Химия · Химия элементов · 9 класс

Железо и его соединения

Как различить Fe²⁺ и Fe³⁺ и что делает железо в нашей крови?

Ситуация

Чугунный казан на кухне, мосты и стальные балки зданий — из железа. Ржавое железо становится бурым, а его соли бывают двух видов: раствор Fe²⁺ светло-зелёный, раствор Fe³⁺ жёлто-коричневый. Красный цвет крови тоже связан с железом — железо гемоглобина забирает кислород в лёгких и переносит его к тканям. Как отличить два иона железа и сколько железа в нашей крови?

Тема

Железо и его соединения. Железо: раствор Fe²⁺ светло-зелёный, Fe³⁺ жёлто-бурый; тёмно-синий осадок с красной кровяной солью и железо в крови

Ключевые понятия

Гидроксиды железа(II) и (III)
Качественные реакции
Гемоглобин

Формулы

4 Fe (OH)_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Fe (OH)_{3}

Fe(OH)₂ окисляется на воздухе: бело-зелёный осадок превращается в бурый Fe(OH)₃ (лабораторная работа 15).

Fe^{2 +} + K^{+} + [Fe (CN)_{6}]^{3 -} \overset{}{\to} KFe [Fe (CN)_{6}]

Fe²⁺ + красная кровяная соль → тёмно-синий осадок (турнбулева синь).

Fe^{3 +} + K^{+} + [Fe (CN)_{6}]^{4 -} \overset{}{\to} KFe [Fe (CN)_{6}]

Fe³⁺ + жёлтая кровяная соль → тёмно-синий осадок (берлинская лазурь) — на самом деле это то же вещество.

Fe^{3 +} + SCN^{-} \overset{}{⇌} [Fe (SCN)]^{2 +}

Fe³⁺ + роданид → кроваво-красный раствор (лабораторная работа 16).

m (Fe) = m (Hb) \cdot \frac{4 A_{r} (Fe)}{M (Hb)}

Железо в гемоглобине: 4 · 55,85 / 64 500 ≈ 0,35 %.

Теория

Железо: положение и свойства (§ 34)

Железо Fe — элемент № 26, 4-й период, VIII B (8-я группа): [Ar] 3d⁶ 4s². В соединениях в основном +2 и +3 (в ферратах +6). В земной коре ≈ 5 % по массе — 4-е место после кислорода, кремния и алюминия; в природе встречается в основном в соединениях: магнетит Fe₃O₄ (ω(Fe) = 72,4 %), гематит Fe₂O₃ (69,9 %), лимонит 2Fe₂O₃·3H₂O (59,8 %), сидерит FeCO₃ (48,2 %); из пирита FeS₂ получают серную кислоту. Чистое железо — серебристо-белое, относительно мягкое, ρ = 7,87 г/см³, плавится при 1538 °C; до 770 °C ферромагнитно — притягивается магнитом. В технике применяют сплавы железа: чугун (более 2,14 % C) и сталь (до 2,14 % C) — подробно в эксперименте «Выплавка чугуна и стали».

Химические свойства

Железо — металл средней активности. С соляной и разбавленной серной кислотами оно вытесняет водород и образует соли железа(II): $Fe + 2 HCl \overset{}{\to} FeCl_{2} + H_{2}$ ; с сильным окислителем хлором — хлорид железа(III): $2 Fe + 3 Cl_{2} \overset{}{\to} 2 FeCl_{3}$ . Горит в кислороде, образуя железную окалину Fe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃): $3 Fe + 2 O_{2} \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4}$ ; с серой даёт FeS, с раскалённым водяным паром — Fe₃O₄ и H₂: $3 Fe + 4 H_{2} O \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4} + 4 H_{2}$ . Холодные концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо. Железо вытесняет из растворов солей металлы, стоящие после него: $Fe + CuSO_{4} \overset{}{\to} FeSO_{4} + Cu$ . Во влажном воздухе оно ржавеет — для этого нужны и кислород, и вода: $4 Fe + 3 O_{2} + 6 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Fe (OH)_{3}$ (ржавчина — гидратированный оксид железа(III)).

Гидроксиды железа (лабораторная работа 15)

Если к раствору соли железа(II) добавить щёлочь, выпадает осадок Fe(OH)₂: $Fe^{2 +} + 2 OH^{-} \overset{}{\to} Fe (OH)_{2}$ . Чистый Fe(OH)₂ белый, но сразу начинает окисляться кислородом воздуха: сначала бело-зелёный, потом тёмный зелёно-серый, в конце бурый Fe(OH)₃: $4 Fe (OH)_{2} + O_{2} + 2 H_{2} O \overset{}{\to} 4 Fe (OH)_{3}$ . Чтобы замедлить окисление, на раствор наливают слой масла. Из соли железа(III) сразу выпадает красно-коричневый Fe(OH)₃: $Fe^{3 +} + 3 OH^{-} \overset{}{\to} Fe (OH)_{3}$ . Оба гидроксида растворяются в кислоте ( $Fe (OH)_{3} + 3 HCl \overset{}{\to} FeCl_{3} + 3 H_{2} O$ ); Fe(OH)₃ почти не растворяется в щёлочи — амфотерность очень слабая. При нагревании разлагается до Fe₂O₃: $2 Fe (OH)_{3} \overset{}{\to} Fe_{2} O_{3} + 3 H_{2} O$ . Fe²⁺ — восстановитель (на воздухе и с хлором переходит в Fe³⁺: $2 FeCl_{2} + Cl_{2} \overset{}{\to} 2 FeCl_{3}$ ), Fe³⁺ — окислитель.

Обнаружение Fe²⁺ и Fe³⁺ (лабораторная работа 16)

Качественные реакции: Fe²⁺ + красная кровяная соль K₃[Fe(CN)₆] → тёмно-синий осадок (турнбулева синь): $Fe^{2 +} + K^{+} + [Fe (CN)_{6}]^{3 -} \overset{}{\to} KFe [Fe (CN)_{6}]$ . Fe³⁺ + жёлтая кровяная соль K₄[Fe(CN)₆] → тёмно-синий осадок (берлинская лазурь): $Fe^{3 +} + K^{+} + [Fe (CN)_{6}]^{4 -} \overset{}{\to} KFe [Fe (CN)_{6}]$ . По современным исследованиям, эти два осадка — одно и то же вещество KFe[Fe(CN)₆]. «Обратные» пары синего осадка не дают: Fe³⁺ + K₃[Fe(CN)₆] — коричнево-зелёный раствор, Fe²⁺ + K₄[Fe(CN)₆] — белый осадок (на воздухе медленно синеет). Fe³⁺ + роданид калия KSCN → кроваво-красный раствор: $Fe^{3 +} + SCN^{-} \overset{}{⇌} [Fe (SCN)]^{2 +}$ ; с Fe²⁺ окраски почти нет (следы Fe³⁺, образовавшегося на воздухе, могут дать бледно-розовый оттенок). Со щёлочью: Fe²⁺ — бело-зелёный, Fe³⁺ — красно-коричневый осадок. Надёжно проверять неизвестный раствор как минимум двумя реактивами.

Применение и биологическая роль (§ 35)

Железо — самый используемый металл: сталь и чугун идут на строительство, машиностроение, железные дороги и посуду (чугунный казан); в Узбекистане сталь производят на металлургическом комбинате в Бекабаде. Соединения: железный купорос FeSO₄·7H₂O — для защиты растений и как удобрение; FeCl₃ — коагулянт при очистке воды; Fe₂O₃ — красный пигмент; берлинская лазурь — синяя краска. Биологическая роль: в молекуле гемоглобина эритроцитов четыре гемовые группы, ион Fe²⁺ в центре каждой связывает одну молекулу O₂ и переносит её от лёгких к тканям. Железо составляет ≈ 0,35 % массы гемоглобина ( $4 \cdot 55,85 / 64 500$ ). В организме взрослого человека несколько граммов железа, из них ≈ 2,5 г в гемоглобине; каждый день теряется ≈ 1 мг (у женщин 1,5–2 мг), и потери восполняются пищей (мясо, печень, бобовые, зелень) — при недостатке развивается малокровие (анемия).

Безопасность и модель

Безопасность: со щёлочью и кислотами работайте в защитных очках; при попадании щёлочи в глаза промойте большим количеством воды. Кровяные соли (гексацианоферраты) устойчивы, но их нельзя нагревать с кислотой — может выделиться ядовитый HCN. Роданиды тоже ядовиты — не пробуйте на вкус. Модель: количество осадка по стехиометрии (конечное состояние зависит от добавленных молей); окисление Fe(OH)₂ на воздухе упрощено (1 с ≈ 1 мин, под слоем масла окисления нет). В растворе FeSO₄ принято 1 % Fe³⁺ (окислившаяся на воздухе часть). Цвета приближённо по закону Бера–Ламберта. Молекула гема схематична: атомы уменьшены, белковая часть гемоглобина не показана; M(Hb) ≈ 64 500 г/моль.

Знаете ли вы?

Турнбулеву синь и берлинскую лазурь долго считали разными веществами; современные исследования показали, что это одно и то же вещество — гексацианоферрат(II) железа(III). Берлинская лазурь была случайно получена в Берлине в начале XVIII века и стала одним из первых синтетических пигментов.
В организме взрослого человека несколько граммов железа, из них около 2,5 г в гемоглобине: четыре иона железа в каждой молекуле гемоглобина переносят четыре молекулы O₂.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Металлы и сплавы — 9 класс
Щелочные металлы и сода — 9 класс
Алюминий и его соединения — 9 класс
Медь, серебро, золото и цинк — 9 класс
Хром и марганец: цветные ионы — 9 класс
Закономерности s- и p-элементов — 1 курс
d- и f-элементы: цвет, редокс — 1 курс
Комплексные соединения и лиганды — 1 курс
Химический завод: реактор и цехи — 4 курс