13. Загальна характеристика елементів

Viiib-підгрупи періодичної системи

Особливість елементів VIIIB-підгрупи полягає у тому, що вона об’єд-нує три тріади d-елементів, розташовані у великих періодах і не мають електронних аналогів у малих періодах.

Елементи першої тріади – Ферум, Кобальт, Нікель – називають роди-ною Феруму. Елементи другої і третьої тріад – Рутеній, Родій, Паладій, Осмій, Іридій і Платина називають платиновими металами.

Атоми елементів родини Феруму на відміну від атомів платинових металів не мають вільного f-підрівня. Цим обумовлені суттєві особливості в хімічних властивостях елементів першої тріади. Ці елементи мають дуже близькі атомні та іонні радіуси, енергію іонізації і відносну електронега-тивність.

Родина Феруму об’єднує метали, які близькі за фізичними і хімічними властивостями, але відрізняються від металів інших двох тріад. Найбільш типовими для них є ступені окиснення +2 і +3. У Феруму ступінь окис-нення +3 більш стійкий, ніж +2, оскільки у даному випадку атом Феруму набуває стійкої енергетично вигідної d⁵-електронної конфігурації. Крім того, для Феруму відомий ступінь окиснення +6.

У атомів елементів VIIIB-підгрупи майже повністю добудовується d-підрівень передостаннього електронного рівня. Однак не усі електрони d-підрівня беруть участь в утворенні хімічних зв’язків.

Метали родини Феруму мають поліморфні видозміни, від яких зале-жить структура чи властивості сплавів, що застосовуються у машинобуду-ванні. Механічні властивості заліза, кобальту і нікелю залежать від домі-шок, але у чистому вигляді ці метали пластичні і міцні. Відновна актив-ність знижується від Феруму до Кобальту і Нікелю.

При високих температурах галогени окиснюють Ферум до тригало-генідів (FeCl₃), а Кобальт і Нікель – до дигалогенідів (CoCl₂, NiCl₂). Ферум, кобальт і нікель карбіди (Fe₂C, Co₃C, Ni₃C) нестійкі, але цементит Fe₃C завдяки своїй міцності входить до складу багатьох сталей.

14. Ферум

Ферум – найпоширеніший після Алюмінію елемент на земній кулі: його вміст у земній корі складає 4 мас. %. У вільному стані залізо знахо-диться лише в метеоритах. Припускається, що ядро нашої планети склада-ється, головним чином, із заліза, а земна куля в цілому приблизно на 40% складається із заліза.

Ферум входить до складу живих організмів, відіграючи в них дуже важливу роль біокаталізаторів. Гемоглобін крові містить Ферум у вигляді складної органічної сполуки.

Найважливішими рудами заліза є магнітний залізняк Fe₃O₄, червоний залізняк Fe₂O₃, бурий залізняк 2Fe₂O₃  3H₂O та шпатовий залізняк FeCO₃. Пірит, або залізний колчедан, FeS₂, який зустрічається у великій кількості, рідко застосовується в металургії, оскільки чавун з нього вихо-дить дуже низької якості внаслідок великого вмісту сірки (в значних кількостях залізний колчедан використовують для виробництва сульфатної кислоти).

Залізо отримують із руд шляхом відновлення. Відновлення може про-водитись воднем при нагріванні:

Fe₂O₃ + 3Н₂  2Fe + 3Н₂O.

Чисте залізо отримують і термічним розкладом ферум пентакарбонілу Fe(CO)₅ без доступу повітря при температурі вище 413 К та електролізом водного розчину FeCl₂ при 303 К. Технічно чисте залізо одержують алюмо- чи кремнійтермічним відновленням:

Fe₂O₃ + 2Al  2Fe + Al₂O₃.

Залізо високого ступеня чистоти отримують методом зонної плавки. Виплавку чавуну проводять у доменних печах.

При неповному згорянні коксу утворюється карбон(ІІ) оксид:

С + О₂  СО₂;

СО₂ + С  2СО.

Ферум оксиди відновлюють карбон(ІІ) оксидом та вугіллям. Найважли-віші стадії доменного процесу можна представити рівняннями:

3Fe₂O₃ + СО  2Fe₃O₄ + СО₂;

Fe₃O₄ + СО  3FeO + СО₂;

FeO + СО  Fe + СО₂;

FeO + С  Fe + СО.

Залізо при переміщенні у більш гарячу частину печі насичується вугле-цем і утворюється чавун. Чавун плавиться і стікає в нижню частину, а шлаки у рідкому стані накопичуються на поверхні чавуну і запобігають його окисненню. Виплавка чавуну суттєво прискорюється і полегшується при вдуванні збагаченого киснем повітря.

Чавун містить близько 93 мас.% заліза, 4 мас.% вуглецю, а також домішки кремнію, фосфору, сірки. Із чавуну отримують сталь. В елек-тричних печах, які дозволяють краще регулювати процес, виплавляють спеціальні леговані сталі. Легуючими добавками можуть слугувати хром, марганець, нікель, молібден, вольфрам, ванадій та ін. Такі сталі набувають твердості та в’язкості, жаростійкості та ін. цінних властивостей. Поверхні стальних виробів іноді піддають цементації (насиченню вуглецем), азоту-ванню (нагріванню в атмосфері амоніаку), ціануванню (збагаченню вугле-цем та азотом). У результаті цього поверхня виробів набуває твердості, стійкості до зношування та корозії.

Залізо – сріблясто-білий, м’який та пластичний метал. Відомі чотири поліморфні модифікації: -, -, - та -залізо. Поліморфні перетворення заліза супроводжуються зміною кристалічної ґратки та фізичних власти-востей заліза. Наприклад, перехід - і -заліза в -модифікацію супровод-жується зміною кристалічної гратки із об’ємно-центрованої на гранецент-ровану, причому густина металу зростає від 7,86 до 8,1 г/см³.

Ферум утворює сполуки з Оксигеном, Нітрогеном, Карбоном, Фосфо-ром, Сульфуром та іншими елементами; з багатьма металами – сплави (у деяких випадках з утворенням інтерметалічних хімічних сполук). Хлоридна і розбавлена сульфатна кислоти окиснюють Ферум до Fe(II):

Fe + HCl  FeCl₂ + H₂,

концентровані HNO₃ і H₂SO₄, а також “царська горілка” – до Fe (IIІ):

2Fe + 6H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Під дією димної нітратної кислоти на холоді залізо пасивується з утворенням на поверхні оксидного шару. Водні розчини лугів на Ферум не впливають.

Для Феруму характерні два ряди сполук: сполуки феруму (ІІ) і сполуки феруму(ІІІ). Перші відповідають ферум(ІІ) оксиду FeO, другі – ферум(ІІІ) оксиду Fe₂O₃. Крім того, відомі солі фератної кислоти H₂FeO₄, у якій ступінь окиснення Феруму дорівнює +6.

Ферум(ІІ) оксид взаємодіє з кислотами з утворенням солей, тобто виявляє основні властивості. Ферум(ІІ) гідроксид Fe(OH)₂ отримують дією лугів на розчини солей феруму (ІІ):

FeSO₄ + 2NaOH  Fe(OH)₂ + Na₂SO₄.

Він виявляє амфотерні властивості і легко окиснюється киснем повітря до червоно-бурого ферум(ІІІ) гідроксиду:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O  4Fe(OH)₃.

При окисненні ферум(ІІІ) гідроксиду у лужному середовищі утворю-ються солі фератної кислоти – ферати (у вільному стані ця кислота не-відома).

Ферум(ІІІ) оксид Fe₂O₃ – червоно-бурий порошок, має основні власти-вості, утворюючи з кислотами солі феруму(ІІІ).

У Феруму виражена здатність утворювати комплексні сполуки (коор-динаційне число Феруму – 6). Із комплексних сполук Феруму особливий інтерес викликають калій гексаціано-(ІІ)ферат (жовта кров’яна сіль) та калій гексаціано-(ІІІ) ферат (червона кров’яна сіль), які отримують дією калій ціаніду на ферум хлорид.

Жовта кров’яна сіль утворюється при дії калій ціаніду на ферум(ІІ) хлорид:

FeCl₂ + 2KCN  Fe(CN)₂ + 2KCl;

Fe(CN)₂ + 4KCN  K₄[Fe(CN)₆].

Червону кров’яну сіль отримують дією калій ціаніду на ферум(ІІІ) хлорид:

FeCl₃ + 6KCN  K₃[Fe(CN)₆] + 3KCl.

Реакція ферум(ІІ)-іона.

Калій гексаціано-(ІІІ)ферат K₃[Fe(CN)₆] дає з ферум(ІІ)-іоном Fe²⁺ осад інтенсивно-синього кольору [ферум гексаціано-(ІІІ)ферат – турнбулеву синь]:

3FeSO₄ + 2 K₃[Fe(CN)₆]  Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 3K₂SO₄.

Осад нерозчинний у хлоридній кислоті, але розкладається з утворенням ферум(ІІ) гідроксиду. Тому реакцію проводять у нейтральному чи слабко кислому середовищах.

Реакція ферум(ІІІ)-іона.

Калій гексаціано-(ІІ)ферат K₄[Fe(CN)₆] дає з ферум(ІІІ)-іоном Fe³⁺ синій осад [ферум гексаціано-(ІІ)ферат – берлінська лазур]:

3K₄[Fe(CN)₆] + 4 FeCl₃  Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl.

Біологічна роль Феруму. Серед усіх важких металів, що знаходяться в живих організмах, Феруму належить головна роль. Органічні молекули, до складу яких входить Ферум, беруть активну участь у біохімічних процесах, що відбуваються в процесі дихання і фотосинтезу. Це пояснюється над-звичайно високим ступенем їх каталітичної активності. За підрахунками, каталітична дія 1 мг заліза у складі ферменту каталази відповідає каталі-тичній дії 10 т неорганічного заліза.

Основу реакцій, які відбуваються в процесі дихання рослин, так як і при фотосинтезі, складають окисно-відновні процеси. Для того щоб орга-нізм зміг використати енергію, акумульовану в органічних речовинах, во-ни повинні бути окиснені киснем повітря. Цей процес здійснюється за допомогою ферумвмісних ферментів.

В організмі тварин і людини, як і в рослинах, Ферум буває тільки в двох ступенях окиснення – Fe²⁺ і Fe³⁺. Головним чином він входить до складу гемоглобіну, який міститься в еритроцитах. Крім того, в організмі Ферум знаходиться у вигляді високомолекулярного ферумвмісного білка феритину, що міститься у печінці та селезінці.

Іони Fe²⁺ у складі гемоглобіну зв’язують молекулярний кисень і пере-носять до тканин. Причому ступінь окиснення Феруму при цьому не змі-нюється. Гемоглобін не тільки переносить кисень, але й зв’язує також молекули вуглекислого газу і переносить їх знову у легені.

На відміну від гемоглобіну, ферумвмісні ферменти каталаза і перокси- даза містять Ферум у ступені окиснення +3. Каталаза в живих організмах є захисним ферментом, який зберігає клітини і тканини від шкідливої дії H₂O₂. Пероксидаза каталізує окиснення гідроген пероксидом різних орга-нічних сполук.

При недостачі Феруму в організмі розвивається захворювання – анемія за рахунок зменшення кількості еритроцитів у гемоглобіні. Надлишкова кількість Феруму може призвести до порушення діяльності серцево-судин-ної системи, печінки, легень.