Лабораторная работа 22
Железо, кобальт, никель
Цель работы: изучить химические свойства соединений железа, кобальта, никеля.
Задание:получить гидроксиды железа (II), кобальта (II), никеля (II) и изучить их окислительно-восстановительные свойства; убедиться на опытах, что соединения железа (II) проявляют восстановительные, а железа (III) – окислительные свойства; получить комплексные соединения никеля и кобальта. Выполнить требования к результатам опытов, оформить отчет, решить задачу.
Теоретическое введение
Железо, кобальт, никель составляют первую триаду элементов VIII группы побочной подгруппы (семейство железа), расположены в 4 периоде, относятся к d-элементам. Электронное строение 3dn4s2 (n = 6, 7, 8). Степени окисления +2, +3 и +6 (для Fe).
В ряду напряжений Fe, Co, Ni располагаются перед водородом в той же последовательности, в какой они стоят в периодической системе элементов.
В соляной и разбавленной серной кислоте железо, кобальт, никель растворяются при комнатной температуре с выделением водорода и образованием солей М (II).
Под действием концентрированной H2SO4 и дымящей HNO3 при обычной температуре эти металлы пассивируются. Разбавленная азотная кислота растворяет железо с образованием соли Fe (II); продуктами восстановления HNO3 могут быть (в зависимости от концентрации) NH4NO3, N2, N2O: Только концентрированная HNO3 при нагревании растворяет железо с образованием солей
Fe (III).
4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O;
5Fe + 12HNO3 = 5Fe(NO3)2 + N2 + 6H2O;
Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 6H2O.
Кобальт и никель растворяются в HNO3 с образованием солей М (II) и выделением NO2 в случае концентрированной кислоты и NO в случае разбавленного раствора.
Fe, Co, Ni образуют оксиды MО, M2O3 и М3О4 (МО . М2О3).
Оксид железа Fe+6O3, в свободном состоянии не получен, известны соответствующие соли − ферраты Na2FeO4, K2FeO4.
Оксиды МО и соответствующие им гидроксиды М(ОН)2 обладают основными свойствами, практически не растворимы в воде и растворяются только в кислотах. М(ОН)2 получаются при взаимодействии солей М (II) со щелочами. Гидроксид Fe(OH)2 легко окисляется и частично переходит в Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3.
Гидроксид Со(ОН)2 существует в виде двух модификаций − синей и розовой, окисляется в Со(ОН)3 под воздействием кислорода воздуха, но медленнее, чем Fe(OH)2. Под действием окислителей Н2О2, Br2 окисление идет гораздо быстрее. В отличие от Fe(OH)2 и Со(ОН)2 гидроксид Ni(OH)2 устойчив на воздухе и устойчив к действию Н2О2. Окисляется только более энергичными окислителями (Cl2, Br2):
2Ni(OH)2 + Br2 + 2NaOH = 2Ni(OH)3 + 2NaBr.
Оксид Fe2O3 и соответствующий гидроксид проявляют основные свойства, легко растворяются в кислотах, но могут проявлять и слабые амфотерные свойства. При сплавлении со щелочами или содой образуют ферриты:
Fe2O3 + Na2CО3 
2NaFeO2 + CО2.
Оксиды Co2O3 и Ni2O3 и соответствующие им гидроксиды Со(ОН)3 и Ni(OH)3 плохо растворимы в воде, проявляют только основные свойства, являются сильными окислителями. При действии на них кислот образуют соли
М (II) и продкуты окисления, например:
Cо2O3 + 6HCl = 2CoCl2 + Cl2 + 3H2O;
Для железа более устойчивыми являются соединения со степенью окисления +3, для никеля и кобальта +2. Поэтому Fe2+ является довольно сильным восстановителем, тогда как Со2+ и Ni2+ этими свойствами в заметной степени не обладают. В степени окисления +3 железо, кобальт и никель проявляют окислительные свойства; окислительная способность увеличивается в ряду
Fe −Co − Ni .
Соли сильных кислот, как правило, все хорошо растворимы, растворы их вследствие гидролиза имеют кислую среду.
Элементы триады железа легко образуют комплексные соединения, в которых железо может иметь степень окисления +2, +3, кобальт, главным образом, +3, а никель +2. Наиболее характерное координационное число 6, редко 4.
Выполнение работы
Опыт 1. Получение и свойства гидроксида железа (II)
Налить в пробирку 1–2 мл свежеприготовленного раствора FeSO4 и прилить такой же объем щелочи. Наблюдать выделение осадка. Через несколько минут наблюдается побурение осадка. Почему?
Требования к результатам опыта
1. Написать уравнения реакций получения гидроксида железа (II).
2. Составить уравнеие реакии окисления гидроксида железа (II). до Fe(ОН)3 под действием кислорода воздуха и воды.
Опыт 2. Получение и свойства гидроксида кобальта (II)
Налить в две пробирки по 1–2 мл раствора СоСl2, добавить 1–2 мл раствора щелочи. Наблюдать осаждение синей формы Со(ОН)2. Нагреть содержимое одной пробирки. Образуется Со(ОН)2 розового цвета. При стоянии на воздухе Со(ОН)2 окисляется до Со(ОН)3. Быстро ли происходит эта реакция?
В другую пробирку с Со(ОН)2 прилить несколько капель раствора пероксида водорода Н2О2. Что наблюдается?
Требования к результатам опыта
1. Составить уравнения реакций получения гидроксида кобальта (II) и окисление его на воздухе до Со(ОН)3.
2. Написать уравнение реакции окисления Со(ОН)2 пероксидом водорода.
3. Сделать вывод о скорости окисления Со(ОН)2 под действием кислорода воздуха и пероксида водорода.