸进苯或植物油覆盖的 \mathrm{FeSO_4} 溶液，并进行反应。此外，在 \mathrm{FeSO_4} 溶液中不能含有任何氧气，否则也会迅速发生反应。因此应当先加热使溶解的氧气从溶液中出来，再进行实验。
\mathrm{FeSO_4 + 2NaOH = Fe(OH)_2 \downarrow + Na_2SO_4}
铁离子（三价铁）
铁离子可以与铁单质、排在铁后面的金属（如铜）、以及碘离子反应，产物均为 \mathrm{Fe^{2+}}。
\mathrm{2Fe^{3+}+Fe = 3Fe^{2+}}
\mathrm{2Fe^{3+} + Cu = 2Fe^{2+} + Cu^{2+}}
\mathrm{2Fe^{3+}+2I^- = 2Fe^{2+} + I_2}
$$\mathrm{3Zn(过量) + 2Fe^{3+}=3Zn^{2+}+2Fe}$$
$$\mathrm{3CO + Fe_2O_3 \xlongequal{高温}2Fe+3CO_2}$$
这个其实就是高炉炼铁。
#### 亚铁离子（二价铁）
亚铁离子也可以与一些东西反应。在与 $\mathrm{Zn}$ 等在铁之前的金属反应的时候会被还原为 $\mathrm{Fe}$。此外，$\mathrm{H_2, CO}$ 也可以实现在二价铁氧化物中还原 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 的效果。
$$\mathrm{Fe^{2+} + Zn = Zn^{2+} + Fe}$$
在与氯水，酸性 $\mathrm{KMnO_4}$ 溶液等反应中，$\mathrm{Fe^{2+}}$ 会被氧化为 $\mathrm{Fe^{3+}}$，体现其还原性。
$$\mathrm{2Fe^{2+}+Cl_2 = 2Fe^{3+} + 2Cl^-}$$
$$\mathrm{5Fe^{2+}+MnO_4^{-}+8H^+=5Fe^{3+}+Mn^{2+}+4H_2O}$$
$$\mathrm{2Fe^{2+}+H_2O_2 + 2H^+ = 2Fe^{3+} + 2H_2O}$$
#### 铁单质
铁单质可以与非金属（特别是卤素）反应，其中与 $\mathrm{F_2, Cl_2, Br_2}$ 反应会生成三价铁，而与 $\mathrm{I_2, S}$ 等弱氧化剂反应会生成二价铁。此外，与浓 $\mathrm{H_2SO_4}$ 等具有强氧化性的物质反应也会生成三价铁。
$$\mathrm{2Fe+6H_2SO_4(浓)\xlongequal{\Delta}Fe_2(SO_4)_3+3SO_2 \uparrow+6H_2O}$$
此外，铁单质还可以与水蒸气反应，生成 $\mathrm{Fe_3O_4}$ 和 $\mathrm{H_2}$，反应方程式如下：
$$\mathrm{3Fe + 4H_2O \xlongequal{高温}Fe_3O_4 + 4H_2}$$
此处水已经是蒸汽状态，无需在 $\mathrm{H_2}$ 后面加气标。
#### $\mathrm{Fe^{2+}, Fe^{3+}}$ 的检验
| 鉴别方法 | < | $\mathrm{Fe^{2+}}$ |$\mathrm{Fe^{3+}}$ |
|:-:|:-:|:-:|:-:|
| 直接观色 | < | 浅绿 | 棕黄 |
| 与 $\mathrm{KSCN}$ 溶液 | < | —— | 血红（络合反应） |
| 利用 $\mathrm{Fe^{3+}}$ 的氧化性 | 与 $\mathrm {KI}$ 淀粉溶液 | —— | $\mathrm{2Fe^{3+}+2I^-=2Fe^{2+}+I_2}$，变蓝 |
| 利用 $\mathrm{Fe^{2+}}$ 的还原性 | 与酸性 $\mathrm{KMnO_4}$ 溶液 | 紫色褪去（变为 $\mathrm{Mn^{2+}}$） | —— |
| 利用沉淀反应 | 与 $\mathrm{NaOH}$ 溶液 | 白色沉淀，迅速灰绿，最终红褐（$\mathrm{Fe(OH)_2} \to \mathrm{Fe(OH)_3}$） | 红褐色沉淀 |
| ^ | 与 $\mathrm{K_3[Fe(CN)_6]}$（铁氰化钾） | 出现蓝色沉淀 | —— |
| 验证有 $\mathrm{Fe^{2+}}$，无 $\mathrm{Fe^{3+}}$ | < | 先加入 $\mathrm{KSCN}$，不变红，再加入 $\mathrm{H_2O_2}$ 或氯水等具有氧化性的物质，溶液变红（$\mathrm{Fe^{2+} \to Fe^{3+}}$） | < |
### 硫的转化
硫的价态有四种：$$\mathrm{-2(H_2S), 0(S), +4(SO_2 \to H_2SO_3), +6(SO_3 \to H_2SO_4)}$$。
#### 硫单质
硫单质俗称硫黄，是一种（淡）黄色固体，**不溶于水，微溶于酒精，易溶于二硫化碳**。
$$\mathrm{Fe + S \xlongequal {\Delta} FeS}$$
$$\mathrm{S + O_2 \xlongequal{点燃} SO_2}$$
此外，硫单质可以与热的强碱溶液反应，例如与氢氧化钠反应。
$$\mathrm{3S + 6NaOH \xlongequal{\Delta} 2 Na_2S + Na_2SO_3 + 3H_2O}$$
#### 二氧化硫
二氧化硫是一种无色，有刺激性气味的有毒气体，易溶于水，可以与水反应生成亚硫酸，但不完全。二氧化硫也是硫的中间价态，因此具有氧化性和还原性。
$$\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3}$$
而下面这个方程式表现出了 $\mathrm{SO_2}$ 的氧化性和 $\mathrm{H_2S}$ 的还原性。
$$\mathrm{SO_2 + 2H_2S = 3S \downarrow + 2H_2O}$$
这是硫元素的归中反应，由 $\mathrm{+4(SO_2)}$ 和 $\mathrm{-2(H_2S)}$ 归中为 $\mathrm{0(S)}$。
二氧化硫具有漂白性，但其漂白不持久，在加热等条件下会恢复回原来的颜色。其漂白原理是与**有机**有色物质结合生成不稳定无色物质。
#### 硫酸
稀硫酸的性质初中都学过了，就不讲了。
浓硫酸的性质：和浓硝酸一样，具有氧化性和酸性。浓硫酸的氧化性极强，可以使布、木条等有机物脱水，即将其中的氢、氧以水的比例脱去。
$\mathrm{H_2SO_4}$ 的氧化性没有 $\mathrm{HNO_3}$ 那么强，因此与铜反应也需要加热。（见下文）
$$\mathrm{2H_2SO_4(浓) + Cu \xlongequal{\Delta} CuSO_4 + SO_2\uparrow + 2H_2O}$$
浓硫酸在加热条件下同样可以与碳反应。
$$\mathrm{2H_2SO_4(浓) + C \xlongequal{\Delta} 2SO_2 \uparrow + CO_2 \uparrow + 2H_2O}$$
在常温下，浓硫酸与铁、铝等金属接触时，金属表面会生成致密氧化膜而钝化，阻止内部金属继续与硫酸反应。在加热条件下，浓硫酸可以与铁、铝等金属反应。
$$\mathrm{6H_2SO_4(浓) + 2Fe \xlongequal{\Delta} 2Fe_2(SO_4)_3 + 3SO_2 \uparrow+ 6H_2O}$$
与浓硫酸相关的氧化还原反应的一般还原产物是 $\mathrm{SO_2}$。
#### 酸雨及其防治
$$\mathrm{2SO_2 + O_2 \rightleftharpoons 2SO_3}$$
$$\mathrm{SO_3 + H_2O = H_2SO_4}$$
$$\mathrm{SO_2 + H_2O \rightleftharpoons H_2SO_3}$$
$$\mathrm{2H_2SO_3 + O_2 = 2H_2SO_4}$$
这样就形成了硫酸型酸雨。酸雨会严重危害自然界生态环境和人类生存环境。因此脱硫是加工煤等物质的重要步骤。
### 氮的循环
含 $\mathrm{N}$ 元素的常见物质：$\mathrm{NH_3, N_2, N_2O, NO, N_2O_3 \to HNO_2, NO_2(N_2O_4), N_2O_5 \to HNO_3}$。
#### 氮气及其氧化物
$\mathrm{N_2}$ 与 $\mathrm{O_2}$ 反应。
$$\mathrm{N_2+O_2\xlongequal{放电或高温}2NO}$$
$\mathrm{NO}$ 与 $\mathrm{O_2}$ 反应。
$$\mathrm{2NO + O_2 = 2NO_2}$$
**$\mathrm{NO_2}$ 与 $\mathrm{H_2O}$ 反应。（制硝酸）**
$$\mathrm{3NO_2 + H_2O=2HNO_3 + NO}$$
这个反应本质上是氮元素的歧化反应，配平比后面的很多方程式都要简单。
需要注意的是，所有氮的氧化物都是有害的，包括 $\mathrm{N_2O, NO, NO_2, N_2O_5}$ 等。因此，我们需要考虑如何除去这些氧化物。例如，如何将汽车尾气中的 $\mathrm{NO}$ 和 $\mathrm{CO}$ 除去呢？我们可以采用如下方法。
$$\mathrm{2NO + 2CO \xlongequal{催化剂}N_2 + 2CO_2}$$
这样我们就把两种有害气体变成了两种无害气体。而根据反应的焓变和熵变测算可知该反应是可以发生的，因此这样可以处理汽车尾气。
#### 氨气
氨气是一种无色，有刺激性气味的气体，密度比空气小，极易溶于水。
工业制备氨气：
$$\mathrm{N_2+3H_2\xrightleftharpoons{高温、高压、催化剂} 2NH_3}$$
氨气与浓盐酸反应生成 $\mathrm{NH_4Cl}$。（浓盐酸主要是挥发出来的 $\mathrm{HCl}$ 与氨气反应，稀盐酸则是氨气先溶于水再反应）
$$\mathrm{NH_3+HCl(浓)=NH_4Cl(白烟)}$$
$$\mathrm{NH_3+H_2O \rightleftharpoons NH_3 \cdot H_2O \rightleftharpoons NH_4^+ + OH^-}$$
通过加热铵盐与强碱的固体混合物可制取氨气。化学方程式略。
氨气是氮元素的负价化合物，因此氨中的氮元素具有还原性，可以制取 $\mathrm{NO}$。
$$\mathrm{4NH_3+5O_2 \xlongequal[\Delta]{催化剂} 4NO + 6H_2O}$$
实验室中常用 $\mathrm{NH_4Cl}$ 与 $\mathrm{Ca(OH)_2}$ 反应制取少量氨气。由于氨气的密度比空气小，因此需要使用向下排空气法制取氨气，用湿润的红色石蕊试纸检验氨气是否集满，若红色变为蓝色即满。
$$\mathrm{2NH_4Cl+Ca(OH)_2\xlongequal{\Delta}2NH_3\uparrow + CaCl_2 + 2H_2O}$$
#### 硝酸
纯浓硝酸是一种无色，易挥发（所以瓶口会有白雾）有刺激性气味的液体，光照或受热时因分解产生 $\mathrm{NO_2}$ 呈淡黄色。
$$\mathrm{4HNO_3\xlongequal{受热或光照}4NO_2\uparrow + O_2\uparrow + 2H_2O}$$
你会发现这个化学方程式就是制取硝酸总化学方程式倒过来。
工业制硝酸的后两步总化学方程式（第一步是上面的氨气催化转化）：
$$\begin{cases}\mathrm{2NO + O_2 = 2NO_2}\\\mathrm{3NO_2 + H_2O=2HNO_3 + NO}\end{cases}$$
配凑系数，消去 $\mathrm{NO}$：
$$\begin{cases}\mathrm{2NO + O_2 = 2NO_2}\\\mathrm{6NO_2 + 2H_2O=4HNO_3 + 2NO}\end{cases}$$
两式相加：
$$\mathrm{4NO_2+2H_2O+O_2=4HNO_3}$$
硝酸本身具有酸性，而硝酸根在酸性条件下具有强氧化性，因此硝酸与金属反应既会产生盐和水，也会产生 $\mathrm{NO}$（稀硝酸）或 $\mathrm{NO_2}$（浓硝酸）等还原产物。在硝酸过量的条件下，不论稀浓，都可以把金属氧化到最高价。硝酸可以与金、铂、钛（与 $\mathrm{Ti}$ 不反应是课本上的表述，但是有一定争议）以外的绝大多数金属反应。
硝酸与铜的反应：
$$\mathrm{4HNO_3(浓)+ Cu = Cu(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O}$$
$$\mathrm{8HNO_3(稀)+ 3Cu = 3Cu(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O}$$
在常温下，铁、铝等金属在接触浓硝酸时会在表面产生致密氧化膜而防止继续被氧化。这个过程叫做钝化。在加热条件下，铁、铝等金属可以与浓硝酸反应，且当硝酸过量时可以直接将 $\mathrm{Fe}$ 氧化到最高价。
**硝酸过量**
$$\mathrm{6HNO_3(浓)+Fe \xlongequal{\Delta}Fe(NO_3)_3 + 3NO_2 \uparrow + 3H_2O} $$
$$\mathrm{4HNO_3(稀)+Fe =Fe(NO_3)_3 + NO \uparrow + 2H_2O} $$
**铁过量**
三价铁被还原为二价铁，
$$\mathrm{Fe + 2Fe(NO_3)_3 = 3Fe(NO_3)_2}$$
与浓硝酸方程式结合，调整系数即得
$$\mathrm{4HNO_3(浓)+Fe \xlongequal{\Delta}Fe(NO_3)_2 + 2NO_2 \uparrow + 2H_2O} $$
与稀硝酸方程式结合，调整系数即得
$$\mathrm{8HNO_3(稀)+3Fe =3Fe(NO_3)_2 + 2NO \uparrow + 4H_2O} $$
此外，在加热条件下，浓硝酸还能与碳单质发生氧化还原反应。
$$\mathrm{4HNO_3(浓)+C \xlongequal{\Delta} CO_2 \uparrow + 4NO_2 \uparrow + 2H_2O}$$
**这个方程式不太一样，要单独记。**