Главная › Дети › Цепочка превращений железа по химии. Удивительное железо

Цепочка превращений железа по химии. Удивительное железо

Изучите цепочку химических превращений железа!

Сложность:

Опасность:

Сделайте этот эксперимент дома

Реагенты

Безопасность

Перед началом опыта наденьте защитные перчатки и очки.
Проводите эксперимент на подносе.

Общие правила безопасности

Не допускайте попадания химических реагентов в глаза или рот.
Не допускайте к месту проведения экспериментов людей без защитных очков, а также маленьких детей и животных.
Храните экспериментальный набор в месте, недоступном для детей младше 12 лет.
Помойте или очистите всё оборудование и оснастку после использования.
Убедитесь, что все контейнеры с реагентами плотно закрыты и хранятся по правилам после использования.
Убедитесь, что все одноразовые контейнеры правильно утилизированы.
Используйте только оборудование и реактивы, поставляемые в наборе или рекомендуемые текущими инструкциями.
Если вы использовали контейнер для еды или посуду для проведения экспериментов, немедленно выбросьте их. Они больше не пригодны для хранения пищи.

Информация о первой помощи

В случае попадания реагентов в глаза тщательно промойте глаза водой, при необходимости держа глаз открытым. Немедленно обратитесь к врачу.
В случае проглатывания промойте рот водой, выпейте немного чистой воды. Не вызывайте рвоту. Немедленно обратитесь к врачу.
В случае вдыхания реагентов выведите пострадавшего на свежий воздух.
В случае контакта с кожей или ожогов промывайте поврежденную зону большим количеством воды в течение 10 минут или дольше.
В случае сомнений немедленно обратитесь к врачу. Возьмите с собой химический реагент и контейнер от него.
В случае травм всегда обращайтесь к врачу.

Неправильное использование химических реагентов может вызвать травму и нанести вред здоровью. Проводите только указанные в инструкции эксперименты.
Данный набор опытов предназначен только для детей 12 лет и старше.
Способности детей существенно различаются даже внутри возрастной группы. Поэтому родители, проводящие эксперименты вместе с детьми, должны по своему усмотрению решить, какие опыты подходят для их детей и будут безопасны для них.
Родители должны обсудить правила безопасности с ребенком или детьми перед началом проведения экспериментов. Особое внимание следует уделить безопасному обращению с кислотами, щелочами и горючими жидкостями.
Перед началом экспериментов очистите место проведения опытов от предметов, которые могут вам помешать. Следует избегать хранения пищевых продуктов рядом с местом проведения опытов. Место проведения опытов должно хорошо вентилироваться и находиться близко к водопроводному крану или другому источнику воды. Для проведения экспериментов потребуется устойчивый стол.
Вещества в одноразовой упаковке должны быть использованы полностью или утилизированы после проведения одного эксперимента, т.е. после открытия упаковки.

Часто задаваемые вопросы

Я прикладываю магнит к стаканчику, но ничего не происходит! Что мне делать?

Проблема могла возникнуть из-за магнита, если он недостаточно сильный. Например, некоторые сувенирные магниты, которые отлично держатся на холодильнике, могут не подойти в этом опыте. Попробуйте поискать более мощный магнит! Мы советуем использовать неодимовые магниты, они подходят лучше всего.

В чашку Петри вылилось немного железа вместе с раствором. Нужно ли мне начать опыт с начала?

Если в чашку Петри попало совсем немного железа, то не волнуйтесь и просто продолжайте опыт. В противном случае вылейте весь раствор обратно в стаканчик и ополосните чашку Петри водой из-под крана. Затем вылейте раствор обратно в чашку Петри и проводите опыт дальше!

Жидкость не растеклась по поверхности чашки Петри даже после добавления пипетки воды. Что мне делать?

Аккуратно возьмите чашку Петри в руки и покружите ее по поверхности стола. Такие движения помогут воде распределиться в чашке Петри. Если возникнет необходимость, добавьте еще немного воды и покружите чашку Петри вновь.

У нас дома есть перекись водорода H 2 O 2 . Можно мне ее использовать в этом опыте?

Да, конечно, вы можете использовать перекись из домашней аптечки или приобрести таковую в аптеке. Подойдет перекись любой концентрации от 3 до 10 процентов.

Другие эксперименты

Пошаговая инструкция

Железо реагирует с лимонной кислотой с образованием цитрата железа(II) FeC 6 H 6 O 7 .

Непрореагировавшее железо можно собрать магнитом.

Пока магнит удерживает оставшееся железо, слейте бесцветный раствор цитрата железа(II).

Перекись водорода H 2 O 2 окисляет железо(II) до железа(III), образуя желтый раствор цитрата железа(III) FeC 6 H 5 O 7 .

Гексацианоферрат(II) калия (или, как это вещество еще называют, желтая кровяная соль) K 4 реагирует с ионами железа(III), образуя нерастворимый пигмент - берлинскую лазурь.

Для повторения эксперимента помойте чашку Петри.

Утилизация

Утилизируйте твердые отходы эксперимента вместе с бытовым мусором. Слейте растворы в раковину, промойте избытком воды.

Что произошло

Что происходит, когда мы добавляем к порошку железа лимонную кислоту?

В этот момент в пробирке запускается длинная цепочка реакций. Она начинается с взаимодействия водного раствора лимонной кислоты с металлическим железом Fe. Будучи типичными металлом, железо легко отдает электроны, то есть «окисляется». При этом протоны лимонной кислоты H + восстанавливаются, и выделяется водород H 2 - пузырьки газа, которые мы наблюдали в опыте. Этот процесс можно проиллюстрировать следующей электрохимической реакцией:

2H + + 2e → H 2

Отдав ионам водорода свои электроны, металлическое железо превращается в ионы Fe 2+ . А вот какая реакция происходит с железом:

Fe – 2e → Fe 2+

Запишем уравнение целиком:

Fe + C 6 H 8 O 7 → FeC 6 H 6 O 7 + H 2

Такие реакции называют окислительно-восстановительными: в них окислитель всегда забирает электроны, а восстановитель их отдает.

Что происходит, когда мы подносим магнит ко дну стаканчика?

Железные опилки притягиваются к магниту, который мы держим снаружи, и превращаются в причудливые иголки: чем ближе к центру, тем они острее и выше. Такое расположение не случайно, опилки расположены вокруг магнита по определенным линиям.

Намагничивание происходит из-за особого строения атомов железа.

Узнать больше

Лишь несколько простых веществ благодаря своему строению могут быть постоянными магнитами - это железо, никель и кобальт. В их атомах есть заряженные частицы - электроны. Они вращаются вокруг ядра в одном и том же направлении и создают магнитное поле. Такие вещества называют ферромагнетиками. У каждого магнита есть два полюса (северный и южный), они всегда находятся в разных концах. Сила действия поля направлена от северного полюса к южному. Человеческий глаз не может уловить магнитное поле, но наш опыт показывает, как оно выглядит.

Почему при добавлении перекиси водорода и желтой кровяной соли раствор поменял цвет?

На последней стадии опыта мы наблюдаем одновременно две реакции. Разберем их по порядку.

Первая - реакция двухвалентного железа с перекисью (пероксидом водорода H 2 O 2), которую мы знаем как простое и доступное обеззараживающее средство. Ионы Fe 2+ окисляются под действием H 2 O 2 до ионов Fe 3+ , по-прежнему связанных с цитрат-ионами. Такой комплекс и дает насыщенную желтую окраску. При этом молекулы перекиси водорода превращаются в молекулы воды.

Вторая - желтая кровяная соль K 4 воздействует на реакционную смесь. Там, куда попали капли, раствор становится ярко-синим - этот красивый оттенок ему придают мельчайшие гранулы так называемой берлинской лазури . Это нерастворимый в воде пигмент со сложным составом на основе соединения KFe. Не менее важным участником реакции является и кислород воздуха.

Образование берлинской лазури можно заметить, даже если ионов железа в растворе совсем мало, поэтому ее используют для определения ионов Fe 2+ в качественном анализе. В этом видео анализируемое вещество практически прозрачно, но даже нескольких капель раствора желтой кровяной соли достаточно, чтобы образовалась берлинская лазурь:

Железо: химия кузни

Знаете ли вы, что такое кузня и чем занимается кузнец? Кузней осталось очень и очень мало на свете, и в основном они используются только в ручном ремесле. Так что же такое кузня? Это место, в котором с помощью огня нагревают металл, пока он не расплавится. В таком мягком состоянии ему можно легко придать любую форму. Кузнец - это мастер, который работает с таким металлом. Кузнечное искусство впервые упоминается в исторических записях за 1500 лет до нашей эры. Мало что изменилось в этом деле с тех пор, на самом деле. Чтобы изменить форму железа при помощи молота, металл сперва нужно было сильно нагреть. Вследствие того, что железо очень быстро остывает, кузнецу нужно было работать со скоростью молнии. В качестве топлива в кузнях использовали уголь. При помощи мехов кузнец добавлял воздух в кузню для того, чтобы пламя горело сильнее, а жара было больше. Затем кузнец клал куски железа в пламя, нагревал их до нужной температуры, вынимал их и стучал по ним молотом, а потом возвращал их в пламя. Этот цикл действий повторялся до тех пор, пока железо не становилось нужной формы.

Чтобы получить сталь (железо с небольшим содержанием углерода), кованое железо клали в емкость с обоженными костями и углем, а затем нагревали до примерно 950 o C. Таким образом поверхность металла насыщалась углеродом. Затем кузнец закалял сталь, чтобы сделать ее менее хрупкой. Кузнец нагревал сталь в пламени еще раз, но намного медленнее. Когда сталь нагревалась до температуры от 150 до 350 o C, ее цвет изменялся. При превышении этого ограничения по температуре сталь становилась вначале желтой, потом коричневой, фиолетовой и, в конце концов, голубой. Кузнецам нужно было быть крайне внимательными и физически сильными. Современный процесс производства стали включает в себя создание сплавов из стали с различными элементами, такими как: хром, никель, медь, марганец, кремний, вольфрам, кобальт, фосфор, титан, ванадий, молибден и алюминий. Свойства сплава меняются в зависимости от выбранного элемента. Например, если добавить кремний и марганец, то повысится эластичность и крепость стали, а вот из-за никеля сталь лучше сохраняет свою тягучесть при низких температурах.

Fe -> FeCl3 -> Fe(OH)3 -> FeO3 -> Fe -> FeSO4 -> Fe(OH)2 -> FeO -> Fe -> FeCl2 -> AgCl -> Ag.

Внимание! Решения предоставлены обычными людьми, поэтому в решениях могут быть ошибки или неточности. Используя решения, не забудьте их перепроверить!

Запишите уравнения в ионном виде: 1) Fe + H2SO4 -> FeSO4 + H2; 2) 2Fe + 3Cl -> 2FeCl3; 3) 3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2.

Вместо вопросительного знака написать формулу, уровнять реакции, расставив коэффициенты, и определить их тип: Fe(OH)3 -> Fe2O3 + ?; Zn + ? -> Cu + ZnCl2; ? + HCl -> ZnCl2 + ?.

Допишите схемы реакций: 1) FeCl3 + H2S -> FeCl2 + S + ..; 2) H2S + Cl2 + H2O -> H2SO4 + ..; 3) NH3 + O2 -> N2 + ..; 4) Fe + Al -> .. + .. .

С помощью химических реакций осуществить преобразования: Fe(SO4) -> Fe(OH)2 -> FeO -> Fe -> FeO -> FeCl2

Закончите уравнение реакции. Напишите уравнение реакции в молекулярной, полной и сокращённой ионной форме. Fe(OH)2 + HCl -> .. .

Запишите уравнение реакции, позволяющих осуществить следующие превращение: FeCl2 FeSO4 -> FeO -> FeSO4

Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить превращения: FeCl3 -> X -> Fe(OH)2 -> FeO.

Осуществите превращение, докажите наличие ионов железа +2 в солях с помощью качественных реакций: Fe-> FeCl2-> Fe(OH)2-> Fe(OH)3-> FeCl3

Решить уравнения: 1) Fe(OH)3 + HNO3 -> ..; 2) KOH + HPO3 -> ..; 3) Fe(OH)2 (при нагревании) -> ..; 4) Fe(OH)3 (при нагревании) -> .. .

Fe2(SO4)3 -> Fe -> Fe3O4 -> FeO -> FeCl2.

Расставить коэффициенты: H2 + O2 -> N2O5; Cu + S -> Cu2s; Fe + HCl -> FeCl2+H2; Al + O2 -> Al2O3; K + H2O -> K(OH)2 + H2.

Расставить коэффициенты: Al2O3 + HNO3 -> Al(NO3)3 + H2O; Fe(OH)3 + H2SO4 -> H2O + Fe(SO4)3.

Класс: 9

Образовательная цель: обеспечить усвоение знаний о важнейших соединениях железа +2 и +3, качественных реакциях на ионы железа +2 и +3, биологической роли железа, используя опорные знания о строении железа, демонстрацию занимательных опытов, лабораторную работу, сообщения учащихся, мультимедийное приложение.

Продолжить формировать умения составлять схемы строения атома, электронную формулу, графическую формулу; на основе этого определять степени окисления, окислитель, восстановитель.
Систематизировать знания о характере оксидов и гидроксидов со степенями окисления +2 и +3 на примере оксидов и гидроксидов железа +2 и +3.
Формировать умения сравнивать свойства важнейших соединений железа(II) и железа(III), научиться определять с помощью качественных реакций соединения, содержащие ионы Fe 2+ , Fe 3+
Совершенствовать умения школьников из предложенных формул составлять генетические ряды, осуществлять цепочки превращений, составлять уравнения химических реакций.
Совершенствовать навыки работы с реактивами при выполнении опытов, соблюдать правила по ТБ.
Раскрыть значение железа в природе и жизни человека.

Развивающая цель:

Продолжить развитие:

мыслительных способностей: умения пользоваться опорными знаниями, умения сравнивать, обобщать, делать выводы, объяснять ход эксперимента;
навыков самостоятельности при работе с учебником, инструктивной картой и реактивами;
исследовательских навыков при исследовании свойств соединений железа(II) и железа (III) и проведении качественных реакций;
способности к рефлексии, коммуникативные умения.

Воспитывающая цель:

Продолжить воспитание:

положительной мотивации обучения, используя привлечение учащихся к подготовке занимательных опытов, сообщений о роли железа, лабораторной работы, мультимедийного сопровождения;
чувство ответственности при подготовке сообщений, выполнения домашнего задания;
правильной самооценки.

Тип урока: Комбинированный. Сообщение новых знаний и их совершенствование.

Вид урока: Лабораторный.

Оборудование: Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева, таблица растворимости веществ, таблица “Генетические ряды неорганических веществ”, инструктивные карты к лабораторной работе, тесты, презентация “Соединения железа”, Коллекция минералов: красный железняк, бурый железняк, магнитный железняк, железный колчедан.

Реактивы:

На столах учащихся:

растворы: FeCI 2 , FeCI 3 , KSCN, желтая кровяная соль K 4 , красная кровяная соль K 3 , NaOH, соли: FeSO 4 7H 2 O, FeCI 3 , Fe 2 (SO 4) 3 9H 2 O

Для занимательного опыта: скальпель, вата, пинцет, растворы: FeCI 3 растворы: FeCI 3 , KSCN, желтая кровяная соль K 4 , красная кровяная соль K 3 , нашатырный спирт.

Ход урока

1. Организационный момент.

Среди металлов самый славный
Важнейший древний элемент.
В тяжелой индустрии – главный
Знаком с ним школьник и студент.
Родился в огненной стихии
А сплав его течет рекой.
Важнее нет в металлургии
Он нужен всей стране родной.

О каком металле идет речь?

(Это железо.)

Учитель: Сегодня на уроке мы продолжим изучение металла 8 группы, побочной подгруппы Fe и рассмотрим его соединения. А для этого нам необходимо повторить те сведения о железе, которые вы приобрели на прошлом уроке.

2. Проверка знаний (индивидуальный опрос).

Цель: повторение изученного материала, необходимого для открытия “нового знания” и выявления затруднений в работе учащихся.

1-й ученик. Написать на доске схему строения атома железа, электронную и графическую формулы. Какие степени окисления может проявлять железо? Окислитель или восстановитель?

(Выполняют по инструкции в парах.)

Получить гидроксиды железа в лаборатории можно взаимодействием солей железа со щелочью.

а) Налейте в пробирку 1 мл раствора хлорид железа(II). Добавьте к нему по каплям раствор гидроксида натрия до появления явных признаков химической реакции. Отметьте цвет образовавшегося осадка. Записать уравнения реакций.

б) К хлориду железа(III) прилейте по каплям раствор гидроксида натрия до появления явных признаков химической реакции. Отметьте цвет образовавшегося осадка.

Что наблюдаете? Записать уравнения реакции.

Слайд 6 – уравнение реакций (самопроверка)

Вывод: Это один из способов распознавания соединений железа с различной степенью окисления, качественные реакции на ионы Fe 2+ Fe 3+ .

Fe(OH) 2 окисляется на воздухе: сначала зеленеет, потом приобретает бурую окраску.

(Демонстрация разрезанного яблока и пробирки с Fe(OH) 2 , на стенках которой видно как осадок становится бурого цвета.)

4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3 (Слайд 8)

Учитель: Существуют и другие качественные реакции, позволяющие распознать соли железа с различными степенями окисления. Вспомним сценку, которую вам в 7 классе на Дне школы демонстрировали девятиклассники.

Выходят 2 учащихся в белых халатах – “доктор” и его “ассистент”. Учитель представляет их классу.

Доктор: (держит в руках нож)

Вот еще одно развлечение:
Кто даст руку на отсечение?

Жалко руку на отсечение?

Тогда нужен больной для лечения. (Приглашают к столу ученика из класса.)

Ассистент.

Оперируем без боли,
правда, будет много крови.

При каждой операции
Нужна стерилизация.

Помогите, ассистент, дайте йод

Ассистент.

Один момент! (Подает “иод” – раствор FeCI 3 .)

Йодом смочим мы обильно,
Чтобы было все стерильно. (Тампоном, смоченным раствором FeCI 3 , смазывает обильно руку “пациента”.)
Не вертитесь, пациент,
Нож подайте, ассистент! Скальпель “дезинфицирует” “спиртом” (раствором KSCN).

Доктор делает “разрез” ножом, смоченным обильно раствором KSCN, течет “кровь”.

Ассистент: (испуганно)

Посмотрите, прямо струйкой кровь течет,

А не вода!

Не волнуйтесь!

Живой водой я смою руку

И от раны – ни следа! (Смывает “кровь” ваткой, смоченной раствором нашатырного спирта.)

Помните, ребята, в 7-ом классе мы вам говорили:

“Этот опыт объяснить мы пока не можем
В класс девятый перейдем – объяснение найдем”

Конечно, эта кровь не настоящая и рана – тоже, зато помогает определить в растворе ионы Fe 3+ . “Йод” – в нашем случае – это раствор FeCI 3 , а спирт – это роданид калия KSCN. А реакция между ними – это еще одна качественная реакция на ионы Fe 3+ .

Кроме перечисленных реакций, ионы Fe 2+ и Fe 3+ можно определить и с помощью других реактивов – желтой кровяной соли K 4 и красной кровяной соли K 3 . Качественные реакции на ионы железа вы сейчас проделаете сами в процессе лабораторной работы.

Качественная реакция на ион Fe 3+

1. Реактив – роданид калия KSCN.

К раствору хлорида железа(III) добавить одну каплю раствора роданида калия (KSCN). Перемешайте содержимое пробирки и рассмотрите на свету. Отметьте цвет.

Результат воздействия – интенсивно красный цвет

FeCl 3 + 3KSCN = Fe (SCN) 3 + 3KCl.

2. Реактив – желтая кровяная соль K 4

г) К раствору хлорида железа(III) Во 2-ю пробирку добавьте 1–2 капли раствора гексацианоферрата(II) калия K 4 (желтой кровяной соли). Перемешайте содержимое пробирки, отметьте цвет.

Результат воздействия – синий осадок берлинской лазури.

K 4 + FeCI 3 = 3KCI + KFe

Лабораторный опыт 3.

Качественная реакция на ион Fe 2+ .

Реактив – красная кровяная соль K 3 .

Налейте в пробирку 1 мл раствора хлорида железа(II). Добавьте к нему по каплям раствор осадка. гексацианоферрата(III) калия K 3 (красной кровяной соли). Отметьте цвет осадка.

Результат воздействия – синий осадок (турнбулевой сини)

FeCI 2 + K 3 = 2КCI + KFe↓

Реактивами на ионы Fe 2+ являются щелочи и красная кровяная соль K 3 .
Реактивами на ионы Fe 3+ являются щелочи, роданид калия и желтая кровяная соль K 4 .

Учащиеся записывают уравнения качественных реакций в тетради и выводы. (Слайд 9)

6. Первичное закрепление знаний.

(Работа по цепочке.) (Слайд 5–9)

Перечислите, какие соединения образует железо со степенью окисления +2.
Каков характер оксида и гидроксида железа(II)?
Перечислите формулы соединений железа со степенью окисления +3.
Каков характер оксида и гидроксида железа(III)?
Как можно получить гидроксиды железа?
По каким признакам можно распознать осадки гидроксида железа(II) и гидроксида железа(III)?
При помощи каких качественных реакций можно распознать соли железа(II) и соли железа(III)?

7. Генетические ряды соединений железа(II) и железа(III).

(Конструирование схем из приведенных формул.) (Слайд 14)

FeCI 2	Fe	FeCI 3
Fe(OH) 2	Fe 3 O 4	Fe(OH) 3
FeO	FeSO 4	Fe 2 O 3

Из приведенных формул составить схемы генетических рядов:

Вариант 1. От оксида железа(II) до железа.

Вариант 2 . От железа до оксида железа(III).

Написать уравнения соответствующих реакций.

Ответы учеников проверяются по слайду.

9. Формирование знаний о соединениях железа, имеющих наибольшее практическое значение.

(Самостоятельная работа с учебником и образцами минералов.)

Задания для самостоятельной работы

Рассмотреть образцы выданных вам минералов, отметить их агрегатное состояние, цвет.
Выписать в тетради формулы, название этих соединений, их практическое значение.

Формула вещества	Название вещества		Практическое значение
Формула вещества	Систематическое	техническое	Практическое значение
FeSO 4 7H 2 O	кристаллогидрат сульфата железа(II)	железный купорос	Для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок, обработки древесины
FeCI 3	хлорид железа(III)		При очистке воды, в качестве протравы при крашении тканей
Fe 2 (SO 4) 3 9H 2 O	кристаллогидрат сульфата железа(III)		При очистке воды, в качестве растворителя в гидрометаллургии и в других целях

10. Первичное закрепление.

Цель: зафиксировать изученное содержание.

Ребята, давайте еще раз повторим, что мы сегодня изучили.

Формы и способы организации учебной деятельности (по “цепочке” учащиеся повторяют все вопросы этого урока, используя слайды презентации учителя,)

Выявление возможных затруднений и способы их коррекции.

12. Подведение итогов. Выставление оценок.

Д/З. § 44 – 45 , стр.135 упр. 6 письменно, упр. 11 а); б) желающим получить оценку.

13. Рефлексия учебной деятельности на уроке. (Слайд 15)

Зафиксировать новое знание, полученное на уроке.
Оценить собственную деятельность на уроке.
Оценить учебную деятельность класса.
Зафиксировать неразрешенные затруднения как направления будущей учебной деятельности.
Обсудить и записать домашнее задание. (Слайд 16)

Литература:

Венецкий С. И. В мире металлов. М., 1988.
Габриелян О. С. Химия 9 класс, М.: Дрофа, 2010 Химия – 9 с. 76–82.
Денисова В. Г. Химия. 9 класс: поурочные планы по учебнику О. С. Габриеляна – Волгоград: Учитель, 2009.
Книга для чтения по неорганической химии. Под ред. В. А. Крицмана. М., 1979.
Мезин Н. А. Занимательно о железе. М., Металлургия, 1977.
Пузынина М. А. Занимательный час “Чудеса своими руками” Химия в школе. 1991. № 5. С. 66–67.

Химия элементов

D-элементы VIIIB-подгруппы (семейство железа)

Fe, Co, Ni

Характеристики d-элементов VIIIb группы (семейство железа)

Элементы Характеристики	26 Fe	27 Co	28 Ni
Атомная масса	55,847	58,933	58,710
Валентные электроны	3d 6 4s 2	3d 7 4s 2	3d 8 4s 2
Металлический радиус атома, пм
Условный радиус иона, пм
Э 3+
Э 2+
Энергия ионизации
Э 0 → Э + , эВ	7,87	7,86	7,63
Э + → Э 2+ , эВ	16,1	17,3	18,15
Э 2+ → Э 3+ , эВ	30,6	33,5	35,16
Относительная электроотрицательность	1,8	1,9	1,9

Все d-элементы семейства железа − металлы, проявляющие положительные в основном переменные степени окисления; обладают значительной твёрдостью, прочностью, высокими температурами плавления и кипения, высокими тепло- и электропроводностью. Все они образуют сплавы между собой и с другими металлами. Для них характерно образование комплексных соединений.

Характерные свойства и важнейшие соединения

Химическая активность элементов семейства железа значительно ниже, чем у d-элементов 4-7 групп. Это связано с увеличением числа электронов на d-подуровне. По этой же причине в ряду Fe−Со−Ni наиболее активным металлом является железо. Максимальная степень окисления, равная номеру группы для них не характерна.

От железа к никелю наиболее устойчивой становится низкая степень окисления +2. Это Так как в атомах данных элементов на d-подуровне возрастает число парных электронов и одновременно уменьшается радиус атома. Следовательно увеличивается прочность связей электронов и необходимость затраты дополнительной энергии; на их распаривание.

Все три металла близки по химическим свойствам.

С водой они реагируют при высокой температуре, разлагая её:

3 Fe + 4 Н 2 О = Fe 3 O 4 + 4 Н 2 .

Выделяющийся водород частично растворяется в железе, охрупчивая его. Больше всех водород поглощается никелем. На этом основано использование никеля в качестве катализатора при гидрировании.

В ряду напряжений железо, кобальт, никель расположены до водорода, поэтому они вытесняют водород из кислот, проявляющих окислительные свойства за счёт ионов водорода:

Э° + 2 Н + → Э 2+ + Н 2

Разбавленная и концентрированная азотная и концентрированная серная кислота по-разному действуют на металлы.

В отсутствии влаги при обычных условиях Fe, Со и Ni заметно не реагируют с кислородом, серой, хлором, бромом, углеродом, кремнием, фосфором и другими неметаллами. При нагревании в мелко раздробленном состоянии взаимодействие протекает интенсивнее.

При нагревании мелко раздробленные Fe, Co и Ni в атмосфере оксида углерода (II) СО образуются карбонилы состава Fe(CO) 5 , [Со(СО) 4 ] 2 и Ni(CO) 4 за счёт донорно-акцепторного взаимодействия, где степень окисления металла формально можно считать нулевой.

Железо, кобальт и никель в состоянии +2 образуют оксиды общей формулы ЭО. Все они нерастворимы в воде и щелочах, но растворимы в кислотах. При нагревании могут быть восстановлены водородом до металлов^

MeO + H 2 = Me + H 2 O.

Оксидам ЭО соответствуют гидроксиды общей формулы Э(ОН) 2 , получаемые по обменными реакциям^

CoCl 2 + 2 NaOH = Co(OH) 2 ¯ + 2 NaCl.

Гидроксиды нерастворимы в воде и щелочах, но растворимы в кислотах, т.е. проявляют основные свойства.

Образуемые катионами Э 2+ соли сильных кислот почти все хорошо растворимы в воде. Вследствие гидролиза их растворы показывают кислую среду:

2NiSO 4 + 2H 2 O ↔ (NiOH) 2 SO 4 + 2H 2 SO 4 ,

Ni 2+ + H 2 O ↔ NiOH + + H + .

Металлы семейства железа в состоянии Э 2 + образуют комплексные соединения с координационными числами: для Fe-6 и очень редко 4, Со в равной степени 6 и 4; для Ni − 4.

Металлам семейства железа в состоянии +3 соответствуют оксиды общей aормулы Э 2 О 3 и гидроксиды Э(ОН) 3 . Устойчивость гидроксидов в ряду Fe-Со-Ni уменьшается и возрастает окислительная активность:

4 Со(ОН) 3 + 4 H 2 SO 4 = 4 CoSO 4 + O 2 + 10 Н 2 О.

Гидроксид никеля (III) по свойствам подобен гидроксиду кобальта (III), но обладает ещё более выраженными окислительными свойствами.

Таким образом, в зависимости от степени окисления химические свойства оксидов и гидроксидов железа, кобальта и никеля различны (табл. 4.4).

Железо и его соединения

Железо существует в четырех модификациях: α-, β-, γ- и δ-Fe. До температуры 770 °С устойчивой является α-модификация железа.

Железо в виде тонкого порошка пирофорно (самовозгорается на воздухе) Пои высоких температурах железо взаимодействует с азотом, образуя нитриды (Fe 4 N и Fe 2 N), с фосфором − фосфиды (Fe 3 P и Fe 2 P). с углеродом − карбид (Fe 3 C − цементит), с хлором − галиды (FeCl 2 и FeCl 3), c кислородом − оксиды (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , FeO 3 − неустойчивый оксид).

Формулы оксидов железа весьма условны, т.к.они, как правило имеют нестехиометрический состав. Так, состав FeO (вюстита) более точно может быть выражен формулой Fe 0,95 O в стандартных условиях

Сульфид типа FeS получают действием сульфида аммония на растворимые соли железа (II) или сухим путем − взаимодействием железа с серой. Сульфид железа (II) используют для получения сероводорода:

4 FeS + О 2 + 10 Н 2 О = 4 Fe(OH) 3 + 4 H 2 S

Сульфид железа (II) растворим в кислотах, но нерастворим в воде Кроме FeS существуют сульфиды FeS 2 и Fe 2 S 3 .

Соединение с галогенами происходит или непосредственно, или путем обменных реакций:

2 Fe + 3 Сl =2 FeCl 3 (железо горит в хлоре),

Fe 2 O 3 + 6 НС1 = 2 FeCl 3 + 3 Н 2 О,

FeO + 2 НС1 = FeCl 2 + H 2 O.

Хлорид железа (II) обладает сильными восстановительными свойствами, окисляясь до железа (III):

2 FeCl 2 + Cl 2 =2 FeCl 3 .

В растворах хлориды железа (II) и (III) гидролизуются, создавая рН < 7.

При взаимодействии с кислотами окислителями за счёт иона водорода Н + железоокисляется до Fe 2+ .

Fe + 2 НС1 = FeCl 2 + H 2

При этом железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации. Аналогично протекает реакция в разбавленной серной кислоте. В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до железа +3.

2 Fe + 6 H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3 SO 2 + 6 Н 2 О.

Однако в серной кислоте с массовой долей, близкой к 100%. железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит.

При взаимодействии железа с азотной кислотой получаются различные продукты реакции. Это зависит от температуры и концентрации кислоты. В умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется по уравнению:

Fe + 6 HNO 3 = Fe(NO 3) 2 + 3 NO 2 + 3 Н 2 О,

При высоких концентрациях азотной кислоты (р = 1,41 г/мл) растворение замедляется, и железо становится «пассивным», т.е. покрывается защитной малорастворимой плёнкой.

В разбавленной азотной кислоте на холоду процесс растворения железа протекает следующим образом:

8 Fe + 20 HNO 3 = 8 Fe(NO 3) 2 + 2 NН 4 NO 3 + 6 Н 2 О,

а в обычных условиях:

Fe + 4 HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2 Н 2 О.

Во влажном воздухе железо очень быстро окисляется, покрываясь ржавчиной − бурым налётом, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего разрушения. В воде, при обычных условиях, железо также интенсивно корродирует. В зависимости от содержания в ней кислорода продукты окисления железа различны: при обильном содержании кислорода образуются гидратные формы оксида железа (III) Fe 2 O 3 ∙nH 2 O; при недостатке кислорода образуется смешанный оксид Fe 3 O 4 (Fe 2 O 3 ∙FeO).

4 Fe + 2 Н 2 О + 3 О 2 =2 (Fe 2 O 3 ∙H 2 O).

Оксиду железа (II) соответствует гидроксид Fe(OH) 2 − нерастворимое основание, которое получают действием щёлочи на растворимую соль железа (II):

FeSO 4 + 2 NaOH = Fe(OH) 2 + Na 2 SO 4 .

Гидроксид железа (II) легко окисляется кислородом воздуха до Fe(OH) 3:

4 Fe(OH) 2 + О 2 + 2 Н 2 О = 4 Fe(OH) 3 .

Гидроксид железа (II) более сильное основание, чем Fe(OH) 3 . Поэтому соли железа (II) гидролизованы в меньшей степени, чем соли железа (III). В результате гидролиза образуются основные соли:

2 FeSO 4 + 2H 2 O ↔ (FeOH) 2 SO 4 + 2 H 2 SO 4 , Кг 1 = 10 −16 /1,3∙10 −4 = 0,77∙10 −12 ;

FeСl 3 + 2 Н 2 О ↔ FeOHCl 2 + HCl, Кг 1 = 10 −16 /3∙10 −12 = 0,33∙10 −4 .

При прокаливании гидроксид железа (III) переходит в оксид железа (II).

Путём сплавления Fe 2 O 3 с содой или гидроксидом натрия образуется феррит натрия - соль не полученной в свободном состоянии железистой кислоты HFeO 2 .

Fe 2 O 3 + 2NaOH = 2NaFeO 2 + H 2 O.

При нагревании оксида железа (III) с нитратом и гидроксидом калия образуется сплав, содержащий феррат калия K 2 FeO 4 − соль железной кислоты H 2 FeO 4 , которая так же не получена в свободном состоянии:

Fe 2 O 3 + 4 КОН + 3 KNO 3 = 2 K 2 FeO 4 + 3 KNO 2 + 2 Н 2 О.

Карбонаты щелочных металлов осаждают из раствора солей железа (II) белый карбонат железа (II) FeCO 3 . При действии воды, содержащей оксид углерода (IV), нерастворимый карбонат железа, подобно карбонатам кальция и магния, переходит в растворимую соль − гидрокарбонат железа (II), содержащуюся в природных водах.

Соли железа (II) − восстановители и при действии на них окислителей переходят в соли железа (III):

6 FeSO 4 + К 2 Сr 2 О 7 + 7 H 2 SO 4 = 3 Fe 2 (SO 4) 3 + Cr 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 7 H 2 O.

Сульфаты железа (II) и (III) хорошо растворимы в воде. Сульфат железа (II) FeSO 4 ∙7H 2 O (железный купорос) на воздухе постепенно выветривается и одновременно окисляется с поверхности, переходя в основную соль железа (III):

4 FeSO 4 + О 2 + 2 Н 2 О = 4 FeOHSO 4 .

При нагревании железного купороса выделяется вода и получается безводная белая масса сульфата железа (II). При температуре больше 480 °С происходит процесс разложения:

2 FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3 .

Сульфат железа (III) Fe 2 (SО 4) 3 образует кристаллогидрат Fe 2 (SО 4) 3 ∙9H 2 O.

Железо (II) и железо (III) образуют большое число комплексных соединений Так, с ионами CN − (цианид-ионы) железо (II) образует комплексное соединение K 4 − гексацианоферрат (II) калия (жёлтая кровяная соль), а железо (III) − К 3 − гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль).

Жёлтая кровяная соль служит чувствительным реактивом на ионы железа (III), образуя нерастворимую в воде соль − берлинскую лазурь характерного синего цвета:

Fe 3+ + 4+ = Fe 4 3 .

Если подействовать красной кровяной солью на раствор, содержащий ионы железа (II), то образуется осадок синего цвета, называемый турнбулевой синью:

Fe 2+ + 3+ = Fe 3 2 .

Эти реакции используются для качественного определения присутствия ионов железа (II) и (III) в растворе.

Качественной реакцией на железо (III) может служить реакция:

Fe 3+ + 3 CNS − = Fe(CNS) 3 .

Бесцветные ионы − роданиды CNS − соединяются с ионами железа (III) и образуют кроваво-красный, слабо диссоциированный роданид железа (III) Fe(CNS) 3 .

ЦЕПОЧКИ ПРЕВРАЩЕНИЙ (практическая часть)

Fe FeО Fe 2 O 3 FeCl 3 Fe(OH) 3 FeOHSO 4

FeOHSO 4 Fe 2 (SO 4) 3 Fe 4 3

FeO FeCl 2 Fe(OH) 2 Fe(OH) 3 Fe 2 O 3 KFeO 2