242. Химические свойства железа. Соединения железа.

Чистое железо получают различными методами. Наибольшее значение имеют метод термического разложения пентакарбонила железа (см. § 193) и электролиз водных растворов его солей.

Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т. е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно корродирует; при обильном доступе кислорода образуются гидратные формы оксида :

При недостатке кислорода или при его затрудненном доступе образуется смешанный оксид :

Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:

В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до :

Однако в серной кислоте, концентрация которой близка к , железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит.

В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется:

При высоких концентрациях растворение замедляется и железо становится пассивным.

Для железа характерны два ряда соединений: соединения и соединения . Первые отвечают оксиду железа (II), или закиси железа, , вторые — оксиду , или окиси железа, .

Кроме того, известны соли железной кислоты , в которой степень окисленности железа равна .

Соединения . Соли образуются при растворении железа в разбавленных кислотах, кроме азотной. Важнейшая из них — сульфат , или железный купорос, , образующий светло-зеленые кристаллы, хорошо растворимые в воде. На воздухе железный купорос постепенно выветривается и одновременно окисляется с поверхности, переходя в желто-бурую основную соль .

Сульфат получают путем растворения обрезков стали в 20—30 %-ной серной кислоте:

Сульфат применяется для борьбы с вредителями растений, в производстве чернил и минеральных красок, при крашении тканей.

При нагревании железного купороса выделяется вода и получается белая масса безводной соли . При температурах выше безводная соль разлагается с выделением диоксида и триоксида серы; последний во влажном воздухе образует тяжелые белые пары серной кислоты:

При взаимодействии раствора соли со щелочью выпадает белый осадок гидроксида , который на воздухе вследствие окисления быстро принимает зеленоватую, а затем бурую окраску, переходя в гидроксид железа (III)

Безводный оксид можно получить в виде черного легко окисляющегося порошка восстановлением оксида оксидом при :

Карбонаты щелочных металлов осаждают из растворов солей белый карбонат . При действии воды, содержащей , карбонат железа, подобно карбонату кальция, частично переходит в более растворимую кислую соль . В виде этой соли железо содержится в природных железистых водах.

Соли железа (II) легко могут быть переведены в соли железа (III) действием различных окислителей — азотной кислоты, перманганата , например:

Ввиду способности легко окисляться, соли часто применяются как восстановители.

Соединения . Хлорид железа (III) представляет собой темно-коричневые с зеленоватым отливом кристаллы. Это вещество сильно гигроскопично; поглощая влагу из воздуха, оно превращается в кристаллогидраты, содержащие различное количество воды и расплывающиеся на воздухе. В таком состоянии хлорид имеет буро-оранжевый цвет. В разбавленном растворе гидролизуется до основных солей. В парах хлорид имеет структуру, аналогичную структуре хлорида алюминия (стр. 615) и отвечающую формуле заметная диссоциация на молекулы начинается при температурах около .

Хлорид применяют в качестве коагулянта при очистке воды, как катализатор при синтезах органических веществ, в текстильной промышленности.

Сульфат — очень гигроскопичные, расплывающиеся на воздухе белые кристаллы. Образует кристаллогидрат (желтые кристаллы). В водных растворах сульфат сильно гидролизован. С сульфатами щелочных металлов и аммония он образует двойные соли — квасцы, например железоаммонийные квасцы — хорошо растворимые в воде светло-фиолетовые кристаллы. При прокаливании выше сульфат железа (III) разлагается в соответствии с уравнением:

Сульфат применяют, как и , в качестве коагулянта при очистке воды, а также для травления металлов. Раствор способен растворять и с образованием сульфата это используется при гидрометаллургическом получении меди.

При действии щелочей на растворы солей выпадает красно-бурый гидроксид железа (III) , нерастворимый в избытке щелочи.

Гидроксид - более слабое основание, чем гидроксид это выражается в том, что соли сильно гидролизуются, а со слабыми кислотами (например, с угольной, сероводородной) солей не образует. Гидролизом объясняется и цвет растворов солей : несмотря на то, что почти бесцветен, содержащие его растворы окрашены в желто-бурый цвет, что объясняется присутствием гидроксо-ионов железа или молекул , которые образуются благодаря гидролизу:

При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот становится более светлой вследствие подавления гидролиза.

При прокаливании гидроксид , теряя воду, переходит в оксид , или окись железа, . Оксид встречается в природе в виде красного железняка и применяется как коричневая краска — железный сурик, или мумия.

Характерной реакцией, отличающей соли от солей железа (II), служит действие роданида калия KSCN или роданида аммония на соли железа. Раствор роданида калия содержит бесцветные ионы , которые соединяются с ионами (III), образуя кроваво-красный, слабо диссоциированный роданид железа (III) . При взаимодействии же с роданидами ионов раствор остается бесцветным.

Цианистые соединения железа. При действии на растворы солей растворимых цианидов, например цианида калия, получается белый осадок цианида :

В избытке цианида калия осадок растворяется вследствие образования комплексной соли калия

или

калия кристаллизуется в виде больших светло-желтых призм. Эта соль называется также желтой кровяной солью. При растворении в воде соль диссоциирует на ионы калия и чрезвычайно устойчивые комплексные ионы . Практически такой раствор совершенно не содержит ионов и не дает реакций, характерных для .

Гексацианоферрат (II) калия служит чувствительным реактивом на ионы , так как ионы , взаимодействуя с ионами , образуют нерастворимую в воде соль железа (III) характерного синего цвета; эта соль получила название берлинской лазури:

Берлинская лазурь применяется в качестве краски.

При действии хлора или брома на раствор желтой кровяной соли анион ее окисляется, превращаясь в

Соответствующая этому аниону соль называется калия, или красной кровяной солью. Она образует красные безводные кристаллы.

Если подействовать калия на раствор соли , то получается осадок гексацианоферрата (III), железа (И) (турнбулева синь), внешне очень похожий на берлинскую лазурь, но имеющий иной :

С солями железа (III) образует зеленовато-бурый раствор.

В большинстве других комплексных соединений, как и в рассмотренных цианоферратах, координационное число железа (II) и равно шести.

Ферриты. При сплавлении оксида железа (III) с карбонатами натрия пли калия образуются ферриты — соли не полученной в свободном состоянии железистой кислоты , например феррит натрия :

В технике ферритами или ферритными материалами называют продукты спекания порошков оксида и оксидов некоторых двухвалентных металлов, например никеля, цинка, марганца. Спекание производится при . Ферриты обладают ценными магнитными свойствами и высоким электрическим сопротивлением, что обусловливает небольшую величину электрических потерь в них. Ферриты широко применяются в технике связи, счетно-решающих устройствах, в автоматике и телемеханике.

Соединения желез а (VI). Если нагревать стальные опилки или оксид с нитратом и гидроксидом калия, то образуется сплав, содержащий феррат калия — соль железной кислоты :

При растворении сплава в воде получается красно-фиолетовый раствор, из которого действием хлорида бария можно осадить нерастворимый в воде феррат бария .

Все ферраты — очень сильные окислители (более сильные, чем перманганаты). Соответствующая ферратам железная кислота и ее ангидрид в свободном состоянии не получены.

Карбонилы железа. Железо образует летучие соединения с оксидом углерода, называемые карбонилами железа. Пентакарбонил железа представляет собой бледно-желтую жидкость, кипящую при , нерастворимую в воде, но растворимую во многих органических растворителях. получают пропусканием СО над порошком железа при и давлении . Примеси, содержащиеся в железе, не вступают в реакции с СО, вследствие чего получается весьма чистый продукт. При нагревании в вакууме пентакарбонил железа разлагается на железо и СО; это используется для получения высокочистого порошкового железа — карбонильного железа (см. § 193).

Природа химических связей в молекуле рассмотрена на стр. 430.