Изучение свойств железа, кобальта, никеля и их соединений Основные теоретические положения

Элементы Fe, Co и Ni находятся в VIII Б группе Периодической системы и образуют семейство железа. Наиболее характерными для железа, кобальта и никеля являются степени окисления (+2) и (+3). При переходе от железа к никелю повышается устойчивость низшей степени окисления и понижается устойчивость более высоких степеней окисления. Так, степени окисления (+6) и (+8) проявляет только железо.

Железо, кобальт, никель представляют собой серебристо-белые металлы с сероватым (Fe), розоватым (Co) и желтоватым (Ni) отливом. Чистые металлы являются прочными и пластичными. Все три металла ферромагнитные. При нагревании до определенной температуры ферромагнитные свойства исчезают и металлы становятся парамагнитными.

Для железа и кобальта характерен полиморфизм, в то время как никель мономорфен и вплоть до температуры плавления обладает кубической гранецентрированной решеткой.

Наличие примесей сильно снижает устойчивость даных металлов, особенно железа, к агрессивной атмосфере в присутствии влаги. Это приводит к развитию коррозии (иначе ржавлению железа) за счет образования на поверхности рыхлого слоя смеси оксидов и гидроксидов переменного состава, не предохраняющих поверхность от дальнейшего разрушения.

Железо, кобальт и никель проявляют умеренную химическую активность. Все три металла горят в атмосфере кислорода, образуя оксиды Fe₂О₃, CoО, NiО. В мелкораздробленном состоянии металлы пирофорны, то есть способны самовозгораться на воздухе при комнатной температуре.

Элементы семейства железа реагируют с расплавленной серой, образуя сульфиды нестехиометрического состава, активно взаимодействуют с хлором, бромом и йодом с образованием тригалогенидов железа и дигалогенидов кобальта и никеля. С фтором железо и кобальт реагируют слабо из-за образования на поверхности плотной малолетучей пленки трифторидов. Никель не разрушается фтором даже при 500 – 600 °С. При высоких температурах металлы взаимодействуют с азотом и фосфором, образуя нитриды и фосфиды нестехиометрического состава. При температурах более 500 °С металлы обратимо взаимодействуют с углеродом по схеме

3Ме + С ↔ Ме₃С .

Карбид железа такого состава называют цементитом. Самым активным элементом (исходя из сопоставления электродных потенциалов для данных металлов) этой триады является железо. Разбавленные соляная, серная и азотная кислоты растворяют эти металлы с образованием ионов Э²⁺. Например,

Fe + 2HCl_(разб) = FeCl₂ + H₂;

Ni + H₂SO_4(разб) = NiSO₄ + H₂;

3Co + 8HNO_3(разб) = 3Co(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O;

4Fe + 10HNO_3(разб) = 3Fe(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O.

В холодных концентрированных серной и азотной кислотах металлы пассивируются за счет образования нерастворимой в кислотах оксидной пленки, что позволяет, например, транспортировать концентрированную серную кислоту в железных цистернах.

Металлическое железо и кобальт взаимодействуют при нагревании с концентрированными растворами щелочей, образуя гидроксокомплексы

Fe + 2NaOH + 2H₂O = Na₂[Fe(OH)₄] + H₂.

Эти металлы разрушаются также расплавами щелочей в присутствии кислорода

4Co + 4NaOH + 3O₂ = 4NaCoO₂ + 2H₂O.

Однако, никель устойчив к действию как растворов, так и расплавов щелочей.

Под действием сильных окислителей при нагревании железо может образовывать соединения в степени окисления (+6) – ферраты (VI)

Fe + 2KNO₃ = K₂FeO₄ + 2NO.

Для железа, никеля, кобальта известны оксиды состава ЭО и Э₂О₃. Даные оксиды нельзя получить в чистом виде при прямом синтезе, поскольку в этом случае образуется смесь оксидов. Поэтому чистые оксиды получают косвенным путем – разложением некоторых солей и гидроксидов. Оксид Э₂О₃ устойчив только для железа и получается при обезвоживании соответствующего гидроксида. Для железа и кобальта характерны оксидные соединения переменного состава Э₃О₄ (ЭО · Э₂О₃).

Оксиды состава ЭО нерастворимы в воде и не взаимодействуют с ней. Данные оксиды, как и соответствующие им гидроксиды Э(ОН)_2, проявляют основной характер и не реагируют с растворами щелочей. С кислотами гидроксиды Э(ОН)₂ легко взаимодействуют с образованием солей.

Гидрокисды состава Э(ОН)₃ по разному ведут себя при взаимодействии с кислотами. Fe(ОН)₃ образует соли железа (III), а гидроксиды Со(ОН)₃ и Ni(ОН)₃ с кислотами восстанавливаются до Э(+2). Например

Fe(ОН)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O;

2Ni(OH)₃ + 6HCl = 2NiCl₂ + Cl₂ + 6H₂O.

Все соли соляной, серной и азотной кислот, образованные железом, кобальтом и никелем растворимы в воде. Соли никеля (II) имеют зеленый цвет, кобальта (II) – синий, а их растворы и кристаллогидраты – розовый.

Способность солей железа, кобальта и никеля к образованию кристаллогидратов свидетельствует о склонности этих элементов к комплексообразованию. Кристаллогидраты представляют собой типичный пример аквакомплексов. Например: [Э(Н₂О)₆](ClО₄)₂ или [Э(Н₂О)₆](NО₃)₂.

Для железа особенно характерны и устойчивы цианидные комплексы. Например: K₄[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (II) калия (иначе желтая кровяная соль) и K₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия (иначе красная кровяная соль). Эти соли являются хорошими реактивами для обнаружения присутствия ионов Fe⁺³ (желтая соль) и ионов Fe⁺² (красная соль) в растворах при рН ≤ 7.

Для кобальта (II) характерны устойчивые простые соли. Комплексные соединения кобальта (II) состава K₂[Co(CNS)₄] и K₂[Co(CN)₆] являются неустойчивыми и ереходят в соединения кобальта (III) состава K₃[Co(CN)₆], и [Co(NH₃)₆]Cl₃ соответственно.

Никель (II), наоборот, образует много устойчивых комплексных соединений. Например, [Ni(NH₃)₆](OH)₂ или K₂[Ni(CN)₄]. Ион [Ni(NH₃)₆]²⁺ имеет темно-синюю окраску.

Соединения никеля и особенно кобальта ядовиты.