Химические свойства железа, кобальта и никеля

Физические свойства элементов триады железа

Железо, кобальт и никель в свободном состоянии – серебристо-белые металлы. Железо имеет сероватый оттенок, кобальт – розоватый, никель – желтоватый. Чистые металлы пластичны, незначительные примеси повышают их твердость и хрупкость. Все металлы обладают магнитными свойствами.

Для железа и кобальта характерен полиморфизм. Железо имеет четыре кристаллические модификации, кобальт – две кристаллические модификации. Никель при обычном давлении кристаллизуется только в кубической гранецентрированной решетке.

Металлы триады железа тугоплавки, в ряду Fe – Co – Ni температура плавления уменьшается. Относятся к металлам средней активности.

В химическом отношении железо, кобальт и никель относятся к металлам средней активности. В электрохимическом ряду напряжений металлов они располагаются левее водорода, между цинком и оловом. Чистые металлы при комнатной температуре довольно устойчивы, их активность сильно увеличивается при нагревании, особенно если они находятся в мелкодисперсном состоянии. Наличие примесей значительно снижает устойчивость металлов.

1. Взаимодействие с неметаллами

При нагревании на воздухе выше 200 °С железо взаимодействует с кислородом, образуя оксиды нестехиометрического состава Fe_xO, мелкодисперсное железо сгорает с образованием смешанного оксида железа (II, III):

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Кобальт и никель реагируют с кислородом при более высоких температурах, образуя в основном оксиды двухвалентных элементов, имеющие переменный состав в зависимости от условий получения:

2Co + O₂ = 2CoO,

2Ni + O₂ = 2NiO.

С галогенами металлы реагируют, образуя галогениды:

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃,

Co + Br₂ = CoBr₂,

Ni + Cl₂ = NiCl₂.

Металлы довольно устойчивы к действию фтора, никель не разрушается фтором даже при температуре красного каления.

При взаимодействии с азотом при невысокой температуре железо, кобальт и никель образуют нитриды различного состава, например:

4Fe + N₂ = 2Fe₂N,

2Co + N₂ = 2CoN,

3Ni + N₂ = Ni₃N₂.

Взаимодействие с серой экзотермично и начинается при слабом нагревании, в результате образуются нестехиометрические соединения, которые имеют состав, близкий к ЭS:

Э + S = ЭS.

С водородом металлы триады железа не образуют стехиометрических соединений, но они поглощают водород в значительных количествах.

С углеродом, бором, кремнием, фосфором также при нагревании образуют соединения нестехиометрического состава, например:

3Co + C = Co₃C,

2Ni + B = Ni₂B,

Co + Si = CoSi,

3Fe + P = Fe₃P.

1. Взаимодействие с водой

В воде в присутствии кислорода железо медленно окисляется кислородом воздуха (корродирует):

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃.

При температуре 700–900 °С раскаленное железо реагирует с водяным паром:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.

Кобальт и никель с водой не взаимодействуют.

1. Взаимодействие с кислотами

Железо реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот, образуя соли железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂,

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂;

с разбавленной азотной кислотой образует нитрат железа (III) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты, например:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O.

При обычных условиях концентрированные (до 70 мас. %) серная и азотная кислоты пассивируют железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа (III):

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O,

Fe + 6HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + 3NO₂ + 3H₂O.

По отношению к кислотам кобальт и никель устойчивее железа, медленно реагируют с неокисляющими кислотами с образованием солей кобальта (II) и никеля (II) и водорода. С разбавленной азотной кислотой образуют нитраты кобальта (II) и никеля (II) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты:

3Э + 8HNO₃ = 3Э(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O.

При обычных условиях концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют кобальт и никель, хотя в меньшей степени, чем железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа двухвалентных металлов:

Co + 2H₂SO₄ = CoSO₄ + SO₂ + 2H₂O,

Ni + 4HNO₃ = Ni(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O.

1. Взаимодействие со щелочами

Разбавленные растворы щелочей на металлы триады железа не действуют. Возможно только взаимодействие железа с щелочными расплавами сильных окислителей:

Fe + KClO₃ + 2KOH = K₂FeO₄ + KCl + H₂O.

Для кобальта и никеля взаимодействие с расплавами щелочей не характерно.

1. Восстановительные свойства

Железо, кобальт и никель вытесняют металлы, которые расположены правее в электрохимическом ряду напряжений их растворов солей:

Fe + SnCl₂ = FeCl₂ + Sn,

Ni + CuSO₄ = NiSO₄ + Cu.

1. Образование карбонилов

Для металлов триады железа характерно образование карбонилов, в которых железо, кобальт и никель имеют степень окисления, равную 0. Карбонилы железа и никеля получаются при обычном давлении и температуре 20–60 °С:

Fe + 5CO = Fe(CO)₅,

Ni + 4CO = Ni(CO)₄.

Карбонилы никеля образуются при давлении 2·10⁷ – 3·10⁷ Па и температуре 150–200 °С:

2Co + 8CO = Co₂(CO)₈.