Хімічні властивості металів родини Феруму

Залізо, кобальт і нікель – метали середньої хімічної активності. Для них характерні ступені окиснення +2 і +3. Збільшення заряду ядра атомів цих елементів (тобто посилення притягання до нього електронів) зумовлює стабілізацію ступеня окиснення +2 у разі переходу від Fe до Ni. Отже, з металів родини Феруму найлегше виявляє ступінь окиснення +3 Ферум. Нікель здебільшого виявляє ступінь окиснення +2.

Як уже зазначалося, у тріаді Fe–Co–Ni найвищу хімічну активність виявляє Ферум. Технічне залізо, що містить різноманітні домішки, уже на вологому повітрі швидко вкривається шаром іржі (кородує):

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃.

Проте залізо високого ступеня чистоти на повітрі досить стійке.

У ряду Fe–Co–Ni найстійкіший проти корозії у водному середовищі нікель.

Під час нагрівання метали родини Феруму здатні безпосередньо сполучатися з сіркою, галогенами, киснем, фосфором:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (залізна окалина);

2Co + O₂ = 2CoO;

3Fe + C = Fe₃C;

Ni + S = NiS;

2Fe + N₂ = 2FeN.

Сухий хлор із залізом не взаємодіє, тому його зберігають у стальних балонах. За наявності вологи метали родини Феруму енергійно взаємодіють з хлором:

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃; Co + Cl₂ = CoCl₂; Ni + Cl₂ = NiCl₂.

Сульфіди металів родини Феруму мають чорне забарвлення, їм відповідає формула МеS.

Стійкий карбід Fe₃C утворюється лише у випадку феруму, карбід кобальту малостійкий, а карбіди нікелю невідомі.

З воднем метали родини Феруму не утворюють стехіометричних сполук, проте у високодисперсному стані вони здатні поглинати значні кількості водню. Найкраще вбирає водень нікель, який утворює продукт, близький за складом до NiH₂. Утворення таких металічних фаз зумовлює високу каталітичну активність металів родини Феруму, особливо нікелю.

Для Fe, Co i Ni характерне утворення карбонілів. Карбоніли Fe(CO)₅ i Co₂(CO)₈ добувають, діючи оксидом карбону (ІІ) на порошкоподібні метали за підвищеного тиску і температури 100–200 ^оС. Нікель утворює сполуку Ni(CO)₄ і за атмосферного тиску. У карбонілах Fe, Co i Ni виявляють формальний нульовий ступінь окиснення. Всі карбоніли дуже отруйні. Вони практично нерозчинні у воді, проте розчинні в органічних розчинниках.

Всі метали родини Феруму в ряду електрохімічних потенціалів розміщені до водню, тому вони розчиняються в кислотах-неокисниках з виділенням водню. Метали окиснюються при цьому до ступеня окиснення +2:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ +H₂;

Co + 2HCl = CoCl₂ +H₂.

Найлегше розчиняється в кислотах-неокисниках залізо, найважче – нікель. У концентрованих HNO₃ i H₂SO₄ залізо пасивується. У гарячій концентрованій сульфатній кислоті залізо розчиняється з виділенням сірчистого газу:

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O.

Метали родини Феруму стійкі проти дії розчинів і навіть розплавів лугів.

З розчинів солей ферум легко витісняє всі метали, які в ряду електрохімічних потенціалів розміщені правіше нього. При цьому за відсутності окисників утворюються солі феруму (ІІ):

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.

Відомо багато сполук Fe, Co i Ni, в яких ці метали виявляють ступінь окиснення +2. Найстійкішими серед них є сполуки Ni(II). Наприклад, свіжо­осаджений гідроксид феруму (ІІ) швидко окиснюється киснем повітря:

4Fe(OH)₂ + O₂ +2H₂O = 4Fe(OH)₃.

Подібна реакція з Со(OH)₂ майже не відбувається, а для Ni(OH)₂ взагалі неможлива. Добути Ni(OH)₃ можна тільки під дією дуже сильних окисників.

Отже, в ряду Fe–Co–Ni знижуються відновні властивості сполук Me²⁺. Найсильнішими відновниками є солі Fe(II).

Оксиди елементів родини Феруму у ступені окиснення +2: FeO, CoO i NiO – це основні оксиди, у воді практично нерозчинні. Відповідні їм гідроксиди отримують при дії лугів на солі Me²⁺:

FeCl₂ + 2KOH = Fe(OH)₂ + 2KCl.

Оксиди та гідроксиди Fe(II), Co(II) та Ni(II) розчиняються у сильних кислотах з утворенням солей:

FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O;

Co(OH)₂ + H₂SO₄ = CoSO₄ + 2H₂O;

Ni(OH)₂ + 2HNO₃ = Ni(NO₃)₂ + 2H₂O.

При розчиненні оксиду або гідроксиду феруму (ІІ) в нітратній кислоті утворюється нітрат феруму (ІІІ), оскільки нітратна кислота є сильним окисником:

3FeO + 10HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 5H₂O.

У водних розчинах іони Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ утворюють аквакомплекси складу [E(H₂O)₆]²⁺, кожен з яких має певне забарвлення: [Fe(H₂O)₆]²⁺ – світло-зелене, [Co(H₂O)₆]²⁺ – рожеве, а [Ni(H₂O)₆]²⁺ – зелене. Такий же колір мають кристало­гідрати відповідних солей.

Для кобальту (ІІ) також характерне координаційне число 4, відповідні координаційні сполуки Со²⁺ мають яскраво-синє забарвлення.

Крім молекул води, іони Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ можуть координувати навколо себе молекули аміаку, амінів та інших сполук. У ряду Fe–Co–Ni зростає стійкість комплексних аміакатів [Me(NH₃)₆]²⁺. Завдяки утворенню аміакату [Ni(NH₃)₆]²⁺ гідроксид нікелю (ІІ) легко розчиняється у водному розчині аміаку:

Ni(OH)₂ + 6NH₃ = [Ni(NH₃)₆](OH)₂.

Найстійкішими комплексними сполуками Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺ є комплексні ціаніди. У лабораторній практиці широко використовується гексаціаноферат (ІІ) калію K₄[Fe(CN)₆] (жовта кров’яна сіль). При взаємодії іона [Fe(CN)₆]³⁺ з іонами Fe³⁺ утворюється синій осад “берлінської блакиті”:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe)CN)₆] + 12KCl.

За цією реакцією аналітично виявляють іони Fe³⁺.

Також широко застосовується в лабораторній практиці подвійна сіль феруму (ІІ) і амонію (NH₄)₂SO₄  FeSO₄  6H₂O (сіль Мора). Цю сіль використовують як джерело іонів Fe²⁺.

Як уже зазначалося, серед металів родини Феруму ступінь окиснення +3 найчастіше виявляє Ферум.

Сполуки Fe³⁺ отримують при дії окисників на металічне залізо або окисненням сполук Феруму(ІІ). Так, під дією хлору на залізо утворюється хлорид феруму (ІІІ).

Особливо легко процес окиснення відбувається у лужному середовищі: Fe(OH)₂ уже в момент утворення починає переходити в Fe(OH)₃. Солі феруму (ІІ) також можуть окиснюватися у кислому середовищі:

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ = 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O.

Солі Fe(ІІ) при зберіганні на повітрі окиснюються до солей Fe(ІІІ).

Солі Со(ІІ) стійкі, окиснюються лише в лужному середовищі, а солі Nі(II) – лише у сильнолужному середовищі. Під час окиснення солей Ме(ІІ) у лужному середовищі утворюються малорозчинні гідроксиди: бурий Fe(OH)₃, коричнево-бурий Со(ОН)₃ і чорний Ni(OH)₃. Формули гідроксидів Me(OH)₃ умовні, їх слід записувати як Ме₂O₃  nH₂O.

Гідроксид нікелю(ІІІ) є досить сильним окисником.

Під час нагрівання Fe(OH)₃ утворюється червоно-коричневий оксид феруму(ІІІ) Fe₂O₃. При нагріванні до температури понад 1400 ^оС він перетворює­ться у залізну окалину Fe₃O₄:

6Fe₂O₃ = 4Fe₃O₄ + O₂.

При зневодненні Со(ОН)₃ утворюється Со₃О₄ (а не Со₂О₃), а потім СоО. Гідроксид нікелю(ІІІ) розкладається за температури 140 ^оС з утворенням NiO.

Оксиди Co₂O₃ i Ni₂O₃ можна добути при обережному нагріванні нітратів Co(II) i Ni(II):

4Co⁺²(N⁺⁵O₃)₂ = Co⁺³₂O₃ + 8N⁺⁴O₂ + O⁰₂;

4Ni(NO₃)₂ = Ni₂O₃ + 8NO₂ + O₂.

Оксид феруму(ІІІ) має слабко виражені амфотерні властивості – при сплавлянні з лугами або карбонатами лужних металів утворює ферити:

Fe₂O₃ + 2NaOH = 2NaFeO₂ + H₂O;

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaFeO₂ + CO₂.

Ферити лужних металів при контакті з водою повністю гідролізують:

NaFeO₂ + 2H₂O = Fe(OH)₃ + NaOH.

Оксид феруму(ІІІ) добре розчиняється у кислотах, утворюючи солі феруму(ІІІ):

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O.

Амфотерні властивості Co(OH)₃ i Ni(OH)₃ виражені значно слабше, ніж у Fe(OH)₃.

Оксид і гідроксид кобальту(ІІІ) – сильні окисники:

2Co⁺³(OH)₃ + 6HCl^–1 = 2Co⁺²Cl₂ + Cl⁰₂ + 6H₂O.

Солі феруму (ІІІ) є окисниками:

2FeCl₃ + H₂S = 2FeCl₂ + S + 2HCl;

2FeCl₃ + 2KJ = 2FeCl₂ + J₂ + 2KCl;

2FeCl₃ + Fe = 3FeCl₂.

Солі феруму(ІІІ) сильно гідролізують, тому їх водні розчини мають сильно­кислу реакцію.

При переході від Fe³⁺ до Ni³⁺ помітно зростає окиснювальна здатність іонів, тому гідроксиди Ме(ОН)₃ по-різному взаємодіють з кислотами. Гідроксид феруму (ІІІ) легко розчиняється в кислотах з утворенням солей феруму(ІІІ):

2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂О.

Гідроксиди кобальту(ІІІ) та нікелю(ІІІ) виступають окисниками відносно кислот і утворюють солі двовалентних металів і кисень.

Якісною реакцією виявлення іонів Fe³⁺ є утворення забарвлених в червоний колір роданідних комплексів:

FeCl₃ + 3KSCN = Fe(SNC)₃ + 3KCl.

Як і для Fe(II), для Fe(III) і Со(ІІІ) дуже стійкими є ціанідні комплекси [Fe(CN)₆]³⁺ і [Co(CN)₆]³⁺. Серед них найпоширеніша сіль – гексаціаноферат (ІІІ) калію K₃[Fe(CN)₆] (червона кров’яна сіль). При дії розчину K₃[Fe(CN)₆] на іони Fe²⁺ утворюється синій осад “турнбулевої сині”:

3FeCl₂ + 2K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆] + 6KCl.

Ступінь окиснення +3 для Кобальту стабілізується у комплексних сполуках, які можна отримати при окисненні сполук Со(ІІ):

CoCl₂ + 7KNO₂ + 3СH₃COOH = K₃[Co(NO₂)₆] + NO + 2KCl + H₂O + 2CH₃COOK.

Тривалентні метали утворюють стійкі фторидні комплексні сполуки, наприклад, K₃[NiF₆], K₃[CoF₆], Na₃[FeF₆]. Особливо стійкими є фторидні комплекси Fe(III).

При дії сильних окисників у лужному середовищі на Fe(OH)₃ або Fe₂O₃ можна отримати ферати – сполуки Fe(VI), наприклад:

2Fe(OH)₃ + 3Br₂ + 10KOH = 2K₂FeO₄ + 6KBr + 8H₂O.

Ферати дуже сильні окисники, сильніші, ніж KMnO₄, тому вони погано зберігаються, особливо у водних розчинах.