Семейство железа. Общая характеристика элементов; нахождение в природе, способы получения. Чугун и сталь. Оксиды, гидроксиды и соли элементов (II), их свойства и получение

В семейство железа входят: железо(Fe), кобальт (Co), никель (Ni). В атомах количество валентных электронов 8 равно номеру группы.

Высшие степени окисления для элементов семейства железа не характерны. Наиболее типичны для них степени окисления +2, +3. Для железа степень окисления +3 заметно устойчивее, чем +2. У Co степени окисления +2 и +3 примерно в равной мере устойчивы, а у Ni более стабильна степень окисления +2. В жестких условиях под действием сильных окислителей железо может проявлять степень окисления +6.

Металлические железо, кобальт, никель имеют близкие значения плотности, температур плавления и кипения, электродные потенциалы.

Кобальт и никель чаще всего встречаются в виде сульфидных минералов: кобальтин CoAsS, петландит (Fe, Ni)S, никелин NiS(As).

Железо по распространенности в природе находится на четвертом месте после кислорода, кремния и алюминия. Основным сырьем для производства железа являются магнетит Fe3O4, гематитFe2O3.

Химической основой получения металлического железа и его сплавов является восстановление оксидов железа в доменных печах при высоких температурах

FeO + C= CO+ Fe

Вначале в доменных печах выплавляют чугун (содержит примеси C, P, S, Si), часть из которого затем превращают в сталь двумя способами: конвертерным и мартеновским. В конвертерном способе через расплавленный чугун, налитый в грушевидный сосуд-конвертер, продувают воздух, который окисляет часть углерода до СО, примесь FeS превращается при этом в Fe2O3 и SO2.

Для получения кобальта и никеля используют пиро- и гидрометаллургические методы.

Чистые металлы можно получить также термическим разложением их карбонилов.

Железо, кобальт и никель представляют собой серебристо-белые металлы с сероватым(Fe), розовым(Co) и желтоватым(Ni) отливом. Чистые металлы пластичны, однако даже незначительные количества примесей повышают их твердость и хрупкость.

Металлическое железо на холоде быстро реагирует с кислотами-неокислителями и образуют аквакатионы. Железо окисляется водой до температуры 873К. Во влажном воздухе уже при обычной температуре железо подвергается коррозии.
Однако очень чистое железо (менее0,01 % примесей) оказывается коррозионно-устойчивым.

Железо горит в атмосфере кислорода, образуя оксид Fe2O3.

 

Для железа, кобальта, никеля известны оксиды ЭО и Э2О3. Эти оксиды нельзя получить в чистом виде при окислении металлов кислородом.

Оксиды Fe (II), Co (II), Ni (II) – твердые, тугоплавкие вещества, черного(~FeO) или темно- зеленого(~CoO, ~NiO) цвета. С водой они не взаимодействуют, но легко реагируют с кислотами. Оксиды Fe(II), Co(II), Ni(II) проявляют основные свойства.

Гидроксиды Э(OH)2, образующиеся при действии на водные растворы солей железа (II), кобальта(II) и никеля(II) гидроксидов щелочных металлов, представляют собой гелеобразные осадки белого (Э= Fe), розового(Э= Co) и яблочно-зеленого(Э= Ni) цвета, легко разлагающиеся на оксиды ЭО и воду.

В степени окисления +2 рассматриваемые элементы образуют соли почти со всеми известными анионами. Растворимыми в воде солями являются нитраты, сульфаты, галогениды (кромеFeF2), тиоционаты, ацетаты и перхлораты.

 

Оксиды, гидроксиды и соли железа (III), кобальта (III), никеля (III), способы получения и свойства. Соединения железа (VI), ферраты, их свойства. Применение металлов и их соединений.

 

Э₂О₃ устойчив только для железа и получается при разложении гидроксида. Оксиды Co(III) иNi(III) неустойчивы и разлагаются с отщеплением кислорода.

Оксид железа (III) Fe2О3 - твердое вещество буро-красного цвета, не взаимодействующее с водой и водными растворами KOH или NaOH, но реагирующее с кислотами. После сильного прокаливания Fe2О3 становится химически инертным оксидом и с кислотами уже не взаимодействует.

Гидроксиды Э(OH)3 получают косвенным путем и их устойчивость в ряду Fe(OH)3 − Co(OH)3 − Ni(OH)3 уменьшается. Если Fe(OH)3 образует соли железа(III), то реакции Co(OH)3 и Ni(OH)3с кислотами сопровождаются их восстановлением до Э(II)

 

Среди элементов семейства железа в степени окисления +3 сравнительно большое число солей образует только железо. Немногочисленные простые соли кобальта(III) при действии воды полностью разлагаются, а никель(III) простых солей не образует.

Соли железа (III) подвергаются сильному гидролизу с образованием коллоидных растворов. Поэтому водные растворы солей железа(III) окрашены в цвета от желто-бурого до темно-коричневого и имеют сильнокислую реакцию.

В отличие от кобальта и никеля для железа известны соединения, в которых его степень окисления равна +6. Так при окислении бромом Fe(OH)3 в горячем концентрированном растворе щелочи образуются соли железной кислоты H2FeO4 - ферраты.

Ферраты термически нестабильны и при небольшом нагревании (373 - 473 К) превращаются в ферриты.

Ферраты - сильные окислители. При pH < 10 анион FeO4 вступает
во взаимодействие с водой.

Применение: Элементы семейства железа и их соединения широко используются в технике и быту.

Железо и его сплавы составляют основу современной техники.

Никель является одной из важнейших легирующих добавок к сталям.

Железо, кобальт, никель и их соединения широко используются в качестве катализаторов. Губчатое железо с добавками - катализатор синтеза аммиака.

Платиновые металлы. Общая характеристика элементов. Нахождение в природе. Понятие о разделении элементов, гидроксиды платины (II), (IV), их свойства. Оксиды рутения и осмия (VIII).

Шесть платиновых металлов – рутений Ru, осмий Os, родий Rh, иридий Ir, палладий Pd и платина Pt - являются наиболее тяжелыми эле- ментами VIIIВ группы

Все они относятся к числу редких элементов. Содержание их в земной коре (в массовых долях, %) со- ставляет1·10–6 - 5·10–7.

Для платиновых металлов в соединениях характерны степени окисления о 0 до +8, но при этом отмечается тенденция к понижению максимальной степени окисления в горизонтальных рядах, а в вертикальных диадах повышается устойчивость более высокой степени окисления.