Элементы подгруппы железа

Лекция № 28. Элементы VIIIB-подгруппы

Побочная подгруппа VIII-группы периодической системы химических элементов включает 9 элементов, объединенных вместе по геометрическим соображениям, о чем можно судить по их общим электронным формулам (без учета провала электрона):

В то же время близость их электронных конфигураций к завершению d-подуровня обуславливает сходство свойств элементов данной подгруппы и их соединений. Кроме этого, внутри подгруппы наряду с вертикальной аналогией более или менее отчетливо проявляется аналогия у элементов одного периода, которые образуют семейство железа (Fe, Co, Ni), легкие платиновые металлы (Ru, Rh, Pd) и тяжелые платиновые металлы (Os, Ir, Pt). При этом сходство внутри данных семейств иногда просматривается более четко, нежели подобие в пределах группы электронных аналогов.

Железо один из наиболее распространенных металлов земной коры (2 мол.%). Основные минералы: Fe₃O₄ - магнетит, Fe₂O₃ - гематит, Fe₂O₃×nH₂O - лимонит, FeCO₃ - сидерит, FeS₂ - пирит. Рутений и осмий самостоятельных минералов практически не образуют, обычно сопутствуют платине и палладию в полиметаллических рудах.

В промышленности железо и его сплавы (чугун) получают восстановлением оксидов железа оксидом углерода(II) при высоких температурах:

+ CO + CO + CO

Fe₂O₃ ¾® Fe₃O₄ ¾® FeO ¾® Fe

Очень чистое железо получают разложением его пентакарбонила:

t

Fe(CO)₅ ¾® Fe + 5CO

Железо и рутений - серебристо-белые металлы, осмий - металл голубовато-белого цвета.

Основная область применения железа - это использование его в виде сплавов, преимущественно, чугуна и сталей. Чугун - сплав на основе железа с содержанием углерода в виде графита и цементита (Fe₃C) выше 2%. Кроме этого, чугун может содержать примеси серы, фосфора, мышьяка, кремния и марганца. Специальные марки чугуна содержат значительное количество другого элемента: ферросилиций (12-14% кремния), ферромарганец (60-90% марганца), зеркальный чугун (12% кремния, 20% марганца). Стали - сплавы железа с содержанием углерода 0,1 - 2%. По химическому составу выделяют углеродистые и легированные стали (легирующие добавки других металлов придают стали новые технологические свойства). По назначению различают инструментальные, конструкционные и специальные стали. Рутений и осмий применяются в основном в виде сплавов с платиной для изготовления термопар и электрических контактов.

Химические свойства. Железо - металл средней химической активности. В компактном состоянии в атмосфере сухого воздуха устойчиво, во влажном воздухе корродирует. Примеси сильно ускоряют данный процесс. При нагревании до температуры белого каления железо энергично окисляется кислородом:

t

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

При высоких температурах окисляется галогенами и серой:

t + S + S

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃ ; Fe ¾® FeS ¾® FeS₂

С фосфором, углеродом и кремнием железо образует соединения переменного состава (Fe₃P, Fe₂P, FeP, Fe₃Si₂, FeSi, FeSi₂, Fe₃C).

При повышенных температурах железо окисляется парами воды и аммиака:

800 °С t

3Fe + 4H₂O ¾® Fe₃O₄ + 4H₂­; 4Fe + 2NH₃ ¾® 2Fe₂N + 3H₂­

В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит левее водорода:

Fe²⁺ + 2e^- ¾® Fe; E⁰ = -0,44 B

Легко растворяется в водных растворах кислот с образованием солей железа(II). Концентрированная азотная и серная кислоты на холоду железо пассивируют, при нагревании реагируют с образованием солей железа(III).

Рутений и осмий химически инертны, в обычных условиях на них не действуют даже активные неметаллы. В мелкоизмельченном состоянии осмий окисляется кислородом с образованием летучего OsO₄, рутений медленно окисляется при высокой температуре, образуя RuO₂ и RuO₄.

В компактном состоянии рутений и в меньшей степени осмий устойчивы по отношению к кислотам и их смесям, но разрушаются при сплавлении со щелочами в присутствии окислителей:

t

Ru + 3KClO + 2NaOH = Na₂RuO₄ + 3KCl + H₂O