Железо

The element iron in its +2 oxidation state

Тетрагидрат хлорида железа(II ₎ , FeCl2 _· 4H2O .

В химии железо (II) относится к элементу железо в степени окисления +2 . Прилагательное железный или префикс ферро- часто используется для указания таких соединений, как в хлорид железа для хлорида железа(II) ( FeCl2 ). Прилагательное железный используется вместо этого для солей железа(III) , содержащих катион Fe3 ₊ ^. Слово железный происходит от латинского слова ferrum , что означает «железо».

В ионных соединениях (солях) такой атом может встречаться в виде отдельного катиона (положительного иона), сокращенно обозначаемого как Fe2 ⁺ , хотя более точные описания включают другие лиганды, такие как вода и галогениды. Центры железа(III) встречаются в координационных комплексах , таких как в анионном ферроцианиде , [Fe(CN) ₆ ] ⁴⁻ , где шесть цианидных лигандов связаны с _{металлическим} центром; или в металлоорганических соединениях , таких как ферроцен [Fe( _C2H5 ) ₂ ] , где два циклопентадиенильных аниона связаны с центром ^FeII .

Железо(II) в биологии

Все известные формы жизни требуют железа. ^[1] Многие белки в живых существах содержат центры железа(III). Примерами таких металлопротеинов являются гемоглобин , ферредоксин и цитохромы . Во многих из этих белков Fe(II) обратимо преобразуется в Fe(III) ^[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]

В отличие от аквакомплексов железа (III), аквакомплексы железа (II) растворимы в воде с pH, близким к нейтральному. ^{[ требуется ссылка ]} Однако двухвалентное железо окисляется кислородом воздуха, превращаясь в железо (III). ^[4]

Диаграмма Пурбе для водного железа

Соли и комплексы железа(II)

Окислительно-восстановительная реакция [Fe(бипиридин) ₃ ] ²⁺ .

Обычно соли железа(II), такие как « хлорид », представляют собой аквакомплексы с формулами [Fe(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ , как в сульфате аммония железа . ^[5]

Лиганды аква на комплексах железа(II) лабильны. Он реагирует с 1,10-фенантролином, давая синее производное железа(II):

При помещении металлического железа (степень окисления 0) в раствор соляной кислоты образуется хлорид железа (II) с выделением газообразного водорода по реакции

Fe0 + 2H ^{+ →} Fe2 ⁺ + _H2

Железо(II) окисляется перекисью водорода до железа(III) , образуя в этом процессе гидроксильный радикал и гидроксид-ион . Это реакция Фентона . Затем железо(III) восстанавливается обратно до железа(II) другой молекулой перекиси водорода, образуя гидропероксильный радикал и протон . Чистый эффект — диспропорционирование перекиси водорода с образованием двух различных видов кислородных радикалов, с водой (H ⁺  + OH ⁻ ) в качестве побочного продукта. ^[6]

Свободные радикалы, образующиеся в ходе этого процесса, вступают во вторичные реакции, которые могут привести к разрушению многих органических и биохимических соединений.

Минералы железа(II) и другие твердые вещества

Оксид железа (II), FeO, представляет собой очень сложный материал, содержащий железо (II).

Железо(II) содержится во многих минералах и твердых веществах. Примерами служат сульфид и оксид FeS и FeO. Эти формулы обманчиво просты, поскольку эти сульфиды и оксиды часто нестехиометричны . Например, «сульфид железа» может относиться к виду 1:1 (название минерала троилит ) или к множеству производных с дефицитом железа ( пирротин ). Минерал магнетит («жильное железо») представляет собой соединение со смешанной валентностью как с Fe(II), так и с Fe(III), Fe ₃ O ₄ .

Склеивание

Железо(II) является центром ad ⁶ , что означает, что металл имеет шесть «валентных» электронов в 3d орбитальной оболочке. Количество и тип лигандов, связанных с железом(II), определяют, как эти электроны располагаются. С так называемыми «лигандами сильного поля», такими как цианид , шесть электронов объединяются в пары. Таким образом, ферроцианид ( [Fe(CN) ₆ ] ⁴⁻ не имеет неспаренных электронов. Он низкоспиновый. С так называемыми «лигандами слабого поля», такими как вода , четыре из шести электронов неспарены. Таким образом, комплекс аква ( [Fe(H ₂ O) ₆ ] ²⁺ является парамагнитным. Он высокоспиновый. С хлоридом железо(III) образует тетраэдрические комплексы, например, [FeCl ₄ ] ²⁻ . Тетраэдрические комплексы являются высокоспиновыми.

Схема расщепления d-орбитали для низко- и высокоспиновых октаэдрических комплексов Fe(II).

Галерея

Отдельные соединения Fe(II)

• 
  Гексагидрат нитрата железа , Fe(NO ₃ ) ₂ ·6H ₂ O
• 
  _{Дигидрат} оксалата железа , Гумбольдтин , _FeC2O4 · 2H2O_​
• 
  Вивианит , октагидрат фосфата железа , _Fe3 ( _PO4 ) ₂ · _8H2O
• 
  Гептагидрат сульфата железа , Мелантерит , FeSO ₄ ·7H ₂ O
• 
  Сульфид железа , Троилит , FeS
• 
  Силикат железа, ферросилит , FeSiO ₃

Смотрите также

• Железо  – элемент железо в степени окисления +3 — соединения [железа(III)]
• Ферромагнетизм  – Механизм, посредством которого материалы преобразуются в магниты и притягиваются к ним.
• Переработка черных металлов  – перерабатываемые материалы, оставшиеся от произведенной продукции после ее использования.Pages displaying short descriptions of redirect targets
• Оксид железа(II)  – неорганическое соединение с формулой FeO (оксид железа).
• Бромид железа(II)  – химическое соединение Pages displaying wikidata descriptions as a fallback(бромистое железо)
• Сталеплавильное производство  – процесс производства стали из железной руды и лома.

Ссылки

1. «Железо — неотъемлемая часть развития жизни на Земле и возможность жизни на других планетах». Оксфордский университет . 7 декабря 2021 г. Получено 9 мая 2022 г.
2. Берг, Джереми Марк; Липпард, Стивен Дж. (1994). Принципы бионеорганической химии . Саусалито, Калифорния: University Science Books. ISBN 0-935702-73-3.
3. H. Marschner и V. Römheld (1994): «Стратегии растений для получения железа». Plant and Soil , том 165, выпуск 2, страницы 261–274. doi :10.1007/BF00008069
4. Petsch, ST (2014). "10.11 - Глобальный цикл кислорода". В Holland, HD; Turekian, KK (ред.). Трактат по геохимии . Справочный модуль по системам Земли и наукам об окружающей среде. Том 10 (второе изд.). Elsevier. стр. 437–473. doi :10.1016/B978-0-08-095975-7.00811-1. ISBN 978-0-08-095975-7.
5. Эрншоу, А.; Гринвуд, НН (1997). Химия элементов (2-е изд.). Оксфорд: Butterworth-Heinemann. ISBN 0-7506-3365-4.
6. Тан, Чжунминь; Чжао, Пэйран; Ван, Хань; Лю, Яньян; Бу, Вэньбо (2021). «Биомедицина встречает химию Фентона». Chemical Reviews . 121 (4): 1981–2019. doi :10.1021/acs.chemrev.0c00977. PMID  33492935. S2CID  231712587.