ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА (ЖЕЛЕЗО, КОБАЛЬТ, НИКЕЛЬ)

Цельработы

Изучение и сравнение химических свойств железа, кобальта и никеля при взаимодействии с кислотами и щелочами, их способности к комплексообразованию. Качественные реакции на ионы железа.

Краткиетеоретическиесведения

Наиболее характерные степени окисления для атомов элементов железа, кобальта и никеля +2 и +3 приведены ниже:

Атом элемента	55,826 Fe	58,927 Co	58,728 Ni
Распределение валентных электронов	3d64s2	3d74s2	3d84s2
по подуровням
Валентность	II, III	II, III	II, III
Плотность, г/см3	7,88	8,83	8,91
Твердость по шкале Мооса	4-5	5,5	5
Температура плавления, °С	1536	1492	1455
Цвет в компактном состоянии		Серебристо-серый

В отличие от кобальта и никеля наиболее устойчивы содиненияFe (III). Железо в виде простого вещества представляет собой серебристосерый металл с синеватым отливом. Оно достаточно хорошо поддается механической обработке, проводит тепло и электричество, обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Железо входит в состав многочисленных

сплавов, применяющихся во всех отраслях промышленности.

В сухом воздухе железо устойчиво, но в присутствии влаги превращается в Fe2O3 · nH2O – ржавчину, пористую, рыхлую, гигроскопичную пленку, которая способствует его дальнейшему разрушению:

2Fe + 1,5O2 + nH2O = Fe2O3· nH2O

Поскольку стандартный электродный потенциал системы отрицатель-

0

ный ÅFå/Få2+ = –0,44 В, поэтому железо относится к легко окисляемым металлам. Под действием разбавленных неорганических кислот (HCl, H2SO4 и др.) оно превращается в соответствующие соли железа (II) с выделением водорода:

Fe + 2HCl = FeCl2 + Н2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + Н2

Химия. Лаб. практикум

-166-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Краткие теоретические сведения

Разбавленная азотная кислота, взятая в избытке, взаимодействует с железом в соответствии с уравнением:

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O

Под действием сильно концентрированных кислот H2SO4, HNO3, H2CrO4 железо пассивируется вследствие формирования плотной, пластичной защитной пленки переменного состава на поверхности металла.

Гидроксид железа Fe(OH)2 – хлопьевидный желтовато-белый осадок, это продукт взаимодействия солей железа (II) со щелочами без доступа воздуха:

Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2↓

Гидроксид железа(II) в щелочной среде легко окисляется до Fe(OH)3. В кислой среде переход из Fe (II) в Fe (III) возможен при действии сильных окислителей (KMnO4, K2Cr2O7 и др.)

В присутствии воздуха Fe(OH)2 переходит в коричнево-зеленый осадок Fe(OH)2·Fе(OH)3, который постепенно превращается в красноватокоричневый гидроксид железа (III):

8Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)2·Fe(OH)3↓

4Fe(OH)2·Fe(OH)3 + O2 + 2H2O = 8Fe(OH)3↓

Для железа известно достаточно много комплексных соединений, как например: K4[Fe(CN)6] – гексацианоферрат(II) калия; Fe4[Fe(CN)6]3 – берлинская лазурь и др.

Железо имеет особое значение для организма человека и животных, поскольку является катализатором процесса дыхания. Оно входит в состав молекулы гемоглобина, который разносит с кровью кислород по всему организму.

Кобальт в компактном состоянии внешне похож на железо, но более плотный и твердый. Хрупкость выше, чем у железа, поэтому плохо поддается ковке, обладает ферромагнитными свойствами.

При обычной температуре металлический кобальт (Å0Co / Co2+ = – 0,277 B)

устойчив к действию влажного воздуха, воды, сильных щелочей и разбавленных растворов органических кислот. Он медленно растворяется в разбавленных растворах HCl и H2SO4 и быстро – в разбавленной азотной кислоте:

Co + 2HCl + nH2O → CoCl2·nH2O + H2↑

Co + H2SO4 + nH2O → CoSO4·nH2O + H2↑

8Co + 20HNO3 + (n – 10)H2O → 8Co(NO3)2·nH2O + 2NO↑ + N2↑

Химия. Лаб. практикум

-167-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Краткие теоретические сведения

Под действием концентрированной азотной кислоты на холоде кобальт пассивируется.

Металлический кобальт используют в больших количествах при получении твердых сталей (устойчивых к истиранию и действию химических реагентов), быстрорежущих сталей (для резцов, сверл и др.), сверхтвердых металлокерамических сплавов, кислотостойких и огнеупорных сплавов (до температуры 900 °С). Кобальт применяют для защиты других металлов от коррозии, поскольку он очень устойчив к действию кислорода воздуха и во-

ды. Радиоактивный изотоп 60 Co применяют в медицине.

27

Водный раствор дихлорида кобальта CoCl2 применяется в метеорологии для изготовления индикаторной бумаги, которая служит для определения степени атмосферной влажности, поскольку в сухом воздухе эта бумага имеет синий цвет (содержит ион [CoCl4]2–), а во влажном – розовый (образуется ион [Co(H2O)6]2+):

[Co(ОН)6]2+ + 4Cl– ' [CoCl4]2– + 6H2O

Розовый Синий

В небольших дозах кобальт не токсичен для человека, животных или растений. Кобальт относится к олигоэлементам, эти элементы необходимы для жизнедеятельности человека и животных.

Никель – металл блестящего серебристо-серого цвета (после полировки появляется красивый металлический блеск). Это тяжелый металл, он ковок, тягуч, имеет относительно низкую тепло- и электропроводность, ферромагнитен.

Металлический никель химически менее активен по сравнению с железом и кобальтом, несмотря на близкие значения величин окислительно-

восстановительных потенциалов ( Å0Ni / Ni2+ = –0,25 В). Например, никель не

корродирует в воде и на воздухе.

Разбавленные кислоты HCl, H2SO4, HNO3 при нагревании медленно растворяют металлический никель. Чем более разбавлен раствор кислоты, тем более высокая температура требуется для растворения.

В концентрированной HNO3 никель пассивируется при 15 °С, а при 72 °С – энергично растворяется.

Гидроксид никеля Ni(OH)2 получают в виде объемистого зеленого осадка при взаимодействии солей никеля(II) со щелочами:

NiCl2 + 2NaOH = Ni(OH)2↓ + 2NaCl

Гидроксид никеля плохо растворим в воде и концентрированных растворах щелочей, обладает основными свойствами, растворяется в кислотах, а также в водном растворе аммиака NH4OH с образованием синих растворов комплексных соединений, содержащих катион [Ni(NH3)6]2+:

Химия. Лаб. практикум

-168-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Краткие теоретические сведения

Ni(OH)2↓ + 6NH4OH = [Ni(NH3)6](OH)2 + 6H2O

Ni(OH)2↓ + 2NH4Cl + 4NH4OH = [Ni(NH3)6]Cl2 + 6H2O

В отличие от Fe(OH)2 и Co(OH)2, гидроксид никеля (II) (в нейтральных и щелочных средах) устойчив на воздухе и окисляется только энергичными окислителями (например, хлорной или бромной водой):

2Ni(OH)2↓ + Cl2 + 2NaOH = Ni2O3·H2O↓ + 2NaCl + 2H2O

Никель относится к металлам, которые пользуются большим спросом, однако его применение ограничено, поскольку это один из наиболее дорогих технических металлов. Из него изготавливают антикоррозионные покрытия (никелирование). Много никеля идет на получение сплавов, имеющих исключительно большое значение в технике (кислотоупорные сплавы, сплавы для зубных протезов, монетные сплавы и др.).

Для человека, животных и растений металлический никель не токсичен.

Экспериментальнаячасть

Опыт 1 Взаимодействиежелезаскислотами

Налейте в четыре пробирки по 5 капель кислот: 2 н. HCl, 2 н. H2SO4, концентрированной H2SO4 (ρ = 1,54 г/см3), 2 н. HNO3. В каждую пробирку внесите кусочек железной проволоки. Пробирку с концентрированной серной кислотой нагрейте. Затем добавьте во все растворы по капле 0,01 н. раствора роданида калия или аммония, которые образуют с ионами железа (III) соль Fe(CNS)3, интенсивно окрашенную в красный цвет. В каких пробирках образовались ионы Fe3+? Чем объясняется образование ионов железа различной степени окисления при взаимодействии железа с кислотами разной концентрации? Напишите соответствующие уравнения реакций и укажите в каждом случае окислитель.

Опыт 2 Получениедигидроксидовжелеза, кобальта, никеля

иисследованиеихсвойств

А. Получение дигидроксида железа и его окисление кислородом возду-

ха. В солях железа (II) вследствие частичного окисления на воздухе всегда присутствуют в небольшом количестве ионы железа (III). Поэтому для изучения свойств железа (II) следует брать кристаллическую двойную соль (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O (соль Мора), сульфат аммония стабилизирует Fe (II). Соль Мора в растворе полностью диссоциирует, поэтому в уравнениях реакций можно записывать формулу только сульфата двухвалентного железа.

Химия. Лаб. практикум

-169-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Экспериментальная часть

Поместите в пробирку 3 капли 2 н. раствора соли Мора и добавляйте по каплям 2 н. раствор щелочи до выпадения зеленоватого осадка частично окислившегося дигидроксида железа. Перенесите часть осадка в другую пробирку и проверьте, взаимодействует ли он с 2 н. соляной кислотой. Остальной осадок перемешайте стеклянной палочкой и наблюдайте по истечении некоторого времени побурение вследствие образования тригидроксида железа. Напишите уравнения реакций образования дигидроксида железа и его окисления в тригидроксид под действием кислорода воздуха и воды.

Б. Получение дигидроксида кобальта и его окисление. Внесите в две пробирки по 2-3 капли раствора соли кобальта (II) CoSO4 и добавьте по каплям раствор гидроксида натрия. Вначале появляется синий осадок основной соли кобальта (CoОН)2SO4, который затем меняет цвет на розовый, вследствие образования дигидроксида кобальта. Напишите уравнения реакций образования дигидроксида кобальта по стадиям.

В одной пробирке размешайте осадок стеклянной палочкой для обеспечения лучшего соприкосновения Co(OH)2 с кислородом воздуха, в другую добавьте 2-3 капли 3 %-го раствора пероксида водорода. В каком случае происходит окисление дигидроксида кобальта? Какой ион является более энергичным восстановителем: Fe2+ или Co2+?

В. Получение дигидроксида никеля и его окисление. Внесите в три про-

бирки по 2-3 капли 1 н. раствора соли никеля (II) NiSO4 и добавьте по каплям 1 н. раствор NaOH до выпадения осадка дигидроксида никеля. В первой пробирке перемешайте осадок стеклянной палочкой, во вторую добавьте 2-3 капли 3 %-го раствора пероксида водорода, в третью – одну каплю бромной воды. В каком случае наблюдается окисление и связанное с ним изменение цвета осадка? Напишите уравнение реакции окисления дигидроксида никеля в тригидроксид. Сравните восстановительные свойства ионов Fe2+, Co2+, Ni2+.

Опыт 3 Восстановительныесвойстважелеза(II)

А. Восстановление перманганата калия. Поместите в пробирку 5 ка-

пель 2 н. раствора перманганата калия и 2 капли 2 н. раствора серной кислоты. Внесите в раствор один микрошпатель соли Мора. Обесцвечивание раствора происходит вследствие восстановления фиолетового иона MnO4– до практически бесцветного в кислой среде иона марганца (II). Напишите уравнение реакции.

Б. Восстановление пероксида водорода. Приготовьте в двух пробир-

ках раствор соли Мора. В одну пробирку добавьте 3 капли 2 н. раствора серной кислоты и 3 капли 3 %-го раствора пероксида водорода H2O2, а затем в обе пробирки по одной капле 0,01 н. раствора роданида калия (или аммония). В какой пробирке обнаруживаются ионы железа (III)? Восстановите пероксид водорода солью Мора в щелочной среде. Напишите уравнения обеих окислительно-восстановительных реакций.

Химия. Лаб. практикум

-170-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Экспериментальная часть

Опыт 4 Окислительныесвойстважелеза(III)

А. Окисление йодида калия. В пробирку с тремя каплями раствора FeCl3 добавьте 1-2 капли раствора йодида калия. Как окрашивается раствор? Напишите уравнения реакций. Составьте уравнения электронного баланса, укажите окислитель и восстановитель.

Б. Окисление цинка. В пробирку с 0,5 мл 15 %-го раствора FeCl3 внесите кусочек цинка. На основании наблюдений результатов опыта и используя величины потенциалов возможных окислительно-восстановительных процессов, напишите уравнения реакций.

Опыт 5 Исследованиепрочностицианистыхкомплексов

железа(II) ижелеза(III)

Поместите в две пробирки по 3-4 капли раствора гексацианоферрата(II) калия K4[Fe(CN)6], в одну добавьте две капли раствора сульфида аммония (NH4)2S, в другую – две капли 2 н. раствора щелочи. Выпадают ли осадки сульфида и гидроксида железа (II)?

Тот же опыт проделайте с раствором гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6]. Выпадают ли осадки сульфида и гидроксида железа (III)? На ос-

новании результатов опыта сделайте вывод о прочности комплексных ионов

[Fe(CN)6]4– и [Fe(CN)6]3–?

Напишите уравнения диссоциации комплексных солей железа, комплексных ионов и выражения для констант нестойкости.

Опыт 6 ГидратацияионаCo2+

Налейте в две пробирки по 5-6 капель насыщенного раствора соли кобальта (II) CoCl2. В первую пробирку внесите две капли концентрированной соляной кислоты (ρ = 1,19 г/см3), во вторую – маленький кусочек хлорида кальция, предварительно прокаленного на асбестовой сетке. Как изменяется окраска растворов?

Поместите в третью пробирку один микрошпатель соли кобальта(II) и 3-4 капли этилового спирта. Отметьте окраску и разбавьте полученный раствор, добавляя воду. Как изменяется окраска раствора при разбавлении?

Опыт 7 Комплексныесоединениякобальтаиникеля

А. Получение аммиачного комплекса кобальта (хлорида гексамминко-

бальта (II)). Внесите в пробирку 3-4 капли 2 н. раствора соли кобальта и добавляйте по каплям 25 %-й раствор гидроксида аммония. Вначале выпадает

Химия. Лаб. практикум

-171-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Экспериментальная часть

осадок дигидроксида кобальта. Затем осадок растворится вследствие образования комплексного основания кобальта [Co(NH3)6](OH)2.

Полученный раствор разлейте в две пробирки. В одной из них тщательно перемешайте раствор стеклянной палочкой и наблюдайте за изменением окраски вследствие окисления полученного комплексного соединения кобальта (II) в комплексное соединение кобальта (III) (координационное число остается равным 6). Добавьте две капли 0,5 н. раствора сульфида аммония. Почему выпадает осадок? Во вторую пробирку добавьте 2-3 капли 3 %-го раствора пероксида водорода. Почему изменяется окраска?

Напишите уравнения реакций: а) образования комплексного соединения двухвалентного кобальта; б) его окисления кислородом воздуха и пероксидом водорода в аммиачный комплекс трехвалентного кобальта; в) диссоциации комплексных соединений; г) диссоциации комплексных ионов и выражения констант их нестойкости. (Какой комплексный ион прочнее: [Co(NH3)6]2+ или [Co(NH3)6]3+ и почему?).

В. Получение аммиачного комплекса никеля (хлорида гексамминни-

келя (II)). Растворите один микрошпатель хлорида никеля в пяти каплях воды. Добавьте по каплям раствор 2 н. щелочи до выпадения осадка и затем пять капель 25 %-го раствора гидроксида аммония до растворения осадка. Подействуйте на полученный раствор раствором сульфида аммония. Каков состав выпадающего осадка? Напишите уравнения протекающих при этом реакций.

Примерырешениятиповыхзадач

П р и м е р 1. Как получить берлинскую лазурь Fe4[Fe(CN)6]3, имея в качестве исходных веществ сульфат железа (II), азотную кислоту и цианид калия? Напишите молекулярные и ионные уравнения реакций.

Р е ш е н и е. Делим раствор сульфата железа (II) FeSO4 на две части. К первойчастиприливаемрастворHNO3 дляокисленияжелеза(II) дожелеза(III):

3FeSO4 + 4HNO3 = 3Fe(NO3)SO4 + NO↑ + 2H2O

3Fe2+ + 4NO −3 = 3Fe3+ + NO↑ +2H2O

Ко второй части раствора FeSO4 приливаем избыток цианида калия для получения комплексной соли:

FeSO4 + 6KCN = K4[Fe(CN)6] + K2SO4

Fe2+ + 6CN– = [Fe(CN)6]4–

Смешав оба раствора прореагировавших веществ, получим синий осадок берлинской лазури:

4Fe(NO3)SO4 + 3K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3↓ + 4KNO3 + 4K2SO4

Химия. Лаб. практикум

-172-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18. ТЯЖЕЛЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МЕТАЛЛЫ ПОДГРУППЫ ЖЕЛЕЗА

Примеры решения типовых задач

4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4– = Fe4[Fe(CN)6]3↓

П р и м е р 2. Составьте молекулярные и ионные уравнения реакций, которые необходимо выполнить для осуществления следующих превращений:

Co(OH)2 → Co(OH)3 → CoCl2 → Co(OH)Cl

Р е ш е н и е. Вначале окислим гидроксид кобальта (II) в гидроксид кобальта(III) сильным окислителем гипохлоритом натрия NaClO:

2Co(OH)2↓ + NaClO + H2O = 2Co(OH)3↓ + NaCl

2Co(OH)2↓ + ClO– + H2O = 2Co(OH)3↓ + Cl–

При действии кислот на Сo(OH)3 получаются соли кобальта (II), как более устойчивые, а не кобальта (III):

2Co(OH)3↓ + 6HCl = 2CoCl2 + Cl2↑ + 6H2O

2Co(OH)3↓ + 6H+ + 6Cl– = 2Co2+ + Cl2↑ + 6H2O

Чтобы получить основную соль Co(OH)Cl, необходимо к хлориду кобальта (II) добавить щелочь в эквивалентном количестве:

CoCl2 + NaOH = Co(OH)Cl↓ + NaCl

Co2+ + Cl– + OH– = Co(OH)Cl↓

Контрольныевопросыизадачи

1.Напишите электронные формулы атомов железа, кобальта и никеля. Какой из ионов Fe2+, Co2+ или Ni2+ является более сильным восстановителем? Приведите примеры реакций, в которых проявляется это различие.

2.Как получить из металлического железа соль железа (II), соль железа(III)? Напишите уравнения реакций.

3.Напишите уравнения реакций, при помощи которых можно различить в растворе ионы Fe2+ и Fe3+.

4.Как перевести соль железа (II) в соль железа (III)? Как осуществить обратный переход?

5.Напишите уравнение реакции между гидроксидом кобальта (III) и концентрированной соляной кислотой.

6.Какая из комплексных солей более устойчива: [Co(NH3)6]Cl2 или [Co(NH3)6]Cl3? Почему? Проверьте, совпадает ли ответ со значениями констант нестойкости данных комплексных ионов.

7.Составьте уравнения реакций для превращения сульфата никеля (II)

вгидроксид Ni(OH)2 и его переход в аммиачный комплекс [Ni(NH3)6](OH)2.

Химия. Лаб. практикум

-173-