Дослід 3. Взаємодія феруму з кислотами

3.1. У три пробірки наливають по 2 мл 2 н. розчинів кислот (хлорогідрогенна, сульфатна і нітратна). У кожну пробірку кладуть трохи ошурків феруму. Спостерігають процеси, що проходять. Вміст кожної пробірки розділяють на дві частини. В одну додають 1-2 краплини розчину К₄[Fe(CN)₆], а в другу – розчин К₃[Fe(CN)₆]. За допомогою якісних реакцій на іони Fe²⁺ та Fe³⁺визначають, які іони феруму утворилися в кожній пробірці. Складають рівняння реакцій.

3.2. Досліди повторюють з концентрованими хлорогідрогенною, сульфатною і нітратною кислотами. Складають рівняння реакцій.

Дослід 4. Одержання і властивості гідроксидів феруму (ІІ) і (ІІІ)

На розчини солей FeSO₄ і FeCl₃ діють лугом. Визначають колір осадів. При стоянні на повітрі спостерігається зміна забарвлення гідроксиду заліза (ІІ). Визначають відношення осаду гідроксиду заліза (ІІІ) до соляної кислоти й розчину лугу. Складають рівняння реакцій. Які властивості мають гідроксиди феруму (ІІ) і (ІІІ)?

Дослід 5. Відновні властивості сполук феруму (ІІ)

До розчину солі сульфату феруму (ІІ) додають трохи розчину сульфатної кислоти і краплями – розчин перманганату калію, спостерігають знебарвлення останнього. Складають рівняння реакції.

Дослід 6. Окиснювальні властивості сполук феруму (ІІІ)

До розчину хлориду феруму (ІІІ) приливають трохи розчину йодиду калію. Що спостерігається? Скласти рівняння реакції.

МЕТОДИЧНІ ПОРАДИ

Ферум відноситься до хімічних елементів побічної підгрупи VШ групи періодичної системи Д.І.Менделеєва.

Електронна формула атому феруму має вигляд:

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶. В атомах заліза валентні електрони заповнюють орбіталі таким чином:

Атом феруму утворює хімічні зв’язки за рахунок електронів зовнішнього і передостаннього електронних шарів. У збудженому стані один із спарених 4s-електронів переходить із 4s- в 4р-стан. Таким чином, атом феруму матиме найбільшу валентність, рівну шести. Для нього характерні ступені окислення +2, +3, +6.

Вміст феруму в земній корі складає 5,1%. Основними мінералами феруму є наступні: магнетит (магнітний залізняк) Fe₃O₄: гематит (червоний залізняк) Fe₂O₃; лимонит (бурий залізняк) Fe₂O₃ ∙Н₂О; пірит FeS₂.

У промисловості у великих кількостях добувають сплави заліза – чавун і сталь. Це питання є предметом спеціальної галузі – чорної металургії.

Найчастіше сталь виготовляють у два етапи; спочатку в доменній печі виплавляють чавун-сталь, що містить 3-4% карбону. Для отримання сталі із чавуну застосовують різні способи: конверторний, мартенівський, електрометалургійний.

Чисте залізо отримують електролізом розчинів солей феруму, при розкладанні пентакарбонілу феруму, або відновленням оксидів феруму гідрогеном:

Fe(CO)₅ = Fe +5CO

Fe₂O₃ +3H₂ = 2Fe + 3H₂O

Cтандартний електродний потенціал системи Fe/Fe²⁺ дорівнює –0,44В. Видно, що ферум відноситься до активних металів. Ферум легко реагує з хлорогідрогенною і розбавленою сульфатною кислотами:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑; Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

Концентровані кислоти – окисники HNO₃ і H₂SO₄– пасивують ферум. Після цього ферум не реагує з розбавленими кислотами, не відновлює купрум із розчину, наприклад, CuSO₄. Очищений від оксидної плівки ферум може відновлювати Pb, Sn, Cu, Ag, Hg і Au із розчинів їх солей.

Концентровані H₂SO₄ і HNO₃ при нагріванні все ж таки взаємодіють з ферумом:

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

Оскільки ферум – метал середньої активності, то можливі ще й такі продукти відновлення нітрогену: NO₂, N₂O, N₂, що залежить від концентрації кислоти.

На повітрі і особливо у вологих умовах ферум швидко руйнується:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃

При високих температурах ферум взаємодіє з водяною парою:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑

Під дією галогенів ферум утворює галогеніди FeГ₃.

Для феруму найбільш характерні два типи сполук – сполуки феруму (ІІ) і (ІІІ). Відома невелика кількість сполук феруму (VI), наприклад, K₂FeO₄, BaFeO₄ (ферати).

Найбільш відомими оксидами є FeO, Fe₂O₃і в якійсь мірі Fe₃O₄ (змішаний оксид FeO ∙Fe₂O₃).

Для добування FeO використовують відновлення Fe₂O₃ воднем або металічним залізом та ін.:

Fe₂O₃ + H₂ 2FeO + H₂O

Fe₂O₃ + Fe 3FeО

Оксид феруму (ІІ) має основні властивості, Fe₂O₃ – амфотерні.

Цим оксидам відповідають гідроксиди, які утворюються при дії лугів на відповідні розчини солей:

FeCl₃ + 3KOH = Fe(OH)₃↓ + 3KCl

Fe₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Fe(OH)₃↓ + 3Na₂SO₄

Іони феруму (ІІ) Fe²⁺ легко окиснюються оксигеном повітря або іншими окисниками до іонів феруму(ІІІ) Fe³⁺:

4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃↓

При гідролізі і окисненні солі FeCO₃ також утворюється гідроксид тривалентного феруму:

4FeCO₃ + O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃↓ + 4CO₂↑

Гідроксид феруму (ІІІ) проявляє амфотерні властивості і тому може розчинятися у кислотах і концентрованих розчинах лугів:

Fe(OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O

Fe(OH)₃ + 3KOH = K₃[Fe(OH)₆]

Солі феруму (ІІ) виступають як відновники:

2KMnO₄ + 10FeSO₄ + 8H₂SO₄ = 2MnSO₄ + 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 8H₂O

Окрім солей феруму (ІІ) і (ІІІ) відомі ферати – солі залізної кислоти H₂FeO₄, яка не існує у вільному стані.

Отримують ферати дією на Fe₂O₃ сильним окисником в присутності лугу:

Fe₂O₃ + 3KNO₃ + 4KOH = 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O

У розчині ця сіль поступово розпадається:

4K₂FeO₄ + 10H₂O = 4Fe(OH)₃ + 8KOH + 3O₂

Всі ферати є сильними окисниками:

2K₂FeO₄ + 16HCl = 4KCl + 2FeCl₃ + 3Cl₂ + 8H₂O

2K₂FeO₄ + 2NH₄OH = 2Fe(OH)₃ + N₂ + 4KOH

Відомі комплексні сполуки феруму, за допомогою яких визначають наявність у розчині іонів феруму (ІІ) Fe²⁺ і феруму (ІІІ) Fe³⁺.

Для виявлення іонів Fe³⁺використовують роданід калію KSCN, роданід амонію NH₄SCN.

Гексацианідферат K₄[Fe(CN)₆] (жовта кров’яна сіль) є також реактивом для виявлення іонів Fe³⁺в розчині:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ + 2KCl

При взаємодії іонів [Fe(CN)₆]^-4 з іонами Fe³⁺ утворюється темно-синій осад – берлінська блакить.

Червона кров’яна сіль, тобто гексациано(ІІІ)ферат калію K₃[Fe(CN)₆], є реактивом для виявлення Fe²⁺ у розчині:

3FeCl₂ + 2 K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ + 6KCl

Осад, що утворився, називають турнбулевою синню.

Л А Б О Р А Т О Р Н А Р О Б О Т А № 15