Железо, медь, цинк и их важнейшие соединения
Железо, медь и цинк чаще других переходных металлов встречаются в школьной программе. Их изучают как простые вещества, оксиды, гидроксиды и соли, а также как объекты качественного анализа. У каждого металла свой набор устойчивых степеней окисления и характерных реакций, поэтому удобно разобрать их рядом и сразу увидеть различия.
Ниже собраны важнейшие свойства простых веществ и соединений Fe, Cu и Zn, типичные реакции для распознавания ионов и практические ориентиры для задач. Общие особенности переходных металлов и подробная химия комплексов разобраны в соседних статьях раздела.
Железо: Fe(II) и Fe(III). Медь: Cu(I) и Cu(II), в растворах чаще Cu2+. Цинк: почти всегда Zn(II), гидроксид амфотерен. В качественном анализе смотрите цвет осадка, поведение с избытком щелочи или аммиака и характерные реагенты вроде KSCN или K4[Fe(CN)6].
Общий взгляд на три металла
Все три элемента относятся к d-блоку 4-го периода. Железо серебристо-серое, ковкое, легко окисляется на воздухе во влажной среде с образованием ржавчины. Медь красноватая, хорошо проводит ток и тепло, на воздухе покрывается тёмным налётом оксидов и карбонатных соединений. Цинк синевато-белый, сравнительно хрупкий в холодном состоянии и более ковкий при нагревании.
В ряду активности металлов цинк и железо стоят левее водорода, медь правее. Поэтому Zn и Fe вытесняют водород из разбавленных кислот, а медь с разбавленной HCl или H2SO4 обычно не реагирует. С концентрированной серной и азотной кислотами медь реагирует иначе: выделяется не водород, а продукты восстановления кислоты.
По применению картина разная. Железо основа чугуна и стали. Медь нужна проводам, сплавам (латунь, бронза) и соединениям для гальваники. Цинк защищает сталь от коррозии оцинкованием и входит в латунь вместе с медью.
Железо и его соединения
Для железа в школьном курсе главные степени окисления +2 и +3. Простое вещество реагирует с кислотами, образуя соли Fe(II), если восстановительная среда сохраняется. На воздухе и в присутствии окислителей Fe2+ легко переходит в Fe3+. Поэтому свежеприготовленные растворы солей железа(II) часто зеленеют и буреют при стоянии.
Важнейшие оксиды: FeO, Fe2O3, Fe3O4. Оксид железа(III) красно-бурый, встречается как железная окалина и пигмент. Магнетит Fe3O4 можно рассматривать как смешанный оксид FeO·Fe2O3. Гидроксид Fe(OH)2 бледно-зелёный, на воздухе быстро буреет, переходя в Fe(OH)3. Гидроксид железа(III) красно-бурый и практически нерастворим в воде.
Из солей особенно часто встречаются FeSO4, FeCl2, FeCl3, Fe2(SO4)3. Хлорид железа(III) в растворе даёт жёлто-коричневую окраску. Для распознавания Fe3+ используют роданид: появляется кроваво-красное окрашивание. Для Fe2+ характерен синий осадок с гексацианоферратом(III) калия, а для Fe3+ синий осадок с гексацианоферратом(II) калия. Эти реакции классика качественного анализа.
В биологии железо входит в гемоглобин и участвует в переносе кислорода. В технике оксиды и соли железа используют как пигменты, коагулянты для очистки воды и исходные вещества в металлургии.
Медь и её соединения
Медь образует соединения Cu(I) и Cu(II). В водных растворах устойчивее ион Cu2+, который окрашивает раствор в голубой цвет за счёт аквакомплекса. Соединения Cu(I) часто малорастворимы или неустойчивы в воде без стабилизации, например Cu2O красный, CuCl белый.
Важнейшие соединения меди(II): CuO чёрный, Cu(OH)2 голубой, CuSO4·5H2O ярко-синий медный купорос, безводный CuSO4 белый. Гидроксид меди(II) получают действием щелочи на растворимую соль меди. При нагревании он разлагается до чёрного CuO. С избытком аммиака голубой осадок Cu(OH)2 растворяется с образованием ярко-синего аммиачного комплекса [Cu(NH3)4]2+.
Медь не вытесняет водород из разбавленных HCl и H2SO4, но реагирует с кислотами-окислителями. С разбавленной азотной кислотой образуется нитрат меди(II) и оксид азота, с концентрированной серной при нагревании выделяется SO2. Эти реакции часто спрашивают именно как отличие меди от более активных металлов.
На практике медный купорос используют как фунгицид и реактив, оксид меди применяют в органическом анализе и как пигмент, металлическую медь в электротехнике и сплавах. Латунь это сплав меди с цинком, бронза традиционно медь с оловом.
Цинк и его соединения
Цинк в обычных соединениях почти всегда находится в степени окисления +2. Простое вещество реагирует с кислотами с выделением водорода и образует соли Zn2+. С щелочами цинк тоже реагирует: получается тетрагидроксоцинкат и водород. Это важный признак амфотерности цинка как элемента.
Оксид ZnO белый, при нагревании желтеет, при охлаждении снова белеет. Гидроксид Zn(OH)2 белый, амфотерен: растворяется и в кислотах, и в щелочах. В кислоте образуется соль цинка, в избытке щелочи комплексный гидроксоцинкат, например [Zn(OH)4]2−. С аммиаком осадок гидроксида цинка также может растворяться за счёт аммиачного комплекса.
Из солей часто встречаются ZnSO4, ZnCl2, Zn(NO3)2. Растворы солей цинка обычно бесцветны. Поэтому в качественном анализе цинк узнают не по цвету раствора, а по белому осадку гидроксида и его амфотерному поведению, а также по характерным реакциям с сульфидом или другими реагентами в полном курсе аналитической химии.
Цинк защищает железо от коррозии: даже при повреждении покрытия цинк работает как протекторный анод. Оксид цинка используют в медицине и как белый пигмент, хлорид цинка применяют как антисептик и в обработке древесины, металлический цинк нужен для сплавов и лабораторного получения водорода.
Качественные реакции
Для Fe3+: с KSCN или NH4SCN раствор становится кроваво-красным. С K4[Fe(CN)6] образуется синий осадок берлинской лазури. С щелочью выпадает красно-бурый Fe(OH)3, нерастворимый в избытке NaOH.
Для Fe2+: с щелочью бледно-зелёный Fe(OH)2, быстро буреющий на воздухе. С K3[Fe(CN)6] образуется синий осадок турнбулевой сини. Роданидная реакция для Fe2+ не даёт яркого красного окрашивания, пока ион не окислится.
Для Cu2+: с щелочью голубой Cu(OH)2, при нагревании чернеет из-за образования CuO. С избытком аммиака ярко-синий раствор аммиаката меди. С сульфид-ионом чёрный CuS. Голубая окраска самого раствора уже сильный намёк на медь(II).
Для Zn2+: с щелочью белый Zn(OH)2, растворимый в избытке щёлочи и часто в аммиаке. В отличие от Fe(OH)3, осадок цинка не остаётся в избытке NaOH. Это главный школьный приём отличия амфотерного гидроксида цинка от гидроксидов железа.
Сравнение Fe, Cu и Zn
По активности: Zn > Fe > Cu. Цинк и железо реагируют с разбавленными кислотами с выделением H2, медь нет. По амфотерности оксидов и гидроксидов лидирует цинк. Гидроксиды железа(III) и меди(II) в школьном курсе считают практически нерастворимыми в избытке щёлочи, хотя медь образует яркий аммиачный комплекс.
По окраске соединений: железо даёт зелёные и бурые тона, медь голубые и чёрные (для CuO), цинк в типичных солях бесцветен. По степеням окисления железо и медь переменновалентны, цинк почти всегда +2. Поэтому задачи на ОВР с Fe2+/Fe3+ и Cu+/Cu2+ встречаются чаще, чем с цинком.
В сплавах и защите металлов эти элементы связаны напрямую. Латунь объединяет медь и цинк. Оцинкованное железо использует цинк как защитный слой. Медь применяют там, где нужна высокая проводимость и коррозионная стойкость в определённых средах, железо там, где важны прочность и цена.
Типичные ошибки
Первая ошибка: пишут, что медь вытесняет водород из разбавленной серной кислоты. В ряду напряжений медь стоит правее водорода, поэтому такой реакции нет. Нужна кислота-окислитель или другой механизм.
Вторая ошибка: путают Fe(OH)2 и Fe(OH)3 по цвету и устойчивости. Свежий гидроксид железа(II) зеленоватый и на воздухе быстро превращается в бурый Fe(OH)3. В ответе важно указать, какой осадок наблюдают сразу и что происходит дальше.
Третья ошибка: считают гидроксид цинка нерастворимым в щелочи, как Fe(OH)3. Zn(OH)2 амфотерен и растворяется в избытке NaOH. Это один из самых частых промахов на распознавании катионов.
Четвёртая ошибка: забывают про аммиачный комплекс меди. Если в задаче осадок Cu(OH)2 «исчезает» при добавлении NH3, речь не о простой соли, а о [Cu(NH3)4]2+.
Пятая ошибка: смешивают степени окисления в названиях. FeCl2 это хлорид железа(II), FeCl3 хлорид железа(III). От степени зависят и окраска, и качественные реакции, и коэффициенты в ОВР.
Железо работает в паре Fe(II)/Fe(III), медь чаще как Cu(II) с голубыми растворами и аммиачным комплексом, цинк устойчив как Zn(II) и даёт амфотерный гидроксид. Для распознавания смотрите цвет осадка, поведение с избытком щёлочи или аммиака и специфические реагенты на железо. Активность уменьшается в ряду Zn, Fe, Cu.