"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Железо образует соединения главным образом со степенями окисления +2 и +3. Поэтому важнейшие его вещества — оксиды FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄, гидроксиды Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃, а также многочисленные соли. Состав этих соединений определяется зарядом иона железа. Знание их формул и свойств помогает понимать окислительно-восстановительные реакции, получение железа из руд и превращения веществ при коррозии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид железа(II) FeO содержит железо со степенью окисления +2, а оксид железа(III) Fe₂O₃ — со степенью окисления +3. FeO проявляет основные свойства, Fe₂O₃ также реагирует с кислотами, но отличается составом и более устойчивым состоянием железа. Эти формулы нужны, чтобы связывать свойства оксида с зарядом иона железа.
Оксид железа(II, III) Fe₃O₄ содержит железо сразу в двух степенях окисления: +2 и +3. Его состав удобно записывать как FeO·Fe₂O₃, то есть как соединение двух оксидов. Поэтому Fe₃O₄ нельзя считать только оксидом железа(II) или только оксидом железа(III).
Гидроксид железа(II) имеет формулу Fe(OH)₂, а гидроксид железа(III) — Fe(OH)₃. Они соответствуют оксидам FeO и Fe₂O₃ и образуются при взаимодействии солей железа со щёлочами. Число групп OH⁻ определяется зарядом катиона Fe²⁺ или Fe³⁺.
Соединения железа(II) содержат катион Fe²⁺, а соединения железа(III) — катион Fe³⁺. Поэтому соли имеют разный состав: например, FeCl₂ и FeCl₃, FeSO₄ и Fe₂(SO₄)₃. Степень окисления влияет не только на формулу, но и на способность соединения к окислительно-восстановительным превращениям.
Железо образует соединения главным образом со степенями окисления +2 и +3, потому что при химических реакциях оно сравнительно легко отдаёт два или три электрона. Эти состояния достаточно устойчивы в обычных условиях, поэтому им соответствуют основные классы соединений. Заряд катиона сразу определяет число анионов в формуле: Fe²⁺ соединяется с двумя OH⁻, а Fe³⁺ — с тремя.
Оксиды железа получают разными способами, и состав зависит от количества кислорода, температуры и условий реакции. При нагревании гидроксид железа(II) без доступа воздуха можно получить FeO, а из гидроксида железа(III) образуется Fe₂O₃. При взаимодействии железа с кислородом часто формируется Fe₃O₄, поскольку часть атомов железа окисляется до +2, а часть — до +3.
FeO и Fe₂O₃ реагируют с кислотами, потому что оксид-ионы связывают ионы водорода с образованием воды. Например, FeO даёт соль железа(II), а Fe₂O₃ — соль железа(III). При нагревании оксиды можно восстановить угарным газом или углеродом: восстановитель забирает кислород, и образуется металлическое железо.
Гидроксиды получают реакцией обмена между растворимой солью железа и щёлочью. Они выпадают в осадок, так как Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ практически нерастворимы в воде; это связано с прочной кристаллической решёткой и малой растворимостью веществ. Баланс зарядов объясняет состав осадка: Fe²⁺ требует две группы OH⁻, а Fe³⁺ — три.
Соединения железа(II) могут окисляться кислородом воздуха до соединений железа(III), поскольку Fe²⁺ отдаёт электрон и превращается в Fe³⁺. Поэтому свежий осадок Fe(OH)₂ постепенно изменяется при контакте с воздухом. В результате появляются соединения железа(III), обычно имеющие бурый цвет, и первоначальная окраска осадка становится другой.
| Соединение | Формула | Внешний вид | Характерные свойства | Получение или характерная реакция |
|---|---|---|---|---|
| Оксид железа(II) | FeO | Чёрный порошок | Основный оксид; реагирует с кислотами, восстанавливается до Fe | Fe(OH)₂ → FeO + H₂O при нагревании без воздуха |
| Оксид железа(III) | Fe₂O₃ | Красно-бурый порошок | Реагирует с кислотами; восстанавливается угарным газом | 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O |
| Оксид железа(II, III) | Fe₃O₄ | Чёрное твёрдое вещество | Смешанный оксид; содержит Fe²⁺ и Fe³⁺ | 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ |
| Гидроксид железа(II) | Fe(OH)₂ | Светлый зеленоватый осадок | Нерастворим; легко окисляется воздухом | FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl |
| Гидроксид железа(III) | Fe(OH)₃ | Бурый осадок | Нерастворим; при нагревании разлагается на Fe₂O₃ и воду | FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl |
Таблица помогает сопоставить степень окисления железа, формулу вещества и его внешний вид. При решении задач сначала определяйте ион железа, затем проверяйте баланс зарядов и выбирайте подходящую реакцию получения или превращения.
Условие: запишите уравнение реакции Fe₂O₃ с соляной кислотой и назовите продукты. В оксиде железо имеет степень окисления +3, поэтому соль будет хлоридом железа(III). Реакция оксида с кислотой относится к обмену и приводит к образованию соли и воды.
Ответ: Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O. Образуются хлорид железа(III) и вода.
Условие: к раствору FeCl₃ добавили NaOH. Ионы Fe³⁺ и OH⁻ образуют нерастворимый бурый Fe(OH)₃, поэтому признаком реакции будет появление осадка. Для полной записи полезно составить молекулярное и сокращённое ионное уравнения.
Ответ: появляется бурый осадок гидроксида железа(III). Осадок подтверждает образование малорастворимого соединения.
Условие: из 16 г Fe₂O₃ угарным газом получают железо с выходом 80%. Сначала рассчитываем теоретическую массу железа, а затем уменьшаем её на 20%, которые соответствуют потерям. Уравнение реакции: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
Ответ: можно получить 8,96 г железа.
Путаница FeO и Fe₂O₃ возникает, когда формулу запоминают без связи со степенью окисления. В FeO заряд Fe²⁺ уравновешивает один O²⁻, а в Fe₂O₃ два Fe³⁺ уравновешивают три O²⁻. Проверяйте сумму зарядов: она должна быть равна нулю.
Иногда для обоих ионов записывают один гидроксид Fe(OH)₂ или Fe(OH)₃. Причина ошибки — невнимание к заряду катиона. Сосчитайте группы OH⁻: две нужны для Fe²⁺, три — для Fe³⁺.
Fe₃O₄ ошибочно считают соединением только железа(II) или только железа(III). На самом деле его можно представить как FeO·Fe₂O₃, поэтому в нём присутствуют обе степени окисления. Если формула не соответствует одному типу иона, проверьте смешанный состав.
Осадок Fe(OH)₂ иногда принимают за неизменное вещество. На воздухе Fe²⁺ окисляется кислородом до Fe³⁺, поэтому цвет и состав осадка постепенно меняются. Учитывайте контакт с воздухом, особенно если описываете наблюдения во времени.
Для изучения соединений железа нужны знания о степенях окисления, составлении формул солей и гидроксидов, а также об уравнивании реакций. Пригодятся свойства кислот, оснований, нерастворимых гидроксидов и реакции ионного обмена. Тема подготавливает к изучению окислительно-восстановительных реакций, коррозии железа и получения металлов из руд.
Чем отличаются оксиды железа(II) и железа(III)?
FeO содержит железо со степенью окисления +2, а Fe₂O₃ — со степенью окисления +3. FeO проявляет преимущественно основные свойства, тогда как Fe₂O₃ слабее реагирует с кислотами и при нагревании восстанавливается до железа.
Почему формула оксида железа(III) — Fe₂O₃?
Ион железа(III) имеет заряд +3, а оксид-ион — заряд −2. Наименьшее общее число зарядов равно 6: два иона Fe³⁺ дают +6, а три иона O²⁻ — −6, поэтому формула имеет вид Fe₂O₃.
Как получить гидроксид железа(III) из раствора его соли?
К раствору соли железа(III) добавляют раствор щёлочи, например NaOH. Выпадает бурый осадок Fe(OH)₃: Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓.
Почему осадок гидроксида железа(II) меняет цвет на воздухе?
Fe(OH)₂ легко окисляется кислородом воздуха, превращаясь в соединения железа(III). Поэтому первоначальный светлый или зеленоватый осадок постепенно темнеет и приобретает бурый оттенок.
Как определить, какой гидроксид образуется при реакции соли железа со щёлочью?
Сначала определяют степень окисления железа в исходной соли. Ион Fe²⁺ образует Fe(OH)₂, а ион Fe³⁺ — Fe(OH)₃; число гидроксид-ионов в формуле равно заряду катиона железа.
§ 56. Соединения железа
