Perkenalan

Kajian sifat-sifat kimia suatu unsur merupakan bagian integral dari mata kuliah kimia di sekolah modern, yang memungkinkan, berdasarkan pendekatan induktif, untuk membuat asumsi tentang ciri-ciri interaksi kimia unsur-unsur berdasarkan fisika dan kimianya. karakteristik. Namun, kemampuan laboratorium kimia sekolah tidak selalu sepenuhnya memungkinkan kita untuk menunjukkan ketergantungan sifat kimia suatu unsur pada posisinya dalam sistem periodik unsur kimia dan ciri struktur zat sederhana.

Sifat kimia belerang digunakan baik pada awal kursus kimia untuk menunjukkan perbedaan antara fenomena kimia dan fenomena fisik, dan ketika mempelajari karakteristik masing-masing unsur kimia. Paling sering, pedoman merekomendasikan untuk menunjukkan interaksi belerang dengan besi, sebagai contoh fenomena kimia dan contoh sifat oksidatif belerang. Namun dalam banyak kasus, reaksi ini tidak terjadi sama sekali, atau akibat dari kemunculannya tidak dapat dinilai dengan mata telanjang. Berbagai pilihan untuk melakukan eksperimen ini sering kali ditandai dengan rendahnya reproduktifitas hasil, sehingga tidak memungkinkan penggunaannya secara sistematis dalam mengkarakterisasi proses di atas. Oleh karena itu, relevan untuk mencari opsi yang dapat memberikan alternatif untuk mendemonstrasikan proses interaksi besi dengan belerang, yang sesuai dengan karakteristik laboratorium kimia sekolah.

Target: Selidiki kemungkinan melakukan reaksi yang melibatkan interaksi belerang dengan logam di laboratorium sekolah.

Tugas:

Menentukan sifat fisik dan kimia utama belerang;

Menganalisis kondisi terjadinya dan terjadinya reaksi interaksi belerang dengan logam;

Pelajari metode interaksi belerang dengan logam yang diketahui;

Pilih sistem untuk melakukan reaksi;

Menilai kecukupan reaksi yang dipilih terhadap kondisi laboratorium kimia sekolah.

Objek studi: reaksi antara belerang dan logam

Subyek studi: kelayakan reaksi interaksi belerang dengan logam di laboratorium sekolah.

Hipotesa: Alternatif interaksi besi dengan belerang di laboratorium kimia sekolah adalah reaksi kimia yang memenuhi persyaratan kejelasan, reproduktifitas, keamanan relatif dan ketersediaan zat bereaksi.

Kami ingin memulai pekerjaan kami dengan penjelasan singkat tentang belerang:

Posisi dalam tabel periodik: belerang berada pada periode 3, golongan VI, subkelompok utama (A), termasuk dalam unsur s.

Nomor atom belerang adalah 16, jadi muatan atom belerang adalah + 16, jumlah elektron adalah 16. Tiga tingkat elektron pada tingkat terluar adalah 6 elektron

Diagram susunan elektron berdasarkan tingkatannya:

16 S )))
2 8 6

Inti atom belerang 32 S mengandung 16 proton (sama dengan muatan inti) dan 16 neutron (massa atom dikurangi jumlah proton: 32 – 16 = 16).

Rumus elektronik: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

Tabel 1

Nilai potensial ionisasi atom belerang

Potensi ionisasi

Energi (eV)

Belerang dalam cuaca dingin cukup lembam (menggabungkan secara energik hanya dengan fluor), tetapi ketika dipanaskan, ia menjadi sangat aktif secara kimia - ia bereaksi dengan halogen(kecuali yodium), oksigen, hidrogen dan dengan hampir semua logam. Sebagai akibat reaksi jenis yang terakhir menghasilkan senyawa belerang yang sesuai.

Reaktivitas belerang, seperti unsur lainnya, ketika berinteraksi dengan logam bergantung pada:

aktivitas zat yang bereaksi. Misalnya, belerang akan berinteraksi paling aktif dengan logam alkali

pada suhu reaksi. Hal ini dijelaskan oleh fitur termodinamika dari proses tersebut.

Kemungkinan termodinamika terjadinya reaksi kimia secara spontan dalam kondisi standar ditentukan oleh energi reaksi Gibbs standar:

ΔG 0 T< 0 – прямая реакция протекает

ΔG 0 Т > 0 – reaksi langsung tidak mungkin terjadi

pada tingkat penggilingan zat yang bereaksi, karena belerang dan logam bereaksi terutama dalam bentuk padat.

Karakteristik termodinamika dari beberapa reaksi antara belerang dan logam diberikan di slide 4

Tabel tersebut menunjukkan bahwa interaksi belerang dengan logam pada awal deret tegangan dan logam aktif rendah dimungkinkan secara termodinamika.

Jadi, belerang merupakan nonlogam yang cukup aktif bila dipanaskan, mampu bereaksi dengan logam baik aktivitas tinggi (basa) maupun aktivitas rendah (perak, tembaga).

Studi tentang interaksi belerang dengan logam

Pemilihan sistem untuk penelitian

Untuk mempelajari interaksi belerang dengan logam, dipilih sistem yang mencakup logam yang terletak di tempat berbeda dalam deret Beketov dan memiliki aktivitas berbeda.

Kriteria berikut diidentifikasi sebagai kondisi seleksi: kecepatan pelaksanaan, kejelasan, kelengkapan reaksi, keamanan relatif, reproduktifitas hasil, zat harus berbeda secara nyata dalam sifat fisik, ketersediaan zat di laboratorium sekolah, ada upaya yang berhasil untuk membawa mengetahui interaksi belerang dengan logam tertentu.

Untuk menilai reprodusibilitas reaksi, setiap percobaan dilakukan tiga kali.

Berdasarkan kriteria ini, sistem reaksi berikut dipilih untuk percobaan:

SULFUR DAN TEMBAGA Cu + S = CuS + 79 kJ/mol

Metodologi dan efek yang diharapkan

Ambil 4 g belerang dalam bentuk bubuk dan tuangkan ke dalam tabung reaksi. Panaskan belerang dalam tabung reaksi hingga mendidih. Kemudian ambil kawat tembaga dan panaskan di atas api. Saat belerang meleleh dan mendidih, masukkan kawat tembaga ke dalamnya

Hasil yang diharapkan:Tabung reaksi diisi dengan uap berwarna coklat, kawat menjadi panas dan “terbakar” membentuk sulfida yang rapuh.

2. Interaksi belerang dengan tembaga.

Reaksinya tidak terlalu jelas; pemanasan spontan pada tembaga juga tidak terjadi. Ketika asam klorida ditambahkan, tidak ada evolusi gas yang signifikan yang diamati.

SULFUR DAN BESI Fe + S = FeS + 100,4 kJ/mol

Metodologi dan efek yang diharapkan

Ambil 4 g bubuk belerang dan 7 g bubuk besi, lalu aduk. Tuang campuran yang dihasilkan ke dalam tabung reaksi. Mari kita panaskan zat-zat dalam tabung reaksi

Hasil yang diharapkan:Terjadi pemanasan spontan yang kuat pada campuran. Besi sulfida yang dihasilkan disinter. Zat tersebut tidak dipisahkan oleh air dan tidak bereaksi terhadap magnet.

1. Interaksi belerang dengan besi.

Hampir tidak mungkin untuk melakukan reaksi untuk menghasilkan besi sulfida tanpa residu dalam kondisi laboratorium; sangat sulit untuk menentukan kapan zat telah bereaksi sempurna tanpa adanya pemanasan spontan dari campuran reaksi; Zat yang dihasilkan diperiksa apakah itu besi sulfida. Untuk ini kami menggunakan HCl. Ketika kami menjatuhkan asam klorida ke zat tersebut, zat tersebut mulai berbusa dan hidrogen sulfida dilepaskan.

SULFUR DAN NATRIUM 2Na + S = Na 2 S + 370,3 kJ/mol

Metodologi dan efek yang diharapkan

Ambil 4 g bubuk belerang dan tuangkan ke dalam lesung dan giling dengan baik

Potong sepotong natrium dengan berat sekitar 2 g. Potong lapisan oksida dan giling menjadi satu.

Hasil yang diharapkan:Reaksi berlangsung cepat, dan pembakaran reagen secara spontan dimungkinkan.

3. Interaksi belerang dengan natrium.

Interaksi belerang dengan natrium merupakan eksperimen yang berbahaya dan mengesankan. Setelah beberapa detik digosok, percikan api pertama muncul, dan natrium serta belerang dalam mortar menyala dan mulai terbakar. Ketika produk berinteraksi dengan asam klorida, hidrogen sulfida dilepaskan secara aktif.

SULFUR DAN ZINC Zn + S = ZnS + 209 kJ/mol

Metodologi dan efek yang diharapkan

Ambil bubuk belerang dan seng, masing-masing 4 g, dan campur bahannya. Tuang campuran yang sudah jadi ke dalam jaring asbes. Kami membawa obor panas ke substansi

Hasil yang diharapkan:Reaksinya tidak terjadi dengan segera, tetapi hebat, dan terbentuklah nyala api berwarna biru kehijauan.

4. Interaksi belerang dengan seng.

Reaksi ini sangat sulit untuk dimulai; permulaannya memerlukan penggunaan zat pengoksidasi kuat atau suhu tinggi. Zat tersebut menyala dengan nyala api biru kehijauan. Ketika nyala api padam, residu tetap berada di tempat ini; ketika berinteraksi dengan asam klorida, sedikit hidrogen sulfida dilepaskan.

SULFUR DAN ALUMINIUM 2Al + 3S = Al 2 S 3 + 509,0 kJ/mol

Metodologi dan efek yang diharapkan

Ambil bubuk belerang seberat 4 g dan alumunium seberat 2,5 g lalu aduk. Tempatkan campuran yang dihasilkan pada jaring asbes. Nyalakan campuran dengan magnesium yang terbakar

Hasil yang diharapkan:Ketika reaksi terjadi, terjadi kilatan cahaya.

5. Interaksi belerang dengan aluminium.

Reaksinya memerlukan penambahan zat pengoksidasi kuat sebagai inisiator. Setelah penyalaan dengan pembakaran magnesium, terjadi kilatan warna putih kekuningan yang kuat, hidrogen sulfida dilepaskan cukup aktif.

SULFUR DAN MAGNESIUM Mg + S = MgS + 346,0 kJ/mol

Metodologi dan efek yang diharapkan

Ambil serutan magnesium 2,5 g dan bubuk belerang 4 g, lalu aduk

Tempatkan campuran yang dihasilkan pada jaring asbes. Kami membawa serpihan ke dalam campuran yang dihasilkan.

Hasil yang diharapkan:Reaksinya menyebabkan kilatan yang kuat.

4. Interaksi belerang dengan magnesium.

Reaksinya memerlukan penambahan magnesium murni sebagai inisiator. Kilatan warna keputihan yang kuat terjadi, hidrogen sulfida dilepaskan secara aktif.

Kesimpulan

Reaksi menghasilkan besi sulfida belum selesai, karena masih tersisa residu berupa campuran belerang plastik dan besi.

Pelepasan hidrogen sulfida paling aktif diamati pada natrium sulfida dan magnesium dan aluminium sulfida.

Tembaga sulfida memiliki pelepasan hidrogen sulfida yang kurang aktif.

Melakukan percobaan memperoleh natrium sulfida berbahaya dan tidak dianjurkan di laboratorium sekolah.

Reaksi untuk menghasilkan aluminium, magnesium dan seng sulfida paling cocok untuk dilakukan di lingkungan sekolah.

Hasil yang diharapkan dan aktual terjadi ketika belerang berinteraksi dengan natrium, magnesium, dan aluminium.

Kesimpulan

Meskipun ada rekomendasi untuk mendemonstrasikan interaksi besi dengan belerang sebagai contoh untuk menggambarkan fenomena kimia dan sifat oksidatif belerang dalam kursus kimia sekolah menengah, penerapan sebenarnya dari percobaan semacam itu seringkali tidak disertai dengan efek yang terlihat.

Saat menentukan alternatif untuk demonstrasi ini, dipilih sistem yang memenuhi persyaratan visibilitas, keamanan, dan ketersediaan zat bereaksi di laboratorium sekolah. Sistem reaksi belerang dengan tembaga, besi, seng, magnesium, aluminium, dan natrium dipilih sebagai pilihan yang memungkinkan kita mengevaluasi efektivitas penggunaan reaksi belerang dengan berbagai logam sebagai eksperimen demonstrasi dalam pelajaran kimia.

Berdasarkan hasil percobaan, ditentukan bahwa yang paling optimal untuk tujuan ini adalah menggunakan sistem reaksi belerang dengan logam dengan aktivitas sedang-tinggi (magnesium, aluminium).

Berdasarkan percobaan yang dilakukan, sebuah video dibuat yang menunjukkan sifat oksidatif belerang menggunakan contoh interaksinya dengan logam, yang memungkinkan untuk menggambarkan sifat-sifat ini tanpa melakukan percobaan skala penuh. Sebuah website telah dibuat sebagai bantuan tambahan ( ), yang antara lain menyajikan hasil penelitian dalam bentuk visual.

Hasil penelitian tersebut dapat menjadi dasar untuk mengkaji lebih mendalam tentang karakteristik sifat kimia nonlogam, kinetika kimia, dan termodinamika.

DEFINISI

Besi- unsur golongan kedelapan periode keempat Tabel Periodik Unsur Kimia oleh D. I. Mendeleev.

Dan nomor volumenya adalah 26. Simbolnya adalah Fe (Latin “ferrum”). Salah satu logam yang paling melimpah di kerak bumi (tempat kedua setelah aluminium).

Sifat fisik besi

Besi adalah logam berwarna abu-abu. Dalam bentuknya yang murni, ia cukup lunak, mudah dibentuk dan kental. Konfigurasi elektron tingkat energi terluar adalah 3d 6 4s 2. Dalam senyawanya, besi menunjukkan bilangan oksidasi “+2” dan “+3”. Titik leleh besi adalah 1539C. Besi membentuk dua modifikasi kristal: besi α- dan γ. Yang pertama mempunyai kisi kubik berpusat badan, yang kedua mempunyai kisi kubik berpusat muka. α-Besi stabil secara termodinamika dalam dua rentang suhu: di bawah 912 dan dari 1394C hingga titik leleh. Antara 912 dan 1394C γ-besi stabil.

Sifat mekanik besi bergantung pada kemurniannya - kandungan unsur lain dalam jumlah yang sangat kecil sekalipun. Besi padat memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak unsur dengan sendirinya.

Sifat kimia besi

Di udara lembab, besi cepat berkarat, mis. ditutupi dengan lapisan coklat oksida besi terhidrasi, yang karena kerapuhannya, tidak melindungi besi dari oksidasi lebih lanjut. Di dalam air, besi sangat terkorosi; dengan akses oksigen yang melimpah, bentuk hidrat besi (III) oksida terbentuk:

2Fe + 3/2O 2 + nH 2 O = Fe 2 O 3 ×H 2 O.

Dengan kekurangan oksigen atau sulitnya akses, terbentuk campuran oksida (II, III) Fe 3 O 4:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2.

Besi larut dalam asam klorida dengan konsentrasi berapa pun:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2.

Pembubaran dalam asam sulfat encer terjadi dengan cara yang sama:

Fe + H 2 JADI 4 = FeSO 4 + H 2.

Dalam larutan asam sulfat pekat, besi dioksidasi menjadi besi (III):

2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

Namun pada asam sulfat yang konsentrasinya mendekati 100%, besi menjadi pasif dan praktis tidak terjadi interaksi. Besi larut dalam larutan asam nitrat encer dan pekat:

Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O.

Pada konsentrasi asam nitrat yang tinggi, pelarutan melambat dan besi menjadi pasif.

Seperti logam lainnya, besi bereaksi dengan zat sederhana. Reaksi antara besi dan halogen (apa pun jenis halogennya) terjadi ketika dipanaskan. Interaksi besi dengan brom terjadi ketika tekanan uap brom meningkat:

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3;

3Fe + 4I 2 = Fe 3 Saya 8.

Interaksi besi dengan belerang (bubuk), nitrogen dan fosfor juga terjadi bila dipanaskan:

6Fe + N 2 = 2Fe 3 N;

2Fe + P = Fe 2 P;

3Fe + P = Fe 3 P.

Besi mampu bereaksi dengan non-logam seperti karbon dan silikon:

3Fe + C = Fe3C;

Di antara reaksi interaksi besi dengan zat kompleks, reaksi berikut memainkan peran khusus - besi mampu mereduksi logam yang berada pada deret aktivitas di sebelah kanannya dari larutan garam (1), mereduksi senyawa besi (III) ( 2):

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu (1);

Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2 (2).

Besi, pada tekanan tinggi, bereaksi dengan oksida non-pembentuk garam - CO untuk membentuk zat dengan komposisi kompleks - karbonil - Fe (CO) 5, Fe 2 (CO) 9 dan Fe 3 (CO) 12.

Besi, tanpa adanya pengotor, stabil dalam air dan larutan alkali encer.

Mendapatkan besi

Cara utama untuk memperoleh besi adalah dari bijih besi (hematit, magnetit) atau dengan elektrolisis larutan garamnya (dalam hal ini diperoleh besi “murni”, yaitu besi tanpa pengotor).

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

Latihan

Skala besi Fe 3 O 4 seberat 10 g mula-mula diolah dengan 150 ml larutan asam klorida (densitas 1,1 g/ml) dengan fraksi massa hidrogen klorida 20%, dan kemudian kelebihan besi ditambahkan ke dalam larutan yang dihasilkan. Tentukan komposisi larutan (dalam % berat).

Larutan

Mari kita tulis persamaan reaksi sesuai dengan kondisi soal: 8HCl + Fe 3 O 4 = FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O (1); 2FeCl 3 + Fe = 3FeCl 2 (2). Mengetahui massa jenis dan volume larutan asam klorida, Anda dapat mencari massanya: m sol (HCl) = V(HCl) × ρ (HCl); m sol (HCl) = 150×1,1 = 165 gram. Mari kita hitung massa hidrogen klorida: m(HCl) = m sol (HCl) ×ω(HCl)/100%; m(HCl) = 165×20%/100% = 33 gram. Massa molar (massa satu mol) asam klorida, dihitung menggunakan tabel unsur kimia oleh D.I. Mendeleev – 36,5 g/mol. Mari kita cari jumlah hidrogen klorida: v(HCl) = m(HCl)/M(HCl); v(HCl) = 33/36,5 = 0,904 mol. Skala massa molar (massa satu mol), dihitung menggunakan tabel unsur kimia oleh D.I. Mendeleev – 232 gram/mol. Mari kita cari jumlah zat skala: v(Fe 3 O 4) = 10/232 = 0,043 mol. Berdasarkan persamaan 1, v(HCl): v(Fe 3 O 4) = 1:8, maka v(HCl) = 8 v(Fe 3 O 4) = 0,344 mol. Maka jumlah hidrogen klorida yang dihitung dengan persamaan (0,344 mol) akan lebih kecil dari jumlah yang ditunjukkan dalam rumusan masalah (0,904 mol). Oleh karena itu, asam klorida berlebih dan reaksi lain akan terjadi: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (3). Mari kita tentukan jumlah zat besi klorida yang terbentuk sebagai hasil reaksi pertama (kita menggunakan indeks untuk menunjukkan reaksi spesifik): v 1 (FeCl 2):v(Fe 2 O 3) = 1:1 = 0,043 mol; v 1 (FeCl 3):v(Fe 2 O 3) = 2:1; v 1 (FeCl 3) = 2 × v (Fe 2 O 3) = 0,086 mol. Mari kita tentukan jumlah hidrogen klorida yang tidak bereaksi pada reaksi 1 dan jumlah besi (II) klorida yang terbentuk pada reaksi 3: v rem (HCl) = v(HCl) – v 1 (HCl) = 0,904 – 0,344 = 0,56 mol; v 3 (FeCl 2): ​​​​v rem (HCl) = 1:2; v 3 (FeCl 2) = 1/2 × v rem (HCl) = 0,28 mol. Mari kita tentukan jumlah zat FeCl 2 yang terbentuk pada reaksi 2, jumlah total zat FeCl 2 dan massanya: v 2 (FeCl 3) = v 1 (FeCl 3) = 0,086 mol; v 2 (FeCl 2): ​​​​v 2 (FeCl 3) = 3:2; v 2 (FeCl 2) = 3/2× v 2 (FeCl 3) = 0,129 mol; v jumlah (FeCl 2) = v 1 (FeCl 2) + v 2 (FeCl 2) + v 3 (FeCl 2) = 0,043 + 0,129 + 0,28 = 0,452 mol; m(FeCl 2) = v jumlah (FeCl 2) × M(FeCl 2) = 0,452 × 127 = 57,404 g. Mari kita tentukan jumlah zat dan massa besi yang masuk ke dalam reaksi 2 dan 3: v 2 (Fe): v 2 (FeCl 3) = 1:2; v 2 (Fe) = 1/2× v 2 (FeCl 3) = 0,043 mol; v 3 (Fe): v rem (HCl) = 1:2; v 3 (Fe) = 1/2×v rem (HCl) = 0,28 mol; v jumlah (Fe) = v 2 (Fe) + v 3 (Fe) = 0,043+0,28 = 0,323 mol; m(Fe) = v jumlah (Fe) ×M(Fe) = 0,323 ×56 = 18,088 g. Mari kita hitung jumlah zat dan massa hidrogen yang dilepaskan pada reaksi 3: v(H 2) = 1/2×v rem (HCl) = 0,28 mol; m(H 2) = v(H 2) ×M(H 2) = 0,28 × 2 = 0,56 g. Kami menentukan massa larutan yang dihasilkan m' sol dan fraksi massa FeCl 2 di dalamnya: m’ sol = m sol (HCl) + m(Fe 3 O 4) + m(Fe) – m(H 2);

Sifat kimia besi Mari kita lihat contoh interaksinya dengan non-logam - belerang dan oksigen.

Campurkan besi dan belerang yang dihaluskan hingga menjadi bubuk dalam cawan Petri. Mari kita panaskan jarum rajut baja dalam api dan sentuhkan ke campuran reagen. Reaksi hebat antara besi dan belerang disertai dengan pelepasan energi panas dan cahaya. Produk padat interaksi zat-zat ini, besi (II) sulfida, berwarna hitam. Berbeda dengan besi, ia tidak tertarik oleh magnet.

Besi bereaksi dengan belerang membentuk besi(II) sulfida. Mari kita buat persamaan reaksinya:

Reaksi besi dengan oksigen juga memerlukan pemanasan awal. Tuang pasir kuarsa ke dalam wadah berdinding tebal. Mari kita panaskan seikat kawat besi yang sangat tipis - yang disebut wol besi - dalam nyala api kompor. Tempatkan kawat panas ke dalam bejana berisi oksigen. Besi terbakar dengan nyala api yang menyilaukan, menyebarkan percikan api – partikel panas kerak besi Fe 3 O 4.

Reaksi yang sama juga terjadi di udara, ketika baja menjadi sangat panas akibat gesekan selama pemesinan.

Ketika besi terbakar di oksigen atau di udara, kerak besi terbentuk:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4, Bahan dari situs

atau 3Fe + 2O 2 = FeO. Fe 2 HAI 3 .

Kerak besi merupakan suatu senyawa yang besi mempunyai nilai valensi yang berbeda-beda.

Berjalannya kedua reaksi ikatan tersebut disertai dengan pelepasan energi panas dan cahaya.

Di halaman ini terdapat materi tentang topik-topik berikut:

• Apa jenis reaksi besi sulfida dengan oksigen?

• Tuliskan persamaan antara besi dan belerang

• Tingkat reaksi besi dengan oksigen

• Contoh reaksi kimia antara besi dan belerang

• Persamaan interaksi oksigen dengan besi

Pertanyaan tentang materi ini:

Besi adalah unsur subkelompok samping golongan kedelapan periode keempat sistem periodik unsur kimia D.I. Mendeleev dengan nomor atom 26. Dilambangkan dengan simbol Fe (lat. Ferrum). Salah satu logam yang paling melimpah di kerak bumi (tempat kedua setelah aluminium). Logam aktivitas sedang, zat pereduksi.

Bilangan oksidasi utama - +2, +3

Zat sederhana besi adalah logam putih keperakan yang mudah ditempa dengan reaktivitas kimia yang tinggi: besi cepat terkorosi pada suhu tinggi atau kelembaban tinggi di udara. Besi terbakar dalam oksigen murni, dan dalam keadaan terdispersi halus, besi akan terbakar secara spontan di udara.

Sifat kimia zat sederhana - besi:

Berkarat dan terbakar dalam oksigen

1) Di udara, besi mudah teroksidasi dengan adanya uap air (berkarat):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

Kawat besi panas terbakar dalam oksigen, membentuk kerak - oksida besi (II, III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °C)

2) Pada suhu tinggi (700–900°C), besi bereaksi dengan uap air:

3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) Besi bereaksi dengan nonlogam jika dipanaskan:

2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)

Fe + S – t° → FeS (600 °C)

Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°C)

4) Pada rangkaian tegangan, di sebelah kiri hidrogen, bereaksi dengan asam encer HCl dan H 2 SO 4, dan garam besi(II) terbentuk dan hidrogen dilepaskan:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reaksi dilakukan tanpa akses udara, jika tidak Fe +2 secara bertahap diubah oleh oksigen menjadi Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (diencerkan) → FeSO 4 + H 2

Dalam asam pengoksidasi pekat, besi hanya larut ketika dipanaskan; besi segera berubah menjadi kation Fe 3+:

2Fe + 6H 2 SO 4 (konsentrasi) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (konsentrasi) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(dalam asam nitrat dan sulfat pekat yang dingin pasif

Paku besi yang direndam dalam larutan tembaga sulfat berwarna kebiruan lambat laun dilapisi dengan lapisan tembaga metalik merah.

5) Besi menggantikan logam yang terletak di sebelah kanannya dari larutan garamnya.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Sifat amfoter besi hanya muncul dalam alkali pekat selama perebusan:

Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O= Na 2 ↓+ H 2

dan terbentuk endapan natrium tetrahidroksoferat(II).

Perangkat keras teknis- paduan besi dan karbon: besi cor mengandung 2,06-6,67% C, baja 0,02-2,06% C, pengotor alami lainnya (S, P, Si) dan aditif khusus yang dibuat secara artifisial (Mn, Ni, Cr) sering terdapat, yang memberikan sifat yang berguna secara teknis pada paduan besi - kekerasan, ketahanan termal dan korosi, kelenturan, dll. . .

Proses produksi besi tanur sembur

Proses produksi besi tanur sembur terdiri dari tahapan sebagai berikut:

a) persiapan (pemanggangan) bijih sulfida dan karbonat - konversi menjadi bijih oksida:

FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2.800°C, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2.500-600°C, -CO 2)

b) pembakaran kokas dengan semburan panas:

C (kokas) + O 2 (udara) → CO 2 (600-700 °C) CO 2 + C (kokas) ⇌ 2 CO (700-1000 °C)

c) reduksi bijih oksida dengan karbon monoksida CO secara berurutan:

Fe2O3 →(BERSAMA)(Fe II Fe 2 III) HAI 4 →(BERSAMA) FeO →(BERSAMA) Fe

d) karburisasi besi (sampai 6,67% C) dan peleburan besi tuang:

Fe (t ) →(C(minuman bersoda)900-1200°C) Fe (cair) (besi tuang, titik leleh 1145°C)

Besi tuang selalu mengandung sementit Fe 2 C dan grafit berbentuk butiran.

Produksi baja

Konversi besi tuang menjadi baja dilakukan dalam tungku khusus (konverter, perapian terbuka, listrik), yang berbeda dalam metode pemanasannya; suhu proses 1700-2000 °C. Hembusan udara yang kaya oksigen menyebabkan pembakaran kelebihan karbon, serta belerang, fosfor dan silikon dalam bentuk oksida dari besi tuang. Dalam hal ini, oksida ditangkap dalam bentuk gas buang (CO 2, SO 2), atau diikat menjadi terak yang mudah dipisahkan - campuran Ca 3 (PO 4) 2 dan CaSiO 3. Untuk menghasilkan baja khusus, aditif paduan logam lain dimasukkan ke dalam tungku.

Kuitansi besi murni dalam industri - elektrolisis larutan garam besi, misalnya:

FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90°С) (elektrolisis)

(ada metode khusus lainnya, termasuk reduksi oksida besi dengan hidrogen).

Besi murni digunakan dalam produksi paduan khusus, dalam pembuatan inti elektromagnet dan transformator, besi cor - dalam produksi coran dan baja, baja - sebagai bahan struktural dan perkakas, termasuk tahan aus, panas dan korosi. yang.

Besi(II) oksida F EO . Oksida amfoter dengan dominasi sifat basa yang tinggi. Hitam, memiliki struktur ionik Fe 2+ O 2- . Saat dipanaskan, ia terurai terlebih dahulu dan kemudian terbentuk kembali. Itu tidak terbentuk ketika besi terbakar di udara. Tidak bereaksi dengan air. Terurai dengan asam, menyatu dengan basa. Perlahan teroksidasi di udara lembab. Direduksi dengan hidrogen dan kokas. Berpartisipasi dalam proses tanur tinggi peleburan besi. Ini digunakan sebagai komponen keramik dan cat mineral. Persamaan reaksi yang paling penting:

4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 °C, 900-1000 °C)

FeO + 2HC1 (diencerkan) = FeC1 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 (konsentrasi) = Fe(NO 3) 3 +NO 2 + 2H 2 O

FeO + 4NaOH = 2H 2 O + Nsebuah 4FeHAI3 (merah.) trioksoferat(II)(400-500 °C)

FeO + H 2 =H 2 O + Fe (ekstra murni) (350°C)

FeO + C (kokas) = ​​Fe + CO (di atas 1000 °C)

FeO + CO = Fe + CO 2 (900°C)

4FeO + 2H 2 O (kelembaban) + O 2 (udara) →4FeO(OH) (t)

6FeO + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500°C)

Kuitansi V laboratorium: dekomposisi termal senyawa besi (II) tanpa akses udara:

Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)

FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 °C)

Diiron(III) oksida - besi( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Oksida ganda. Hitam, memiliki struktur ionik Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Stabil secara termal hingga suhu tinggi. Tidak bereaksi dengan air. Terurai oleh asam. Direduksi dengan hidrogen dan besi panas. Berpartisipasi dalam proses tanur sembur produksi besi cor. Digunakan sebagai komponen cat mineral ( timah besi), keramik, semen berwarna. Produk oksidasi khusus pada permukaan produk baja ( menghitam, membiru). Komposisinya sesuai dengan karat coklat dan kerak gelap pada besi. Penggunaan rumus kasar Fe 3 O 4 tidak dianjurkan. Persamaan reaksi yang paling penting:

2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (di atas 1538 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8НС1 (dil.) = FeС1 2 + 2FeС1 3 + 4Н 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (konsentrasi) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (udara) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 °C)

(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (ekstra murni, 1000 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 (500-800°C)

(Fe II Fe 2 III)O4 + Fe ⇌4FeO (900-1000 °C, 560-700 °C)

Kuitansi: pembakaran besi (lihat) di udara.

magnetit.

Besi(III) oksida F e 2 HAI 3 . Oksida amfoter dengan dominasi sifat basa. Berwarna merah kecoklatan, mempunyai struktur ionik (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Stabil secara termal hingga suhu tinggi. Itu tidak terbentuk ketika besi terbakar di udara. Tidak bereaksi dengan air, hidrat amorf berwarna coklat Fe 2 O 3 nH 2 O mengendap dari larutan. Bereaksi lambat dengan asam dan basa. Direduksi oleh karbon monoksida, besi cair. Menyatu dengan oksida logam lain dan membentuk oksida ganda - spinel(produk teknis disebut ferit). Ini digunakan sebagai bahan baku dalam peleburan besi cor dalam proses tanur tinggi, katalis dalam produksi amonia, komponen keramik, semen berwarna dan cat mineral, dalam pengelasan termit pada struktur baja, sebagai pembawa suara. dan gambar pada pita magnetik, sebagai bahan pemoles baja dan kaca.

Persamaan reaksi yang paling penting:

6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °C)

Fe 2 O 3 + 6НС1 (dil.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)

Fe 2 O 3 + 2NaOH (konsentrasi) →H 2 O+ 2 NAFeHAI 2 (merah)dioksoferrat(III)

Fe 2 O 3 + MO = (M II Fe 2 II I) O 4 (M = Cu, Mn, Fe, Ni, Zn)

Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O+ 2Fe (ekstra murni, 1050-1100 °C)

Fe 2 O 3 + Fe = 3FeO (900 °C)

3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 + CO 2 (400-600 °C)

Kuitansi di laboratorium - dekomposisi termal garam besi (III) di udara:

Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °C)

4(Fe(NO 3) 3 9 H 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 °C)

Di alam - bijih besi oksida bijih besi Fe 2 O 3 dan limonit Fe 2 O 3 nH 2 O

Besi(II) hidroksida F e(OH) 2 . Hidroksida amfoter dengan dominasi sifat basa. Putih (terkadang dengan warna kehijauan), ikatan Fe-OH sebagian besar bersifat kovalen. Tidak stabil secara termal. Mudah teroksidasi di udara, terutama saat basah (warnanya menjadi gelap). Tidak larut dalam air. Bereaksi dengan asam encer dan basa pekat. Peredam tipikal. Produk antara dalam karatan besi. Ini digunakan dalam pembuatan baterai besi-nikel massal aktif.

Persamaan reaksi yang paling penting:

Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, atm.N 2)

Fe(OH) 2 + 2HC1 (dil.) = FeC1 2 + 2H 2 O

Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (biru-hijau) (mendidih)

4Fe(OH) 2 (suspensi) + O 2 (udara) →4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)

2Fe(OH) 2 (suspensi) +H 2 O 2 (diencerkan) = 2FeO(OH)↓ + 2H 2 O

Fe(OH) 2 + KNO 3 (konsentrasi) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 °C)

Kuitansi: pengendapan dari larutan alkali atau amonia hidrat dalam atmosfer inert:

Fe 2+ + 2OH (dil.) = Fe(OH) 2 ↓

Fe 2+ + 2(NH 3 H 2 O) = Fe(OH) 2 ↓+ 2NH 4

Metahidroksida besi F eO(OH). Hidroksida amfoter dengan dominasi sifat basa. Coklat muda, ikatan Fe - O dan Fe - OH sebagian besar bersifat kovalen. Saat dipanaskan, ia terurai tanpa meleleh. Tidak larut dalam air. Endapan dari larutan dalam bentuk polihidrat amorf coklat Fe 2 O 3 nH 2 O, yang bila disimpan dalam larutan basa encer atau setelah dikeringkan, berubah menjadi FeO(OH). Bereaksi dengan asam dan basa padat. Agen pengoksidasi dan pereduksi lemah. Disinter dengan Fe(OH)2. Produk antara dalam karatan besi. Ini digunakan sebagai bahan dasar cat dan enamel mineral kuning, penyerap gas limbah, dan katalis dalam sintesis organik.

Senyawa dengan komposisi Fe(OH) 3 tidak diketahui (tidak diperoleh).

Persamaan reaksi yang paling penting:

Fe 2 HAI 3 . nH 2 O→( 200-250 °C, —H 2 HAI) FeO(OH)→( 560-700°C di udara, -H2O)→Fe 2 O 3

FeO(OH) + ZNS1 (dil.) = FeC1 3 + 2H 2 O

FeO(OH)→ Fe 2 HAI 3 . nH 2 HAI-koloid(NaOH (konsentrasi))

FeO(OH)→ Nsebuah 3 [Fe(OH) 6 ]putih, Na 5 dan K 4 masing-masing; dalam kedua kasus tersebut, produk biru dengan komposisi dan struktur yang sama, KFe III, mengendap. Di laboratorium endapan ini disebut biru Prussia, atau turnbull biru:

Fe 2+ + K++ 3- = KFe III ↓

Fe 3+ + K++ 4- = KFe III ↓

Nama kimia pereaksi awal dan produk reaksi:

K 3 Fe III - kalium heksasianoferrat (III)

K 4 Fe III - kalium heksasianoferrat (II)

Fe III - besi (III) kalium heksasianoferrat (II)

Selain itu, reagen yang baik untuk ion Fe 3+ adalah ion tiosianat NСS -, besi (III) bergabung dengannya, dan muncul warna merah cerah (“berdarah”):

Fe 3+ + 6NCS - = 3-

Reagen ini (misalnya dalam bentuk garam KNCS) bahkan dapat mendeteksi jejak besi (III) pada air keran jika melewati pipa besi yang bagian dalamnya dilapisi karat.