Качественные реакции железа

9 заданий

Тиоцианат и маскирование

Качественная реакция помогает обнаружить вещество по характерному признаку, например по изменению окраски раствора. Одна из самых известных реакций железа(III) происходит при добавлении тиоцианата: раствор становится кроваво-красным. Окраску создаёт комплекс \(\ce{[Fe(SCN)(H2O)5]^2+}\); при избытке реагента образуются также комплексы \(\ce{[Fe(SCN)_n]^{3-n}}\). Эта реакция позволяет обнаруживать железо(III) в концентрации, составляющей доли миллиграмма на литр.

Однако отсутствие красной окраски ещё не доказывает, что железа в растворе нет. При маскировании другие вещества связывают ионы железа(III) и мешают их реакции с тиоцианатом. В частности, так действуют фторид, фосфат, оксалат и тартрат. Возможна и другая помеха: \(\ce{Hg^2+}\) связывает тиоцианат, а окислители, в том числе азотистая кислота и перманганат, разрушают его.

Осторожность нужна и тогда, когда окраска появилась. К мешающим ионам относятся \(\ce{Co^2+}\), который даёт синюю окраску в ацетоне, и Mo(V), который даёт красную окраску. Ложное срабатывание при проверке соли железа(II) возможно, если часть железа уже окислилась воздухом до железа(III). Поэтому результат реакции оценивают с учётом состава и состояния раствора.

scienceРеакции железа(III)

\(\ce{FeCl3 + KSCN <=> [Fe(SCN)]Cl2 + KCl}\) — при реакции с тиоцианатом раствор приобретает кроваво-красную окраску.
\(\ce{[Fe(SCN)]^2+ + 6F- -> [FeF6]^3- + SCN-}\) — при связывании железа(III) фторидом красная окраска исчезает.
\(\ce{FeCl3 + 3NaOH -> Fe(OH)3 v + 3NaCl}\) — при добавлении щёлочи выпадает бурый осадок гидроксида железа(III).
\(\ce{Fe^3+}\) и салициловая кислота — ион железа(III) образует с салициловой кислотой фиолетовый комплекс; некоторые фенолы также образуют окрашенные комплексы с железом(III).

bolt«Кровь» из пореза

В известном химическом фокусе на ладонь незаметно наносят раствор \(\ce{FeCl3}\), а на «нож» — раствор KSCN. При соприкосновении растворов появляется окраска, напоминающая кровь. Эту же реакцию применяли для обнаружения железа в пищевых продуктах и воде.

Берлинская лазурь

Другую группу качественных реакций железа проводят с гексацианоферратами. С ними связана история берлинской лазури — первого синтетического пигмента нового времени. В 1706 году берлинский краскотёр Дисбах готовил красный лак из кошенили, но использовал поташ, загрязнённый продуктами переработки крови. Вместо красной краски он получил синюю.

Жёлтая кровяная соль \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) образует с \(\ce{Fe^3+}\) синий осадок берлинской лазури. Красная кровяная соль \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\) образует с \(\ce{Fe^2+}\) синий осадок, который называли «турнбулевой синью». Двести лет эти осадки считали разными веществами. Мёссбауэровская спектроскопия показала, что в обоих случаях образуется одно и то же соединение \(\ce{KFe^{III}[Fe^{II}(CN)6]}\): при смешивании \(\ce{Fe^2+}\) и \(\ce{[Fe(CN)6]^3-}\) сразу происходит перенос электрона. Синий цвет соединения обусловлен переносом заряда между Fe(II) и Fe(III) через цианидный мостик.

Поэтому при выборе реакции важно учитывать не только реагент, но и степень окисления железа в исходном растворе.

Реагент	\(\ce{Fe^2+}\)	\(\ce{Fe^3+}\)
\(\ce{K4[Fe(CN)6]}\)	Образуется белый осадок, который синеет на воздухе.	Образуется синий осадок.
\(\ce{K3[Fe(CN)6]}\)	Образуется синий осадок.	Раствор приобретает бурое окрашивание; осадок не выпадает.

scienceРеакции с гексацианоферратами

\(\ce{FeCl3 + K4[Fe(CN)6] -> KFe[Fe(CN)6] v + 3KCl}\) — при реакции соли железа(III) с жёлтой кровяной солью выпадает синий осадок.
\(\ce{FeSO4 + K3[Fe(CN)6] -> KFe[Fe(CN)6] v + K2SO4}\) — при реакции соли железа(II) с красной кровяной солью выпадает синий осадок того же состава.
\(\ce{FeSO4 + K4[Fe(CN)6] -> K2Fe[Fe(CN)6] v + K2SO4}\) — при реакции соли железа(II) с жёлтой кровяной солью выпадает белый осадок.

auto_awesomeБерлинская лазурь как противоядие

Каркас берлинской лазури представляет собой кубическую решётку с полостями, в которых прочно удерживаются ионы \(\ce{Cs+}\) и \(\ce{Tl+}\). Поэтому таблетки берлинской лазури применяют для связывания этих ионов в кишечнике. В 1987 году в бразильском городе Гоянии из брошенного медицинского аппарата украли капсулу с цезием-137; препарат помог вывести радиоактивный цезий из организмов пострадавших.

Фенантролин и фотометрия

Качественные реакции показывают присутствие железа, но для определения его концентрации требуется измерить интенсивность окраски. Такой способ называют фотометрическим определением. Для определения следов железа в воде, крови и вине используют 1,10-фенантролин: с \(\ce{Fe^2+}\) он образует интенсивно-красный комплекс \(\ce{[Fe(phen)3]^2+}\) — ферроин. Его молярный коэффициент поглощения \(\varepsilon = 1{,}11\cdot10^4\) л/(моль·см) при 510 нм.

Поскольку фенантролин образует этот комплекс с железом(II), железо(III) перед измерением восстанавливают гидроксиламином или аскорбиновой кислотой. Затем измеряют оптическую плотность раствора и находят концентрацию по закону Бугера — Ламберта — Бера \(A = \varepsilon lc\), где \(l\) — длина пути света в растворе, а \(c\) — концентрация окрашенного комплекса.

Для обнаружения железа(II) применяют также 2,2'-бипиридил, который образует красный комплекс, и диметилглиоксим, дающий красную окраску в аммиачной среде. Однако диметилглиоксим прежде всего используют как реактив на никель (урок 198).

scienceРеакции при фотометрическом определении железа

\(\ce{4Fe^3+ + 2NH2OH -> 4Fe^2+ + N2O + 4H+ + H2O}\) — гидроксиламин восстанавливает железо(III) до железа(II).
\(\ce{Fe^2+ + 3phen -> [Fe(phen)3]^2+}\) — при взаимодействии железа(II) с фенантролином образуется красный ферроин.
\(\ce{[Fe(phen)3]^2+ - e- -> [Fe(phen)3]^3+}\) — при окислении ферроин превращается в голубой ферриин; изменение окраски позволяет использовать эту пару как окислительно-восстановительный индикатор.

boltПроверка результата качественной реакции

Чтобы оценить результат, нужно проверить, нет ли в растворе маскирующих веществ и мешающих ионов, дающих похожую окраску. Следует также учитывать pH и степень окисления железа: для Fe(II) и Fe(III) подходят разные реакции. Надёжнее подтверждать вывод двумя независимыми реакциями.

push_pinГлавное

Железо(III) образует с \(\ce{SCN-}\) кроваво-красный \(\ce{[Fe(SCN)(H2O)5]^2+}\), с \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) — синюю берлинскую лазурь \(\ce{KFe[Fe(CN)6]}\), с салицилатом — фиолетовый комплекс, а со щёлочью — бурый \(\ce{Fe(OH)3}\). Реакцию с тиоцианатом маскируют \(\ce{F-}\), фосфат и оксалат; ей мешают окислители и \(\ce{Hg^2+}\). Железо(II) образует с \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\) турнбулеву синь — то же соединение, содержащее \(\ce{Fe^{III}[Fe^{II}(CN)6]^-}\); с \(\ce{K4[Fe(CN)6]}\) оно образует белый осадок, синеющий на воздухе. Красный комплекс железа(II) с фенантролином, ферроин, используют в фотометрии (\(\varepsilon = 1{,}1\cdot10^4\)). Если соль Fe(II) частично окислилась воздухом, её раствор может давать слабую красноту с \(\ce{SCN-}\) из-за примеси Fe(III). Поэтому одна лишь окраска не служит окончательным доказательством: результат нужно проверять с учётом возможных помех.

Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.