Семейство железа. Общая характеристика элементов; нахождение в природе, способы получения. Чугун и сталь. Оксиды, гидроксиды и соли элементов (II), их свойства и получение.

Семейство железа входит в состав побочной подгруппы восьмой группы и является в ней первой триадой, включающей в себя железо, кобальт и никель, обладающие схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электро-отрицательности.

Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Железо один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4, 65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́ льшую часть земного ядра.

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс. Кроме того распространён процесс прямого получения железа.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Кобальт Co — серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом.

Массовая доля кобальта в земной коре 4·10^{− 3}%. Кобальт входит в состав минералов: каролитCuCo₂S₄, линнеит Co₃S₄, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO₃, смальтин CoAs₂, скуттерудит(Co, Ni)As₃ и других. Всего известно около 30 кобальтосодержащих минералов. Содержание в морской воде приблизительно (1, 7)·10^{− 10}%.

Кобальт получают в основном из никелевых руд, обрабатывая их растворами серной кислоты или аммиака. Также используется методы пирометаллургии. Для отделения от близкого по свойствам никеля используется хлор, хлорат кобальта (Co(ClO₃)₂) выпадает в осадок, а соединения никеля остаются в растворе.

Никель — это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен.

Никель довольно распространён в природе — его содержание в земной коре составляет около 0, 01 % (масс.). В земной коре встречается только в связанном виде, в железных метеоритах содержится самородный никель (до 8 %).

В растениях в среднем 5·10^{− 5} весовых процентов никеля, в морских животных — 1, 6·10^{− 4}, в наземных — 1·10^{− 6}, в человеческом организме — 1…2·10^{− 6}.

Основную массу никеля получают из гарниерита и магнитного колчедана.

1. Силикатную руду восстанавливают угольной пылью во вращающихся трубчатых печах до железо-никелевых окатышей (5—8 % Ni), которые затем очищают от серы, прокаливают и обрабатывают раствором аммиака. После подкисления раствора из него электролитически получают металл.

2. Карбонильный способ (метод Монда). Вначале из сульфидной руды получают медно-никелевый штейн, над которым пропускают СО под высоким давлением. Образуется легколетучий тетракарбонилникель [Ni(CO)4], термическим разложением которого выделяют особо чистый металл.

3. Алюминотермический способ восстановления никеля из оксидной руды:

3NiO + 2Al = 3Ni +Al₂O₃

Чугу́ н — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в чугуне не менее 2, 14%: меньше — сталь. Углерод придаёт сплавам железа твёрдость, снижая пластичность и вязкость. Углерод в чугуне может содержаться в виде цементита и графита. В зависимости от формы графита и количества цементита, выделяют белый, серый, ковкий и высокопрочный чугуны. Чугуны содержат постоянные примеси (Si, Mn, S, P), а в некоторых случаях также легирующие элементы (Cr, Ni, V, Al и др.). Как правило, чугун очень тверд.

Сталь — сплав железа с углеродом (и другими элементами). Содержание углерода в стали от 0, 1 до 2, 14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.

Учитывая, что в сталь могут быть добавлены легирующие элементы, сталью называется содержащий не менее 45 % железа сплав железа с углеродом и легирующими элементами (легированная, высоколегированная сталь).

Суть процесса переработки чугуна на сталь состоит в уменьшении до нужной концентрации содержания углерода и вредных примесей — фосфора и серы, которые делают сталь хрупкой и ломкой. В зависимости от способа окисления углерода существуют различные способы переработки чугуна на сталь: конверторный, мартеновский и электротермический.

Оксид железа (II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)₂. Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂O.

Гидрокси́ д желе́ за(II) — неорганическое вещество с формулой Fe(OH)₂, соединение железа.Амфотерный гидроксид с преобладанием осно́ вных свойств. Кристаллическое вещество белого (иногда с зеленоватым оттенком) цвета, на воздухе со временем темнеет. Является одним из промежуточных соединений при ржавлении железа.

Гидроксид железа(II) может быть получен в виде осадка в обменных реакциях растворов солей железа(II) со щёлочью, например:

Образование гидроксида железа(II) является одной из стадий ржавления железа:

Оксид кобальта(II) — неорганическое соединение, оксид металла кобальта с формулой CoO, тёмно-зелёные (почти чёрные) кристаллы, не растворимые в воде.

Получение.

· Окисление кобальта на воздухе:

· Разложение оксида кобальта(II, III) при нагревании:

· Разложение гидроксида кобальта(II) в вакууме:

· Разложение сульфата кобальта(II):

· Окисление октакарбониладикобальта:

Химические свойства.

· Растворяется в разбавленных кислотах:

· Медленно растворяется в горячих щелочах:

· Окисляется кислородом воздуха при нагревании:

Гидроксид кобальта(II) — неорганическое соединение, гидроокись металла кобальта с формулой Co(OH)₂, в зависимости от способа получения имеет окраску розовую, синюю, фиолетовую, не растворяется в воде, образует гидраты.

Получаютдействием разбавленных щелочей на раствор солей двухвалентного кобальта:

Химические свойства.

· Реагирует с кислотами:

· Медленно реагирует с щелочами:

· Окисляется кислородом под давлением:

· Окисляется горячей перекисью водорода::

Растворы солей кобальта CoSO₄, CoCl₂, Со(NO₃)₂ придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.

Оксид никеля(II) — неорганическое бинарное соединение двухвалентного никеля с кислородом. Химическая формула NiO. Встречается в природе в виде редкого минерала бунзенита.

Оксид никеля(II) — кристаллическое вещество, в зависимости от способа получения и термической обработки имеет цвет от светло- до тёмно-зелённого или чёрного.

Оксид никеля можно синтезировать непосредственно из элементов окислением Ni при нагревании на воздухе или в кислороде:

Оксид никеля(II) может быть получен термическим разложением в гидроксида никеля(II) или некоторых солей двухвалентного никеля (карбоната, нитрата и др.):

Химические свойства.

· Реагирует с кислотами:

· При спекании взаимодействует с щелочами и оксидами типичных металлов:

· При сплавлении с кислотными оксидами образует соли:

Гидроксид никеля(II) — неорганическое соединение, гидроокись металла никеля с формулой Ni(OH)₂, светло-зелёные кристаллы, не растворяется в воде, образует гидраты.

Получают действием концентрированных щелочей на раствор солей двухвалентного никеля:

Химические свойства.

· При нагревании разлагается:

· Реагирует с кислотами:

· Является слабым восстановителем:

Важнейшие растворимые соли никеля — ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Водные растворы солей окрашены обычно в зелёный цвет, а безводные соли — жёлтые или коричнево-жёлтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зелёные), три сульфида: NiS (черный), Ni₃S₂ (желтовато-бронзовый) и Ni₃S₄ (серебристо-белый).

Оксиды, гидроксиды и соли железа(III), кобальта (III), никеля (III),, способы получения и свойства. Соединения железа (VI), ферраты, их свойства. Применение металлов и их соединений.

Окси́ д желе́ за(III) — сложное неорганическое вещество, соединение железа и кислорода с химической формулой Fe₂O₃.

Получение.

Термическое разложение соединений солей железа(III) на воздухе:

Обезвоживание метагидроксида железа прокаливанием:

В природе — оксидные руды железа гематит Fe₂O₃ и лимонит Fe₂O₃· n H₂O

Химические свойства.

1. Взаимодействие с разбавленной соляной кислотой:

2. Взаимодействие с карбонатом натрия:

3. Взаимодействие с гидроксидом натрия при сплавлении:

4. Восстановление до железа водородом:

Гидроксид железа(III) — неорганическое соединение, гидроксид металла железа с формулой Fe(OH)₃, красновато-коричневые кристаллы, не растворяется в воде. Проявляет слабые амфотерные свойства с преобладанием основных.

Получение.

· В природе встречается минерал лимнит (разновидность лимонита), по составу совпадает с Fe(OH)₃.

· Действие щелочей на растворимые соли железа(III):

Химические свойства.

· При частичной дегидратации разлагается до железистой кислоты (или метагидроксида железа):

· Разлагается при нагревании:

· Реагирует с кислотами:

· и щелочами:

Соли Fe³⁺ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe³⁺, как правило, окружен шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.

Оксид кобальта(III) — неорганическое соединение, оксид металла кобальта с формулой Co₂O₃, чёрные кристаллы, не растворимые в воде.

Получение.

· Разложение гидроксида кобальта(III) при нагревании:

· Разложение нитрата кобальта(II) при нагревании:

Химические свойства.

· Ступенчато разлагается при нагревании:

· Окисляет соляную кислоту:

Гидроксид кобальта(III) — неорганическое соединение, гидроксид кобальта с формулой Co(OH)₃ (или CoOOH•H₂O), темно-коричневое вещество, не растворяется в воде.

Получаютдействием окислителей на соли кобальта(II) в щелочной среде:

Химические свойства.

· С трудом реагирует с кислотами:

· Разлагается при нагревании:

Растворы солей кобальта CoSO₄, CoCl₂, Со(NO₃)₂ придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.

Оксид никеля(III) — бинарное неорганическое соединение металла никеля и кислорода с формулой Ni₂O₃, тёмно-серый порошок, не растворяется в воде, образует гидраты.

Получаютосторожным нагреванием нитрата или хлората никеля.

Химические свойства.

· Разлагается при нагревании до оксида никеля(II, III):

Гидроксид никеля (III) Ni (OH)₃ получается в виде черно-бурого осадка при действии окислителей на гидроксид никеля (II).

Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H₂FeO₄. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)₃ в щелочи^[26]:

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:

Ферраты — сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства. Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов. Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых. Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.

Применение кобальта.

· Легирование кобальтом стали повышает её жаропрочность, улучшает механические свойства. Из сплавов с применением кобальта создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и т. п.

· Магнитные свойства сплавов кобальта находят применение в аппаратуре магнитной записи, а также сердечниках электромоторов и трансформаторов.

· Для изготовления постоянных магнитов иногда применяется сплав, содержащий около 50 % кобальта, а также ванадий или хром.

· Кобальт применяется как катализатор химических реакций.

· Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов.

Основная масса никеля в промышленности расходуется на производство сплавов для электротехники: инвара, платинита, нихрома, никелина. Никелевые сплавы применяют также в химической и авиационной промышленности в судостроении. Как легирующий металл никель сообщает сталям вязкость, механическую прочность, жаростойкость, устойчивость к коррозии. Хромоникелевые стали идут на изготовление брони, бронебойных снарядов, артиллерийских орудий. Никель используют в щелочных аккумуляторах.

Платиновые металлы. Общая характеристика элементов. Нахождение в природе. Понятие о разделении элементов, гидроксиды платины (II), (IV), их свойства. Оксиды рутения и осмия (VIII).

Металлы платиновой группы — коллективное обозначение шести переходныхметаллических элементов (рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина), имеющих схожие физические и химические свойства, и, как правило, встречающихся в одних и тех же месторождениях. Металлы платиновой группы являются благородными и драгоценными металлами. Иногда, металлы платиновой группы подразделяют на две триады: рутений, родий и палладий — лёгкие платиновые металлы, а платина, иридий и осмий — тяжёлые платиновые металлы.

Все платиновые металлы светло-серые и тугоплавкие, платина и палладий пластичны, осмий и рутений хрупкие. Красивый внешний вид благородных металлов обусловлен их инертностью.

Платиновые металлы обладают высокой каталитической активностью в реакциях гидрирования, что обусловлено высокой растворимостью в них водорода.

Все платиновые металлы химически инертны. Многие из них в твёрдом виде не растворяются даже в царской водке. В мелкодисперсном виде или в виде губки, царская водка слабо растворяет рутений, и совсем незначительно родий и иридий. Платина и палладий, более реакционноспособны, палладий растворяется в азотной кислоте, а платина, не так инертна, как принято считать, и растворяется даже в соляной кислоте, в присутствии воздуха. Реакции растворения в царской водке идут с образованием хлоридных комплексов:

При окислении металлов кислородом воздуха образуются оксиды различного состава:

При нагревании все платиновые металлы реагируют с хлором и фтором:

Платина и металлы её группы встречаются в природе в весьма рассеянном состоянии. Известно около ста минералов платиновой группы. Минералы платиноидов распространены как в самородной форме, так и в виде твёрдых растворов и интерметаллических соединений с Fe, Ni, Cu, Sn, реже Au, Os, Pb, Zn, Ag. Наиболее распространёнными являются поликсен (Pt, Fe), ферроплатина (Pt, Fe), палладистая платина (Pt, Pd), станнопалладинит Pd₃Sn₂Cu, гиверсит PtSb₂, звягинцевит (Pd, Pt)₃(Pb, Sn).

Осмий, рутений и родий образуют твёрдые растворы. К ним относятся такие минералы как иридий (Ir, Os), осмий (Os, Ir).

Выделение, разделение и очистка (аффинаж) платиновых металлов представляет собой одну из сложнейших задач препаративной неорганической химии. Исходные руды подвергают обогащению, и из полученных концентратов выплавляют медь и никель. При электролитическом рафинировании никеля в анодных шламах концентрируются платиновые металлы, а при рафинировании меди, кроме того, – серебро и золото. Шламы растворяют в царской водке. При этом все платиновые металлы, кроме осмия, переходят в раствор в виде комплексных кислот H 2[Э Cl 6 ], а осмий остается в осадке в виде OsO4. Далее платину осаждают хлоридом аммония в виде(NH 4)2[ PtCl 6] и затем последовательно выделяют остальные платиновые металлы в виде соединений (NH 4)2[Э Cl 6]. Из маточного раствора упариванием в присутствии HNO 3 выделяют хлороиридат (NH 4)2[ IrCl 6]. После осаждения платины и иридия из раствора, подкисленного серной кислотой, выделяют палладий, рутений и родий в виде металлов путем восстановления цинком. При этом выделяются и остатки платины и иридия. На смесь порошкообразных металлов действуют царской водкой. Родий и рутений остаются в осадке в виде черни(тонкодисперсный порошок). Оставшийся в растворе палладий осаждают в виде нейтрального комплекса [ Pd (NH 3)2 Cl 2]. Родий из черни выделяют растворением в серной кислоте с последующим осаждением, например, в виде [ Rh (NH 3)6] Cl 3, а рутений отгоняют в виде летучего RuO 4 c последующим восстановлением. Платиновые металлы высокой степени чистоты получают многократным повторением операций перевода их в раствор, осаждения и разложения соответствующих соединений.

Гидроксид платины(II) — неорганическое соединение, гидроокись металла платины с формулой Pt(OH)₂, чёрные кристаллы, не растворяется в воде, образует гидраты.

Получают действием щелочи на тетрахлороплатинат(II) калия:

Реагирует с соляной кислотой:

Окисляется озоном:

Гидроксид платины(IV) — неорганическое соединение, гидроокись металла платины с формулой Pt(OH)₄, красно-бурые кристаллы, не растворяется в воде.

Получают гидролизом гексахлороплатината(IV) натрия:

При нагревании до 110°С начинает терять воду.

Реагирует с кислотами:

Реагирует с избытком щелочей:

Оксид рутения(VIII) — неорганическое соединение, оксид металла рутения с формулой RuO₄, жёлто-оранжевые кристаллы, умеренно растворимые в воде, образует гидраты.

Получение.

· Окисление кислородом воздуха рутения при нагревании:

· Окисление рутения броматом калия:

· Разложение оксида рутения(IV) при нагревании:

· Окисление оксида рутения(IV) кислородом:

· Окисление тетраоксорутената(VI) калия хлором:

При нагревании выше 100°С разлагается со взрывом.

Сильный окислитель, пахнет озоном, со спиртом реагирует со взрывом.

Умерено растворяется в воде, водные растворы являются слабой кислотой p K₁ = 11, 0.

Окси́ д о́ смия(VIII) (тетраокси́ д о́ смия) — высший оксид осмия, брутто-формула (система Хилла) OsO₄.

Получают взаимодействием металлического осмия с кислородом при высокой температуре:

Оксид осмия (VIII) при стандартных условиях представляет собой жёлто-коричневые кристаллы моноклинной формы с характерным запахом, напоминающим озон. Неустойчив, возгоняется уже при комнатной температуре. Оксид осмия (VIII) хорошо растворим в различных органических растворителях, умеренно растворим в воде, с которой он обратимо реагирует с образованием [Os(H₂O)₂O₄].