Характеристика оксида железа 2. Железо и его соединения. Взаимодействие с галогенами и серой при высокой температуре

Железо образует два оксида, в которых проявляет валентности II и III и степени окисления (+2) и (+3) соответственно.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Оксид железа (II) в обычных условиях представляет собой порошок черного цвета (рис. 1), разлагающийся при умеренном нагревании и образующийся вновь из продуктов разложения при дальнейшем нагревании.

После прокаливания химически неактивен. В виде порошка пирофорен. Не реагирует с холодной водой. Проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). Легко окисляется кислородом. Восстанавливается водородом и углеродом.

Рис. 1. Оксид железа (II). Внешний вид.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Представляет собой твердое вещество красно-коричневого цвета в случае тригональной модификации или темно-коричневого цвета в случае кубической модификации, которая является наиболее реакционноспособной (рис. 1).

Термически устойчив. Температура плавления 1562 o C.

Рис. 1. Оксид железа (III).

Не реагирует с водой, гидратом аммиака. Проявляет амфотерные свойства, реагирует с кислотами, щелочами. Восстанавливается водородом, монооксидом углерода, железом.

Химическая формула оксида железа

Химическая формула оксида железа (II) FeO, а оксида железа (III) — Fe 2 O 3 . Химическая формула показывает качественные и количественный состав молекулы (сколько и каких атомов присутствует в ней). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу вещества (Ar(Fe) = 56 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.):

Mr(FeO) = Ar(Fe) + Ar(O);

Mr(FeO) = 56 + 16 = 72.

Mr(Fe 2 O 3) = 2×Ar(Fe) + 3×Ar(O);

Mr(Fe 2 O 3) = 2×56 + 3×16 = 58 + 48 = 160.

Структурная (графическая) формула оксида железа

Структурная (графическая) формула вещества является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы. Ниже представлены графические формулы оксидов железа (а - FeO, б — Fe 2 O 3):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	Подвергнув анализу вещество, установили, что в его состав входят: натрий с массовой долей 0,4207 (или 42,07%), фосфор с массовой долей 0,189 (или 18,91%), кислород с массовой долей 0,3902 (или 39,02%). Найдите формулу соединения.
Решение	Обозначим число атомов натрия в молекуле через «х», число атомов фосфора через «у» и число атомов кислорода через «z». Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов натрия, фосфора и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел). Ar(Na) = 23; Ar(P) = 31; Ar(O) = 16. Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения: Na:P:O = 42,07/39: 18,91/31: 39,02/16; Na:P:O = 1,829: 0,61: 2,43. Наименьшее число примем за единицу (т.е. все числа разделим на наименьшее число 0,61): 1,829/0,61: 0,61/0,61: 2,43/0,61; Следовательно, простейшая формула соединения натрия, фосфора и кислорода имеет вид Na 3 PO 4 . Это фосфат натрия.
Ответ	Na 3 PO 4

ПРИМЕР 2

Задание	Молярная масса соединения азота с водородом равна 32 г/моль. Определите молекулярную формулу вещества, массовая доля азота в котором составляет 85,7%.
Решение	Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Вычислим массовую долю водорода в соединении: ω (H) = 100% — ω(N) = 100% — 85,7% = 14,3%. Обозначим количество моль элементов, входящих в состав соединения за «х» (азот), «у» (водород). Тогда, мольное отношение будет выглядеть следующим образом (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел): x:y = ω(N)/Ar(N) : ω(H)/Ar(H); x:y= 85,7/14: 14,3/1; x:y= 6,12: 14,3= 1: 2. Значит простейшая формула соединения азота с водородом будет иметь вид NH 2 и молярную массу 16 г/моль . Чтобы найти истинную формулу органического соединения найдем отношение полученных молярных масс: M substance / M(NH 2) = 32 / 16 = 2. Значит индексы атомов азота и водорода должны быть в 2 раза выше, т.е. формула вещества будет иметь вид N 2 H 4 . Это гидразин.
Ответ	N 2 H 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Оксид железа (II) в обычных условиях представляет собой порошок черного цвета (рис. 1), разлагающийся при умеренном нагревании и образующийся вновь из продуктов разложения при дальнейшем нагревании.

После прокаливания химически неактивен. В виде порошка пирофорен. Не реагирует с холодной водой. Проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). Легко окисляется кислородом. Восстанавливается водородом и углеродом.

Рис. 1. Оксид железа (II). Внешний вид.

Химическая формула оксида железа 2

Химическая формула оксида железа (II) FeO. Химическая формула показывает качественные и количественный состав молекулы (сколько и каких атомов присутствует в ней). По химической формуле можно вычислить молекулярную массу вещества (Ar(Fe) = 56 а.е.м., Ar(O) = 16 а.е.м.):

Mr(FeO) = Ar(Fe) + Ar(O);

Mr(FeO) = 56 + 16 = 72.

Структурная (графическая) формула оксида железа 2

Структурная (графическая) формула вещества является более наглядной. Она показывает то, как связаны атомы между собой внутри молекулы. Ниже представлена графическая формула оксида железа (II):

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание	При нейтрализации 25,5 г предельной одноосновной кислоты избытком раствора гидрокарбоната натрия выделилось 5,6 л (н.у.) газа. Определите молекулярную формулу кислоты.
Решение	Запишем уравнение реакции нейтрализации предельной одноосновной кислоты избытком раствора гидрокарбоната натрия в общем виде: C n H 2n+1 COOH + NaHCO 3 → C n H 2n+1 COONa + CO 2 + H 2 O. Рассчитаем количество вещества выделившегося в ходе реакции углекислого газа: n(CO 2) = V(CO 2) / V m ; n(CO 2) = 5,6 / 22,4 = 0,25 моль. Согласно уравнению реакции n(CO 2): n(C n H 2n+1 COOH) = 1:1, т.е. n(C n H 2n+1 COOH) = n(CO 2) = 0,25 моль. Рассчитаем молярную массу предельной одноосновной кислоты: M(C n H 2n+1 COOH) = m(C n H 2n+1 COOH) / n(C n H 2n+1 COOH); M(C n H 2 n +1 COOH) = 25,5 / 0,25 = 102 г/моль. Определим число атомов углерода в молекуле предельной одноосновной кислоты (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: 12 - для углерода, 1 - для водорода и 16 для кислорода): M(C n H 2n+1 COOH) = 12n + 2n + 1 + 12 + 16 + 16 +1 = 14n + 46; 14n + 46 = 102 г/моль; Значит молекулярная формула предельной одноосновной кислоты C 4 H 9 COOH.
Ответ	C 4 H 9 COOH

ПРИМЕР 2

Задание	Установите молекулярную формулу алкена, если известно, что 2,8 г его способны присоединить 1120 мл (н.у.) хлороводорода.
Решение	Запишем уравнение реакции присоединения хлороводорода к алкену в общем виде: C n H 2 n + HCl → C n H 2 n +1 Cl. Рассчитаем количество вещества хлороводорода: n(HCl) = V(HCl) / V m ; n(HCl) = 1,2 / 22,4 = 0,05 моль. Согласно уравнению реакции n(HCl): n(C n H 2n) = 1:1, т.е. n(C n H 2n) = n(HCl) = 0,05 моль. Рассчитаем молярную массу алкена: M(C n H 2n) = m(C n H 2n) / n(C n H 2n); M(C n H 2 n) = 2,8 / 0,05 = 56 г/моль. Определим число атомов углерода в молекуле алкена (значения относительных атомных масс, взятых из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел: 12 - для углерода и 1 - для водорода): M(C n H 2 n) = 12n + 2n = 14n; 14n= 56 г/моль; Значит молекулярная формула алкена C 4 H 8 .
Ответ	C 4 H 8

Оксидами железа называют соединения железа с кислородом.

Наиболее известны три оксида железа: оксид железа (II) – FeO ,оксид железа (III ) – Fe 2 O 3 и оксид железа (II , III ) – Fe 3 O 4 .

Оксид железа (II)

Химическая формула оксида двухвалентного железа - FeO . Это соединение имеет чёрный цвет.

FeO легко реагирует с разбавленной соляной кислотой и концентрированной азотной кислотой.

FeO + 2HCl → FeCl 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 → Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O

С водой и с солями в реакцию не вступает.

При взаимодействии с водородом при температуре 350 о С и коксом при температуре выше 1000 о С восстанавливается до чистого железа.

FeO +H 2 → Fe + H 2 O

FeO +C → Fe + CO

Получают оксид железа (II) разными способами:

1. В результате реакции восстановления оксида трёхвалентного железа угарным газом.

Fe 2 O 3 + CO → 2 FeO + CO 2

2. Нагревая железо при низком давлении кислорода

2Fe + O 2 → 2 FeO

3. Разлагая оксалат двухвалентного железа в вакууме

FeC 2 O 4 → FeO +CO + CO 2

4. Взаимодействием железа с оксидами железа при температуре 900-1000 о

Fe + Fe 2 O 3 → 3 FeO

Fe + Fe 3 O 4 → 4 FeO

В природе оксид двухвалентного железа существует как минерал вюстит.

В промышленности применяется при выплавке чугуна в домнах, в процессе чернения (воронения) стали. Входит он в состав красителей и керамики.

Оксид железа (III )

Химическая формула Fe 2 O 3 . Это соединение трёхвалентного железа с кислородом. Представляет собой порошок красно-коричневого цвета. В природе встречается как минерал гематит.

Fe 2 O 3 имеет и другие названия: окись железа, железный сурик, крокус, пигмент красный 101, пищевой краситель E172 .

В реакцию с водой не вступает. Может взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами.

Fe 2 O 3 + 6HCl → 2 FeCl 3 + 3H 2 O

Fe 2 O 3 + 2NaOH → 2NaFeO 2 + H 2 O

Оксид железа (III) применяют для окраски строительных материалов: кирпича, цемента, керамики, бетона, тротуарной плитки, линолеума. Добавляют его в качестве красителя в краски и эмали, в полиграфические краски. В качестве катализатора оксид железа используется в производстве аммиака. В пищевой промышленности он известен как Е172.

Оксид железа (II, III )

Химическая формула Fe 3 O 4 . Эту формулу можно написать и по-другому: FeO Fe 2 O 3 .

В природе встречается как минерал магнетит, или магнитный железняк. Он является хорошим проводником электрического тока и обладает магнитными свойствами. Образуется при горении железа и при действии перегретого пара на железо.

3Fe + 2 O 2 → Fe 3 O 4

3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2

Нагревание при температуре 1538 о С приводит к его распаду

2Fe 3 O 4 → 6FeO + O 2

Вступает в реакцию с кислотами

Fe 3 O 4 + 8HCl → FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O

Fe 3 O 4 + 10HNO 3 → 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O

Со щелочами реагирует при сплавлении

Fe 3 O 4 + 14NaOH → Na 3 FeO 3 + 2Na 5 FeO 4 + 7H 2 O

Вступает в реакцию с кислородом воздуха

4 Fe 3 O 4 + O 2 → 6Fe 2 O 3

Восстановление происходит при реакции с водородом и монооксидом углерода

Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O

Fe 3 O 4 + 4CO → 3Fe +4CO 2

Магнитные наночастицы оксида Fe 3 O 4 нашли применение в магнитно-резонансной томографии. Они же используются в производстве магнитных носителей. Оксид железа Fe 3 O 4 входит в состав красок, которые производятся специально для военных кораблей, подводных лодок и другой техники. Из плавленного магнетита изготавливают электроды для некоторых электрохимических процессов.

Железо (II) окись

ТУ 6-09-1404-76

Fe 2 O 3

Оксид железа(III) - сложное неорганическое вещество, соединение железа и кислорода с химической формулой Fe 2 O 3 .

Оксид железа(III) - амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Красно-коричневого цвета. Термически устойчив к высоким температурам. Образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды - шпинели.

В природе встречается как широко распространённый минерал гематит, примеси которого обусловливают красноватую окраску латерита, краснозёмов, а также поверхности Марса; другая кристаллическая модификация встречается как минерал маггемит.

Окись железа Fe 2 O 3 представляет собой кристаллы от красно-коричневого до черно-фиолетового цвета. Химикат термически устойчив. Нет реакции с водой. Медленная реакция с щелочами и кислотами.

Окись железа Fe 2 O 3 применяют в качестве сырья производства чугуна в доменном техпроцессе. Этот химикат является катализатором в техпроцессе изготовления аммиака. Он входит в керамику в качестве одного из компонентов, его применяют при изготовлении минеральных красок и цветных цементов. Окись железа Fe2O3 эффективна при термической сварке стальных элементов конструкций. С этим веществом связана запись звука и изображения на магнитных носителях. Fe2O3 является качественным полирующим средством для полировки стальных и стеклянных деталей.

В железном сурике является главной компонентой. Fe 2 O 3 в пищевой отрасли является достаточно распространенной пищевой добавкой E172.

Физические свойства
Состояние	твёрдое
Молярная масса	159,69 г/моль
Плотность	5,242 г/см³
Термические свойства
Т. плав.	1566 °C
Т. кип.	1987 °C
Давление пара	0 ± 1 мм рт.ст.

Fe 2 O 3 применяется при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок , при термитной сварке стальных конструкций, как носитель аналоговой и цифровой информации (напр. звука и изображения) на магнитных лентах (ферримагнитный γ -Fe 2 O 3), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла.

В пищевой промышленности используется в качестве пищевого красителя (E172).

В ракетомоделировании применяется для получения катализированного карамельного топлива, которое имеет скорость горения на 80% выше, чем обычное топливо.

Является основным компонентом железного сурика (колькотара).

В нефтехимической промышленности используется в качестве основного компонента катализатора дегидрирования при синтезе диеновых мономеров .

68. Соединения железа

Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде и щелочах. FeO соответствует основание Fe(OH)2 .

Получение. Оксид железа (II) можно получить неполным восстановлением магнитного железняка оксидом углерода (II):

Химические свойства. Является основным оксидом. Реагируя с кислотами, образует соли:

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – кристаллическое вещество белого цвета.

Получение. Гидроксид железа (II) получается из солей двухвалентного железапри действии растворов щелочей:

Химические свойства. Основный гидроксид. Вступает в реакции с кислотами:

На воздухе Fe(OH)2 окисляется до Fе(ОН)3:

Оксид железа(III) Fe2O3 – вещество бурого цвета, встречается в природе в виде красного железняка, нерастворим в воде.

Получение . При обжиге пирита:

Химические свойства. Проявляет слабые амфотерные свойства. При взаимодействии со щелочами образует соли:

Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 – вещество красно-бурого цвета, нерастворимое в воде и избытке щелочи.

Получение . Получают путем окисления оксида железа (III) и гидроксида железа (II).

Химические свойства. Является амфотерным соединением (с преобладанием основных свойств). Выпадает в осадок при действии щелочей на соли трехвалентного железа:

Соли двухвалентного железа получают взаимодействием металлического железа с соответствующими кислотами. Они сильно гидро-лизуются, потому их водные растворы – энергичные восстановители:

При нагревании выше 480 °C разлагается, образуя оксиды:

При действии щелочей на сульфат железа (II) образуется гидроксид железа (II):

Образует кристаллогидрат – FeSO4?7Н2О (железный купорос). Хлорид железа (III) FeCl3 – кристаллическое вещество темно-коричневого цвета.

Химические свойства. Растворим в воде. FeCl3 проявляет окислительные свойства.

Восстановители – магний, цинк, сероводород, окисляются без нагревания.