铁的氧化物与氢氧化物

概览

本笔记系统整理铁的三种氧化物（$\ce{FeO}$、$\ce{Fe2O3}$、$\ce{Fe3O4}$）与两种氢氧化物（$\ce{Fe(OH)2}$、$\ce{Fe(OH)3}$）。重点是** $\ce{Fe(OH)2}$的制备必须隔绝氧气**（白色→灰绿色→红褐色），以及$\ce{Fe3O4}$ 的化合价组成。这些是高考实验题与选择题的必考点。

核心概念

• 铁的氧化物都是碱性氧化物，能与酸反应生成盐和水，但不能与碱反应（区别于铝的氧化物）。
• 铁的氢氧化物都是不溶性碱，受热易分解。
• $\ce{Fe(OH)2}$ 极易被氧化，是本章实验设计的核心难点。

重点知识：铁的氧化物

氧化物	$\ce{FeO}$	$\ce{Fe2O3}$	$\ce{Fe3O4}$
颜色	黑色粉末	红棕色粉末	黑色晶体
铁元素价态	$+2$	$+3$	$+\frac{8}{3}$（$1$个$\ce{Fe^{2+}}$、$2$个$\ce{Fe^{3+}}$）
俗称	无	铁红	磁性氧化铁
主要用途	—	红色颜料、炼铁原料	磁性材料（磁盘）
与盐酸	$\ce{FeO + 2H+ -> Fe^{2+} + H2O}$	$\ce{Fe2O3 + 6H+ -> 2Fe^{3+} + 3H2O}$	$\ce{Fe3O4 + 8H+ -> 2Fe^{3+} + Fe^{2+} + 4H2O}$

重要说明

1. $\ce{Fe3O4}$的化合价：可看作$\ce{FeO.Fe2O3}$，即含 $1$个$\ce{Fe^{2+}}$和$2$个$\ce{Fe^{3+}}$。1 mol $\ce{Fe3O4}$与盐酸反应生成$2$mol$\ce{Fe^{3+}}$和$1$mol$\ce{Fe^{2+}}$。
2. $\ce{FeO}$ 不稳定：在空气中加热容易被氧化，$6\ce{FeO} + \ce{O2} \xrightarrow{\Delta} 2\ce{Fe3O4}$。
3. $\ce{Fe2O3}$ 是铝热反应的重要原料：$\ce{Fe2O3 + 2Al \xrightarrow{高温} 2Fe + Al2O3}$。
4. $\ce{Fe2O3}$的还原：工业炼铁的主反应$\ce{Fe2O3 + 3CO \xrightarrow{高温} 2Fe + 3CO2}$。
5. 三种氧化物都不溶于水，都不能直接与水反应生成氢氧化物。

$\ce{Fe3O4}$ 与盐酸的产物

$\ce{Fe3O4}$与盐酸反应生成的是$\ce{Fe^{3+}}$和$\ce{Fe^{2+}}$ 的混合盐：$\ce{Fe3O4 + 8H+ -> 2Fe^{3+} + Fe^{2+} + 4H2O}$。不要误写成只生成 $\ce{Fe^{3+}}$。

重点知识：铁的氢氧化物

1. $\ce{Fe(OH)2}$ 的制备（重点实验）

原理：$\ce{FeSO4 + 2NaOH -> Fe(OH)2 v + Na2SO4}$

$\ce{Fe(OH)2}$ 为白色沉淀，但极易被空气中氧气氧化，故制备时必须隔绝氧气。

操作要点（防氧化四件套）：

1. 使用新配制的 $\ce{FeSO4}$溶液（或向溶液中加少量铁粉，防止$\ce{Fe^{2+}}$ 被氧化）。
2. $\ce{NaOH}$ 溶液加热煮沸，除去溶解的氧气。
3. 用长胶头滴管将 $\ce{NaOH}$溶液伸入$\ce{FeSO4}$ 液面以下再滴加。
4. 在液面上加一层植物油（或苯），隔绝空气。

现象：白色沉淀 → 迅速变为灰绿色 → 最终变为红褐色。

氧化过程：$4\ce{Fe(OH)2} + \ce{O2} + 2\ce{H2O} -> 4\ce{Fe(OH)3}$

灰绿色沉淀怎么来的

白色 $\ce{Fe(OH)2}$在空气中被氧化时，部分被氧化成$\ce{Fe(OH)3}$，两者混合呈灰绿色，最终完全氧化为红褐色 $\ce{Fe(OH)3}$。看到"灰绿色"要立即联想到 $\ce{Fe(OH)2}$ 被氧化。

2. $\ce{Fe(OH)3}$ 的制备与性质

• 制备：$\ce{FeCl3 + 3NaOH -> Fe(OH)3 v + 3NaCl}$（红褐色沉淀）
• 与酸反应：$\ce{Fe(OH)3 + 3H+ -> Fe^{3+} + 3H2O}$
• 受热分解：$2\ce{Fe(OH)3} \xrightarrow{\Delta} \ce{Fe2O3} + 3\ce{H2O}$（红褐色粉末变红棕色）

3. 氢氧化铁胶体

• 制备（选必/拓展）：向沸水中滴加饱和 $\ce{FeCl3}$ 溶液： $$\ce{FeCl3 + 3H2O \xrightarrow{煮沸} Fe(OH)3(胶体) + 3HCl}$$
• 用途：$\ce{Fe(OH)3}$ 胶体可净水，与明矾净水原理类似（都是胶体的吸附性）。

4. $\ce{Fe(OH)2}$与$\ce{Fe(OH)3}$ 对比总结

对比项	$\ce{Fe(OH)2}$	$\ce{Fe(OH)3}$
颜色	白色（被氧化后灰绿色、红褐色）	红褐色
制备原理	$\ce{Fe^{2+} + 2OH^- -> Fe(OH)2 v}$	$\ce{Fe^{3+} + 3OH^- -> Fe(OH)3 v}$
稳定性	极易被氧化	较稳定
与酸反应	$\ce{Fe(OH)2 + 2H+ -> Fe^{2+} + 2H2O}$	$\ce{Fe(OH)3 + 3H+ -> Fe^{3+} + 3H2O}$
受热分解	隔绝空气加热：$\ce{Fe(OH)2 -> FeO + H2O}$	$2\ce{Fe(OH)3} \xrightarrow{\Delta} \ce{Fe2O3} + 3\ce{H2O}$
转化关系	$4\ce{Fe(OH)2} + \ce{O2} + 2\ce{H2O} -> 4\ce{Fe(OH)3}$	—

$\ce{Fe(OH)2}$ 隔绝空气分解

$\ce{Fe(OH)2}$在隔绝空气条件下加热分解生成$\ce{FeO}$：$\ce{Fe(OH)2 \xrightarrow{\Delta} FeO + H2O}$；但若在空气中加热，$\ce{FeO}$会被氧化为$\ce{Fe3O4}$。两者条件不同，产物不同。

典型例题

例题 1：$\ce{Fe(OH)2}$ 制备实验

题目：实验室制备 $\ce{Fe(OH)2}$，下列操作不能达到预期目的的是（ ） A. 用新配制的 $\ce{FeSO4}$ 溶液 B. 将 $\ce{NaOH}$ 溶液煮沸后冷却使用 C. 将滴管插入 $\ce{FeSO4}$液面以下滴加$\ce{NaOH}$ 溶液 D. 在敞口容器中迅速混合两种溶液

分析：$\ce{Fe(OH)2}$极易被氧化，D 中敞口混合会让空气中的氧气迅速氧化$\ce{Fe(OH)2}$，无法观察到白色沉淀。A、B、C 都是防氧化的正确操作。

解答：答案：D。

点评：制备 $\ce{Fe(OH)2}$ 的一切操作都围绕"隔绝氧气"展开——新制亚铁盐、煮沸除氧、伸入液面下、油封。这四个要点缺一不可。

例题 2：$\ce{Fe3O4}$ 与酸反应的计算

题目：将 $\ce{Fe3O4}$完全溶于足量盐酸中，所得溶液中$\ce{n(Fe^{3+}) : n(Fe^{2+})}$ 为（ ） A. $1 : 1$　　B. $2 : 1$　　C. $1 : 2$　　D. $3 : 1$

分析：$\ce{Fe3O4}$可看作$\ce{FeO.Fe2O3}$，含 $1$个$\ce{Fe^{2+}}$和$2$个$\ce{Fe^{3+}}$。与盐酸反应时，$\ce{FeO}$部分提供$\ce{Fe^{2+}}$，$\ce{Fe2O3}$部分提供$\ce{Fe^{3+}}$，无氧化还原。

解答：$\ce{Fe3O4 + 8H+ -> 2Fe^{3+} + Fe^{2+} + 4H2O}$，故 $\ce{n(Fe^{3+}) : n(Fe^{2+}) = 2 : 1}$，答案：B。

点评：记牢 $\ce{Fe3O4}$ 中"两价三价铁"的数量比（$\ce{Fe^{2+}}$:$1$，$\ce{Fe^{3+}}$:$2$），这是解计算题的关键。

易错提醒

易错点清单

1. $\ce{FeO}$、$\ce{Fe2O3}$、$\ce{Fe3O4}$ 都是黑色或红棕色固体，都不溶于水、不与水反应。
2. $\ce{Fe(OH)2}$是白色沉淀（不是红褐色），红褐色是$\ce{Fe(OH)3}$。
3. $\ce{Fe(OH)2}$ 制备必须隔绝氧气，四个防氧化要点要能默写。
4. $\ce{Fe(OH)3}$受热分解生成$\ce{Fe2O3}$和$\ce{H2O}$，条件是"加热"。
5. $\ce{Fe3O4}$ 与盐酸反应生成两种铁盐，方程式要会写。
6. 铝热反应用的是 $\ce{Fe2O3}$，不是 $\ce{FeO}$或$\ce{Fe3O4}$（高考常考）。

与其他知识关联

• 铁单质的性质详见 01-铁单质，氢氧化物的制备正是利用亚铁盐/铁盐。
• 铁三角中 $\ce{Fe^{2+}}/\ce{Fe^{3+}}$ 的转化与检验，见 03-铁三角与亚铁离子铁离子的转化。
• 氢氧化铁胶体的净水原理，与 08-铝及其化合物与金属材料/02-铝的氧化物与氢氧化物两性 中明矾净水对比学习。
• 铁的氧化物在工业炼铁中的应用，联系金属冶炼方法，见 08-铝及其化合物与金属材料/03-金属材料与合金。

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