6 Химические соединения железа

6.1 Соединения железа (II)

Производными двухвалентного железа являются: оксид железа (II) FeO, гидроксид железа (II) Fe(OH)₂, а также соли многочисленных кислот. Наиболее важным из них является сульфат, кристаллизующийся с 7 молекулами воды FeSO₄*H₂O (железный купорос), образующий светло-зеленые кристаллы, хорошо растворимые в воде. На воздухе железный купорос постепенно выветривается и одновременно окисляется с поверхности, переходя в желто-бурую основную соль железа (III).

Сульфат железа (II) получают путем растворения обрезков стали в 20-30%-ной серной кислоте:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

Сульфат железа (II) применяется для борьбы с вредителями растений, в производстве чернил и минеральных красок, при крашении тканей.

При нагревании железного купороса выделяется вода и получается белая масса безводной соли FeSO₄. При температурах выше 480 ⁰С безводная соль разлагается с выделением диоксида и триоксида серы; последний во влажном воздухе образует тяжелые белые пары серной кислоты:

2FeSO₄ = Fe₂O₃ + SO₂↑ + SO₃↑

Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа (II, III) оксидом углерода (II):

F e₃O₄ + CO ^нагрев 3FeO + CO₂↑

Оксид железа (II) – основной оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа (II):

FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O

FeO + 2H⁺ = Fe⁺² + H₂O

Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂ – порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей желе (II) при взаимодействии их со щелочами:

FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄

Fe⁺² + 2OH^- = Fe(OH)₂↓

Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂ проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:

Fe(OH)₂ + 2HCl = FeCl₂ + 2H₂O

Fe(OH)₂ + 2H⁺ = Fe⁺² + 2H₂O

При нагревании гидроксид железа (II) разлагается:

F e(OH)₂ ^нагрев FeO + H₂O

Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe⁺² легко окисляется до Fe⁺³:

Fe⁺² - 1е^- → Fe⁺³

Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH)₂ на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH)₂ в Fe(OH)₃ кислородом воздуха:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

Восстановительные свойства проявляют и соли двухвалентного железа, особенно при действии окислителей в кислой среде. Например, сульфат железа (II) восстанавливает перманганат калия в кислой среде до сульфата марганца (II):

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

Ввиду способности легко окисляться, соли железа (II) часто применяются как восстановители.

Растворимые соли железа (II), например хлорид, удобнее получать реакцией металлического железа с соответствующей кислотой. Водные растворы и кристаллы солей железа (II), содержащие кристаллизованную воду, окрашены в бледно-зеленый цвет, который, таким образом, является цветом ионов Fe⁺². Растворы солей двухвалентного железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Нерастворимые соли двухвалентного железа получаются из его растворимых солей путем обменных реакций. Большинство солей железа (II) склоны к образованию двойных и комплексных солей с солями активных металлов (главным образом щелочных) и аммония. На воздухе соли двухвалентного железа не вполне устойчивы, причем чаще двойные соли бывают более прочными, чем простые. При действии сильных окислителей соли железа (II) количественно превращаются в соли железа (III).

Карбонаты щелочные металлов осаждают из растворов солей железа (II) белый карбонат железа (II) FeCO₃. При действии воды, содержащий CO₂, карбонат железа, подобно карбонату кальция, частично переходит в более растворимую кислую соль Fe(HCO₃)₂. В виде этой соли железо содержится в природных железистых водах.

Сернистые соединения железа (II).

При непосредственном взаимодействии железа и серы образуется два соединения:

FeS – моносульфид железа (II);

FeS₂ – дисульфид железа (II).

Моносульфид железа (II) FeS образуется при сплавлении железа с серой; этим способом его получают и в технике, где FeS применяют для получения сероводорода. Техническое сернистое железо бывает обычно загрязнено избытком металла. Оно поступает в продажу в виде темно-серых кусков или плиток. Чистый кристаллический моносульфид имеет светлый томпаково-коричневый цвет.

Из водных растворов солей железа (II) при действии ионов Sⁿ моносульфид железа выпадает в виде черного осадка. Этот осадок в воде практически нерастворим, но растворяется в разбавленных кислотах. Во влажном состоянии он легко подвергается частичному окислению воздухом до сульфата.

В природе сернистое железо встречается в виде магнитного колчедана (пирротина), кристаллизующегося гексагонально. Аналогичное по кристаллической структуре сернистое железо, встречающееся в метеоритах, называется троилитом. Магнитный колчедан почти всегда содержит никель, поэтому его используют для получения никеля. Содержание серы в магнитном колчедане почти всегда на 1-2% выше, чем это соответствует формуле FeS. Избыток серы включается в решетку сернистого железа.

Дисульфид железа FeS₂ очень распространен в виде пирита (серный или железный колчедан). Наряду с пиритом дисульфид встречается и в виде марказита ( водный или двойной колчедан). При высокой температуре он легко отщепляет серу. При прокаливании на воздухе он сгорает, образуя Fe₂O₃ и SO₂. Легкость образования сернистого газа из пирита обуславливает его применения в качестве главного исходного продукта для производства серной кислоты. Благодаря значительной теплоте окисления пирита и легкости его разложения обжиг в печах, начавшись, протекает дальше уже самостоятельно. В радиотехнике кристаллы пирита применяются в качестве детекторов.

В аналитической химии реактивом для обнаружения катионов железа Fe⁺² является гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль) K₃[Fe(CN)₆]:

3FeSO₄ + 2K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ + 3K₂SO₄

При взаимодействии ионов [Fe(CN)₆]^3- с катионами железа Fe⁺² образуется темно-синий осадок – турнбулева синь:

3Fe⁺² + 2[Fe(CN)₆]^3- = Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓