Урок №55. Соединения железа
ОКСИДЫ
Дополнительно в учебнике "Фоксфорд"
Оксид железа (II)
Оксид железа (II) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.
Способы получения
Оксид железа (II) можно получить различными методами:
1. Частичным восстановлением оксида железа (III).
Например, частичным восстановлением оксида железа (III) водородом:
Fe2O3+H2=2FeO+H2O
Или частичным восстановлением оксида железа (III) угарным газом:
Fe2O3+CO=2FeO+CO2
Еще один пример: восстановление оксида железа (III) железом:
Fe2O3+Fe=3FeO
2. Разложение гидроксида железа (II) при нагревании:
Fe(OH)2=t=FeO+H2O
Химические свойства
Оксид железа (II) — типичный основный оксид.
1. При взаимодействии оксида железа (II) с кислотными оксидами образуются соли.
Например, оксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI):
FeO+SO3=FeSO4
2. Оксид железа (II) взаимодействует с растворимыми кислотами. При этом также образуются соответствующие соли.
Например, оксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой:
FeO+2HCl=FeCl2+H2O
3. Оксид железа (II) не взаимодействует с водой.
4. Оксид железа (II) малоустойчив, и легко окисляется до соединений железа (III).
Например, при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуются нитрат железа (III), оксид азота (IV) и вода:
FeO+4HNO3(конц.) =t= NO2+Fe(NO3)3+2H2O
При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота (II). Реакция идет при нагревании:
3FeO+10HNO3(разб.) = 3Fe(NO3)3+NO+5H2O
5. Оксид железа (II) проявляет слабые окислительные свойства.
Например, оксид железа (II) реагирует с угарным газом при нагревании:
FeO+CO =t= Fe+CO2
Оксид железа (III)
Образуется при сжигании сульфидов железа, например, при обжиге пирита:
4FeS2 + 11O2 t˚C→ 2Fe2O3 + 8SO2
или при прокаливании солей железа:
2FeSO4 t˚C→ Fe2O3 + SO2 + SO3
Fe2O3 - оксид красно-коричневого цвета, в незначительной степени проявляющий амфотерные свойства
Fe2O3 + 6HCl t˚C→2FeCl3 + 3H2O
Fe2O3 + 6H+ t˚C→2Fe3+ + 3H2O
Fe2O3 +2NaOH +3H2O t˚C→2Na[Fe(OH)4],
образуется соль – тетрагидроксоферрат (III) натрия
Fe2O3 + 2OH- + 3H2O t˚C→ 2[Fe(OH)4]-
При сплавлении с основными оксидами или карбонатами щелочных металлов образуются ферриты:
Fe2O3 + Na2O t˚C→ 2NaFeO2
Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2
Оксид железа (III) не взаимодействует с водой.
Оксид железа (III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI).
Fe2O3+KClO3+4KOH=2K2FeO4+KCl+2H2O
Нитраты и нитриты в щелочной среде также окисляют оксид железа (III):
Fe2O3+3KNO3+4KOH=2K2FeO4+3KNO2+2H2O
Оксид железа (III) проявляет окислительные свойства.
Оксид железа (III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II) или железной окалины:
Fe2O3+3СO=t=2Fe+3CO2
Также оксид железа (III) восстанавливается водородом:
Fe2O3+3Н2=t=2Fe+3H2O
Железом можно восстановить оксид железа только до оксида железа (II):
Fe2O3+Fe=t=3FeO
Оксид железа (III) реагирует с более активными металлами. Например, с алюминием (алюмотермия): Fe2O3+2Al=t=2Fe+Al2O3
Оксид железа (III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями.
Fe2O3+3NaH=3NaOH+2Fe
Оксид железа (II, III)
Оксид железа (II, III) (железная окалина, магнетит) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.
Способы получения
Оксид железа (II, III) можно получить различными методами:
1. Горение железа на воздухе:
3Fe+2O2=t=Fe3O4
2. Частичное восстановление оксида железа (III) водородом или угарным газом:
3Fe2O3 + Н2 =t=2Fe3O4 + H2O
3. При высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой, образуя двойной оксид железа (II, III):
3Fe + 4H2O(пар) =t= Fe3O4 + 4H2
Химические свойства
Свойства оксида железа (II, III) определяются свойствами двух оксидов, из которых он состоит: основного оксида железа (II) и амфотерного оксида железа (III).
1. При взаимодействии оксида железа (II, III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли железа (II) и железа (III).
C соляной кислотой образуются две соли – хлорид железа (II) и хлорид железа (III):
Fe3O4 + 8HCl=FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
Оксид железа (II, III) взаимодействует с разбавленной серной кислотой.
Fe3O4 + 4H2SO4(разб.) = Fe2(SO4)3 + FeSO4 + 4Н2О
2. Оксид железа (II, III) взаимодействует с сильными кислотами-окислителями
Fe3O4 + 10HNO3(конц.) = NO2↑ + 3Fe(NO3)3 + 5H2O
Разбавленной азотной кислотой окалина окисляется при нагревании:
3Fe3O4 + 28HNO3(разб.) =t= 9Fe(NO3)3 + NO + 14H2O
Оксид железа (II, III) окисляется концентрированной серной кислотой:
2Fe3O4 + 10H2SO4(конц.) = 3Fe2(SO4)3 + SO2 + 10H2O
Также окалина окисляется кислородом воздуха:
4Fe3O4 + O2(воздух) = 6Fe2O3
3. Оксид железа (II, III) не взаимодействует с водой.
4. Железная окалина проявляет окислительные свойства.
Например, оксид железа (II, III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II):
Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2
Также железная окалина восстанавливается водородом:
Fe3O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O
Оксид железа (II, III) реагирует с более активными металлами.
Например, с алюминием (алюмотермия):
3Fe3O4 + 8Al = 9Fe + 4Al2O3
Оксид железа (II, III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями (йодидами и сульфидами). Например, с йодоводородом:
Fe3O4 + 8HI = 3FeI2 + I2 + 4H2O
ГИДРОКСИДЫ
Гидроксид железа (II)
Образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:
FeCl2 + 2KOH = 2KCl + Fе(OH)2↓
Гидроксид железа (II) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (II).
FeCl2+2NH3+2H2O=Fe(OH)2+2NH4Cl
Fe(OH)2 - слабое основание, растворимо в сильных кислотах:
Fe(OH)2 + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O
Fe(OH)2 + 2H+ = Fe2+ + 2H2O
Получение гидроксида железа (II) и взаимодействие его с кислотами
Гидроксид железа (II) взаимодействует с пероксидом водорода:
2Fe(OH)2 +H2O2 = 2Fe(OH)3
При растворении Fe(OH)2 в азотной или концентрированной серной кислотах образуются соли железа (III):
2Fe(OH)2+4H2SO4(конц.) = Fe2(SO4)3+SO2+6H2O
При прокаливании Fe(OH)2 без доступа воздуха образуется оксид железа (II) FeO - соединение черного цвета:
Fe(OH)2 t˚C→ FeO + H2O
В присутствии кислорода воздуха серо-зелёный осадок Fe(OH)2, окисляясь, буреет – образуя гидроксид железа (III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3↓
Качественная реакция на Fe2+
При действии гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] (красной кровяной соли) на растворы солей двухвалентного железа образуется синий осадок (турнбулева синь):
Fe2+Cl2 + K3[Fe3+(CN)6] → 2KCl + KFe2+[Fe3+(CN)6]↓
(турнбулева синь – гексацианоферрат (III) железа (II)-калия)
Гидроксид железа (III)
Гидролиз солей - гидроксид железа (III) образуется при взаимодействии растворимых солей железа (III) с растворами карбонатов и сульфитов.
Карбонаты и сульфиты железа (III) необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например, бромид железа (III) реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида железа (III), выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:
2FeBr3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + CO2↑ + 6NaBr
Реакция обмена - гидроксид железа (III) образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа: выпадает в виде красно–бурого осадка
Fe(NO3)3 + 3KOH = Fe(OH)3↓ + 3KNO3
Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3↓
Получение гидроксида железа (III) и взаимодействие его с кислотами
Качественные реакции на Fe3+
1) При действии гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок (берлинская лазурь):
Fe3+Cl3 + K4[Fe2+(CN)6] → 3KCl + KFe3+[Fe2+(CN)6]↓
(берлинская лазурь - гексацианоферрат (II) железа (III)-калия)
2) При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe3+ роданистого калия или аммония появляется интенсивная кроваво-красная окраска раствора роданида железа(III):
2FeCl3 + 6KCNS = 6KCl + FeIII[FeIII(CNS)6]
(при взаимодействии же с роданидами ионов Fe2+ раствор остаётся практически бесцветным).
СОЛИ
Термическое разложение нитратов
Нитрат железа (II) при нагревании разлагается на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:
4Fe(NO3)2 =t= 2Fe2O3 + 8NO2 + O2
Нитрат железа (III) при нагревании разлагается также на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:
4Fe(NO3)3 =t= 2Fe2O3 + 12NO2 + 3O2
Гидролиз солей железа
Растворимые соли железа, образованные кислотными остатками сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. частично:
I ступень: Fe3+ + H2O ↔ FeOH2+ + H+
II ступень: FeOH2+ + H2O ↔ Fe(OH)2+ + H+
III ступень: Fe(OH)2+ + H2O ↔ Fe(OH)3 + H+
Но, сульфиты и карбонаты железа (III) и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:
Fe2(SO4)3 + 6NaHSO3 = 2Fe(OH)3↓ + 6SO2 + 3Na2SO4
2FeBr3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + CO2↑ + 6NaBr
2Fe(NO3)3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + 6NaNO3 + 3CO2↑
2FeCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + 6NaCl + 3CO2↑
Fe2(SO4)3 + 3K2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3↓ + 3CO2↑ + 3K2SO4
При взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает ОВР:
2FeCl3 + 3Na2S = 2FeS + S + 6NaCl
Соли железа (III) - окислители
Так, при взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает окислительно-восстановительная реакция.
Так, хлорид железа (III) взаимодействует с сульфидом натрия. При этом образуется сера, хлорид натрия и либо черный осадок сульфида железа (II) (в избытке сульфида натрия), либо хлорид железа (II) (в избытке хлорида железа (III)):
2FeCl3 + 3Na2S = 2FeS + S + 6NaCl
2FeCl3 + H2S = 2FeCl2 + S + 2HCl
По такому же принципу соли железа (III) реагируют с сероводородом:
2FeCl3 + H2S = 2FeCl2 + S + 2HCl
Соли железа (III) также вступают в окислительно-восстановительные реакции с йодидами.
С йодидом калия образуются хлорид железа (II), молекулярный йод и хлорид калия:
2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl