В химии , железо (III) , относится к элементу железа в его +3 степени окисления . В ионных соединениях (солях) такой атом может встречаться в виде отдельного катиона (положительный ион), обозначенного Fe 3+ .
Прилагательное ferric или приставка ferri - часто используется для обозначения таких соединений - например, «хлорид железа» для хлорида железа (III) , FeCl
3. Прилагательное « железо » используется вместо солей железа (II) , содержащих катион Fe 2+ . Слово ferric происходит от латинского слова ferrum, обозначающего железо.
Железо (III) металлические центры также возникают в координационных комплексов , таких , как в анионной ferrioxalate , [Fe (C
2O
4)
3] 3– , где три бидентатных иона оксалата окружают металлический центр; или в металлоорганических соединениях , таких как катион ферроцения [Fe (C
2ЧАС
5)
2] + , где два циклопентадиенильных аниона связаны с центром Fe III .
Железо почти всегда встречается в степенях окисления 0 (как в металле), +2 или +3. Железо (III) обычно является наиболее стабильной формой в воздухе, о чем свидетельствует широкое распространение ржавчины , нерастворимого материала, содержащего железо (III).
Железо (III) и жизнь
Все известные формы жизни требуют железа. Многие белки живых существ содержат связанные ионы железа (III); это важный подкласс металлопротеинов . Примеры включают оксигемоглобин , ферредоксин и цитохромы .
Почти все живые организмы, от бактерий до людей, хранят железо в виде микроскопических кристаллов (от 3 до 8 нм в диаметре) гидроксида оксида железа (III) внутри оболочки белка ферритина , из которого его можно извлечь при необходимости. [1]
Недостаток железа в рационе человека вызывает анемию . Животные и люди могут получать необходимое железо из продуктов, содержащих его в усвояемой форме, например из мяса. Другие организмы должны получать железо из окружающей среды. Однако железо имеет тенденцию к образованию сильно нерастворимых оксидов / гидроксидов железа (III) в аэробной ( насыщенной кислородом ) среде, особенно в известковых почвах . Бактерии и травы могут процветать в такой среде, выделяя соединения, называемые сидерофорами, которые образуют растворимые комплексы с железом (III), которые могут реабсорбироваться в клетке. (Вместо этого другие растения стимулируют рост вокруг своих корней определенных бактерий, которые восстанавливают железо (III) до более растворимого железа (II).) [2]
Образование нерастворимых соединений железа (III) также является причиной низкого уровня железа в морской воде, которое часто является ограничивающим фактором для роста микроскопических растений ( фитопланктона ), составляющих основу морской пищевой сети. [3]
Нерастворимость соединений железа (III) может быть использована для устранения эвтрофикации (чрезмерного роста водорослей ) в озерах, загрязненных избытком растворимых фосфатов из сточных вод хозяйств. Железо (III) в сочетании с фосфатами с образованием нерастворимого железа (III) фосфата , тем самым уменьшая биодоступность из фосфора - еще один важный элемент , который также может быть ограничивающим питательным веществом. [ необходима цитата ]
Химия железа (III)
Некоторые соли железа (III), такие как хлорид FeCl
3, сульфат Fe
2(ТАК
4)
3, и нитрат Fe (NO
3)
3растворимы в воде. Однако другие соли, такие как оксид Fe
2O
3(гематит) и оксид-гидроксид железа (III) FeO (OH) чрезвычайно нерастворимы, по крайней мере, при нейтральном pH , из-за их полимерной структуры. Следовательно, эти растворимые соли железа (III) имеют тенденцию к гидролизу при растворении в чистой воде с образованием гидроксида железа (III) Fe (OH).
3который немедленно преобразуется в полимерный оксид-гидроксид посредством процесса, называемого олатированием, и осаждается из раствора. Эта реакция высвобождает ионы водорода H + в раствор, понижая pH, пока не будет достигнуто равновесие . [4]
- Fe 3+ + 2 H
2О ⇌ FeO (ОН) + 3 Н +
В результате концентрированные растворы солей железа (III) довольно кислые. Легкое восстановление железа (III) до железа (II) позволяет солям железа (III) действовать также как окислители . Растворы хлорида железа (III) используются для травления пластиковых листов с медным покрытием при производстве печатных плат . [ необходима цитата ]
Такое поведение солей железа (III) контрастирует с солями катионов, гидроксиды которых более растворимы, такими как хлорид натрия NaCl (поваренная соль), которые растворяются в воде без заметного гидролиза и без снижения pH. [4]
Ржавчина - это смесь оксида железа (III) и оксида-гидроксида, которая обычно образуется, когда металлическое железо подвергается воздействию влажного воздуха. В отличие от пассивирующих оксидных слоев, которые образованы другими металлами, такими как хром и алюминий , ржавчина отслаивается, потому что она больше, чем металл, из которого она образовалась. Поэтому незащищенные железные предметы со временем полностью превратятся в ржавчину.
Комплексы
Железо (III) является центром ad 5 , что означает, что металл имеет пять «валентных» электронов в трехмерной орбитальной оболочке. Эти частично заполненные или незаполненные d-орбитали могут принимать большое количество лигандов с образованием координационных комплексов . Количество и тип лигандов описывается теорией поля лигандов . Обычно ионы трехвалентного железа окружены шестью лигандами, расположенными в октаэдре ; но иногда наблюдается три, а иногда и семь лигандов.
Различные хелатирующие соединения заставляют оксид-гидроксид железа (например, ржавчину) растворяться даже при нейтральном pH, образуя растворимые комплексы с ионом железа (III), которые более стабильны, чем он. Эти лиганды включают ЭДТА , которая часто используется для растворения отложений железа или добавляется в удобрения, чтобы сделать железо в почве доступным для растений. Цитрат также солюбилизирует ион трехвалентного железа при нейтральном pH, хотя его комплексы менее стабильны, чем комплексы с ЭДТА.
Магнетизм
Магнетизм соединений трехвалентного железа в основном определяется пятью d-электронами и лигандами, которые соединяются с этими орбиталями.
Анализ
При качественном неорганическом анализе присутствие иона трехвалентного железа можно определить по образованию его тиоцианатного комплекса. Добавление к раствору солей тиоцианата дает ярко-красный комплекс 1: 1. [5] [6] Реакция представляет собой классический школьный эксперимент, демонстрирующий принцип Ле Шателье :
- [Fe (H
2O)
6] 3+ + SCN-
⇌ [Fe (SCN) (H
2O)
5] 2+ + H
2O
Смотрите также
- Хлорид железа (хлорид железа (III) )
- Оксид железа (оксид железа (III) )
- Фторид железа (фторид железа (III) )
Рекомендации
- ^ Берг, Джереми Марк; Липпард, Стивен Дж. (1994). Основы биоинорганической химии . Саусалито, Калифорния: Университетские научные книги. ISBN 0-935702-73-3.
- ^ Х. Маршнер и В. Ремхельд (1994): "Стратегии предприятий по приобретению железа". Растения и почва , том 165, выпуск 2, страницы 261–274. DOI : 10.1007 / BF00008069
- ^ Boyd PW, Watson AJ, Law CS и др. (Октябрь 2000 г.). «Мезомасштабное цветение фитопланктона в полярном Южном океане, стимулированное удобрением железа». Природа . 407 (6805): 695–702. Bibcode : 2000Natur.407..695B . DOI : 10.1038 / 35037500 . PMID 11048709 .
- ^ а б Эрншоу, А .; Гринвуд, Н. Н. (1997). Химия элементов (2-е изд.). Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-3365-4.
- ^ Левин, Сеймур А .; Вагнер, Розелин Зайдер (1953). «Природа тиоцианата железа (III) в растворе». Журнал химического образования . 30 (9): 445. Bibcode : 1953JChEd..30..445L . DOI : 10.1021 / ed030p445 .
- ^ Бент, ОН; Французский, CL (1941). «Структура тиоцианата железа и его диссоциация в водном растворе». Журнал Американского химического общества . 63 (2): 568–572. DOI : 10.1021 / ja01847a059 .