"Химия (углублённый уровень)", Пузаков С.А., Машнина Н.В., Попков В.А.
Железо образует соединения преимущественно со степенями окисления +2 и +3. Поэтому его оксиды и гидроксиды имеют разный состав, цвет и химические свойства: FeO и Fe(OH)₂ соответствуют Fe(II), а Fe₂O₃ и Fe(OH)₃ — Fe(III). Особое соединение Fe₃O₄ содержит оба варианта железа. Знание этих веществ помогает распознавать ионы в растворах, составлять уравнения реакций и понимать процессы коррозии и металлургии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Оксид железа(II) — соединение FeO, в котором железо имеет степень окисления +2. Это чёрное твёрдое вещество с основными свойствами: оно реагирует с кислотами с образованием соли железа(II) и воды. Формула показывает соотношение Fe²⁺ и O²⁻ один к одному.
Оксид железа(III) имеет формулу Fe₂O₃, а степень окисления железа в нём равна +3. Он отличается от FeO и составом, и цветом: обычно это красно-бурое твёрдое вещество. Такая формула нужна, чтобы учитывать два иона Fe³⁺ и три иона O²⁻, суммарные заряды которых взаимно компенсируются.
Гидроксид железа(II) — Fe(OH)₂, малорастворимое основание железа(II). Его получают в виде светлого зеленоватого осадка при смешивании раствора соли Fe(II) со щёлочью. На воздухе вещество легко окисляется, поэтому его цвет и состав со временем меняются.
Гидроксид железа(III) — Fe(OH)₃, малорастворимое основание железа(III). При осаждении он образует красно-бурый или бурый студенистый осадок и реагирует с кислотами. По цвету осадка Fe(OH)₃ часто отличают от свежего Fe(OH)₂.
Железо образует разные степени окисления потому, что при химических превращениях могут участвовать не только электроны внешнего уровня, но и электроны близкого к нему уровня. Отдача двух электронов приводит к образованию Fe²⁺, а отдача трёх — Fe³⁺. Поэтому в формулах оксидов и гидроксидов меняется количество анионов, необходимое для электронейтральности вещества.
В FeO заряд Fe²⁺ компенсируется одним O²⁻, а в Fe₂O₃ два иона Fe³⁺ уравновешивают три иона O²⁻. Это отражается не только на индексах, но и на свойствах соединений: FeO относят к основным оксидам железа(II), а Fe₂O₃ — к оксидам железа(III). Fe₃O₄ можно представить как FeO·Fe₂O₃, поэтому в нём одновременно присутствуют железо(II) и железо(III).
Гидроксиды получают реакцией обмена между растворимой солью железа и щёлочью. Ионы Fe²⁺ или Fe³⁺ соединяются с гидроксид-ионами, а малорастворимый продукт выпадает в осадок. Для Fe(II) уравнение имеет вид FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄, а для Fe(III): FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.
Цвет осадка связан с составом и электронной структурой соединения, поэтому он служит простым признаком при распознавании. Свежий Fe(OH)₂ обычно имеет белый с зеленоватым оттенком цвет, но быстро темнеет; Fe(OH)₃ даёт бурый осадок. Наблюдение нужно проводить сразу и учитывать, что кислород воздуха изменяет Fe(II) на Fe(III).
Гидроксиды железа проявляют основные свойства, поэтому нейтрализуют кислоты. Fe(OH)₂ + 2HCl → FeCl₂ + 2H₂O, а Fe(OH)₃ + 3HCl → FeCl₃ + 3H₂O. Окислительно-восстановительное превращение Fe(II) на воздухе выражается уравнением 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃: железо повышает степень окисления с +2 до +3, а кислород восстанавливается.
Таблица помогает сопоставить степень окисления железа, внешний вид и характерные реакции веществ. По формуле можно проверить состав, а по цвету осадка или твёрдого вещества — предположить, какое соединение образовалось. Для Fe₃O₄ следует отдельно помнить о смешанной степени окисления.
| Соединение | Степень окисления Fe | Внешний вид | Характерное свойство или получение |
|---|---|---|---|
| FeO | +2 | Чёрное твёрдое вещество | Основный оксид, реагирует с кислотами |
| Fe₂O₃ | +3 | Красно-бурое твёрдое вещество | Оксид железа(III), реагирует с кислотами |
| Fe₃O₄ | +2 и +3 | Чёрное вещество | Магнетит, смешанный оксид FeO·Fe₂O₃ |
| Fe(OH)₂ | +2 | Светлый зеленоватый осадок | Осаждается щёлочью, окисляется воздухом |
| Fe(OH)₃ | +3 | Красно-бурый осадок | Осаждается щёлочью, реагирует с кислотами |
При работе с таблицей сначала определите степень окисления Fe, затем проверьте индексы по зарядам ионов. В опыте с растворами дополнительным признаком становится образование и цвет осадка.
Условие: записать формулы оксидов железа со степенями окисления +2 и +3. Нужно не угадывать индексы, а подобрать их так, чтобы общий заряд соединения был равен нулю.
Ответ: оксид железа(II) — FeO, оксид железа(III) — Fe₂O₃. Проверка: в каждой формуле сумма степеней окисления равна нулю.
Условие: составить уравнения получения Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ из растворимых солей железа действием щёлочи. Выберем FeSO₄ и FeCl₃, потому что эти соли растворимы в воде.
Ответ: Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ получают реакцией обмена с щёлочью. Стрелка вниз показывает выпадение малорастворимого гидроксида.
Условие: к осадку Fe(OH)₂ допустили воздух, а затем добавили кислоту. Нужно описать изменения и записать уравнения реакций с учётом превращения железа(II) в железо(III).
Ответ: осадок меняет цвет с зеленоватого на бурый, затем растворяется в кислоте. Продуктом кислотной реакции становится FeCl₃.
Путать FeO и Fe₂O₃. Ошибка возникает, если не учитывать степень окисления железа. Проверьте формулу по зарядам: Fe²⁺ и O²⁻ дают FeO, а Fe³⁺ и O²⁻ — Fe₂O₃.
Считать Fe₃O₄ соединением только Fe(II) или только Fe(III). Такой вывод не согласуется с его составом и свойствами. Представьте формулу как FeO·Fe₂O₃ и увидите обе степени окисления.
Считать Fe(OH)₂ устойчивым на воздухе. Осадок быстро окисляется кислородом, поэтому его внешний вид меняется. Проверяйте, не присутствует ли в условии доступ воздуха, и помните уравнение 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃.
Неверно расставлять коэффициенты при осаждении. В Fe(OH)₂ нужно два OH⁻, а в Fe(OH)₃ — три. Сначала уравняйте гидроксид-ионы и металл, затем проверьте все атомы и заряды.
Для изучения соединений железа нужны степени окисления и составление формул по зарядам ионов. Реакции с щёлочами опираются на обмен и образование осадка, а реакции с кислотами — на кислотно-основную нейтрализацию.
Окисление Fe(OH)₂ связывает тему с окислительно-восстановительными реакциями. Эти знания применяют при распознавании ионов железа в растворах, изучении металлургии, коррозии и способов защиты железа.
Почему железо образует соединения с разными степенями окисления?
У атома железа электроны внешнего и предвнешнего уровней могут участвовать в образовании химических связей. Поэтому железо сравнительно легко образует катионы Fe²⁺ и Fe³⁺, которым соответствуют степени окисления +2 и +3.
Чем FeO отличается от Fe₂O₃?
В FeO железо имеет степень окисления +2, а в Fe₂O₃ — +3. FeO обычно представляет собой чёрное твёрдое вещество, тогда как Fe₂O₃ — красно-бурый оксид; их формулы и реакции с веществами различаются.
Как получить гидроксид железа(II) в лаборатории?
К раствору растворимой соли железа(II), например FeSO₄, добавляют раствор щёлочи. Образуется осадок Fe(OH)₂: FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄. Реакцию проводят по возможности без доступа воздуха, поскольку осадок окисляется.
Почему осадок Fe(OH)₂ меняется на воздухе?
Железо(II) в составе Fe(OH)₂ окисляется кислородом воздуха до железа(III). Поэтому первоначальный светлый зеленоватый осадок постепенно темнеет и превращается в бурый Fe(OH)₃.
Как по формуле Fe₃O₄ понять, что железо в нём имеет две степени окисления?
Формулу можно представить как FeO·Fe₂O₃. В одной части железо имеет степень окисления +2, а в другой — +3, поэтому Fe₃O₄ называют смешанным оксидом железа(II,III), или магнетитом.
24.2. Соединения железа
