Хлорное железо - средняя соль трехвалентного железа и соляной кислоты. На вид это химическое сырье представляет собой мягкую кристаллическую массу ржаво-коричневато-черного цвета. Температура его кипения составляет 319°С, температура плавления - 309°С. Хлорное железо образуется в результате нагревания железа с хлором. Его можно получить также как побочный продукт при производстве хлорида титана TiCl4 и хлорида алюминия AlCl3. Еще один способ получения хлорного железа – горячее хлорирование или окисление раствора FeCl2 с последующим выпариванием раствора FeCl3.
Сфера применения хлорного железа достаточно широка. Его используют как коагулянт для очистки воды, как катализатор в органическом синтезе, как протраву в процессе окрашивания тканей, а также для приготовления железных пигментов и прочих солей железа. Еще раствор хлорного железа используют для травления печатных плат.
Достаточно широкое распространение хлорное железо получило в качестве коагулянта в процессе очистки промышленных и городских сточных вод. По сравнению с другими коагулянтами, в частности с сернокислым алюминием, этот химический продукт имеет важное преимущество – хлорид железа наделен высокой скоростью осаждения разнообразных примесей. В результате гидролиза хлорное железо образует малорастворимый гидроксид железа. В процессе его образования захватываются различные органические и неорганические примеси, образуя при этом рыхлые хлопья, которые легко удаляются из очищаемых стоков. Такие хлопья, плотностью 1001–1100 г/л и размером 0,5–3,0 миллиметров, имеют довольно большую поверхность с отличной сорбционной активностью. В процессе их образования в структуру включаются взвешенные вещества (крупные микроорганизмы, клетки планктона, ил, остатки растений), коллоидные частицы, а также часть ионов загрязнений, ассоциированных на поверхности данных частиц. При помощи данного продукта процесс осаждения шлама протекает намного быстрее и глубже. Еще одно преимущество хлорного железа - его благоприятное влияние на биохимическое разложение шлама. Для качественной очистки сточных вод на один кубический метр требуется 30 г хлорного железа. Очистка вод хлорным железом уменьшает содержание растворимых примесей до 25 процентов, а нерастворимых до 95 процентов. В процессе проведения очистки сточных промышленных и городских вод ядовитые соединения и микроорганизмы разрушаются гипохлоритом натрия.
Благодаря своим ярко выраженным кислотным свойствам хлорид железа используется как катализатор в процессах органического синтеза, при получении термостойких смол и окисления нефтяных битумов. Железо хлорное - энергичный хлорирующий агент, поэтому он применяется для избирательного извлечения некоторых компонентов руд. В частности, это химическое сырье требуется в ароматических углеводородах для реакции электрофильного замещения. Хорошо известно также применение водных растворов хлорного железа. Обладая достаточно мягкими травильными свойствами, они используются в электронной промышленности и приборостроении для травления печатных плат, металлических деталей и медной фольги. Применяется хлорное железо
и в строительстве. Его используют как добавку к портландцементу для ускорения процесса схватывания. Добавка хлорного железа значительно увеличивает прочность бетона. Используется этот продукт и в других сферах жизнедеятельности человека, в частности:
с его помощью осветляются природные воды в системах водоподготовки;
удаляется масло из стоков масложировых комбинатов;
он используется при очистке сточных вод кожевенно-меховых предприятий от соединений хрома;
для смягчения хозяйственно-питьевой воды;
а также в хлорорганическом синтезе
Общие сведения о гидролизе хлорида железа (III)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Хлорид железа (III) – средняя соль, образованная слабым основанием – гидроксидом железа (III) (Fe(OH) 3) и сильной кислотой – соляной (хлороводородной) (HCl). Формула – FeCl 3 .
Представляет собой вещество с кристаллической структурой черно-коричневого, темно-красного, фиолетового или зеленого цвета, в зависимости от угла падающего света. Молярная масса – 162 г/моль.
Рис. 1. Хлорид железа (II). Внешний вид.
Гидролиз хлорида железа (III)
Гидролизуется по катиону. Характер среды – кислый. Теоретически возможны вторая и третья ступени. Уравнение гидролиза выглядит следующим образом:
Первая ступень:
FeCl 3 ↔ Fe 3+ +3Cl — (диссоциация соли);
Fe 3+ + HOH ↔ FeOH 2+ + H + (гидролиз по катиону);
Fe 3+ +3Cl — + HOH ↔ FeOH 2+ +3Cl — + H + (ионное уравнение);
FeCl 3 + H 2 O ↔ Fe(OH)Cl 2 + HCl (молекулярное уравнение).
Вторая ступень:
Fe(OH)Cl 2 ↔ FeOH 2+ + 2Cl — (диссоциация соли);
FeOH 2+ + HOH ↔ Fe(OH) 2 + + H + (гидролиз по катиону);
FeOH 2+ + 2Cl — + HOH ↔ Fe(OH) 2 + + 2Cl — + H + (ионное уравнение);
Fe(OH)Cl 2 + H 2 O ↔ Fe(OH) 2 Cl+ HCl (молекулярное уравнение).
Третья ступень:
Fe(OH) 2 Cl ↔ Fe(OH) 2 + + Cl — (диссоциация соли);
Fe(OH) 2 + + HOH ↔ Fe(OH) 3 ↓ + H + (гидролиз по катиону);
Fe(OH) 2 + + Cl — + HOH ↔ Fe(OH) 3 ↓ + Cl — + H + (ионное уравнение);
Fe(OH) 2 Cl + H 2 O ↔ Fe(OH) 3 ↓ + HCl (молекулярное уравнение).
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | К раствору гидроксида натрия массой 150 г (ω=10%) прилили раствор хлорида железа (III), в результате чего выпал осадок бурого цвета – гидроксид железа (III). Определите его массу. |
| Решение | Запишем уравнение реакции взаимодействия гидроксида натрия и хлорида железа (III):
3NaOH + FeCl 3 = Fe(OH) 3 ↓ + 3NaCl. Рассчитаем массу растворенного вещества гидроксида натрия в растворе: ω = m solute / m solution ×100%; m solute = m solution ×ω/100%; m solute (NaOH) = m solution (NaOH) × ω(NaOH)/100%; m solute (NaOH) = 150× 10/100% = 15г. Найдем количество вещества гидроксида натрия (молярная масса – 40 г/моль): υ(NaOH) = m solute (NaOH)/ M(NaOH) = 15/40 = 0,375моль. Согласно уравнению реакции υ(Fe(OH) 3) = 3×υ(NaOH) =3×0,375=1,125моль. Тогда рассчитаем массу осадка гидроксида железа (III) (молярная масса – 107 г/моль): m(Fe(OH) 3)= υ(Fe(OH) 3)×M(Fe(OH) 3)= 1,125 ×107 = 120,375г. |
| Ответ | Масса гидроксида железа (III) равна 120,375 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | Рассчитайте массовые доли каждого из элементов, входящих в состав хлорида железа (III). |
| Решение | Массовая доля элемента рассчитывается следующим образом:
ω(X) = n×Ar(X)/Mr×100%, т.е. отношение относительной атомной массы с учетом количества атомов, входящих в состав вещества, к молекулярной массе этого вещества, выраженное в процентах. Молекулярная масса хлорида железа (III) равна 162. Рассчитаем массовые доли элементов: железо : ω(Fe) = n×Ar(Fe)/Mr (FeCl 3) ×100%; ω(Fe) = 1×56/162 ×100% =34,27%. хлор : ω(Cl) = n×Ar(Cl)/Mr (FeCl 3) ×100%; ω(Cl) = 3×35,5/162 ×100% = 65,73%. Чтобы проверить правильность расчета, путем складывания полученных массовых долей мы должны получить 100%: ω(Fe) +ω(Cl) = 34,27 +65,73 = 100%. |
| Ответ | Массовая доля железа равна 34,27%, массовая доля хлора равна 65,73. |
Хлорид железа (III) в виде раствора можно приготовить в лаборатории или в домашних условиях. Потребуется термостойкая неметаллическая посуда и чистая горячая или дистиллированная). После растворения и отстаивания получается темно-коричневая жидкость. Есть ряд особенностей приготовления раствора хлорного железа, о которых следует узнать до того, как начинать работу с ним.
Хлорное железо
Безводное хлорное железо, выпускаемое химической промышленностью — FeCl 3 , — кристаллы темно-коричневого цвета с оттенками красного, фиолетового, темно-зеленого. Молярная масса — 162,21 г/моль. Плавится вещество при температуре 307,5 °C, при 500 °C начинает разлагаться. В 100 г воды растворяется навеска безводной соли:
- 74,4 г (0 °C);
- 99 г (25 °C);
- 315 г (50 °C);
- 536 г (100 °C).
Безводный (III) — очень гигроскопичное вещество, быстро притягивает влагу из окружающей среды. На воздухе взаимодействует с водой, превращаясь в желтые кристаллы гексагидрата FeCl 3 + 6Н 2 О. Массовая доля безводного хлорного железа в веществе, приобретенном в торговой сети, достигает 95%. Присутствует небольшое количество хлористого железа FeCl 2 и нерастворимых примесей. Торговое название — «Хлорное железо». Вещество пожаро- и взрывобезопасное, но его раствор оказывает коррозийное влияние на металлические предметы.
Гексагидрат хлорида железа (III)
Кроме безводного промышленность выпускает кристаллогидрат, в нем массовая доля хлорного железа (III) составляет 60%. Вещество представляет собой желто-бурую кристаллическую массу или рыхлые куски того же оттенка. Важная отличительная черта ионов двух- и трехвалентного железа — цвет. Для степени окисления Fe 2+ характерен зеленоватый оттенок, шестиводный кристаллогидрат хлористого железа — голубовато-зеленое вещество. В степени окисления Fe 3+ ионы приобретают цвет от желтого до коричневого. Для качественного определения на раствор хлорного железа действуют реактивами:
- NaOH (появляется бурый осадок Fe(OH) 3);
- K 4 (появляется осадок KFe синего цвета);
- KCNS, NaCNS (образуется роданид железа Fe(CNS) 3 красного цвета).
Как развести хлорное железо
Хлорид железа (III) в виде раствора коричневого или красного цвета можно найти в торговой сети, приготовить в лаборатории или в домашних условиях. В последнем случае обязательно потребуется термостойкая неметаллическая посуда (стеклянная, пластиковая, керамическая). Воду для растворения соли можно взять из-под крана. Безопаснее — кипяченая или дистиллированная. Нагретую до 50-70 °C воду помещают в емкость, а затем малыми порциями насыпают вещество. Пропорции хлорного железа и воды — 1:3. Если готовить раствор из кристаллогидрата, то воды потребуется меньше, ведь она содержится в кристаллогидрате (40% от массы). Добавляют вещество в раствор понемногу, каждая порция — около 5-10 г. Сразу насыпать всю навеску не рекомендуется из-за бурного характера реакции гидратации. Нельзя использовать металлическую посуду (ложки, шпатели). Соль должна полностью раствориться в теплой воде, для чего кристаллы нужно хорошо перемешать с жидкостью. Ускоряет процесс добавление соляной кислоты (1/10 от массы кристаллов). После отстаивания в течение нескольких часов на дне может появиться осадок из-за присутствия в навеске и образования в ходе реакции гидроксида железа. Следует профильтровать готовый раствор темно-коричневого цвета и хранить в плотно закрытой пластиковой таре при умеренной температуре и отсутствии прямого солнечного освещения.
Применение хлорного железа в промышленности и коммунальном хозяйстве. Бытовое использование
Соли железа находят применения во многих сферах. Хлорид трехвалентного металла используется для обработки воды, металлов и закрепления красок. Вещество применяется в промышленном органическом синтезе (катализатор, окислитель). Особенно ценятся коагулирующие свойства иона Fe 3+ в очистке коммунальных и производственных стоков. Под действием хлорида железа мелкие нерастворимые частички примесей слипаются и осаждаются. Также происходит связывание части растворимых загрязнений, которые удаляют на очистных сооружениях. Кристаллогидрат и безводная соль FeCl 3 применяются в процессах травления металлических печатных форм. Добавляют вещество в бетон для укрепления его прочности.
Химические явления при травлении плат. Меры безопасности
Популярное химическое вещество для травления печатных плат — хлорное железо. Раствор для этих целей готовят из 0,150 кг соли и 0,200 л теплой воды. В нем содержатся ионы Fe 3+ , Cl - , а при гидролизе образуется соединение коричневого цвета — гидроксид трехвалентного железа. Процесс идет по схеме: FeCl 3 + 3HOH↔ Fe(OH) 3 + 3Cl - + 3H + . Недостаток метода заключается в загрязнении платы побочными продуктами реакции, которые затрудняют дальнейшее травление. Сама соль — нелетучее вещество, но в процессе взаимодействия с водой выделяет едкие пары. Работу необходимо проводить на свежем воздухе или в хорошо проветриваемой комнате. Попадание раствора на кожу и слизистые оболочки приводит к раздражению и может вызвать дерматиты. Следует использовать средства индивидуальной защиты (очки, перчатки). При соприкосновении с едким раствором необходимо промыть кожу большим количеством воды.
РАЗДЕЛ II. НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
8.
Металлические элементы и их соединения. Металлы
8.5. Ферум
8.5.2. Соединения Железа ( III )
Ферум(ІІІ) оксид Fe 2 О 3 - самая устойчивая естественная спорка Железа, порошок бурого цвета, имеет атомные кристаллические решетки, в воде не растворяется. Ферум(ІІІ) оксид проявляет слабые амфотерные свойства (с преобладанием основных) - легко реагирует с кислотами:
Проявляет слабые кислотные свойства сплава при со щелочами и карбонатами щелочных металлических элементов:
Натрий феррит, образовавшийся в водном растворе полностью разлагается водой (гидролизует):
Восстановители восстанавливают железо(III) оксид к железу:
Добыча феррум(ІІІ) оксида Ферум(ІІІ) оксид получают термическим разложением ферум(ІІІ) гидроксида или феррум(III) нитрата:
Его также получают во время обжига пирита FeS 2 :
Феррум(III) гидроксид Fe (OH ) 3 1 - нерастворимое в воде вещество бурого цвета со слабыми амфотерными свойствами (с преобладанием основных):
Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании. При этом образуется устойчивый гідроксокомплекс K 3 [ Fe (OH ) 6 ]:
Добыча феррум(ІІІ) гидроксида
Феррум(III) гидроксид получают из растворимых в воде солей Железа(III) при их взаимодействии с щелочами:
Соли Железа(III), образованные сильными кислотами, хорошо растворяются в воде, могут образовывать кристаллогидраты: Fe (N О 3 ) 3 · 9Н 2 O, Fe 2 (S O 4 ) 3 · 9Н 2 О, FeCl 3 · 6Н 2 О. Соли Fe 3+ гидролизуют по катиона:
Соединения Железа(III) проявляют окислительные свойства, а потому при взаимодействии с восстановителями Fe 3+ превращается в Fe 2+ :
Качественные реакции на ион Fe 3+ :
1. Реактив - калий гексаціаноферат(II) (желтая кровяная соль). Образуется темно-синий осадок - берлинская лазурь:
2. Реактив - калий (или аммоний) тиоцианат. Образуется феррум(III) тиоцианат кроваво-красного цвета:
Использование железа и соединений Железа
Черная металлургия (производство железа и его сплавов) составляет 90 % мировой металлургии. Черная металлургия является основой развития многих отраслей производства: машиностроение уходит треть черного металла, на строительство (как конструкционный материал, для изготовления железобетона) - четверть; значительную часть используют также в транспорте.
Сплавы на основе железа (ферромагнитные) применяют в электротехнике в производстве трансформаторов и электродвигателей.
Ферум(ІІ) оксид FeO является одним из компонентов керамики, пигмент для красок и термостойкой эмали.
Ферум(ІІІ) оксид Fe 2 О 3 используют как минеральную краску охру.
Магнетит Fe 3 О 4 применяют в производстве жестких дисков, а ультрадисперсний порошок - как тонер в черно-белых лазерных принтерах.
Железный купорос (железо(II) сульфат гептагидрат) FeS В 4 · 7Н 2 О используют для борьбы с вредителями растений, при производстве минеральных красок, в строительстве.
Феррум(III) хлорид применяют для очистки воды, как протраву при крашении тканей, в радиотехнике для протравливания печатных плат, в органическом синтезе - как катализатор.
Водные растворы FeCl 2 , FeCl 3 , FeS В 4 используют как коагулянты, чтобы очистить воду для промышленных предприятий.
Феррум(III) нитрат нонагідрат Fe (N О 3 ) 3 · 9Н 2 В применяют как протраву в процессе окрашивания тканей.
1 Как и в случае с Fe 3 О 4 , вещества с формулой Fe (OH ) 3 не существует. При попытке ее получения образуется Fe 2 O 3 · n Н 2 O или FeO (OH ) - феррум(III) метагідроксид.
Хлорид железа (FeCl₃ , хлорное железо, трихлорид железа) – это соль трехвалентного железа и . Представляет собой мягкое вещество красно-коричневого, зеленоватого или фиолетового оттенка с характерным металлическим блеском. При с воздухом хлорид железа приобретает оттенок и по цвету и консистенции становится похожим на влажный .
Целый ряд свойств, которыми обладает хлорид железа благодаря своему химическому составу, делает это вещество незаменимым в промышленности. Так, хлорное железо используется в радиоэлектронике для потравы плат; в пищевой промышленности участвует в процессе пивоварения и выпечки хлебобулочных изделий; входит в состав реактивов, которые используются при печати фотографий; в текстильной промышленности участвует в производстве тканей; при помощи хлорного железа очищают воду в промышленных масштабах; хлорид железа является важным элементом в металлургической и химической промышленности.
Кроме этого, хлорное железо необходимо человеку для нормальной жизнедеятельности организма. Оно помогает организму восполнить нехватку железа, связанную с потерей крови или при нарушении усвояемости железа. Поскольку нехватка хлорного железа может негативно отразиться на работе организма, в фармакологии существует множество препаратов, в состав которых входит FeCl₃.
Способы получения
Существует несколько способов получения трихлорида железа. Так, хлорид железа в результате взаимодействия одновалентного железа с чистым хлором: 2Fe + 3Cl2 = FeCl₃.
Кроме того, хлорид железа можно получить путем окисления двухвалентного хлорида железа хлором: 2FeCl2 + Cl2 = 2FeCl₃.
Также хлорид железа получается в процессе окисления хлорида железа (II) сернистым газом. В этом случае происходит более сложная химическая реакция: 4FeCl2 + SO2 + 4HCl = 4FeCl3 + S + 2H2O.
В домашних условиях можно провести несколько интересных экспериментов, в ходе которых удастся получить хлорид железа.
Эксперимент 1.
Потребуется сильно проржавевшая железная стружка (подойдет обычная ржавчина со старой трубы) и раствор соляной кислоты в пропорциях 1:3. Железо необходимо положить в стеклянную емкость и залить соляной кислотой. Поскольку химическая реакция в данном случае протекает достаточно медленно, придется подождать несколько дней. Когда реактив приобретет характерных желто-коричневый оттенок, жидкость из емкости сливается, а полученный осадок фильтруется.Эксперимент 2.
В стеклянной емкости в пропорциях 2:2:6 смешать 30-процентный раствор перекиси водорода, соляную кислоту и воду. В результате химической реакции образуется раствор хлорида железа.Эксперимент 3.
Хлорид железа также можно получить в результате реакции соляной кислоты и оксида железа Fe2O3. Для этого соляная кислота помещается в стеклянную емкость. Осторожно, маленькими порциями в нее добавляется оксид железа (железный сурик).Важно помнить, что соляная кислота очень токсична и при попадании на кожу вызывает серьезные ожоги. Кроме того, в ходе химических реакций выделяются пары железа, которые могут вызвать поражения дыхательных и зрительных органов. Резиновые перчатки, защитная маска и очки помогут предотвратить эти негативные последствия.
