Пособие-репетитор по химии занятие 23
10-й класс (первый год обучения)
Железо и его соединения
П л а н
1. Положение в таблице Д.И.Менделеева, строение атома.
2. Происхождение названия.
3. Физические свойства.
4. Химические свойства.
5. Нахождение в природе.
6. Основные методы получения.
7. Важнейшие соединения железа.
• Оксид и гидроксид железа(II), их свойства. • Оксид и гидроксид железа(III), их свойства. • Смешанный оксид железа и его свойства.
8. Качественные реакции на ионы двух- и трехвалентного железа.
Железо находится в побочной подгруппе VIII группы периодической системы Д.И.Менделеева. Элементы данной подгруппы образуют два семейства: семейство железа (железо, кобальт, никель) и семейство платиновых металлов. Железо относится к d-элементам; его электронная формула: 1s22s2p63s2p6d 64s2. Атом железа содержит восемь валентных электронов, что объясняет широкий спектр возможных степеней окисления в соединениях: +2, +3, +4, +5, +6 и +8, например:
Наиболее характерные степени окисления +2 и +3.
По электроотрицательности железо занимает промежуточное значение между типичными металлами и неметаллами. Проявляет амфотерные свойства, металлические (основные) доминируют над неметаллическими (кислотными). В соединениях чаще находится в виде катиона, но может входить в состав аниона (реже), например:
Fe(NO3)2, K2FeO3.
Латинское название железа (Ferrum) связано, вероятно, с греко-латинским fars («быть твердым»), которое происходит от санскритского «меч»*.
Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а
Серебристо-белый, пластичный, тугоплавкий металл, обладает хорошей электро- и теплопроводностью, является ферромагнетиком. Из-за большого числа валентных электронов металлическая связь в железе более прочная, чем в щелочных, щелочно-земельных металлах и в алюминии. Поэтому железо имеет более высокие температуры кипения и плавления по сравнению с этими металлами. Железо относится к группе тяжелых металлов (плотность 7,874 г/см3). Для железа известны две аллотропные модификации ( и ).
Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а
Чистое железо химически устойчиво на воздухе и в воде, но «обычное» железо содержит примеси и во влажной атмосфере быстро ржавеет.
Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, является металлом средней активности. Восстановительная способность железа увеличивается при нагревании; но при комнатной температуре железо не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом).
Н2 (–).
О2 (+):
4Fe + 3O2 2Fe2O3.
Металлы (–).
Неметаллы (+):
2Fe + 3Cl2 2FeCl3,
Fe + S FeS,
3Fe + C Fe3C,
3Fe + 2P Fe3P2.
Н2О (+/–)** в присутствии кислорода или при очень высокой температуре:
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3,
3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2.
Основные оксиды (–).
Кислотные оксиды (–).
Основания (+/–) только при нагревании с концентрированными растворами щелочей:
2Fe + 6NaOH (конц.) + 6H2O = 2Na3[Fe(OH)6] + 3H2.
Кислоты-неокислители (+):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2.
Соли (+/–):
Fe + CuSO4 = Cu + FeSO4,
Fe + NaCl реакция не идет.
Кислоты-окислители (+/–):
Fe + 6HNO3 (конц.) Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O,
Fe + 4HNO3 (р-р) Fe(NO3)3 + NO + 2H2O,
2Fe + 6H2SO4 (конц.) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
В п р и р о д е элемент железо представлен четырьмя изотопами с массовыми числами 54, 56, 57 и 58. По распространенности в природе железо является вторым среди металлов (после алюминия) и четвертым среди всех элементов. В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах. К наиболее важным природным соединениям железа относятся: бурый железняк (Fe2O3•3H2O), красный железняк (Fe2O3), магнитный железняк (Fe3O4), железный колчедан, или пирит (FeS2). Железо присутствует во всех живых организмах (входит в состав хлорофилла, гемоглобина, ферментов, витаминов).
О с н о в н ы е м е т о д ы п о л у ч е н и я
• Из оксида железа(III) восстановлением Н2:
• Восстановлением оксидных руд углеродом в доменных печах.
Практически все железо, получаемое в промышленности этим методом, содержит углерод, который существенно изменяет свойства железа: понижает температуру плавления, повышает твердость и хрупкость. В зависимости от содержания в железе углерода различают чугуны (> 2,06% углерода) истали (0,2% – 2,06% углерода).
Химизм доменного процесса:
а) получение восстановителя:
С + O2 CO2,
СO2 + C 2CO;
б) восстановление руды:
FeO + CO Fe + CO2;
в) науглероживание железа – растворение углерода в железе с образованием чугуна.
Основное количество чугуна перерабатывается в сталь. Выплавка стали проводится в конвертерных или мартеновских печах. Отрасль промышленности по производству чугуна, стали и других сплавов железа называется черной металлургией.
В а ж н е й ш и е с о е д и н е н и я ж е л е з а
Оксид железа(II) – FeO. Черное кристаллическое вещество, молекула имеет ионное строение. Проявляет основные свойства (хотя взаимодействует с расплавами щелочей, проявляя слабую амфотерность). Не взаимодействует с водой при обычных условиях, но в присутствии кислорода воздуха при слабом нагревании медленно реагирует с парами воды. Проявляет свойства слабого восстановителя. При нагревании разлагается, но при дальнейшем нагревании образуется снова. Взаимодействует с кислотами. Окисляется кислородом до смешанного оксида железа. Восстанавливается водородом, углеродом, угарным газом:
FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O,
6FeO + O2 2Fe3O4,
FeO + H2 Fe + H2O,
FeO + C Fe + CO,
FeO + CO Fe + CO2.
Получают FeO восстановлением смешанного оксида железа угарным газом или разложением соединений двухвалентного железа в инертной атмосфере:
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2,
Fe(OH)2 FeO + H2O,
FeCO3 FeO + CO2.
Гидроксид железа(II) – Fe(OH)2. Белый порошок (иногда с голубовато-зеленоватым оттенком), связи в молекуле ковалентные. Не растворяется в воде. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Проявляет основные свойства (может взаимодействовать с концентрированными растворами щелочей, показывая слабую амфотерность). Реагирует с растворами кислот:
Fe(OH)2 FeO + H2O,
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3,
Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O.
Образуется гидроксид железа(II) при взаимодействии растворов соли железа(II) и щелочи:
FeCl2 + 2NaOH = Fe(OH)2 + 2NaCl.
Оксид железа(III) – Fe2O3. Порошок красно-бурого цвета, молекула имеет ионное строение. Обладает слабыми амфотерными свойствами с преобладанием основных. Не реагирует с водой. Термически устойчив, при сильном нагревании превращается в смешанный оксид, а затем в оксид Fe(II). Термическая устойчивость оксидов железа повышается в ряду:
Fe2O3 Fe3O4 FeO.
Fe2O3 медленно реагирует с кислотами и щелочами, сплавляется с карбонатами. Восстанавливается до свободного металла или до других оксидов.
6Fe2O3 4Fe3O4 + O2,
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O,
Fe2O3 + 3CO2Fe + 3CO2,
Fe2O3 + CO2FeO + CO2.
Оксид железа(III) получают окислением пирита или термическим разложением гидроксида железа(III) и нитрата железа(III):
4FeS2 + 11O22Fe2O3 + 8SO2,
2Fe(OH)3Fe2O3 + 3H2O,
4Fe(NO3)32Fe2O3 + 12NO2 + 3O2.
Гидроксид железа(III) – Fe(OH)3. Вещество бурого цвета, выпадающее в осадок при взаимодействии растворов солей железа(III) и щелочи (или раствора аммиака).
FeCl3 + 3NH4OH = Fe(OH)3 + 3NH4Cl.
Проявляет амфотерные свойства с преобладанием основных. Разлагается при нагревании. Легко взаимодействует с кислотами. Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают при длительном нагревании, при этом образуются устойчивые гидроксокомплексы с координационными числами 4 и 6; возможно сплавление со щелочами, например:
2Fe(OH)3Fe2O3 + 3H2O,
Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O,
Fe(OH)3 + 3NaOH (конц.)Na[Fe(OH)4],
Fe(OH)3 + 3NaOH (конц.)Na3[Fe(OH)6],
Смешанный оксид железа – Fe3O4 (FeO•Fe2O3, железная окалина). Порошок черного цвета, молекула имеет ионное строение. Термически устойчив. Не взаимодействует с водой. Реагирует с кислотами, восстанавливается до низшего оксида или до свободного металла:
Fe3O4 + 8HCl = FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O,
Fe3O4 + 10HNO3 (конц.)3Fe(NO3)3 + NO2 + 5H2O,
Fe3O4 + CO3FeO + CO2,
Fe3O4 + 4CO3Fe + 4CO2.
Соединения, в состав которых входит ион железа в степени окисления +2, проявляют восстановительные свойства; соединения, содержащие ион железа в степени окисления +3, проявляют окислительные свойства, например:
К а ч е с т в е н н ы е р е а к ц и и
Качественной реакцией на к а т и о н ж е л е з а (+2) являются реакции:
а) с гексацианоферратом(III) калия (красной кровяной солью). О присутствии ионов двухвалентного железа судят по образованию темно-синего осадка т у р н б у л е в о й с и н и:
б) с раствором щелочей (образуется белый осадок, который на воздухе буреет):
FeCl2 + 2NaOH = Fe(OH)2 + 2NaCl,
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3.
Качественными реакциями на к а т и о н ж е л е з а (+3) являются реакции:
а) с гексацианоферратом(II) калия (желтой кровяной солью). Образуется темно-синий осадок б е р л и н с к о й л а з у р и:
б) с роданидом аммония; образуется роданид железа(III) кроваво-красного цвета:
FeCl3 + 3NH4CNS = Fe(CNS)3 + 3NH4Cl;
в) с растворами щелочей; образуется бурый осадок гидроксида железа(III):
FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl.
Соединения, которые н е о б х о д и м о з а п о м н и т ь: берлинская лазурь (Fe4[Fe(CN)6]3, железный колчедан (пирит) (FeS2), железный купорос (FeSO4•7H2O), желтая кровяная соль (K4[Fe(CN)6]), красная кровяная соль (K3[Fe(CN)6]), магнитный железняк (смешанный оксид железа) (Fe3O4).