С какими веществами железо реагирует при обычных условиях или при нагревании?

Разбавленная серная кислота

Холодная концентрированная серная кислота

Раствор хлорида цинка

Каким реактивом обнаруживают ион Fe²⁺?

Красной кровяной солью K₃[Fe(CN)₆]

Жёлтой кровяной солью K₄[Fe(CN)₆]

Роданидом калия KNCS

Что образуется при сгорании железа в кислороде?

Fe₃O₄ — железная окалина

Железо и его соединения — 9 класс, химия: объяснение и примеры

Что нужно знать до

Если что-то из этого забылось, начни оттуда — так будет понятнее.

Химические свойства металлов

Коротко о главном

Железо — металл побочной подгруппы (Б-группы) с переменной степенью окисления: в соединениях чаще всего +2 или +3. Слабые окислители (сера, ионы водорода, ионы меди) окисляют его до +2, сильные (хлор, бром) — до +3. Ионы $\mathrm{Fe^{2+}}$ и $\mathrm{Fe^{3+}}$ различают качественными реакциями.

\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow} \qquad \mathrm{2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3}

Подробное объяснение

Почему старый гвоздь покрывается рыжим налётом, а новый серый? Почему вода из старых труб бывает желтоватой? Всё это — соединения железа со степенью окисления +3. Железо — главный металл техники: из его сплавов, стали и чугуна, делают машины, рельсы, мосты.

Строение атома

Железо стоит в 4-м периоде, в Б-группе (по короткой таблице — в побочной подгруппе VIII группы). Заряд ядра +26, электроны по слоям: 2, 8, 14, 2. Главная особенность: у таких элементов достраивается не внешний, а предвнешний слой. Поэтому валентными оказываются электроны не только внешнего слоя, и степень окисления бывает +2, +3, а в редких соединениях (ферратах) даже +6.

Железо в природе

Железо — второй по распространённости металл земной коры после алюминия (около 4–5 % массы коры), а больше всего его в земном ядре. Главные руды: красный железняк (гематит) $\mathrm{Fe_2O_3}$ , магнитный железняк (магнетит) $\mathrm{Fe_3O_4}$ , бурый железняк (лимонит) $\mathrm{Fe_2O_3 \cdot nH_2O}$ . Пирит $\mathrm{FeS_2}$ тоже распространён, но железо из него не выплавляют — он идёт на производство серной кислоты.

Простое вещество

Чистое железо — серебристо-белый пластичный металл, плавится при 1536 °C, притягивается магнитом и легко намагничивается. В технике применяют его сплавы с углеродом: сталь и чугун.

Химические свойства

Железо — восстановитель. Какой будет степень окисления в продукте, зависит от силы окислителя.

До +2 — со слабыми окислителями: серой, ионами водорода кислот, ионами менее активных металлов.

\mathrm{Fe + S \xrightarrow{t} FeS}

\mathrm{Fe + H_2SO_4} \text{ (разб.) } \mathrm{\rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow}

\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}

До +3 — с сильными окислителями, хлором и бромом:

\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3}

Смешанный оксид $\mathrm{Fe_3O_4}$ (железная окалина) получается при горении железа в кислороде и при реакции раскалённого железа с водяным паром:

\mathrm{3Fe + 2O_2 \xrightarrow{t} Fe_3O_4} \qquad \mathrm{3Fe + 4H_2O \xrightarrow{t} Fe_3O_4 + 4H_2}

Холодные концентрированные серная и азотная кислоты железо пассивируют — покрывают прочной плёнкой, поэтому их перевозят в стальных цистернах.

Соединения железа(II) и железа(III)

Железо(II): оксид $\mathrm{FeO}$ — чёрный, основный; гидроксид $\mathrm{Fe(OH)_2}$ — зеленоватый осадок; пример соли — железный купорос $\mathrm{FeSO_4 \cdot 7H_2O}$ (фунгицид — им обрабатывают сады от грибковых болезней).
Железо(III): оксид $\mathrm{Fe_2O_3}$ — бурый, амфотерный с преобладанием основных свойств; гидроксид $\mathrm{Fe(OH)_3}$ — бурый осадок; пример соли — хлорид $\mathrm{FeCl_3}$ , заметный окислитель.

Оба оксида растворяются в кислотах, давая соли «своей» степени окисления: $\mathrm{FeO + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2O}$ , $\mathrm{Fe_2O_3 + 6HCl \rightarrow 2FeCl_3 + 3H_2O}$ . Гидроксиды получают из солей действием щёлочи.

Соединения железа(II) легко окисляются в соединения железа(III), поэтому зеленоватый осадок на воздухе буреет:

\mathrm{4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3}

Амфотерность

\mathrm{Fe_2O_3}

проявляется только при сплавлении со щелочами:

\mathrm{Fe_2O_3 + 2NaOH \xrightarrow{t} 2NaFeO_2 + H_2O}

. А хлорид железа(III) сам окисляет иодиды, железо и даже медь:

\mathrm{2FeCl_3 + Cu \rightarrow 2FeCl_2 + CuCl_2}

.

Качественные реакции

Таблица из двух столбцов. Для Fe²⁺ — щёлочь даёт зеленоватый осадок, красная кровяная соль — синий осадок. Для Fe³⁺ — щёлочь даёт бурый осадок, жёлтая кровяная соль — синий осадок, роданид калия — кроваво-красный раствор. — Ион Fe²⁺ обнаруживают красной кровяной солью, ион Fe³⁺ — жёлтой кровяной солью или роданидом; щёлочь различает их по цвету осадка.

Ион $\mathrm{Fe^{3+}}$ с роданидом даёт кроваво-красный раствор:

\mathrm{FeCl_3 + 3KNCS \rightarrow Fe(NCS)_3 + 3KCl}

Ион

\mathrm{Fe^{2+}}

с красной кровяной солью и ион

\mathrm{Fe^{3+}}

с жёлтой кровяной солью дают одинаковый синий осадок:

\mathrm{FeCl_2 + K_3[Fe(CN)_6] \rightarrow KFe[Fe(CN)_6]\downarrow + 2KCl}

\mathrm{FeCl_3 + K_4[Fe(CN)_6] \rightarrow KFe[Fe(CN)_6]\downarrow + 3KCl}

Как решать задачи

Определите силу окислителя: HCl, разбавленная $\mathrm{H_2SO_4}$ , S, соли меди → железо(II); $\mathrm{Cl_2}$ , $\mathrm{Br_2}$ → железо(III); $\mathrm{O_2}$ при горении → $\mathrm{Fe_3O_4}$ .
Для ОВР составьте электронный баланс и проверьте атомы.
В ионных уравнениях гидроксиды железа и оксиды — молекулами, растворимые соли — ионами.
В расчётах: $$n = m/M$$ , пропорция по коэффициентам; если железо проходит цепочку реакций, число его атомов не меняется.

Разобранные примеры

База

Железо с хлором и с соляной кислотой

Условие

Запишите уравнения реакций железа с хлором и с соляной кислотой. Чем различаются продукты?

Решение

Хлор — сильный окислитель, он отнимает у железа три электрона:

\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3}

Ионы водорода — слабый окислитель, железо отдаёт им только два электрона:

\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow}

Ответ: С хлором — FeCl₃ (железо +3), с соляной кислотой — FeCl₂ (железо +2) и водород.

Средний

Цепочка превращений

Условие

Осуществите превращения $\mathrm{Fe \rightarrow FeSO_4 \rightarrow Fe(OH)_2 \rightarrow Fe(OH)_3}$ . Для реакции в растворе запишите сокращённое ионное уравнение.

Решение

\mathrm{Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow}

\mathrm{FeSO_4 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow + Na_2SO_4}

Сокращённое ионное: $\mathrm{Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow}$ .

Окисление кислородом воздуха:

\mathrm{4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3}

Ответ: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂; FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄; 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃.

Сложный

Железо в хлоре

Условие

5,6 г железа сожгли в избытке хлора. Какая масса хлорида железа(III) образовалась и какой объём хлора (н. у.) вступил в реакцию?

Дано

$m(\mathrm{Fe}) = 5{,}6$ г

Найти

$m(\mathrm{FeCl_3})$
$V(\mathrm{Cl_2})$ . $\mathrm{2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{t} 2FeCl_3}$ $n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{5{,}6}{56} = 0{,}1$ моль; $n(\mathrm{FeCl_3}) = 0{,}1$ моль; $n(\mathrm{Cl_2}) = \dfrac{3}{2} \cdot 0{,}1 = 0{,}15$ моль

Решение

$M(\mathrm{FeCl_3}) = 56 + 3 \cdot 35{,}5 = 162{,}5$ г/моль, $m = 0{,}1 \cdot 162{,}5 = 16{,}25$ г.

$V(\mathrm{Cl_2}) = 0{,}15 \cdot 22{,}4 = 3{,}36$ л.

Ответ: 16,25 г FeCl₃; 3,36 л хлора.

Типичные ошибки

Пишут FeCl₃ в реакции железа с соляной кислотой

Почему неверно

Ионы водорода — слабый окислитель, отнять у железа третий электрон они не могут.

Как правильно

$\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow}$ . Железо(III) получается только с сильными окислителями — хлором, бромом.

Записывают реакцию железа с холодной концентрированной серной кислотой

Почему неверно

Холодные концентрированные $\mathrm{H_2SO_4}$ и $\mathrm{HNO_3}$ пассивируют железо: на поверхности образуется защитная плёнка, и реакция не идёт.

Как правильно

С разбавленной серной кислотой — $\mathrm{Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow}$ ; с концентрированной — «реакция не идёт (пассивация)», если не сказано о нагревании.

Путают красную и жёлтую кровяные соли

Почему неверно

Синий осадок даёт пара «соль железа(II) + красная кровяная соль» или «соль железа(III) + жёлтая кровяная соль». Если перепутать, вывод о составе раствора будет неверным.

Как правильно

Запомните: в реактиве железо в другой степени окисления. В красной соли $\mathrm{K_3[Fe(CN)_6]}$ железо +3 — она ищет $\mathrm{Fe^{2+}}$ ; в жёлтой $\mathrm{K_4[Fe(CN)_6]}$ железо +2 — она ищет $\mathrm{Fe^{3+}}$ .

Проверь себя

Ответь на вопросы — после каждого ответа появится пояснение.

Проверь себя по всему разделу

Задачи для тренировки

От простых к сложным. Подсказку, решение и ответ открывай, только когда попробовал сам.

База Задача 1

Определите степень окисления железа в веществах $\mathrm{FeO}$ , $\mathrm{Fe_2O_3}$ , $\mathrm{FeCl_3}$ , $\mathrm{K_2FeO_4}$ .

Подсказка

У кислорода −2, у хлора в хлоридах −1, у калия +1; сумма степеней окисления в веществе равна нулю.

Решение

Для $\mathrm{FeO}$ получаем $$x - 2 = 0$$ , $$x = +2$$ .

Для $\mathrm{Fe_2O_3}$ получаем $2x + 3 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +3$$ .

Для $\mathrm{FeCl_3}$ получаем $x + 3 \cdot (-1) = 0$ , $$x = +3$$ .

Для $\mathrm{K_2FeO_4}$ (феррат калия) получаем $2 \cdot (+1) + x + 4 \cdot (-2) = 0$ , $$x = +6$$ .

Ответ

FeO — +2; Fe₂O₃ и FeCl₃ — +3; K₂FeO₄ — +6

База Задача 2

Вычислите массовую долю железа в оксиде железа(III) $\mathrm{Fe_2O_3}$ (в процентах).

Подсказка

В формуле два атома железа.

Решение

$M(\mathrm{Fe_2O_3}) = 2 \cdot 56 + 3 \cdot 16 = 160$ г/моль.

$w(\mathrm{Fe}) = \dfrac{2 \cdot 56}{160} \cdot 100\% = 70\%$ .

Ответ

70 %

Средний Задача 3

Какую массу железа можно получить, восстановив водородом 32 г оксида железа(III)?

Подсказка

$\mathrm{Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O}$

Решение

Дано

$m(\mathrm{Fe_2O_3}) = 32$ г

Найти

$m(\mathrm{Fe})$ . $\mathrm{Fe_2O_3 + 3H_2 \xrightarrow{t} 2Fe + 3H_2O}$ $n(\mathrm{Fe_2O_3}) = \dfrac{32}{160} = 0{,}2$ моль. По уравнению $n(\mathrm{Fe}) = 2 \cdot 0{,}2 = 0{,}4$ моль

$m(\mathrm{Fe}) = 0{,}4 \cdot 56 = 22{,}4$ г.

Ответ

22,4 г

Средний Задача 4

В двух пробирках без надписей — растворы сульфата железа(II) и сульфата железа(III). Как их различить одним реактивом? Запишите сокращённые ионные уравнения.

Подсказка

Гидроксиды железа(II) и железа(III) разного цвета.

Решение

Добавим в обе пробирки раствор щёлочи. Где был $\mathrm{FeSO_4}$ , выпадет зеленоватый осадок, который на воздухе постепенно буреет:

\mathrm{Fe^{2+} + 2OH^- \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow}

Где был

\mathrm{Fe_2(SO_4)_3}

, сразу выпадет бурый осадок:

\mathrm{Fe^{3+} + 3OH^- \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow}

Можно взять и роданид калия: кроваво-красная окраска появится только в растворе соли железа(III).

Ответ

Щёлочью — зеленоватый осадок Fe(OH)₂ у соли Fe²⁺, бурый Fe(OH)₃ у соли Fe³⁺

Сложный Задача 5

Железную пластинку опустили в раствор сульфата меди(II). Когда её вынули и высушили, масса пластинки увеличилась на 1,6 г. Какая масса меди осела на пластинке?

Подсказка

На каждый моль растворившегося железа (56 г) оседает моль меди (64 г).

Решение

Дано

$\Delta m = 1{,}6$ г

Найти

$m(\mathrm{Cu})$ . $\mathrm{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}$ Когда в раствор переходит 1 моль железа и оседает 1 моль меди
масса пластинки растёт на $$64 - 56 = 8$$ г

$n(\mathrm{Cu}) = \dfrac{1{,}6}{8} = 0{,}2$ моль, $m(\mathrm{Cu}) = 0{,}2 \cdot 64 = 12{,}8$ г.

Ответ

12,8 г

Сложный Задача 6

11,2 г железа растворили в соляной кислоте, к раствору добавили избыток щёлочи, а осадок оставили на воздухе, пока его цвет не перестал меняться. Какова масса осадка?

Подсказка

Fe(OH)₂ на воздухе окисляется до Fe(OH)₃; железо из реакции в реакцию переходит без потерь.

Решение

Дано

$m(\mathrm{Fe}) = 11{,}2$ г

Найти

$m(\mathrm{Fe(OH)_3})$ . $\mathrm{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow}$ $\mathrm{FeCl_2 + 2NaOH \rightarrow Fe(OH)_2\downarrow + 2NaCl}$ $\mathrm{4Fe(OH)_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)_3}$ $n(\mathrm{Fe}) = \dfrac{11{,}2}{56} = 0{,}2$ моль. Атомы железа сохраняются
поэтому $n(\mathrm{Fe(OH)_3}) = 0{,}2$ моль

$M(\mathrm{Fe(OH)_3}) = 56 + 3 \cdot 17 = 107$ г/моль, $m = 0{,}2 \cdot 107 = 21{,}4$ г.

Ответ

21,4 г

Для родителя

Как объяснить за 5 минут. Возьмите ржавый и новый гвоздь. Новый — железо, а рыжий налёт — соединения железа +3. Объясните: железо умеет «отдавать» два или три электрона. Слабый «отбиратель» (кислота) забирает два, сильный (хлор, кислород с водой при ржавлении) — три. Поэтому у железа два ряда соединений: зеленоватые (+2) и бурые (+3). Вопросы для проверки понимания: 1) Почему с соляной кислотой получается FeCl₂, а с хлором — FeCl₃? 2) Почему зеленоватый осадок Fe(OH)₂ буреет на воздухе? 3) Каким реактивом найти в растворе ион Fe³⁺? На что обратить внимание. Ребёнок должен уверенно определять степень окисления железа в продукте и не путать реактивы на Fe²⁺ и Fe³⁺. Проверьте коэффициенты в уравнениях ОВР — в задачах учебника их требуют расставлять электронным балансом.

Где в учебниках

Учебник	Параграф	Упражнения
Химия. 9 класс (Габриелян, Остроумов, Сладков)	§ 34	1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9