Fierul ºi compuºii lui

 Importanþa. Savanþii considerã cã în urmã cu trei mii de ani, pe planeta noastrã a început „epoca fierului“, perioadã în care omul a descoperit fierul, i-a apreciat calitãþile ºi a început sã-l foloseascã pentru a meºteri diverse unelte. Însã adevãrata invazie a fierului în domeniul tehnicii a început la sfîrºitul secolului al XVIII-lea: în 1778 este construit primul pod de fier, în 1788 este dat în exploatare primul apeduct turnat din fier, în 1818 este lansatã pe apã prima corabie de fier, în 1825, în Anglia, este construitã prima cale feratã, în 1889 este ridicat, la Paris, renumitul Turn Eiffel, cu înãlþimea de 300 m. În scurt timp, fierul, sub formã de aliaje (fontã ºi oþel), a reuºit sã pãtrundã în toate domeniile de activitate. Fierul este elementul fãrã de care nu poate exista lumea ce ne înconjoarã ºi fãrã de care este imposibilã însãºi viaþa noastrã. Nu e nici o exagerare: în sîngele unui om matur, mai exact în hemoglobinã, se gãsesc cca 3 grame de fier (II). Poziþia în sistemul periodic ºi caracterizarea generalã. Elementul chimic fier Fe este situat în perioada a IV-a, subgrupa secundarã a grupei a VIII-a. Structura atomului de fier este urmãtoarea: Fier 26Fe +26 ) ) ) ) 2e– 8e– 14e – 2e– 2.9. Fierul ºi compuºii lui 2.9.1. Fierul * 12 5 6 3 4 7 8 52 Metalele în viafla noastrã Pentru a afla numãrul electronilor de pe penultimul strat, putem raþiona astfel: fierul are patru straturi electronice, dintre care: a) primul strat este completat cu 2 electroni; b) al doilea – cu 8 electroni; c) ultimul conþine 2 electroni (asemeni majoritãþii elementelor din subgrupele secundare); d) rezultã cã penultimul strat conþine: 26e – – (2e– + 8e– + 2e– ) = 14e – . În reacþiile chimice, fierul este întotdeauna reducãtor. El poate ceda 2 electroni: Fe 0 – 2e– = Fe +2 , avînd astfel gradul de oxidare +2. Fierul poate ceda ºi 3 electroni (unul de pe penultimul strat): Fe 0 – 3e– = Fe +3 , avînd gradul de oxidare +3. Rãspîndirea în naturã. Dupã rãspîndirea în naturã (4,7%), fierul ocupã locul IV printre elemente (dupã O, Si, Al) ºi locul II printre metale. El se gãseºte, în general, sub formã de minereuri de oxizi, sulfuri sau carbonaþi, în care conþinutul de Fe depãºeºte 40%: magnetit – Fe3O4 (72% Fe); hematit – Fe2O3 (65% Fe) ºi altele. Uneori se întîlneºte ºi fier pur de provenienþã meteoriticã. Proprietãþile fizice. Fierul este un metal gri-argintiu, maleabil, plastic. Are o densitate înaltã egalã cu 7,87 g/cm 3 , iar punctul de topire este de 1 539o C. Spre deosebire de alte metale, fierul manifestã proprietãþi magnetice. În condiþii obiºnuite, fierul pur este stabil, datoritã prezenþei peliculei protectoare de oxid Fe3O4 (FeO. Fe2O3). Proprietãþile chimice. Fierul este un metal relativ activ. El interacþioneazã cu nemetalele, apa, acizii, sãrurile. 1. La încãlzire, fierul pur se oxideazã uºor cu oxigen, clor, sulf. De exemplu: 3Fe + 2O2 = t o Fe3O4 + Q 2Fe 0 + 3Cl2 0 = t o 2Fe +3 Cl3 –1 + Q Fe + S = t o FeS + Q –3e – +2e – clorurã sulfurã reducãtor oxidant de fier (III) de fier (II) * Sulfura de fier (III) nu existã. Aºa cum se poate observa, toate aceste reacþii sînt exoterme, dar pentru a începe, ele necesitã încãlzire. Trebuie menþionat cã clorul, care este un oxidant mai puternic decît sulful, oxideazã fierul pînã la starea trivalentã (fig. 2.26). 2. În condiþii obiºnuite, fierul interacþioneazã lent cu apa în prezenþa oxigenului. Este un proces complicat, a cãrui ecuaþie sumarã aratã astfel: 4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 hidroxid de fier (III) a b Fe o bucãþicã de chibrit KMnO4 O2 Fe3O4 Cl2 Fe FeCl3 Fig. 2.26. Interacþiunea fierului cu: a) oxigenul; b) clorul. * M 53 etalele în viafla noastrã La rîndul sãu, hidroxidul de fier (III) se descompune treptat ºi formeazã aºanumita ruginã, cu formula generalã mFe2O3×nH2O. La trecerea vaporilor de apã peste pilitura de fier incandescentã, se formeazã zgurã de fier ºi se eliminã hidrogen: 3Fe + 4H2O = t o Fe3O4 + 4H2 3. Fierul interacþioneazã uºor cu acizii. În urma reacþiei se formeazã o sare de fier (II) ºi se eliminã hidrogen (exceptînd reacþia cu HNO3 ºi H2SO4 conc. ): Fe 0 + 2H +1 Cl = Fe +2 Cl2 + H2 0 În aceste ecuaþii, hidrogenul H2 0 , care este un reducãtor puternic, pe mãsura obflinerii lui nu permite oxidarea mai profundã a fierului (pînã la gradul de oxidare +3); astfel se formeazã doar Fe +2 . 4. Fierul interacþioneazã cu sãrurile conform locului sãu în seria de substituire (pag. 33), de exemplu: Fe 0 + Cu +2 SO4 = Fe +2 SO4 + Cu 0 În compuºii sãi, fierul are gradele de oxidare +2 ºi +3, de aceea formeazã douã serii de compuºi. Obþinerea. Fierul poate fi obþinut din oxidul de fier (III) pe douã cãi: a) prin tratare cu hidrogen la încãlzire: Fe2O3 + 3H2 ¬® 2Fe + 3H2O b) prin metoda aluminotermicã: Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3 Fierul pur este un metal moale, de aceea nu se utilizeazã în industrie. Duritatea fierului o poate da prezenþa carbonului. Fierul cu adaos de carbon (fontã, oþel) se obþine în industrie, reducînd minereul de fier cu cãrbune sau oxid de carbon (II). 2Fe +3 2O3 + 3C 0 = t o 4Fe 0 + 3C +4 O2 Fe +3 2O3 + 3CO +2 = t o 2Fe 0 + 3CO2 +4 ® ® ® ® 2.9.2. Principalii compuºi ai fierului Metodele de obþinere. Oxizii ºi hidroxizii de fier (II, III) se obþin prin aceleaºi metode ca ºi oxizii ºi bazele insolubile ale altor metale. Se observã, mai ales, o asemãnare între compuºii fierului cu cei ai aluminiului. Astfel, oxizii se formeazã la oxidarea fierului sau la descompunerea hidroxizilor corespunzãtori: Fe(OH)2 = t o FeO + H2O 2Fe(OH)3 = t o Fe2O3 + 3H2O La rîndul lor, hidroxizii (II sau III) se obþin la tratarea cu alcalii a sãrurilor de fier (II sau III): FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2¯ + Na2SO4 FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3¯ + 3NaCl Sãrurile fierului (II) se obþin prin tratarea fierului cu soluþii diluate de acizi (exceptînd acidul azotic) sau cu sãruri de metale mai pasive (vezi mai sus). t o t o 54 Metalele în viafla noastrã Sulfatul de fier (II) este extras din soluþii sub formã de cristalohidrat FeSO4 . 7H2O. Sãrurile fierului (III) se obþin, de obicei, la interacþiunea hidroxidului corespunzãtor cu acizii. Din soluþii, sãrurile se extrag sub formã de cristalohidraþi: FeCl3 . 6H2O Fe2(SO4)3 . 18H2O Clorura de fier (III) mai poate fi obþinutã prin tratarea fierului cu clor: 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Proprietãþile chimice ale compuºilor fierului pot fi deduse din seriile genetice corespunzãtoare (paginile 7, 8). Oxizii interacþioneazã cu metalele mai active (Al) ºi cu acizii. Hidroxizii, de asemenea, intrã în reacþie cu acizii, manifestîndu-se ca baze: Fe(OH)2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O Hidroxidul de fier (II) Fe(OH)2, de culoare verde, se oxideazã uºor ºi trece în hidroxid de fier (III), care este brun (fig. 2.27). 4Fe +2 (OH)2 + O2 0 + 2H2O = 4Fe +3 (OH)3 Notã: La scrierea acestei ecuaþii nu e neapãrat nevoie sã reþineþi prezenþa ºi cantitatea apei. Acestea rezultã din urmãtoarele raþionamente: în stînga sînt 8H, iar în dreapta 12H, deci în stînga trebuie sã adãugãm 4H sau 2H2O. Sãrurile fierului (III) se dizolvã bine în apã. * Identificarea sãrurilor de fier. Ionul Fe 3+ poate fi deosebit de Fe 2+ prin reacþia de formare a tiocianatului de fier (III) Fe(CNS)3 roşu-aprins (fig. 2.28): FeCl3 + 3KCNS = 3KCl + Fe(CNS)3 tiocianat de fier (III) Fe 3+ + 3CNS– = Fe(CNS)3 Rolul biologic al fierului. Dupã cum s-a menþionat, fierul are o importanþã vitalã. Sub formã de ioni Fe 2+, el intrã în componenþa hemoglobinei, conferindu-i acesteia culoare roºie. Principala funcþie a fierului în hemoglobinã este transportarea oxigenului în organism. Fierul pãtrunde în organismele vii odatã cu apa ºi hrana, care, la rîndul lor, au ca sursã principalã de fier diferite minerale ºi produse ale coroziunii fierului metalic. Fig. 2.27. Oxidarea hidroxidului de fier (II) în hidroxid de fier (III). Soluþie de FeSO4 Soluþie de NaOH Fe(OH)2 Fe(OH)3 Sediment O2 Fig. 2.28. Identificarea sãrurilor de fier (III). FeCl3 KCNS Fe(CNS)3 • Existã ºi fiinþe care au sînge... albastru. Acestea sînt moluºtele, a cãror hemoglobinã conþine cupru în loc de fier. Orizonturile chimiei M 55 etalele în viafla noastrã L U C R U Î N E C H I P à ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® ® Scrieþi ecuaþiile moleculare ºi ionice pentru urmãtoarele transformãri: FeS FeO FeCl2 Fe(OH)2 FeSO4 Fe2O3 Fe FeCl3 Fe(OH)3 Fe2(SO4)3 Fe3O4 Fe2O3 1. Comparã proprietãþile fierului cu ale aluminiului. 2. Comparã proprietãþile hidroxidului de fier (II) ºi de fier (III) cu ale hidroxidului de aluminiu. *3. Cum poate fi deosebitã experimental sarea fierului (III) de cea a fierului (II)? 4. Completeazã ecuaþiile reacþiilor: a) Fe2O3 + H2 ® ? + ? e) Fe + H2O ® ? + ? i) Fe + ? ® FeSO4 + H2 b) ? + Fe2O3 ® Al 2O3 + ? f) Fe + H2O + ? ® Fe(OH)3 î) Fe + ? ® Fe +2 + H2 c) Fe + ? ® FeS g) Al + Fe3O4 ® ? + ? j) Fe + ? ® Cu + ? d) Fe + Cl 2 ® ? h) Fe + O2 ® ? k) Fe + ? ® Pb + ? 5. Din calaican (sulfat de fier cristalohidrat FeSO4 ·7H2O) obþine: a) clorurã de fier (II); b) nitrat de fier (II). 6. Cu care dintre sãrurile de mai jos (sub formã de soluþii) va interacþiona fierul. a) ZnSO4; b) Pb(NO3)2; c) AlCl3; d) CuSO4; e) Hg(NO3)2; f) MgCl2? Scrie ecuaþiile reacþiilor (în formã molecularã ºi ionicã). Cum se va schimba masa unei plãcuþe de fier în urma acestor reacþii – va creºte sau se va micºora? 7. Pentru vãruirea pereþilor, la varul stins se adaugã ºi soluþie de piatrã-vînãtã (în calitate de colorant ºi dezinfectant). Soluþia de piatrã-vînãtã poate fi preparatã ºi pãstratã în vase de fier? Argumenteazã-þi rãspunsul.