Элементы триады железа

42

План

Введение

1) Распространение и нахождение элементов в природе

2) Физические свойства элементов

2.1) Железо

2.2) Кобальт

2.3) Никель

3) Химические свойства элементов триады железа

4) Биологическая роль

5) Область применения и интересные факты

6) Контрольные задания

Использованная литература



Введение

Вопросы о том, из каких элементов состоит наш мир, конечно или бесконечно их число задавали еще в глубокой древности. Так, древнегреческий философ Фалес Милетский полагал, что первоисточником всей материи является вода (вода произвела все живые вещи, из воды выходит все). Анаксимен первоначалом всех веществ считал воздух. От уплотнения воздуха происходят облака, из них идет вода, а из воды все остальное. От разряжения воздуха возникает огонь. Философ Гераклит, основатель античной диалектики, первопричину всех вещей видел в огне (... Мир, единый... был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...). Философ Ксенофан первоматерией считал землю - из нее все возникает, в нее все возвращается.

Учение Эмпидокла о четырех первоэлементах (вода, земля, огонь и воздух) в значительной мере было переработано Аристотелем. Аристотель считал за первоэлементы основные качества (принципы) материи: тепло, холод, сухость, влажность. Все элементы - сочетания основных принципов. Учение Аристотеля породило новое направление в химии - алхимию (превращение одних элементов в другие за счет их смешения и придачи недостающих качеств). Основное занятие алхимиков, поиск философского камня, превращающего неблагородные металлы в золото, продолжалось на протяжении 12 веков.

В 1668 г. выдающийся ученый Роберт Бойль опубликовал книгу развенчивающую миф об алхимии, в которой была высказана идея поиска неразложимых химических элементов. Бойль насчитал их 15. Но вопрос о том, сколько из них существует всего оставался открытым. Спустя столетие Антуан Лоран Лазуазье составил первый список химических элементов. Из 35 названных там веществ, только 23 являлись элементами. Химики со всего мира находили новые вещества, претендовавшие быть элементами.

Величайшим вкладом, изменившим весь ход науки, была идея гениального русского ученого Дмитрия Ивановича Менделеева, поставившего перед собой цель разобраться во всем многообразии химических элементов и свести их в единую систему.

Каким образом поставленная Менделеевым задача была решена? Д.И. Менделеев писал: "Посвятив свои силы изучению вещества, я вижу в нем два таких признака или свойства: массу, занимающую пространство и проявляющуюся в протяжении, а яснее или реальнее всего в весе, и индивидуальность, выраженную в химических превращениях, а яснее всего формулированную в представлении о химических элементах...". Отсюда, продолжал Д.И. Менделеев, "... невольно зарождается мысль о том, что между массою и химическими элементами необходимо должна быть связь, а так как масса вещества, хотя и не абсолютная, а лишь относительная, выражается окончательно в виде атомов, то надо искать... соответствия между индивидуальными свойствами элементов и их атомными весами". Так, в бесконечном многообразии свойств, присущих различным веществам, Менделеев усмотрел то общее свойство, которое оказавшись присущим всех химическим элементам, привело его к открытию величайшего закона природы, ставшего руководящим законом не только для химиков и физиков, но и любых специалистов, занимающихся изучением вещества. Таким образом, присущим всем веществам свойством, оказался вес составляющих их атомов --- атомный вес.

Сопоставляя между собой известные в то время химические элементы, Менделеев после колоссальной работы открыл, наконец, ту замечательную зависимость, ту общую закономерную связь между отдельными элементами, в которой они предстают как единое целое, где свойства каждого элемента является не чем-то оторванным, самостоятельным, само собой существующим, а периодически и правильно повторяющимся явлением.



Рис. 1 Так выглядел первый вариант таблицы элементов, составленный Менделеевым в 1869 году.

В марте 1869 г. Менделеев сообщил Русскому химическому обществу об открытом им законе в статье "Соотношение свойств с атомным весом элементов" и тогда же сформулировал основные положения открытого законе. Из них особенно замечательны следующие: "Величина атомного веса определяет характер элемента, как величина частицы определяет свойства сложного тела. Должно ожидать открытия еще многих неизвестных простых тел... Некоторые аналогии элементов открываются по величине веса их атома".

Пользуясь законом, Менделеев предсказал и подробно описал свойства некоторых еще не известных элементов. Дальнейшие открытия химических элементов подтвердили правильность предсказаний Менделеева и поставили имя Менделеева на первое место в истории не только химии, но и всего естествознания. Всего Менделеевым было предсказано существование одиннадцати химических элементов, в том числе и таких, как полоний, радий, протактиний.



Рис. 2 Современный вариант таблицы Д.И. Менделеева

За истекшее время таблица, наглядно демонстрирующая периодический закон, неоднократно дополнялась и расширялась. До последнего времени в научной и учебной литературе приводилась так называемая короткая форма таблицы. Современный, расширенный вариант таблицы Менделеева составлен авторами статьи на основании последних решений ИЮПАК - Междунаpодного союза теоpетической и пpикладной химии (International Union of Pure and Applied Chemistry - IUPAC). Эта оpганизация, созданная в 1919 году, кооpдиниpует исследования, тpебующие междунаpодного согласования, контpоля и стандаpтизации, pекомендует и утверждает химическую теpминологию, включая названия элементов. Россия, будучи полноправным членом союза, выполняет его решения и рекомендации. Новая форма таблицы была одобрена XVII Менделеевским съездом в сентябре 2003 года. В таблицу внесены самые последние характеристики всех известных на сегодняшний день элементов. Речь сейчас пойдет о d-элементах VIII группы, а точнее об элементах триады железа.



Краткая характеристика триады железа

Элементы триады железа (железо, кобальт, никель) находятся в побочной подгруппе VIII группы. Остальные элементы VIII группы составляют семейство платиновых металлов, которое включает триады палладия и платины. По свойствам элементы триады железа существенно отличаются от свойств семейства платиновых металлов. Атомы элементов триады железа имеют на внешнем энергетическом уровне по 2 электрона, которые они отдают в химических реакциях. Однако в образовании химических связей участвуют и электроны 3d-орбиталей второго снаружи уровня (электронные конфигурации валентных орбиталей железа -- , кобальта -- , никеля -- ). В своих устойчивых соединениях эти элементы проявляют степени окисления +2, +3. Образуют оксиды состава и. Им соответствуют гидроксиды состава и .



1) Распространение и нахождение элементов в природе

Железо. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Железо занимает второе место среди металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.). Железо принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений. Железо - металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере Железо накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды. Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe₃О₄; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS₂ (другие названия -- серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10-⁵ -- 1·10-⁸% железа. Одним из крупнейших месторождений железа в Казахстане является Соколовско - Сарбайское месторождение в Костанайской области.

Кобальт. В земной коре содержание кобальта равно 410^-3% по массе. Кобальт входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo₂SO₄, линнеит Co₃S₄, кобальтин CoAsS, сферокобальтит CoCO₃, смальтит СоAs₂ и другие. Как правило, кобальту в природе сопутствуют его соседи по 4-му периоду -- никель, железо, медь и марганец. В морской воде приблизительно (1-7)·10^-10 % кобальта.

Никель.



В земной коре содержание никеля составляет около 8·10-³ % по массе. Возможно, громадные количества никеля -- около 17·10¹⁹ т -- заключены в ядре Земли, которое, по одной из распространенных гипотез, состоит из железоникелевого сплава. Если это так, то Земля примерно на 3 % состоит из никеля, а среди составляющих планету элементов никель занимает пятое место -- после железа, кислорода, кремния и магния. Никель содержится в некоторых метеоритах, которые по составу представляют собой сплав никеля и железа (так называемые железоникелевые метеориты). Разумеется, как практический источник никеля такие метеориты значения не имеют.

Важнейшие минералы никеля: никелин (современное название купферникеля) NiAs, пентландит [сульфид никеля и железа состава (Fe,Ni)₉S₈], миллерит NiS, гарниерит (Ni,Mg)₆Si₄O₁₀(OH)₂ и другие никельсодержащие сил икаты. В морской воде содержание никеля составляет примерно 1·10-⁸-5·10-⁸ %.



2) Физические свойства элементов

2.1) Физические свойства железа

Значение Железа в современное технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и других элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.

Полиморфные превращения Железа и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 году Д. К. Чернов. Углерод образует с Железом твердые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77Е), размещаются в междоузлиях кристаллической решетки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26 Е). Поэтому при закалке аустенита образуется мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в б-Fe, очень твердый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твердости и пластичности.

Физические свойства Железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемых красноломкость, фосфор (даже 10^-2% Р) - хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Железа (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^-7 - 10^-9% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.



Ниже приводятся физические свойства Железа, относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:

Таблица 1. Физические свойства железа.

56 26Fe Iron Железо Ferrum …(Ar)3d64s2	Атомный номер	26
	Атомная масса	55,845
	Плотность (кг/м3)	7860
	Температура плавления °С	1536
	Теплоемкость кДж/(кгЧ°С)	0,46
	Электроотрицательность	1,8
	Ковалентный радиус Е	1,17
	1-й ионизационный потенциал, эВ	7,87

2.2) Физические свойства кобальта

Кобальт -- твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427°C устойчива a-модификация (кристаллическая решетка гексагональная с параметрами а=0,2505 Нм и с=0,4089 Нм). Плотность 8,90 ^кг/_дм3. При температурах от 427°C до температуры плавления (1494°C) устойчива b-модификация кобальта (решетка кубическая гранецентрированная). Температура кипения кобальта около 2960°C. Кобальт -- ферромагнетик, точка Кюри 1121°C. Стандартный электродный потенциал Со⁰/Со²⁺ -0,29 B.

На воздухе компактный кобальт устойчив, при нагревании выше 300°C покрывается оксидной пленкой (высокодисперсный кобальт пирофорен). С парами воды, содержащимися в воздухе, водой, растворами щелочей и карбоновых кислот кобальт не взаимодействует. Концентрированная азотная кислота пассивирует поверхность кобальта, как пассивирует она и поверхность железа.



Таблица 2. Физические свойства кобальта.

58,9332 27Со Cobalt Кобальт Cobaltum	Атомный номер	27
	Атомная масса	58,9332
	Плотность (кг/м3)	8900
	Температура плавления °С	1494
	Температура кипения °С	2960
	Электроотрицательность, эВ	1,88

2.3) Физические свойства никеля

Никель -- ковкий и пластичный металл. Порядковый номер - 28. Относительная атомная масса - 58,6934. Относительная электроотрицательность по Полингу - 1,91. Он обладает кубической гранецентрированной кристаллической решеткой (параметр а = 0,35238 нм). Температура плавления 1455°C, температура кипения около 2900°C, плотность 8,90 кг/дм³. Никель -- ферромагнетик, точка Кюри около 358°C.

Таблица 3. Физические свойства никеля.

58,6934 28Ni Nickel Никель Niccolum	Атомный номер	28
	Атомная масса	58,6934
	Плотность (кг/м3)	8900
	Температура плавления °С	1455
	Температура кипения °С	2900
	Электроотрицательность, эВ	1,91



3) Химические свойства элементов

Железо. Основные степени окисления железа -- +2 и +3.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe₂O₃·xH₂O.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₃O₄, при сгорании в чистом кислороде -- оксид Fe₂O₃. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200--300 °C. При хлорировании железа (при температуре около 200 °C) образуется летучий FeCl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeCl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа(II). При взаимодействии железа и йода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (з⁵-C₅H₅)₂Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа(III):

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)₂. Оксид железа(III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)₂, основание Fe(OH)₃, которое реагирует с кислотами:

Гидроксид железа(III) Fe(OH)₃ проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:



Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)₃.

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) до железа(III):

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора -- двойной сульфат аммония и железа(II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂O.

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ -- железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ -- железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) образуются соединения железа(VI) -- ферраты, например, феррат(VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа(VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами SCN^-. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами SCN^- образуется ярко-красный роданид железа Fe(SCN)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтая кровяная соль).



При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4? выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe²⁺ и [Fe(CN)₆]^3? выпадает осадок турнбулевой сини:

Интересно, что берлинская лазурь и турнбулева синь -- две формы одного и того же вещества, так как в растворе устанавливается равновесие:

Кобальт. На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта состоит из смеси оксидов CoO и Co₂O₃, поэтому в справочниках можно встретить брутто формулу Co₃O₄.При высоких температурах можно получить б-форму или в-форму оксида CoO. Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом:

Оксид кобальта (II) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например:



При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором.

но,

С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую б-форму (при сплавлении порошков) и чёрную в-форму (выпадает в осадок из растворов).

При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со₉S₈

С другими окисляющими элементами, такими как углерод, фосфор, азот, селен, кремний, бор. Кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями, где присутствует кобальт со степенями окисления +1, +2, +3.

Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН₂ и СоН.

Растворы солей кобальта CoSO₄, CoCl₂, Со(NO₃)₂ придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.

Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака. Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH₃)₆]³⁺ жёлтого цвета и розеосоли [Co(NH₃)₅H₂O]³⁺ красного или розового цвета.

Также кобальт создаёт комплексы на основе CN^?, NO₂^? и многих других.

Никель. Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d⁸4s². Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni₂O₃ является сильным окислителем.

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью -- устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию -- образованию на его поверхности плотной оксидной пленки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в азотной кислоте.

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и весьма ядовитый карбонил Ni(CO)₄.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе). Никель горит только в виде порошка. Образует два оксида NiO и Ni₂O₃ и соответственно два гидроксида Ni(OH)₂ и Ni(OH)₃. Важнейшие растворимые соли никеля -- ацетат, хлорид, нитрат и сульфат. Растворы окрашены обычно в зеленый цвет, а безводные соли -- желтые или коричнево-желтые. К нерастворимым солям относятся оксалат и фосфат (зеленые), три сульфида NiS (черный), Ni₂S₃ (желтовато-бронзовый) и Ni₃S₄ (черный). Никель также образует многочисленные координационные и комплексные соединения. Например, диметилглиоксимат никеля Ni(C₄H₆N₂O₂)₂, дающий четкую красную окраску в кислой среде, широко используется в качественном анализе для обнаружения никеля.

На воздухе компактный никель стабилен, а высокодисперсный никель пирофорен. Поверхность никеля покрыта тонкой пленкой оксида NiO, которая прочно предохраняет металл от дальнейшего окисления. С водой и парами воды, содержащимися в воздухе, никель тоже не реагирует. Практически не взаимодействует никель и с такими кислотами, как серная, фосфорная, плавиковая и некоторыми другими.

Металлический никель реагирует с азотной кислотой, причем в результате образуется нитрат никеля (II) Ni(NO₃)₂ и выделяется соответствующий оксид азота, например:

Только при нагревании на воздухе до температуры выше 800°C металлический никель начинает реагировать с кислородом с образованием оксида NiO. Оксид никеля обладает основными свойствами. Он существует в двух полиморфных модификациях: низкотемпературной (гексагональная решетка) и высокотемпературной (кубическая решетка, устойчива при температуре выше 252°C). Имеются сообщения о синтезе оксидных фаз никеля состава NiO_1,33-2,0.

При нагревании никель реагирует со всеми галогенами с образованием дигалогенидов NiHal₂. Нагревание порошков никеля и серы приводит к образованию сульфида никеля NiS. И растворимые в воде дигалогениды никеля, и нерастворимый в воде сульфид никеля могут быть получены не только «сухим», но и «мокрым» путем, из водных растворов.

С графитом никель образует карбид Ni₃C, c фосфором -- фосфиды составов Ni₅P₂, Ni₂P, Ni₃P. Никель реагирует и с другими неметаллами, в том числе (при особых условиях) с азотом. Интересно, что никель способен поглощать большие объемы водорода, причем в результате образуются твердые растворы водорода в никеле.

Известны такие растворимые в воде соли никеля, как сульфат NiSO₄, нитрат Ni(NO₃)₂ и многие другие. Большинство этих солей при кристаллизации из водных растворов образует кристаллогидраты, например, NiSO₄·7Н₂О, Ni(NO₃)₂·6Н₂О. К числу нерастворимых соединений никеля относятся фосфат Ni₃(PO₄)₂ и силикат Ni₂SiO₄.

При добавлении щелочи к раствору соли никеля (II) выпадает зеленый осадок гидроксида никеля:

Ni(OH)₂ обладает слабоосновными свойствами. Если на суспензию Ni(OH)₂ в щелочной среде воздействовать сильным окислителем, например, бромом, то возникает гидроксид никеля (III):

Для никеля характерно образование комплексов. Так, катион Ni²⁺ с аммиаком образует гексаамминовый комплекс [Ni(NH₃)₆]²⁺ и диакватетраамминовый комплекс [Ni(NH₃)₄(Н₂О)₂]²⁺. Эти комплексы с анионами образуют синие или фиолетовые соединения.

При действии фтора F₂ на смесь NiCl₂ и КСl возникают комплексные соединения, содержащие никель в высоких степенях окисления: +3 -- (K₃[NiF₆]) и +4 -- (K₂[NiF₆]).

Порошок никеля реагирует с оксидом углерода (II) СО, причем образуется легко летучий тетракарбонил Ni(CO)₄, который находит большое практическое применение при нанесении никелевых покрытий, приготовлении высокочистого дисперсного никеля и т. д.

Характерна реакция ионов Ni²⁺ с диметилглиоксимом, приводящая к образованию розово-красного диметилглиоксимата никеля. Эту реакцию используют при количественном определении никеля, а продукт реакции -- как пигмент косметических материалов и для других целей.



5. Биологическая роль элементов триады железа

Железо. В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 75 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине -- важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Неорганические соединения железа встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.



В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа -- был потерян «лишний» ноль после запятой).

Суточная потребность человека в железе следующая. Дети -- от 4 до 18 мг, взрослые мужчины -- 10 мг, взрослые женщины -- 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности -- 33 мг. У женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс).

Содержание железа в воде больше 1--2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Кобальт. Кобальт относится к числу микроэлементов, то есть постоянно присутствует в тканях растений и животных. Некоторые наземные растения и морские водоросли способны накапливать кобальт. Входя в молекулу витамина В₁₂ (кобаламина), кобальт участвует в важнейших процессах животного организма -- кроветворении, функциях нервной системы и печени, ферментативных реакциях.

Кобальт участвует в ферментативных процессах фиксации атмосферного азота клубеньковыми бактериями.

В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится около 14 мг кобальта. Суточная потребность составляет 0,007-0,015 мг, ежедневное поступление с пищей 0,005-1,8 мг. У жвачных животных эта потребность гораздо выше, например, у дойных коров -- до 20 мг.

Соединения кобальта обязательно входят в состав микроудобрений. Однако избыток кобальта для человека вреден. ПДК пыли кобальта в воздухе 0,5 ^мг/_м3, в питьевой воде допустимое содержание солей кобальта 0,01 ^мг/_л. Токсическая доза -- 500 мг. Особенно токсичны пары октакарбонила кобальта Со₂(СО)₈.

Никель. Никель относится к числу микроэлементов, необходимых для нормального развития живых организмов. Однако о его роли в живых организмах известно немного. Известно, что никель принимает участие в ферментативных реакциях у животных и растений. В организме животных он накапливается в ороговевших тканях, особенно в перьях. Повышенное содержание никеля в почвах приводят к эндемическим заболеваниям -- у растений появляются уродливые формы, у животных -- заболевания глаз, связанные с накоплением никеля в роговице. Токсическая доза (для крыс) -- 50 мг. Особенно вредны летучие соединения никеля, в частности, его тетракарбонил Ni(CO)₄. ПДК соединений никеля в воздухе составляет от 0,0002 до 0,001 мг/м³ (для различных соединений).



6) Область применения элементов и интересные факты

Железо. Железо -- один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

Железо как инструментальный материал известно нам с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: «сидер» (а на латыни это слово значит «звёздный»).

Изделия из железа, полученного искусственно, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию и острова Средиземного моря (4--3-е тысячелетие до н. э.). Самый древний железный инструмент из известных -- стальное долото, найденное в каменной кладке пирамиды Хеопса в Египте (построена около 2550 года до н. э.). Железо часто упоминается в древнейших (3-е тысячелетие до н. э.) текстах хеттов, основавших свою империю на территории современной Анатолии в Турции.

В древности мастерами железных изделий слыли халибы, которых Геродот перечисляет в числе эллинских племён Малой Азии, подвластных Крезу. Халибы жили на севере державы Хеттов, у побережья Чёрного моря возле устья реки Галис (современный г. Самсун в Турции), и от их имени происходит греческое ЧЬлхвбт -- «сталь». Аристотель описал их способ получения стали: халибы несколько раз промывали речной песок их страны -- видимо, таким способом (теперь это называют флотацией) выделяли тяжёлую железосодержащую фракцию породы, добавляли какое-то огнеупорное вещество, и плавили в печах особой конструкции; полученный таким образом металл имел серебристый цвет и был нержавеющим. Из этого процесса, видимо, возникло и название «руда», которое на латыни значит «мокрый» -- то есть, «вымытый».

Железо является основным компонентом сталей и чугунов -- важнейших конструкционных материалов. Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов -- например, никелевых. Магнитная окись железа (магнетит) -- важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п. Ультрадисперсный порошок магнетита используется в черно-белых лазерных принтерах в качестве тонера. Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей. Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат. Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве. Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Кобальт. С древности оксиды кобальта использовались для окрашивания стекол и эмалей в глубокий синий цвет. До 17 века секрет получения краски из руд держался в тайне. Эти руды в Саксонии называли «кобольд» (нем. Kobold -- домовой, злой гном, мешавший рудокопам добывать руду и выплавлять из нее металл). Честь открытия кобальта принадлежит шведскому химику Г. Брандту. В 1735 году он выделил из коварных «нечистых» руд новый серебристо-белый со слабым розоватым оттенком металл, который предложил называть «кобольдом». Позднее это название трансформировалось в «кобальт».

Легирование кобальтом стали повышает её жаропрочность, улучшает механические свойства. Из сплавов с применением кобальта создают обрабатывающий инструмент: свёрла, резцы, и.т.п. Магнитные свойства сплавов кобальта находят применение в аппаратуре магнитной записи, а также сердечниках электромоторов и трансформаторов. Для изготовления постоянных магнитов иногда применяется сплав, содержащий около 50 % кобальта, а также ванадий или хром. Кобальт применяется как катализатор химических реакций. Кобальтат лития применяется в качестве высокоэффективного положительного электрода для производства литиевых аккумуляторов. Силицид кобальта отличный термоэлектрический материал и позволяет производить термоэлектрогенераторы с высоким КПД.

Радиоактивный кобальт-60 (период полураспада 5,271 года) применяется в гамма-дефектоскопии и медицине. ⁶⁰Со используется в качестве топлива в радиоизотопных источниках энергии.

Никель. Уже с 17 века рудокопам Саксонии (Германия) была известна руда, которая по внешнему виду напоминала медные руды, но меди при выплавке не давала. Ее называли купферникель (нем. Kupfer -- медь, а Nickel -- имя гнома, подсовывавшего горнякам вместо медной руды пустую породу). Как оказалось впоследствии, купферникель -- соединения никеля и мышьяка, NiAs. История открытия никеля растянулась почти на полвека. Первым вывод о присутствии в купферникеле нового «полуметалла» (то есть, по тогдашней терминологии, простого вещества, промежуточного по свойствам между металлами и неметаллами) сделал шведский металлург А. Ф. Кронстедт в 1751 году. Однако более двадцати лет это открытие оспаривалось и господствовала точка зрения, что Кронстедт получил не новое простое вещество, а какое-то соединение с серой то ли железа, то ли висмута, то ли кобальта, то ли какого-то другого металла.

Только в 1775 г., через 10 лет после смерти Кронстедта, швед Т. Бергман выполнил исследования, позволявшие заключить, что никель -- это простое вещество. Но окончательно никель как элемент утвердился только в начале 19-го века, в 1804 году, после скрупулезных исследований немецкого химика И. Рихтера, который для очистки провел 32 перекристаллизации никелевого купороса (сульфата никеля) и в результате восстановления получил чистый металл.

Основная доля выплавляемого никеля расходуется на приготовление различных сплавов. Так, добавление никеля в стали позволяет повысить химическую стойкость сплава, и все нержавеющие стали обязательно содержат никель. Кроме того, сплавы никеля характеризуются высокой вязкостью и используются при изготовлении прочной брони. Сплав железа и никеля, содержащий 36--38 % никеля, обладает удивительно низким коэффициентом термического расширения (это -- так называемый сплав инвар (сплав)), и его применяют при изготовлении ответственных деталей различных приборов.

При изготовлении сердечников электромагнитов широкое применение находят сплавы под общим названием пермаллои. Эти сплавы, кроме железа, содержат от 40 до 80 % никеля. Общеизвестны применяемые в различных нагревателях нихромовые спирали, которые состоят из хрома (10--30 %) и никеля. Из никелевых сплавов чеканятся монеты. Общее число различных сплавов никеля, находящих практическое применение, достигает нескольких тысяч.

Высокая коррозионная стойкость никелевых покрытий позволяет использовать тонкие никелевые слои для защиты различных металлов от коррозии путем их никелирования. Одновременно никелирование придает изделиям красивый внешний вид. В этом случае для проведения электролиза используют водный раствор двойного сульфата аммония и никеля (NH₄)₂Ni(SO₄)₂.

Никель широко используют при изготовлении различной химической аппаратуры, в кораблестроении, в электротехнике, при изготовлении щелочных аккумуляторов, для многих других целей. Специально приготовленный дисперсный никель (так называемый никель Ренея) находит широкое применение как катализатор самых разных химических реакций. Оксиды никеля используют при производстве ферритных материалов и как пигмент для стекла, глазурей и керамики; оксиды и некоторые соли служат катализаторами различных процессов. Производство железо-никелевых, никель-кадмиевых, никель-цинковых, никель-водородных аккумуляторов.



7) Контрольные вопросы

1) Тестовые задания.

1. Укажите электронную формулу железа:

a) …3d⁷4s²

b) …3d³4s²

c) …4d⁷5s²

d) …3d⁶4s²

e) …4d¹4s¹

2. Какие элементы входят в триаду железа?

a) железо, кобальт, никель

b) железо, платина, осмий

c) железо, рутений, осмий

d) железо, алюминий, медь

e) железо, золото, серебро

3. Какое место занимает железо по нахождению в природе?

a) первое

b) второе

c) третье

d) четвертое

e) пятое

4. Порядковый номер кобальта:

a) 26

b) 27

c) 28

d) 29

e) 30

5. К какому элементу относится минерал каролит?

a) никель

b) железо

c) кобальт

d) медь

e) стронций

6. Какие элементы входят в состав стали?

a) Fe и Cu

b) Ni и S

c) Al и P

d) Co и Ni

e) Fe и C

7. Укажите схему превращений, в которых изменяется степень окисления железа.

a)

b)

c)

d)

e) нет верного ответа

8. Основные степени окисления железа:

a) +2 и +5

b) +3 и +4

c) +2 и +3

d) +1, +2, +3, +4, +5

e) +3, +4,+7

9. Какие степени окисления может проявлять кобальт в соединениях с C, P, N, Se, Si, В?

a) +1, +2, +3

b) +2, +3, +4

c) нет ответа

d) +1, +3, +7

e) -1, 0, +1

10. Какие степени окисления может проявлять никель в соединениях?

a) -1, 0, +1

b) 0, +1

c) +3, +4

d) +2, +3

e) 0, +1, +2, +3

11. Какому элементу характерны осадки «Турнбулева синь» и «Берлинская лазурь»?

a) кобальт

b) медь

c) никель

d) железо

e) нет верного ответа

12. Внешняя электронная конфигурация никеля:

a) …

b) …

c) …

d) …

e) …

13. Какой элемент входит в состав гемоглобина крови:

a) медь

b) алюминий

c) никель

d) железо

e) кобальт

14. В каком году была создана таблица Менделеева?

a) 1896

b) 1869

c) 1889

d) 1996

e) 1983

15. Какой из перечисленных ниже элементов в мелкодисперсном состоянии является пирофорным?

a) медь

b) ртуть

c) железо

d) кобальт

e) никель

16. Какого цвета спиртовые растворы солей кобальта?

a) красные

b) синие

c) желтые

d) розовые

e) бесцветные

17. Какой ученый открыл кобальт?

a) Р. Бойль

b) Г. Брандт

c) Д.И. Менделеев

d) Д. Чернов

e) Аристотель

18. В состав скольки минералов входит кобальт?

a) более 10

b) более 20

c) более 30

d) более 40

e) более 50

19. От чего зависят физические свойства железа в промышленности?

a) от массы

b) от окружающей среды

c) от температуры обработки

d) от качества руды

e) от чистоты

20. Сколько электронов может вмещать в себя d-подуровень?

a) 2

b) 6

c) 8

d) 14

e) 10

Ключи.

№ вопроса	Вариант ответа	№ вопроса	Вариант ответа	№ вопроса	Вариант ответа	№ вопроса	Вариант ответа
1	D	6	E	11	D	16	B
2	A	7	D	12	C	17	B
3	B	8	C	13	D	18	C
4	B	9	A	14	B	19	C
5	C	10	D	15	E	20	E

2) Задания на сопоставления

1) Сопоставьте металлы с образуемыми ими минералами:

A) никель 1) пентландит

B) кобальт 2) линнеит

C) железо 3) пирит

4) гарниерит

5) смальтит

2) Сопоставьте металлы с их атомными массами:

A) никель 1) 55,845

B) кобальт 2) 58,694

C) железо 3) 58,9332

3) Сопоставьте металлы с их электронными конфигурациями:

A) никель 1)

B) кобальт 2)

C) железо 3)

4) Укажите, какое место занимает элемент по нахождению в природе (относительно металлов триады железа)

A) никель 1) 1 место

B) кобальт 2) 2 место

C) железо 3) 3 место

5) Укажите, комплексные соединения каких цветов могут образовывать данные металлы:

A) никель 1) синий

B) кобальт 2) красный

C) железо 3) зеленый

4) розовый

5) желтый

Ключи.

	1	2	3	4	5
А)	1,4	2	2	3	3
В)	2,5	3	1	2	1,4,5
С)	3	1	3	1	1,2,5

3) Текстовые задачи.

Задача 1. Из оксида железа (III) массой m=16 кг получили чистое железо массой m=10 кг. Вычислить выход продукта (в %) от теоретически возможного.

Решение: Работаем по реакции восстановления железа из оксида путем гидрирования:

Нам известна масса оксида m=16 кг. Теперь вычисляем молярную массу этого оксида:



М()= 56Ч2+16Ч3= 160 г/моль

Молярная масса железа: М(Fe)=56 г/моль

Исходя из этого, вычисляем массу полученного железа:

m===11,2 кг

Теперь по пропорции вычисляем процентный выход продукта:

11,2 кг - 100% х==89,2%

10 кг - х%

Ответ: Выход продукта составляет 89,2 %

Задача 2: При восстановлении кобальта было получено 26 кг чистого металла, что составляет 85% от исходного вещества. Определить массу оксида, из которого был получен чистый металл и практический выход продукта.

Решение: работаем по следующей реакции:

Вычисляем молярную массу оксида кобальта:

М(= 59Ч3 + 16Ч3 =241г/моль

По пропорции вычисляем массу оксида кобальта:



m = = 35,4 кг

Теперь вычисляем практический выход продукта от теоретически возможного:

35,4 - 100% х = = 73,4%

26 - х%

Ответ: Масса оксида кобальта равна 35,4 кг, выход продукта составляет 73,4% от теоретически возможного.

Задача 3: При взаимодействии никеля с азотной кислотой выделился газ. Вычислить объем газа, если известно, что в реакцию вступило 20г никеля и 16мл кислоты.

Решение: Работаем по реакции:

Вычисляем молярную массу азотной кислоты:

М= 1+14+16Ч3 = 63

Вычисляем количество вещества никеля по формуле:

Теперь вычисляем количество азотной кислоты:



Теперь работаем по недостатку, т.е. с тем, чего меньше по количеству. Значит, работаем с азотной кислотой.

Вычисляем объем выделившегося газа:

16мл = 0,016 л

V= = 0,7 мл

Ответ: Объем выделившегося газа равен 0,7 мл.



Заключение

Исходя из вышеизложенного материала, можно составить сравнительную таблицу по физическим и химическим свойствам металлов «триады железа» - железа, кобальта и никеля:

Физические свойства

	Fe	Co	Ni
Распространенность в природе (в % по массе)	4,65 %	4Ч10-3 %	8Ч10-3 %
Время открытия	4-3 тыс. до н.э. (Хетты)	1735 г. (Г. Брандт)	1751 г. (А.Ф. Кронстедт)
Порядковый номер	26	27	28
Атомная масса	55,845	58,9332	58,934
Плотность (кг/м3)	7860	8900	8900
Температура плавления	1536	1494	1455
Температура кипения	2861	2960	2900
О.Э.О.(по Полингу)	1,83	1,88	1,91
Энергия ионизации эВ	7,87	7,86	7,635
Степени окисления	+2; +3; +4; +5; +6	+2; +3; +4	+2; +3; +4
Применение	В промышленности



Химические свойства:

Железо.

Кобальт



Никель.



Список литературы

· Никель: в 3-х томах. Т. 2. Окисленные никелевые руды. Характеристика руд. Пирометаллургия и гидрометаллургия окисленных никелевых руд/ И. Д. Резник, Г. П. Ермаков, Я. М. Шнеерсон. - М.: 000 "Наука и технологии". 2004 - 468 с.

· Кобальт на Webelements

· Кобальт в Популярной библиотеке химических элементов

· Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Советская энциклопедия, 1990. -- Т. 2. -- С. 414. -- 671 с. -- 100 000 экз.

· ^ G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A.H. Wapstra. The Nubase evaluation of nuclear and decay properties. Nuclear Physics A 729 (2003), pages 3-128.

· Г. Г. Гиоргадзе. «Текст Анитты» и некоторые вопросы ранней истории хеттов (на annals.xlegio.ru)

· Р. М. Абрамишвили. К вопросу об освоении железа на территории Восточной Грузии, ВГМГ, XXII-В, 1961.