ХІМІЯ - Комплексна підготовка до зовнішнього незалежного оцінювання
РОЗДІЛ II. НЕОРГАНІЧНА ХІМІЯ
8. Металічні елементи та їхні сполуки. Метали 8.5. Ферум Ферум розміщується у побічній підгрупі VIII групи1 четвертого періоду періодичної системи, належить до d-елементів. Хімічний символ — Fe. Порядковий номер — 26, заряд ядра — +26. Відносна атомна маса — 56. Утворює просту речовину залізо. Природний Ферум складається із чотирьох стабільних ізотопів: 54Fe (5,85 %), 56Fe (91,75 %), 57Fe (2,12 %) і 58Fe (0,28 %). Відомо також більш ніж 20 нестабільних ізотопів з масовими числами від 45 до 72. Електронна формула — 26Fe [Аr] 3d64s2. Валентні електрони в атомі Феруму розміщуються у зовнішньому електронному шарі (4s2) та передостанньому (3d6). Атом легко втрачає 4s2-електрони, утворюючи йони Fe2+: У збудженому стані один електрон з 3d-підрівня може переходити на 4p-підрівень (така електронна конфігурація також доволі стабільна) і ставати валентним: Таким чином найхарактерніші валентності Феруму — II і III, ступені окиснення — +2, +3 (інколи +6). Ступені окиснення +2 +3 +6 Приклади сполук FeO, FeCl2, Fe(OH)2 Fe2O3, FeCl3 Fe(OH)3 K2FeO4 Електронегативність за Полінгом — 1,83. Поширення Феруму уприроді Ферум — 4-й за поширеністю елемент (і 2-й серед металічних елементів) земної кори (за масою). Утворює значну кількість мінералів, переважно силікатів. Найбільше значення мають: магнітний залізняк (магнетит) Fe3O42, червоний залізняк (гематит) Fe2O3, бурий залізняк (лимоніт) 2Fe2O3 · 3Н2O, сидерит (залізний шпат) FeCO3, залізний, або сірчаний, колчедан (пірит)FeS2. За сучасними уявленнями ядро нашої планети має середній радіус 3,5 тис. км3, масу 1,932 · 1024 кг і на 79-85 % складається із Феруму (у вигляді сплаву з Силіцієм (6-7 %), Ніколом (4,9-5,2 %) та іншими елементами). У морській воді його мало — 0,002-0,02 мг/л. У прісній воді, залежно від джерела, концентрація Феруму може значно коливатися — від 0 до 2 мг/л і більше, що не тільки впливає на органолептичні властивості води, а й робить її токсичною і непридатною для пиття4. Трапляється самородне залізо (Гренландія) і чавун (Далекий Схід). До поверхні нашої планети5 долітає 5-6 т метеоритів на добу (космічного пилу — від 300 до 20 000 т). Вони бувають залізними (приблизно один із шістнадцяти), залізо-кам’яними та кам’яними. Залізні метеорити складаються з 91 % Феруму, приблизно 8,5 % Ніколу та інших елементів. Інші також містять у своєму складі Ферум (від 1 до 50 %). За сучасними уявленнями вони є похідними астероїдів. Ферум (у вигляді йона Fe2+) є складовою частиною гему — комплексної сполуки порфірину, що входить до складу гемоглобіну, міоглобіну, пероксидази, цитохромів тощо. Фізичні властивості заліза Чисте залізо — сріблясто-білий метал, має високу пластичність, легко кується. Температура плавлення — 1539 °С, температура кипіння — 2861 °С. Має феромагнітні властивості (притягується магнітом), добре проводить теплоту та електричний струм, хоча й поступається таким металам, як золото, срібло, мідь, алюміній. Хімічні властивості заліза Ферум розміщується в середині електрохімічного ряду напруг, а тому є металічним елементом середньої хімічної активності. Під час хімічних реакцій виявляє відновні властивості. Залізо реагує: 1) з простими речовинами: • під час нагрівання залізо окислюється більшістю неметалів: Окалина утворюється при окисненні заліза в атмосфері чистого кисню, а на повітрі — ферум(ІІІ) оксид Fe2О3. 2) зі складними речовинами: • взаємодія з водою (корозія) за стандартних умов відбувається лише, якщо є кисень: • розпечене залізо реагує з водяною парою: • з кислотами: а) з кислотами, що є слабкими окисниками (за відсутності кисню): б) з нітратною кислотою: в) при нагріванні з концентрованими нітратною та сульфатною кислотами (на холоді вони пасивують залізо): • з розчинами солей менш активних металів: Зауважимо, що утворюються солі двовалентного Феруму. Добування заліза Хімічно чисте залізо отримують електролізом розчинів його солей. Також залізо добувають відновленням природних оксидів воднем (з подальшим переплавлянням в електричних печах): ___________________________________________________________ 1 За новою номенклатурою — у VIII групі. 2 Формула Fe3О4, яку для зручності написання традиційно використовують, є некоректною. Правильна формула цієї речовини — 3 Середній радіус Землі становить 6,37 тис. км. 4 Гранично допустима концентрація (ГДК) Феруму у воді — 0,3 мг/л. 5 Цікаво, що метеорити нерівномірно вкривають площу поверхні Землі. Існують ділянки (наприклад, зона Мовчання в Мексиці, що розташована за 6 км від техаського містечка Ель-Пасо), які ніби притягують метеорити, зокрема завдяки аномальним показникам магнітного поля. 8.5.1. Сполуки Феруму (II) Сполуки Феруму (II) виявляють відновні властивості, оскільки йон Fe2+ легко окислюється до Fe3+. Ферум(ІІ) оксид FeO — тверда кристалічна речовина чорного кольору з атомними кристалічними гратками. У воді не розчиняється. Це основний оксид, якому також притаманні відновні властивості. Реагує з кислотами, кислотними оксидами: При взаємодії з киснем та нітратною кислотою ферум(ІІ) оксид виявляє відновні властивості: Добування ферум(ІІ) оксиду Термічний розклад ферум(ІІ) карбонату в атмосфері азоту: а також іншими реакціями: Термоліз ферум(ІІ) оксалату (солі щавлевої кислоти): Ферум(ІІ) гідроксид Fe(OH)2 — порошок білого кольору, не розчиняється у воді. Має основний характер і виявляє відновні властивості: • реагує з кислотами: • окислюється окисниками: На повітрі окислюється до Fe(OH)3 бурого кольору: • при нагріванні розкладається: Добування ферум(ІІ) гідроксиду Його одержують при взаємодії лугів з розчинними у воді солями Феруму (II): Свіжоосаджений ферум(ІІ) гідроксид має зеленкуватий колір, на повітрі швидко змінює своє забарвлення — буріє Солі Феруму (II) Сполуки Fe (II) нестійкі, окислюються на повітрі: Окислюються іншими окисниками: Ферум(ІІ) сульфат при нагріванні розкладається: Якісна реакція на йон Fe2+: реактив — калій гексаціаноферат(ІІІ) (червона кров’яна сіль). Утворюється осад турнбулевої сині:
(утворення солі Fe2+ характерно лише для йоду як слабкого окисника)