2.1 Элементы триады железа

В триаду железа входят: железо(Fе), кобальт (Со) и никель(Ni). Это основные конструкционные металлы.Электронные конфигура­ция данных атомов имеют соответственно вид: 3d⁶4s². 3d⁷4s². 3d⁸4s². Наиболее устойчивые степени окисления для железа +2, +3 и +6, а для кобальта и никеля +2, +3.

Для железа наиболее устойчива при обычных условиях степень окисления +3, поэтому соединения железа +2 являются сильными восстановителями, а +6 – сильными окислителями. Для кобальта и никеля наиболее устойчива степень окисления+2, а в степени окисления +3 они обладают сильными окислительными свойствами.

В таблице 2 приведены основные классы соединений, образуемых железом.

Таблица 2. Основные классы соединений железа

	+2	+3	+6
Оксиды	FеО (основной) оксид железа (II)	Fе2О3 (амфотерный) оксид железа (III)	FеО3 (кислотный) оксид железа (VI)
	FеО + Fе2О3 = Fe3О4 смешанный оксид
Гидроксиды	Fе(ОН)2 гидроксид железа (II)	Fе(ОН)3 гидроксид железа (III) НFеО2 мета-железистая кислота Н3FеО3 орто-железистая кислота	Н2FеО4 железная кислота Н –О О Fе Н–О О
Соли	FеСl2 хлорид железа (II)	FеСl3 хлорид железа (III) К3СrО3 – феррит калия	К2FеО4 феррат калия

На примере железа в таблицы 24.1 приведен системный анализ основных классов неорганических соединений.

Железо, кобальт и никель - активные металлы, находящийся в ряду напряжений до водорода. На воздухе окисляются с образованием соответствующих оксидов. Накаленное железо сгорает по реакции

4Fe + 3О₂ = Fe₂О₃.

В мелкораздробленном состоянии (диаметр частиц около 5мкм) самовоспламеняются на воздухе, т.е. обладают пирофорными свойствами.

Железо при температуре красного каления (~500 ⁰С) окисляется водой

3Fe + 4Н₂О = Fe₂О₃ + H₂.

Оксид железа (II) FeO и соответствующий ему гидроксид Fe(OH)₂ обладают основными свойствами; оксид железа (III) Fe₂О₃ проявляет амфотерные свойства растворяется в кислотах, а при сплавлении со щелочами образует соли железистой кислоты - метаферриты:

Fe₂О₃ + 6 НС1 = 2 FeCl₃ + 3 Н₂О;

Fe₂О₃ + 2 NaOH = 2NaFeО₂ + H₂О .

Смешанный оксид железа (II, III) – Fe₃О₄ можно рассматривать как соль, образованную при взаимодействии основного оксида (FeO) и амфотерного оксида(Fe₂О₃) с образованием соли Fe(FeО₂)₂ - метаферрит железа (II). Структурную формулу данной соли можно представить следующим образом

О – Fe = О

Fe

О – Fe = О

Соединения железа (II) проявляют восстановительные свойства и легко окисля­ются до соединений железа (III). Например, белый гидроксид железа (II) уже в момент осаждения из растворов принимает зеленоватую окраску вследствие час­тичного окисления кислородом воздуха, а затем зелёный цвет изменяется на бурый в результате полного окисления Fe(OH)₂ до Fe(OH)₃

4 Fe(OH)₂ + O₂ + 2 Н₂О = 4 Fe(OH)₃.

Данная реакция используется для обезжелезивания воды.

Соляная и разбавленная серная кислоты растворяют данные металлы с образованием двухвалентных солей

Fe + 2НCl = FeCl₂ + Н₂.

При растворении железа в азотной или концентрированной серной кислотах при обычных условиях или при нагревании образуются соли железа (III):

Fe + 4НNO_3(разб.) → Fe(NO₃)₃ + NO + 2Н₂О,

2 Fe + 6 H₂SО₄ = Fe₂(SО₄)₃ + 3 SО₂↑ + 6 H₂О.

Концентрированная азотная кислота, содержанная NO₂, и концентрированная (близкая к 100%) серная кислота пассивирует данные металлы, создавая на их поверхности оксидные пленки.

Ионы Fe³⁺ проявляют относительно сильные окислительные свойства φ°(Fe³⁺/ Fe²⁺) = +0,77 В. На практике это используется для «травления» печатных плат по реакции:

2 FeCl₃ + Сu = 2 FeCl₂ + CuCl₂.

Ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ - являются комплексообразователи. Наиболее устойчивы цианидные комплексы:

1) К₄[Fе(СN)₆] – гексацианоферрат (II) калия («жёлтая кровяная соль») является чувствительным реакти­вом на ионы Fе³⁺

FeCl₃ + K₄[Fe(СN)₆] → KFe[Fe(СN)₆] + KCI.

Образующийся малорастворимый гексацианоферрат(П) калия-железа(Ш) имеет интенсивно синий цвет. Это соединение часто называют «берлинской лазурью».

2) Кз[Fе(СN)₆] – гексацианоферрат(III) калия («красная кровяная соль») является чувствительным реакти­вом на ионы Fе²⁺

FeCl₂ + K₃[Fe(СN)₆] → KFe[Fe(СN)₆] + 2KCI.

Образующийся осадок гексацианоферрат(Ш) калия-железа(И) окрашен в интенсивно синий цвет; его часто называют «турнбулевой синью».

Соединения железа (VI) - ферраты - очень сильные окислители

2 K₂FeО₄ + 16 НС1 = 2 FeCl₃ + 3 Cl₂↑ + 4 KCI + 8 H₂О.

Качественной реакцией на трехвалентное железо является взаимодействие его с роданидом калия или аммония

FeCl₃ + 3 KCNS Fe(CNS)₃ + 3 KCl.

Железо образует с СО летучую жидкость пентакарбонил железа Fe(СО)₅, которая при нагревании разлагается на СО и порошкообразное высокочистое железо.

При обработке поверхности железа азотом (азотировании) оно приобретает твердость и коррозионную стойкость. С углеродом железо образует прочное соединение цементит Fe₃С. Большое практическое значение имеют соединения железа, кобальта и никеля с кремнием и бором, которые придают сплавам: твердость, прочность при высокой температуре и коррозионную стойкость.

Соли кобальта (II) в безводном состоянии обычно синего цвета, а их водные растворы и кристаллогидраты имеют розовую окраску. Фильтровальная бумага, пропитанная раствором хлори­да кобальта(II) и затем высушенная, может служить грубым гигрометром (указате­лем влажности), так как в зависимости от содержания влаги в воздухе он принимает разные оттенки цветов от синего до розового. Соединения никеля сходны с соединениями кобальта.