Железо, кобальт, никель (стр. 2 )

Кобальт и никель при комнатной температуре коррозии не подвергаются, так как их поверхность защищена плотной оксидной пленкой. Необходимо отметить, что поверхность железа при обычных условиях также покрыта оксидной пленкой, но она пористая и поэтому не защищает металл от дальнейшего окисления под действием окружающей среды.

Все вышесказанное относится к железу невысокой степени очистки. Если же взять чистое железо, содержащее менее 0,01% примесей, то оно (аналогично кобальту и никелю) устойчиво к коррозии при обычных условиях. Примером этого утверждения может послужить железная колонна, установленная еще в IX веке до н. э. близ современного города Дели (Индия). За прошедшие почти три тысячи лет на колонне не появилось никаких признаков ржавчины.

Являясь металлами средней активности, железо, кобальт и никель энергично взаимодействуют с неметаллами только при повышенных температурах, при обычных условиях реакция идет только с галогенами, да и то с небольшой скоростью. Никель в этих реакциях всегда двухвалентен, кобальт – в подавляющем большинстве случаев также двухвалентен:

а железо проявляет переменную валентность. С такими активными неметаллами, как фтор, хлор и бром, железо трехвалентно, с остальными – двухвалентно:

Определенный интерес представляет взаимодействие с кислородом воздуха. При сильном нагревании никель образует оксид никеля (II), а железо и кобальт – смешанные оксиды, в которых одна часть атомов металла проявляет валентность II, а другая – валентность III:

Впрочем, если порошкообразное железо нагревать в атмосфере чистого кислорода, продуктом реакции будет оксид трехвалентного железа:

А если поток кислорода или воздуха пропускать через расплавленное железо, будет получаться оксид железа (II):

Ранее уже говорилось, что железо при комнатной температуре окисляется под совместным действием воды и кислорода. Но если использовать чистую воду, не содержащую растворенный кислород, окисления не происходит. Поэтому можно утверждать, что железо с водой (в отсутствие других веществ) не реагирует при обычных условиях. Кобальт и никель даже в присутствии кислорода не взаимодействуют с водой, так как их поверхность защищена плотной оксидной пленкой. Зато железо и кобальт реагируют с перегретым водяным паром:

Все элементы триады железа расположены в электрохимическом ряду напряжений металлов левее водорода, поэтому они растворяются в сильных кислотах. Кобальт и никель в данном случае проявляют только валентность II, а железо – либо II (с неокисляющими кислотами), либо III (с кислотами-окислителями):

Необходимо помнить, что в связи с уменьшением химической активности в ряду Fe–Co–Ni два последних металла взаимодействуют с кислотами значительно медленнее, чем железо. Второй момент, который также нельзя упускать из виду, – при комнатной температуре концентрированная серная или азотная кислота пассивирует большинство металлов, в том числе триаду железа. Поэтому для растворения металлов в этих кислотах необходимо нагревание.

С щелочами из металлов триады железа реагирует только железо: при нагревании железа с концентрированными (с массовой долей более 30%) растворами сильных оснований металл постепенно растворяется с образованием гидроксокомплексов:

Взаимодействие железа с щелочами протекает значительно быстрее, если через раствор пропускать поток воздуха или чистого кислорода:

В данном случае железо уже трехвалентно.

С расплавленными щелочами железо реагирует только в присутствии сильных окислителей, образуя ферраты – некомплексные соединения шестивалентного железа:

Такой же процесс происходит, если заменить щелочь расплавленным карбонатом щелочного металла:

Соединения железа

Железо в своих соединениях в основном проявляет валентности II и III. Для обоих валентных состояний известны оксиды, гидроксиды и соли, в которых железо выступает в роли катиона. Кроме того, трехвалентное железо образует малоустойчивые соединения, в которых оно входит в состав аниона.

Помимо указанных валентностей, железо в некоторых веществах может быть четырех - или шестивалентным. Но таких соединений известно очень мало, и все они неустойчивы.

Если сравнить окислительно-восстановительные свойства железа различных валентных состояний, то проявляется определенная закономерность: с повышением валентности уменьшаются восстановительные и возрастают окислительные свойства. Так, у соединений двухвалентного железа хорошо проявляются восстановительные свойства и практически отсутствуют окислительные свойства; трехвалентное железо иногда проявляет слабые окислительные свойства, но еще реже оно выступает в роли восстановителя; соединения шестивалентного железа – исключительно сильные окислители.

Оксид железа (II) FeO практически невозможно получить в чистом виде непосредственным соединением простых веществ. Так, при сжигании порошкообразного железа обычно образуется смесь оксидов, в которой преобладает смешанный оксид Fe3O4. Поэтому FeO обычно получают прокаливанием некоторых кислородсодержащих солей двухвалентного железа в отсутствие кислорода и других окислителей, чтобы избежать случайного окисления металла до трехвалентного состояния:

Оксид железа (II) представляет собой черный порошок и по химическим свойствам относится к основным оксидам. Он сравнительно легко взаимодействует с сильными кислотами с образованием солей двухвалентного железа:

при повышенных температурах соединяется с большинством кислотных оксидов:

С водой оксид двухвалентного железа не реагирует, поэтому гидроксид железа (II) получают косвенными методами.

Поскольку для соединений двухвалентного железа характерны восстановительные свойства, прокаливание FeO в кислородсодержащей атмосфере приводит к образованию двойного оксида или оксида трехвалентного железа:

Кристаллический оксид двухвалентного железа изредка встречается в природе в виде минерала вюстит.

Оксид железа (III) Fe2O3 широко распространен в природе в виде минерала гематит (красный железняк) – одна из важнейших железных руд. Искусственно его обычно получают прокаливанием гидроксида или нитрата трехвалентного железа:

Он представляет собой буро-красный аморфный порошок, устойчивый до 1500оС. Выше этой температуры оксид трехвалентного железа начинает плавиться с одновременным разложением до смешанного оксида или оксида железа (II):

Оксид трехвалентного железа относится к амфотерным соединениям с ярко выраженными основными свойствами. Он легко растворяется в сильных кислотах, образуя соли трехвалентного железа:

при нагревании соединяется со многими кислотными оксидами:

Кислотные свойства Fe2O3 проявляются только при его сплавлении с оксидами активных металлов: