Химические свойства металлов семейства железа

Цель работы

Изучить важнейшие химические свойства металлов семейства железа и их соединений. Выработать навыки идентификации железа в различных степенях окисления.

Теоретическая часть

Железо, кобальт и никель, составляющие семейство железа, являются d -элементами 4-го периода Периодической системы. Их атомы имеют по два 4 s электрона и соответственно 6, 7 и 8 электронов на З d -подуровне. Заполнение вторыми электронами 3 d -орбиталей сказывается на уменьшении возможных степеней окисления этих элементов от Fe к Ni. Если для марганца высшая степень окисления совпадает с номером группы (т.е. равна +7), то у железа она не бывает больше +6 (чаще +3 и +2), у кобальта достигает +4 и у никеля +3. В обычных соединениях у кобальта степень окисления преимущественно +2, а в комплексных соединениях +3. У никеля она почти всегда +2 и очень редко +3. Очевидно, не все электроны незаполненного d -подуровня участвуют в образовании валентных связей.

Разбавленные соляная, серная и азотная кислоты растворяют металлы семейства железа, переводя их в двухзарядные катионы. При нагревании концентрированные азотная и серная кислоты окисляют железо до Fe (III). Очень концентрированная азотная кислота (плотностью 1, 4 г / см ³), содержащая растворенный диоксид азота, пассивирует железо, кобальт и никель (в этом случае они перестают растворяться в кислотах и не вытесняют из растворов солей металлы, имеющие более высокие значения стандартных электродных потенциалов).

Восстановительные свойства оксидов и гидроксидов усиливаются по направлению от никеля (II) к железу (II), а окислительные свойства соединений металлов семейства железа в степени окисления +3 усиливаются в обратном направлении. Соли железа (II) легко окисляются на воздухе до солей железа (III), поэтому во всех опытах по изучению свойств железа (II) пользуются свежеприготовленным раствором более устойчивой соли Мора (двойная соль сульфатов аммония и железа (II)). Соль Мора практически полностью диссоциирует в воде на все составляющие её ионы, поэтому в уравнениях реакций вместо формулы соли Мора можно пользоваться формулой сульфата железа (II).

Многие соли железа, кобальта и никеля имеют различную окраску: соли никеля (II) зеленого цвета; соли кобальта (II) – синие, а их растворы и кристаллогидраты розовые; соли железа (II) – зеленоватые, соли железа (III) – бурые. Хлориды, нитраты и сульфаты железа, кобальта и никеля растворимы в воде, а соли угольной и фосфорной кислот практически нерастворимы.

Для Fe, Co и Ni характерно образование многочисленных комплексных соединений с координационными числами 6 и 4.

Приборы и реактивы

1. Железо (опилки или стружка),

2. Стеклянная палочка.

3. Соль Мора.

4. Нитрит калия.

5. Спирто-эфирная смесь.

6. Кислота серная, конц.

7. Кислота азотная, конц.

8. Растворы: соляной кислоты (2 н.), серной кислоты (2 н. и плотностью 1, 84 г / см ³), азотной кислоты (2 н. и плотностью 1, 4 г/см3), роданида калия или аммония (0, 01 н. и насыщенный), едкого натра (2 н.), сульфида натрия (0, 5 н.), гексацианоферра-та (II) калия (0, 5 н.), гексацианоферрата (III) калия (0, 5 н.), пероксида водорода (3%-ный), хлорида железа (III) (0, 5 н.), иодида калия (0, 5 н.), хлорида кобальта (0, 5 н. и насыщенный), хлорида никеля (0, 5 н.), аммиака (25%-ный), бромная вода.

Порядок проведения работы

Опыт 1. Характерные реакции на ионы Fe²⁺ и Fe³⁺

1) Приготовьте в пробирке раствор соли Мора и добавьте 1 каплю раствора гексацианоферрата (III) калия (красной кровяной соли). Выпадает осадок турнбулевой сини Fe [ Fe (CN)₆].

2) Поместите в пробирку 2 – 3 капли раствора хлорида железа (III) и добавьте 1 каплю раствора гексацианоферрата (II) калия (желтой кровяной соли). Выпадает осадок берлинской лазури, идентичный по составу с турнбулевой синью.

3) Поместите в пробирку 5 – 6 капель раствора хлорида железа (III) и добавьте 1 каплю 0, 01 н. раствора роданида калия (или аммония). Первоначально бесцветный раствор приобретает ярко-красную окраску, характерную для роданидного комплекса железа (III) и продуктов его частичной диссоциации. Проделав такой же опыт с раствором соли Мора, убедитесь в том, что ион Fe ²⁺ подобной цветной реакции не дает.

4) Составьте схему электронной конфигурации атома комплексообразователя в гексацианоферрате (II), укажите тип гибридизации его орбиталей и определите, какими магнитными свойствами должен обладать этот комплексный ион.