Лабораторная работа № 5 железо. Комплексные соединения

Теоретическая часть

На внешнем энергетическом уровне атомов железа, кобальта и никеля находится по 2 электрона. На d-подуровне предпоследнего энергетического уровня у железа, кобальта и никеля находится соответственно 6, 7 и 8 электронов. Характерные степени окисления металлов семейства железа +2 и +3 (известны соединения, в которых они проявляют степень окисления +1, +4 и +6, например, феррат калия K₂FeO₄, но подобных соединений мало и они не типичны). Для железа более устойчивыми являются соединения со степенью окисления (+3), а для никеля и кобальта - (+2). Поэтому Fe²⁺ является довольно сильным восстановителем, тогда как Ni²⁺ и Со²⁺ этими свойствами в заметной степени не обладают, соединения кобальта и нике­ля вполне устойчивы на воздухе. В степени окисления +3 железо, кобальт, никель проявляют окислительные свойства, окислительная способность увеличивается в ряду Fe³⁺ - Ni³⁺ - Co³⁺ .

По свойствам железо, кобальт и никель очень похожи друг на друга (ферромагнитность, каталитическая активность, способность к образованию окрашенных ионов, комплексообразованию). Однако между ними существуют и различия: железо по своим магнитным свойствам выделяется в триаде, восстановительная активность железа значительно больше, чем кобальта и никеля, которые по значению своих электродных потен­циалов находятся ближе к олову, чем к железу.

При нагревании металлы семейства железа энергично взаимодействуют с металлоидами, например, с хлором, бромом, кислородом, серой и т.д. Химически чистое железо, кобальт и никель не изменяются под действием воздуха и воды. Однако обычное железо содержит различные примеси, поэтому во влажном воздухе подвергается коррозии. Образующийся при этом слой ржавчины является хрупким и пористым, он не препятствует контакту металла с окружающей средой и не предохраняет его от дальнейшего окисления. При высокой температуре железо взаимодействует с водой, вытесняя из нее водород. Железо легко растворяется в разбавленных кислотах; кобальт, никель – значительно труднее.

При высокой концентрации кислот на холоде железо пассивируется, покрываясь тончайшей пленкой оксидов. Оксиды всех трех металлов (FeO, CoO, NiO) в воде не растворимы. Их гидраты получаются действием щелочи на растворимые соли. Гидраты оксидов проявляют основные свойства. Гидроксид Fe(OH)₂, взаимодействуя с кислородом воздуха и водой, быстро окисляется:

4Fе(OH)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fe(ОH)₃.

Окисление ионов Со²⁺ и особенно Ni²⁺ происходит немного труднее. Из оксидов и гидроксидов Fe,Co, Ni только Fe₂О₃ и Fe(OH)₃ амфотерны с преобладанием основных свойств. Оксиды и гидроксиды кобальта и никеля являются сильными окислителями; при взаимодействии с кислотами они восстанавливаются в соли двухвалентных металлов:

Со₂О₃ + 6НС1 = 2СоС1₂ + Сl₂+ 3Н₂О;

4Ni(ОН)₃ + 4H₂SO₄ = 4NiSO₄ + О₂ + 10H₂O

Соединения Fe³⁺ являются слабыми окислителями и при действии восстановителей переходят в производные Fe²⁺:

H₂S + Fe₂(SO₄)₃ = S + 2FeSO₄ + H₂SO₄

Многие простые и комплексные ионы элементов железа, кобальта и никеля окрашены. Так, гидратированные ионы Со²⁺ розовые, Ni²⁺ - зеленые, Fe³⁺ в водном растворе вследствие гидролиза имеет коричнево-желтую окраску.

Экспериментальная часть.

Опыт 1. Получение гидроксида железа (II)

Налить в пробирку 5…7 капель раствора соли железа (II) и подействовать раствором NaOH. Полученный осадок слегка нагреть. Происходит окисление гидроксида железа (II) в гидроксид железа (III). Написать уравнения реакций.

Опыт 2. Восстановительные свойства Fe²⁺

Налить в пробирку 3...4 капли раствора соли Fe²⁺ серной кислоты и прибавить по каплям раствор перманганата калия, наблюдая обесцвечивание последнего. Составить уравнение реакции.

Опыт 3. Окислительные свойства Fe³⁺

Налить в пробирку 3...4 капли раствора КJ и подействовать на него раствором соли железа (III). Убедиться в образовании свободного йода. Написать уравнение реакции.

Опыт 4. Комплексные соединения железа

4.1. Получение берлинской лазури

К 2...3 каплям раствора железа (III) добавить каплю кислоты и каплю гексациано-(II) феррата калия (желтой кровяной соли) – K₄[Fe(CN)₆].

Наблюдать появление осадка берлинской лазури. Составить уравнение реакции.

4.2. Получение роданида Fe^{3 +}

К нескольким каплям раствора соли железа (III) добавить каплю раствора роданида калия KCNS или аммония NH₄CNS. Составить уравнение реакции. Эти реакции используются для обнаружения иона Fe³⁺.

4.3. Получение комплексного соединения Fe (II)

Растворить несколько кристалликов сульфата железа (II) и подействовать на раствор одной каплей раствора К₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль). Образуется осадок турнбулевой сини. Составить уравнения реакций. Эта реакция используется для обнаружения иона Fe²⁺.

Опыт 5. Гидролиз солей железа

Налить в 2 пробирки по 5...6 капель раствора FeCl₃. Определить по цвету универсального бумажного индикатора реакцию среды. Одну из пробирок нагреть.

Написать уравнение реакции гидролиза FeCl₃. Почему при нагревании меняется окраска бумажного индикатора? Какая соль, FeCl₂ или FeCl₃, в большей степени подвергается гидролизу? Ответ мотивировать.

Контрольные вопросы.

1. Каковы наиболее характерные степени окисления железа, кобальта, никеля?

2. Каковы свойства оксидов и гидроксидов Fe (II)?

3. Назвать комплексные соединения Fe(II) и Fe(III).

4. Свойства соединений Fe (VI).

5. Как обнаружить в растворе ионы Fe^{3 +} , Fe²⁺, Co²⁺, Ni²⁺? Составить уравнения реакций.

6. Что такое комплексные соединения, донорно-акцепторная связь, ион комплексообразователь, лиганды?

7. Чем объяснить, что раствор CdCl₂ при действии щелочи дает осадок Cd(OH)₂, а раствор [Cd(NH₃)₄]Cl₂ осадка не образует.

8. Составить для равновесия системы

[Ag(NH₃)₂]Cl [Ag(NH₃)₂] +Cl^-

уравнение константы электролитической диссоциации и уравнение константы нестойкости. Чем объяснить, что при наличии в растворе ионов Ag⁺ и С1^- не образуется осадка AgCl? Почему при добавлении к этому раствору азотной кислоты выпадает осадок AgCl?

9. Есть ли разница между двойными и комплексными солями?

10 Каким ионам свойственна роль комплексообразователя? Какие молекулы и ионы являются лигандами?

11 .Написать уравнения диссоциации следующих солей в водном растворе:

K[BiJ₄], K₂[Cd(CN)₄], [Ni(NH₃)₄]SO₄.

12.Составить уравнение реакции образования гидроксoалюмината калия.

13.Составить уравнения реакций окисления желтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆] пероксидом водорода в кислой среде.

14.Чем обусловливается величина координационного числа?