Химия · 9 класс · Габриелян · урок 57 · только теория
Оксиды, гидроксиды и соли железа (II) и железа (III)
Железо — металл с переменной валентностью, поэтому оно образует два ряда соединений: с железом(II) и железом(III). В этой теме мы разберёмся, как устроены и как ведут себя оксиды, гидроксиды и соли этих двух форм железа, и почему их свойства так различаются.
Чему учимся понимать
Научиться различать и описывать свойства соединений железа(II) и железа(III), а также понимать причины их сходств и различий.
Зачем это нужно
Соединения железа — основа многих природных процессов (ржавление, минералы) и промышленных технологий (производство стали, пигментов, лекарств). Понимание их свойств помогает объяснять, почему одни соединения устойчивы, а другие легко окисляются, и как это используют на практике.
Опорные понятия
Главные тезисы
- Железо — переходный металл, поэтому проявляет переменную валентность: +2 и +3.
- Соединения железа(II) менее устойчивы и легко окисляются до соединений железа(III) под действием кислорода.
- Оксиды железа — основные оксиды, но Fe₂O₃ проявляет слабые амфотерные свойства.
- Гидроксиды железа — нерастворимые основания, Fe(OH)₃ также обладает слабой амфотерностью.
- Соли железа(III) в водных растворах гидролизуются, поэтому их растворы имеют кислую среду.
- Переход Fe²⁺ → Fe³⁺ — это окисление (отдача электрона), а Fe³⁺ → Fe²⁺ — восстановление.
- Качественные реакции позволяют различить ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ в растворе.
Определения
- Оксиды железа
- Бинарные соединения железа с кислородом, где железо имеет степень окисления +2 (FeO) или +3 (Fe₂O₃).
- Гидроксиды железа
- Нерастворимые основания, соответствующие оксидам: Fe(OH)₂ — белый осадок, Fe(OH)₃ — бурый осадок.
- Соли железа
- Продукты замещения водорода в кислотах на ион железа, например FeSO₄ (сульфат железа(II)) и FeCl₃ (хлорид железа(III)).
- Амфотерность
- Способность вещества проявлять и основные, и кислотные свойства, реагируя и с кислотами, и со щелочами.
- Гидролиз
- Взаимодействие ионов соли с водой, приводящее к изменению среды раствора (кислой или щелочной).
- Качественная реакция
- Реакция, позволяющая обнаружить определённый ион по характерному признаку (цвет осадка, выделение газа и т.д.).
Ключевые факты и правила
- FeO — чёрный кристаллический порошок, Fe₂O₃ — красно-бурый порошок (гематит).
- Fe(OH)₂ — белый осадок, который на воздухе быстро зеленеет, а затем буреет из-за окисления до Fe(OH)₃.
- Fe(OH)₃ — бурый осадок, нерастворим в воде, но растворяется в кислотах и в концентрированных щелочах (при нагревании).
- Соли железа(II) обычно имеют зеленоватый цвет (например, FeSO₄·7H₂O — зелёный кристаллогидрат), а соли железа(III) — жёлто-коричневый (например, FeCl₃).
- Качественная реакция на Fe²⁺: с красной кровяной солью K₃[Fe(CN)₆] образуется синий осадок (турнбулева синь).
- Качественная реакция на Fe³⁺: с жёлтой кровяной солью K₄[Fe(CN)₆] образуется синий осадок (берлинская лазурь), а с роданидом калия KSCN — кроваво-красное окрашивание.
- При взаимодействии железа с разбавленными кислотами (HCl, H₂SO₄) образуются соли железа(II), а с концентрированной серной или азотной кислотой — соли железа(III).
Теория
Сначала вспомним, что железо — переходный металл, и у него есть две распространённые степени окисления: +2 и +3.
Рассмотрим оксиды: FeO (основный) и Fe₂O₃ (слабо амфотерный). Они соответствуют гидроксидам Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃.
Изучим свойства гидроксидов: оба нерастворимы в воде, но Fe(OH)₃ может реагировать с концентрированными щелочами, проявляя кислотные свойства.
Перейдём к солям: соли железа(II) получают при реакции железа с разбавленными кислотами, а соли железа(III) — при реакции оксида Fe₂O₃ или гидроксида Fe(OH)₃ с кислотами.
Разберём окислительно-восстановительные переходы: Fe²⁺ легко окисляется до Fe³⁺, а Fe³⁺ можно восстановить до Fe²⁺, например, железом или йодидом калия.
Используем качественные реакции для распознавания ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ в растворе.
Примеры
- Пример 1случай
Если оставить влажный железный гвоздь на воздухе, он покрывается ржавчиной
Пояснение
- это результат окисления железа до Fe³⁺ и образования гидратированного оксида
- Пример 2случай
- В природе минерал пирит (FeS₂) имеет золотистый цвет, но при выветривании окисляется до Fe₂O₃, окрашивая почву в красноватые тона
- Пример 3случай
- Раствор хлорида железа(III) используют для травления медных плат в электронике, так как Fe³⁺ окисляет медь, а сам восстанавливается до Fe²⁺
- Пример 4случай
- При добавлении раствора щёлочи к раствору сульфата железа(II) выпадает белый осадок Fe(OH)₂, который на воздухе быстро темнеет — это наглядный пример неустойчивости соединений железа(II)
Интересно знать
- Ржавчина — это не просто оксид железа(III), а сложная смесь гидратированных оксидов, которая не защищает металл от дальнейшего разрушения, в отличие от оксидной плёнки на алюминии.
- Гематит (Fe₂O₃) — важная железная руда, из которой выплавляют чугун и сталь. Его название происходит от греческого слова 'гема' — кровь, из-за красного цвета.
- Ионы Fe²⁺ входят в состав гемоглобина крови, а ионы Fe³⁺ — в состав ферритина, который запасает железо в организме.
Техника безопасности
- Работая с растворами кислот и щелочей, соблюдайте осторожность: они вызывают ожоги кожи и слизистых.
- Соли железа(III) могут вызывать раздражение кожи, поэтому избегайте попадания на руки и в глаза.
- При нагревании растворов используйте защитные очки и не наклоняйтесь над пробиркой.
Связанные темы
- Соединения алюминия (амфотерность)
- Оксиды и гидроксиды переходных металлов
- Окислительно-восстановительные реакции
- Гидролиз солей