Fe2+ и Fe3+ — два цвета, два характера, одна из самых спрашиваемых тем экзамена от руды до ржавчины.
Железо — d-элемент VIIIB группы. Основные степени окисления: +2 и +3 (реже +6, в ферратах). В отличие от Mn и Cr, у железа нет заметного роста кислотности оксида с СО — оба FeO и Fe2O3 оснóвные (Fe2O3 слабо амфотерен).
На воздухе (в присутствии O2) устойчивее Fe3+ — Fe2+ постепенно окисляется. Без доступа кислорода (в некоторых средах) устойчивее Fe2+. Взаимопревращение Fe2+ ⇌ Fe3+ — центральная тема этого конспекта.
Металлическое железо реагирует с солями и оксидами железа(III), переводя их в железо(II): Fe + Fe₂(SO₄)₃ → 3FeSO₄. Это сопропорционирование — Fe0 и Fe+3 сходятся в Fe+2. Приём используют, чтобы «сбить» степень окисления железа с +3 до +2 в цепочках.
С сильными окислителями (Cl2, Br2) железо сразу окисляется до +3. Со слабыми (S, разбавленные кислоты без нитрат-иона) — только до +2. Это надёжное правило для быстрого определения продукта реакции железа с неметаллом.
Свежеосаждённый Fe(OH)2 белый (иногда с серо-зелёным оттенком), но за минуты на воздухе буреет и переходит в Fe(OH)3 — окисляется кислородом растворённым в воде. Классический демонстрационный опыт и качественный признак присутствия Fe2+.
Роданид калия KSCN — самый узнаваемый тест, даёт кроваво-красное окрашивание с Fe3+ (не даёт с Fe2+!). Жёлтая кровяная соль K4[Fe(CN)6] с Fe3+ даёт синий осадок берлинской лазури. Обратная пара: красная кровяная соль K3[Fe(CN)6] — тест на Fe2+ (турнбулева синь). Не перепутай, какая соль на какой ион!
Современные исследования показали, что оба «разных» синих осадка на самом деле имеют одинаковую кристаллическую структуру — при смешивании Fe2+ с [Fe(CN)6]3- (или Fe3+ с [Fe(CN)6]4-) происходит внутренний перенос электрона, и в обоих случаях образуется один и тот же смешанновалентный комплекс железа. Тем не менее в школьной программе их традиционно различают по названию в зависимости от исходных реагентов — это стоит знать как историческую деталь, но для экзамена важнее просто помнить пары реагент-ион.
Основной промышленный способ получения железа — восстановление оксидов железа углеродом (в форме CO) в доменной печи, ступенчатый процесс.
Сплав Fe с высоким содержанием углерода (2-4%), хрупкий, но твёрдый — прямой продукт доменной печи.
Сплав Fe с низким содержанием углерода (<2%), получают из чугуна выжиганием избытка углерода кислородом.
Ржавление — не простое окисление, а электрохимическая коррозия: во влажном воздухе на поверхности железа возникают микрогальванические элементы. Анодные участки окисляются: Fe − 2e- → Fe2+, катодные восстанавливают кислород: O₂ + 2H₂O + 4e- → 4OH-. Далее Fe2+ окисляется до Fe3+ и осаждается в виде рыхлого гидратированного оксида — собственно ржавчины Fe2O3·nH2O.
Изоляция (краска, смазка — физический барьер от воды/кислорода). Легирование (добавка Cr → нержавеющая сталь, пассивация). Протекторная защита (контакт с более активным металлом — цинком или магнием, которые окисляются вместо железа, см. конспект 77 про оцинковку).
Дано: 160 г Fe2O3 (M=160 г/моль) полностью восстановлено угарным газом.
n(Fe2O3) = 160/160 = 1 моль. Суммарно 1 моль Fe2O3 даёт 2 моль Fe.
m(Fe) = 2 × 56 = 112 г
Раствор смеси FeCl2 и FeCl3 дал красное окрашивание с KSCN — значит в растворе точно есть Fe3+. Чтобы подтвердить наличие Fe2+, нужна отдельная проба с красной кровяной солью K3[Fe(CN)6] (турнбулева синь) — KSCN на Fe2+ не реагирует.
Железо с любой кислотой даёт соль железа(III).
С кислотами-неокислителями (HCl, разб. H₂SO₄) железо даёт Fe2+: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. До Fe3+ его окисляют только сильные окислители: конц. HNO₃ при нагревании, хлор, разб. HNO₃.
Железо реагирует с хлором и с соляной кислотой одинаково — ведь и там, и там хлор.
С Cl₂ (сильный окислитель) получается FeCl₃. С HCl (окислитель — ион H+, послабее) получается FeCl₂. Классическая пара для сравнения.
Fe(OH)₂ — устойчивый белый осадок.
Он зеленоватый и быстро буреет на воздухе, окисляясь кислородом: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Именно это изменение цвета и служит признаком в задачах.
Соли Fe3+ с сульфидами дают Fe₂S₃.
Fe3+ — окислитель, S2- — восстановитель, поэтому идёт ОВР: 2Fe3+ + S2- → 2Fe2+ + S↓. Аналогично Fe3+ окисляет иодид до иода.
Роданид калия KSCN — кроваво-красное окрашивание, самая чувствительная проба. Жёлтая кровяная соль K₄[Fe(CN)₆] — синий осадок (берлинская лазурь). Для Fe2+ используют красную кровяную соль K₃[Fe(CN)₆] — тоже синий осадок (турнбулева синь).
Окислить любым сильным окислителем, например хлорной водой или пероксидом:
2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃
Проверка: добавить KSCN — появится кроваво-красное окрашивание, которого с Fe2+ не было. Это самый надёжный способ доказать, что окисление прошло.
Ответь мысленно, потом раскрой карточку.
Кроваво-красное окрашивание раствора (не осадок) — самая узнаваемая качественная реакция на Fe3+.
FeCl₃ — хлор сильный окислитель, окисляет железо сразу до высшей степени +3.
Кислород воздуха окисляет Fe2+ до Fe3+: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 (бурый).
Анодные участки окисляются (Fe → Fe2+ + 2e-), катодные восстанавливают кислород (O2+2H2O+4e-→4OH-), затем Fe2+ доокисляется до Fe3+ и осаждается как рыхлая ржавчина.
Чугун содержит больше углерода (2-4%, хрупкий), сталь — меньше (<2%, более пластичная и прочная) — сталь получают из чугуна выжиганием избытка C кислородом.
На Fe3+ — роданид KSCN (красный) или жёлтая кровяная соль K4[Fe(CN)6] (синий осадок). На Fe2+ — красная кровяная соль K3[Fe(CN)6] (турнбулева синь).
Изоляция (покрытие краской/смазкой), легирование (добавка Cr → нержавейка), протекторная защита (контакт с более активным металлом, например цинком).
n(FeCl3,M=162,5)=32,5/162,5=0,2 моль. Реакция 1:1 по Fe(OH)3 (M=107). m=0,2×107=21,4 г.
Орбита оценит уровень по каждой из 34 тем ЕГЭ и сама подберёт, что решать дальше. Первая диагностика — 12 задач, регистрация по логину, почту не спрашиваем.
Начать бесплатно