"Химия (базовый уровень)", Рудзитис Г.Е.,Фельдман Ф.Г.
Железо, никель и платина — переходные металлы, атомы которых имеют электроны на d-подуровне. Это связано с их переменными степенями окисления и разнообразием соединений. Железо и никель магнитны, широко используются в сплавах и технике, а платина ценится за химическую стойкость и каталитические свойства. Чтобы объяснить их применение, важно сравнить строение атомов, реакции металлов и свойства соединений железа(II) и железа(III).
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо — химический элемент Fe, расположенный в 8-й группе 4-го периода периодической системы. В нейтральном атоме 26 электронов: конфигурация оболочек записывается как [Ar] 3d⁶ 4s². В соединениях наиболее характерны степени окисления +2 и +3, поэтому различают железо(II) и железо(III). Это обозначение помогает понять состав и свойства конкретного соединения.
Никель — элемент Ni, находящийся в 10-й группе 4-го периода. Его атом содержит 28 электронов, электронная конфигурация — [Ar] 3d⁸ 4s². Для никеля наиболее характерна степень окисления +2, хотя возможны и другие состояния. Знание этой особенности позволяет предсказывать формулы соединений и роль никеля в реакциях.
Платина — элемент Pt, расположенный в 10-й группе 6-го периода. Её атом имеет 78 электронов и конфигурацию [Xe] 4f¹⁴ 5d⁹ 6s¹. Для платины характерны степени окисления +2 и +4. Они показывают, что даже химически стойкий металл способен образовывать разные соединения.
Сплав — материал, состоящий из нескольких компонентов, среди которых может быть один или несколько металлов. Компоненты сплава подбирают, чтобы получить нужные прочность, твёрдость или устойчивость к коррозии. К сплавам железа относятся сталь и чугун, а пример сплава с никелем — нихром, содержащий также хром. Понятие сплава объясняет, почему в технике часто используют не чистый металл, а материал с улучшенными свойствами.
Железо, никель и платина относятся к переходным металлам: у их атомов заполнение d-подуровня не завершено. Энергии внешних s-электронов и некоторых d-электронов близки, поэтому в химических связях могут участвовать электроны разных подуровней. Отсюда появляются переменные степени окисления и множество соединений. Для железа типичны +2 и +3, для никеля чаще +2, а для платины — +2 и +4.
Все три металла имеют металлический блеск, проводят электрический ток и могут деформироваться без разрушения, то есть обладают ковкостью. Эти свойства объясняются металлической связью: электроны способны перемещаться по кристаллу, а слои атомов могут смещаться. Железо и никель, кроме того, проявляют магнитные свойства, потому что их электронные состояния позволяют атомам взаимодействовать с магнитным полем. Поэтому они подходят для деталей электродвигателей и других устройств, где важен магнетизм.
Химическая активность металлов неодинакова. Железо взаимодействует с кислородом, а с разбавленными кислотами вытесняет водород; никель тоже реагирует с рядом реагентов, но обычно менее активно. Платина значительно устойчивее: её атомы трудно вовлечь в реакцию, поэтому металл не окисляется на воздухе и не растворяется в большинстве обычных кислот. Однако стойкость не абсолютна: царская водка растворяет платину благодаря совместному действию сильных окислителей и хлорид-ионов.
Железо образует оксиды и гидроксиды со степенями окисления +2 и +3. Например, FeO и Fe(OH)₂ относятся к железу(II), а Fe₂O₃ и Fe(OH)₃ — к железу(III); это разные вещества, а не просто разные названия одного соединения. Гидроксид Fe(OH)₂ обычно выпадает в виде светло-зелёного осадка и на воздухе окисляется до бурого Fe(OH)₃. Различие степеней окисления проявляется в составе, окраске и химическом поведении соединений.
Применение металлов определяется сочетанием их свойств. Железо используют для строительных конструкций, машин и инструментов, а его сплавы позволяют менять прочность и твёрдость изделий. Никель добавляют в сплавы для повышения стойкости и применяют для защитных покрытий, которые предохраняют изделия от коррозии. Платина служит катализатором — веществом, ускоряющим реакцию, — и используется там, где нужны химическая стойкость и надёжность.
| Характеристика | Железо | Никель | Платина |
|---|---|---|---|
| Положение в периодической системе | 8-я группа, 4-й период | 10-я группа, 4-й период | 10-я группа, 6-й период |
| Характерные степени окисления | +2, +3 | Преимущественно +2 | +2, +4 |
| Физические свойства и магнитные свойства | Блестящий, ковкий, проводит ток; магнитен | Блестящий, ковкий, проводит ток; магнитен | Блестящая, ковкая, проводит ток; не относится к ферромагнитным металлам |
| Отношение к кислороду и воде | Окисляется кислородом; во влажном воздухе корродирует | Устойчивее железа; при нагревании реагирует с кислородом | При обычных условиях не окисляется; с водой не реагирует |
| Отношение к кислотам | С разбавленными кислотами образует соль Fe(II) и водород | Реагирует с некоторыми кислотами, обычно медленнее железа | Устойчива к большинству кислот; растворяется в царской водке |
| Примеры применения | Сталь, чугун, конструкции, машины | Сплавы, защитные покрытия, нихром | Катализаторы, лабораторное оборудование, ювелирные изделия |
Сравнивайте металлы по строкам: так легче увидеть, как положение в периодической системе связано со степенями окисления и реакционной способностью. Таблица даёт общую картину, но конкретное поведение зависит от условий реакции. Например, нагревание может изменить скорость взаимодействия металла с кислородом.
Задача 1. Составьте электронную конфигурацию атома железа и укажите его возможные степени окисления в соединениях.
Ответ: [Ar] 3d⁶ 4s²; характерные степени окисления железа — +2 и +3.
Задача 2. Запишите уравнения реакций железа с кислородом и разбавленной соляной кислотой; назовите продукты.
Ответ: при реакции с кислородом получается оксид железа(II, III) Fe₃O₄, при реакции с соляной кислотой — хлорид железа(II) FeCl₂ и водород.
Задача 3. Составьте уравнения превращений Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ и укажите условия последнего превращения.
Ответ: Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃; последнее превращение происходит при окислении кислородом воздуха во влажных условиях.
Ошибка — считать, что железо всегда имеет степень окисления +3. Её допускают, если запомнили один пример соединения, но не учли переменность степеней окисления переходных металлов. Проверяйте заряд частицы: железо входит и в FeCl₂ со степенью +2, и в FeCl₃ со степенью +3. Значит, при составлении формулы нужно учитывать конкретное соединение.
Нельзя переносить свойства металлического железа на его оксиды и гидроксиды. Металл может вытеснять водород из кислоты, тогда как его соединения вступают в реакции по другим правилам. Такая путаница возникает, когда все вещества с атомами Fe считают химически одинаковыми. Проверяйте формулу и тип вещества: простое вещество Fe — металл, а FeO и Fe(OH)₂ — соединения.
При взаимодействии железа с разбавленной кислотой часто ошибочно записывают соль железа(III). В обычных условиях железо отдаёт два электрона и образует ионы Fe²⁺, поэтому с соляной кислотой получается FeCl₂. Чтобы проверить уравнение, сопоставьте степень окисления железа с формулой соли и убедитесь, что атомы и заряд сбалансированы. Не заменяйте продукт на FeCl₃ без условий, которые обеспечивают дальнейшее окисление.
Платину иногда называют абсолютно инертной, поскольку она почти не реагирует с распространёнными веществами. Но высокая химическая стойкость не означает полной невозможности реакций: царская водка растворяет платину. Учитывайте, что смесь сильных реагентов может действовать иначе, чем каждый из них по отдельности. Проверяйте формулировку: правильно говорить «устойчива к большинству реагентов», а не «не реагирует ни с чем».
Чтобы объяснить степени окисления Fe, Ni и Pt, нужны знания о периодическом законе и электронных конфигурациях: именно строение электронных оболочек помогает понять, какие электроны участвуют в реакциях. Окислительно-восстановительные реакции позволяют проследить переход железа(II) в железо(III). Свойства железа и его соединений пригодятся при изучении коррозии и металлургии, где рассматривают разрушение металлов и способы их получения. Никель и платина связывают тему переходных металлов с изучением сплавов и катализа.
Почему железо может образовывать соединения с разными степенями окисления?
У атома железа есть электроны на 4s- и 3d-подуровнях, которые могут участвовать в образовании связей. Поэтому железо часто отдаёт два или три электрона и образует соединения со степенями окисления +2 и +3.
Чем отличаются соединения железа(II) от соединений железа(III)?
В соединениях железа(II) атом железа имеет степень окисления +2, а в соединениях железа(III) — +3. Например, Fe(OH)₂ обычно образует зелёный осадок, а Fe(OH)₃ — бурый; соединения железа(II) могут окисляться до соединений железа(III).
Почему никель используют в сплавах и защитных покрытиях?
Никель устойчив к коррозии, прочен и придаёт сплавам полезные физические свойства. Покрытие никелем защищает поверхность изделия и придаёт ей блеск.
Если платина малоактивна, почему она всё же реагирует с царской водкой?
Царская водка — смесь концентрированных азотной и соляной кислот, в которой возникают сильные окислители и частицы, связывающие ионы платины. Совместное действие этих веществ позволяет растворить металл, хотя отдельные кислоты обычно на него не действуют.
Какие свойства объясняют широкое применение железа?
Железо прочное, ковкое и хорошо проводит электрический ток, а его магнитные свойства полезны в технике. Кроме того, его можно получать и перерабатывать в больших количествах, а из железа производят разнообразные сплавы.
§ 32. Железо, никель, платина
