苏教版高中化学必修一教案-3.2　铁、铜的获取及应用

课题：“具体化的元素观”在高三复习中的应用之“铁、铜及其化合物”的教学设计 1 教材及教情、学情分析 苏教版化学《必修 1》将“铁、铜的获取及应用”编排在专题 3“从矿物到基础材料”的第二单元。在学习 教材内容“铁、铜及其化合物的应用”编写上来看，首先从回顾初中已学过的铁、铜的基本性质引入，再重 点探究三个知识点：（1）从氧化还原角度分析 Fe2+和 Fe3+的相互转化（2）Fe3+的检验方法（3）Cu 与 FeCl3 反应的应用－－－制作印刷电路板。经过多个课时学习，学生能够建立铁及其化合物相互转化的知识网络， 例如铁三角关系、铁及其化合物的二维关系（图 1 和图 2）。有老师利用思维导图和框图构建进行教学，内 容丰富多彩，对学生新课时的学习和复习有很大的帮助。但在高考题中涉及“铁、铜及其化合物”知识点主 要集中在两种题型：（1）实验选择题（如 Fe2+和 Fe3+的检验、Fe(OH)2 制备、Fe3+和 Cu2+的水解问题等）（2） 化工流程题（其中氧化还原反应方程式书写为必考内容），这就要求高三学生能学以致用，对已有的知识 进行升华和提炼才能解决高考题中的相关问题。化学元素观是化学观念中的核心观念，笔者根据高三化学 一轮复习的教学情况和内容，努力将学生的“元素观”进行具体化地拓展（图 3 和图 4），发展学生的化学学 科思维，帮助学生实现化学学科观念的建构，实现“元素及其化合物”问题的高得分率。 图 1 铁三角关系 图 2 铁及其化合物的二维关系 元 素 组 成 核心元素价态 元 素 观 价 态 观 强 弱 观 水 解 观 体 现 具 体 化 认 识 理 解 图 3 具体知识与观念认识的“金字塔”关系示意图 图 4 “具体化的元素观”的认知结构 2 基于“元素观”的三维目标 2.1 知识与技能 掌握铁、铜及其化合物的性质和应用，能从氧化还原反应的角度书写相关方程式，加强实验操作技能。 2.2 过程与方法 通过 Fe2+与 Fe3+的相互转化、Fe(OH)2的制备、Fe3+与 HCO3 － 的双水解等问题，运用归纳、总结、类比、 实验等方法促进铁、铜及其化合物的“价态观”“强弱观”“水解观”的建立。 2.3 情感态度与价值观 （1）学科价值：铁、铜是典型的金属元素，对铁、铜化合物的学习也有利于其他金属元素的学习。 （2）认识价值：在已有的元素观（组成和价态）知识体系上对铁、铜化合物进行更深层次地学习和讨论， 提高学生的认识能力和水平。 （3）生活价值：铁、铜是生活中应用较为广泛的金属，它们与工业生产、科学研究、百姓生活有着密 切的联系，它们是我们“最亲密的金属”之一。 3 教学过程和设计 3.1 引入 【问题驱动 1】将 FeCl3溶液滴加到淀粉-KI 试纸上为何变蓝？ 【问题驱动 2】向 FeBr2溶液中通入 Cl2 为何先氧化 Fe2+？ 【问题驱动 3】如何除去 CuSO4 溶液中混有少量 Fe3+？ 【生 1】：2Fe3++2I- = I2+2Fe2+，Fe3+将 I-氧化成 I2，淀粉遇碘变蓝。 （体现价态观） 【生 2】：由 2Fe2++Br2=2Fe3++2Br- 可知，还原性 Fe2+>Br-。 （体现氧化性/还原性的强弱观） 【生 3】：利用 Fe3+的水解平衡原理，Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+ ，可以加入 CuO、CuCO3、Cu(OH)2、 Cu2(OH)2CO3 消耗 H+，增大溶液的 pH 值，由于 Cu(OH)2和 Fe(OH)3 的 Ksp 差异，可使得 Fe3+的水解程度 增大直至生成 Fe(OH)3 沉淀而不使 Cu2+沉淀，最终除去 Fe3+。 （体现 Fe3+的水解观） 【设计意图】：通过已具备的铁、铜及其化合物“元素观”知识来解决三个角度的问题，引导学生将知识 网络进行延伸，实现由“学”向“用”，由“是什么”向“为什么”的转变。让学生从每个问题中体会“具体的” 元素观（价态观、强弱观、水解观），掌握思考和答题的方法。 3.2 价态观 【投影】：展示多种相同价态和不同价态的铁、铜化合物和 Fe2+与 Fe3+的相互转化关系（图 5 和图 6） 铁元素 +2价：FeO、FeCl2、FeS、Fe(OH)2、FeSO4、Fe(NO3)2、 FeC2O4、K4[Fe(CN)6](亚铁氰化钾)等 +3价：Fe2O3、Fe(OH)3、FeOOH、FeCl3、Fe(NO3)3、 K3[Fe(CN)6](铁氰化钾)等 +6价：K2FeO4 特殊价：Fe3O4 (FeO·Fe2O3) 铜元素 +1价：Cu2O、CuCl、CuI、CuH、Cu2S +2价：CuO、Cu(OH)2、CuCl2、CuSO4·5H2O、CuS、 Cu2(OH)2CO3 Fe2+ Fe3+ Fe3+ Fe2+ 强氧化剂 KMnO4、K2Cr2O7、HNO3、H2O2、Cl2、 次氯酸(盐)、Br2、O2、MnO2 SO2、SO3 2-、H2S、S2-、I-、 Fe、Cu、Zn 还原剂 图 5 不同价态的铁、铜化合物 图 6 Fe 2+ 与 Fe 3+ 的相互转化关系 【设计意图】：根据元素组成找到物质所属类别，学习物质的通性；根据核心元素的化合价，可判断物 质的氧化性和还原性，而“具体化的元素观”－“价态观”直观地引导学生体会和预测已学过和未学过物质的 性质，为下面的铁、铜化合物参与氧化还原反应的方程式书写做好铺垫。 【问题驱动 1】：下列离子的检验方法合理的是 （ D ） A．向某溶液中滴入 KSCN 溶液呈红色，说明不含 Fe2+ B．向某溶液中加入酸性 KMnO4 溶液，溶液褪色，说明原溶液中一定含 Fe2+ C．向某溶液中加入 NaOH 溶液，得红褐色沉淀，说明溶液中一定不含 Fe2+ D．向某溶液中加入 NaOH 溶液得白色沉淀，又观察到颜色逐渐变为红褐色，说明该溶液中含有 Fe2+， 可能含有 Mg2+ 【问题驱动 2】请同学们分析氢氧化亚铁的制备原理。 【问题驱动 3】请写出下列反应的离子反应方程式。 1. 向 Fe(NO3)2溶液中加入稀硫酸的反应。 2．FeCl3 溶液吸收 H2S 气体，得到 S 单质的反应。 3．K2FeO4是一种新型的净水剂，利用 FeCl3 与 KClO 在强碱条件下可制取 K2FeO4。净水时，K2FeO4 与水反应生成红褐色沉淀和 O2。(两个反应)。 4．铜与稀硫酸不反应，加入 H2O2 后溶液很快变成蓝色。 5．Cu2O 在稀硫酸中不稳定，有 Cu 单质生成，溶液成蓝色。 6．CuSO4 溶液中加入一定量的 Na2SO3和 NaCl 溶液，加热生成 CuCl 沉淀。 【设计意图】：此处设计了三个问题：(1)Fe2+和 Fe3+的检验 (2)氢氧化亚铁的制备 (3)含有不同价态铁、 铜化合物的离子反应方程式的书写。问题 1是对所学知识的回顾，目的是做到“温故而知新”。问题 2目的 是培养学生的化学思维，通过思考“如何防止氢氧化亚铁被空气氧化而保持长时间的白色沉淀状态”的问 题，并贯穿复分解反应（氢氧化亚铁的制备）→氧化还原反应（氢氧化亚铁的不稳定性）→电解池（电化 学）知识，将问题层层递进来提高学生的化学学科素养。问题 3目的是理解和感受高考题中有关化工流程 问题“氧化还原反应方程式”的书写，而离子反应方程式又是反应的本质，通过书写练习引导学生利用“价 改进 改进 改进 态观”来解决问题，将“元素观”的认知进行具体化和扩大化。 3.3 强弱观 【师】：Fe3+和 Cu2+都具有氧化性，如何比较二者的氧化性强弱呢？ 【生】：利用 FeCl3溶液腐蚀 Cu 电路板的原理比较：2Fe3++Cu=2Fe2++Cu2+，在同一氧化还原反应里，氧 化剂的氧化性大于氧化产物，即 Fe3+>Cu2+。 【问题驱动 1】请大家利用这一结论思考一下这一问题。 FeCl3、CuCl2 的混合溶液中加入铁粉，充分反应后仍有固体存在，则下列判断不正确的是（ C ） A. 加入 KSCN 溶液一定不变红色 B. 溶液中一定含 Fe2+ C. 溶液中一定含 Cu2+ D. 剩余固体中一定含铜 【生】：剩余固体是 Cu 或 Fe 和 Cu，因为先发生 Fe + 2Fe3+ = 3Fe2+，后发生 Fe+ Cu2+ = Fe2+ + Cu，Fe3+ 一定没有剩余，有铁必有铜，故选 C。 【问题驱动 2】在 FeCl3、CuCl2、FeCl2 的混合溶液中，Fe3+、Cu2+和 Fe2+的物质的量纸币为 3:2:1，现加 入适量铁粉，使溶液中三种离子的物质的量之比变化为 1:2:4，则参加反应的铁粉与原溶液中 Fe3+的物质的 量之比为 （ C ） A．2:1 B．1:2 C．1:3 D．1:4 【生】：因氧化性：Fe3+>Cu2+>Fe2+，从离子比的变化可以看出 Fe3+有剩余，则 Cu2+、Fe2+没有参加反应， 根据反应的定量关系可以判断 C 是正确的。 【设计意图】：为了加强学生的“强弱观”，此处设置了如下的“问题链”－－－根据氧化还原反应的组成： 氧化剂+还原剂=氧化产物+还原产物，利用氧化还原反应规律比较不同价态物质的氧化性和还原性强弱 （Fe3+>Cu2+）→问题 1从定性的角度进行运用→问题 2从定量的角度分析理解不同的价态铁微粒间的相 互转化。 3.4 水解观 【实验探究 1】：对于 Fe2+、Fe3+、Cu2+在水溶液中存在水解情况，所以我们除了要掌握它们的“价态观”、 “强弱观”，还要考虑它们的“水解观”。如泡沫灭火器原理是 AlCl3 与 NaHCO3 溶液的双水解反应迅速生成 Al(OH)3和 CO2，那么 FeCl3与 NaHCO3溶液混合有什么现象呢？ 【现象 1】：在试管底部生成红褐色沉淀[Fe(OH)3]，有气体生成(CO2)。 【实验探究 2】：将镁条放入硫酸铜溶液中有什么现象呢？ 【现象 2】：反应剧烈，有蓝绿色沉淀[Cu(OH)2]和大量气泡生成(H2)。 【生 1】：根据水解原理－－－Fe3++3H2O Fe(OH)3+3H+、HCO3 一+H2O H2CO3+OH 一 ，二者的水解 互相促进生成 Fe(OH)3 沉淀和 CO2气体，即 Fe3++3HCO3 一= Fe(OH)3↓+3CO2↑。 【生 2】：Cu2++2H2O Cu(OH)2+2H+，Mg 消耗 H+反应生成 H2，从而促进 Cu2+生成 Cu(OH)2 沉淀，即 Mg+Cu2++2H2O=Mg2++Cu(OH)2↓+H2↑。 【问题驱动 1】：已知 Fe2+生成 Fe(OH)2 开始沉淀的 pH 为 5.8，沉淀完全的 pH 为 8.8，FeSO4+Na2CO3= FeCO3↓+Na2SO4，请回答：制备 FeCO3 时，选用的加料方式 C (填字母)，原因是 防止生成 Fe(OH)2 沉 淀 。 a．将 FeSO4 溶液与 Na2CO3 溶液同时加入到反应容器中 b．将 FeSO4 溶液缓慢加入到盛有 Na2CO3 溶液的反应容器中 c．将 Na2CO3溶液缓慢加入到盛有 FeSO4 溶液的反应容器中 【问题拓展 2】：将溶液中的 Cu2+、Fe2+、Fe3+沉淀为氢氧化物，需溶液的 pH 分别为 6.4、9.6、3.7。现 有含 FeClx 杂质的氯化铜晶体(CuCl2·2H2O)，为制取纯净的 CuCl2·2H2O，首先将其制成水溶液，然后按图 示步骤进行提纯。 （1）加氧化剂的目的为将 Fe2+转化为 Fe3+，便于除去，本实验最适合的氧化剂 X 是 C 。 A．K2Cr2O7 B．NaClO C．H2O2 D．KMnO4 （2）加入 CuO 调节溶液的 pH 来除去 Fe3+，pH 值范围为 [3.7, 6.4) 。 （3）除去 Fe3+的离子方程式为 3H2O+2Fe3++3CuO=2Fe(OH)3+3Cu2+ 。 （4）溶液 III 能不能直接蒸发结晶得到 CuCl2·2H2O 晶体？ 不能 。 若不能，应如何操作？向 CuCl2 溶液中通入 HCl 气体后进行加热浓缩、降温结晶、过滤得晶体。 【设计意图】：化学学习过程需要通过实验获取宏观现象，并从微观视角探讨其本质，从而得出物质及 其变化的基本规律。离子的“水解观”是高考考查的重点，它是“微观微粒”发生“宏观可观察”反应的内在动 力。通过 FeCl3与 NaHCO3溶液混合的现象帮助学生理解离子间“双水解”的意义。通过镁条与硫酸铜溶液 的反应现象，能帮助学生在已有的认知（Mg将 Cu置换出来）基础上进一步理解 Cu2+的“水解观”作用。 通过对问题驱动 1（2013年江苏高考化学第 19题）的思考，要求学生能运用 Fe2+和 CO32-的水解来解决 FeCO3的制备问题。问题拓展 2是典型的高考化工流程题的考查，主要考查 Fe2+与 Fe3+的转化、利用“水 解观”调节溶液的 pH值除杂的原理和溶液中晶体获得的方法三个知识点，这同时也是对前面知识的综合总 结和应用。 4 板书设计 铁 、 铜 的 化 合 物 们 价 态 观 强 弱 观 水 解 观