В химии железо относится к элементу железу в степени окисления +3 . Хлорид железа — альтернативное название хлорида железа(III) ( FeCl 3 ). Прилагательное «железистый» вместо этого используется для обозначения солей железа(II) , содержащих катион Fe 2+ . Слово «феррик» происходит от латинского слова « ferrum », что означает «железо».
Хотя этот голый ион часто обозначают сокращенно Fe 3+ , он не существует, за исключением экстремальных условий. Центры железа(III) встречаются во многих соединениях и координационных комплексах , где Fe(III) связано с несколькими лигандами. Молекулярный комплекс железа представляет собой анион ферриоксалат [ Fe(C 2 O 4 ) 3 ] 3- с тремя бидентатными ионами оксалата , окружающими ядро Fe. По сравнению с низшими степенями окисления железо менее распространено в железоорганической химии , но хорошо известен катион ферроцения [Fe(C 2 H 5 ) 2 ] + .
Всем известным формам жизни требуется железо, которое обычно существует в степенях окисления Fe(II) или Fe(III). [1] Многие белки живых существ содержат центры железа(III). Примеры таких металлопротеинов включают оксигемоглобин , ферредоксин и цитохромы . Многие организмы, от бактерий до человека, хранят железо в виде микроскопических кристаллов (диаметром от 3 до 8 нм) гидроксида оксида железа(III) внутри оболочки белка ферритина , из которого его можно извлечь при необходимости. [2]
Недостаток железа в рационе человека вызывает анемию . Животные и люди могут получать необходимое железо из продуктов, содержащих его в усвояемой форме, например из мяса. Другие организмы должны получать железо из окружающей среды. Однако железо имеет тенденцию образовывать крайне нерастворимые оксиды/гидроксиды железа(III) в аэробной ( насыщенной кислородом ) среде, особенно в известковых почвах . Бактерии и травы могут процветать в такой среде, выделяя соединения, называемые сидерофорами , которые образуют растворимые комплексы с железом (III), которые могут реабсорбироваться клеткой. (Другие растения вместо этого способствуют росту вокруг своих корней определенных бактерий, которые восстанавливают железо(III) до более растворимого железа(II).) [3]
Нерастворимость соединений железа(III) также является причиной низкого уровня железа в морской воде, которое часто является ограничивающим фактором для роста микроскопических растений ( фитопланктона ), которые являются основой морской пищевой сети. [4]
Обычно соли железа(III), такие как « хлорид », представляют собой аквакомплексы с формулами [Fe(H 2 O) 5 Cl] 2+ , [Fe(H 2 O) 4 Cl 2 ] + и [Fe(H 2 О) 3 Cl 3 ] . Нитрат железа(III) растворяется в воде с образованием ионов [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ . В этих комплексах протоны являются кислыми. В конечном итоге эти растворы гидролизуются с образованием гидроксида железа(III) Fe(OH) 3 , который далее превращается в полимерный оксид-гидроксид посредством процесса, называемого олатированием . Эти гидроксиды выпадают в осадок из раствора в виде твердых веществ. Эта реакция высвобождает ионы водорода H +, понижая pH его растворов. Равновесия сложны: [5 ]
Различные хелатные соединения предотвращают полимеризацию. Эти же лиганды способны растворять даже оксиды и гидроксиды железа(III). Одним из таких лигандов является ЭДТА , которую часто используют для растворения отложений железа или добавляют в удобрения, чтобы сделать железо в почве доступным (растворимым) для растений. Цитрат также растворяет ионы трехвалентного железа при нейтральном pH, хотя его комплексы менее стабильны, чем комплексы ЭДТА. Многие хелатирующие лиганды — сидерофоры — образуются естественным путем для растворения оксидов железа (III).
Аво-лиганды комплексов железа(III) лабильны. Такое поведение визуализируется изменением цвета, вызванным реакцией с тиоцианатом:
В то время как [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ почти бесцветен, [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+ имеет темно-красный цвет.
В то время как водные комплексы железа (III) имеют тенденцию превращаться в полимерные оксигидроксиды, комплексы железа (III) с другими лигандами образуют стабильные растворы. Комплекс с 1,10-фенантролинбипиридином растворим и может поддерживать восстановление до производного железа(II):
3_redox.svg/1280px-Fe(bipy)3_redox.svg.png)
-oxide-sample.jpg/1280px-Iron(III)-oxide-sample.jpg)
Железо(III) содержится во многих минералах и твердых веществах, например, оксид Fe 2 O 3 (гематит) и оксид-гидроксид железа(III) FeO(OH) крайне нерастворимы, что отражает их полимерную структуру . Ржавчина представляет собой смесь железа(III). оксид и оксид-гидроксид, который обычно образуется при контакте металлического железа с влажным воздухом. В отличие от пассивирующих оксидных слоев, образованных другими металлами, такими как хром и алюминий , ржавчина отслаивается, поскольку она более объемная, чем металл, из которого она образовалась. Поэтому незащищенные железные предметы со временем полностью превратятся в ржавчину.
Железо(III) является центром ad 5 , что означает, что металл имеет пять «валентных» электронов в 3d-орбитальной оболочке. Количество и тип лигандов, связанных с железом (III), определяют, как располагаются эти электроны. В так называемых «лигандах сильного поля», таких как цианид , пять электронов объединяются в пары настолько, насколько это возможно. Таким образом, феррицианид ( [Fe(CN) 6 ] 3- имеет только один неспаренный электрон. Он низкоспиновый. У так называемых «лигандов слабого поля», таких как вода , пять электронов неспарены. Таким образом, аквакомплекс ( [Fe( H 2 O) 6 ] 3+ имеет всего пять неспаренных электронов. Высокоспиновый. С хлоридом железо(III) образует тетраэдрические комплексы, например ( [Fe(Cl) 4 ] - . Тетраэдрические комплексы высокоспиновые. Магнетизм комплексов железа может показать, являются ли они высоко- или низкоспиновыми.