При нагревании на воздухе выше 200 °С железо взаимодействует с кислородом, образуя оксиды нестехиометрического состава FexO, мелкодисперсное железо сгорает с образованием смешанного оксида железа (II, III):
3Fe + 2O2 = Fe3O4.
Кобальт и никель реагируют с кислородом при более высоких температурах, образуя в основном оксиды двухвалентных элементов, имеющие переменный состав в зависимости от условий получения:
2Co + O2 = 2CoO, 2Ni + O2 = 2NiO.
С галогенами металлы реагируют, образуя галогениды:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3, Co + Br2 = CoBr2, Ni + Cl2 = NiCl2.
Металлы довольно устойчивы к действию фтора, никель не разрушается фтором даже при температуре красного каления.
При взаимодействии с азотом при невысокой температуре железо, кобальт и никель образуют нитриды различного состава, например:
4Fe + N2 = 2Fe2N, 2Co + N2 = 2CoN, 3Ni + N2 = Ni3N2.
Взаимодействие с серой экзотермично и начинается при слабом нагревании, в результате образуются нестехиометрические соединения, которые имеют состав, близкий к ЭS:
Э + S = ЭS.
С водородом металлы триады железа не образуют стехиометрических соединений, но они поглощают водород в значительных количествах.
С углеродом, бором, кремнием, фосфором также при нагревании образуют соединения нестехиометрического состава, например:
3Co + C = Co3C, 2Ni + B = Ni2B, Co + Si = CoSi, 3Fe + P = Fe3P.
Взаимодействие с водой
В воде в присутствии кислорода железо медленно окисляется кислородом воздуха (корродирует):
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3.
При температуре 700–900 °С раскаленное железо реагирует с водяным паром:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2.
Кобальт и никель с водой не взаимодействуют.
Взаимодействие с кислотами
Железо реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот, образуя соли железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2, Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2;
с разбавленной азотной кислотой образует нитрат железа (III) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты, например:
Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.
При обычных условиях концентрированные (до 70 мас. %) серная и азотная кислоты пассивируют железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа (III):
2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O, Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O.
По отношению к кислотам кобальт и никель устойчивее железа, медленно реагируют с неокисляющими кислотами с образованием солей кобальта (II) и никеля (II) и водорода. С разбавленной азотной кислотой образуют нитраты кобальта (II) и никеля (II) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты:
3Э + 8HNO3 = 3Э(NO3)2 + 2NO + 4H2O.
При обычных условиях концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют кобальт и никель, хотя в меньшей степени, чем железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа двухвалентных металлов:
Co + 2H2SO4 = CoSO4 + SO2 + 2H2O, Ni + 4HNO3 = Ni(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O.
Взаимодействие со щелочами
Разбавленные растворы щелочей на металлы триады железа не действуют. Возможно только взаимодействие железа с щелочными расплавами сильных окислителей:
Fe + KClO3 + 2KOH = K2FeO4 + KCl + H2O.
Для кобальта и никеля взаимодействие с расплавами щелочей не характерно.
Восстановительные свойства
Железо, кобальт и никель вытесняют металлы, которые расположены правее в электрохимическом ряду напряжений их растворов солей:
Fe + SnCl2 = FeCl2 + Sn, Ni + CuSO4 = NiSO4 + Cu.
Образование карбонилов
Для металлов триады железа характерно образование карбонилов, в которых железо, кобальт и никель имеют степень окисления, равную 0. Карбонилы железа и никеля получаются при обычном давлении и температуре 20–60 °С:
Fe + 5CO = Fe(CO)5, Ni + 4CO = Ni(CO)4.
Карбонилы никеля образуются при давлении 2·107 – 3·107 Па и температуре 150–200 °С:
2Co + 8CO = Co2(CO)8.
Соединения железа (II)
Соединения железа со степень окисления железа +2 малоустойчивы и легко окисляются до производных железа (III).
Оксид железа (II)– порошок черного цвета, в мелкораздробленном состоянии воспламеняется. Кристаллизуется в структурном типе хлорида натрия (кубическая гранецентрированная решетка).Проявляет преимущественно основные свойства. В воде не растворяется, легко растворяется в неокисляющих кислотах:
FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O.
Проявляет восстановительные свойства:
3FeO + 10HNO3 = 3Fe(NO3)3 + NO + 5H2O Fe2O3 + H2 = 2FeO + H2O
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 в свежеосажденном виде имеет серовато-зеленую окраску, в воде не растворяется, при температуре выше 150 °С разлагается, быстро темнеет вследствие окисления:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3.
Проявляет слабовыраженные амфотерные свойства с преобладанием основных, легко реагирует с неокисляющими кислотами:
Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O.
Взаимодействует с концентрированными растворами щелочей при нагревании с образованием тетрагидроксоферрата (II):
Fe(OH)2 + 2NaOH = Na2[Fe(OH)4].
Проявляет восстановительные свойства, при взаимодействии с азотной или концентрированной серной кислотой образуются соли железа (III):
2Fe(OH)2 + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + SO2 + 6H2O.
Получается при взаимодействии солей железа (II) с раствором щелочи в отсутствии кислорода воздуха:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4.
Соли железа (II). Железо (II) образует соли практически со всеми анионами. Обычно соли кристаллизуются в виде зеленых кристаллогидратов: Fe(NO3)2 · 6H2O, FeSO4 · 7H2O, FeBr2 · 6H2O, (NH4)2Fe(SO4)2 · 6H2O (соль Мора) и др. Растворы солей имеют бледно-зеленую окраску и, вследствие гидролиза, кислую среду:
Fe2+ + H2O = FeOH+ + H+.
Проявляют все свойства солей.
При стоянии на воздухе медленно окисляются растворенным кислородом до солей железа (III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4FeOHCl2.
Оксид железа (III) Fe2O3 – вещество бурого цвета, существует в трех полиморфных модификациях.Проявляет слабовыраженные амфотерные свойства с преобладанием основных. Легко реагирует с кислотами:
Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O.
С растворами щелочей не реагирует, но при сплавлении образует ферриты:
Fe2O3 + 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O.
Проявляет окислительные и восстановительные свойства. При нагревании восстанавливается водородом или оксидом углерода (II), проявляя окислительные свойства:
Fe2O3 + H2 = 2FeO + H2O, Fe2O3 + CO = 2FeO + CO2.
В присутствии сильных окислителей в щелочной среде проявляет восстановительные свойства и окисляется до производных железа (VI):
Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH = 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O.
При температуре выше 1400°С разлагается:
6Fe2O3 = 4Fe3O4 + O2.
Получается при термическом разложении гидроксида железа (III):
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
или окислением пирита:
4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2.
Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 – кристаллическое или аморфное вещество бурого цвета. Как и оксид, проявляет слабовыраженные амфотерные свойства с преобладанием основных. Легко реагирует с кислотами:
Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O.
Реагирует с концентрированными растворами щелочей с образованием гексагидроксоферратов (III):
Fe(OH)3 + 3NaOH = Na3[Fe(OH)6],
при сплавлении со щелочами или щелочными реагентами образует ферриты:
Fe(OH)3 + NaOH = NaFeO2 + 2H2O, 2Fe(OH)3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2 + 3H2O.
В присутствии сильных окислителей в щелочной среде проявляет восстановительные свойства и окисляется до производных железа (VI):
2Fe(OH)3 + 3Br2 + 10KOH = 2K2FeO4 + 6NaBr + 8H2O.
При нагревании разлагается:
Fe(OH)3 = FeO(OH) + H2O,
2FeO(OH) = Fe2O3 + H2O.
Получается при взаимодействии солей железа (III) с растворами щелочей:
Fe2(SO4)3 + 6NaOH = 2Fe(OH)3 + 3Na2SO4.
Соли железа (III). Железо (III) образует соли практически со многими анионами. Обычно соли кристаллизуются в виде бурых кристаллогидратов: Fe(NO3)3 · 6H2O, FeCl3 · 6H2O, NaFe(SO4)2 · 12H2O (железные квасцы) и др. В растворе соли железа (III) значительно более устойчивы, чем соли железа (II). Растворы солей имеют желто-бурую окраску и, вследствие гидролиза, кислую среду:
Fe3+ + H2O = FeOH2+ + H+.
Соли железа (III) гидролизуют в большей степени, чем соли железа (II), по этой причине соли железа (III) и слабых кислот нельзя выделить из раствора, они мгновенно гидролизуют с образованием гидроксида железа (III):
Fe2(SO4)3 + 3Na2CO3 + 3H2O = 2Fe(OH)3 + 3CO2 + 3Na2SO4.
Проявляют все свойства солей.
Обладают преимущественно восстановительными свойствами:
2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl.
Качественная реакция на катион Fe3+ – взаимодействие с гексацианоферратом (II) калия (желтой кровяной солью):
FeCl3 + K4[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]↓ + 3KCl
Fe3+ + K+ + [Fe(CN)6]4- = KFe[Fe(CN)6]↓
в результате реакции образуется осадок синего цвета – гексацианоферрат (III) железа (II) - калия.
Соединения железа (VI)
Соединения железа (VI) – оксоферраты, соли железной кислоты – кристаллические вещества, обычно красного цвета. В свободном состоянии железная кислота и соответствующий ей оксид не выделены. Оксоферраты – очень сильные окислители, окисляют хром (III) до хрома (VI):
2K2FeO4 + Cr2(SO4)3 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O
и аммиак до азота:
2K2FeO4 + 2NH3·H2О = 2Fe(OH)3 + N2 + 4KOH.
Оксоферраты термически нестабильны и при небольшом нагревании разлагаются:
4K2FeO4 = 4KFeO2 + 2K2O + 3O2.
Образуются при взаимодействии соединений железа (III) с сильными окислителями:
Fe2O3 + 3KNO3 + 4KOH = 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O,
2Fe(OH)3 + 3Br2 + 10KOH = 2K2FeO4 + 6NaBr + 8H2O.
Железо Fе и кобальт Со — необходимые микроэлементы живых организмов.
Железо — биогенный элемент, содержится в тканях животных и растений. Общая масса железа в организме взрослого человека примерно 5г, что составляет 0,007%. Металлическое железо мало токсично, а соединения Fе(II), Fе(III) и Fе(VI) в больших количествах опасны для здоровья.
Наиболее важными с физиологической точки зрения являются железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, цитохромы, пероксидазы, каталаза. Гемоглобин — главная составная часть эритроцитов. Обеспечивает внешнее дыхание, являясь переносчиком кислорода от легких к тканям. Миоглобин, цитохромы, каталаза обеспечивают клеточное дыхание. Все эти белки состоят из собственно белковых частей и связанных с ними активных центров. Гемоглобин играет чрезвычайно важную роль в дыхательной функции крови. В состав гемоглобина входит атом двухвалентного железа, который, присоединяя кислород, превращает гемоглобин в оксигемоглобин. Это очень непрочное соединение, легко диссоцииорующее на гемоглобин и кислород. Железо, необходимое для синтеза гемоглобина, доставляется белком ферритином, находящимся в селезенке, печени, костном мозге. При недостатке железа в организме развивается железодефицитная анемия (малокровие). Даже незначительный дефицит железа ведет к утомлению, ухудшению способностей к обучению, ослаблению иммунной системы, снижению температуры тела, поседению волос, повышению ломкости ногтей, потере физической силы и выносливости, а также уменьшению выработки тиреоидного гормона. Рак желудка также связан с истощением запасов железа в организме. У женщин на истощение запасов железа может указывать постоянная неспособность сбрасывать лишний вес, связанная с пониженной активностью щитовидной железы. Кобальт принимает участие в процессе кроветворения, входит в состав витамина В12 (цианокобаламина), многих важных ферментов. Кобальт необходим для усвоения железа. Органические соединения кобальта оказывают благоприятное влияние на иммунную активность. В организме взрослого человека около 1,2 мг (2*10-6%) кобальта. Дефицит кобальта – это всегда дефицит витамина В12, который вызывает злокачественную бессонницу, астму, невралгию и другие "злокачественные" заболевания. Назойливый звон и хронический шум в ушах, вызывающий потерю слуха, очень часто совпадает с дефицитом кобальта. У людей с диагнозом "депрессия" в крови отмечены крайне низкие показатели кобальта. Дефицит кобальта вызывает высокую частоту заболеваний эндокринной системы, особенно в районах с дефицитом кобальта в питании. Подобная закономерность выявлена и в отношении системы кровообращения, рост заболевания которой, как правило, сопровождается дефицитом кобальта. Запущенные случаи дефицита кобальта вызывают разрушение слизистой желудка, малокровие, дистрофию костей и нарушения в печени. Недостаточности кобальта особенно подвержены курильщики, вегетарианцы и пожилые люди, а также все, кто страдает хроническим расстройством стула.
.