Кислородные соединения железа

Железо

Общие свойства триад.

Побочная подгруппа VIII группы

Применение.

1. Наполнение баллонов ламп накаливания (кроме гелия).

2. Наполнение газосветных трубок (гелий - розовое свечение, неон - красное, аргон - синее).

3. Для проведения различных процессов в инертной атмосфере.

4. Гелий в смеси с кислородом используется в качестве дыхательных смесей при глубоководных работах.

5. Фториды и оксиды ксенона могут быть использованы в качестве сильных окислителей, окисляющих даже платину.

6. Оксид ксенона может быть использован в качестве взрывчатого вещества.

Побочная подгруппа состоит из так называемых триад: триада железа (железо, кобальт, никель) и две триады платиновых металлов (рутений, родий, палладий и осмий, иридий, платина).

1. Все элементы имеют переменную валентность. Элементы триады железа могут иметь степени окисления в своих соединениях +2, +3, +6, причем для Co и Ni наиболее характерна степень окисления +2. Для платиновых металлов известны степени окисления от +2 до +8.

2. Все элементы данной подгруппы - очень хорошие комплексообразователи. Являются катализаторами различных химических процессов.

3. Элементы триады железа обладают магнитными свойствами и более высокой химической активностью по сравнению с платиновыми металлами.

4. Платиновые металлы в природе встречаются в самородном состоянии. Железо, кобальт, никель - только в рудах.

5. По свойствам элементы триады железа сходны между собой (горизонтальная аналогия). Для платиновых металлов сходство наблюдается как в пределах триад (горизонтальная аналогия), так и в парах Ru - Os, Rh - Ir и Pd - Pt (вертикальная аналогия).

Наиболее распространенным элементом побочной подгруппы VIII группы является железо – основа металлургической промышленности. В природе встречается в виде магнетита (Fe₃O₄), красного железняка (Fe₂O₃), бурого железняка (FeO^.xH₂O), сидерита (FeCO₃), пирита (FeS₂).

Эти руды содержат до 40% железа, которое извлекается из них в доменном процессе. Домна - это агрегат непрерывного действия, куда сверху послойно загружают руду, кокс (специально подготовленный уголь, в качестве восстановителя) и флюс (для связывания примесей). В качестве флюсов используются MgCO₃ ^. CaCO₃, CaF₂, CaCO₃. Доменную печь условно можно разбить на несколько зон (по вертикали снизу вверх), где происходят различные процессы:

I зона (t = 200^оС) – обезвоживание шихты;

II зона (t = 450 – 500^оC) – восстановление Fe₂O₃ до Fe₃O₄ оксидом углерода (II):

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂;

III зона (t = 600^оС) – восстановление Fe₃O₄ до FeO:

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂

IV зона (t = 700 – 800^оС) – восстановление FeO до металла:

FeO + CO = Fe + CO₂

V зона (t = 800 – 1000^оС) – разложение флюса:

CaCO₃ = CaO + CO₂

VI зона (t = 1200^оС) – образование шлака:

CaO + SiO₂ = CaSiO₃,

3CaO + P₂O₅ = Ca₃(PO₄)₂,

CaO + FeS = CaS + FeO

VII зона (t = 1300^oC) – образование чугуна - сплава железа, углерода и карбида железа Fe₃C, который образуется за счет взаимодействия железа с растворенным в нем углеродом:

3Fe + C → Fe₃C

Наряду с углеродом и Fe₃C, чугун имеет другие постоянные примеси: кремний, марганец, фосфор, серу. Основное его использование: в качестве литья и для переплавки в сталь (удаление из чугуна примесей, которые придают ему хрупкость). Выплавка стали заключается в продувке через расплавленный чугун кислорода, который окисляет примеси (кремний, марганец, фосфор, серу) до оксидов. Оксиды примесей, взаимодействуя с флюсом переходят в шлак.

Химические свойства

1. Характерная степень окисления +3. Соединения со степенью окисления +2 восстановители средней силы. Железо при нагревании взаимодействует практически со всеми неметаллами (кроме азота):

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃;

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃;

Fe + S = FeS

2. Под действием воды и кислорода образуется гидроксид железа:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃

3. Легко идут реакции с разбавленными кислотами:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ ↑

Fe + 4HNO_3(разб) = Fe(NO₃)₃ + NO ↑ + 2H₂O

Концентрированные HNO₃ и холодная H₂SO₄ пассивируют железо. Горячая серная кислота растворяет железо:

2Fe + 6H₂SO_4(конц) = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ ↑ + 6H₂O

а) FeO – получается косвенным путем:

Fe₂O₃ + CO = 2FeO + CO₂ ↑,

FeO – основный оксид, которому соответствует гидроксид Fe(OH)₂. Fe(OH)₂ – соединение зеленого цвета, слабое основание, легко окисляется на воздухе:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Соли Fe⁺² неустойчивы в окислительных средах (воздух и т.п.), т.к. являются неплохими восстановителями:

4FeSO₄ + O₂ + 2H₂O = 4FeOHSO₄

10FeSO₄+2KMnO₄ + 8H₂SO₄ = 5Fe₂(SO₄)₃ +2MnSO₄+K₂SO₄+8H₂O

Более устойчивы двойные соли, например соль Мора: (NH₄)₂SO₄^.FeSO₄^.24H₂O.

б) Fe₂O₃ получается прямым окислением кислородом. Fe₂O₃ проявляет амфотерные свойства:

Fe₂O₃ + 6HCl = 2FeCl₃ + 3H₂O

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaFeO₂ + CO₂ (сплавление)

NaFeO₂ (феррит натрия) – соль несуществующей железистой кислоты, в воде полностью гидролизуется:

2NaFeO₂ + H₂O = Fe₂O₃ + 2NaOH

Можно получить железо и в более высокой степени окисления +6 при сплавлении с окислителем и щелочью:

Fe₂O₃ + 3KNO₃ + 4NaOH = 2Na₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O

Na₂FeO₄ (феррат натрия) – соль неполученной железной кислоты. Сильнейший окислитель, при взаимодействии с водой даже вытесняет кислород:

4Na₂FeO₄ + 10H₂O = 4Fe(OH)₃ + 8NaOH + 3O₂

В виде порошка Fe₂O₃ используется как краска (железный сурик, мумия, охра). Входит в состав термитной смеси (2Al+Fe₂O₃), которая применяется для сварки рельс, стальных и чугунных станин и т.д., а также для начинки термитных авиабомб и снарядов. В ходе восстановления железа алюминием освобождается большое количество энергии и температура в зоне реакции достигает 3000^оС:

2Al + Fe₂O₃ = Al₂O₃ + 2Fe + 847,3 кДж/моль

Гидроксид железа (III) Fe(OH)₃ в виде хлопьевидного бурого осадка получается под действием щелочей или карбонатов щелочных металлов на растворы солей трехвалентного железа:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ ↓ + 3NaCl

3Na₂CO₃ + 2FeCl₃ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃ ↓ + 6NaCl + 3CO₂↑

Fe(OH)₃ обладает амфотерными свойствами.

в) Оксид Fe₃O₄ (или FeO ^. Fe₂O₃) в лабораторных условиях может быть получен нагреванием железа на воздухе или окислением его водяным паром. Fe₃O₄ также образуется при ковке железа. Fe₃O₄ - вещество синевато-черного цвета, ферромагнетик, проводит электрический ток. Кислород и хлор на него не действуют даже при нагревании. В сильных кислотах Fe₃O₄ растворяется при нагревании, причем сначала растворяется оксид железа (II) FeO, а затем оксид железа (III) Fe₂O₃.

5. С оксидом углерода (II) железо образует комплексы, называемые карбонилами. Пентакарбонилжелезо [Fe(CO)₅] получают взаимодействием мелкораздробленного железа с СО при нагревании и повышенном давлении. При комнатной температуре [Fe(CO)₅] – жидкость желтоватого цвета. На свету пентакарбонилжелезо разлагается по уравнению:

2[Fe(CO)₅] = [Fe₂(CO)₉] + CO

В темноте [Fe₂(CO)₉] снова переходит в [Fe(CO)₅].

Тетракарбонилжелезо [Fe(CO)₄]₃, получается при нагревании железа в толуоле в атмосфере СО. Это кристаллическое вещество зеленого цвета, при нагревании выше 150^oC разлагается на железо и оксид углерода, что используется для получения химически чистого железа.

Карбонилы железа представляют собой комплексные соединения, в которых связь между атомами металла и углерода осуществляется за счет пары электронов последнего. Молекулы карбонилов диамагнитны, неполярны.

6. Из других комплексных соединений железа наиболее важными являются: K₄[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль) и K₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль). Эти соединения являются индикаторами на ионы Fe⁺² и Fe⁺³:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl

Fe₄[Fe(CN)₆]₃ – темно-синий осадок, называемый “берлинской лазурью”.

3FeCl₂ + 2K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 6KCl

Fe₃[Fe(CN)₆]₂ – темно-синий осадок, называемый “турнбулевой синью”.

При действии концентрированной соляной кислоты на K₄[Fe(CN)₆] образуются кристаллы железистосинеродистой кислоты H₄[Fe(CN)₆], которая дает соли почти со всеми металлами. Аналогично можно получить железосинеродистую кислоту H₃[Fe(CN)₆].

Дата добавления: 2014-12-16