Најважније из лекције
Кључни закључци:
- Гвожђе (\(\text{Fe}\)) је прелазни метал са оксидационим бројевима \(+2\) и \(+3\); други најраспрострањенији метал у Земљиној кори (руде: хематит \(\text{Fe}_2\text{O}_3\), магнетит \(\text{Fe}_3\text{O}_4\), пирит \(\text{FeS}_2\)).
- Са разблаженим киселинама ослобађа \(\text{H}_2\) дајући \(\text{Fe}^{2+}\) соли (нпр. \(\text{Fe} + 2\text{HCl} \to \text{FeCl}_2 + \text{H}_2\)), док га концентроване \(\text{HNO}_3\) и \(\text{H}_2\text{SO}_4\) пасивизирају.
- Једињења \(\text{Fe(II)}\) су зелене боје и на ваздуху лако оксидују у једињења \(\text{Fe(III)}\) која су жуто-смеђе до црвеномрке боје: \[ 4\text{Fe(OH)}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \longrightarrow 4\text{Fe(OH)}_3 \]
- Важна једињења су зелена галица (\(\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}\)) и комплексна једињења; у живим организмима гвожђе је саставни део хемоглобина (хем).
Гвожђе (\(\text{Fe}\)) је мек, жилав прелазни метал сребрнастобеле боје, велике густине, високе температуре топљења и кључања, добре електричне и топлотне проводљивости, и изражених магнетних својстава.
На влажном ваздуху гвожђе брзо кородира (рђа).
Распрострањеност: После алуминијума, гвожђе је најраспрострањенији метал у Земљиној кори. У елементарном стању на Земљи се налази само у метеоритима.
Најважније руде гвожђа:
- Хематит: \(\text{Fe}_2\text{O}_3\) (оксидна руда)
- Магнетит: \(\text{Fe}_3\text{O}_4\) (мешовити оксид \(\text{FeO} \cdot \text{Fe}_2\text{O}_3\))
- Пирит: \(\text{FeS}_2\) (сулфидна руда)
Биолошки значај: Гвожђе је есенцијални биогени елемент (одрасла особа садржи око \(5\text{ g}\) \(\text{Fe}\)), кључни састојак хема у хемоглобину за пренос кисеоника.
Добијање гвожђа: Индустријски се добија у високој пећи редукцијом оксидних руда помоћу кокса (\(\text{C}\) и \(\text{CO}\)) уз додатак топитеља. Највећи део се прерађује у челик.
Гвожђе у једињењима најчешће има оксидационе бројеве \(+2\) (феро-) и \(+3\) (фери-).
Реакције са киселинама:
Гвожђе се у напонском низу налази испред водоника, па реагује са разблаженим киселинама (\(\text{HCl}\), разблажена \(\text{H}_2\text{SO}_4\)) истискујући водоник и градећи соли гвожђа(II): \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Гвожђе се у напонском низу налази испред водоника, па реагује са разблаженим киселинама (\(\text{HCl}\), разблажена \(\text{H}_2\text{SO}_4\)) истискујући водоник и градећи соли гвожђа(II): \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Концентрована азотна (\(\text{HNO}_3\)) и концентрована сумпорна киселина (\(\text{H}_2\text{SO}_4\)) пасивизирају гвожђе грађењем заштитног оксидног слоја. Зато се ове концентроване киселине могу чувати и транспортовати у резервоарима и цистернама од гвожђа/челика.
Реакције са неметалима:
• Са чистим кисеоником (сагоревање): \[ 3\text{Fe(s)} + 2\text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s)} \] • Са хлором (јако оксидационо средство даје \(\text{Fe}^{3+}\)): \[ 2\text{Fe(s)} + 3\text{Cl}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{FeCl}_3\text{(s)} \] • Са сумпором (синтеза загревањем даје \(\text{Fe}^{2+}\)): \[ \text{Fe(s)} + \text{S(s)} \longrightarrow \text{FeS(s)} \]
• Са чистим кисеоником (сагоревање): \[ 3\text{Fe(s)} + 2\text{O}_2\text{(g)} \longrightarrow \text{Fe}_3\text{O}_4\text{(s)} \] • Са хлором (јако оксидационо средство даје \(\text{Fe}^{3+}\)): \[ 2\text{Fe(s)} + 3\text{Cl}_2\text{(g)} \longrightarrow 2\text{FeCl}_3\text{(s)} \] • Са сумпором (синтеза загревањем даје \(\text{Fe}^{2+}\)): \[ \text{Fe(s)} + \text{S(s)} \longrightarrow \text{FeS(s)} \]
Оксиди гвожђа:
- Гвожђе(II)-оксид (\(\text{FeO}\)): базни оксид, црни прах.
- Гвожђе(III)-оксид (\(\text{Fe}_2\text{O}_3\)): базни оксид, смеђе/црвенкасте боје.
- Гвожђе(II,III)-оксид (\(\text{Fe}_3\text{O}_4\)): мешовити оксид магнетних својстава.
Хидроксиди гвожђа и њихове промене:
Таложе се реакцијом раствора соли гвожђа са алкалним хидроксидима:
- \(\text{Fe(OH)}_2\) је светлозелени талог који на ваздуху брзо оксидује у црвеномрки \(\text{Fe(OH)}_3\): \[ 4\text{Fe(OH)}_2\text{(s)} + \text{O}_2\text{(g)} + 2\text{H}_2\text{O(l)} \longrightarrow 4\text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \]
- \(\text{Fe(OH)}_3\) настаје директно као волуминозни црвеномрки талог: \[ \text{FeCl}_3\text{(aq)} + 3\text{NaOH(aq)} \longrightarrow \text{Fe(OH)}_3\text{(s)} + 3\text{NaCl(aq)} \]
- Загревањем \(\text{Fe(OH)}_3\) губи воду и прелази у оксид: \[ 2\text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \xrightarrow{\Delta} \text{Fe}_2\text{O}_3\text{(s)} + 3\text{H}_2\text{O(g)} \]
Боје раствора соли и значајне соли:
- Соли \(\text{Fe}^{2+}\) у воденом раствору су светлозелене боје.
- Соли \(\text{Fe}^{3+}\) у воденом раствору су жуте до црвенкастосмеђе боје (услед хидролизе).
- Зелена галица (\(\text{FeSO}_4 \cdot 7\text{H}_2\text{O}\)): хидратна со гвожђа(II), користи се у текстилној индустрији (мочило) и пољопривреди (заштита биљака).
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која оксидациона стања гвожђе најчешће показује у својим једињењима и које су боје талози одговарајућих хидроксида гвожђа?
Гвожђе гради једињења у оксидационим стањима \(+2\) и \(+3\).
• Гвожђе(II)-хидроксид, \(\text{Fe(OH)}_2\), је светлозелене боје (на ваздуху брзо тамни).
• Гвожђе(III)-хидроксид, \(\text{Fe(OH)}_3\), је црвеномрке (смеђе) боје.
• Гвожђе(II)-хидроксид, \(\text{Fe(OH)}_2\), је светлозелене боје (на ваздуху брзо тамни).
• Гвожђе(III)-хидроксид, \(\text{Fe(OH)}_3\), је црвеномрке (смеђе) боје.
Задатак 2 (средњи): Објасни зашто се концентрована азотна киселина може складиштити у челичним судовима, док разблажена хлороводонична киселина бурно реагује са гвожђем. Напиши једначину реакције са \(\text{HCl}\).
Концентрована \(\text{HNO}_3\) је јако оксидационо средство које на површини гвожђа тренутно формира пасиван, компактан оксидни слој који спречава даљу реакцију (пасивизација).
Са друге стране, разблажена \(\text{HCl}\) нема оксидациона својства већ реагује са гвожђем као метал испред водоника у напонском низу уз ослобађање гасовитог водоника: \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Са друге стране, разблажена \(\text{HCl}\) нема оксидациона својства већ реагује са гвожђем као метал испред водоника у напонском низу уз ослобађање гасовитог водоника: \[ \text{Fe(s)} + 2\text{HCl(aq)} \longrightarrow \text{FeCl}_2\text{(aq)} + \text{H}_2\text{(g)} \]
Задатак 3 (средњи): Напиши молекулску и скраћену јонску једначину реакције између воденог раствора гвожђе(III)-хлорида и натријум-хидроксида.
Молекулски облик:
\[ \text{FeCl}_3\text{(aq)} + 3\text{NaOH(aq)} \longrightarrow \text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \downarrow + 3\text{NaCl(aq)} \]
Потпуни јонски облик:
\[ \text{Fe}^{3+}\text{(aq)} + 3\text{Cl}^-\text{(aq)} + 3\text{Na}^+\text{(aq)} + 3\text{OH}^-\text{(aq)} \longrightarrow \text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \downarrow + 3\text{Na}^+\text{(aq)} + 3\text{Cl}^-\text{(aq)} \]
Скраћени јонски облик:
\[ \text{Fe}^{3+}\text{(aq)} + 3\text{OH}^-\text{(aq)} \longrightarrow \text{Fe(OH)}_3\text{(s)} \downarrow \]
Задатак 4 (тежак): Израчунај запремину раствора хлороводоничне киселине концентрације \(c = 1\text{ mol/dm}^3\) која је потребна да потпуно реагује са \(2{,}8\text{ g}\) гвожђа. Моларна маса гвожђа је \(M(\text{Fe}) = 56\text{ g/mol}\).
1. Једначина реакције:
\[ \text{Fe} + 2\text{HCl} \longrightarrow \text{FeCl}_2 + \text{H}_2 \]
2. Количина гвожђа:
\[ n(\text{Fe}) = \frac{m(\text{Fe})}{M(\text{Fe})} = \frac{2{,}8\text{ g}}{56\text{ g/mol}} = 0{,}05\text{ mol} \]
3. Из стехиометријског односа (\(n(\text{HCl}) : n(\text{Fe}) = 2 : 1\)):
\[ n(\text{HCl}) = 2 \cdot n(\text{Fe}) = 2 \cdot 0{,}05\text{ mol} = 0{,}10\text{ mol} \]
4. Запремина раствора киселине:
\[ V(\text{HCl}) = \frac{n(\text{HCl})}{c(\text{HCl})} = \frac{0{,}10\text{ mol}}{1\text{ mol/dm}^3} = 0{,}10\text{ dm}^3 = 100\text{ cm}^3 \]
Одговор: Потребно је \(100\text{ cm}^3\) раствора киселине.
