Конспект по теме "Железо"

Железо и его соединения.

 Нахождение в природе

Это самый распространенный из всех d-элементов металл в земной коре (четвертое место среди всех элементов): его молярная доля в земной коре составляет 5,1%. В свободном состоянии железо обнаружено только в метеоритах. Известно около 300 минералов, содержащих этот металл. Основными минералами являются магнитный железняк (магнетит) Fe3O4, красный железняк (гематит) Fe2O3, бурый железняк (лимонит) Fe2O3·nH2O, сидерит FeCO3 и пирит (железный, или серный, колчедан) FeS2.

Физические свойства

Чистое железо — серебристо-белый металл с плотностью 7,9 г/см3 , температура плавления 1537°С. Высокой тепло- и электропроводностью железо не отличается (в шесть раз меньше, чем у меди), зато обладает высокой пластичностью. Железо является феррмагнентиком, т. е. после намагчивания сохраняет свои магнитные свойства и поэтому может использоваться для изготовления постоянных магнитов. Однако, при нагревании до температуры 7690С феррмагнитные свойства исчезают, и железо становится парамагнетиком. Температура, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называется точкой Кюри.  Железо может существовать в виде нескольких кристаллических модификаций. При обычной температуре существует α-железо, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку и являющееся ферромагнетиком. При температуре выше 7690С оно превращается в β- железо, имеющее такой же тип структуры, но проявляющее парамагнитные свойства. При температуре выше 9110С образуется γ-железо, имеющее кубическую гранецентрированную решетку, и выше 13900С образуется новая модификация δ-железа, имеющее кубическую объемно-центрированную решетку.

Химические свойства

1.      Железо активно реагирует с хлором, а при нагревании и с другими неметаллами – йодом, серой, углеродом. При этом активные окислители окисляют железо до +3, а менее активные до +2: 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Fe + I2 = FeI2

Fe + S = FeS

3Fe + C = Fe3C (карбид железа, цементит)

В водных растворах железо проявляет себя как металл средней активности.

В отсутствие других окислителей (кислород, оксид серы(IV)) железо при комнатной температуре с водой не реагирует. Однако реакция бурно протекает при действии перегретого водяного пара на раскаленное железо (свыше 600 °С):

 3Fe + 4Н2О = Fe3O4 + 4Н2

Данная реакция лежит в основе железо-парового способа получения водорода. Очень важным для практики является окисление железа во влажном воздухе. Ионы Fe2+ и OH- встречаются друг с другом и образуют осадок Fe(OH)2. В дальнейшем этот осадок окисляется кислородом, превращаясь в Fe(OH)3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3 В результате образуется буро-красный осадок Fe2O3·mH2O, называемый ржавчиной.

2.      Железо легко реагирует с разбавленными кислотами. При ограниченном доступе кислорода при действии разбавленных кислот, в которых окислителем является катион водорода H+, образуются соли железа (II), например: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

3.       При действии разбавленной азотной кислоты железо окисляется до степени окисления +3: Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O В очень сильных окислительных средах (концентрированные азотная и серная кислоты) при комнатной температуре происходит пассивация железа. Однако при нагревании взаимодействие все-таки возможно 2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O 4. Железо способно вступать еще во многие интересные и практически важные реакции, например образовывать (в степени окисления О) нейтральный комплекс пентакарбонилжелезо:

800 °С Fe + 5CO = [Fe(CO)5]

Соединения железа

 Железо может проявлять в соединениях степени окисления +2, +3 и +6. Соединения железа (II). Оксид железа (II) — черный порошок, пирофорен (в мелкораздробленном состоянии способен самовоспламеняться). Ввиду того, что довольно трудно «поймать и зафиксировать» соединения железа в степени окисления +2, получить FeO не удается ни окислением железа, ни разложением соответствующего ему гидроксида Fe(OH)2. Получают оксид железа (II) разложением оксалата (соли щавелевой кислоты) или восстановлением оксида железа (III): FeC2O4•2Н2О t FeO + СО2 + СО + 2Н2О Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2 Оксид железа (II) проявляет основные свойства, не взаимодействует с водой, но легко реагирует с кислотами: FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O

Проявляет восстановительные свойства: 3FeO + 10HNO3 = 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O Гидроксид железа (II) можно получить обменной реакцией между растворимой в воде солью железа (II) и щелочью: FeSO4+ 2NaOH = Fe(OH)2+ Na2SO4 Свежеприготовленный осадок имеет серовато-зеленоватую окраску, но быстро темнеет вследствие окисления (см. выше). Проявляет слабые амфотерные свойства с преобладанием основных Fe(OH)2+2HBr = FeBr2 + 2H2O Fe(OH)2+2NaOH(конц) t Na2[Fe(OH)4] тетрагидроксоферрат (II) натрия

Соли железа (II) в водных растворах неустойчивы. В присутствии окислителей они медленно окисляются, образуя соли железа +3: 2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl3

 Соединения железа (III).

Оксид железа(III) порошок красно-бурого цвета: 4FeS2 + 11О2 = 2Fe2O3 + 8SO2 Проявляет слабоамфотерные свойства. Хорошо растворяется в кислотах с образованием солей Fe3+: Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O Вместе с тем при сплавлении со щелочами или карбонатами щелочных металлов образует соли ферриты: Fe2O3 + 2NaOH = 2NaFeO2 + Н2О Fe2О3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2 При нагревании оксид железа (III) восстанавливается водородом или оксидом углерод (II). Гидроксид железа (III) получают добавлением щелочи к растворам солей железа (III). При этом образуется буро-коричневая желеобразная масса, которую принято называть гидроксидом железа (III) и обозначать формулой Fe(OH)3. На самом деле это соединение является полимерным, поэтому его состав правильнее выражать формулой mFe2O3·nH2O. При нагревании он переходит сначала в метагидроксид, а затем в оксид железа (III): Fe(OH)3 = FeO(OH) + Н2О и далее 2FeO(OH) = Fe2O3 + Н2О Для того чтобы уравнение реакции было не таким громоздким, допускается использовать формулу Fe(OH)3. Гидроксид железа (III) проявляет слабые амфотерные свойства. Растворяется в кислотах с образованием солей Fe3+ : 2Fe(OH)3+ 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O Слабо взаимодействуя с растворами щелочей, образует комплексные гидроксоферриты сложного состава; при сплавлении со щелочами легко образует ферриты. Соли железа (III) в растворах подвергаются гидролизу, поэтому их растворы окрашены в бурый цвет. Соли, образованные катионом Fe3+ и многозарядным анионом – остатком слабой кислоты в растворе полностью гидролизуются, образуя гидроксид: Fe2(CO3)3 + 3Н2О = 2Fe(OH)3↓+ 3CO2↑ Соли железа (III) в растворах сравнительно устойчивы, но при взаимодействии с достаточно активными восстановителями проявляют себя, как окислители, переходя в соли железа (II):

2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl Нельзя получить соли железа +3, содержащие анионы сильных восстановителей (I- ,S2- ). Они моментально превращаются в соответствующие соли железа +2: Fe2S3 = 2FeS + S Сульфат железа (III) способен к образованию двойной соли, называемой железоаммонийными квасцами (NH4)Fe(SO4)2·12Н2О.

Соединения железа +6. Оксид железа (VI) должен быть кислотным оксидом. Ему соответствует железная кислота H2FeO4. Однако, и оксид, и кислота неустойчивы и в свободном виде не получены. Устойчивы только соли железной кислоты – ферраты в сильно щелочной среде. Ферраты щелочных металлов можно получить окислением солей железа (III) сильными окислителями в сильно щелочной среде: 2FeCl3 + 3Br2 + 16KOH = 2K2FeO4 + 6KBr + 6KCl + Н2О Ферраты в растворе имеют пурпурно-красную окраску. Они являются очень сильными окислителями.

Комплексные соединения железа.

Обладая набором частично вакантных орбиталей, железо склонно к комплексообразованию. Наиболее типичное координационное число для ионов Fe2+ и Fe3+ равно 6. Даже в водных растворах обычных солей, например хлоридов, катион железа координационно связан с шестью молекулами воды в аквакомплекс [Fe(H2O)6] 3+ . Однако более распространены анионные комплексы железа. При нагревании хлоридов железа с концентрированными растворами цианида калия образуются гексацианоферраты калия с похожими формулами и названиями: FeCl2 + 6KCN= K4[Fe(CN)6] + 2KCl гексацианоферрат(II) калия, желтая кровяная соль FeCl3 + 6KCN = K3[Fe(CN)6] + 3KCI гексацианоферрат(III) калия, красная кровяная соль