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铁及其化合物教学设计

汇报人：XXX

2025-X-X

目录

1.铁的性质与存在

2.铁的化学变化

3.铁的化合物

4.铁的制备方法

5.铁的工业应用

6.铁的环境影响

7.铁在生物体内的作用

8.铁的实验研究

01

铁的性质与存在

铁的物理性质

密度与延展性

铁的密度约为7.874g/cm³，使其成为相对较重的金属。铁具有良好的延展性，可以被拉成细丝或压成薄片，如厚度仅为0.025mm的铁片也能保持其完整性。

磁性

铁是一种磁性金属，其原子磁矩使得铁磁体能够被磁铁吸引。铁的磁性使其在电机、变压器等设备中发挥关键作用，广泛应用于现代工业。

热膨胀与导电性

铁的热膨胀系数约为12×10⁻⁶/°C，表明铁在温度变化时体积膨胀显著。此外，铁的导电性较好，电阻率约为10⁻⁸Ω·m，这使得铁成为良好的导电材料。

铁的化学性质

氧化还原性

铁具有典型的氧化还原性，能够与氧气反应生成氧化铁，如Fe+O₂→Fe₂O₃。在还原气氛中，铁可以被还原为金属铁。铁的还原电位为-0.44V，表明其具有较强的还原性。

酸碱反应

铁能与稀盐酸或稀硫酸反应生成氢气和相应的铁盐，如Fe+2HCl→FeCl₂+H₂↑。铁在强酸中通常表现出较好的耐腐蚀性，但在弱酸中则容易发生腐蚀。

与盐溶液反应

铁能够与某些盐溶液发生置换反应，如与硫酸铜溶液反应生成铜和硫酸亚铁，Fe+CuSO₄→FeSO₄+Cu。这种反应体现了铁比铜更活泼的化学性质。

铁的存在形式

地壳中存在

铁是地壳中含量第四丰富的元素，占地壳总质量的约5%。主要以氧化物形式存在，如赤铁矿（Fe₂O₃）和磁铁矿（Fe₃O₄）。

海洋中分布

海洋中溶解态的铁含量较低，约为1-2ppb。主要以铁的氢氧化物和硫化物形式存在，如铁的氢氧化铁胶体和硫化铁颗粒。

生物体内存在

铁是生物体内必需的微量元素，存在于血红蛋白、肌红蛋白等蛋白质中。人体内铁含量约为4-5g，主要以Fe²⁺和Fe³⁺形式存在。

02

铁的化学变化

铁的氧化反应

铁锈形成

铁在潮湿空气中容易发生氧化反应，生成铁锈（主要成分是Fe₂O₃·nH₂O）。这个过程通常需要数月甚至数年，铁锈的生成会导致金属结构的破坏。

高温氧化

铁在高温下可以与氧气、水蒸气等发生剧烈的氧化反应，如2Fe+3/2O₂→Fe₃O₄。这种反应是炼铁过程中的关键步骤，也是工业上产生热能的重要途径。

酸雨腐蚀

酸雨中的硫酸或硝酸能与铁反应，导致铁的结构遭到破坏，如Fe+H₂SO₄→FeSO₄+H₂↑。酸雨对铁质建筑、桥梁等设施的危害极大，需要采取防护措施。

铁的还原反应

高温还原炼铁

炼铁过程中，铁矿石（主要成分为Fe₂O₃）在高温下与焦炭反应，碳将铁从矿石中还原出来，生成金属铁和二氧化碳，如Fe₂O₃+3C→2Fe+3CO。

铝热还原法

铝热还原法利用铝粉的强还原性，在高温下将金属氧化物还原为金属铁，如Fe₂O₃+2Al→2Fe+Al₂O₃。这种方法常用于提取难以用传统方法还原的金属。

化学还原法

化学还原法中使用还原剂（如一氧化碳、氢气等）将铁从其化合物中还原出来，如Fe₂O₃+3CO→2Fe+3CO₂。这种反应在工业生产中广泛应用于铁的提取和精炼。

铁的腐蚀与防护

腐蚀类型

铁的腐蚀主要包括氧化腐蚀、硫化腐蚀和应力腐蚀。其中，氧化腐蚀是最常见的，如铁在潮湿空气中形成铁锈。腐蚀速率通常随温度升高而增加，例如在80°C时腐蚀速率大约是室温下的两倍。

防护措施

为了防止铁的腐蚀，可以采用多种防护措施，如涂层保护、阴极保护等。涂层保护通过在铁表面涂覆一层防护膜，如油漆或塑料，来隔离铁与腐蚀环境。阴极保护则是通过施加电流使铁成为电解池的阴极，从而减缓腐蚀过程。

防腐材料

不锈钢是一种常见的防腐材料，含有铬、镍等元素，能够在铁表面形成一层致密的氧化膜，阻止进一步的腐蚀。例如，18-8型不锈钢中含有大约18%的铬和8%的镍，能够有效提高铁的耐腐蚀性。

03

铁的化合物

氧化铁

性质与结构

氧化铁（Fe₂O₃）是一种红棕色的固体，具有三方晶系结构。其熔点约为1590°C，硬度较高，莫氏硬度为5.5-6。氧化铁是铁的重要氧化物，也是自然界中常见的铁矿物。

制备方法

氧化铁可以通过多种方法制备，包括高温还原法、化学沉淀法等。工业上常用高温还原法，将铁矿石与焦炭在高温下反应，生成氧化铁。此外，氧化铁也可以通过化学沉淀法从含铁溶液中沉淀得到。

应用领域

氧化铁广泛应用于涂料、塑料、橡胶等行业。在涂料中，氧化铁常用作颜料，赋予材料红色或棕色。此外，氧化铁还用于制造磁性材料、催化剂等。氧化铁的红色颜料市场占有率高，是重要的工业原料。

硫化铁

矿物形态

硫化铁是一种黑色或棕黑色的矿物，常见形态有立方体