"Химия", Кузнецова Н.Е., Титова И.М., Гара Н.Н.
Железо — металл и d-элемент, способный образовывать соединения со степенями окисления +2 и +3. Различия между этими соединениями видны по их формулам, окраске и химическим свойствам. Знание оксидов и гидроксидов железа помогает составлять уравнения реакций, распознавать ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ в растворах и понимать процессы коррозии и окисления металлов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
d-элементы — элементы, в атомах которых заполняется d-подуровень. В периодической системе они занимают центральную часть: это элементы групп 3–12, расположенные между s- и p-элементами. Такое положение помогает отличать их от элементов главных подгрупп. Для d-элементов часто характерны несколько степеней окисления.
Железо — металл с символом Fe, d-элемент 4-го периода, 8-й группы. Это серебристо-серый, твёрдый и прочный металл с металлическим блеском; он проводит тепло и электрический ток и притягивается магнитом. Железо используют в сплавах и конструкциях, потому что оно сочетает прочность с возможностью обработки. На влажном воздухе оно постепенно ржавеет.
Соединение железа(II) содержит катион Fe²⁺, а соединение железа(III) — катион Fe³⁺. Эти обозначения показывают заряд иона железа и помогают правильно составлять формулы. Например, сульфат железа(II) имеет формулу FeSO₄, а хлорид железа(III) — FeCl₃. Заряды катионов должны уравновешиваться зарядами остальных ионов.
Оксид железа(II) — соединение FeO, а оксид железа(III) — Fe₂O₃; оба вещества состоят из железа и кислорода. Гидроксид железа(II) имеет формулу Fe(OH)₂, а гидроксид железа(III) — Fe(OH)₃. Группы OH⁻ в формулах гидроксидов уравновешивают заряд катиона железа. Степень окисления подсказывает, сколько таких групп нужно для нейтральной формулы.
В атоме железа электроны занимают 3d- и 4s-подуровни: его электронную конфигурацию записывают как [Ar] 3d⁶ 4s². При химических превращениях железо может отдавать два электрона и образовывать Fe²⁺ или отдавать три и образовывать Fe³⁺. Поэтому в соединениях встречаются степени окисления +2 и +3. Именно изменение числа отданных электронов объясняет разнообразие формул и свойств соединений железа.
Железо проявляет свойства металла, потому что его атомы способны отдавать электроны и переходить в катионы. С неметаллами оно реагирует при нагревании: например, с серой образует FeS, а с хлором — FeCl₃. С холодной водой железо практически не реагирует, но с водяным паром при нагревании образует смешанный оксид и водород: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂. Условия реакции влияют на её продукты.
FeO и Fe₂O₃ — твёрдые оксиды с разными степенями окисления железа: +2 и +3 соответственно. Их можно получить при окислении железа в подходящих условиях, а с кислотами они образуют соли и воду: FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O; Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O. В Fe₃O₄ часть железа имеет степень окисления +2, а часть +3, поэтому его называют оксидом железа(II, III). Соляная кислота переводит его железо в соли двух типов: Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O.
Гидроксиды получают, добавляя щёлочь к раствору соли железа: катионы соединяются с OH⁻, а малорастворимое вещество выпадает в осадок. Из Fe²⁺ образуется светло-зелёный Fe(OH)₂, из Fe³⁺ — бурый Fe(OH)₃. При нагревании гидроксиды разлагаются: Fe(OH)₂ → FeO + H₂O, а 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O. Fe(OH)₂ на воздухе постепенно окисляется и меняет окраску на бурую.
Качественная реакция — превращение с заметным признаком, позволяющее обнаружить определённые ионы. При добавлении раствора щёлочи к Fe²⁺ появляется светло-зелёный осадок Fe(OH)₂, а к Fe³⁺ — бурый осадок Fe(OH)₃. Причина окрашивания в том, что образуются разные гидроксиды железа с разным составом. Чтобы результат был надёжнее, осадок рассматривают сразу: Fe(OH)₂ может потемнеть и побуреть на воздухе.
| Соединение | Формула | Степень окисления железа | Основные свойства и признаки | Пример реакции |
|---|---|---|---|---|
| Оксид железа(II) | FeO | +2 | Основный оксид; с кислотами образует соль железа(II) и воду. | FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O |
| Оксид железа(III) | Fe₂O₃ | +3 | Основный оксид; с кислотами образует соль железа(III) и воду. | Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O |
| Оксид железа(II, III) | Fe₃O₄ | +2 и +3 | Содержит железо в двух степенях окисления; с кислотой даёт соли обоих типов. | Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O |
| Гидроксид железа(II) | Fe(OH)₂ | +2 | Светло-зелёный малорастворимый осадок; на воздухе буреет. | FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl |
| Гидроксид железа(III) | Fe(OH)₃ | +3 | Бурый малорастворимый осадок; при нагревании разлагается. | FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl |
Сначала по названию определите степень окисления железа, затем проверьте, соответствует ли ей формула. По столбцу признаков можно сравнить вещества, а реакции показывают типичные способы их получения или взаимодействия. Стрелка вниз у формулы означает образование осадка.
Составьте уравнение реакции железа с хлором и укажите степень окисления железа в продукте. При взаимодействии металла с неметаллом образуется бинарное соединение. Хлор в таких соединениях имеет степень окисления −1, поэтому для нейтральной формулы нужно подобрать число атомов хлора к заряду железа. При реакции с хлором образуется хлорид железа(III).
Ответ: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃; степень окисления железа в продукте равна +3. Проверка баланса атомов подтверждает коэффициенты: с каждой стороны по 2 атома Fe и 6 атомов Cl. Электронный баланс объясняет, почему железо окисляется до Fe³⁺.
К растворам FeCl₂ и FeCl₃ добавили раствор NaOH. Нужно установить, какие малорастворимые гидроксиды образуются, и отличить их по признакам. Ион OH⁻ соединяется с катионом железа, а Na⁺ и Cl⁻ остаются в растворе и образуют NaCl. Число гидроксид-ионов зависит от заряда иона железа.
Ответ: в первой пробирке образуется светло-зелёный осадок Fe(OH)₂, во второй — бурый Fe(OH)₃. Это качественные признаки ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. Осадок Fe(OH)₂ при контакте с воздухом со временем может побуреть.
Вещество X при реакции с соляной кислотой образует FeCl₃ и воду. По продуктам можно установить, что X содержит железо(III), но одного такого условия недостаточно, чтобы однозначно выбрать между Fe₂O₃ и Fe(OH)₃: оба вещества дают эти продукты. Поэтому запишем уравнения для обоих возможных вариантов. Затем подберём реакцию, которая обнаруживает Fe³⁺ в растворе.
Ответ: по условию X может быть Fe₂O₃ или Fe(OH)₃, однозначно выбрать одно вещество нельзя. Для распознавания Fe³⁺ используют раствор щёлочи: выпадение бурого Fe(OH)₃ подтверждает наличие этих ионов. При записи реакций нужно проверить и состав продуктов, и баланс атомов.
Ошибка — считать, что железо образует только Fe²⁺. Такое представление возникает, если запомнить формулу FeO или один пример соли и принять его за общее правило. Железо также часто образует Fe³⁺, например в Fe₂O₃ и FeCl₃. Проверяйте степень окисления по формуле: сумма степеней окисления атомов в нейтральном веществе равна нулю.
FeO и Fe₂O₃ нередко путают из-за похожих названий. Индексы в формулах не произвольны: кислород обычно имеет степень окисления −2, поэтому для FeO железо равно +2, а для Fe₂O₃ — +3. Если сомневаетесь, умножьте число атомов каждого элемента на его степень окисления и проверьте сумму. Она должна равняться нулю.
Можно перепутать осадки Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ или не учесть изменение их окраски на воздухе. Это происходит, если опираться только на цвет, не проверяя формулу и заряд катиона. Fe(OH)₂ обычно светло-зелёный, но при окислении буреет; Fe(OH)₃ бурый изначально. Рассматривайте свежий осадок и связывайте его цвет с реакцией иона.
При добавлении щёлочи к соли железа иногда записывают растворимый продукт вместо осадка. Ошибку допускают, перенося на эти вещества правило о растворимых солях натрия и забывая, что гидроксиды железа малорастворимы. Запишите формулу Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃ и проверьте число групп OH⁻ по заряду железа. В уравнении обозначьте осадок стрелкой вниз и уравняйте оставшиеся ионы.
Для понимания темы нужны знания о строении атома и периодической системе: они объясняют, почему железо относят к d-элементам и как возникают его степени окисления. Также понадобятся правила составления формул, представления о валентности и классах неорганических веществ. Позже эти знания помогут разбирать коррозию металлов, окислительно-восстановительные реакции и качественный анализ ионов. Например, изменение окраски осадка связано с превращением железа в соединении.
Почему железо относят к d-элементам?
В атоме железа заполняется d-подуровень: его электронная конфигурация — [Ar] 3d⁶ 4s². Такие элементы расположены в центральной части периодической системы, между s- и p-элементами.
Какие степени окисления наиболее характерны для железа?
Для железа наиболее характерны степени окисления +2 и +3. Им соответствуют катионы Fe²⁺ и Fe³⁺ в соединениях.
Чем отличаются оксиды FeO и Fe₂O₃?
В FeO железо имеет степень окисления +2, а в Fe₂O₃ — +3. Поэтому при реакции с кислотами эти оксиды образуют разные соли: соответственно соли железа(II) и железа(III).
Как различить гидроксиды железа(II) и железа(III)?
При добавлении щёлочи Fe(OH)₂ выпадает в виде светло-зелёного осадка, а Fe(OH)₃ — бурого. Осадок Fe(OH)₂ на воздухе постепенно окисляется и буреет.
Какие реакции используют для обнаружения ионов железа в растворе?
К раствору добавляют щёлочь: ионы Fe²⁺ дают светло-зелёный осадок Fe(OH)₂, а Fe³⁺ — бурый осадок Fe(OH)₃. Окраска и изменение осадка при контакте с воздухом помогают определить, какие ионы присутствуют.
§ 54. Металлы, принадлежащие к d-элементам. Железо и его важнейшие соединения
