Лабораторна робота 16

Тема: Хімічні властивості d-елементів VІІІ групи сімейства Феруму періодичної системи Д.І. Менделєєва

Мета та основні завдання:

• удосконалити знання студентів із структури, критеріїв періодичності періодичної системи Д.І. Менделєєва, особливостей будови атомів металів;

• удосконалити знання студентів з фізичних та хімічних властивостей металів; способів утворення та застосування металів;

• удосконалити уміння студентів складати молекулярні рівняння хімічних реакцій, рівняння окисно-відновних реакцій; іонні рівняння;

• удосконалити уміння студентів в розв’язанні задач за формулами та рівняннями;

• формувати у студентів уміння працювати в складі малих груп;

• формувати уміння студентів давати визначення поняттям;

• розвивати комунікативні уміння студентів;

• розвивати системне мислення студентів;

• розвивати професійні навички студентів в роботі з хімічними реактивами та хімічним обладнанням.

Прикладні задачі: розглянути особливості будови атомів d-елементів VІІІ групи сімейства Феруму ПС; фізичні та хімічні властивості простих і складних речовин, утворених d-елементами VІІІ групи сімейства Феруму ПС; способи утворення даних речовин; їх застосування.

Ключові поняття: d-електрон, d-елемент, метали, фізичні властивості металів, хімічні властивості металів, способи утворення металів, застосування металів.

1. Теоретична частина

   1. Загальна характеристика d-елементів vііі групи сімейства Феруму

До елементів VІІІ групи сімейства Феруму відносяться Ферум Fe, Кобальт Co, Нікель Ni. Дані елементи утворюють хімічні зв’язки за рахунок орбіталей зовнішнього і передзовнішнього електронних рівнів. У своїх сполуках елементи проявляють ступені окиснення +2, +3. В найбільш стійких сполуках Кобальт і Нікель проявляють ступінь окиснення +2, а Ферум +3. У атома Феруму, який має електронну формулу 3s²3p⁶3d⁶4s², валентні електрони заповнюють енергетичні рівні наступним чином:

3d⁶ 4s² 4р

При збудженні атома Феруму один із спарених 4s-електронів переходить на 4р-підрівень. В результаті цього у атома Феруму з’являється шість неспарених електронів. В цьому стані він може проявляти вищий ступінь окиснення +6.

Ферум – один з найбільш розповсюджених елементів в природі: вміст його в земній корі складає 5% (мас.). Кобальта і Нікелю в земній корі значно менше. Важливе значення мають мінерали Феруму: магнетит (магнітний залізняк) Fe₃О₄, гематит (червоний залізняк) Fe₂О₃, лімоніт (бурий залізняк

Fe₂О₃∙nН₂О, сидерит (залізний шпат) FeСО₃, пірит (залізний колчедан) FeS₂.

2. Властивості Феруму та його сполук

Хімічно чисте залізо – сріблясто-білий пластичний метал. Він легко намагнічується і розмагнічується. Густина – 7870 кг/м³. При 1539⁰С залізо плавиться, а при 2740⁰С кипить. Воно має високу ковкість, електричну провідність, теплопровідність.

Залізо високої чистоти стійке на повітрі і в воді внаслідок утворення на поверхні суцільної плівки оксидів. Але звичайне залізо, яке містить різноманітні домішки, в вологій атмосфері швидко покривається іржею:

4Fe + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe(ОН)₃.

В порошкоподібному стані залізо легко окислюється киснем повітря:

4Fe + 3О₂ = 2Fe₂О₃; 3Fe + 2О₂ = Fe₃О₄.

Воно легко взаємодіє з хлором, утворюючи FeCl₂, FeCl₃. При нагріванні залізо реагує з багатьма неметалами:

3Fe + С = Fe₃С; 2Fe + N₂ = 2FeN; Fe + S = FeS.

Залізо легко розчиняється в розбавлених хлоридній та сульфатній кислотах: Fe + 2НСl = FeСl₂ + H₂↑; Fe + Н₂SО₄ = FeSО₄ + H₂↑;

в концентрованій сульфатній кислоті – тільки при нагріванні:

2Fe + 6Н₂SО₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 3SО₂ + 6H₂О.

В концентрованій нітратній кислоті залізо пасивується, тому що покривається щільною плівкою нерозчинних оксидів.

Ферум (ІІ) оксид FeО – основний оксид, який являє собою кристали чорного кольору, не розчиняється у воді, але легко розчиняється в кислотах:

FeО + 2НСl = FeСl₂ + H₂О.

Солі Fe(ІІ) – сильні відновники: 2FeСl₂ + Сl₂ = 2FeСl₃.

На повітрі в присутності води вони поступово окислюються до солей Fe(ІІІ):

4FeSО₄ + О₂ + 2H₂О = 4Fe(ОН)SО₄

ферум (ІІІ) гідроксосульфат

Якщо до розчину солі Fe(ІІ) додати розчин лугу, то випадає осад зеленого кольору ферум (ІІ) гідроксид:

FeСl₂ + 2NаОН = Fe(ОН)₂↓ + 2NаСl.

Осад швидко темніє, стає чорним, а пізніше бурим. Відтак, Fe(ОН)₂ теж відновник: 4Fe(ОН)₂ + О₂ + 2H₂О = 4Fe(ОН)₃.

Ферум (ІІІ) оксид Fe₂О₃ – тверда порошкоподібна речовина червоно-бурого кольору. Оксид має слабко виражені амфотерні властивості. Він розчиняється в кислотах: Fe₂О₃ + 3Н₂SО₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 3H₂О.

Солі Fe(ІІІ) виступають окисниками:

2FeСl₃ + 2NаІ = 2FeСl₂ + 2NаСl + І₂;

2FeСl₃ + Fe = 3FeСl₂;

2FeСl₃ + Н₂S = 2FeСl₂ + S + 2НСl.

Під дією води солі Fe(ІІІ) підлягають гідролізу, утворюючи основні солі: FeСl₃ + Н₂О ⇄ Fe(ОН)Сl₂ + НСl.

Ферум проявляє помітну здатність до комплексоутворення. Із стійких комплексних сполук Феруму заслуговують на увагу жовта та червона кров’яні солі. Важливою властивістю цих солей є те, що вони виявляють катіони Феруму (ІІІ) та Феруму (ІІ) в якісних реакціях. Жовта кров’яна сіль К₄[Fe(CN)₆] - калій гексаціаноферат (ІІ) взаємодіє з катіонами Fe³⁺ в розчинах, утворюючи нерозчинну у воді комплексну сіль синього-зеленого кольору Fe₄[Fe(CN)₆]₃, яка називається берлінською блакиттю:

4FeСl₃ + 3К₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ + 12KСl.

Червона кров’яна сіль К₄[Fe(CN)₆] - калій гексаціаноферат (ІІІ) взаємодіє з катіонами Fe²⁺ в розчинах, утворюючи малорозчинну у воді комплексну сіль яскраво-синього кольору – турнбленову синь:

3FeСl₂ + 2К₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ + 6KСl.

Другою якісною реакцією на катіон Fe³⁺ є реакція з калій тіоціонатом KSCN або амоній тіоціонатом NH₄SCN. Утворюється комплексна сіль червоного кольору [Fe(SCN)₃]:

FeСl₃ + 3KSCN = [Fe(SCN)₃] + 3КСl.