Соли железа

СОЛИ ЖЕЛЕЗА
Е.П. Ким,
учитель химии гимназии № 1,
заслуженный учитель РФ
(г. Саратов)

Задачи урока. Повторить сведения о положении переходных металлов в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева и строении их атомов; вспомнить физические и химические свойства железа, его оксидов и гидроксидов, закономерности изменения их свойств в зависимости от степени окисления металла; рассмотреть биологическую роль железа; изучить и сравнить свойства солей железа(II) и железа(III).

Оборудование и реактивы.

На демонстрационном столе: выставка литературы по изучаемой теме, образцы природных соединений железа (красный железняк, магнитный железняк, бурый железняк, пирит); растворы сульфата железа(II), хлорида железа(III), гидроксида натрия, красной кровяной соли, желтой кровяной соли.

На столах учащихся: штативы с пробирками, стеклянные палочки; растворы сульфата железа(II), хлорида железа(III), гидроксида натрия, красной кровяной соли, желтой кровяной соли и роданида калия, универсальная индикаторная бумага.

ХОД УРОКА
Повторение

Фронтальная беседа

Сегодня на уроке мы продолжаем изучение элементов побочных подгрупп, строения их атомов, особенностей свойств. Ответьте на следующие вопросы.

• Каково положение переходных металлов в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева?

(Железо находится в 4-м периоде, VIIIб группе периодической системы.)

• В чем особенности строения атомов переходных элементов?

(Особенность в том, что заполнение предвнешнего
d-подуровня происходит после заполнения
внешнего s-подуровня.)

• Как изменяется радиус атомов d-элементов в пределах одного периода?

(Радиус атомов d-элементов в периодах слева направо незначительно уменьшается.)

• Почему для металлов побочных подгрупп характерны переменные степени окисления?

(Причина в том, что валентные электроны в их атомах
находятся на разных энергетических уровнях.)

• Как изменяются свойства оксидов и гидроксидов переходных металлов в зависимости от степени окисления?

(С повышением степени окисления основные свойства оксидов
и гидроксидов металлов уменьшаются,
а кислотные свойства возрастают.)

Краткий экскурс в историю железа

Железо можно назвать главным металлом нашего времени. В таблице Д.И.Менделеева трудно найти другой металл, с которым была бы так неразрывно связана история цивилизации. В древности у некоторых народов железо ценилось дороже золота. Лишь представители знати могли украшать себя изделиями из железа, причем нередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготавливали даже обручальные кольца.

Слово «железо» произошло от санскритского слова «джальджа», что означает «металл», «руда». Так полагают некоторые ученые. Другие считают, что в основе русского названия элемента лежит санскритский корень «жель», означающий «блестеть», «пылать». Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Это метеоритное железо. С ним, видимо, и познакомились наши предки, когда на смену «бронзовому веку» пришел «век железный». Правда, метеоритное железо не поддается ковке при обычных условиях. Его следует обрабатывать в холодном виде. Согласно легенде, оружейники, которые не знали этого секрета и не сумели отковать из небесного камня меч для бухарского эмира, были безжалостно казнены. Самый крупный метеорит найден в 1920 г. в юго-западной части Африки. Это метеорит «Гоба». Он весит около 60 т. Сегодня железо получают из различных природных соединений.

Вопрос. Какие природные соединения, содержащие железо, вам известны? (Во время ответа ученика учитель демонстрирует образцы железосодержащих минералов, а также фрагмент из электронной «презентации»).

Строение атома. Свойства железа и его соединений

• Расскажите у доски о строении атома железа и обсудите возможность перехода валентных электронов. (На магнитной доске ученик приводит электронно-графическую формулу атома железа.)

• Составьте у доски уравнения реакций для цепочки превращений. Для реакций, протекающих в растворах, составьте ионные уравнения, а в уравнениях окислительно-восстановительных реакций расставьте коэффициенты методом электронного баланса.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Задание «Тест наоборот»

Пользуясь предлагаемыми вариантами ответов, составьте вопросы так, чтобы правильным был только один вариант ответа.

1. (Вопрос по числу элементарных частиц в атоме железа.)

…………………………………………………………………………………………………………

а) 30; б) 10; в) 15; г) 16.

(Возможный вариант вопроса: сколько нейтронов в атоме железа с относительной атомной массой 56?)

2. (Вопрос на соответствие химической формулы названию вещества.)

…………………………………………………………………………………………………………

а) Fe(NO₃)₃; б) FeSO₄; в) Fe₃O₄; г) Fe(OH)₂.

(Возможный вариант вопроса: какова химическая формула железной окалины?)

3. (Вопрос о степени окисления железа.)

…………………………………………………………………………………………………………

а) +3; б) +2; в) +6; г) +7.

(Возможный вариант вопроса: какова максимально возможная степень окисления железа?)

4. (Особенность реакции железа с кислотой.)

…………………………………………………………………………………………………………

а) H₂SO₄; б) HCl; в) H₃PO₄; г) H₂CO₃.

(Возможный вариант вопроса: какая из указанных кислот пассивирует железо?)

Пока ребята выполняют задания, учитель просит выйти к доске самого смелого, кто отважится ответить на блиц-вопросы. За две минуты (время фиксируется песочными часами) надо ответить на максимальное количество вопросов. При ошибочном ответе или отсутствии ответа право отвечать переходит к другому ученику.

Блиц-вопросы по теме «Железо»

1. Число электронов на внешнем уровне в атоме железа … (2.)

2. Число d-электронов в атоме железа в основном состоянии … (6.)

3. Число энергетических уровней у атома элемента № 26 … (4.)

4. Количество протонов в изотопе железа с относительной атомной массой 57 … (26.)

5. Общее число электронов в ионе Fe2+ … (24.)

6. Степень окисления железа в феррате калия … (+6.)

7. Число изотопов железа … (4.)

8. Какие элементы входят в триаду железа?

(Железо, никель, кобальт.)

9. Какие аллотропные модификации железа не обладают способностью намагничиваться?

(-, - и -Fe – три аллотропные модификации железа,
существующие при высоких (> 769 °C) температурах.)

10. Тип кристаллической решетки у -железа …

(Объемно-центрированная кубическая.)

11. Место железа по распространенности в природе среди металлов …

(Второе место после алюминия.)

12. При горении железа в чистом кислороде образуется …

(Железная окалина.)

13. Какую кислоту можно хранить в железной таре?

(Концентрированную азотную кислоту.)

14. Продукт взаимодействия железа с молекулярным хлором …

(Хлорид железа(III).)

15. Продукт окисления в реакции между железом и концентрированной азотной кислотой при нагревании …

(Нитрат железа(III).)

16. Продукт взаимодействия железа с раствором соляной кислоты …

(Хлорид железа(II).)

17. Продукт восстановления в реакции между железом и разбавленной азотной кислотой …

(Оксид азота(II).)

18. Характер оксида железа(II)…

(Основный.)

19. Органическое вещество, из которого получают оксид железа(II), это – …

(Оксалат железа(II).)

20. Агрегатное состояние оксида железа(III) …

(Твердое.)

21. Какие свойства оксида железа(III) доказывают его взаимодействие с расплавом гидроксида натрия?

(Кислотные.)

22. Формула железистой кислоты …

(HFeO2).

23. Степени окисления железа в магнетите …

(+2 и +3.)

24. Как изменяются основные свойства оксидов с возрастанием степени окисления железа?

(От основных к кислотным.)

25. На воздухе в присутствии влаги степень окисления железа возрастает от 0 до … (+3.)

26. Степень окисления железа в пирите … (+2.)

27. Белок, содержащий железо и участвующий в газообмене в животном организме, …

(Гемоглобин.)

28. Заболевание, вызываемое недостатком железа в крови человека, …

(Анемия.)

Химический лабиринт

Пройдя этапы лабиринта, вы определите ключевое слово, состоящее из 10 букв.

Правила игры

Игра начинается с клетки, в которой подчеркнуто слово «Старт». Следовательно, первая буква ключевого слова (она в кружке) – «г». Прочитайте и ответьте на вопрос, сформулированный в этой клетке лабиринта.

Найдите в других клетках лабиринта ответ среди подчеркнутых цифр и формул.

Буква в кружке, находящаяся в данной клетке, является второй в ключевом слове.

Продолжайте игру до полного составления ключевого слова.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Итак, ключевое слово «гемоглобин», и выбрано оно не случайно. Гемоглобин – это продукт присоединения гема к особому белку – глобину. Впервые железо в крови человека было обнаружено в XIX в. Это открытие стало настоящей сенсацией. Известен печальный факт, когда влюбленный студент-химик решил подарить избраннице своего сердца кольцо, сделанное из железа собственной крови. Периодически выпуская кровь, юноша получал соединение, из которого затем химическим путем выделял железо. Бедняга погиб от малокровия, так и не собрав железа, нужного для изготовления кольца. Почему? Дело в том, что содержание железа в крови человека составляет около 4–7 г, т.е. весьма мало.

Вопрос. Какие продукты необходимо включать в рацион, чтобы восполнять недостаток железа?

(Овощи – свеклу; фрукты и ягоды – яблоки и землянику;
зерновые и масличные культуры – гречку и подсолнечник;
горький шоколад.)

Демонстрация кодограммы:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Вопрос. Каким образом гемоглобин соединяется с кислородом?

Ученик. Гем – это плоский цикл комплексного соединения протопорфирина с ионом железа Fe2+. Ион железа окружен четырьмя атомами азота пиррольных ядер порфирина. Пятое место в его координационной сфере занято той аминокислотой, которая связывает весь комплекс с белком. Шестое место свободно – это реакционное пространство комплекса, та зона, в которой происходят реакции. Вот в эту зону и попадает молекула кислорода. Гемоглобин выполняет роль переносчика кислорода от легких к клеткам, причем степень окисления иона железа не изменяется при соединении всего комплекса с кислородом. Соединение это называется оксигемоглобин. Оно непрочно. При повышенном давлении кислорода (в альвеолах легких) оксигемоглобин образуется, а там, где давление кислорода ниже (в дышащей клетке), распадается, освобождая кислород.

Для наглядности учащиеся смотрят фрагмент видеофильма «Кровообращение».
Изучение нового материала

Наиболее характерные степени окисления железа в сложных веществах +2 и +3. Изучать свойства солей железа мы будем, проводя лабораторные опыты и заполняя таблицу. (Приведена таблица после ее заполнения учащимися.)

Сравнение свойств солей железа(II) и (III)

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Вопросы и задания

(Два ученика работают у доски, остальные учащиеся – на своих местах.)

• Используя универсальную индикаторную бумагу, исследуйте характер среды водных растворов выданных вам солей железа. Составьте уравнения гидролиза.

Ответ.

2FeSO₄ + 2H₂O= (FeOH)₂SO₄ + H₂SO₄,

FeCl₃ + H₂O= Fe(OH)Cl₂ + HCl.

• Каковы условия взаимодействия солей с растворами щелочей? Проведите соответствующие реакции и составьте уравнения в молекулярном и ионном видах.

Ответ. Растворимые соли ионов железа Fe²⁺ и Fe³⁺ реагируют с растворами щелочей при комнатной температуре:

FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)₂ + Na₂SO₄,

Fe²⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂;

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ + 3NaCl,

Fe³⁺ + 3OH^– = Fe(OH)₃.

• Каково ваше мнение о восстановительных свойствах солей железа?

• Почему соли железа(III) не проявляют восстановительных свойств?

• Составьте уравнение реакции окисления сульфата железа(II) перманганатом калия в кислой среде. Расставьте коэффициенты методом электронного баланса.

Ответ.

10FeSO₄ + 2КMnО₄ + 8H₂SO₄ = 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O.

• Могут ли соли железа проявлять окислительные свойства?

(Уравнения реакций записывает учитель.)

Ответ.

FeSO₄ + Zn = Fe + ZnSO₄,

2FeCl₃ + H₂S = 2FeCl₂ + S + 2HCl,

2FeCl₃ + 2KI = 2FeCl₂ + I₂ + 2KCl,

2FeCl₃ + Fe = 3FeCl₂.

Итак, соли железа(II) и (III) проявляют окислительные свойства.

• Каково отношение солей железа к нагреванию? Приведите примеры солей железа, подвергающихся разложнению при нагревании.

Ответ. Соли FeSO₄ и FeСl₃ не разлагаются при нагревании в лабораторных условиях, а нитраты железа(II) и (III) термически неустойчивы:

2Fe(NO₃)₂ = 2FeO + 4NO₂ + O₂,

4Fe(NO₃)₃ = 2Fe₂O₃ + 12NO₂ + 3O₂.

• Какие реакции называются качественными? Проведите экспериментально взаимодействие соли железа(II) с красной кровяной солью и реакцию соли железа(III) с желтой кровяной солью, а также с роданидом калия. Составьте уравнения реакций в молекулярном и ионном видах. Отметьте признаки проходящих реакций.

Ответ.

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Каково происхождение названий «желтая кровяная соль» и «красная кровяная соль»?

Ученик. Сообщение о синтезе желтой кровяной соли было опубликовано в одном из научных журналов английским врачом Джоном Вудвортом в 1725 г. Ученый сообщал, что это соединение было известно задолго до него химикам-ремесленникам, которые получали соль из отходов, скапливающихся на бойнях (кровь, шкуры животных), нагревая их с поташом и металлическим железом. Для выделения желтой кровяной соли реакционную смесь обрабатывали водой и путем кристаллизации выделяли из раствора кристаллогидрат состава К4[Fе(СN)6]•Н2О, который имел желтый цвет. Способ получения и цвет кристаллов определили название соли.

Красная кровяная соль впервые была получена в 1822 г. немецким химиком-аналитиком Леопольдом Гмелиным. Он синтезировал эту соль из желтой кровяной соли путем окисления сильным окислителем. Красная кровяная соль представляет собой темно-красные кристаллы, которые при растворении в воде образуют желтоватый раствор. Комплексный ион этой соли менее устойчив, чем у желтой кровяной соли, и распадается с выделением ионов CN–. По этой причине красная кровяная соль представляет собой сильное ядовитое вещество.
Закрепление материала

Тесты по теме «Железо и его соединения»

Часть А. Задания с выбором ответа

1. Для веществ с металлической кристаллической решеткой нехарактерным свойством является:

а) теплопроводность;

б) пластичность;

в) низкая температура кипения;

г) электропроводность.

2. Распределению электронов в атоме железа соответствует ряд чисел:

а) 2, 8, 13, 3; б) 2, 8, 6, 10;

в) 2, 8, 16; г) 2, 8, 14, 2.

3. Укажите число неспаренных электронов в основном состоянии атома железа:

а) 2; б) 3; в) 4; г) 1.

4. Гексагидроксоферрат(III) натрия имеет формулу:

а) Na₂[Fe(ОН)₄]; б) Nа[Fe(ОН)₄];

в) Nа₃[Fе(ОН)₆]; г) NаFеО₂.

5. Степень окисления железа в ионе FeO₄^2–:

а) +3; б) +2; в) 0; г) +6.

6. Раствор красной кровяной соли является реактивом для обнаружения:

а) Fe³⁺; б) Fe²⁺; в) Fe₃O₄; г) Fe0.

7. В реакции оксида железа(II) с углеродом окислителем является:

а) С⁰; б) O^2–; в) Fe²⁺; г) Fe⁰.

8. При окислении гидроксида железа(II) во влажном воздухе образуется:

а) оксид железа(II); б) оксид железа(III);

в) гидроксид железа(III); г) железо.

9. В схеме превращений

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

веществами А, Б, В являются соответственно:

а) Н₂О, NаОН, АgNО₃; б) NаОН, NaCl, АgNO₃;

в) Н₂O, НCl, АgNO₃; г) NaОН, НСl, AgNO₃.

10. На какой пластинке (железной или серебряной) появится красный налет при помещении их в раствор сульфата меди(II):

а) на железной; б) на обеих;

в) ни на какой; г) на серебряной?

Часть В. Задания с коротким ответом

1. Химический элемент железо представлен в природе следующими изотопами: ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe, ⁵⁸Fe. Атомы всех этих изотопов содержат в ядрах ……. протонов.

2. С какими из перечисленных веществ будет взаимодействовать оксид железа(III):

1) оксид углерода(IV);

2) натрий;

3) раствор серной кислоты;

4) оксид алюминия;

5) расплав гидроксида натрия;

6) вода;

7) оксид углерода(II)?

Запишите их номера цифрами в порядке возрастания.

3. Дана схема превращений:

[Вы должны быть зарегистрированы и подключены, чтобы видеть это изображение]

Укажите номер реакции, в ходе которой происходит выпадение осадка, и абсолютную величину заряда катиона в левой части сокращенного ионного уравнения. Ответ запишите цифрами.

Ответы на тесты

Часть А. 1 – в, 2 – г, 3 – в, 4 – в, 5 – г, 6 – б, 7 – в, 8 – в, 9 – г, 10 – а.

Часть В. 1 – 26; 2 – 3, 5, 7; 3 – 2, 2.

В заключение урока учитель объявляет и комментирует оценки, подводит итоги.