И.В.ТРИГУБЧАК

Пособие-репетитор по химии

Продолжение. Начало см. в № 22/2005; 1, 2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16, 18, 22/2006;
3, 4, 7, 10, 11, 21/2007;
2, 7/2008

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) и стали (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).

1. Сумма коэффициентов в уравнении термического разложения нитрата железа(III) равна:

а) 9; б) 13; в) 17; г) 21.

2. Железную стружку можно отделить от алюминиевой, используя (без нагревания):

а) раствор аммиака;

б) раствор гидроксида натрия;

в) раствор азотной кислоты;

г) концентрированный раствор соляной кислоты.

3. Уравнению

S^–2 + H⁺ = H₂S

соответствует реакция между:

а) пиритом и концентрированной азотной кислотой;

б) сульфидом натрия и концентрированной соляной кислотой;

в) сероводородом и разбавленной азотной кислотой;

г) сульфидом калия и разбавленной серной кислотой.

4. В железной цистерне можно хранить:

а) разбавленную серную кислоту;

б) олеум;

в) плавиковую кислоту;

г) хлорную воду.

5. Рассчитайте тепловой эффект реакции (в кДж) взаимодействия раскаленного железа с водяным паром по следующим данным:

2H₂O = 2H₂ + O₂ – 484 кДж;

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ + 1118 кДж.

а) 1118; б) 634; в) 150; г) –634.

6. В белом чугуне весь углерод содержится в виде цементита Fe₃C. Рассчитайте массовую долю цементита в чугуне, если массовая доля углерода составляет 2,2%.

а) 33%; б) 2,2%; в) 99%; г) 11%.

7. Хлорид железа(II) не может быть получен при взаимодействии:

а) раствора хлорида меди(II) и железа;

б) железа и хлора;

в) железа и соляной кислоты;

г) железа и серной кислоты.

8. С наименьшей скоростью протекает реакция между:

а) железным гвоздем и 4%-м раствором CuSO₄;

б) железной стружкой и 4%-м раствором CuSO₄;

в) железным гвоздем и 10%-м раствором CuSO₄;

г) железной стружкой и 10%-м раствором CuSO₄.

9. Для увеличения скорости взаимодействия железа с соляной кислотой не следует:

а) добавлять ингибитор;

б) понижать температуру;

в) повышать степень раздробленности железа;

г) увеличивать концентрацию соляной кислоты.

10. Найдите объем (в мл) 3%-го раствора пероксида водорода (плотность раствора 1009,5 г/л),
который потребуется для взаимодействия со 100 мл 0,1М раствора сульфата железа(II) в кислой среде.

а) 0,02; б) 5613; в) 0,0119; г) 5,6.

Ключ к тесту

Задачи на альтернативные реакции

У р о в е н ь  А

1. Через 100 мл раствора фосфорной кислоты, содержащего 17,8% кислоты и имеющего плотность 1,1 г/мл, пропустили 3,36 л (н.у.) аммиака. Определите концентрации веществ в полученном растворе.

Решение

При взаимодействии H₃PO₄ и NH₃ возможно протекание трех реакций:

H₃PO₄ + NH₃ = NH₄H₂PO₄,   (1)

H₃PO₄ + 2NH₃ = (NH₄)₂HPO₄,   (2)

H₃PO₄ + 3NH₃ = (NH₄)₃PO₄.   (3)

По условию задачи:

т.е. H₃PO₄ дана в избытке.

Следовательно, идет реакция (1).

m(р-ра) = m(р-ра H₃PO₄) + m(NH₃) = (100•1,1) + (0,15•17) = 112,55 г.

В конечном растворе:

(H₃PO₄) = 0,2 – 0,15 = 0,05 моль,

m(H₃PO₄) = (H₃PO₄)•M(H₃PO₄) = 0,05•98 = 4,9 г.

m(NH₄H₂PO₄) = (NH₄H₂PO₄)•M(NH₄H₂PO₄) = 0,15•115 = 17,25 г,

Ответ. 4,35% H₃PO₄, 15,3% NH₄H₂PO₄.

2. Через 350 г 10%-го раствора гидроксида натрия было пропущено 11,2 л (н.у.) сероводорода. Определите массу воды в полученном растворе.

Ответ. 330,75 г.

3. Продукты полного сгорания 11,2 л (н.у.) сероводорода в избытке кислорода поглощены 200 мл 20%-го раствора едкого кали, имеющего плотность 1,173 г/мл. Определите концентрации веществ в полученном растворе.

Ответ. 7% KHSO₃ и 19,5% K₂SO₃.

4. Через 200 мл 20%-го раствора едкого натра (плотность раствора 1,22 г/мл), пропустили 8,96 л (н.у.) сероводорода. Определите концентрации веществ в полученном растворе.

Ответ. 6,5% NaOH и 12,1% Na₂S.

5. В 980 г раствора фосфорной кислоты с массовой долей 2% добавили 37,6 г оксида калия. Определите концентрации веществ в полученном растворе.

Ответ. 1,1% KOH и 4,17% K₃PO₄.

6. Углекислый газ, полученный при полном сгорании 4,48 л метана (н.у.), полностью поглощен 200 г 7%-го раствора гидроксида натрия. Определите состав полученного раствора.

Ответ. 2% NaHCO₃ и 7,6% Na₂CO₃.

7. 10,08 л сероводорода (н.у.) пропустили через 280 мл 10%-го раствора гидроксида натрия (плотность раствора 1,11 г/мл). Определите состав полученного раствора.

Ответ. 2,1% NaHS и 7,82% Na₂S.

8. Смешали 92,2 мл 20%-го (по массе) раствора аммиака с плотностью 0,92 г/мл и 56,6 мл 40%-го раствора серной кислоты (плотность раствора 1,3 г/мл). Определите концентрации веществ в полученном растворе.

Ответ. 4,3% NH₃ и 25% (NH₄)₂SO₄.

9. Через 500 г раствора гидроксида калия с массовой долей 5,6% пропустили 8,4 л (н.у.) углекислого газа. Вычислите концентрации веществ в полученном растворе.

Ответ. 3,3% K₂CO₃ и 4,84% KHCO₃.

10. 11,2 л аммиака (н.у.) были пропущены в раствор, содержащий 24,5 г ортофосфорной кислоты. Какая соль и в каком количестве образовалась при этом?

Ответ. 0,25 моль гидрофосфата аммония.

11. Через раствор, содержащий 7,4 г гидроксида кальция, пропустили 3,36 л (н.у.) углекислого газа. Найдите общую массу солей, образовавшихся в результате реакции.

Ответ. 13,1 г.

У р о в е н ь  Б

1. Объем смеси угарного газа и кислорода равен 300 мл (н.у.). После сгорания всего угарного газа и приведения к н.у. объем смеси уменьшился до 250 мл. Полученную смесь пропустили через 100 г 4%-го раствора гидроксида натрия. Определите концентрации веществ в полученном растворе.

Ответ. 0,475% Na₂CO₃ и 3,63% NaOH.

2. Для сжигания 1 л (н.у.) смеси оксидов углерода необходимо 0,25 л (н.у.) кислорода. Определите состав исходной газовой смеси в объемных процентах. Какая масса соли образуется, если полученный газ пропустить через раствор, содержащий 2,5 г гидроксида калия?

Ответ. 50% CO, 50% CO₂ и 4,46 г KHCO₃.

3. Фосфорный ангидрид, полученный при сжигании 6,2 г фосфора, растворили в 75 мл раствора едкого натра, содержащего 25% чистого вещества и имеющего плотность 1,28 г/мл. Определите состав полученной соли и ее концентрацию в растворе.

Ответ. 29,8% фосфата натрия.

4. Фосфор, количественно выделенный из 31 г фосфата кальция, окислен в атмосфере кислорода, полученный препарат растворен в 200 мл 1,5М раствора гидроксида калия. Какие соли и в каких количествах содержатся в полученном растворе?

Ответ. Кислые соли (K₂HPO₄ и KH₂PO₄),
по 0,1 моль.

5. Реактор объемом 80 л разделен герметической перегородкой на две равные части. Одна половина заполнена аммиаком под давлением 602,35 кПа, вторая – хлороводородом под давлением 361,25 кПа, температура обоих газов 17 °С. Перегородку убрали. Оставшийся после окончания реакции газ был полностью поглощен 932 г 21%-го раствора ортофосфорной кислоты. Определите состав полученного раствора.

Решение

По условию:

(части реактора) = 80 (л)/2 = 40 л.

Найдем количество вещества NH₃ и HCl, используя уравнение газового состояния:

Уравнение реакции:

NH₃ + HCl = NH₄Cl.

Исходя из полученных данных и уравнения реакции, заключаем, что HCl находится в недостатке.

Избыток NH₃:

10 – 6 = 4 моль.

При взаимодействии избытка NH₃ с раствором H₃PO₄ возможны три реакции:

NH₃ + H₃PO₄ = NH₄H₂PO₄, (1)

2NH₃ + H₃PO₄ = (NH₄)₂HPO₄, (2)

3NH₃ + H₃PO₄ = (NH₄)₃PO₄. (3)

(NH₃) : (H₃PO₄) = 4 : 2 = 2 : 1.

Следовательно, идет реакция (2).

((NH₄)₂HPO₄) = (H₃PO₄) = 2 моль,

m((NH₄)₂HPO₄) = • M = 2•132 = 264 г.

m(р-ра) = m(р-ра H₃PO₄) + m(NH₃) = 932 + (4•17) = 1000 г.

Ответ. 26,4% (NH₄)₂HPO₄.

6. К 0,5 мл 6М раствора фосфорной кислоты добавили 10 г насыщенного раствора гидроксида бария (растворимость 3,89 г на 100 г воды). Вычислите количества веществ образовавшихся соединений бария.

Ответ. 0,8 ммоль Ba(H₂PO₄)₂
и 1,4 ммоль BaHPO₄.

7. К 2 г смеси гидрофосфата калия и дигидрофосфата калия, в которой массовая доля фосфора составляет 20%, добавили 20 г 2%-го раствора фосфорной кислоты. Вычислите массовые доли веществ в полученном растворе.

Ответ. 1,94% K₂HPO₄ и 9,03% KH₂PO₄.

8. Газ, полученный при сжигании 5,6 л (н.у.) смеси этана и пропана, плотность которой по водороду равна 19,9, пропустили через 160 г 20%-го раствора едкого натра. Определите массы веществ в образовавшемся растворе.

Ответ. 13,25 г Na₂CO₃ и 46,2 г NaHCO₃.

* Данные приведены по источнику: Фигуровский Н.А. Открытие элементов и происхождение их названий. М.: Наука, 1970.

** Знак +/– означает, что данная реакция протекает не со всеми реагентами или в специфических условиях.

Продолжение следует