ЕXAMCHEMISTRY

Готовимся к сдаче ЕГЭ по химии

В организме человека содержится около 5 г железа, большая часть его (70%) входит в состав гемоглобина крови.

Физические свойства

В свободном состоянии железо - серебристо-белый металл с сероватым оттенком. Чистое железо пластично, обладает ферромагнитными свойствами. На практике обычно используются сплавы железа - чугуны и стали.

Fe - самый главный и самый распространенный элемент из девяти d-металлов побочной подгруппы VIII группы. Вместе с кобальтом и никелем образует «семейство железа».

При образовании соединений с другими элементами чаще использует 2 или 3 электрона (В = II, III ).

Железо, как и почти все d-элементы VIII группы, не проявляет высшую валентность, равную номеру группы. Его максимальная валентность достигает VI и проявляется крайне редко.

Наиболее характерны соединения, в которых атомы Fe находятся в степенях окисления +2 и +3.

Способы получения железа

1. Техническое железо (в сплаве с углеродом и другими примесями) получают карботермическим восстановлением его природных соединений по схеме:

Восстановление происходит постепенно, в 3 стадии:

1) 3Fe₂O₃ + СО = 2Fe₃O₄ + СO₂

2) Fe₃O₄ + СО = 3FeO +СO₂

3) FeO + СО = Fe + СO₂

Образующийся в результате этого процесса чугун содержит более 2% углерода. В дальнейшем из чугуна получают стали - сплавы железа, содержащие менее 1,5 % углерода.

2. Очень чистое железо получают одним из способов:

а) разложение пентакарбонила Fe

Fe(CO)₅ = Fe + 5СО

б) восстановление водородом чистого FeO

FeO + Н₂ = Fe + Н₂O

в) электролиз водных растворов солей Fe⁺²

FeC₂O₄ = Fe + 2СO₂

оксалат железа (II)

Химические свойства

Fe - металл средней активности, проявляет общие свойства, характерные для металлов.

Уникальной особенностью является способность к «ржавлению» во влажном воздухе:

4Fe + 6Н₂O + 3O₂ = 4Fe(OH)₃

В отсутствие влаги с сухим воздухом железо начинает заметно реагировать лишь при Т > 150°С; при прокаливании образуется «железная окалина» Fe₃O₄:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

В воде в отсутствие кислорода железо не растворяется. При очень высокой температуре Fe реагирует с водяным паром, вытесняя из молекул воды водород:

3 Fe + 4Н₂O(г) = 4H₂

Процесс ржавления по своему механизму является электрохимической коррозией. Продукт ржавления представлен в упрощенном виде. На самом деле образуется рыхлый слой смеси оксидов и гидроксидов переменного состава. В отличие от пленки Аl₂О₃, этот слой не предохраняет железо от дальнейшего разрушения.

Виды коррозии

Защита железа от коррозии

1. Взаимодействие с галогенами и серой при высокой температуре.

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

2Fe + 3F₂ = 2FeF₃

2Fe + 3Br₂ = 2FeBr₃

Fe + I₂ = FeI₂

Fe + S = FeS

Образуются соединения, в которых преобладает ионный тип связи.

2. Взаимодействие с фосфором, углеродом, кремнием (c N₂ и Н₂ железо непосредственно не соединяется, но растворяет их).

Fe + Р = Fe_xP_y

Fe + C = Fe_xC_y

Fe + Si = Fe_xSi_y

Образуются вещества переменного состава, т к. бертоллиды (в соединениях преобладает ковалентный характер связи)

3. Взаимодействие с «неокисляющими» кислотами (HCl, H₂SO₄ разб.)

Fe⁰ + 2Н⁺ → Fe²⁺ + Н₂↑

Поскольку Fe располагается в ряду активности левее водорода (Е°_Fe/Fe²⁺ = -0,44В), оно способно вытеснять Н₂ из обычных кислот.

Fe + 2HCl = FeCl₂ + Н₂↑

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + Н₂↑

4. Взаимодействие с «окисляющими» кислотами (HNO₃, H₂SO₄ конц.)

Fe⁰ - 3e^- → Fe³⁺

Концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ «пассивируют» железо, поэтому при обычной температуре металл в них не растворяется. При сильном нагревании происходит медленное растворение (без выделения Н₂).

В разб. HNO₃ железо растворяется, переходит в раствор в виде катионов Fe³⁺ а анион кислоты восстанавливется до NO*:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2Н₂O

Очень хорошо растворяется в смеси НСl и HNO₃

5. Отношение к щелочам

В водных растворах щелочей Fe не растворяется. С расплавленными щелочами реагирует только при очень высоких температурах.

6. Взаимодействие с солями менее активных металлов

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Fe⁰ + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu⁰

7. Взаимодействие с газообразным монооксидом углерода (t = 200°C, P)

Fe(порошок) + 5CO (г) = Fe⁰(CO)₅пентакарбонил железа

Соединения Fe(III)

Fe₂O₃ - оксид железа (III).

Красно-бурый порошок, н. р. в Н₂O. В природе — «красный железняк».

Способы получения:

1) разложение гидроксида железа (III)

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

2) обжиг пирита

4FeS₂ + 11O₂ = 8SO₂ + 2Fe₂O₃

3) разложение нитрата

4Fe(NO₃)₃ = 2Fe₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂

Химические свойства

Fe₂O₃ - основный оксид с признаками амфотерности.

I. Основные свойства проявляются в способности реагировать с кислотами:

Fe₂О₃ + 6Н⁺ = 2Fe³⁺ + ЗН₂О

Fe₂О₃ + 6HCI = 2FeCI₃ + 3H₂O

Fe₂О₃ + 6HNO₃ = 2Fe(NO₃)₃ + 3H₂O

II. Слабокислотные свойства. В водных растворах щелочей Fe₂O₃ не растворяется, но при сплавлении с твердыми оксидами, щелочами и карбонатами происходит образование ферритов:

Fe₂О₃ + СаО = Ca(FeО₂)₂

Fe₂О₃ + 2NaOH = 2NaFeО₂ + H₂O

Fe₂О₃ + MgCO₃ = Mg(FeO₂)₂ + CO₂

III. Fe₂О₃ - исходное сырье для получения железа в металлургии:

Fe₂О₃ + ЗС = 2Fe + ЗСО или Fe₂О₃ + ЗСО = 2Fe + ЗСO₂

Fe(OH)₃ - гидроксид железа (III)

Способы получения:

Получают при действии щелочей на растворимые соли Fe³⁺:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ + 3NaCl

В момент получения Fe(OH)₃ - красно-бурый слизистоаморфный осадок.

Гидроксид Fe(III) образуется также при окислении на влажном воздухе Fe и Fe(OH)₂:

4Fe + 6Н₂O + 3O₂ = 4Fe(OH)₃

4Fe(OH)₂ + 2Н₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃

Гидроксид Fe(III) является конечным продуктом гидролиза солей Fe³⁺.

Химические свойства

Fe(OH)₃ - очень слабое основание (намного слабее, чем Fe(OH)₂). Проявляет заметные кислотные свойства. Таким образом, Fe(OH)₃ имеет амфотерный характер:

1) реакции с кислотами протекают легко:

Fe(OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O

2) свежий осадок Fe(OH)₃ растворяется в горячих конц. растворах КОН или NaOH с образованием гидроксокомплексов:

Fe(OH)₃ + 3КОН = K₃[Fe(OH)₆]

В щелочном растворе Fe(OH)₃ может быть окислен до ферратов (солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты H₂FeO₄):

2Fe(OH)₃ + 10КОН + 3Br₂ = 2K₂FeO₄ + 6КВr + 8Н₂O

Соли Fe³⁺

Наиболее практически важными являются: Fe₂(SO₄)₃, FeCl₃, Fe(NO₃)₃, Fe(SCN)₃, K₃[Fe(CN)₆).

Характерно образование двойных солей - железных квасцов: (NH₄)Fe(SO₄)₂•12Н₂O, KFe(SO₄)₂• 12Н₂O

Соли Fe³⁺ часто имеют окраску как в твердом состоянии, так и в водном растворе. Это объясняется наличием гидратированных форм или продуктов гидролиза.

Способы получения

1. Fe + неметалл

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃

2.Fe + кислота

Fe + 4HNO_{3 разб} = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

3. Fe₂O₃ + кислота

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 3H₂O

4. Fe(OH)₃ + кислота

Fe(OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O

5. Окисление Fe²⁺ до Fe³⁺

2FeCl₂ + Cl₂ = 2FeCl₃

2Fe₂O₃ + H₂O₂ + H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O

Химические свойства

I. Все растворимые соли Fe³⁺ в водных растворах сильно гидролизованы:

Fe³⁺ + Н₂O = FeOH²⁺ + Н⁺

FeOH²⁺ + Н₂O = Fe(OH)₂⁺ + Н⁺

Fe(OH)₂⁺ Н₂O = Fe(OH)₃ + Н⁺

Водные растворы солей Fe³⁺ имеют сильнокислую реакцию. Соли Fe³⁺ с анионами слабых кислот подвергаются необратимому гидролизу.

II. В реакциях с сильными восстановителями соли Fe3+ проявляют окислительную активность:

2FeCl₃ + 2KI = 2FeCl₂ + I₂ + 2KCl

Fe₂(SO₄)₃ + H₂S = 2FeSO₄ + S + H₂SO₄

III. При действии щелочей и водных растворов аммиака на растворы солей Fe³⁺ образуется осадок:

Fe³⁺ + ЗОН^- = Fe(OH)₃

IV. При нагревании многие соли разлагаются:

2FeCl₃ = 2FeCl₂ + Cl₂

Fe₂(SO₄)₃ = Fe₂O₃ + 3SO₃

4Fe(NO₃)₃ = 2Fe₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂

V. Качественные реакции для обнаружения катионов Fe³⁺:

а) 4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4-_{желтая кровяная соль} = Fe₄[Fe(CN)₆]_{3 берлинская лазурь (темно-синий осадок)}

б) Fe³⁺ + 3SCN^- = Fe(SCN)_{3 роданид Fe(III) (р-р кроваво-красного цвета)}