Свойства переходных металлов (подгруппа железа)

(железо, кобальт, никель)

Химические свойства этих металлов достаточно схожи, поэтому рассмотрим их вместе.

1) Железо. Химический символ Fe. Расположен в VIIIb группе 4-ом периоде ПСЭ. Порядковый номер 26. Электронная конфигурация ₂₆Fe = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Относительная атомная масса 55,85.

Кобальт. Химический символ Co. Расположен в VIIIb группе 4-ом периоде ПСЭ. Порядковый номер 27. Электронная конфигурация ₂₇Co = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s². Относительная атомная масса 58,9.

Никель. Химический символ Ni. Расположен в VIIIb группе 4-ом периоде ПСЭ. Порядковый номер 28. Электронная конфигурация ₂₈Ni = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s². Относительная атомная масса 58,7.

2) Плотности металлов, а также температуры плавления и кипения имеют следующие значения:

Железо обладает магнитными свойствами. При температуре 773 °С (точка Кюри) магнитные свойства исчезают. Магнитными свойствами обладают также сплавы железа и некоторые его соединения – ферриты, например Fe₃O₄ – магнетит, CoFe₂O₄ – феррит кобальта.

3) Основным методом получения Fe, Co, Ni является пирометаллургический. При этом все природные соединения переводят в оксиды, которые восстанавливают при высокой температуре коксом, СО, водородом или водяным газом (смесь СО + Н₂).

Рассмотрим отдельно метод получения железа.

Вначале сульфиды железа обжигают и получают оксид железа (III)

Если в качестве руды используют магнетит ( ) или гематит ( ) , то эти реакции не проводят.

Оксид железа (III) далее смешивают с избытком кокса и нагревают в доменных печах. Протекает реакция

В домне восстановление протекает не сразу, а с образованием ряда промежуточных соединений, в которых понижение степени окисления железа протекает постепенно

Избыток углерода растворяется в железе. При застывании расплава образуется чугун – сплав железа с содержанием углерода более 2 %. Помимо углерода, чугун содержит и другие неметаллы – P, S, N, Si. Эти примеси придают чугуну высокую хрупкость и твердость.

Следующей стадией является переплавка чугуна в сталь. Переплавку осуществляют в конвертерах. Суть метода заключается в том, что через расплав чугуна продувают кислород. При этом содержащиеся неметаллы взаимодействуют с кислородом с образованием соответствующих оксидов.

При выплавке стали в смесь добавляют специальные вещества – флюсы, которые связывают оксиды в соли, например

Эти соли образуют шлак, нерастворимый в металле, который собирают и удаляют. Содержание углерода в стали составляет менее 2 %. Высокоуглеродные стали содержат более 1,4 % С, низкоуглеродные – менее 1,4 % С.

Для получения высокочистых Fe, Co и Ni используют карбонильный цикл, т.к. карбонилы этих металлов легколетучи и имеют низкие температуры разложения. Например, вначале при взаимодействии железа и оксида углерода (II) образуется пентакарбонил железа , который затем при нагревании разлагается .

4) Fe, Co и Ni – металлы средней химической активности. , , . Для железа известны степени окисления +2, +3, +6, +8, из которых наиболее устойчивы +2, +3. Для кобальта и никеля известны по две степени окисления ‑ +2, +3, при чем наиболее устойчивой является степень окисления +2. В ряду Fe‑Co‑Ni уменьшается химическая активность металлов.

Эти металлы легко реагируют с галогенами, серой, кислородом, углеродом. Примеры реакций

Железо с углеродом образует ряд соединений, важнейшим из которых является FeC₃ – цементит, обладающий очень высокой твердостью.

Азот, фосфор, кремний способны растворяться в металлах с образованием твердых растворов.

Металлы семейства железа не взаимодействуют с водой при комнатной температуре. Однако в присутствии растворенного кислорода железо в воде подвергается коррозии.

и далее

Гидроксид железа постепенно теряет воду

.

FeOOH – упрощенный состав ржавчины, который правильнее записывать как Fe₂O₃∙nH₂O.

Все металлы относительно легко реагирует с разбавленными кислотами с образованием солей Э(II).

Со щелочами и их растворами при обычных условиях не взаимодействуют. При действии на Fe, Co, Ni концентрированной серной или азотной кислоты наблюдается пассивация, аналогичная для Al, Cr и ряда других металлов.

5) Железо, кобальт, никель составляют основу черной металлургии. Особо значимо использование железа, которое служит основой для производства различных сплавов, важнейшим из которых являются чугун и сталь. Из-за высокой пластичности железо не применяют в чистом виде. Для получения сплавов с заданными свойствами в железо вводят легирующие добавки – металлы, улучшающие отдельные характеристики сплавов. Так, для получения жаростойких сплавов добавляют W, твердых сталей – C, Cr, N, и т.д. Подробнее свойство сталей вы будете изучать в курсе материаловедения.

Металлы семейства железа проявляют каталитические свойства. Так никель – катализатор гидрирования, т.е. присоединения водорода. Используется для гидрирования растительных жиров в маргарин. Железо – катализатор синтеза аммиака из азота и водорода, кобальт – эффективный катализатор многих реакций, например при получении синтетического бензина из СО и Н₂.

Никель используют для нанесения декоративно-защитных покрытий. Никелевые покрытия обладают высокой твердостью, красивым блеском.

Помимо металлов, широко используют и их соединения.

FeCl₃ – хлорное железо, применяется в электротехнике для протравливания медных плат. При этом протекает реакция

FeCl₃ является катализатором многих органических реакций.

Fe₂(SO₄)₃ применяется для осветления воды на стадиях водоподготовки. При гидролизе Fe₂(SO₄)₃ образуется Fe(OH)₃, который адсорбирует взвешенные частицы, увлекая их в осадок.

Соли кобальта и никеля применяют в производстве цветных стекол. Соединения никеля окрашивают стекло в зеленый, а кобальта ‑ в синий цвет.

Безводный СоСl₂ используется как индикатор в дегидраторах – устройствах для осушки газов.

Смешанные оксиды железа (III) и некоторых металлов (Fe, Co, Ni, Mn) – ферриты – обладают магнитными свойствами. Они используются для изготовления сердечников соленоидов.

6) Железо, кобальт, никель являются микроэлементами, и в малых количествах необходимы для нормального функционирования организмов. Так, железо входит в состав гемоглобина, кобальт – в состав цитохромов и витамина В₁₂ ‑ кобаламина. Однако в высоких концентрациях эти металлы токсичны, наибольшей токсичностью обладает никель. Высокое содержание никеля и кобальта наблюдается в почвах возле предприятий металлургической и электротехнической промышленности.