ПЕРЕХОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Переходные металлы — элементы побочных подгрупп периодической системы (d- и f- элементы).

Общие свойства

1. Все переходные элементы- металлы имеют низкую электроотрицательность.
2. Все элементы проявляют переменные степени окисления. Начиная с III группы низшая степень окисления имеет основной характер, высшая – кислотный, средние – амфотерный.
3. Все элементы образуют комплексные соединения.

ПОДГРУППА ЖЕЛЕЗА

Свойства элементов подгруппы железа

Атомный номер	Название	Электронная конфигурация	r г/см3	t°пл. °C	t°кип. °C	ЭО	Атомный радиус, нм	Степень окисления
26	Железо Fe	[Ar] 3d64s2	7,87	1535	2750	1,64	0,128	+2,+3
27	Кобальт Co	[Ar] 3d74s2	8,9	1495	2870	1,7	0,125	+2,+3
28	Никель Ni	[Ar] 3d8 4s2	8,9	1453	2732	1,75	0,124	+1,+2,+3,+4

 Получение
металлов подгруппы железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II)

FeO + C → Fe + CO

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂

NiO + C → Ni + CO

Co₂O₃ + 3C → 2Co + 3CO

Fe

d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса – 56; (26p₁¹; 30 n₀¹), 26ē

Металл средней активности, восстановитель.

Основные степени окисления — +2, +3

Железо и его соединения

Химические свойства

1. На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O₂ + 6H₂ O → 4Fe(OH)₃

Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II,III):

3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

2. При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H₂O  –^t° ->   Fe₃O₄ + 4H₂­

3. Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

2Fe + 3Br₂  –^t° ->   2FeBr₃

Fe + S  –^t° ->   FeS

4. Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

Fe + 2HCl -> FeCl₂ + H₂­

Fe + H₂SO₄(разб.) -> FeSO₄ + H₂­

В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании

2Fe + 6H₂SO₄(конц.)  –^t° ->   Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂­ + 6H₂O

Fe + 6HNO₃(конц.)  –^t° ->   Fe(NO₃)₃ + 3NO₂­ + 3H₂O

(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).

5. Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu¯

Соединения двухвалентного железа

Гидроксид железа (II)

Образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

FeCl + 2KOH → 2KCl + Fе(OH)₂¯

Fe(OH)₂ — слабое основание, растворимо в сильных кислотах:

Fe(OH)₂ + H₂SO₄ → FeSO₄ + 2H₂O

Fe(OH)₂ + 2H⁺ →  Fe²⁺ + 2H₂O

При прокаливании Fe(OH)₂ без доступа воздуха образуется оксид железа (II) FeO:

Fe(OH)₂  –^t° ->   FeO + H₂O

В присутствии кислорода воздуха белый осадок Fe(OH)₂, окисляясь, буреет – образуя гидроксид железа (III) Fe(OH)₃:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃

Соединения железа (II) обладают восстановительными свойствами, они легко превращаются в соединения железа (III) под действием окислителей:

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

6FeSO₄ + 2HNO₃ + 3H₂SO₄ → 3Fe₂(SO₄)₃ + 2NO­ + 4H₂O

Соединения железа склонны к комплексообразованию (координационное число=6):

FeCl₂ + 6NH₃ → [Fe(NH₃)₆]Cl₂

Fe(CN)₂ + 4KCN → K₄[Fe(CN)₆](жёлтая кровяная соль)

Качественная реакция на Fe²⁺

При действии гексацианоферрата (III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красной кровяной соли) на растворы солей двухвалентного железа образуется синий осадок (турнбулева синь):

3FeSO₄ + 2K₃[Fe(CN)₆] → Fe₃[Fe(CN)₆]₂¯ + 3K₂SO₄

3Fe²⁺ + 3SO₄^2- +6K⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3- → Fe₃[Fe(CN)₆]₂¯ + 6K⁺ + 3SO₄^2-

3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3- → Fe₃[Fe(CN)₆]₂¯

Соединения трёхвалентного железа

Оксид железа (III)

Образуется при сжигании сульфидов железа, например, при обжиге пирита:

4FeS₂ + 11O₂ → 2Fe₂O₃ + 8SO₂­

или при прокаливании солей железа:

2FeSO₄  –^t° -> Fe₂O₃ + SO₂­ + SO₃­

Fe₂O₃ — основной оксид, в незначительной степени проявляющий амфотерные свойства

Fe₂O₃ + 6HCl  –^t° ->   2FeCl₃ + 3H₂O

Fe₂O₃ + 6H⁺  –^t° ->   2Fe³⁺ + 3H₂O

Fe₂O₃ + 2NaOH + 3H₂O  –^t° ->   2Na[Fe(OH)₄]

Fe₂O₃ + 2OH^— + 3H₂O → 2[Fe(OH)₄]^—

Гидроксид железа (III)

Образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа: выпадает в виде красно–бурого осадка

Fe(NO₃)₃ + 3KOH → Fe(OH)₃¯ + 3KNO₃

Fe³⁺ + 3OH^— → Fe(OH)₃¯

Fe(OH)₃ – более слабое основание, чем гидроксид железа (II).

Это объясняется тем, что у Fe²⁺ меньше заряд иона и больше его радиус, чем у Fe³⁺, а поэтому, Fe²⁺ слабее удерживает гидроксид-ионы, т.е. Fe(OH)₂ более легко диссоциирует.

В связи с этим соли железа (II) гидролизуются незначительно, а соли железа (III) — очень сильно. Для лучшего усвоения материалов этого раздела рекомендуется просмотреть видеофрагмент (доступен только на CDROM). Гидролизом объясняется и цвет растворов солей Fe(III): несмотря на то, что ион Fe³⁺ почти бесцветен, содержащие его растворы окрашены в жёлто-бурый цвет, что объясняется присутствием гидроксоионов железа или молекул Fe(OH)₃, которые образуются благодаря гидролизу:

Fe³⁺ + H₂O → [Fe(OH)]²⁺ + H⁺

[Fe(OH)]²⁺ + H₂O → [Fe(OH)₂]⁺ + H⁺

[Fe(OH)₂]⁺ + H₂O → Fe(OH)₃ + H⁺

При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот становится более светлой вследствие подавления гидролиза. Fe(OH)₃ обладает слабо выраженной амфотерностью: он растворяется в разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:

Fe(OH)₃ + 3HCl → FeCl₃ + 3H₂O

Fe(OH)₃ + 3H⁺ → Fe³⁺ + 3H₂O

Fe(OH)₃ + NaOH → Na[Fe(OH)₄]

Fe(OH)₃ + OH^— → [Fe(OH)₄]^—

Соединения железа (III) — слабые окислители, реагируют с сильными восстановителями:

2Fe⁺³Cl₃ + H₂S^-2 → S⁰ + 2Fe⁺²Cl₂ + 2HCl

Качественные реакции на Fe³⁺

1. При действии гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок (берлинская лазурь):

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

4Fe³⁺ + 12Cl^— + 12K⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4-→   Fe₄[Fe(CN)₆]₃¯ + 12K⁺ + 12Cl^—

4Fe³⁺ + 3 [Fe(CN)₆]^4- → Fe₄[Fe(CN)₆]₃¯

2. При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe³⁺ роданистого калия или аммония появляется интенсивная кроваво-красная окраска роданида железа(III):

FeCl₃ + 3NH₄CNS -> 3NH₄Cl + Fe(CNS)₃

(при взаимодействии же с роданидами ионов Fe²⁺ раствор остаётся практически бесцветным).

Применение

Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов.

Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа(III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей.

Железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности.

Легковые, грузовые автомобили, станки, железные дороги, корпуса и силовые установки судов – все это делается в основном из стали. Масштаб производства стали является одной из основных характеристик общего технико-экономического уровня развития государства. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции.

Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых. Магнитная окись железа — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п. Также железо входит в большинство магнитных сплавов.

Железо находит широкое применение в виде солей. Хлорид железа III (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат. Десятиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве. Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Задачи:

1. С помощью каких реакций можно осуществить следующие превращения:
   a) Fe₃0₄ → Fe → FeCl₂ → FeCl₃
   б) FeSO₄ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃→ Fe₂O₃ → Fe
   в) Fe → FeSO₄ → Fe₂(SO₄)₃ → Fe(OH)₃ → Fe(NO₃)₃
   Напишите уравнения реакций в молекулярной форме.
2. Железо массой 7 г прореагировало с хлором (хлор в избытке). Полученный хлорид растворили в воде массой 200 г. Вычислите массовую долю соли в полученном растворе.
3. Используя значения стандартных электродных потенциалов, определите, может ли железо реагировать с водными растворами следующих веществ: а) CuSO₄ б) ZnSO₄; в) НСl; г) КСІ; д) Mn(NO₃)₂; e) AgNO₃. Напишите уравнения соответствующих реакций.
4. Сплав железа с углеродом массой 5 г поместили в соляную кислоту (кислота в избытке). По окончании реакции объем выделившегося водорода составил 1,96 л (нормальные условия). Вычислите массовую долю углерода в сплаве с железом.
5. В состав железной руды входят магнетит Fe₃0₄ (массовая доля 65%) и другие вещества, которые не содержат железо. Вычислите массу железа, которое можно получить из руды массой 800 кг
6. Железо с углеродом образует карбид, в котором массовая доля железа равна 93,3%. Определите простейшую формулу этого карбида