Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Неорганическая химия. Лабораторный практикум. Учебное пособие
.pdf
свойства. Например: перманганат калия(VII) (
ления марганца +7), бихромат калия(VI) (
KCrO,
227
KMnO
, степень окис-
4
степень окисления
хрома +6).
Кислотно-основные свойства
При увеличении степени окисления металла основный характер оксидов и гидроксидов ослабляется, а кислотный характер – усиливается
(табл. 2.1):
Т а б л и ц а 2.1
Изменение свойств соединений переходных металлов
в зависимости от степени окисления
Основные свойства Амфотерные свойства Кислотные свойства
+1 +2 +3 +4 +5 +6 +7
Ме2О
МеОН
МеО
Ме(ОН)
2
Ме
2О3
Ме(ОН)
МеО3
Н
3
(НМеО
3
)
2
МеО
Ме(ОН)
МеО4
Н
4
МеО3)
(Н
2
Ме
2
4
2О5
НМеО
или
МеО4
Н
3
3
МеО
3
МeO4
H
2
или
H2Мe2O7
Ме
2О7
НМеО
4
2.1.2. Железо
Нахождение в природе
Железо – самый распространенный после алюминия металл на
земном шаре: оно составляет 4 % (масс.) земной коры. Встречается
железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов.
В свободном состоянии железо находят только в метеоритах [2].
К важнейшим рудам железа относят: магнитит (магнитный железняк
(Fe O )
железняк
или железный колчедан
как чугун из него получается очень низкого качества из-за большого
содержания серы. Тем не менее железный колчедан имеет важнейшее
применение – он служит исходным сырьем для получения серной кислоты.
), бурый железняк
34
(FeCO )
). Встречающийся в больших количествах пирит,
3
(FeS )
2
2F O()e3HO
23 2
и сидерит (шпатовый
, редко применяется в металлургии, так
Положение в периодической системе
Железо – элемент восьмой группы четвёртого периода периодической системы Д.И. Менделеева с атомной массой 55, 85. Обозначается
символом Fe.
21
Восьмая группа периодической системы охватывает три триады
d-элементов. Первую триаду образуют элементы железо (Fe), кобальт
(Co) и никель (Ni), вторую триаду – рутений (Ru), родий (Rh) и палладий (Pd) и третью триаду – осмий (Os), иридий (Ir) и платина (Pt).
Строение электронной оболочки атома
Железо имеет порядковый номер – 26 в периодической системе
химических элементов, следовательно, заряд ядра атома составляет
+26, вокруг ядра атома железа находятся 26 электронов. Состав ядра:
26 протонов и 30 нейтронов.
Так как железо находится в четвертом периоде, то электроны располагаются на четырех энергетических уровнях (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Строение атома железа
Основные степени окисления: +2, +3. Распределение электронов на
внешнем валентном уровне атома железа представлено на рис. 2.2.
Физические свойства
Железо – серебристый пластичный металл. Оно хорошо поддается
ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты – от содержания в
нем даже весьма малых количеств других элементов. Температура
плавления железа 1539 °C, температура кипения 3200 °C [5].
Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов
в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать
22
большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
Рис. 2.2. Распределение электронов на внешнем
валентном уровне
Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую
сталь, оно содержит 0,02…0,04 % углерода, а кислорода, серы, азота и
фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее
0,01 % примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозии и хорошо сопротивляется
действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих
драгоценный свойств.
Химические свойства
Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т. е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие
своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно коррозирует; при обильном доступе кислорода
образуются гидратные формы оксида железа(III):
3
2Fe O H O Fe O H O.
2
nn
22 232
При недостатке кислорода или при его затрудненном доступе образуется сложный оксид железа
разных степенях окисления
Fe O FeO )Fe(O
34 23
2 FeO и 3 Fe)( ).O(
23
23
, находящегося в
Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:
Fe 2HCl FeCl H .
22
Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:
Fe H SO FeSO H .
24 4 2
В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до железа(III):
2Fe 6H SO Fe (SO ) 3SO 6H O.
24 2 43 2 2
Однако в серной кислоте, концентрация которой близка к 100 %,
железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит.
В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной
кислоты железо растворяется:
Fe 4HNO Fe(NO ) NO H O.
333 2
При высоких концентрациях HNO
растворение замедляется, и же-
3
лезо становится пассивным.
Соединения железа(II)
Соли железа(II) образуются при растворении железа в разбавленных кислотах, в том числе очень разбавленной азотной кислоте.
Сульфат железа(II) получают путем растворения обрезков стали в
20…30 %-й серной кислоте:
Fe H SO FeSO H .
24 4 2
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
FeSO .
При температурах выше 480 оС
4
безводная соль разлагается с выделением диоксида и триоксида серы.
Последний во влажном воздухе образует пары серной кислоты:
480 C
2FeSO Fe O SO SO .
t
42323
24
При взаимодействии раствора соли железа(II) со щелочью выпадает белый осадок гидроксида железа(II)
Fe(OH)(),
который на воздухе
2
вследствие окисления быстро принимает зеленоватую, а затем бурую
окраску, переходя в гидроксид железа(III)
Fe(OH)()
:
3
4Fe(OH) O 2H O 4Fe(OH) .
22 2 3
Безводный оксид железа(II) (FeO) можно получить в виде черного,
легко окисляющегося порошка восстановлением оксида железа(III)
монооксидом углерода при 500 °С:
500 C
Fe O CO 2FeO + CO .
23 2
t
Соли железа(II) легко могут быть переведены в соли железа(III)
действием различных окислителей – азотной кислоты, перманганата
калия, хлора. Например:
6FeSO 2HNO 3H SO 3Fe (SO ) 2NO 4H O,
4324243 2
10FeSO 2KMnO 8H SO 5Fe (SO )
4424243
KSO 2MnSO 8HO.
24 4 2
Ввиду способности легко окисляться, соли железа(II) часто применяются как восстановители.
Соединения железа(III)
Хлорид железа(III) (
) представляет собой темно-коричневые с
FeCl
3
зеленоватым отливом кристаллы. Это вещество гигроскопично, поглощая влагу из воздуха, оно превращается в кристаллогидраты, содержащие различное количество воды и расплывающиеся на воздухе.
В таком состоянии хлорид железа(III) имеет буро-оранжевую окраску.
В разбавленном растворе
гидролизуется с образованием основ-
FeCl
3
ных солей.
Сульфат железа(III)
(Fe SО())
243
– гигроскопичные, расплываю-
щиеся на воздухе белые кристаллы. Образует кристаллогидрат
()Fe S 9Н О
243 2
(желтые кристаллы). В водных растворах сульфат же-
леза(III) сильно гидролизован. С сульфатами щелочных металлов и
аммония он образует двойные соли – квасцы, например, железоаммо-
25
нийные квасцы
(NH Fe( ))12HОSО
4422
– хорошо растворимые в воде
светло-фиолетовые кристаллы. При прокаливании выше 500 °С сульфат железа(III) разлагается в соответствии с уравнением
500
tC
Fe (SO ) Fe O 3SO .
243 23 3
Сульфат железа(III) применяют, как и
при очистке воды, а также для травления металлов. Раствор
способен растворять
Cu S
2
и
с образованием сульфата меди(II);
CuS
, в качестве коагулянта
FeCl
3
Fe SО()
243
это используется при гидрометаллургическом получении меди.
При действии щелочей на растворы солей железа(III) выпадает
красно-бурый гидроксид железа(III), нерастворимый в избытке щелочи.
Гидроксид железа(III)
Fe(OH)()
– более слабое основание, чем
3
гидроксид железа(II); это выражается в том, что соли железа(III) сильно гидролизуются, а со слабыми кислотами (например, с угольной, сероводородной)
Fe(OH)
цвет растворов солей железа(III): несмотря на то, что ион
солей не образует. Гидролизом объясняется и
3
3+
Fe
почти
бесцветен, содержащие его растворы окрашены в желто-бурый цвет,
что объясняется присутствием гидроксо-ионов железа или молекул
Fe(OH)
, которые образуются благодаря гидролизу:
3
32
Fe H O Fe(OH) H ,
2
2
Fe(OH) H O Fe(OH) H ,
Fe(OH) H O Fe(OH) H .
22
22 3
Характерной реакцией, отличающей соли железа(III) от солей железа(II), служит действие роданида калия (KSCN) или роданида аммония (
NH SCN
цветные ионы SCN, которые соединяются с ионами
) на соли железа. Раствор роданида калия содержит бес-
4
Fe
3+
и образу-
ют кроваво-красный, слабо диссоциированный роданид железа(III)
Fe(SCN)()
. При взаимодействии же с роданидами ионов железа(II)
3
раствор остается бесцветным.
26
2.2. Практическая часть
2.2.1. Цель работы:
освоить фотометрические методы определения массовой кон-
центрации общего железа в питьевой воде [10];
ознакомиться с фотометрическим методом с 1,10-фенантроли-
ном определения массовой концентрации железа в природных и очищенных сточных водах [16]»;
научиться работать на однолучевом спектрофотометре ЮНИКО
1201 [9];
определить содержание железа в пробах питьевой воды спек-
тральным методом с сульфосалициловой кислотой;
сделать заключение о целевом использовании исследуемых вод.
Сущность метода определения
Метод основан на взаимодействии ионов железа в щелочной среде
(рН = 8 – 11) с сульфосалициловой кислотой с образованием окрашенного в желтый цвет комплексного соединения трисульфосалицилата
железа (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Структурная формула
трисульфосалицилата железа
27
Интенсивность окраски раствора пропорциональна массовой концентрации железа.
Образование окрашенных комплексов железа с сульфосалициловой
кислотой зависит от рН среды (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Схематичные реакции образования трех видов комплексов железа
с сульфосалициловой кислотой
При этом при разных значениях рН образующиеся комплексы моно-, ди- и трисульфосалицилата железа имеют характерную окраску.
Если реакция протекает в сильно кислой среде (рН = 1,8…2,5), образующийся моносульфосалицилат железа имеет красно-фиолетовую
окраску. В диапазоне рН от 4 до 8 при взаимодействии железа с сульфосалициловой кислотой образуется дисульфосалицилат железа с характерной красно-бурой окраской.
2.2.2. Характеристика объектов исследования
Объектом исследования в работе являются пробы питьевой воды,
отобранной… (далее указывается место отбора пробы).
Объем пробы воды для измерения массовой концентрации железа
должен быть не менее
200 см
Способы консервирования и условия хранения проб воды, предназначенной для анализа, указаны в Государственных стандартах [13, 14].
3
.
28
2.2.3. Оборудование и реактивы
спектрофотометр ЮНИКО 1201;
кюветы толщиной оптического слоя 5 см;
нагревательная плитка;
3
см
см
см
;
3
;
3
;
коническая колба, вместимостью 100
мерная колба, вместимостью 50
пипетки, вместимостью 50, 2, 1
универсальная индикаторная бумага;
химический стакан;
дистиллированная вода;
концентрированная соляная кислота (HCl);
двухмолярный раствор хлорида аммония (
NH Cl
);
4
насыщенный раствор сульфосалициловой (2-гидроксо-5сульфо-
бензойной) кислоты (
СНОS
766
);
раствор аммиака представляет собой смесь 25 %-го раствора ам-
миака (
NH H O
32
) и воды, взятых в соотношении 1:1.
2.2.4. Порядок выполнения
Определение массовой концентрации общего железа с сульфосалициловой кислотой проводят в двух параллельных измерениях (пробах).
3
Отберите пипеткой 50
колбу вместимостью 100
ной кислоты (в случае отсутствия консервирования пробы при отборе).
Пробу воды нагрейте до кипения и упарьте до объема 35…40
Раствор охладите до комнатной температуры, перенести в мерную
колбу вместимостью 50
лированной водой, сливая эти порции в ту же мерную колбу.
Затем к полученному раствору прибавьте 1
3
см
1
сульфосалициловой кислоты, 1
тельно перемешайте после прибавления каждого реактива.
По индикаторной бумаге определите значение рН раствора, которое должно быть ≥ 9. Если рН менее девяти, то прилейте 1–2 капли
раствора аммиака.
Объем раствора в мерной колбе доведите до метки дистиллированной водой, оставьте на пять минут для развития окраски в темном месте.
см
исследуемой пробы воды в коническую
3
см
. Добавьте 2
3
см
, ополаскивая два раза по 1
3
см
концентрированной соля-
3
см
хлорида аммония,
3
см
раствора аммиака, тща-
см
3
3
см
дистил-
.
29
Измерьте оптическую плотность исследуемых растворов, используя фиолетовый светофильтр (λ = 400 нм) и кюветы с толщиной оптического слоя 5 см. Измерения проводят относительно «холостой» пробы: дистиллированная вода с добавлением всех реактивов, которые
используются при проведении измерений общего содержания железа.
3
Объем «холостой» пробы, так же как и исследуемой, равен 50
см
Результаты измерений занесите в табл. 2.2.
Концентрацию железа в растворе находят по градуировочному
графику (рис. 2.5).
.
Рис. 2.5. Градуировочный график для определения содержания железа
2.2.5. Результаты исследований
Массовую концентрацию железа (Х) в анализируемой пробе с уче-
3
cV
1
,
мг/дм
см
3
;
– объем, до
V
1
том разбавления вычисляют по формуле,
XV
где с – концентрация железа, найденная по градуировочному графику,
3
мг/дм
которого разбавлена проба,
; V – объем воды, взятый для анализа,
3
см
.
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]