"Химия. Профильный уровень (в 2 частях)", Кузнецова Н.Е., Литвинова Т.Н., Лёвкин А.Н.
Железо — переходный металл, который образует соединения со степенями окисления +2 и +3. От того, с каким веществом и при каких условиях оно реагирует, зависит состав продукта: например, с разбавленной соляной кислотой получается соль Fe(II), а с хлором — соединение Fe(III). Свойства оксидов, гидроксидов и солей железа помогают распознавать ионы в растворе, объяснять превращения веществ и понимать, почему влажный воздух вызывает коррозию.
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. В его атоме 26 протонов и электронов; электронное строение внешней части атома — 3d⁶4s². В соединениях особенно часто встречаются степени окисления +2 и +3, поэтому различают соединения железа(II) и железа(III).
Оксид железа(II) FeO — соединение железа со степенью окисления +2 и кислорода со степенью окисления −2. Это твёрдое вещество, проявляющее основные свойства: с кислотами оно образует соли Fe(II) и воду. Например, FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O.
Оксид железа(III) Fe₂O₃ содержит железо со степенью окисления +3. Это твёрдый оксид, который реагирует с кислотами с образованием солей Fe(III) и воды, например Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O. Состав оксида подсказывает, какая соль получится в реакции.
Гидроксид железа(III) Fe(OH)₃ — малорастворимое соединение железа со степенью окисления +3. Он выпадает из раствора в виде бурого осадка и реагирует с кислотами, образуя соль Fe(III) и воду. Его образование используют как качественный признак присутствия ионов Fe³⁺.
Атом железа способен отдавать электроны внешних подуровней, поэтому образует положительные ионы и проявляет металлические свойства. При потере двух электронов появляется ион Fe²⁺, а при потере ещё одного — Fe³⁺. Какой ион окажется в продукте, зависит от окислителя, силы реагента и условий реакции.
При реакциях с неметаллами продукты могут различаться, потому что неметаллы по-разному принимают электроны. Например, при достаточном количестве хлора железо образует FeCl₃: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃, и его степень окисления становится +3. С разбавленной соляной кислотой железо вытесняет водород и обычно даёт FeCl₂: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂; здесь железо переходит в +2.
Оксиды и гидроксиды железа(II) и железа(III) связаны превращениями, в которых меняется степень окисления металла. Основные оксиды реагируют с кислотами: FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O, а Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O. Гидроксид Fe(II) на воздухе окисляется: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃, поэтому соединение железа(II) может постепенно перейти в соединение железа(III).
Ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ различают с помощью гидроксид-ионов, добавляя к раствору щёлочь. Для Fe²⁺ сокращённое ионное уравнение имеет вид Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓, а для Fe³⁺ — Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓. Первый осадок светло-зелёный, второй бурый; если Fe(OH)₂ соприкасается с воздухом, он окисляется и буреет.
Коррозия — разрушение металла под действием окружающей среды. Во влажном воздухе железо взаимодействует с водой и кислородом; в результате постепенно образуются продукты ржавления. Влага создаёт среду, в которой легче протекают электрохимические процессы, а растворённые соли или кислоты часто ускоряют их; окраска и скорость разрушения зависят от условий.
| Вещество или частица | Степень окисления железа | Внешний вид или характерный признак | Характерные свойства и реакции |
|---|---|---|---|
| Fe | 0 | Серебристо-серый металл | С кислотами может выделять H₂; с хлором образует FeCl₃ |
| FeO и Fe₂O₃ | +2 и +3 | Твёрдые оксиды | Реагируют с кислотами с образованием солей и воды |
| Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ | +2 и +3 | Светло-зелёный и бурый осадки соответственно | Получаются при добавлении OH⁻ к растворам солей; Fe(OH)₂ окисляется на воздухе |
| Соли Fe(II) и Fe(III) | +2 и +3 | Растворы могут иметь разную окраску | С щёлочью дают Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃ |
Сначала найдите в таблице степень окисления железа, затем сопоставьте её с формулой и признаком вещества. Цвет осадка помогает отличить Fe(II) от Fe(III), а уравнение реакции показывает, что именно образуется. Помните, что оттенок раствора зависит от состава и концентрации, поэтому надёжнее опираться на реакцию осаждения.
Задача 1. Составьте уравнения реакций железа с хлором и разбавленной соляной кислотой, укажите степени окисления железа. Чтобы определить продукты, учитываем: хлор окисляет железо до +3, а разбавленная неокисляющая кислота обычно переводит его в +2. После этого подбираем коэффициенты и проверяем баланс атомов.
Ответ: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃, Fe: 0 → +3; Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂, Fe: 0 → +2. Разные продукты объясняются тем, что реагенты по-разному принимают электроны.
Задача 2. К раствору соли железа(III) добавили раствор щёлочи. Запишите молекулярное и сокращённое ионное уравнения и укажите признак реакции. Возьмём раствор хлорида железа(III) и гидроксид натрия; ионы Na⁺ и Cl⁻ не участвуют в образовании осадка, поэтому в сокращённом уравнении их не записывают.
Ответ: молекулярное уравнение — FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl; сокращённое ионное — Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓. Признак реакции — появление бурого осадка гидроксида железа(III).
Задача 3. Смесь FeO и Fe₂O₃ массой 20,0 г полностью восстановили угарным газом до железа и получили 14,0 г металла. Найдите массовую долю FeO. Обозначим массу FeO через x г, тогда масса Fe₂O₃ равна 20,0 − x г. По уравнениям реакций найдём, какая доля каждого оксида приходится на железо.
Ответ: массовая доля FeO — 0%. Это предельный случай: 20,0 г чистого Fe₂O₃ дают 14,0 г Fe; добавление FeO увеличило бы массу железа, поскольку доля железа в FeO выше.
Ошибка — считать, что железо всегда образует только Fe²⁺ или только Fe³⁺. Так думают, если запоминают отдельную реакцию и переносят её на все случаи; в действительности степень окисления зависит от реагента и условий. Перед записью продукта проверьте, какой реагент принимает электроны и какая степень окисления железа для этой реакции характерна.
Ошибка — путать цвета осадков: Fe(OH)₂ обычно светло-зелёный, а Fe(OH)₃ бурый. Путаница возникает из-за того, что светло-зелёный осадок Fe(OH)₂ на воздухе постепенно буреет при окислении. Проверяйте и формулу, и условия наблюдения: свежий Fe(OH)₂ отличается от уже окислившегося осадка.
Ошибка — записывать формулы гидроксидов, не учитывая заряд иона железа. Число групп OH⁻ должно уравновешивать заряд катиона: Fe²⁺ связывает две группы, а Fe³⁺ — три. Для самопроверки сложите заряды в формуле: Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ в целом нейтральны.
Ошибка — называть коррозией любое взаимодействие железа с кислотой. Реакция железа с кислотой — конкретный химический процесс, а коррозией называют разрушение металла под действием окружающей среды. Проверьте, описываете ли вы разовое взаимодействие с реагентом или постепенное разрушение металла в условиях эксплуатации.
Для изучения железа понадобятся знания о строении атома, электронных оболочках и степенях окисления. Они помогают понять, почему один и тот же металл образует ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ и как составить формулы его соединений. Связь заряда иона с числом групп OH⁻ позволяет правильно записывать формулы Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃.
Реакции железа с хлором, кислотами и кислородом относятся к окислительно-восстановительным: в них меняются степени окисления атомов. Осаждение гидроксидов используют в качественном анализе для распознавания ионов в растворе. Эти приёмы пригодятся при изучении других металлов и при составлении ионных уравнений.
Почему железо образует соединения со степенями окисления +2 и +3?
У атома железа на внешних энергетических уровнях есть электроны, которые он может отдавать при образовании соединений. В зависимости от партнёра по реакции и условий железо отдаёт два или три электрона, поэтому характерны степени окисления +2 и +3.
Чем отличаются реакции железа с разбавленной кислотой и с хлором?
С разбавленной неокисляющей кислотой железо обычно образует соль Fe(II) и выделяет водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. При взаимодействии с хлором железо окисляется до Fe(III): 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.
Как различить ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ в растворе?
К раствору добавляют щёлочь или раствор, содержащий гидроксид-ионы. Ионы Fe²⁺ дают светло-зелёный осадок Fe(OH)₂, а Fe³⁺ — бурый осадок Fe(OH)₃.
Почему осадок Fe(OH)₂ со временем буреет?
На воздухе гидроксид железа(II) окисляется кислородом. При этом железо переходит из степени окисления +2 в +3, и образуется бурый гидроксид железа(III).
Какие условия ускоряют коррозию железа и как её предотвратить?
Коррозия быстрее идёт при наличии влаги и кислорода, а растворённые соли и кислоты могут дополнительно ускорять разрушение металла. Железо защищают покрытиями, смазками или другими способами, которые изолируют его поверхность от окружающей среды.
§ 51. Железо. Соединения железа
