Некоторые свойства железа, кобальта и никеля

Металлы VIIIБ-подгруппы: Fe, Co, Ni

Элементы Fe, Co, Ni располагаются в VIIIБ-подгруппеобразуя триаду Fe.

Валентные электроны:
Fe– 3d⁶4s²; Co – 3d⁷4s²; Ni – 3d⁸4s².

Степени окисления

Более распространенные степени окисления Fe, Co, Ni: +2 и +3.

Соединения Fe(+2) проявляют восстановительные свойства, а соединения Co(+3) и Ni(+3) являются очень сильными окислителями, настолько сильными, что катионы (аквакатионы) Co³⁺ и Ni³⁺ в водных растворах не существуют, поскольку способны окислять кислород из воды, тогда, как катионы Fe³⁺ устойчивы.

Элементы в природе

Элементы Fe, Co, Ni в земной коре находятся в окисленном состоянии.

По распространенности среди металлов Fe находится на втором месте после Al. Содержание Fe составляет 4,7%, Ni – 0,02%, а Co – 4^.10 ^–3%.

В природежелезонаходится в степенях окисления +3 и +2.

Основные минералы Fe: магнетит Fe₃O₄ (FeO×Fe₂O₃), гематит Fe₂O₃, лимонит Fe₂O₃×nH₂O, гетит FeOOH , сидерит FeCO₃, пирит FeS₂, пирротин FeS.

Для получения Fe используют, главным образом, магнетит, гематит и гетит. Железо получают, восстанавливая его оксиды Fe₂O₃ и Fe₃O₄ коксом.

Пирит используют для получения серной кислоты

Кобальт и никель образуют сульфидные и арсенидные минералы сложного состава (приводимые формулы лишь приблизительно отражают стехиометрию): кобальтин CoAsS, никелин NiS(As), петландит (Fe, Ni)S.

Минералы никеля и кобальта входят в состав полиметаллических сульфидных руд. На долю медно-никелевых руд, содержащих петландит, приходится около 90% всей выплавки никеля. Залежи полиметаллических руд с высоким содержанием кобальта находятся на Среднем Урале (Пышма). Из сульфидных полиметаллических руд выделяют и платиновые металлы.

Для получения никеля и кобальта сульфидные руды обжигают, затем полученные при обжиге оксиды также восстанавливают коксом.

2NiS + 3O₂ = 2NiO + 2SO₂

NiO + C = Ni +CO₂

Простые вещества

Простые вещества элементов VIIIБ-подгруппы– серебристо-серые тяжелые металлы, с температурами плавления, близкими к 1500^оС.

Таблица

Некоторые свойства железа, кобальта и никеля

Как видно из значений Е^о химическая активность металлов при переходе от Fe к Ni заметно уменьшается, но все металлы могут быть окислены H⁺ в кислых растворах. Железо быстро растворяется в разбавленных кислотах, Co и Ni растворяются только при нагревании.

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

Лучше всего кобальт и никель растворяются в разбавленной азотной кислоте.

3Ni + 8HNO₃ (разб.) = 3Ni(NO₃)₂ + 2NO + 4H₂O

Железо, в отличие от Co и Ni, окисляющихся до Ме²⁺, при взаимодействии с разбавленной азотной кислотой окисляется до катиона Fe³⁺ .

Fe + 4HNO₃ (разб.) = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

В концентрированных азотной и серной кислотах при обычных температурах металлы пассивируются, что позволяет перевозить концентрированную серную кислоту в стальных цистернах.

Железо легко окисляется во влажном воздухе,образующийся на его поверхности гидратированный оксид Fe₂O₃ ^. nH₂O – ржавчина, не защищает Fe от дальнейшего окисления. Из-за коррозии теряется около 10% выплавляемого металла.

4Fe +3O₂ + nH₂O = 2Fe₂O₃ ^. nH₂O

Очень чистое Fe, содержащее менее 0,01% примесей, устойчиво к коррозии.

Кобальт и никель пассивируются на воздухе и не окисляются вплоть до 300 – 400^оС. Из-за устойчивости к окислению Ni и Co наносятся в виде покрытий на металлические изделия, придавая не только коррозионную стойкость, но и красивый внешний вид.

При нагревании в измельченном состоянии (в виде порошка) все металлы реагируют с кислородом: Ni образует оксид NiО, а при горении Fe образуются оксиды Fe₂O₃ и Fe₃O₄, аналогичные оксиды образуются и при сгорании Co.

С расплавленной серой они образуют нестехиометрические сульфиды, состав которых примерно отражают формулы: CoS, NiS, FeS, FeS₂.

Металлы при нагревании реагируют с галогенами, Fe образует тригалогениды (кроме иодида), Ni и Co – дигалогениды, кроме CoF₃. Никель устойчив к действию F₂ вплоть до 600^оС из-за образующегося на его поверхности нелетучего плотного фторида. Из никеля делают аппаратуру для работы с фтором.

При высоких температурах металлы реагируют с азотом и фосфором с образованием нестехиометрических нитридов и фосфидов, например, ~Ni₃N₂, ~Fe₃P. При температуре больше 500^оС металлы реагируют с графитом с образованием карбидов. Карбид Fe₃C называют цементитом

Соединения Fe, Co, Ni

Оксиды и гидроксиды. Кислотно-основные свойства

Монооксиды. В степени окисления +2 все металлы образуют нестехиометрические оксиды состава Ме_хО. Монооксиды это твердые тугоплавкие вещества, некоторые их характеристики приведены в таблице.

Таблица