Ферум і сполуки Феруму(II) та Феруму(III)

Ферум (Ferrum) — хімічний елемент № 26, що належить до d-елементів. Його атом містить 26 протонів і, залежно від ізотопу, 28–32 нейтрони. Електронна конфігурація нейтрального атома Феруму: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Ферум розташований у 4-му періоді, побічній підгрупі VIII групи (у довгій формі Періодичної системи — група VIIIb). Як типовий d-елемент, він виявляє змінні ступені окиснення.

Будова атома та ступені окиснення

Атом Феруму має на зовнішньому 4s-підрівні 2 електрони, а на передзовнішньому 3d-підрівні — 6 електронів. Коли залізо вступає в хімічні реакції, воно може віддавати різну кількість електронів:

• Утворюючи йон Fe²⁺, атом віддає обидва 4s-електрони: конфігурація йона — 3d⁶.

• Утворюючи йон Fe³⁺, атом віддає два 4s-електрони й один 3d-електрон: конфігурація йона — 3d⁵. Стан 3d⁵ є особливо стійким (напівзаповнений d-підрівень), тому Fe³⁺ — поширеніший і стійкіший стан.

Саме тому Ферум виявляє два характерні ступені окиснення: +2 і +3.

Фізичні властивості заліза

Залізо — сріблясто-сірий пластичний метал. Його температура плавлення становить приблизно 1539 °C, а густина — близько 7,9 г/см³. Одна з найважливіших фізичних властивостей заліза — здатність притягуватися магнітом (феромагнетизм). У ряду активності металів залізо стоїть лівіше від водню (тобто витісняє H₂ з кислот), але правіше від Алюмінію й Цинку.

Поширення в природі

Ферум — другий за поширеністю металічний елемент у земній корі (близько 5 % маси), поступаючись лише Алюмінію. Він входить до складу багатьох мінералів:

Крім того, Ферум є життєво важливим елементом для організмів: він входить до складу гемоглобіну, де забезпечує транспорт кисню в крові.

Порівняння заліза з алюмінієм

Обидва метали пасивуються в холодних концентрованих нітратній і сульфатній кислотах — на поверхні утворюється тонка захисна плівка оксиду, яка блокує подальшу реакцію. Це важливо пам'ятати для НМТ.

Визначальним чинником того, який ступінь окиснення матиме Ферум у продукті реакції, є сила окисника. Слабкі окисники відбирають у заліза тільки два 4s-електрони (до +2), тоді як сильні окисники здатні «забрати» ще й один 3d-електрон (до +3). Розгляньмо це правило детально.

Слабкі окисники → Fe(II)

До слабких окисників, які окиснюють залізо до ступеня +2, належать:

• катіони H⁺ кислот-неокисників (хлоридна, розведена сульфатна);

• катіони менш активних металів (Cu²⁺, Ni²⁺ тощо);

• сірка (S).

Розгляньмо конкретні реакції:

• Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ — виділяється водень, утворюється ферум(II) хлорид.

• Fe + H₂SO₄ (розв.) → FeSO₄ + H₂↑ — розведена сульфатна кислота окиснює залізо тільки до +2.

• Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu — залізо витісняє мідь із солі, утворюючи ферум(II) сульфат.

• Fe + S → FeS — під час нагрівання сірка окиснює залізо до +2.

Сильні окисники → Fe(III)

До сильних окисників, які окиснюють залізо до +3, належать:

• хлор Cl₂;

• нітратна кислота HNO₃ (розведена; концентрована — лише під час нагрівання);

• концентрована сульфатна кислота H₂SO₄ під час нагрівання.

Рівняння:

• 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ — реакція супроводжується утворенням бурого диму FeCl₃.

• Fe + 4HNO₃ (розв.) → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O — нітратна кислота окиснює залізо до +3 навіть у розведеному вигляді.

Важливо! Холодні концентровані HNO₃ і H₂SO₄ не реагують із залізом — вони його пасивують. Тому транспортувати ці кислоти можна в сталевих цистернах.

Реакції, що дають змішані сполуки

Під час горіння заліза в кисні утворюється залізна окалина — Fe₃O₄:

3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

Fe₃O₄ — це подвійний оксид FeO · Fe₂O₃, який містить один атом Феруму(II) і два атоми Феруму(III). З водяною парою під час нагрівання відбувається аналогічна реакція:

3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂

Як швидко перевірити ступінь окиснення Феруму

Запам'ятай: у назві «ферум(II) хлорид» римська двійка вказує на ступінь окиснення +2, а «ферум(III) хлорид» — на +3.

Сполуки Феруму(II) і Феруму(III) — це оксиди, гідроксиди й солі. Кожна група має характерні кольори, способи одержання та хімічні властивості. Найважливіше — навчитися перетворювати сполуки Fe(II) на сполуки Fe(III) і навпаки.

Оксиди Феруму

Оксиди Феруму з водою не реагують, тому безпосередньо одержати гідроксиди з них не можна. Однак вони реагують із кислотами, утворюючи солі:

• FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

• Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O

Гідроксиди Феруму

Ферум(II) гідроксид Fe(OH)₂ і ферум(III) гідроксид Fe(OH)₃ — нерозчинні у воді осади. Їх одержують реакцією обміну між сіллю Феруму й лугом:

• FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl — випадає сіро-зелений осад Fe(OH)₂.

• FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl — випадає бурий осад Fe(OH)₃.

Гідроксиди Феруму реагують із кислотами (основні властивості) та розкладаються під час нагрівання:

• Fe(OH)₃ + 3HCl → FeCl₃ + 3H₂O

• 2Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ + 3H₂O (нагрівання)

Перетворення Fe(II) → Fe(III)

Сполуки Феруму(II) легко окиснюються до сполук Феруму(III). Два найважливіші способи:

1. Окиснення хлором: 2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃. Розчин блідо-зеленого кольору стає жовто-бурим.

2. Окиснення киснем повітря: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Сіро-зелений осад Fe(OH)₂ на повітрі поступово буріє.

Розчини солей Fe(II) (блідо-зелені) під час зберігання на повітрі поступово жовтіють — це теж ознака окиснення до Fe(III).

Перетворення Fe(III) → Fe(II)

Сполуки Феруму(III) можна відновити до сполук Феруму(II) за допомогою металевого заліза:

2FeCl₃ + Fe → 3FeCl₂

Поширені солі Феруму

Програма НМТ передбачає вміння розпізнавати йони Fe²⁺ і Fe³⁺ за допомогою лугу та складати ланцюжки перетворень сполук Феруму. Це два ключові практичні вміння з програми НМТ (теми 1.6 і 2.1.2).

Якісна реакція на Fe²⁺ і Fe³⁺ лугом

Луг (NaOH або KOH) — реактив для розпізнавання йонів Феруму в розчині. Він утворює з ними нерозчинні гідроксиди різного кольору:

Колір розчину солей теж може підказати: розчини Fe(II) — блідо-зелені, а Fe(III) — жовто-бурі. Однак покладатися лише на колір розчину ненадійно (наприклад, розведені розчини можуть бути майже безбарвними). Тому завжди використовуй луг як реактив.

Ланцюжок Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃

Це основний ланцюжок перетворень, який треба вміти відтворювати. Розгляньмо кожну стадію:

Зверни увагу: на стадії 3 змінюється ступінь окиснення Феруму з +2 на +3. Це потребує окисника — кисню повітря. Саме тому Fe(OH)₂, щойно утворений, має сіро-зелений колір, а через деякий час буріє.

Інші поширені ланцюжки

Сполуки Феруму можуть перетворюватися за різними схемами. Наприклад:

• Fe → FeCl₃ → Fe(OH)₃ → Fe₂(SO₄)₃: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ (хлор — сильний окисник); FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl; 2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O.

• Fe → FeCl₂ → FeCl₃: спочатку слабкий окисник (HCl), потім сильніший (Cl₂) окиснює Fe²⁺ до Fe³⁺.

Запам'ятай ключовий принцип: якщо в ланцюжку ступінь окиснення Феруму підвищується — потрібен окисник (Cl₂, O₂, HNO₃). Якщо знижується — потрібен відновник (найчастіше саме металеве залізо Fe).

Розгляньмо типові завдання НМТ на тему сполук Феруму. Кожен приклад супроводжується покроковим розв'язанням.

Приклад 1. Логічні пари: реагенти → продукт

Установіть відповідність між реагентами (1–3) і продуктом, що містить Ферум (А–Д).

Розв'язання. Реакція 1: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. CuSO₄ — слабкий окисник (Cu²⁺), тому Ферум у продукті має ступінь +2, тобто FeSO₄. Ключ: 1 → А.

Реакція 2: 2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃. Хлор — сильний окисник, окиснює Fe²⁺ до Fe³⁺. Ключ: 2 → Б.

Реакція 3: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Осад Fe(OH)₂ окиснюється киснем повітря до Fe(OH)₃. Ключ: 3 → В.

Відповідь: 1–А, 2–Б, 3–В.

Чому інші варіанти неправильні: Г Fe₂(SO₄)₃ не утворюється в жодній із реакцій (у реакції 1 утворюється FeSO₄, а не Fe₂(SO₄)₃, тому що CuSO₄ — слабкий окисник); Д Fe₃O₄ не утворюється — це продукт горіння заліза в кисні, а не даних реакцій.

Приклад 2. Визначення речовин X і Y у ланцюжку

У схемі перетворень Fe → X → Fe(OH)₂ → Y → Fe₂O₃ речовинами X і Y є:

• А FeCl₃ і Fe(OH)₃

• Б FeCl₂ і Fe(OH)₃

• В FeO і Fe(OH)₃

• Г Fe₂O₃ і Fe(OH)₃

Розв'язання. Йдемо за ланцюжком:

1. Fe → X: із заліза треба одержати сполуку, з якої можна отримати Fe(OH)₂. FeCl₂ підходить (Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂). FeCl₃ не підходить — з нього лугом одержують Fe(OH)₃, а не Fe(OH)₂. Отже, X = FeCl₂.

2. Fe(OH)₂ → Y: Fe(OH)₂ потрібно перетворити на сполуку, з якої нагріванням одержують Fe₂O₃. Fe(OH)₂ треба спершу окиснити до Fe(OH)₃ (4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃), і вже Fe(OH)₃ під час нагрівання дає Fe₂O₃. Отже, Y = Fe(OH)₃.

Відповідь: Б (FeCl₂ і Fe(OH)₃).

Чому неправильні інші варіанти: А — із FeCl₃ не одержати Fe(OH)₂; В — з FeO не можна одержати Fe(OH)₂: оксиди Феруму з водою не реагують; Г — Fe₂O₃ — це кінцева сполука, а не проміжна між Fe(OH)₂ і Fe₂O₃.

Приклад 3. Розпізнавання розчинів FeCl₂ і FeCl₃

Як розрізнити розчини FeCl₂ і FeCl₃?

• А додати AgNO₃

• Б додати NaOH

• В додати HCl

• Г нагріти розчини

Розв'язання. Додавання NaOH (лугу) дає різні осади: з FeCl₂ — сіро-зелений Fe(OH)₂, який на повітрі буріє; з FeCl₃ — одразу бурий Fe(OH)₃.

Відповідь: Б.

Чому інші неправильні: А — AgNO₃ з обома солями дає білий осад AgCl (однаковий якісний ефект), тому не розрізняє; В — HCl не змінює колір розчинів; Г — нагрівання може спричинити гідроліз, але це ненадійний спосіб розрізнення.

Приклад 4. У якій реакції утворюється сполука Феруму(III)?

У якій із наведених реакцій утворюється сполука Феруму(III)?

• А Fe + H₂SO₄ (розв.) →

• Б Fe + S →

• В 2FeCl₂ + Cl₂ →

• Г 2FeCl₃ + Fe →

Розв'язання. Варіант В: 2FeCl₂ + Cl₂ → 2FeCl₃ — хлор окиснює Fe²⁺ до Fe³⁺, утворюється сполука Феруму(III). В усіх інших варіантах утворюються сполуки Феруму(II):

А: Fe + H₂SO₄ (розв.) → FeSO₄ + H₂↑ (ступінь +2). Б: Fe + S → FeS (ступінь +2). Г: 2FeCl₃ + Fe → 3FeCl₂ — відновлення Fe³⁺ до Fe²⁺.

Відповідь: В.

Приклад 5. Правильність тверджень

I. Під час горіння заліза в кисні утворюється Fe₂O₃. II. Осад Fe(OH)₂ на повітрі поступово буріє. Які з цих тверджень правильні?

• А правильне лише I

• Б правильне лише II

• В обидва правильні

• Г обидва неправильні

Розв'язання. Твердження I — неправильне. Горіння заліза в кисні: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ (залізна окалина), а не Fe₂O₃. Fe₂O₃ утворюється під час нагрівання Fe(OH)₃.

Твердження II — правильне. Fe(OH)₂ на повітрі окиснюється: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃, тому сіро-зелений осад буріє.

Відповідь: Б (правильне лише II).

Розгляньмо типові помилки в завданнях на тему сполук Феруму і те, як їх уникнути.

• Помилка 1. FeCl₃ як продукт Fe + HCl — учні записують Fe + 2HCl → FeCl₃ + H₂↑, не враховуючи, що HCl — слабкий окисник, який дає лише +2. Правильно: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

• Помилка 2. Fe₂(SO₄)₃ як продукт Fe + CuSO₄ або Fe + H₂SO₄ (розв.) — CuSO₄ і розведена H₂SO₄ — слабкі окисники, вони окиснюють залізо лише до +2. Правильно: FeSO₄.

• Помилка 3. FeCl₂ як продукт Fe + Cl₂ — хлор — сильний окисник, він окиснює залізо до +3. Правильно: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.

• Помилка 4. Fe₂S₃ як продукт Fe + S — сірка — слабкий окисник, вона дає із залізом тільки FeS. Правильно: Fe + S → FeS.

• Помилка 5. Продукт горіння заліза в кисні — Fe₂O₃ — горіння заліза дає залізну окалину Fe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃), а не Fe₂O₃. Правильно: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄.

• Помилка 6. Одержання Fe(OH)₂ з FeCl₃ або Fe(OH)₃ з FeCl₂ без окисника — FeCl₃ + NaOH дає Fe(OH)₃, а FeCl₂ + NaOH дає Fe(OH)₂. Якщо в ланцюжку потрібно з Fe(OH)₂ отримати Fe(OH)₃, обов'язково потрібен окисник (O₂, Cl₂).

• Помилка 7. Розрізнення солей Fe²⁺ і Fe³⁺ лише за кольором розчину — колір розчину може бути ненадійним (розведені розчини майже безбарвні). Завжди використовуй луг (NaOH або KOH) для якісної реакції.

• Помилка 8. Вважати Fe₃O₄ сумішшю заліза з киснем або оксидом лише Феруму(III) — Fe₃O₄ — це індивідуальна сполука FeO·Fe₂O₃, що містить Ферум у двох ступенях окиснення: +2 і +3.

Тема «Ферум і сполуки Феруму(II) та Феруму(III)» входить до програми НМТ з хімії (тема 2.1.2 «Загальні відомості про металічні елементи та метали»). Розуміння того, у якому форматі перевіряють знання, допоможе ефективно підготуватися.

Що перевіряють

• Уміння складати рівняння, що підтверджують відновні властивості заліза — реакції з неметалами (Cl₂, S, O₂), водою, кислотами, солями в розчинах.

• Порівняння властивостей алюмінію й заліза (див. таблицю в розділі 1).

• Характеристика найважливіших сполук Феруму — оксидів, гідроксидів, солей.

• Виявлення йонів Fe²⁺ і Fe³⁺ лугом — тема 1.6 програми «Суміші речовин. Розчини» (якісні реакції на йони).

• Електронні формули атома й простих йонів Феруму — вимога теми 1.3 (елементи № 1–20 і № 26).

Формати завдань

Стратегія виконання

Щоб не помилитися, дотримуйся такого алгоритму:

1. Для кожної реакції заліза визнач окисник.

2. Виріши: слабкий окисник → Fe(II); сильний окисник → Fe(III).

3. У ланцюжку перетворень познач стрілки, де змінюється ступінь окиснення Феруму. Саме на цих стадіях потрібен окисник (для підвищення ступеня) або відновник (для зниження).

4. Для завдань на розпізнавання — одразу згадай, який колір дає луг із Fe²⁺ і Fe³⁺.

• Ферум — № 26, d-елемент, електронна конфігурація 3d⁶4s², ступені окиснення +2 і +3.

• Слабкі окисники (HCl, розведена H₂SO₄, CuSO₄, S) окиснюють залізо до +2.

• Сильні окисники (Cl₂, HNO₃, концентрована H₂SO₄ під час нагрівання) окиснюють залізо до +3.

• Горіння заліза в кисні дає Fe₃O₄ (залізну окалину, FeO·Fe₂O₃), а не Fe₂O₃.

• Fe(OH)₂ — сіро-зелений осад, який на повітрі окиснюється до бурого Fe(OH)₃.

• Fe(II) → Fe(III): окисники Cl₂ або O₂.

• Fe(III) → Fe(II): відновник — металеве залізо Fe.

• Основний ланцюжок: Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃.

• Fe²⁺ і Fe³⁺ розпізнають лугом за кольором осаду: сіро-зелений (буріє) — Fe²⁺; одразу бурий — Fe³⁺.

• Холодні концентровані HNO₃ і H₂SO₄ пасивують залізо (як і алюміній).