Цель работы. Ознакомление со свойствами химических элементов, простыми веществами и соединениями Fe, Co, Ni.

Теоретическая часть. Железо, кобальт, никель составляют "семейство" железа: Элементы 26Fe 27Co 28Ni Подуровни 3q64s2 3q74s2 3d84s2 с валентными электронами. Проявляют степень окисления главным образом +2 и +3. Степень окисления +3 более характерна для железа, +2 для Co и Ni. Заполнение энергетических ячеек валентными электронами: Fe 3d ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ 4s ↑↓ Ni 3d ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 4s ↑↓ Родственные черты этих металлов проявляются в свойственной им ферромагнитности, каталитической активности, способности к образованию окрашенных ионов, комплксообразовании. Однако при схожести свойств, железо по своим магнитным свойствам явно выделяется в триаде. Восстановительная активность Fe значительно больше, че Co и Ni. Все эти металлы с щелочами не взаимодействуют. При растворении в неокисляющихся кислотах образуются ионы Fe2+, Co2+, Ni2+ Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑ В разбавленной азотной кислоте (сильном окислителе) образуются ионы Fe3+, Co3+, Ni3+. Fe + 4HNO3(p) = Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O. Сильная окислительная среда H2SO4(к), KNO3(к) пассивирует железо и оно начинает реагировать лишь при нагревании: 2Fe + 6H2SO4 (к) = Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O. В азотной кислоте содержащей соли NaNO3 и NaNO2 Fe пассивирует с образованием пленки оксида высшей степени окисления FeO3. В ряду гидроксидов: Fe(OH)2 - Co(OH)2 - Ni(OH)2 восстановительная способность падает. Гидроксид Fe(II) легко окисляется кислородом воздуха: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3. Окисление ионов Co2+ происходит труднее и протекает медленно: 4Co(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Co(OH)3. Более интенсивно идет процесс при добавлении в раствор пероксида водорода: 2Co(OH)2 + H2O2 = 2Co(OH)3 Самопроизвольного окисления Ni(OH)2 кислородом воздуха не происходит, H2O2 является также недостаточно сильным окислителем и процесс окисления Ni(OH)2 становится возможным лишь при использовании более сильного окислителя, например бромной воды: 2Ni(OH)2 + 2Na(OH) + Br2 = 2Ni(OH)3 + 2NaBr Гидроксиды Fe(III), Co(II), Co(III), Ni(II), Ni(III) носят в обычных условиях основной характер. При растворении в кислотах Co(OH)3 и Ni(OH)3 проявляют сильные основные свойства и восстанавливаются до катионов Ni2+ и Co2+: 4Co(OH)3 + 4H2SO4 = 4CoSO4 + O2 + 10 H2O. Гидроксид железа III при кипечении с концентрированным раствором щелочи образуются ферриты - соли железистой кислоты: Fe(OH)3 + NaOH = NaFeO2 + 2H2O. Таким образом гидроксид FeOH3 проявляет амфотерные свойства. Гидроксиды Fe (II) Fe (III) Co (II) Co (III) Ni (II) Вещество Fe(OH)2 Fe(OH)3 Co(OH)2 Co(OH)3 Ni(OH)2 ПР 3x10-16 6,3x10-38 6,3x10-15 4x10-45 2x10-15 Гидроксиды Fe,Co,Ni являются слабыми основаниями, поэтому и соли в водных растворах гидролизируются: FeCl2 + H2O = Fe(OH)Cl + HCl, FeCl3 + H2O = Fe(OH)Cl2 + Hcl. Эти процессы идут без нагревания. Однако гидролиз солей не идет до конца вследствия накопления в растворе H+. При сильном разбавлении и нагревании гидролиз идет дальше: Fe(OH)Cl2 + H2O = Fe(OH)2Cl + HCl При кипячении раствора FeCl3 процесс гидролиза можно провести необратимо: FeCl3 + 3H2O --(кипячение)>Fe(OH)3 + 3HCl. При подкислении растворов солей соответствующими кислотами степень их гидролиза уменьшается, так как равновесие сдвигается в сторону исходных веществ. При сильном разбавлении степень гидролиза увеличивается. При добавлении растворимых карбонатов происходит необратимый гидролиз, так как продукты реакции уходят из сферы взаимодействия: Fe2(CO)3 + 6H2O = 2Fe(OH)3 + 3H2CO3 Соли Fe(II) на воздухе постепенно переходят в соли Fe(III): 4FeSO4 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)SO4 В комплексных соединениях Fe, Co, Ni являются центральными ионами-комплексообразователями с координационными числами 4 и 6. Например, K4[Fe(CN)6] - гексациано - (III) феррат калия (красная кровяная соль); они являются реактивами соответственно на ионы Fe3+ и Fe2+: 4Fe3+ + 3K4[Fe2+(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 + 12K+, берлинская лазурь (синяя) 3Fe2+ + 2K3[Fe3+(CN)6] = Fe3[Fe(CN)6]2 + 6K+, турнбулева синь (синяя) При действии аммиака на растворы хлоридов Co и Ni получаются осадки гидроксохлоридов Co(OH)Cl и Ni(OH)Cl: CoCl2 + NH4OH = Co(OH)Cl + NH4Cl Они растворяются в избытке аммиака с образованием комплексных ионов [Co(NH3)2]2+ и [Ni(NH3)6]2+ Co(OH)Cl + 7NH4OH(избыток) = [Co(NH3)6](OH)2 + NH4Cl + 6H2O

Практическая часть. Опыт № 1(1). Взаимодействие железа с кислотами. В четыре пробирки положим немного железных стружек и подействуем на них на холоде и при нагревании разбавленной и концентрированными кислотами: HCl, H2SO4(p), H2SO4(к), HNO3(p). Результаты наблюдений и уравнения реакций запишем в таблицу Кислоты Уравнение реакции без нагрева при нагреве HCl Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 выделяется газ реакция ускоряется H2SO4(p) H2SO4 2Fe + 6H2SO4(к) = Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O не реагируют выделяется газ HNO3(p) Fe + 4HNO3(p) = Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O выделяется газ реакция ускоряется Опыт № 2(3). Получение и свойства гидроксида железа (II). К раствору соли железа (II) прильем раствор щелочи NaOH до образования осадка. Осадок разделим на три части: а) в первую пробирку добавляем избыток щелочи; б) во вторую - кислоту; в) осадок из третьей пробирки отфильтруем и дадим ему постоять на воздухе. Наблюдения: В результате реакции раствор становится зеленый, выпадает белый осадок. а) осадок разбавляется, его концентрация уменьшается. б) осадок изменил цвет, хлопья стали крупнее в) осадок потемнел. FeSO4 + 2 NaOH -> Fe(OH)2↓(cеро-зеленый) + Na2SO4 а) Fe(OH)2 + NaOH б) Fe(OH)2↓ + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O в) 4Fe(OH)2↓ + 2H2O + O2 <=> 4Fe(OH)3(буро-желтый) Вывод: гидроксид железа (II) можно получить взаимодействием щелочи и соли железа (II). Fe(OH)2↓ проявляет основные свойства, реагируя с кислотой. Гидроксид железа (II) на воздухе переходит в гидроксид железа (III). Опыт № 3(4). Характерная реакция на ион Fe2+. Нальем в пробирку немного соли железа (II) и добавим небольшое количество раствора красной кровяной соли K3[Fe(CN)6]. Наблюдения: в результате реакции раствор стал темно-синим, выпал осадок. 3Fe2+Cl2 + 2 K3[Fe3+(CN6)] = Fe3[Fe(CN)6]6 + 6KCl турнбулевая синь (синяя) Вывод: характерной реакцией на ион Fe2+ является реакция соли железа (II) и красной кровяной соли. Опыт № 4(5). Получение и гидролиз карбоната железа (II) К раствору соли железа (II) прильем раствор карбоната натрия. Наблюдения: в результате реакции в растворе стал наблюдаться гелеообразный зеленовато-серый осадок. FeSO4+Na2CO3 = Na2SO4 + FeCO3 FeCO3 + 2H2O -> Fe(OH)2↓(серо-зеленый) + H2CO3 4Fe(OH)2↓ + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3 Вывод: реакцией получения карбоната железа (II) является взаимодействие карбоната натрия и соли железа (II). Карбонат железа (II) сразу гидролизуется и получается серо-зеленый Fe(OH)2↓. Опыт № 5(6). Получение и гидролиз карбоната железа (II) Нальем в пробирку немного соли железа (III). Добавим раствора щелочи NaOH до появления осадка. Проверим растворяемость осадка. а) в кислоте и б) в щелочи Наблюдения: в результате взаимодействия выпадает буро-желтый осадок. а) Осадок растворяется б) Осадок растворяется Fe2(SO4)3 + 6NaOH -> 3Na2SO4 + Fe(OH)3↓(буро-желтый) а) Fe(OH)3↓ + 3HCl -> Fe(Cl)3 + 3H2O б) Fe(OH)3 + NaOH -> NaFeO2 + 2H2O Вывод: гидроксид железа можно получить взаимодействием щелочи и соли железа (III) Fe(OH)3↓ проявляет амфотерные свойства, взаимодействуя с кислотой и щелочью. Опыт № 6(8). Характерные реакции на ион Fe3+ а) к раствору соли железа (III) прильем несколько капель желтой кровяной соли K4[Fe(CN)6]. Наблюдения: В результате взаимодействия выпадает темно-синий осадок (гексацианоферрат (III) железа (II) 2Fe2(SO4)3 + 3K4[Fe(CN)6] = Fe4[Fe(CN)6]3 + 6K2SO4 берлинская лазурь (синяя) Вывод: характерной реакцией на ион Fe3+ является реакция соли железа (III) и желтой кровяной соли (образуется берлинская глазурь). Опыт № 7(13). Получение гидроксида кобальта (II) и изучение его свойств. К раствору соли кобальта (II) прильем немного раствора едкого натра NaOH. Полученный осадок разделим на три части. а) В первую пробирку добавим кислоту; б) во вторую - избыток щелочи в) третью оставим на воздухе Наблюдения: Co(NO3)2 - красная; NaOH - бесцветная. В результате реакции образуется осадок фиолетового цвета. Осадок постепенно розовеет. б) в) осадок медленно буреет Ca(NO3)2 + 2NaOH = 2NaNO3 + Co(OH)2↓ а)Co(OH)2↓(розовый) + H2SO4 = CoSO4 + 2H2O б) Co (OH)2↓(розовый) + NaOH(избыток) = в) 4Co(OH)2↓ + O2 + 2H2O = 4Co(OH)3↓(бурый) 2Co(OH)2 + H2O2 = 2Co(OH)3↓(бурый) Вывод: Гидроксид кобальта (II) можно получить взаимодействием соли кобальта (II) и щелочи. Гидроксид кобальта (II) проявляет основные свойства, взаимодействуя с кислотой на воздухе. Гидроксид кобальта (II) переходит в гидроксид кобальта (III). Опыт № 8(14). Получение аммиаката кобальта (II). К раствору соли кобальта (II) прильем сначала немного раствора аммиака NH4OH, а затем его избыток. Наблюдения: NH4OH - бесцветный. В результате реакции образуется синий раствор [Co(NH3)6](OH)2 Co(OH)Cl + 7NH4OH = [Co(NH3)6](OH)2 + NH4Cl + 6H2O. Вывод: аммиакат кобальта можно получить реакцией соли кобальта (II) и аммиака. Опыт № 9(15). Характерная реакция на ион Co2+. К раствору соли кобальта (II) добавили уксуснокислый раствор a-нитрозо-b-нафтола. Наблюдения: в результате взаимодействия выпадает красный осадок. 4Co(NO3)2 + 12C10H7NO2 + 2O2 = 4Co (C10H6NO2)3 (красный) + 8HNO3 + 4H2O Вывод: характерной реакцией на ион Co2+ является реакция соли кобальта (II) и a-нитрозо-b-нафтола. (образуется осадок красного цвета сложного комплексного соединения). Опыт № 10(17). Получение гидроксида никеля (II) и изучение его свойств. К раствору соли никеля (II) прильем раствор щелочи NaOH. Образовавшийся осадок разделим на три пробирки: а) прильем раствор кислоты; б) избыток раствора щелочи в) оставили в пробирке. Осадок из 3-ей пробирки разделим на 2 части: г) добавим раствор перекиси водорода д) прильем бромной воды. Наблюдения: NiSO4 - светло-зеленый, NaOH - бесцветный. При добавлении образуется бело-зеленый осадок. а) осадок сразу растворяется б) не изменяется в) раствор зеленеет г) осадок осел д) осадок изменил цвет. NiSO4 + 2NaOH = Na2SO4 + Ni(OH)2↓(бело-зеленый) Вывод: гидроксид никеля (II) можно получить взаимодействием соли никеля (II) и щелочи. Ni(OH)2 проявляет основные свойства, реагируя с кислотой. Гидроксид никеля (II) окисляется в хлорной воде до гидроксида Ni (III) Опыт № 11(18). Получение аммиаката никеля. К раствору соли никеля (II) прильем несколько капель раствора аммиака, а затем его избыток. Наблюдения: NiSO4 - салатовый, а) образуется осадок б) раствор становится темно-синим NiSO4 + 2NH4OH = Ni(OH)2↓ (салатовый) + (NH4)2SO4 Ni(OH)2 + 6NH4OH = [Ni(NH3)6]2+ + 2OH- + 6H2O Вывод: аммиакат никеля можно получить взаимодействием соли никеля с аммиаком и его последующим добавлением. Опыт № 12(19). Характерная реакция на ион NH2+ К раствору комплексной соли никеля добавили спиртовой раствор диметилглиоксима. Наблюдения: В результате взаимодействия осадок розовеет, становясь розово-красным. CH3 - C = N - OH CH3 - C = N - O ... HO - N = C - CH3 2 | + Ni(OH)2 -> | / \ Ni \ / CH3 - C = N - OH CH3 - C = N - O ... HO - N = C - CH3 (/) Донорно-акцепторная связь (...)водородная связь Вывод: характерной реакцией на ион Ni2+ является реакция Л.Н.Чугаева. Взаимодействие комплексной соли никеля и спиртового раствора диметилгликсиома (образуется розово-красный осадок никельдиметилглиоксимата).

Контрольные вопросы. 1. Результаты опытов 3,6,13,17 запишите в таблицу. Формула Цвет Отношение к кислоте Отношение к щелочи Fe(OH)2 зеленый + - Fe(OH)3 буро-желтый + - 2. Какова степень окисления железа в солях? K3[Fe3+(CN)6] K4[Fe2+(CN)6] Fe2+3[Fe3+(CN)6]2 Fe3+4[Fe2+(CN)6]3 3. Почему при взаимодействии карбоната натрия Na2CO3 с хлоридом железа (III) получается гидроксид железа (III)? 3Na2CO3 + 2FeCl3 -> Fe2(CO3)3 + 6NaCl Fe2CO3 в дальнейшем гидролизуется: Fe2CO3 + 6H2O ->(необратимый процесс) 2Fe(OH)3 + 3H2CO3->H2O + CO2↑ 4.Напишите уравнения двух реакций, при помощи которых можно различить в растворе ионы Fe2+ и Fe3+. FeCl2 + 2K3[Fe(CN)6] -> Fe3[Fe(CN)6]2 + 12KCl 4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] -> Fe4[Fe(CN)6]3 5.Могут ли существовать совместно? 2Fe(OH)2 + H2O2 -> 2Fe(OH)3 Существовать совместно не могут. Ni(OH)2 + H2O2 Существовать совместно могут, так как H2O2 недостаточно сильный окислитель для Ni(OH)2 6.Напишите уравнения двух реакций, при помощи которых можно различить в растворе ионы Fe2+ и Fe3+. Fe2+ + 2K3[Fe(CN)6] -> Fe3[Fe(CN)6]2 + 6K+ 4Fe3+ + 3K4[Fe(CN)6] -> Fe4[Fe(CN)6]3 + 12K+ 7. Почему водные растворы солей Fe(III) в случае длительного хранения подкисляют? Т.к. при подкислении растворов солей соответствующими кислотами степень их гидролиза уменьшается, т.к. равновесие двигается в сторону веществ.