Металлы VIIIБ-подгруппы: Fe, Co, Ni
Металлы VIIIБ-подгруппы: Fe, Co, Ni Основные вопросы, рассматриваемые в лекции þ Структура VIIIБ-подгруппы. Cемейства железа и платиновых металлов. þ Общая характеристика элементов Fe, Co, Ni. Электронное строение и характерные степени окисления. þ Природные соединения и распространенность элементов в природе. þ Физические характеристики металлов, их химическая активность. þ Соединения Fe, Co, Ni. • • • Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов. Соли Fe, Co, Ni. Комплексные соединения. þ Сравнительная устойчивость степеней окисления Fe, Co, Ni и окислительные свойства соединений.
Металлы VIIIБ-подгруппы VIII Б 8 10 Fe 27 Co 28 Ni Железо Кобальт Никель 55, 847 58, 933 58, 69 26 IV 4 Ru 47 V 6 Рутений 101, 07 76 VI 8 9 Os Осмий 190, 2 46 Pd Родий Ралладий 1 102, 906 06, 42 45 Rh 77 Ir 78 Pt Иридий Платина 192, 22 195, 08 • Валентные электроны: Fe – 3 d 64 s 2; • Элементы Fe, Co, Ni располагаются в VIIIБ-подгруппе периодической таблицы. • В VIIIБ-подгруппе выделяют: • триаду Fe, ее образуют Fe, Co, Ni и • семейство платиновых металлов: легких платиновых: Ru, Rh, Pd и тяжелых платиновых: Os, Ir, Pt. • Элементы Fe, Co, Ni более похожи между собой, чем со своими электронными аналогами. Co – 3 d 74 s 2; Ni – 3 d 84 s 2.
Характерные степени окисления • Наиболее распространенные степени окисления Fe, Co, Ni: +2 и +3. • Кроме того для Fe известны степени окисления: +8, +6. Соединения в этих степенях окисления очень неустойчивы и являются сильными окислителями • Соединения Co(+3) и Ni(+3) также являются сильными окислителями, настолько сильными, что катионы (аквакатионы) 3+ и Ni 3+ в водных растворах не существуют, поскольку способны Co окислять кислород из воды, тогда, как катионы Fe 3+ устойчивы. • Соединения Fe(+2) проявляют восстановительные свойства. • Таким образом, при переходе от Fe к Ni увеличивается устойчивость степени окисления +2.
Распространенность и природные соединения • По распространенности среди металлов Fe находится на втором месте после Al (Al – третий по распространенности элемент после O и Si). Содержание Fe в земной коре составляет 4, 7%, Ni – 0, 02%, а Co – 4. 10 – 3%. • Основные минералы Fe: магнетит Fe 3 O 4 (Fe. O Fe 2 O 3), гематит Fe 2 O 3, лимонит Fe 2 O 3 n. H 2 O, гетит Fe. OOH , сидерит Fe. CO 3, пирит Fe. S 2, пирротин Fe. S. Минералы: магнетит Fe 3 O 4 и гематит Fe 2 O 3, используются для получения железа
Распространенность и природные соединения • Кобальт и никель образуют сульфидные и арсенидные минералы сложного состава (приводимые формулы лишь приблизительно отражают стехиометрию): кобальтин Co. As. S, никелин Ni. S(As), петландит (Fe, Ni)S. Минералы никеля и кобальта входят в состав полиметаллических сульфидных руд. Во всех сульфидных рудах присутствует пирит Fe. S 2 – самый распространенный сульфидный минерал.
Простые вещества • Железо и его сплавы – это основные конструкционные материалы. • По объемам производства Fe значительно превосходит все остальные вещества. • Ежегодно в мире производится около 750 млн. т стали и чугуна. • Никель входит в десятку металлов с наибольшими объемами производства, его получают ~ 0, 8 млн. т/год, а кобальта – лишь 20 тыс. т/год.
Простые вещества • Железо получают, восстанавливая оксиды Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 коксом. • Для получения никеля и кобальта сульфидные руды обжигают, затем полученные при обжиге оксиды также восстанавливают коксом. 2 Ni. S + 3 O 2 = 2 Ni. O + 2 SO 2 Ni. O + C = Ni +CO 2
Простые вещества • Простые вещества элементов VIIIБ-подгруппы – серебристо-серые тяжелые металлы, с температурами плавления, близкими к 1500 о. С. • Как видно из значений Ео химическая активность металлов при переходе от Fe к Ni заметно уменьшается, но все металлы могут быть окислены H+ в кислых растворах.
Простые вещества • Железо быстро растворяется в разбавленных кислотах, Co и Ni растворяются только при нагревании. Fe + H 2 SO 4 = Fe. SO 4 + H 2 • Лучше всего кобальт и никель растворяются в разбавленной азотной кислоте. 3 Ni + 8 HNO 3 (разб. ) = 3 Ni(NO 3)2 + 2 NO + 4 H 2 O • Железо, в отличие от Co и Ni, окисляющихся до Ме 2+, при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой окисляется до катиона Fe 3+. Fe + 4 HNO 3 (разб. ) = Fe(NO 3)3 + NO + 2 H 2 O • В концентрированных азотной и серной кислотах при обычных температурах металлы пассивируются.
Простые вещества • Железо легко окисляется во влажном воздухе, образующийся на его поверхности гидратированный оксид Fe 2 O 3. n. H 2 O – ржавчина, не защищает Fe от дальнейшего окисления. 4 Fe +3 O 2 + n. H 2 O = 2 Fe 2 O 3. n. H 2 O • Кобальт и никель пассивируются на воздухе и не окисляются вплоть до 300 – 400 о. С. • При нагревании в измельченном состоянии (в виде порошка) все металлы реагируют с кислородом: • Ni образует оксид Ni. О, а • при горении Fe образуются оксиды Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4, • аналогичные оксиды образуются и при сгорании Co.
Простые вещества • С расплавленной серой все металлы образуют нестехиометрические сульфиды, состав которых примерно отражают формулы: Co. S, Ni. S, Fe. S 2. • Металлы при нагревании реагируют с галогенами, Fe образует тригалогениды (кроме иодида), Ni и Co – дигалогениды, кроме Co. F 3. Никель устойчив к действию F 2 вплоть до 600 о. С из-за образующегося на его поверхности нелетучего плотного фторида. • При высоких температурах металлы реагируют с азотом и фосфором с образованием нестехиометрических нитридов и фосфидов, например, ~Ni 3 N 2, ~Fe 3 P. • При температуре больше 500 о. С металлы реагируют с графитом с образованием карбидов. Карбид Fe 3 C называют цементитом.
Оксиды и гидроксиды • Монооксиды. В степени окисления +2 все металлы образуют нестехиометрические оксиды состава Мех. О. Монооксиды это твердые тугоплавкие вещества. • Моноксиды можно получать при прокаливании гидроксидов Me(OH)2, карбонатов, нитратов. Все оксиды не растворяются в воде. • Под действием кислот оксиды Me. O переходят в раствор в виде аквакатионов [Me(H 2 O)6]2+.
Оксиды и гидроксиды • Гидроксид Fe(OH)2, выделенный из раствора, в котором отсутствуют соединения Fe(+3), – белый, но он очень быстро окисляется на воздухе. 4 Fe(OH)2 + O 2 = 4 Fe. OOH + 2 H 2 O • Гидроксид Co(OH)2 – розовый. Гидроксид Co(OH)2 легко растворяется под действием кислот с образованием розовых аквакатионов [Co(H 2 O)6]2+. • Гидроксид Ni(OH)2 образуется в виде светлозеленого осадка. Осадок Ni(OH)2 легко растворяется в кислоте, с образованием яркозеленых аквакомплексов [Ni(H 2 O)6]2+. Он устойчив к окислению. • У гидроксидов Me(OH)2 преобладает основной характер.
Оксиды и гидроксиды • Оксид Fe 2 O 3 – это твердое кристаллическое красно-коричневое вещество, которое при плавлении (1560 о. С) разлагается на Fe. O и O 2. Оно не растворяется в воде, растворяется в кислотах и не взаимодействует с водными растворами щелочей. • При сплавлении со щелочью или карбонатами образуются ферриты. Растворимые ферриты подвергаются полному гидролизу в растворах. Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2 Na. Fe. O 2 + CO 2 Na. Fe. O 2 + H 2 O = Fe. OOH + Na. OH • Таким образом, оксид Fe 2 O 3 является амфотерным, но основные свойства превосходят кислотные. • Оксид Fe 3 O 4 – это твердое черное, кристаллическое вещество, которое при плавлении (1540 о. С) разлагается.
Оксиды и гидроксиды • Гидроксиды состава Me(OH)3 как индивидуальные фазы не известны, скорее всего, это фазы переменного состава Me 2 O 3. n. H 2 O. • При небольшом нагревании гидратированные оксиды переходят в гидроксиды состава Me. O(OH) – метагидроксиды. • Метагидроксид Fe. OOH можно получить при действии щелочей на растворы солей Fe(+3). Он выпадает в виде оранжево-коричневого осадка. Fe. Cl 3 + 3 Na. OH = Fe. OOH +3 Na. Cl+ H 2 O • Гидроксид Fe. OOH легко растворяется в кислотах, но не растворяется в щелочах. Гидроксид Fe. OOH является основанием. 2 Fe. OOH + 3 H 2 SO 4 = Fe 2(SO 4)3 + 4 H 2 O.
Оксиды и гидроксиды • Гидроксиды Co. OOH и Ni. OOH можно получить в щелочной среде окислением соединений Co(+2) и Ni(+2). • Из-за большой устойчивости степени окисления (+2) у Ni для получения Ni. OOH необходим сильный окислитель, например, Br 2, Cl 2, Na. Cl. O. 2 Ni(OH)2 + Br 2 + 2 Na. OH= 2 Ni. OOH + 2 Na. Br + 2 H 2 O • Гидроксиды Со. OОH и Ni. OOH нерастворимые в воде вещества, соответственно, коричневого и черного цвета. • Степень окисления (+3) у Ni и Co стабилизируется в щелочной среде, в кислой среде соединения Ni(+3) и Co(+3) будут восстанавливаться даже кислородом из воды. 4 Co. OOH + 4 H 2 SO 4 = 4 Co. SO 4 + O 2 + 6 H 2 O
Соли железа, кобальта, никеля • В степени окисления(+2) Fe, Co, Ni образуют простые соли почти со всеми известными анионами. • К растворимым солям относятся, прежде всего: нитраты, сульфаты, галогениды, за исключением – фторидов. • Соли Co(+2) и Ni(+2) устойчивы к окислению. • Соли Fe(+2) окисляются даже в твердом виде. Наиболее устойчивой является соль Мора: (NH 4)2[Fe(H 2 O)6](SO 4)2. • При растворении солей в воде образуют аквакатионы: • розовый [Co(H 2 O)6]2+, • зеленый [Ni(H 2 O)6]2+, • бесцветный [Fe(H 2 O)6]2+. в уравнениях их упрощенно записывают как Fe 2+, Co 2+, Ni 2+.
Соли железа, кобальта, никеля • В степени окисления +3 большое число солей образует только Fe. • Простых солей Co(+3) известно немного. Простые соли Co(+3) переходя в раствор, окисляют воду с выделением O 2. • Ni(+3) солей не образует. • Соли Fe(+3) в сильной мере подвергаются гидролизу, при этом образуются многоядерные комплексы типа [(H 2 O)4 Fe(OH)2 Fe(H 2 O)4]4+, которые придают раствору желто-коричневый цвет. Аквакомплексы [Fe(H 2 O)6]3+, существуют только в сильнокислой среде, р. Н < 1. • Гидролиз солей Fe(+3) условно часто описывают упрощенным уравнением: Fe 2+ + H 2 O H+ + Fe(OH)2+ • Гидратированные катионы Fe 3+ являются хорошими донорами Н+
Комплексные соединения • Атомы и катионы Fe, Co, Ni являются хорошими акцепторами электронных пар и образуют множество комплексов. • В водных растворах присутствуют аквакомплексы с координационным числом 6. • Катионы Ni 2+, Co 3+ образуют амминые комплексы: [Ni(NH 3)6]2+ , [Co(NH 3)6]2+, [Co(NH 3)6]3+. • Известны комплексные соли: K 3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль) и K 4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль). Темно-синий комплекс KFe[Fe(CN)6] называют турнбулевой синью. • Качественной реакцией на ионы Fe 3+ выступают тиоцианатные комплексы, содержащие от 1 до 5 анионов NCS–. Эти комплексы имеют ярко-красную ( «кровавую» ) окраску.
Комплексные соединения • Комплексообразователями являются не только катионы этих металлов, но и сами металлы. • Металлы Fe, Co, Ni образуют с СО карбонильные комплексы: [Fe(CO)5], [Co 2(CO)8], [Ni(CO)4]. • Карбонилы: [Fe(CO)5], [Ni(CO)4] – это жидкости с температурами кипения 103 и 42 о. С, соответственно. Карбонил [Co 2(CO)8] – оранжевое кристаллическое вещество с температурой плавления 51 о. С. • При нагревании все карбонилы диссоцируют с образованием металла и СО. Ni( т. ) + 4 CO (г. ) [Ni(CO)4] (г. ) • Карбонилы используют для получения металлов высокой чистоты
Окислительно-восстановительные свойства соединений • Среди соединений Fe, Co, Ni сильными окислителями является феррат Fe. O 42– и гидроксиды COOH и Ni. OOH. • Особенно сильно их окислительные свойства проявляются в кислой среде. • В кислых водных растворах они окисляют воду с выделением O 2. 4 K 2 Fe. O 4 + 10 H 2 SO 4 = 2 Fe 2(SO 4)3 + 3 O 2 + 4 K 2 SO 4 + 10 H 2 O • В кислых средах окислительные свойства проявляет катион Fe 3+.
Окислительно-восстановительные свойства соединений При взаимодействии Fe. Cl 3 с Cu, KI, Na 2 S, Fe(+3) восстанавливается до Fe(+2), этой причине не существуют иодиды и сульфиды Fe(+3). • Восстановительные свойства проявляют соединения Fe(+2). Так кислый раствор KMn. O 4 обесцвечивается при добавлении соли Fe(+2): 10 Fe. SO 4 + 2 KMn. O 4 + 8 H 2 SO 4 = 5 Fe 2(SO 4)3 + 2 Mn. SO 4 + K 2 SO 4+ 8 H 2 O
Заключение • Валентные электроны: Fe – 3 d 64 s 2; • Наиболее распространенные степени окисления Fe, Co, Ni: +2 и +3. • • Для Fe известны степени окисления +6 и +8. Простые вещества элементов VIIIБ-подгруппы – серебристо-серые тяжелые металлы, с температурами плавления, близкими к 1500 о. С. Fe, Co, Ni относятся к металлам средней активности. Все металлы могут быть окислены H+ в кислых растворах. • • Co – 3 d 74 s 2; Ni – 3 d 84 s 2. Все оксиды Fe, Co, Ni – это твердые тугоплавкие вещества. У гидроксидов Me(OH)2 и Me. O(OH) преобладает основной характер, они растворяются в кислотах. При растворении Co. O(OH) и Ni. O(OH) в кислоте происходит их восстановление до катионов. Me 2+.
Заключение • Среди соединений Fe, Co, Ni сильными окислителями является феррат Fe. O 42– и гидроксиды COOH и Ni. OOH. • В кислых средах окислительные свойства проявляет катион Fe 3+. • Восстановительные свойства проявляют соединения Fe(+2). • Fe, Co, Ni образуют множество комплексов. • Комплексы образуют не только катионы этих металлов, но и сами металлы. Металлы Fe, Co, Ni образуют с СО карбонильные комплексы, которые используются для получения очень чистых металлов.
Рекомендуемая учебная литература § Степин Б. Д. , Цветков А. А. Неорганическая химия: Учебник для вузов / Б. Д. Степин, А. А. Цветков. – М. : Высш. шк. , 1994. - 608 с. : ил. § Карапетьянц М. Х. Общая и неорганическая химия: Учебник для студентов вузов / М. Х. Карапетьянц, С. И. Дракин. - 4 -е изд. , стер. - М. : Химия, 2000. - 592 с. : ил. § Угай Я. А. Общая и неорганическая химия: Учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению и специальности "Химия" / Я. А. Угай. - 3 -е изд. , испр. - М. : Высш. шк. , 2007. - 527 с. : ил. § Никольский А. Б. , Суворов А. В. Химия. Учебник для вузов / А. Б. Никольский, А. В. Суворов. – СПб: Химиздат, 2001. - 512 с. : ил.
Скачать презентацию Металлы VIIIБ-подгруппы Fe Co Ni Металлы VIIIБ-подгруппы
141.ppt