stringtranslate.com

Железо(III)

Оксид железа , обычно, хотя и не совсем точно, называется ржавчиной .

В химии железо (III) относится к элементу железу в степени окисления +3 . В ионных соединениях (солях) такой атом может встречаться в виде отдельного катиона (положительного иона), обозначаемого Fe 3+ .

Прилагательное «железо» или префикс «ферри-» часто используются для обозначения таких соединений, например, в хлориде железа для обозначения 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».

Металлические центры железа (III) также встречаются в координационных комплексах , например , в анионном ферриоксалате [Fe(C 2 O 4 ) 3 ] 3- , где три бидентатных иона оксалата окружают металлический центр; или в металлоорганических соединениях , таких как катион ферроцения [Fe(C 2 H 5 ) 2 ] + , где два циклопентадиенильных аниона связаны с центром Fe III .

Железо почти всегда встречается в степенях окисления 0 (как у металла), +2 или +3. Железо(III) обычно является наиболее стабильной формой на воздухе, о чем свидетельствует распространение ржавчины , нерастворимого материала, содержащего железо(III).

Железо(III) и жизнь

Почти все известные формы жизни, особенно сложные, требуют железа. [1] Многие белки живых существ содержат связанные ионы железа(III); это важный подкласс металлопротеинов . Примеры включают оксигемоглобин , ферредоксин и цитохромы .

Почти все живые 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]

Образование нерастворимых соединений железа(III) также является причиной низкого уровня железа в морской воде, которое часто является ограничивающим фактором для роста микроскопических растений ( фитопланктона ), составляющих основу морской пищевой сети. [4]

Диаграмма Пурбе водного раствора железа

Нерастворимость соединений железа(III) можно использовать для устранения эвтрофикации (чрезмерного роста водорослей ) в озерах, загрязненных избытком растворимых фосфатов из стоков с ферм. Железо(III) соединяется с фосфатами с образованием нерастворимого фосфата железа(III) , тем самым снижая биодоступность фосфора — еще одного важного элемента , который также может быть лимитирующим питательным веществом. [ нужна цитата ]

Химия железа(III)

Некоторые соли железа(III), такие как хлорид FeCl 3 , сульфат Fe 2 (SO 4 ) 3 и нитрат Fe(NO 3 ) 3 растворимы в воде. Однако другие соединения, такие как оксид Fe 2 O 3 (гематит) и оксид-гидроксид железа(III) FeO(OH) , крайне нерастворимы, по крайней мере при нейтральном pH , из-за своей полимерной структуры. Следовательно, эти растворимые соли железа(III) имеют тенденцию гидролизоваться при растворении в чистой воде, образуя гидроксид железа(III) Fe(OH) 3 , который немедленно превращается в полимерный оксид-гидроксид посредством процесса, называемого олатированием , и выпадает в осадок из раствора. Эта реакция высвобождает ионы водорода H + в раствор, снижая pH до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие . [5]

Fe 3+ + 2 H 2 O ⇌ FeO(OH) + 3 H +

В результате концентрированные растворы солей железа(III) весьма кислые. Легкое восстановление железа(III) до железа(II) позволяет солям железа(III) действовать также как окислители . Растворы хлорида железа(III) применяют для травления омедненных пластиковых листов при производстве печатных плат . [ нужна цитата ]

Такое поведение солей железа(III) контрастирует с солями катионов, гидроксиды которых более растворимы, например хлоридом натрия NaCl (поваренная соль), которые растворяются в воде без заметного гидролиза и без понижения pH. [5]

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, образованных другими металлами, такими как хром и алюминий , ржавчина отслаивается, поскольку она крупнее металла, из которого она образовалась. Поэтому незащищенные железные предметы со временем полностью превратятся в ржавчину.

Комплексы

Железо(III) является центром ad 5 , что означает, что металл имеет пять «валентных» электронов в 3d-орбитальной оболочке. Эти частично заполненные или незаполненные d-орбитали могут принимать большое количество лигандов с образованием координационных комплексов . Число и тип лигандов описываются теорией поля лигандов . Обычно ионы трехвалентного железа окружены шестью лигандами, расположенными в октаэдре ; но иногда наблюдаются три, а иногда и целых семь лигандов.

Различные хелатирующие соединения вызывают растворение оксида-гидроксида железа (например, ржавчины) даже при нейтральном pH, образуя растворимые комплексы с ионом железа (III), которые более стабильны, чем он. Эти лиганды включают ЭДТА , которую часто используют для растворения отложений железа или добавляют в удобрения, чтобы сделать железо в почве доступным для растений. Цитрат также растворяет ионы трехвалентного железа при нейтральном pH, хотя его комплексы менее стабильны, чем комплексы ЭДТА.

Магнетизм

Магнетизм соединений железа в основном определяется пятью d-электронами и лигандами, которые соединяются с этими орбиталями.

Анализ

При качественном неорганическом анализе присутствие иона трехвалентного железа можно обнаружить по образованию его роданидного комплекса. Добавление роданидных солей к раствору дает интенсивно красный комплекс 1:1. [6] [7] Реакция представляет собой классический школьный эксперимент, демонстрирующий принцип Ле Шателье :

[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + SCN − ⇌ [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+ + H 2 O

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Железо является неотъемлемой частью развития жизни на Земле – и возможности жизни на других планетах». Оксфордский университет . 7 декабря 2021 г. Проверено 9 мая 2022 г.
  2. ^ Берг, Джереми Марк; Липпард, Стивен Дж. (1994). Основы бионеорганической химии . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 0-935702-73-3.
  3. ^ Х. Маршнер и В. Рёмхельд (1994): «Стратегии заводов по приобретению железа». Растение и почва , том 165, выпуск 2, страницы 261–274. дои : 10.1007/BF00008069
  4. ^ Бойд П.В., Уотсон А.Дж., Лоу К.С. и др. (октябрь 2000 г.). «Мезомасштабное цветение фитопланктона в полярном Южном океане, стимулируемое внесением удобрений железом». Природа . 407 (6805): 695–702. Бибкод : 2000Natur.407..695B. дои : 10.1038/35037500. PMID  11048709. S2CID  4368261.
  5. ^ аб Эрншоу, А.; Гринвуд, Нью-Йорк (1997). Химия элементов (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-3365-4.
  6. ^ Левин, Сеймур А.; Вагнер, Розелин Зайдер (1953). «Природа роданида железа (III) в растворе». Журнал химического образования . 30 (9): 445. Бибкод :1953JChEd..30..445L. дои : 10.1021/ed030p445.
  7. ^ Бент, ОН; Французский, CL (1941). «Строение тиоцианата железа и его диссоциация в водном растворе». Журнал Американского химического общества . 63 (2): 568–572. дои : 10.1021/ja01847a059.