Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Общая и неорганическая химия. Часть 2. Лабораторный практикум с использованием микрохимического оборудования по дисциплине «Общая и неорганическая хим
.pdf
Характеристики элемента
Fe
27
44
Ru
76
Os
Атомная масса 55,847 101,07 190,2
Валентные электроны 3d64s
Металлический радиус атома,
0,126 0,134 0,135
2
4d75s
1
5d66s
2
нм
Условный радиус иона, нм Э2+ 0,080 0,085 0,089
3+
Э
4+
Э
8+
Э
0,067 0,077 0,081
- 0,062 0,065
- - 0,054
Энергия ионизации, эВ 7,89 7,37 8,5
Содержание в земной коре, % 2,0 1 · 10
-7
5 · 10
-7
Для железа наиболее характерны степени окисления +2,+3,
известны также производные железа, в которых степень окисления
равна -2, 0, +4, +6, +8. Наиболее устойчивы соединения Ru (IV), Os
VIII).
(
Степени окисления и пространственная конфигурация
структурных единиц соединений элементов подгруппы железа
Степень
окисле-
ния
-2 4 Тетраэдр [Fe(CO)4]
0 5 Тригональная
Координационное число
Структурная
единица
Примеры соединений
2-
(CO)5, Fe(PF3)
5
бипирамида
+2 4
6
Тетраэдр
Октаэдр
[FeCl4]
[Fe(OH2)6]2+,[Э(NH3)6]
2-
2+
,
[(CN)6]3-, Fe2O3, FeF3,
FeCl3
+3 4
6
Тетраэдр
Октаэдр
[FeCl4]-, Fe(III) Fe3O4
[Fe(OH2)6]3+, Fe2O3, FeF3,
FeCl3
+4 6 [RuCl6]2-, [OsCl6]2-, RuO2
+6 4
6
Тетраэдр
Октаэдр
FeO
[
], [RuO4]
4
, OsF6, [OsO2Cl4],
RuF
6
[OsNCl5]2-
+8 4
6
Тетраэдр
Октаэдр
RuO4, OsO4, [OsO3N]
[OsO3F3], [OsO4(OH)2]
111
Железо – металл средней химической активности.
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги
(ржавление): 4Fe + 3O2 + 6H2 O → 4Fe(OH)3
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя
окалину – оксид железа (II, III):
3Fe + 2O2 → Fe3O
4
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с
парами воды:
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
2Fe + 3Br2 → 2FeBr3
Fe + S → FeS
4) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной
кислотах:
e + 2HCl → FeCl2 + H2
F
Fe + H2SO4(разб.) → FeSO4 + H2
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется
только при нагревании:
2Fe + 6H2SO4(конц.) → Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Fe + 6HNO3(конц.) → Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют
железо).
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду
активностей, из растворов их солей:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
В концентрированных HNO3 и H2SO4 пассивируется. В обычных
условиях в щелочах железо не растворяется.
Рутений и осмий химически малоактивны. В обычных условиях на
металлы не действуют даже наиболее активные неметаллы. В виде
металлов рутений и в меньшей степени осмий устойчивы по
отношению к кислотам и их смесям:
Э + 3KClO + 2NaOH = Na
Получение металлов подгруппы железа восстановлением из
оксидов углем или оксидом углерода (II):
F
eO + C → Fe + CO
+ 3KCl + H2O
2ЭO4
112
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
NiO + C → Ni + CO
Co2O3 + 3C → 2Co + 3CO
Соединения Fe (0), Ru (0), Os (0). Подобно элементам подгруппы
марганца и хрома, железо и его аналоги способны образовывать
соединения за счет только донорно-акцепторного взаимодействия:
Fe + 5CO = Fe(CO)5
При нагревании карбонилы разрушаются, что используется для
получения чистейших металлов. Процесс получения и распада можно
представить:
Fe(неочищ.) + 5CO → Fe(CO)5 →Fe(чистый) + 5CO
Соединения Fe (II). Гидроксид железа (II). Образуется при
действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:
eCl + 2KOH → 2KCl + Fе(OH)2¯
F
Fe(OH)2 – слабое основание, растворимое в сильных кислотах:
Fe(OH)2 + H2SO4 → FeSO4 + 2H2O
Fe(OH)2 + 2H+ → Fe
2+
+ 2H2O
При прокаливании Fe(OH)2 без доступа воздуха образуется оксид
железа (II) FeO:
Fe(OH)2 → FeO + H2O
В присутствии кислорода воздуха белый осадок Fe(OH)2,
окисляясь, буреет, oбразуя гидроксид железа (III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3
Соединения железа (II) обладают восстановительными свойствами,
они легко превращаются в соединения железа (III) под действием
окислителей:
+ 2KMnO4 + 8H2SO4 → 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O
4
6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O
Соединения железа склонны к комплексообразованию
(координационное число равно 6):
FeCl2 + 6NH3 → [Fe(NH3)6]Cl2
Fe(CN)
+ 4KCN → K4[Fe(CN)6](желтая кровяная соль)
2
Качественная реакция на Fe2+:
113
При действии гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] (красной
кровяной соли) на растворы солей железа (II) образуется синий
осадок (турнбулева cинь):
3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] → Fe3[Fe(CN)6]2 + 3K2SO4
3Fe2+ + 3SO
2-
+6K+ + 2[Fe(CN)6]3- → Fe3[Fe(CN)6]2 + 6K+ + 3SO
4
2-
4
3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- →Fe3[Fe(CN)6]2
Соединения Fe (III).
Оксид железа (III). Образуется при сжигании сульфидов железа,
например, при обжиге пирита:
4FeS2 + 11O2 → 2Fe2O3 + 8SO2
или при прокаливании солей железа:
2FeSO4 → Fe2O3 + SO2 + SO3
– основной оксид, в незначительной степени проявляющий
Fe
2O3
амфотерные свойства:
Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O
Fe2O3 + 6H+ → 2Fe3+ + 3H2O
Fe2O3 + 2NaOH + 3H2O → 2Na[Fe(OH)4]
Fe2O3 + 2OH- + 3H2O → 2[Fe(OH)4]-
Гидроксид железа (III). Образуется при действии растворов
щелочей на соли железа (III), выпадает в виде красно–бурого осадка:
Fe(NO3)3 + 3KOH → Fe(OH)3 + 3KNO3
Fe3+ + 3OH- → Fe(OH)3
Fe(OH)3 – более слабое основание, чем гидроксид железа (II).Это
объясняется тем, что у Fe2+ меньше заряд иона и больше его радиус,
чем у Fe3+, а поэтому, Fe2+ слабее удерживает гидроксид-ионы, т.е.
Fe(OH)2 более легко диссоциирует. В связи с этим соли железа (II)
гидролизуются незначительно, а соли железа (III) – более полно.
Гидролизом объясняется и окраска растворов солей Fe (III): несмотря
на то, что ион Fe3+ почти бесцветен, содержащие его растворы
окрашены в жёлто-бурый цвет, что объясняется присутствием
гидроксо-ионов железа или молекул Fe(OH)3, которые образуются
благодаря гидролизу:
e3+ + H2O → [Fe(OH)]2+ + H+
F
[Fe(OH)]
2+
+ H2O →[Fe(OH)2]+ + H+
[Fe(OH)2]+ + H2O →Fe(OH)3 + H+
114
При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот
становится более светлой вследствие подавления гидролиза. Fe(OH)3
обладает слабо выраженной амфотерностью: он растворяется в
разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:
Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O
Fe(OH)3 + 3H+ → Fe3+ + 3H2O
Fe(OH)3 + NaOH →Na[Fe(OH)4]
Fe(OH)3 + OH- → [Fe(OH)4]-
Соединения железа (III) – слабые окислители, реагируют с
сильными восстановителями:
2Fe+3Cl3 + H2S-2 → S0 + 2Fe+2Cl2 + 2HCl
Качественные реакции на Fe3+:
1) При действии гексацианоферрата (II) калия K
[Fe(CN)6] (жёлтой
4
кровяной соли) на растворы солей железа (III) образуется синий
осадок (берлинская лазурь):
4FeCl3 +3K4[Fe(CN)6] → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KCl
4Fe3+ + 12Cl- + 12K+ + 3[Fe(CN)6]4- → Fe4[Fe(CN)6]3 + 12K+ + 12Cl-
4Fe3+ + 3 [Fe(CN)6]4- → Fe4[Fe(CN)6]3
2) При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe3+
роданистого калия или аммония появляется интенсивная кровавокрасная окраска роданида железа (III):
FeCl3+3NH4CNS → 3NH4Cl + Fe(CNS)3
(при взаимодействии же с роданидами ионов Fe2+ раствор остаётся
практически бесцветным).
Соединения Fe (VI), Ru (VI), Os (VI). Степень окисления +6
железа и рутения проявляется в тетраэдрических анионах типа ЭО
2-
, а
4
осмия в октаэдрическом [OsO2(OH)4]2-. Производные этих анионов
образуются при окислении металлов или соответствующих
соединений в сильнощелочной среде, при нагревании, например:
Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH = 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O
2K2[OsO2(OH)4] + O2 = 2OsO4 + 4KOH + 2H2O
RuO4 + 2H2SO4 = 2Na2SO4 + 2RuO2 + O2 + 2H2O
2Na
2
Соединения Fe (VIII), Ru (VIII), Os (VIII).
Для рутения и осмия известны тетраоксиды: ЭО
.
4
Получение:
115
Na2RuO4 + Cl2 = RuO4 + 2NaCl
Кислотные свойства:
2KOH + OsO4 = K2[OsO4(OH)2]
2KF + OsO4 = K2[OsO4F2]
Контрольные вопросы.
1. История открытия элементов. Природные соединения.
Принципы получения простых веществ. Применение.
2. Характеристики атомов d-элементов VIII группы, простых
веществ, соединений.
3. Физические и химические свойства простых веществ
4. Свойства соединений d-элементов VIII группы с различными
степенями окисления.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №18(А)
НАЗВАНИЕ: «ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРИДА ЖЕЛЕЗА (III)»
Подготовка к работе.
Оборудование. Поддон, шприц на 2 мл, крышка 1, крышка 2, 2
микрошпателя, 2 силиконовые трубки (4см х 4мм), 1 стеклянная
трубочка, микрогорелка, 4 тонкие пипетки.
Реактивы. Раствор соляной кислоты 5,5М HCl, порошок
оксоманганата (VII) калия, мелкодисперсный порошок железа Fe,
раствор аммиака 2М NH
, раствор азотной кислоты 2М HNO3,
3(вод)
раствор нитрата серебра 0,1M AgNO3.
116
Порядок работы.
1. В ячейку F1 внесите 1 микрошпатель порошка оксоманганата
(VII) калия и закройте ее крышкой 1.
2. В ячейку Е6 шприцем добавьте 0,5 мл воды. Затем этим же
шприцем добавьте в воду 0,5 мл 5,5М раствора соляной кислоты.
3. Из ячейки Е6 наберите в шприц 1,0 мл 2,75М соляной кислоты и
прикрепите шприц к крышке 1 на ячейке F1.
4. Ячейку F6 заполните пипеткой на 3/4 водой и закройте ее
крышкой 2 таким образом, чтобы внутренняя трубка погрузилась в
воду. Вентиляционное отверстие на крышке должно быть обращено
внутрь.
5. Прикрепите одну силиконовую трубку к крышке 1, вторую к
крышке 2.
6. В центр горизонтально расположенной стеклянной трубки при
помощи узкого конца чистого микрошпателя положите небольшое
количество порошка железа.
. Не меняя положения стеклянной трубки, прикрепите к ней с
7
одного конца силиконовую трубку с крышки 1, а к другому концу
стеклянной трубочки силиконовой трубку с крышкой 2.
8. Зажгите микрогорелку.
9. В ячейку F1 добавьте 1,0 мл раствор 2,75М соляной кислоты по
капле из шприца. Не добавляйте всю кислоту сразу!
10. В ячейке F6 дождитесь появления 3-4 пузырьков газа.
11. Начните нагревать порошок железа в стеклянной трубочке. Не
подносите микрогорелку близко к силиконовым трубкам, т.к. они
могут расплавиться.
12. Продолжайте нагревать трубочку 1-1,5 минуты.
13. Затушите пламя и дайте стеклянной трубочке слегка
охладиться. Если вода попала в стеклянную трубочку, быстро
отсоедините ее от остального оборудования, не меняя
горизонтального положения.
14. Когда трубочка охладиться, удалите из нее остатки железа.
15. В вертикально расположенную трубочку налейте воды из
пипетки, промойте ее и слейте раствор в ячейку А1. Обратите
внимание на его окраску.
117
16. Из ячейки А1 чистой пипеткой перелейте половину раствора в
ячейку А3.
17. В ячейку А1 добавьте одну каплю 2М раствора аммиака.
18. В ячейку А3 добавьте две капли 2М раствора азотной кислоты
и 3-4 капли 0,1М раствора нитрата серебра.
Внимание! Как можно скорее очистите поддон после
эксперимента, т.к. коричневый раствор в ячейке F1 может
испортить пластмассу. Если это произошло, то промойте ячейку
небольшим количеством 10% раствора пероксида водорода.
Промойте стеклянную трубочку водой и удалите твердое вещество
спичкой. Оставшиеся пятна на трубочке можно удалить раствором,
приготовленным из 2 частей HCl и 1 части HNO3.
Вопросы.
В.1 Опишите, что Вы наблюдаете в стеклянной трубке.
В.2 Опишите, какую окраску имеет раствор в ячейке А1.
В.3 Наблюдайте, что происходит в ячейке А1, когда туда
добавляют раствор аммиака.
В.4 Укажите, что происходит в ячейке А3, когда туда добавляют
раствор нитрата серебра.
В.5 Как Вы можете объяснить изменения, происходящие в ячейке
А1, после добавления в раствор 2М раствора аммиака?
В.6 Как Вы можете объяснить изменения, происходящие в ячейке
А3, при взаимодействии азотной кислоты и раствора нитрата серебра?
Объясните свой ответ.
В.7 Напишите уравнение химической реакции, протекающей в
стеклянной трубке между Fe и Сl
, учитывая, что при этом образуется
2
хлорид железа (III).
В.9 Какой это тип реакции? Подтвердите свой ответ, используя
соответствующие уравнения химических реакций.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №18(Б)
НАЗВАНИЕ: «СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗА (II), (III), ИХ СВОЙСТВА»
Часть 1. Взаимодействие железа с кислотами.
Подготовка к работе.
Оборудование.
Поддон, 4 тонкие пипетки, стеклянная палочка,
микрогорелка, спички.
118
Реактивы. Раствор соляной кислоты 2М HCl, раствор серной
кислоты 1М H2SO
H2SO
раствор азотной кислоты 2М HNO3, железная стружка Fe,
4,
концентрированный раствор серной кислоты
4,
раствор роданида калия 0,01 М KCNS.
Порядок работы.
1. Налейте при помощи пипетки по 5 капель кислот: в ячейку А1 –
2М раствор соляной кислоты, в ячейку А2 – 1М раствор серной
кислоты, в ячейку А3 – раствор концентрированной серной кислоты, в
ячейку А4 – 2М раствор азотной кислоты.
2. В каждую ячейку внесите по кусочку железной стружки.
3. В ячейку А3 опустите предварительно нагретую на
микрогорелке стеклянную палочку. Перемешайте содержимое ячейки
горячим концом палочки, аккуратно выньте и промойте палочку.
4. В каждую ячейку внесите по 1 капле раствора роданида калия.
. Наблюдайте различное окрашивание растворов в ячейках.
5
Появление в растворе ионов Fe3+ обеспечивает характерную красную
окраску соединения Fe(CNS)3.
6. Наблюдать за появлением окраски следует внимательно, т.к.
через некоторое время (1-2 мин.) в кислой среде Fe(CNS)3 разлагается.
Часть 2. Получение дигидроксида железа и исследование его
свойств.
Подготовка к работе.
Оборудование. Поддон, 2 тонкие пипетки, стеклянная палочка.
Реактивы. Раствор соли Мора (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O, раствор
гидроксида натрия 0,1М NaOH, раствор соляной кислоты 2М HCl.
Порядок работы.
1. В ячейку D1 внесите три капли раствора соли Мора.
2. В ячейку D1 добавьте по каплям раствор щелочи до выпадения
зеленоватого осадка дигидроксида железа.
Примечание: Fe(OH)2 бесцветен. Зеленоватая окраска осадка связана с
частичным окислением Fe(OH)2 на воздухе.
3. В ячейку D2 перенесите часть осадка.
4. В ячейку D2 добавьте 2-3 капли раствора соляной кислоты.
Наблюдайте за изменением окраски.
119
5. В ячейке D1 перемешайте раствор стеклянной палочкой и
наблюдайте через несколько минут побурение вследствие образования
тригидроксида железа.
Часть 3. Гидролиз солей железа.
Подготовка к работе.
Оборудование. Поддон, 1 тонкая пипетка, стеклянная палочка,
микрошпатель.
Реактивы. Раствор соли Мора (NH4)2SO4·FeSO4·6H2O, порошок
хлорида железа (III) FeCl3, нейтральный раствор лакмуса.
Порядок работы.
1. В ячейку А12 поместите 5-6 капель нейтрального раствора
лакмуса.
2. В ячейку А12 добавьте 2 микрошпателя соли Мора.
3. Размешайте содержимое стеклянной палочкой.
. В ячейке А12 установите реакцию среды в растворе по
4
изменению окраски индикатора лакмуса.
5. В ячейку А11 внесите 5-6 капель нейтрального раствора
лакмуса.
6. В ячейку А11 добавьте 2 микрошпателя порошка хлорида
железа (III).
7. Перемешайте стеклянной палочкой и определите среду
раствора.
8. Тщательно промойте поддон по окончании всех опытов.
Вопросы.
Часть 1.
В.1 Отметьте, в каких ячейках изменилась окраска растворов и как.
В.2 Напишите уравнения реакций, протекающих в ячейках между
роданидом калия и кислотами.
В.3 Какие ионы в данных реакциях являются окислителями?
В.4 Чем объяснить, что при взаимодействии железа с серной
кислотой разной концентрации образуются соединения железа в
различной степени окисления?
Часть 2.
В.1 Напишите уравнение реакции образования гидроксида железа
II).
(
120
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]