Характеристика металлов VIII В группы

В побочной подгруппе VIII группы периодической системы 9 элементов: железо, кобальт, никель, рутений, родий, палладий,

осмий, иридий, платина.

Сходные между собой элементы этой подгруппы образуют горизонтальные группировки, так называемые триады.

Железо, кобальт и никель образуют триаду железа, или

семейство железа.

Остальные элементы VIII группы составляют семейство платиновых металлов, которое включает триады палладия и

платины.

По своим свойствам эти семейства существенно различаются между собой.

Атомы элементов триады железа имеют на внешнем энергетическом уровне по 2 электрона, которые они легко отдают в химических реакциях.

Триада железа

Однако они могут отдавать электроны и с Зd-орбиталей второго снаружи уровня.

Поэтому в своих устойчивых соединениях эти элементы проявляют степени окисления +2 и +3.

Образуют оксиды состава RO и R203 (R – элемент). Им соответствуют гидроксиды состава R(OH)2 и R(OH)3.

Для элементов триады (семейства) железа характерна особенность присоединять нейтральные молекулы, например оксид углерода (II), оксид азота (II).

Кобальт и никель менее реакционноспособны, чем железо.

При обычной температуре они устойчивы к коррозии на воздухе, в воде и в различных растворах.

Разбавленные соляная и серная кислоты легко растворяют

железо и кобальт, а никель – лишь при нагревании. Концентрированная азотная кислота все три металла

пассивирует.

Триада железа

Металлы семейства железа при нагревании взаимодействуют с кислородом, парами воды, галогенами, серой, фосфором, кремнием, углем, бором.

Наиболее устойчивыми являются соединеняя железа (III), кобальта (II) и нииеля (II).

Железо, кобальт и никель в ряду стандартных электродных потенциалов расположены до водорода, платиновые металлы – после.

Поэтому первые распространены в природе в виде соединений (оксиды, сульфиды, сульфаты, карбонаты), в свободном состоянии встречаются редко – в виде железных метеоритов.

Триада железа

Платиновые металлы встречаются только в свободном состоянии.

По распространенности в природе за железом следует никель, а затем кобальт.

Соединения элементов семейства железа в степени окисления +2 очень сходны между собой.

В состоянии высших степеней окисления проявляют окислительные свойства.

Железо, кобальт, никель и их сплавы –важные материалы современной техники.

Но наибольшее значение имеет железо.

Нахождение в природе

Содержание железа в земной коре составляет 4÷5 % по массе и оно встречается в виде минералов:

Магнитный железняк (магнетит) – Fe3O4

(FeO·Fe2O3);

Красный железняк (гематит) – Fe2O3;

Бурый железняк (сидерит) – 2Fe2O3 3Н2О;

Шпатовый железняк - FeСO3;

Железный колчедан (пирит) – FeS2.

Нахождение в природе

В свободном состоянии железо находится только в метеоритах.

Количество железных руд в России

составляет более половины мировых запасов.

Самые крупные месторождения руд в Керчи, Кривом Роге, вблизи Курска, на Урале, в Кузбассе и т.д.

Получение

Промышленным способом получают

сплавы железа. Это чугун и сталь.

Современная схема получения стали состоит из доменного и сталеплавильного процессов.

Химические реакции, лежащие в основе производства чугуна

В ходе доменного процесса из руды

получают чугун – сплав железа с углеродом.

Получение

Угарный газ СО восстанавливает оксиды железа из руды в верхней части домны:

Fe2O3 +CO 450−5000 C →Fe3O4 +CO2 ↑;

0

Fe3O4 +CO 600 C →FeO +CO2 ↑;

0

FeO +CO 700 C →Fe +CO2 ↑;

FeO +C >7000 C →Fe +CO2 ↑.

Получение

Шлак состоит из силикатов, алюмосиликатов, пустой породы и флюсов.

Из домны выходит колошниковый газ:

25% СО, СО2, N2. Его сжигают для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха.

Снизу домны выпускают чугун – сплав железа с углеродом, где углерода

4÷5 % по массе.

Получение

В состав чугуна входят:

Fe – 93 %,

C – 4-5 %;

Mn – 1-3 %;

P – 0.02-2.5 %;

Si – 0.5-2 %;

S (FeS) – 0.005-0.1 %.

Получение

Доменный процесс – восстановительный.

Восстановителями являются монооксид углерода (СО) и кокс (С).

Метод получения чугуна –

пирометаллургия (карботермия).

В зависимости от условий кристаллизации различают чугун серый и белый.

Получение

В сером чугуне углерод присутствует в виде пластинок графита.

Серый чугун используют в литейном производстве.

Белый чугун содержит весь углерод в виде цементита (Fe3C). Он хрупок и его используют в сталеплавильном переделе.

Химические реакции, лежащие в основе сталеплавильного производства

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь:

мартеновский, конвертерный и электросталеплавильный.

Все процессы выплавки стали основаны

на окислении углерода и примесей в

чугуне кислородным дутьем

(воздухом, обогащенным кислородом) и

удалении их в газовую фазу и в шлак .

Химические реакции, лежащие в основе сталеплавильного производства

Присутствие фосфора придает стали

хрупкость.

В присутствии серы раскаленный металл дает трещины при механической обработке.

Содержание углерода в стали не должно превышать 2,14 %.

При выплавке специальных марок стали добавляют легирующие элементы:

Cr, Ni, Mn, V, Mo, …

Разработан непрерывный процесс

производства стали.

Получение

Чистое железо получают при термическом разложении

пентакарбонила железа (жидкость бледно-желтого цвета):

Fe(CO)5 t →Fe +5CO ↑.

Физические свойства

Железо – металл серебристо-белого цвета.

Легко подвергается коррозии, ржавеет. Образующиеся при этом оксиды

рыхлые и не защищают металл от дальнейшего окисления.

Fe +O2 + H2O → FeO Fe2O3 H2O.

Железо обладает магнитными свойствами, легко

куется, прокатывается в листы.

Химические свойства

Fe + Si t →Fe3Si,

силицид железа (II)

Fe + H2 t →FeH2 .

гидрид железа (II)

4. Железо восстанавливает менее активные металлы из растворов их

Химические свойства

5. Отношение к щелочам.

Со щелочами железо не взаимодействует.

Fe + NaOH ≠

6. Отношение к кислотам.

а) железо вытесняет водород из неокислительных кислот:

Fe + HCl → FeCl2 + H2 ↑

1 Fe0 −2e = Fe2+, о−ие

1 2H + +2e = H2 ↑, в−ие

Химические свойства

б) концентрированные окислительные кислоты при комнатной температуре

пассивируют железо, но при нагревании

железо растворяется, проявляя степень окисления +3:

6. Взаимодействие металлов с кислотами

Ca Na Mg Al Mn Zn Fe Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Au

НNO3 конц

NO2

Н2SO4 конц

НNO3 разб

Химические свойства

6. Взаимодействие металлов с кислотами

Ca Na Mg Al Mn Zn Fe Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Au

Химические свойства

6. Взаимодействие металлов с кислотами

Ca Na Mg Al Mn Zn Fe Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Hg Ag Au

Применение

Железный век пришел на смену

бронзовому во втором тысячелетии

до нашей эры.

Железо – основной конструкционный металл.

90 % производства металлов составляют железо и сплавы на его

основе, которые называют черными металлами.

Применение – самостоятельно!!!

Свойства соединений Fe2+

Свойства окислительновосстановительные:

Fe(OH )2 +O2 + H2O → Fe(OH )3.

4Fe (OH )2 − e + OH − = Fe (OH )3 , о − ие, в − ль,

1O2 + 2 H 2O + 4e = 4OH − , в − ие, о − ль.

Вывод: Fe(OH)2 – восстановитель.

Свойства соединений Fe2+

Соли Fe2+ получают взаимодействием железа с неокислительными

кислотами:

Fe +2HCl → FeCl2 + H2 ↑,

Свойства соединений Fe2+

Соли Fe2+ подвергаются гидролизу:

слабый сильная

FeSO4 (Fe(OH )2 и H2 SO4 ).

FeSO4 =Fe2 + + SO42 −

H +OH −

Fe2+ + HOH = FeOH + + H +, рН<7 2FeSO4 +2H2O = (FeOH )2 SO4 + H2 SO4 .

Свойства соединений Fe2+

Соли Fe2+ – сильные восстановители:

5 2Fe2+ −2е = 2Fe3+, о−ие, в− ль,

2MnO4− +5е +8H + = Mn2+ +4H2O, в−ие, о− ль.

Применение солей: FeSO4·7H2O – железный купорос применяют в производстве чернил , красок и для борьбы с вредителями растений.

Соединения железа: Fe3+

Fe2O3 – слабо амфотерный оксид,

встречается в природе – красный железняк.

Получение: Fe +O2 → Fe2O3.

Свойства:

Соединения железа Fe3+

Fe2O3 – обнаруживает амфотерные свойства только при спекании.

Fe3O4 отличается повышенной устойчивостью и встречается в природе в виде минерала

магнетита, обладает полупроводниковыми и магнитными свойствами.

Соединения железа Fe3+

Fe2O3 – это коричневая краска, железный сурик.

Ферриты обладают магнитными свойствами и высоким электрическим сопротивлением.

Их используют в технике связи, счетнорешающих устройствах, в автоматике и телемеханике.

Свойства соединений Fe3+

Fe(OH)3 – слабо амфотерный гидроксид.

Получение:

Fe 2 (SO4 )3 + 6 NaOH = 2Fe(OH )3 ↓ +3Na 2 SO4 , Fe 3+ + 3OH − = Fe(OH )3 ↓ .

Свойства кислотно-основные:

2 Fe (OH ) 3 + 6 HCl = 2 FeCl 3 + 3 H 2 O , Fe (OH ) 3 + 3 H + = Fe 3 + + 3 H 2 O .

Fe (OH ) 3 + NaOH t → NaFeO 2 + 2 H 2 O .

Свойства соединений Fe3+

Соли Fe3+ получают взаимодействием металла

с окислительными

кислотами (см. эту тему выше).

Соли Fe3+ легко подвергаются гидролизу и при определенных условиях

(увеличении температуры и уменьшении концентрации) гидролиз идет до конца с образованием (FeOH)3 – осадка бурого цвета .

Свойства соединений Fe3+

Осадок Fe(OH)3 увлекает с собой все

механические примеси, содержащиеся в воде.

Чаще всего Fe3+ в ОВР – окислитель.

2 Fe3+ +1е = Fe2+, в−ие, о− ль,

1 2I − −2е = I2 , о−ие, в− ль.

Свойства соединений Fe3+

Качественная реакция на Fe3+ ̶это взаимодействие с роданидом аммония:

NH4CNS :

Fe2 (SO4 )3 +6NH4CNS =

2Fe(CNS)3 +3(NH4 )2 SO4 .

кроваво-красный цвет

Свойства соединений Fe6+

+5 +3

3N +2е = N, в−ие, о− ль.

К2FeO4 – феррат калия, соль железной кислоты Н2FeO4.

Свойства соединений Fe6+

Железная кислота и соответствующий ей

ангидрид FeO3 не выделены в

свободном виде.

Все ферраты – сильнейшие окислители.

Железо – жизненно важный элемент. В

крови человека 14,5 % её веса

приходится на долю гемоглобина – красного пигмента эритроцитов, содержащих железо.

Кобальт

В природе распространен мало: содержание его в земной коре составляет около 0,004 % (масс).

Чаще всего кобальт встречается в соединении с мышьяком в виде минералов 'кобальтовый шпейс

CoAs2 и кобальтовый блеск CoAs.

Кобальт – твердый, тягучий, похожий на железо блестящий металл.

Как и железо, он обладает магнитными свойствами. Вода и воздух на него не действуют.

В разбавленных кислотах кобальт растворяется значительно труднее, чем железо.

Кобальт применяется главным образом в сплавах, которые используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, для изготовления постоянных магнитов и режущих инструментов.

Кобальт

Жаропрочный и жаростойкий сплав виталлиум содержит 65 % Со, 28 % Сг, 3 % W и 40 % Мо.

Этот сплав сохраняет высокую прочность и не поддается коррозии при температурах до 800 – 850°С.

Твердые сплавы стеллиты, содержащие 40 60 % Со, 20 – 35 % Сг, 5 – 20% W и 1 – 2 % С, применяются для изготовления режущего инструмента.

Кобальт входит также в состав керамикометаллических твердых сплавов – керметов.

Соединения кобальта придают стеклу темно-синюю окраску (вследствие образования силиката кобальта).

Кобальт

Такое стекло, истолченное в порошок, употребляется под названием «шмальты» или «кобальта» в качестве синей краски.

Радиоактивный изотоп 60Со применяется в медицине как источник Ɣ-излучения («кобальтовая пушка»).

Кобальт образует оксид кобальта (II) СоО и оксид кобальта (III), или окись кобальта, Со2O3, которым соответствуют гидроксиды Со(ОН)2 и Со(ОН)3.

Этим соединениям отвечают два ряда солей, но соли кобальта (III) нестойки и легко переходят в соли кобальта (II).

Известен также смешанный оксид СO3О4 (или

СоО·Со2О3).

Кобальт

Соли кобальта (II) в безводном состоянии обычно синего цвета, а их водные растворы и кристаллогидраты имеют розовый цвет.

Хлорид кобальта (II) образует розовые кристаллы состава СоСl2·6Н2O.

Фильтровальная бумага, пропитанная раствором этой соли и потом высушенная, может служить грубым гигроскопом (указателем влажности), так как в зависимости от содержания влаги в воздухе принимает разные оттенки цветов – от синего до розового.

Гидроксид кобальта (II) Со(ОН)2 получается при действии щелочи на растворы солей кобальта (II).

Кобальт

Вначале выпадает осадок синей основной соли, который при кипячении жидкости переходит в

розовый гидроксид Со(ОН)2.

Со(ОН)2 при прокаливании дает оксид кобальта (II) СоО серо-зеленого цвета.

Соединения кобальта (II) окисляются с большим трудом, чем соединения железа (II).

Так, гидроксид кобальта(II) окисляется на воздухе в темно-бурый гидроксид кобальта (III) Со(ОН)3

гораздо медленнее, чем происходит аналогичное превращение гидроксидов железа.

Кобальт

Таким образом, соединения Со (III) менее устойчивы, чем соединения железа (III) и проявляют более сильно выраженную окислительную способность.

Для кобальта (III) очень характерна его способность к комплексообразованию.

Комплексные соединения кобальта (II) хотя и известны, но очень неустойчивы.

В комплексных солях кобальт может входить как в состав катиона, так и в состав аниона, например,

[Со(NH3)6]Сl3 и К3 [Co(NO2)6].

Координационное число кобальта равно шести.

Никель

Подобно кобальту, встречается в природе преимущественно в виде соединений с мышьяком или серой.

Таковы, например, минералы купферникель NiAs,

мышьяково-никелевый блеск NiAsS и др.

Никель более распространен, чем кобальт (около 0,01 % (масс.) земной коры).

Металлический никель имеет серебристый цвет с желтоватым оттенком, очень тверд, хорошо полируется, притягивается магнитом.

Он характеризуется высокой коррозионной стойкостью – устойчив в атмосфере, в воде, в щелочах и ряде кислот.

Никель

Активно растворяется никель в азотной кислоте.

Химическая стойкость никеля обусловлена его склонностью к пассивированию – к образованию на поверхности оксидных пленок, обладающих сильным защитным действием.

Главная масса никеля идет на производство различных сплавов с железом, медью, цинком и другими металлами.

Присадка никеля к стали повышает ее вязкость и стойкость против коррозии.

Сплавы на основе никеля можно разделить на жаропрочные, магнитные и сплавы с особыми свойствами.

Никель. Сплавы

Жаропрочные сплавы никеля используются в современных турбинах и реактивных двигателях,

где температура достигает 850 – 900 °С.

Таких температур сплавы на основе железа не выдерживают.

К важнейшим жаропрочным сплавам никеля относятся

нимоник, инконель, хастеллой.

В состав этих сплавов входит свыше 60 % никеля, 15

– 20 % хрома и другие металлы.

Производятся также металлокерамические жаропрочные сплавы, содержащие никель в качестве связующего металла.

Эти сплавы выдерживают нагревание до 1100°С.

Никель. Сплавы

Широко применяются для изготовления элементов

электронагревательных устройств сплавы типа нихрома, простейший из которых содержит 80 % никеля и 20 % хрома.

Из магнитных сплавов никеля особое значение приобрел пермаллой, содержащий 78,5 % никеля и 21,5 % железа.

Он обладает очень высокой начальной магнитной проницаемостью, что обусловливает его интенсивную

намагничиваемость даже в слабых полях.

К сплавам никеля с особыми свойствами принадлежат

монельметалл, никелин, константан, инвар, платинит.

Никель. Сплавы

Монель-металл (сплав никеля с 30 % меди) широко используется в химическом аппаратостроении, так как по механическим свойствам он превосходит никель, а по коррозионной стойкости почти не уступает ему.

Никелин и константан тоже представляют собой сплавы никеля с медью.

Они обладают высоким электрическим сопротивлением, почти не изменяющимся с температурой, и используются в электроизмерительной аппаратуре.

Инвар (сплав 36 % никеля и 64 % железа) практически не расширяется при нагревании до 100°С и применяется в электрорадиотехнике и в химическом машиностроении.

Никель

Сплав никеля с железом – платинит – имеет коэффициент расширения такой же, как у стекла и используется для впаивания вводов металлических контактов в стекло.

В сравнительно небольших количествах никель расходуется для покрытия им других металлов.

Мелко раздробленный никель применяется в качестве катализатора при многих химических процессах.

Из чистого никеля изготовляют лабораторную посуду.

Соединения никеля очень сходны с соединениями кобальта.

Подобно кобальту, никель образует оксид никеля (II) NiO и оксид никеля (III) Ni2O3 и соответствующие им гидроксиды.

Никель

Однако известен только один ряд солей никеля, в которых он находится в степени окисленности +2.

Гидроксид никеля (II) Ni(ОН)2 выпадает в виде светло-зеленого осадка при действии щелочей на растворы солей никеля.

При нагревании он теряет воду и переходит в серозеленый оксид никеля (II) NiO.

В отличие от гидроксидов железа(II) и кобальта(II), гидроксид никеля (II) кислородом воздуха не окисляется.

В этом проявляется более высокая устойчивость к окислению соединений никеля (II) по сравнению с аналогичными соединениями железа и кобальта.

Соли никеля большей частью имеют зеленый цвет.

Никель

Из них наибольшее применение имеет сульфат никеля NiSO4·7H2O, образующий красивые

изумрудно-зеленые кристаллы.

Гидроксид никеля (III) Ni(OH)3 имеет черно-

бурый цвет и образуется при действии щелочей на соли никеля в присутствии сильных окислителей.

По свойствам он подобен гидроксиду кобальта (III), но обладает еще более выраженными

окислительными свойствами.

Никель (II) образует много комплексных солей.

Никель

С оксидом углерода никель дает летучий

тетракарбонил никеля Ni(СО)4, разлагающийся при нагревании с выделением никеля.

На образовании и термическом разложении тетракарбонила никеля основан один из методов извлечения никеля из руд, а также способ получения высокочистого никеля.

Из соединений никеля важнейшее практическое значение имеет оксид никеля (III), применяемый при изготовлении щелочных кадмиево-никелевых или железо-никелевых аккумуляторов.

Аккумуляторы

Кадмиево-никелевые (условное обозначение КН) и железо-никелевые (ЖН) аккумуляторы весьма сходны между собой.

Основное их различие состоит в материале пластин отрицательного электрода: в аккумуляторах КН они

кадмиевые, а в аккумуляторах ЖН – железные.

Наиболее широкое применение имеют аккумуляторы

КН.

Щелочные аккумуляторы в основном выпускаются с ламельными электродами.

В них активные массы заключены в ламели – плоские коробочки с отверстиями.

Аккумуляторы

Активная масса положительных пластин заряженного аккумулятора в основном состоят из гидратированного оксида никеля (III) Ni2O3·Н2O или NiOOH.

Кроме того, в ней содержится графит, добавляемый для увеличения электропроводности.

Активная масса отрицательных пластин аккумуляторов КН состоит из смеси губчатого кадмия с порошком железа, а аккумуляторов ЖН – из порошка восстановленного железа.

Электролитом служит раствор гидроксида калия, содержащий небольшое количество LiOH.

Рассмотрим процессы, протекающие при работе аккумулятора КН.

Аккумуляторы

При разряде аккумулятора кадмий окисляется.

Cd +2OH− = Cd(OH)2 +2e.

a NiOOH восстанавливается:

2NiOOH +2H2O +2e = 2Ni(OH)2 +2OH−.

По внешней цепи при этом происходит перенос электронов от кадмиевого электрода к никелевому.

Кадмиевый электрод служит анодом и заряжен отрицательно, а никелевый – катодом и заряжен положительно.

Аккумуляторы

Суммарную реакцию, протекающую в аккумуляторе КН при его работе, можно выразить уравнением, которое получится при сложении двух последних электрохимических уравнений:

2NiOOH +2H2O +Cd = 2Ni(OH)2 +Cd(OH)2 .

ЭДС заряженного кадмиево-никелевого аккумулятора равна приблизительно 1,4 В.

По мере работы (разряда) аккумулятора напряжение на его зажимах падает.

Когда оно становится ниже 1 В, аккумулятор заряжают.