Неорганическая химия. неорганическая химия (часть 2) химики спец._. Лекция Элементы главной подгруппы vii группы. Галогены. Общая характеристика
 Скачать 289.6 Kb.
|
|
Оксиды, гидроксиды и соли железа. Ферраты, ферриты Оксид железа (II) FeO – порошок черного цвета. Обладает основными свойствами. Не взаимодействует с водой, но легко растворяется в кислотах: FeO + 2HCI = FeCI2 + H2O При растворении оксида железа (II) в азотной кислоте образуется нитрат железа (III), так как азотная кислота является сильным окислителем: 3FeO + 10HNO3 = 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O. Оксид железа (II) можно получить восстановлением оксида железа (III) монооксидом углерода при температуре 5000С: Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2↑ или разложением карбоната железа (III): FeCO3 → FeO + CO2↑ В щелочах FeO не растворяется. Оксиду железа (II) соответствует гидроксид железа Fe(OH)2, также обладающий основными свойствами. Получают действием раствора щелочи на соли железа (II) , при этом выпадает осадок белого цвета: FeCI2 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + 2NaCI. Осадок быстро темнеет, становится черным, а затем бурым. Изменение его цвета объясняется тем, что железо окисляется кислородом до степени окисления +3 и гидроксид железа (II) превращается в гидроксид железа (III): 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3. В кислой среде железо (II) окисляется значительно медленнее, поэтому соли его могут существовать более длительное время. В воде Fe(OH)2 не растворяется, но хорошо растворяется в минеральных кислотах, образуя соли Fe(II): Fe(OH)2 + H2SO4 (разб) = FeSO4 + H2О Соли двухвалентного железа получают либо растворением металлического железа в разбавленных кислотах (без доступа воздуха), либо вытеснением железом менее активных металлов из их солей: Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu↓ Галогениды железа (II) могут быть получены при пропускании сухого галогеноводорода через нагретый порошок железа: Fe + 2HCI → FeCI2 + H2↑ Все соединения Fe(II) проявляют восстановительные свойства, и поэтому многие из них устойчивы (легко переходят в соединения железа в степени окисления +3), например: 2Fe(OH)2 + 2NaOH + Br2 = 2Fe(OH)3 + 2NaBr FeCI2 + CI2 → 2FeCI3 10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3 + MnSO4 + K2SO4 + 8H2О Большинство солей, образованных катионом Fe2+ и анионами сильных кислот, хорошо растворимы в воде. Их растворы вследствие гидролиза имеют слабокислую реакцию: Fe2+ + НОН ↔ Fe(OH)- + H+ Гидратированный ион Fe2+ окрашивает растворы в бледно-зеленый цвет. Безводный Fe2+ бесцветен, а соли Fe(II) окрашены различно (в зависимости от природы аниона). Кристаллогидраты обычно тоже бледно-зеленого цвета. Наиболее важен с практической точки зрения кристаллогидрат FeSO4·7 H2О (его применяют для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве и для изготовления красителей). На воздухе железный купорос частично окисляется: FeSO4 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)SO4 08.03.2011 г. Ст. Ордж. 19:08 Лен, 47 Оксид железа (III) Fe2O3 – твердое порошкообразное вещество красно-бурого цвета. Некоторые его разновидности используют как краски («охра», «мумия» и др.). Самое устойчивое природное соединение железа. В лаборатории его получают обезвоживанием соответствующего гидроксида: 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O При высокой температуре он превращается в железную окалину: 6Fe2O3 = 4Fe3O4 + О2↑ Оксид железа (III) обладает слабо выраженными амфотерными свойствами - при сплавлении со щелочами или карбонатами щелочных металлов образует ферриты: Fe2O3 + Na2CO3 → 2NaFeO2 + CO2↑ Fe2O3 + 2KOH → 2KFeO2 + H2O Ферриты щелочных металлов при контакте с водой полностью гидролизуются (это один из способов промышленного получения NaOH): 2NaFeO2 + H2O = Fe2O3 + 2 NaOH Ферриты тяжелых металлов, полученные спеканием порошков оксида железа (III) с оксидами тяжелых металлов (никеля, кобальта, марганца и др.) – очень твердые хрупкие вещества. Они применяются в радиотехнике (ферритовые антенны и сердечники). Оксид железа (III) хорошо растворяется в кислотах с образованием солей Fe (III): Fe2O3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O Оксиду железа (III) соответствует гидроксид железа Fe(OH)3 – красно-бурый нерастворимый порошок, обладающий слабо выраженными амфотерными свойствами с преобладанием основных. В разбавленных кислотах Fe(OH)3 легко растворяется с образованием солей Fe (III): 2Fe (OН)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O При сплавлении со щелочами (или при кипячении в концентрированных растворах щелочей) Fe (OН)3 дает ферриты: Fe (OН)3 + KOH → KFeO2 + 2H2O Соли железа (III) обычно получают оксилением соответствующих солей Fe (II). В воде большинство из них растворяется, однако при этом сильно гидролизуются: Fe3+ + HOH ↔ Fe(OH)2+ + H+ желто-коричневые основные соли Fe(OH)2+ + HОН ↔ ↔ Fe(OH)2+ + H+ Качественной реакцией на ион Fe3+ (почти бесцветный) является реакция с бесцветным же раствором тиоцианата (роданида) аммония или калия (с тиоцианат-ионом SCN-). Образующийся тиоцианат железа (роданид железа, НSCN – родановодород) имеет ярко-красную окраску: Fe(NO3)2 + 3KSCN = Fe(SCN)3 + 3KNO3 Эта реакция применяется в аналитической химии для определения солей железа (III). Оксид железа (II)·(III) FeO·Fe2O3 или Fe3O4 встречается в природе в виде минерала магнетита. Его получают окислением железа водяным паром при температуре ниже 5700С: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑ Характерной особенностью Fe3O4 является высокая электропроводность, поэтому его используют для изготовления электродов. Из производных железа в других степенях окисления интересны ферраты – соединения шестивалентного железа, например феррат калия K2FeO4, феррат бария ВаFeO4 и другие. Это соли железной кислоты Н2FeO4. Сама кислота и ее ангидрид FeO3 не выделены. Ферраты можно получить окислением бромом взвеси Fe (OН)3 в горячем крепком растворе КОН: 2Fe (OН)3 + 3Br2 + 10KOH = 2K2FeO4 + 6KBr + 8H2O или нагреванием оксида железа (III) с нитратом и гидроксидом калия: Fe2 O3 + 4KOH + 3KNO3 = 2K2FeO4 + 3KNO3 + 8H2O Ферраты являются очень сильными окислителями, например 2K2FeO4 + 2NН4ОН = 2Fe (OН)3 + N2 ↑ + 4KOH Наконец, отметим, что для железа (II) и (III), как и для большинства переходных металлов, характерно образование комплексов (к.ч.. 6). Например, в водных растворах ионы Fe2+ образуют октаэдрические комплексы [Fe(H2O)6]2+. Важнейшими из комплексных солей железа являются гексацианоферрат (II) калия и гексацианоферрат (III) калия. K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль) является реактивом для качественного обнаружения ионов Fe3+: 4K4[Fe(CN)6] + 4Fe3+ = 4KFeIII [FeII(CN)6]↓ + 12K+ темно-синий осадок «берлинская лазурь» K3[Fe(CN)6] красная кровяная соль, она является реактивом для качественного обнаружения ионов Fe2+: 3K3[Fe(CN)6] + 43Fe2+ = 4KFeII [FeIII(CN)6]↓ + 6K+ темно-синий осадок «турнбуллева синь» Интересно, что «берлинская лазурь» и «турнбуллева синь» - две формы одного и того же вещества, т.к. в растворе устанавливается равновесие: KFeIII [FeII(CN)6] ↔ KFeII [FeIII(CN)6] Из анионных комплексов железа (III) известен также гексагидроксоферрат (III), образующийся при растворении гидроксида железа (III) в щелочах: Fe (OН)3 + 3OH- = [Fe(ОН)6]3- Получение железа и его сплавов. Чистое железо получают восстановлением оксида железа (III) Fe2O3 водородом или термическим разложением карбонила железа [Fe(CO)5]. Однако в технике применяют в основном железо, содержащее углерод, - сталь и чугун. Производство стали включает два этапа: 1 – получение чугуна (железа с 3-4% С); 2 – удаление из чугуна избытка углерода. Получение чугуна Для получения чугуна восстанавливают железную руду (она содержит оксиды железа и пустую породу – SiO2 и алюмосиликаты) избытком углерода. Чугун выплавляют в доменных печах. В печь загружают руду, углерод (кокс) и флюс – СаСО3, который образует с пустой породой легкоплавкий шлак. Кокс служит одновременно источником тепла и сырьем для получения восстановителя – оксида углерода (II): С + О2 = СО2 + Q С + CО2 ↔ 2СО - Q Оксид углерода при высокой температуре восстанавливает оксид железа, например: Fe2O3 + 3СО ↔ 2Fe + 3CO2↑ При этом происходят и другие процессы. Железо реагирует с углеродом с образованием карбида железа (III). Кремний, фосфор и сера частично восстанавливаются из соединений. Продукты всех этих побочных реакций растворяются в железе, приводя к образованию чугуна – сплава железа с углеродом, кремнием, серой и некоторыми соединениями. Для удаления пустой породы в руду вводят флюс – СаСО3 (известняк). При высокой температуре он разлагается: СаСО3 → СаО + СО2↑ Образовавшийся оксид кальция реагирует с пустой породой, например: СаО + SiO2 → CaSiO3 3CaO + P2O5 → Ca3(PO4)2 и др. Расплавленный шлак легче жидкого чугуна, поэтому он всплывает над чугуном. Жидкий чугун и шлак выпускают через отверстия, расположенные на разных уровнях. Выплавка стали Выплавку стали из чугуна (т.н. «передел» чугуна) осуществляют двумя способами – мартеновским и конверторным. Целью «передела» чугуна является окисление примесей (P,Si,S,Mn и др.) и частичное с последующим удалением оксидов. В конверторном способе расплавленный чугун наливают в специальный аппарат (конвертор) и продувают через металл воздух, обогащенный кислородом. Образующиеся оксиды кремния и фосфора частично реагируют с футеровкой конвертора (она содержит СаО), шлак удаляют. В мартеновском способе чугун плавят в широких (мартеновских) печах. Высокая температура в печи создается факелом горящего газа. Примеси окисляют частично кислородом воздуха, подаваемого в печь для сжигания газа, частично – специально добавляемыми в чугун оксидами железа. Процесс удается интенсифицировать, обогащая воздух кислородом или пропуская через металл кислород. В последнее время используют прямое восстановление руды смесью СО и Н2, получаемой конверсией природного газа. Суммарный процесс выражается схемой: 4Fe2O3 + 3СН4 → 8Fe + 6Н2О↑ + 3CO2↑ В результате образуется губчатое вещество, переплавкой которого получают сталь. Задача переработки чугуна в сталь сводится к удалению из него избытка углерода и других примесей. Это достигается путем их окисления. При высокой температуре кислород легко соединяется с углеродом и другими примесями, образуя оксиды. Оксид углерода (II) удаляется в виде газа, а остальные оксиды, реагируя с флюсами, образуют шлак, всплывающий на поверхность стали. Особенно нежелательно в сталях повышенное содержание фосфора и серы: фосфор делает сталь ломкой, а сера вызывает образование трещин при механической обработке раскаленной стали. Эти примеси удаляют, добавляя в расплавленный чугун известь. Оксид фосфора (V) Р2О5 с известью образует томасов шлак состава Са3(РО4)2·2СаО: Р2О5 + 4СаО = Са3(РО4)2·СаО Процесс удаления серы можно изобразить уравнением FeS + CaO = CaS + FeO Контрольные вопросы и упражнения Укажите место железа в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Начертите схему электронного строения железа. Назовите важнейшие природные соединения железа. Приведите их формулы. Напишите уравнения гидролиза солей FeCI2 и FeCI3. Какая из них сильнее подвергается гидролизу? Почему? Напишите уравнения реакций перехода Fe(OH)2 в Fe(OH)3 с участием: а) кислорода; б) пероксида водорода. Как обнаружить в растворе катионы железа (II) и железа? Сколько тонн руды красного железняка потребуется для выплавки 320 т чугуна, содержащего 95 % железа? (Ответ: 235,8 т) Чем отличаются чугун и сталь по составу и свойствам? Как влияет примесь серы и фосфора на свойства сталей? Какие свойства стали придают хром, молибден, вольфрам, ванадий и марганец? Где применяют стали, содержащие эти металлы. Сколько можно получить чугуна, содержащего 4,5 % углерода и 5,5 % других элементов, из 1 т железной руды, в которой железо составляет 80 %? (Ответ: 888 кг) Кобальт и никель В природе кобальт мало распространен: содержание его в земной коре составляет около 0,004 % (масс.). Чаще всего кобальт встречается в соединении с мышьяком в виде минералов кобальтовый шпейс CoAs2 и кобальтовый блеск CoAs. Кобальт – твердый, тягучий, похожий на железо блестящий металл. Как и железо, он обладает магнитными свойствами. Вода и воздух на него не действуют. В разбавленных кислотах кобальт растворяется значительно труднее, чем железо. Кобальт применяется главным образом в сплавах, которые используются в качестве жаропрочных и жаростойких материалов, для изготовления постоянных магнитов и режущих инструментов. Жаропрочный и жаростойкий сплав виталлиум содержит 65 % Со, 28 % Cr, 3 % W и 4 % Mo. Этот сплав сохраняет высокую прочность и не поддается коррозии при температурах до 800-8500С. Твердые сплавы стеллиты, содержащие 40-60 % Со, 20-35 % Cr, 5-20 % W и 1-2 % С, применяются для изготовления режущего инструмента. Кобальт входит также в состав керамикометаллических твердых сплавов – керметов. Соединения кобальта придают стеклу темно-синюю окраску (вследствие образования силиката кобальта). Такое стекло, истолченное в порошок, употребляется под названием «шмальты» или «кобальта» в качестве синей краски. Радиоактивный изотоп 60Со применяется в медицине как источник γ-излучения («кобальтовая пушка»). Кобальт образует оксид кобальта (II) СоО и оксид кобальта (III) Со2О3, которым соответствуют гидроксиды Со(ОН)2 и Со(ОН)3. Этим соединениям отвечают два ряда солей, но соли кобальта (III) нестойки и легко переходят в соли кобальта (II). Известен также смешанный оксид Co3О4 (или СоО· Со2О3), который следует рассматривать как соль. Соли кобальта (II) в безводном состоянии обычно синего цвета, а их водные растворы и кристаллогидраты имеют розовый цвет, например, хлорид кобальта (II) образует розовые кристаллы состава СoCI2·6H2O. Фильтровальная бумага, пропитанная раствором этой соли и потом высушенная, может служить грубым гигроскопом (указателем влажности), так как в зависимости от содержания влаги в воздухе принимает разные оттенки цветов – от синего до розового. Гидроксид кобальта (II) Со(ОН)2 получается при действии щелочи на растворы солей кобальта (II). Вначале выпадает осадок синей основной соли, который при кипячении жидкости переходит в розовый гидроксид Со(ОН)2; последний при прокаливании дает оксид кобальта (II) СоО серо-зеленого цвета. Соединения кобальта (II) окисляются с большим трудом, чем соединения железа (II); так, гидроксид кобальта (II) окисляется на воздухе в темно-бурый гидроксид кобальта (III) Со(ОН)3 гораздо медленнее, чем происходит аналогичное превращение гидроксидов железа. Однако в присутствии сильных окислителей , например гипохлорита натрия, окисление Со(ОН)2 в Со(ОН)3 протекает быстро: 2 Со(ОН)2 + NaCIO + H2O = 2Со(ОН)3 + NaCI. При действии на гидроксид кобальта (III) кислородсодержащих кислот соли кобальта (III) не образуются, а выделяется кислород и получаются соли кобальта (II), например: 2Со(ОН)3 + 4H2SO4 = 4CoSO4 + 10 H2O + O2↑. Из соляной кислоты гидроксид кобальта (III) выделяет хлор: 2Со(ОН)3 + 6НCI = 2СоCI2 + СI2↑ + 6H2O. Таким образом, соединения Со(III) менее устойчивы, чем соединения железа (III), и проявляют более сильно выраженную окислительную способность. Для кобальта (III) очень характерна его способность к комплексообразованию. Комплексные соединения кобальта (II) хотя и известны, но очень неустойчивы. В комплексных солях кобальт может входить как в состав катиона, так и в состав аниона, например [Co(NH3)6]CI3 и K3[Co(NO2)6]. Координационное число кобальта равно шести. |