2

УТВЕРЖДАЮ

Ректор университета

____________А.В. Лагерев

«____»____________2008 г.

ХИМИЯ

СВОЙСТВА d-ЭЛЕМЕНТОВ. ЖЕЛЕЗО, КОБАЛЬТ, НИКЕЛЬ

Методические указания

к выполнению лабораторной работы

для студентов всех форм обучения

всех специальностей

БРЯНСК 2008

УДК 541.8

Химия. Свойства d-элементов. Железо, кобальт, никель: метод. указания к выполнению лабораторной работы для студентов всех форм обучения всех специальностей. - Брянск: БГТУ, 2008.- 11 с.

Разработали: Удовенко Е.В., асс.,

Казаков О.А., к. х. н., доц.,

Котелович О.Ф., к. х. н., доц.,

Ильина И.В., к.б.н.

Рекомендовано кафедрой «Безопасность жизнедеятельности

и хи­мия» БГТУ (протокол № 5 от 22.01.08)

1. Цель работы

Цель работы - ознакомиться с химическими свойствами железа, кобальта, никеля и их соединений, а также с их практическим исполь­зованием в машиностроении.

Продолжительность работы - 4 часа.

Все опыты проводятся в пробирках, вставленных в штативы с подсветкой.

2. Теоретические основы

Железо, кобальт, никель находятся в побочной подгруппе вось­мой группы периодической системы Д.И.Менделеева. Их электрон­ные формулы имеют вид

²⁶Fe ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²;

²⁷Со ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s²;

²⁸Ni ls²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s².

Уменьшение числа непарных электронов на d-подуровне в ато­мах этих элементов и радиуса атомов в ряду Fe-Co-Ni обусловливает падение восстановительной активности элементов от железа к нике­лю. Железо может проявлять в соединениях степень окисления +2, +3. При этом степень окисления +3 заметно устойчивее, чем +2, поскольку на 3d-оболочке существует лишь один лишний электрон сверхустойчивой 5d-конфигурации. У кобальта обе характерные степени окисления (+2, +3) устойчивы примерно в равной мере, а у никеля более стабильна степень окисления +2. В жестких условиях под действием энергичных окислителей могут проявляться и более высокие степени окисления, вплоть до +6.

При обычных условиях в отсутствие влаги компактные железо, кобальт и никель практически не взаимодействуют даже с активными неметаллами. При нагревании же, и особенно в мелкораздробленном состоянии, эти металлы реагируют с большинством неметаллов (хло­ром, кислородом, азотом, серой и многими другими). Наиболее стоек к действию элементарных окислителей никель, наименее - железо. Наличие влаги способствует окислению металлов. Во влажной атмо­сфере, например, железо интенсивно корродирует, покрываясь рых­лой бурой ржавчиной (гидратная форма оксида железа III), не предо­храняющей металл от дальнейшего окисления. Реакция образования ржавчины многостадийна. Суммарно её можно выразить уравнением

4Fe + 3О₂ + 2H₂О → 2Fe₂О₃^.H₂О.

С водой в отсутствие элементарных окислителей железо, ко­бальт, никель реагируют только при высоких температурах (500°С), разлагая её по уравнению

3Ме + 4Н₂О ↔ Ме₃О₄ + 4О₂.

В соляной и разбавленной серной кислотах все металлы раство­ряются с выделением водорода

Ме + 2НС1 → МеС1₂ + Н₂↑, Me + H₂SO₄ →MeSO₄ + H₂↑.

Взаимодействие металлов с разбавленной азотной кислотой мо­жет быть представлено уравнениями

5Fe + 12HNO₃ → 5Fe(NO)₂ + N₂ + 6Н₂O, 3Со + 8HNO₃ → 3Co(NO₃)₂ + 2NO + 4Н₂O,

3Ni + 8HNO₃ → 3Ni(NO₃)₂ + 2NO + 4Н₂O.

Концентрированные азотная и серная кислоты при обычной температуре пассивируют железо, кобальт и никель. При нагревании же они растворяют металлы с образованием катионов Me³⁺ по реак­циям

Fe + 4НNO_3(конц.) → Fe(NO₃)₃ + NO + 2Н₂O,

2Fe + 6H₂SO_4(конц.) → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O.

Соединения железа, кобальта, никеля, в которых степень окисления металлов равна двум, проявляют восстановительные свойства

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

Восстановительная активность при переходе от Fe²⁺ к Ni²⁺ осла­бевает в соответствии с уменьшением радиусов ионов в ряду Fe²⁺, Со²⁺, Ni²⁺. Изменение восстановительных свойств Ме²⁺ хорошо про­слеживается на примере гидроксидов, получаемых добавлением ще­лочей к растворам, содержащим Ме²⁺

Ме²⁺ + 2NaOH → Me(OH)₂↓ + 2Na⁺.

Осажденный из раствора Fe(OH)₂ мгновенно окисляется кисло­родом воздуха. Аналогичная реакция с Со(ОН)₂ идет очень медленно. Ni(OH)₂ не окисляется кислородом воздуха. Более сильный, чем ки­слород, окислитель - пероксид водорода Н₂О₂ быстро окисляет Со(ОН)₂, но не окисляет Ni(OH)₂. Окислить Ni(OH)₂ можно только действием очень сильных окислителей, например действием брома

4Fe(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О → 4Fe(OH)₃↓,

2Со(ОН)₂ + Н₂О₂ → 2Со(ОН)₃↓, 2Ni(OH)₂ + Br₂ + 2NaOH →2Ni(OH)₂↓ + 2NaBr.

Соединения металлов, в которых они проявляют cтепень окисления +3, обладают окислительными свойствами

2FeCl₃ + 2KI→2FeCl₂ + 2КС1 + I₂.

Исключение составляет лишь Fe³⁺, которое при действии силь­ных окислителей в щелочной среде может проявлять восстановитель­ные свойства, окисляясь до Fe⁶⁺

2Fe(OH)₃ + 3Br₂ + 10 KOH_(конц.) →2K₂FeО₄ + 4KBr + 8H₂О.

феррат калия

Окислительная активность Ме³⁺ при переходе от Fe³⁺ к Ni ³⁺ усиливается в соответствии с уменьшением радиусов катионов в ряду Fe³⁺, Со³⁺, Ni³⁺

Fe(OH)₃ + 3НС1_(конц.)→ FeCl₃ + ЗН₂О,

2Со(ОН)₃ + 6НС1_(конц.) → 2СоС1₂ + С1₂ + 6Н₂О,

2Ni(ОН)₃ + 6НС1_(конц.) →2NiCl₂ + С1₂ + 6Н₂О.

Гидроксиды Ме(ОН)₂ и Ме(ОН)₃ обладают амфотерными свой­ствами. Их кислотный характер проявляется только при действии сильно концентрированных щелочей, при сплавлении с оксидами и карбонатами щелочных металлов. Так, действием концентрирован­ных растворов щелочей получены Na₂[Fe(OH)₄] и Na₂[Co(OH)₄]. Сплавлением NiО с Na₂О получен Na₂NiО₂. Сплавлением Fe₂О₃ со щелочами или карбонатами щелочных металлов получают ферриты

Fe₂О₃ + 2NaOH → 2NaFeО₂ + Н₂0,

Fe₂О₃ +Na₂CО₃ → 2NaFeО₂ + СО₂.

Известны соли КСоО₂ и KNiО₂, получаемые сплавлением СоО и NiO со щелочами в присутствии сильных окислителей. Основные свойства гидроксидов выражены сильнее, чем кислотные, что обу­словливает их сравнительно легкую растворимость в разбавленных кислотах

Fe(OH)₂ + 2НС1 →FeCl₂ + Н₂О; Fe(OH)₃ + 3НС1 → FeCl₃ + 3H₂О.

Основность Ме(ОН)₂ несколько выше, чем у соответствующих гидроксидов Ме(ОН)₃. При переходе от Fe⁺²

(Fe⁺³) к Ni⁺² (Ni⁺³) основ­ные свойства гидроксидов ослабевают. Гидроксиды железа, кобальта, никеля трудно растворимы в воде, поэтому их следует относить к слабым основаниям.

Как для большинства катионов d-элементов, так и для катионов ме­таллов семейства железа характерно образование комплексных со­единений. Комплексообразователь в комплексных ионах может про­являть координационное число 4 или 6

Na₂[Fe(OH)₄] (NH₄)₂[Co(NCS)₄] K₂[Ni(CN)₄]

тетрагидроксоферрат(II) тетрароданокобальтат (II) тетрацианоникеллат (II)

натрия аммония калия

→[Fe(NH₃)₆]Cl,

→[Co(NH₃)₆](OH)₂ + 6Н₂О,

→ [Ni(NH₃)₆](OH)₂+6Н₂О,

→KFe²⁺[Fe³⁺(CN)₆]↓+K₂SО₄, KFe³⁺[Fe²⁺(CN)₆]↓+ 3KC1.

FеС1₂(кр.) + 6HN₃(г.)

Сo(ОН)₂ + 6NH₄OH

Ni(ОН)₂ + 6NH₄OH

K₃[Fe(CN)₆] + FeSО₄

K₄[Fe(CN)₆] + FeCl₃ →

Следует иметь в виду, что большинство конструкционных мате­риалов современного машиностроения построено на базе железа, ко­бальта и никеля. Кобальт и никель входят как легирующие металлы в стали, придавая им особые свойства (стали нержавеющие, инстру­ментальные, с особыми магнитными свойствами). Никелевые гальва­нопокрытия металлов предохраняют их от коррозии и придают им красивый внешний вид.