"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Железо образует соединения, в которых чаще всего имеет степени окисления +2 и +3. От них зависят формулы его оксидов FeO и Fe₂O₃, а также гидроксидов Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃. Эти вещества помогают увидеть связь между зарядом частиц и составом формулы, а их реакции показывают свойства оснований и окисление железа. По цвету осадков можно различать гидроксиды железа.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Степень окисления железа — условный заряд атома в соединении, который помогает составить формулу и понять состав вещества. В рассматриваемых соединениях железо чаще всего имеет степени окисления +2 или +3. Например, запись железо(III) в названии означает Fe³⁺, а не число атомов железа.
Оксид железа(II) — соединение железа с кислородом, в котором железо имеет степень окисления +2. Его формула FeO: кислород имеет степень окисления −2, поэтому один атом Fe со степенью +2 уравновешивает один атом O. Число в названии помогает отличить это вещество от оксида железа(III).
Оксид железа(III) — соединение железа с кислородом, где железо имеет степень окисления +3; его формула Fe₂O₃. Два атома Fe дают суммарно +6, а три атома O — суммарно −6. Соотношение атомов нужно, чтобы общий заряд вещества стал равен нулю.
Гидроксид железа(III) — основание с формулой Fe(OH)₃, в котором железо имеет степень окисления +3. Каждая гидроксид-группа OH имеет заряд −1, поэтому для уравновешивания Fe³⁺ нужны три такие группы. Скобки показывают, что индекс 3 относится ко всей группе OH.
Формулу соединения составляют так, чтобы суммарный заряд всех частиц был равен нулю. Кислород в оксидах имеет степень окисления −2, поэтому для Fe²⁺ достаточно одного атома кислорода: FeO. Для Fe³⁺ наименьшее общее кратное зарядов 3 и 2 равно 6, значит, нужны два атома железа и три кислорода — Fe₂O₃.
В гидроксидах вместо отдельных атомов кислорода участвуют гидроксид-группы OH⁻ с зарядом −1. Поэтому к Fe²⁺ присоединяются две группы OH⁻ и получается Fe(OH)₂, а к Fe³⁺ — три группы и получается Fe(OH)₃. Оксиды и гидроксиды железа относят к основным соединениям, потому что они реагируют с кислотами. При этом ионы водорода кислоты связываются с кислородом или гидроксид-группами, образуя воду, а оставшиеся ионы дают соль.
Гидроксиды получают действием щёлочи на раствор соответствующей соли железа. Ионы Fe²⁺ или Fe³⁺ соединяются с OH⁻, а получившиеся гидроксиды почти не растворяются в воде и выпадают в осадок. Например, при смешивании раствора соли железа(II) со щёлочью возникает светло-зелёный Fe(OH)₂. Из соли железа(III) образуется бурый Fe(OH)₃.
Цвет осадка помогает распознать, какой гидроксид образовался. Свежий Fe(OH)₂ светло-зелёный, но постепенно буреет, потому что кислород воздуха окисляет железо со степенью +2 до степени +3. Превращение описывает уравнение: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Так изменение цвета связано с изменением степени окисления железа.
| Соединение | Формула | Степень окисления железа | Внешний вид | Характерное химическое свойство |
|---|---|---|---|---|
| Оксид железа(II) | FeO | +2 | Тёмный порошок | Реагирует с кислотами с образованием соли и воды |
| Оксид железа(III) | Fe₂O₃ | +3 | Красно-бурый порошок | Реагирует с кислотами с образованием соли и воды |
| Гидроксид железа(II) | Fe(OH)₂ | +2 | Светло-зелёный осадок, буреющий на воздухе | Реагирует с кислотами; окисляется кислородом воздуха |
| Гидроксид железа(III) | Fe(OH)₃ | +3 | Бурый осадок | Реагирует с кислотами; при нагревании разлагается |
Сначала сопоставьте степень окисления железа с формулой, а затем проверьте внешний вид и характерное свойство. Стрелка вниз в уравнении реакции означает, что вещество выпадает в осадок. Таблица позволяет сравнить соединения железа(II) и железа(III) и не смешивать их признаки.
Условие. Определите степень окисления железа в FeO, Fe₂O₃, Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ и объясните состав формул.
Ответ. Степени окисления железа в формулах по порядку: +2, +3, +2 и +3. Индексы и скобки показывают число атомов или целых гидроксид-групп, необходимое для электронейтральности соединения.
Условие. Составьте уравнения реакций FeCl₂ и FeCl₃ с раствором NaOH и укажите признаки реакций.
Ответ. Получаются два уравнения: FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl и FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl. Признаки реакций — появление осадков разного цвета: светло-зелёного и бурого.
Условие. Составьте цепочку Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ и запишите уравнения реакций.
Ответ. Цепочка включает окисление Fe(OH)₂ кислородом и последующее разложение Fe(OH)₃ при нагревании. Уравнения реакций: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃; 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O.
Ошибка: перепутать степени окисления +2 и +3, а затем неверно записать формулы. Так бывает, если ориентироваться только на название и не проверять баланс зарядов. Проверьте, что сумма степеней окисления в нейтральном веществе равна нулю: для Fe₂O₃, например, 2 · (+3) + 3 · (−2) = 0.
Ошибка: написать FeOH₂ вместо Fe(OH)₂. Индекс 2 должен относиться ко всей группе OH, а не только к атому водорода, поэтому группу заключают в скобки. Проверьте, сколько гидроксид-ионов нужно для уравновешивания заряда Fe²⁺: их два.
Ошибка: считать, что Fe(OH)₂ сразу имеет бурый цвет. Свежий осадок светло-зелёный, а бурый цвет появляется при окислении на воздухе; его часто путают с Fe(OH)₃. Проверьте не только цвет, но и то, менялся ли осадок со временем.
Ошибка: при реакции гидроксида с кислотой записать только соль и забыть о воде. Это происходит, если помнить о замене ионов, но не учитывать нейтрализацию кислотных частиц гидроксид-группами. Проверьте уравнение: для реакции основания с кислотой среди продуктов должны быть соль и вода, а число атомов и зарядов должно сохраняться.
Для составления формул соединений железа нужны правила определения степеней окисления и уравнивания зарядов ионов. Получение гидроксидов связано с реакциями обмена и умением различать растворимые вещества и осадки; реакции гидроксидов с кислотами относятся к нейтрализации. Окисление Fe(OH)₂ помогает подготовиться к изучению окислительно-восстановительных реакций, коррозии железа и качественного распознавания ионов металлов.
Как определить степень окисления железа по формуле соединения?
Сложите степени окисления всех атомов и групп с учётом их количества: в нейтральном веществе сумма равна нулю. Например, в Fe₂O₃ три атома кислорода дают −6, поэтому два атома железа вместе должны иметь +6, то есть каждый Fe имеет +3.
Почему формула оксида железа(III) — Fe₂O₃, а не FeO₃?
В оксиде железо имеет степень окисления +3, а кислород — −2. Чтобы уравнять заряды, нужны два атома Fe (+6) и три атома O (−6), поэтому формула — Fe₂O₃.
Как получить гидроксиды железа(II) и железа(III)?
К растворам солей железа(II) или железа(III) добавляют раствор щёлочи. Ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ соединяются с гидроксид-ионами OH⁻, образуя нерастворимые осадки Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃.
Почему осадок Fe(OH)₂ со временем становится бурым?
Кислород воздуха окисляет соединение железа(II) до соединения железа(III). В результате светло-зелёный Fe(OH)₂ постепенно превращается в бурый Fe(OH)₃.
Как отличить гидроксид железа(II) от гидроксида железа(III)?
Свежий Fe(OH)₂ образует светло-зелёный осадок, который со временем буреет на воздухе. Fe(OH)₃ сразу выпадает в виде бурого осадка.
§ 49. Соединения железа
