РАЗДЕЛ II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
8.
Металлические элементы и их соединения. Металлы
8.5. Ферум
8.5.2. Соединения Железа ( III )
Ферум(ІІІ) оксид Fe 2 О 3 - самая устойчивая естественная спорка Железа, порошок бурого цвета, имеет атомные кристаллические решетки, в воде не растворяется. Ферум(ІІІ) оксид проявляет слабые амфотерные свойства (с преобладанием основных) - легко реагирует с кислотами:
Проявляет слабые кислотные свойства сплава при со щелочами и карбонатами щелочных металлических элементов:
Натрий феррит, образовавшийся в водном растворе полностью разлагается водой (гидролизует):
Восстановители восстанавливают железо(III) оксид к железу:
Добыча феррум(ІІІ) оксида Ферум(ІІІ) оксид получают термическим разложением ферум(ІІІ) гидроксида или феррум(III) нитрата:
Его также получают во время обжига пирита FeS 2 :
Феррум(III) гидроксид Fe (OH ) 3 1 - нерастворимое в воде вещество бурого цвета со слабыми амфотерными свойствами (с преобладанием основных):
Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании. При этом образуется устойчивый гідроксокомплекс K 3 [ Fe (OH ) 6 ]:
Добыча феррум(ІІІ) гидроксида
Феррум(III) гидроксид получают из растворимых в воде солей Железа(III) при их взаимодействии с щелочами:
Соли Железа(III), образованные сильными кислотами, хорошо растворяются в воде, могут образовывать кристаллогидраты: Fe (N О 3 ) 3 · 9Н 2 O, Fe 2 (S O 4 ) 3 · 9Н 2 О, FeCl 3 · 6Н 2 О. Соли Fe 3+ гидролизуют по катиона:
Соединения Железа(III) проявляют окислительные свойства, а потому при взаимодействии с восстановителями Fe 3+ превращается в Fe 2+ :
Качественные реакции на ион Fe 3+ :
1. Реактив - калий гексаціаноферат(II) (желтая кровяная соль). Образуется темно-синий осадок - берлинская лазурь:
2. Реактив - калий (или аммоний) тиоцианат. Образуется феррум(III) тиоцианат кроваво-красного цвета:
Использование железа и соединений Железа
Черная металлургия (производство железа и его сплавов) составляет 90 % мировой металлургии. Черная металлургия является основой развития многих отраслей производства: машиностроение уходит треть черного металла, на строительство (как конструкционный материал, для изготовления железобетона) - четверть; значительную часть используют также в транспорте.
Сплавы на основе железа (ферромагнитные) применяют в электротехнике в производстве трансформаторов и электродвигателей.
Ферум(ІІ) оксид FeO является одним из компонентов керамики, пигмент для красок и термостойкой эмали.
Ферум(ІІІ) оксид Fe 2 О 3 используют как минеральную краску охру.
Магнетит Fe 3 О 4 применяют в производстве жестких дисков, а ультрадисперсний порошок - как тонер в черно-белых лазерных принтерах.
Железный купорос (железо(II) сульфат гептагидрат) FeS В 4 · 7Н 2 О используют для борьбы с вредителями растений, при производстве минеральных красок, в строительстве.
Феррум(III) хлорид применяют для очистки воды, как протраву при крашении тканей, в радиотехнике для протравливания печатных плат, в органическом синтезе - как катализатор.
Водные растворы FeCl 2 , FeCl 3 , FeS В 4 используют как коагулянты, чтобы очистить воду для промышленных предприятий.
Феррум(III) нитрат нонагідрат Fe (N О 3 ) 3 · 9Н 2 В применяют как протраву в процессе окрашивания тканей.
1 Как и в случае с Fe 3 О 4 , вещества с формулой Fe (OH ) 3 не существует. При попытке ее получения образуется Fe 2 O 3 · n Н 2 O или FeO (OH ) - феррум(III) метагідроксид.
Качественные реакции на железо (III)
Ионыжелеза (III ) в растворе можно определить с помощью качественных реакций. Проведем некоторые из них. Возьмем для опыта раствор хлорида железа (III ).
1. III )– реакция со щелочью.
Если в растворе есть ионы железа (III ), образуется гидроксид железа (III ) Fe(OH) 3 . Основание нерастворимо в воде и бурого цвета. (Гидроксид железа (II ) Fe(OH) 2 . – также нерастворим, но серо-зеленого цвета). Бурый осадок указывает на присутствие в исходном растворе ионов железа (III ).
FeCl 3 + 3 NaOH = Fe(OH) 3 ↓+ 3 NaCl
2. Качественная реакция на ион железа ( III ) – реакция с желтой кровяной солью.
Желтая кровяная соль – это гексацианоферраткалия K 4 [ Fe ( CN ) 6 ]. (Для определения железа (II ) используют красную кровяную соль K 3 [ Fe ( CN ) 6 ]). К порции раствора хлорида железаприльемраствор желтой кровяной соли. Синий осадок берлинской лазури* показывает на присутствие в исходном растворе ионов трехвалентного железа.
3 К 4 +4 FeCl 3 = K Fe ) ↓ + 12 KCl
3. Качественная реакция на ион железа ( III ) – реакция с роданидом калия.
Вначале разбавляем испытуемый раствор – иначе не увидим ожидаемой окраски. В присутствии иона железа (III ) при добавлении роданида калия образуется вещество красного цвета. Это ‑ роданид железа (III ). Роданид от греческого "родеос" - красный.
FeCl 3 + 3 К CNS = Fe ( CNS ) 3 + 3 KCl
Берлинская лазурь была получена случайно в начале 18 века в Берлине красильных дел мастером Дисбахом. Дисбах купил у торговца необычный поташ (карбонат калия): раствор этого поташа при добавлении солей железа получался синим. При проверке поташа оказалось, что он был прокаленс бычьей кровью. Краска оказалась подходящей для тканей: яркой, устойчивой и недорогой. Вскоре стал известен и рецепт получения краски: поташ сплавляли с высушенной кровью животных и железными опилками. Выщелачиванием такого сплава получали желтую кровяную соль. Сейчас берлинскую лазурь используют для получения печатной краски и подкрашивания полимеров.
Оборудование: колбы, пипетка.
Техника безопасности . Соблюдать правила обращения с растворами щелочей и растворами гексацианоферратов. Не допускать контакта растворов гексацианоферратов с концентрированными кислотами.
Постановка опыта – Елена Махиненко, текст – к.п.н. Павел Беспалов.
FeCl 3 Мол. в. 162,21
FeCl 3 ·6H 2 O Мол. в. 270,30
СвойстваБезводный препарат - черно-коричневые кристаллические корки или большие пластинчатые кристаллы гексагональной системы, гранатово-красные в проходящем и зеленые с металлическим блеском в отраженном свете. Пл. 2,898 г/см 3 . При 309 °С препарат плавится в подвижную красную жидкость, кипящую при 319 °С с частичным разложением. Однако уже при 100 °С FeCl 3 заметно улетучивается. На воздухе жадно притягивает влагу и расплывается. Очень хорошо растворим в воде (47,9% при 20 °С, со значительным выделением тепла), хорошо растворим в этиловом спирте, глицерине, диэтиловом эфире и ацетоне, мало растворим в бензоле. Раствор FeCl 3 в некоторых органических растворителях на свету восстанавливается в FeCl 2 , при этом растворитель окисляется или хлорируется, например FeCl 3 и этиловый спирт образуют FeCl 2 и ацетальдегид.
Кристаллогидрат FeCl 3 ·6H 2 O - красно-коричневая влажная на ощупь, довольно мягкая кристаллическая масса. Из водных растворов кристаллизуется иногда в полушаровидных агрегатах лучисто-кристаллического строения. Во влажном воздухе быстро расплывается. Т. пл. 37 °С; улетучивается уже при 100 °С. Выше 250 °С распадается на Fe 2 O 3 , FeCl 3 , Cl 2 и HCl. Препарат очень хорошо растворим в воде, растворим в этиловом спирте, глицерине и диэтиловом эфире.
Приготовление безводного FeCl 3
В трубку 4 из тугоплавкого стекла (рис. 20) помещают 70 г не слишком тонкой железной проволоки, высушенной при 110 °С и охлажденной в эксикаторе (еще лучше использовать стружки железа Армко). Эту трубку присоединяют с помощью резиновой пробки к широкогорлой банке 5 емкостью 1 л. Другой конец трубки 4 соединяют с системой для осушки хлора, состоящей из промывалки 1 с конц. H 2 SO 4 и трубки 3 с P 2 O 5 ; склянка 2 является предохранительной на случай закупоривания трубки 4 возгоняющимся FeCl 3 . из прибора вытесняют воздух хлором и нагревают трубку 4 пламенем горелки, поддерживая ток хлора таким, чтобы в поглотительной склянке 8 с раствором NaOH проходили лишь редкие пузырьки газа.
Образующийся FeCl 3 возгоняется в банку 5. Сразу же по окончании реакции банку 5 отсоединяют и немедленно закрывают заранее приготовленной притертой пробкой.
Выход ~200 г (почти 100%). Для окончательной очистки FeCl 3 можно подвергнуть повторной возгонке в токе хлора, но и без этого препарат вполне пригоден для большинства целей.
Приготовление кристаллогидрата FeCl 3 ·6H 2 O
Сначала получают раствор FeCl 2 , растворяя металлическое железо в соляной кислоте, а затем окисляют его хлором:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 б
2FeCl 2 + Cl 2 = 2FeCl 3
Работу следует проводить под тягой.
В коническую колбу емкостью 1 л, содержащую 740 мл 25%-ной соляной кислоты (ч. д. а.), прибавляют небольшими порциями 120 г чистых железных стружек (огнеопасно - водород !). Когда бурный период реакции закончится, раствор нагревают до 80-90 °С, фильтруют и полученный раствор FeCl 2 (около 700 мл) хлорируют в аппарате, изображенном на рис. 21.
Раствор FeCl 2 из напорной склянки 1 подают в абсорбер 3 со скоростью 5 мл/мин. Абсорбером служит колонка высотой 100 см и диаметром 4 см, заполненная обрезками стеклянных трубок диаметром 6-8 мм и длиной 3 см. Снизу в колонку пускают хлор со скоростью 6 л/мин. Газ предварительно для промывки просасывают через склянку 2 с водой. Избыток хлора через склянку Тищенко 4 уводится в тягу.
Хлорированный раствор стекает из колонки по сифону в приемник 5. Процесс должен быть отрегулирован так, чтобы окисление было полным (проба жидкости не должна давать синего осадка с раствором K 3 Fe(CN) 6).
Раствор из приемник 5 переносят в фарфоровую чашку и упаривают при 90-95 °С точно до пл. 1,659 (при 25 °С). Несоблюдение этого условия приведет к тому, что либо раствор не будет кристаллизоваться, либо произойдет выделение другого, метастабильного кристаллогидрата. Оставшийся раствор охлаждают до 4 °С, изредка перемешивая. Выделившиеся кристаллы отсасывают на воронке Бюхнера и переносят их в банку с притертой пробкой.
Выход 500 г (66% по железу). Полученный препарат обычно соответствует реактиву квалификации ч. д. а., но иногда удается получать препарат х. ч.
Общие сведения о гидролизе хлорида железа (III)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Хлорид железа (III) – средняя соль, образованная слабым основанием – гидроксидом железа (III) (Fe(OH) 3) и сильной кислотой – соляной (хлороводородной) (HCl). Формула – FeCl 3 .
Представляет собой вещество с кристаллической структурой черно-коричневого, темно-красного, фиолетового или зеленого цвета, в зависимости от угла падающего света. Молярная масса – 162 г/моль.
Рис. 1. Хлорид железа (II). Внешний вид.
Гидролиз хлорида железа (III)
Гидролизуется по катиону. Характер среды – кислый. Теоретически возможны вторая и третья ступени. Уравнение гидролиза выглядит следующим образом:
Первая ступень:
FeCl 3 ↔ Fe 3+ +3Cl — (диссоциация соли);
Fe 3+ + HOH ↔ FeOH 2+ + H + (гидролиз по катиону);
Fe 3+ +3Cl — + HOH ↔ FeOH 2+ +3Cl — + H + (ионное уравнение);
FeCl 3 + H 2 O ↔ Fe(OH)Cl 2 + HCl (молекулярное уравнение).
Вторая ступень:
Fe(OH)Cl 2 ↔ FeOH 2+ + 2Cl — (диссоциация соли);
FeOH 2+ + HOH ↔ Fe(OH) 2 + + H + (гидролиз по катиону);
FeOH 2+ + 2Cl — + HOH ↔ Fe(OH) 2 + + 2Cl — + H + (ионное уравнение);
Fe(OH)Cl 2 + H 2 O ↔ Fe(OH) 2 Cl+ HCl (молекулярное уравнение).
Третья ступень:
Fe(OH) 2 Cl ↔ Fe(OH) 2 + + Cl — (диссоциация соли);
Fe(OH) 2 + + HOH ↔ Fe(OH) 3 ↓ + H + (гидролиз по катиону);
Fe(OH) 2 + + Cl — + HOH ↔ Fe(OH) 3 ↓ + Cl — + H + (ионное уравнение);
Fe(OH) 2 Cl + H 2 O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + HCl (молекулярное уравнение).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | К раствору гидроксида натрия массой 150 г (ω=10%) прилили раствор хлорида железа (III), в результате чего выпал осадок бурого цвета – гидроксид железа (III). Определите его массу. |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия гидроксида натрия и хлорида железа (III):
3NaOH + FeCl 3 = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl. Рассчитаем массу растворенного вещества гидроксида натрия в растворе: ω = m solute / m solution ×100%; m solute = m solution ×ω/100%; m solute (NaOH) = m solution (NaOH) × ω(NaOH)/100%; m solute (NaOH) = 150× 10/100% = 15г. Найдем количество вещества гидроксида натрия (молярная масса – 40 г/моль): υ(NaOH) = m solute (NaOH)/ M(NaOH) = 15/40 = 0,375моль. Согласно уравнению реакции υ(Fe(OH) 3) = 3×υ(NaOH) =3×0,375=1,125моль. Тогда рассчитаем массу осадка гидроксида железа (III) (молярная масса – 107 г/моль): m(Fe(OH) 3)= υ(Fe(OH) 3)×M(Fe(OH) 3)= 1,125 ×107 = 120,375г. |
| Ответ | Масса гидроксида железа (III) равна 120,375 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассчитайте массовые доли каждого из элементов, входящих в состав хлорида железа (III). |
| Решение | Массовая доля элемента рассчитывается следующим образом:
ω(X) = n×Ar(X)/Mr×100%, т.е. отношение относительной атомной массы с учетом количества атомов, входящих в состав вещества, к молекулярной массе этого вещества, выраженное в процентах. Молекулярная масса хлорида железа (III) равна 162. Рассчитаем массовые доли элементов: железо : ω(Fe) = n×Ar(Fe)/Mr (FeCl 3) ×100%; ω(Fe) = 1×56/162 ×100% =34,27%. хлор : ω(Cl) = n×Ar(Cl)/Mr (FeCl 3) ×100%; ω(Cl) = 3×35,5/162 ×100% = 65,73%. Чтобы проверить правильность расчета, путем складывания полученных массовых долей мы должны получить 100%: ω(Fe) +ω(Cl) = 34,27 +65,73 = 100%. |
| Ответ | Массовая доля железа равна 34,27%, массовая доля хлора равна 65,73. |
Хлорид железа (III) в виде раствора можно приготовить в лаборатории или в домашних условиях. Потребуется термостойкая неметаллическая посуда и чистая горячая или дистиллированная). После растворения и отстаивания получается темно-коричневая жидкость. Есть ряд особенностей приготовления раствора хлорного железа, о которых следует узнать до того, как начинать работу с ним.
Хлорное железо
Безводное хлорное железо, выпускаемое химической промышленностью — FeCl 3 , — кристаллы темно-коричневого цвета с оттенками красного, фиолетового, темно-зеленого. Молярная масса — 162,21 г/моль. Плавится вещество при температуре 307,5 °C, при 500 °C начинает разлагаться. В 100 г воды растворяется навеска безводной соли:
- 74,4 г (0 °C);
- 99 г (25 °C);
- 315 г (50 °C);
- 536 г (100 °C).
Безводный (III) — очень гигроскопичное вещество, быстро притягивает влагу из окружающей среды. На воздухе взаимодействует с водой, превращаясь в желтые кристаллы гексагидрата FeCl 3 + 6Н 2 О. Массовая доля безводного хлорного железа в веществе, приобретенном в торговой сети, достигает 95%. Присутствует небольшое количество хлористого железа FeCl 2 и нерастворимых примесей. Торговое название — «Хлорное железо». Вещество пожаро- и взрывобезопасное, но его раствор оказывает коррозийное влияние на металлические предметы.
Гексагидрат хлорида железа (III)
Кроме безводного промышленность выпускает кристаллогидрат, в нем массовая доля хлорного железа (III) составляет 60%. Вещество представляет собой желто-бурую кристаллическую массу или рыхлые куски того же оттенка. Важная отличительная черта ионов двух- и трехвалентного железа — цвет. Для степени окисления Fe 2+ характерен зеленоватый оттенок, шестиводный кристаллогидрат хлористого железа — голубовато-зеленое вещество. В степени окисления Fe 3+ ионы приобретают цвет от желтого до коричневого. Для качественного определения на раствор хлорного железа действуют реактивами:
- NaOH (появляется бурый осадок Fe(OH) 3);
- K 4 (появляется осадок KFe синего цвета);
- KCNS, NaCNS (образуется роданид железа Fe(CNS) 3 красного цвета).
Как развести хлорное железо
Хлорид железа (III) в виде раствора коричневого или красного цвета можно найти в торговой сети, приготовить в лаборатории или в домашних условиях. В последнем случае обязательно потребуется термостойкая неметаллическая посуда (стеклянная, пластиковая, керамическая). Воду для растворения соли можно взять из-под крана. Безопаснее — кипяченая или дистиллированная. Нагретую до 50-70 °C воду помещают в емкость, а затем малыми порциями насыпают вещество. Пропорции хлорного железа и воды — 1:3. Если готовить раствор из кристаллогидрата, то воды потребуется меньше, ведь она содержится в кристаллогидрате (40% от массы). Добавляют вещество в раствор понемногу, каждая порция — около 5-10 г. Сразу насыпать всю навеску не рекомендуется из-за бурного характера реакции гидратации. Нельзя использовать металлическую посуду (ложки, шпатели). Соль должна полностью раствориться в теплой воде, для чего кристаллы нужно хорошо перемешать с жидкостью. Ускоряет процесс добавление соляной кислоты (1/10 от массы кристаллов). После отстаивания в течение нескольких часов на дне может появиться осадок из-за присутствия в навеске и образования в ходе реакции гидроксида железа. Следует профильтровать готовый раствор темно-коричневого цвета и хранить в плотно закрытой пластиковой таре при умеренной температуре и отсутствии прямого солнечного освещения.
Применение хлорного железа в промышленности и коммунальном хозяйстве. Бытовое использование
Соли железа находят применения во многих сферах. Хлорид трехвалентного металла используется для обработки воды, металлов и закрепления красок. Вещество применяется в промышленном органическом синтезе (катализатор, окислитель). Особенно ценятся коагулирующие свойства иона Fe 3+ в очистке коммунальных и производственных стоков. Под действием хлорида железа мелкие нерастворимые частички примесей слипаются и осаждаются. Также происходит связывание части растворимых загрязнений, которые удаляют на очистных сооружениях. Кристаллогидрат и безводная соль FeCl 3 применяются в процессах травления металлических печатных форм. Добавляют вещество в бетон для укрепления его прочности.
Химические явления при травлении плат. Меры безопасности
Популярное химическое вещество для травления печатных плат — хлорное железо. Раствор для этих целей готовят из 0,150 кг соли и 0,200 л теплой воды. В нем содержатся ионы Fe 3+ , Cl - , а при гидролизе образуется соединение коричневого цвета — гидроксид трехвалентного железа. Процесс идет по схеме: FeCl 3 + 3HOH↔ Fe(OH) 3 + 3Cl - + 3H + . Недостаток метода заключается в загрязнении платы побочными продуктами реакции, которые затрудняют дальнейшее травление. Сама соль — нелетучее вещество, но в процессе взаимодействия с водой выделяет едкие пары. Работу необходимо проводить на свежем воздухе или в хорошо проветриваемой комнате. Попадание раствора на кожу и слизистые оболочки приводит к раздражению и может вызвать дерматиты. Следует использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки). При соприкосновении с едким раствором необходимо промыть кожу большим количеством воды.
