"Химия", Габриелян О.С., Остроумов И.Г., Сладков С.А.
Железо — распространённый металл, необходимый для производства стали, техники и многих материалов. В соединениях оно чаще всего проявляет степени окисления +2 и +3, поэтому образует два ряда оксидов, гидроксидов и солей. Нужно научиться связывать состав вещества со степенью окисления Fe, составлять уравнения реакций, получать осадки Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ и различать ионы железа по цвету осадков.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо (Fe) — химический элемент с порядковым номером 26, расположенный в 4-м периоде и 8-й группе Периодической системы. Это металл с высокой прочностью, пластичностью, металлическим блеском и хорошей электропроводностью. Его положение и строение атома помогают объяснить переменные степени окисления и разнообразие соединений.
Степени окисления железа — условные заряды атома Fe в соединениях; чаще всего это +2 и +3. Они показывают, сколько электронов железо отдало при образовании вещества. По степени окисления можно определить формулу и свойства оксида, гидроксида или соли.
Оксиды железа — соединения железа с кислородом: FeO — оксид железа(II), а Fe₂O₃ — оксид железа(III). FeO имеет чёрный цвет, Fe₂O₃ — красно-бурый. Число после названия указывает степень окисления железа и помогает правильно расставить индексы.
Гидроксиды железа — Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃, нерастворимые основания. Fe(OH)₂ образует светлый осадок, а Fe(OH)₃ — бурый. Эти вещества получают действием щёлочи на растворы солей железа и используют для распознавания ионов Fe²⁺ и Fe³⁺.
Железо находится в 4-м периоде и относится к переходным металлам. Его атом имеет строение 2, 8, 14, 2, поэтому при химических реакциях он прежде всего отдаёт два электрона внешнего уровня и образует Fe²⁺. При более сильном окислении отрывается ещё один электрон, и возникает Fe³⁺; поэтому железо проявляет переменные степени окисления.
В реакциях с неметаллами железо обычно отдаёт электроны и является восстановителем. С хлором оно окисляется до +3: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃, а с серой образует FeS, где железо имеет степень окисления +2. С разбавленной соляной кислотой железо также отдаёт электроны: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.
Получение соединений зависит от исходного вещества и выбранного реагента. FeO можно получить восстановлением Fe₂O₃ угарным газом: Fe₂O₃ + CO → 2FeO + CO₂, а Fe₂O₃ — окислением железа или нагреванием Fe(OH)₃. Растворимые соли железа реагируют со щёлочью: FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl и FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.
Оксиды и гидроксиды железа(II) и железа(III) проявляют основные свойства, потому что реагируют с кислотами с образованием соли и воды. Например, Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O, а Fe(OH)₂ + 2HCl → FeCl₂ + 2H₂O. При нагревании Fe(OH)₃ теряет воду и разлагается: 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O.
Ионы железа можно обнаружить реакцией со щёлочью. Fe²⁺ образует светлый бело-зелёный Fe(OH)₂, который постепенно темнеет из-за окисления кислородом воздуха; Fe³⁺ даёт бурый Fe(OH)₃. Поэтому цвет свежего осадка и его изменение помогают установить, какой ион присутствует в растворе.
В таблице сначала определите степень окисления Fe, затем сравните внешний вид и способ получения вещества. Уравнения из последнего столбца показывают типичные превращения. Для солей приведены обобщённые свойства, так как их существует много.
| Вещество | Формула | Степень окисления Fe | Внешний вид | Получение | Основные химические свойства |
|---|---|---|---|---|---|
| Железо | Fe | 0 | Серый металлический блеск | Восстановление оксидов в металлургии | Восстановитель; реагирует с кислотами, неметаллами и солями менее активных металлов |
| Оксид железа(II) | FeO | +2 | Чёрный порошок | Fe₂O₃ + CO → 2FeO + CO₂ | Основный оксид; реагирует с кислотами, восстанавливается до Fe |
| Оксид железа(III) | Fe₂O₃ | +3 | Красно-бурый порошок | 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O | Основный оксид; реагирует с кислотами и восстанавливается угарным газом |
| Гидроксид железа(II) | Fe(OH)₂ | +2 | Светлый бело-зелёный осадок | FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl | Нерастворимое основание; реагирует с кислотами, окисляется кислородом |
| Гидроксид железа(III) | Fe(OH)₃ | +3 | Бурый осадок | FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl | Нерастворимое основание; реагирует с кислотами, при нагревании разлагается |
| Соли железа(II) | FeCl₂, FeSO₄ | +2 | Растворы часто бледно-зелёные | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ | Реагируют со щёлочами; Fe²⁺ окисляется до Fe³⁺ |
| Соли железа(III) | FeCl₃, Fe₂(SO₄)₃ | +3 | Растворы желтоватые или жёлто-бурые | 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ | Реагируют со щёлочами; Fe³⁺ может восстанавливаться до Fe²⁺ |
Нужно определить продукты и степени окисления железа. В каждом случае железо отдаёт электроны, но окислитель различен: хлор, ионы водорода или ионы меди(II). Поэтому состав продуктов устанавливают по типу реакции.
Ответ: продукты — FeCl₃, FeCl₂ и FeSO₄ с выделением водорода в реакции с кислотой и меди в реакции с раствором соли.
Исходным веществом является раствор FeCl₃, поэтому сначала нужно получить нерастворимый гидроксид обменной реакцией. Затем осадок отделяют и нагревают. При нагревании гидроксид теряет воду и превращается в оксид.
Ответ: сначала выпадает бурый гидроксид железа(III), а после нагревания получается красно-бурый оксид железа(III).
Для первого перехода нужна разбавленная соляная кислота, для второго — щёлочь, а для последнего — кислород воздуха. Такая цепочка показывает связь металла, соли и гидроксидов железа. При переходе Fe(OH)₂ в Fe(OH)₃ степень окисления железа повышается с +2 до +3.
Ответ: для цепочки используют HCl, NaOH и кислород воздуха; конечным веществом является бурый Fe(OH)₃.
Все соединения железа считают соединениями Fe(III). Ошибка возникает из-за того, что Fe₂O₃ и Fe(OH)₃ часто приводят как знакомые примеры. Проверяйте заряд кислорода или гидроксид-иона и вычисляйте степень окисления Fe.
Формулу гидроксида железа(III) записывают как Fe(OH)₂. Так происходит при механическом переносе формулы Fe(OH)₂. Ион Fe³⁺ требует трёх однозарядных гидроксид-ионов, поэтому правильная формула — Fe(OH)₃.
Путают продукты реакций с кислотой и хлором. Разбавленная HCl обычно даёт FeCl₂, а хлор окисляет железо до FeCl₃. Проверяйте, насколько сильный окислитель участвует в реакции.
Неверно указывают цвет осадков. Fe(OH)₂ — светлый, но быстро темнеющий на воздухе, а Fe(OH)₃ — бурый. Сначала определите заряд иона железа, затем выбирайте характерный цвет.
Для понимания темы нужны знания о строении атома, Периодической системе, степенях окисления, типах реакций и составлении уравнений. Эти сведения пригодятся при изучении окислительно-восстановительных процессов, металлургии, коррозии и качественного анализа ионов. Основные свойства оксидов и гидроксидов помогут понять амфотерность и генетические связи между классами веществ.
Почему железо имеет две наиболее распространённые степени окисления?
У атома железа во внешней части электронной оболочки есть электроны, которые он может отдавать. Обычно отдаются два электрона и получается Fe²⁺, но при более сильном окислении железо отдаёт ещё один электрон и образуется Fe³⁺.
Чем отличаются соединения железа(II) от соединений железа(III)?
В соединениях железа(II) атом Fe имеет степень окисления +2, а в соединениях железа(III) — +3. Поэтому различаются формулы, окраска и окислительно-восстановительные свойства веществ, например Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃.
Почему осадок Fe(OH)2 со временем меняет цвет?
Гидроксид железа(II) на воздухе окисляется кислородом. В результате образуется бурый гидроксид железа(III), поэтому светлый осадок постепенно темнеет и приобретает бурый оттенок.
Как экспериментально отличить Fe2+ от Fe3+?
К раствору добавляют щёлочь. Ионы Fe²⁺ дают светлый бело-зелёный осадок Fe(OH)₂, быстро темнеющий на воздухе, а ионы Fe³⁺ — бурый осадок Fe(OH)₃.
Почему железо вытесняет медь из раствора её соли, но не вытесняет водород из некоторых окислительных кислот?
Железо активнее меди, поэтому восстанавливает Cu²⁺ до металла и само превращается в Fe²⁺. Окислительные кислоты, например концентрированная азотная, восстанавливаются железом, а водород из них обычно не выделяется; иногда железо покрывается защитной плёнкой.
§ 34. Железо и его соединения
