_large_crystals.jpg/1280px-Potassium_trioxalatoferrate(III)_large_crystals.jpg)
В химии железо (III) или трехвалентное железо относится к элементу железо в степени окисления +3 . Хлорид железа является альтернативным названием для хлорида железа (III) ( FeCl 3 ). Прилагательное «феррос» используется вместо этого для солей железа (II) , содержащих катион Fe 2+ . Слово «ферри» происходит от латинского слова ferrum , что означает «железо».
Хотя его часто сокращают до Fe 3+ , этот голый ион не существует, за исключением экстремальных условий. Центры железа(III) встречаются во многих соединениях и координационных комплексах , где Fe(III) связан с несколькими лигандами. Молекулярный комплекс железа представляет собой анион ферриоксалата , [Fe(C 2 O 4 ) 3 ] 3− , с тремя бидентатными оксалатными ионами, окружающими ядро Fe. Относительно более низких степеней окисления, железо менее распространено в железоорганической химии , но катион ферроцения [Fe(C 2 H 5 ) 2 ] + хорошо известен.
Все известные формы жизни требуют железа, которое обычно существует в состояниях окисления Fe(II) или Fe(III). [1] Многие белки в живых существах содержат центры железа(III). Примерами таких металлопротеинов являются оксигемоглобин , ферредоксин и цитохромы . Многие организмы, от бактерий до людей, хранят железо в виде микроскопических кристаллов (диаметром от 3 до 8 нм) оксида гидроксида железа(III) внутри оболочки белка ферритина , из которой его можно извлечь по мере необходимости. [2]
Недостаток железа в рационе человека вызывает анемию . Животные и люди могут получать необходимое железо из продуктов, содержащих его в усвояемой форме, таких как мясо. Другие организмы должны получать железо из окружающей среды. Однако железо имеет тенденцию образовывать крайне нерастворимые оксиды/гидроксиды железа(III) в аэробной ( кислородсодержащей ) 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 быть повторно поглощены клеткой. (Другие растения вместо этого стимулируют рост 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, что 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 O) 3 Cl 3 ] . Нитрат железа(III) растворяется в воде, давая ионы [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ . В этих комплексах протоны являются кислыми. В конечном итоге эти растворы гидролизуются, образуя гидроксид железа(III) Fe(OH) 3 , который далее превращается в полимерный оксид-гидроксид через процесс, называемый оляцией . Эти гидроксиды выпадают из раствора в виде твердых веществ. Эта реакция высвобождает ионы водорода H + , понижая pH его растворов. Равновесия сложны: [5]
Различные хелатирующие соединения предотвращают полимеризацию. Эти же лиганды могут даже растворять оксиды и гидроксиды железа(III). Одним из таких лигандов является ЭДТА , который часто используется для растворения отложений железа или добавляется в удобрения, чтобы сделать железо в почве доступным (растворимым) для растений. Цитрат также растворяет ион железа при нейтральном pH, хотя его комплексы менее стабильны, чем комплексы ЭДТА. Многие хелатирующие лиганды — сидерофоры — производятся естественным образом для растворения оксидов железа(III).
Лиганды аква на комплексах железа(III) лабильны. Это 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 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 своего 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 Fe2O3 ( гематит ) и оксид-гидроксид железа(III) FeO(OH) крайне нерастворимы, что отражает их полимерную структуру. Ржавчина представляет собой смесь оксида железа(III) и оксида-гидроксида, которая обычно образуется, когда металлическое железо подвергается воздействию влажного воздуха . В отличие от пассивирующих оксидных слоев, которые образуются другими металлами, такими как хром и алюминий , ржавчина отслаивается, потому что она объемнее, чем металл, который ее образовал. 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 эти электроны располагаются. С так называемыми "лигандами сильного поля", такими как цианид , пять электронов объединяются в пары так хорошо, как только могут. Таким образом, феррицианид ( [Fe(CN) 6 ] 3− имеет только один неспаренный электрон. Он низкоспиновый. С так называемыми «слабополевыми лигандами», такими как вода , пять электронов неспарены. Таким образом, аквакомплекс ( [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ имеет только пять неспаренных электронов. Он высокоспиновый. С хлоридом железо(III) образует тетраэдрические комплексы, например ( [Fe(Cl) 4 ] − . Тетраэдрические комплексы являются высокоспиновыми. Магнетизм комплексов железа может проявляться, когда они высокоспиновые или низкоспиновые.