Страница 176 - гдз по химии 9 класс учебник Габриелян, Остроумов

Лабораторный опыт 44

В одну пробирку налейте 2 мл раствора сульфата железа(II), в другую — такой же объём раствора хлорида железа(III). В первую пробирку добавьте 3–4 капли раствора красной кровяной соли, во вторую — 3–4 капли раствора жёлтой кровяной соли. Что наблюдаете? Сравните цвет образующихся осадков.

Решение

В ходе данного лабораторного опыта проводятся качественные реакции для определения ионов железа с разной степенью окисления: $Fe^{2+}$ и $Fe^{3+}$.

Что наблюдаете?

В первой пробирке к раствору сульфата железа(II) ($FeSO_4$), содержащему ионы $Fe^{2+}$, добавляется раствор красной кровяной соли (гексацианоферрата(III) калия, $K_3[Fe(CN)_6]$). В результате реакции наблюдается образование объёмного осадка тёмно-синего цвета, который называют турнбулевой синью.
Уравнение реакции: $3FeSO_4 + 2K_3[Fe(CN)_6] \rightarrow Fe_3[Fe(CN)_6]_2 \downarrow + 3K_2SO_4$

Во второй пробирке к раствору хлорида железа(III) ($FeCl_3$), содержащему ионы $Fe^{3+}$, добавляется раствор жёлтой кровяной соли (гексацианоферрата(II) калия, $K_4[Fe(CN)_6]$). В результате этой реакции также наблюдается образование осадка тёмно-синего цвета, известного как берлинская лазурь.
Уравнение реакции: $4FeCl_3 + 3K_4[Fe(CN)_6] \rightarrow Fe_4[Fe(CN)_6]_3 \downarrow + 12KCl$

Ответ: В обеих пробирках наблюдается образование тёмно-синего осадка.

Сравните цвет образующихся осадков.

Осадки, полученные в первой (турнбулева синь) и второй (берлинская лазурь) пробирках, имеют одинаковый интенсивный тёмно-синий цвет. Несмотря на разные исходные реагенты и исторические названия, было установлено, что структура и состав этих двух осадков идентичны. Оба вещества представляют собой гексацианоферрат(II) калия-железа(III) с общей формулой $KFe[Fe(CN)_6]$. Поэтому их цвета неразличимы.

Ответ: Цвет осадков, образующихся в первой и второй пробирках, одинаковый.

1. Расскажите о нахождении железа в природе.

Железо — один из самых распространённых химических элементов в земной коре (около 5% по массе, 4-е место после кислорода, кремния и алюминия) и во Вселенной в целом. Предполагается, что ядро Земли состоит преимущественно из железа.

В природе железо встречается в основном в виде соединений, так как оно является химически активным металлом и легко окисляется на воздухе. Самородное железо (в чистом виде) — большая редкость. Его находят в основном в метеоритах (метеоритное железо), а также в виде небольших включений в некоторых базальтах.

Главными формами нахождения железа являются его минералы, которые при больших скоплениях образуют промышленные месторождения — железные руды. Важнейшие из них:

• Оксиды железа:
  • Красный железняк (минерал гематит), химическая формула $Fe_2O_3$. Содержит до 70% железа и является основной железной рудой в мировой промышленности.
  • Магнитный железняк (минерал магнетит), формула $Fe_3O_4$. Это самая богатая железом руда (содержание $Fe$ до 72,4%), обладает сильными магнитными свойствами.
  • Бурый железняк (лимонит), представляет собой смесь гидроксидов железа(III), условная формула $FeO(OH) \cdot nH_2O$. Образуется в биосфере в результате выветривания других железосодержащих минералов.
• Сульфиды железа:
  • Серный или железный колчедан (минерал пирит), формула $FeS_2$. Несмотря на высокое содержание железа, обычно не используется для его получения из-за примеси серы, которая ухудшает качество стали. В основном служит сырьём для производства серной кислоты.
• Карбонаты и силикаты:
  • Железный шпат (минерал сидерит), формула $FeCO_3$. Имеет меньшее промышленное значение по сравнению с оксидными рудами.
  • Железо также входит в состав многих силикатных минералов (например, оливина, пироксенов, амфиболов, слюд), которые слагают большую часть земной коры, но из-за сложности извлечения они не используются как руда.

Железо играет важнейшую биологическую роль. Оно входит в состав гемоглобина — белка крови, который обеспечивает транспорт кислорода от лёгких к тканям у животных и человека. Ионы железа являются кофакторами многих ферментов, участвующих в процессах клеточного дыхания. В растениях железо необходимо для синтеза хлорофилла.

В природных водах железо часто содержится в растворенном виде, например, в форме бикарбоната $Fe(HCO_3)_2$. При контакте с кислородом воздуха оно окисляется и выпадает в осадок в виде нерастворимого гидроксида железа(III) $Fe(OH)_3$, придавая воде и донным отложениям характерный бурый ("ржавый") цвет.

Ответ: Железо является одним из самых распространённых элементов на Земле, но в свободном виде почти не встречается. Основная его масса находится в виде соединений, образующих минералы и горные породы. Важнейшими промышленными источниками железа являются железные руды: красный железняк (гематит, $Fe_2O_3$), магнитный железняк (магнетит, $Fe_3O_4$) и бурый железняк (лимонит). Железо также широко распространено в виде сульфидов (пирит, $FeS_2$) и входит в состав силикатных минералов. Кроме того, железо является жизненно важным микроэлементом для большинства живых организмов, входя в состав гемоглобина и многих ферментов.

2. Не производя расчётов, укажите, в какой из руд — красном, буром, магнитном железняке или пирите — массовая доля железа наибольшая.

Чтобы определить, в какой из руд массовая доля железа наибольшая, не прибегая к точным вычислениям, необходимо сравнить химические формулы основных минералов, из которых состоят эти руды. Массовая доля элемента тем выше, чем больше его относительная масса в общей массе соединения.

Основные минералы, соответствующие перечисленным рудам:

• Красный железняк (основной минерал - гематит): $Fe_2O_3$
• Бурый железняк (основной минерал - лимонит): $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$
• Магнитный железняк (основной минерал - магнетит): $Fe_3O_4$
• Пирит (железный колчедан): $FeS_2$

Теперь проведём попарное сравнение:

1. Сравнение красного железняка ($Fe_2O_3$) и бурого железняка ($Fe_2O_3 \cdot nH_2O$)

Бурый железняк представляет собой гидратированный оксид железа, то есть оксид железа(III), связанный с молекулами воды. Наличие воды ($H_2O$) увеличивает общую молярную массу соединения, но не увеличивает массу железа. Следовательно, массовая доля железа в буром железняке всегда будет ниже, чем в красном железняке (гематите).

2. Сравнение красного железняка ($Fe_2O_3$) и пирита ($FeS_2$)

Сравним, какая масса других элементов приходится на одну и ту же массу железа. Атомная масса серы ($Ar(S) \approx 32~а.е.м.$) значительно больше атомной массы кислорода ($Ar(O) \approx 16~а.е.м.$).

• В $Fe_2O_3$ на 2 атома железа приходится 3 атома кислорода. Масса кислорода: $3 \times 16 = 48~а.е.м.$
• В $FeS_2$ на 1 атом железа приходится 2 атома серы. Чтобы сравнить с $Fe_2O_3$, возьмём 2 формульные единицы пирита: $2FeS_2$. Здесь на 2 атома железа приходится 4 атома серы. Масса серы: $4 \times 32 = 128~а.е.м.$

На одинаковое количество атомов железа (2 атома) в пирите приходится значительно большая масса другого элемента (128 а.е.м. серы против 48 а.е.м. кислорода в гематите). Значит, массовая доля железа в красном железняке выше, чем в пирите.

3. Сравнение красного железняка ($Fe_2O_3$) и магнитного железняка ($Fe_3O_4$)

Это самое важное сравнение. Чтобы понять, где доля железа выше, сравним отношение масс железа и кислорода. Проще всего это сделать, приведя формулы к одинаковому числу атомов одного из элементов. Приведём к одинаковому числу атомов железа — к 6.

• Для красного железняка ($Fe_2O_3$) нужно взять 3 формульные единицы, чтобы получить 6 атомов железа. Состав будет эквивалентен $Fe_6O_9$.
• Для магнитного железняка ($Fe_3O_4$) нужно взять 2 формульные единицы. Состав будет эквивалентен $Fe_6O_8$.

Теперь мы сравниваем два гипотетических соединения: $Fe_6O_9$ и $Fe_6O_8$. В обоих содержится одинаковое количество железа. Однако во втором случае (магнитный железняк) на то же количество железа приходится меньше атомов кислорода (8 против 9). Это означает, что общая масса $Fe_6O_8$ меньше, чем масса $Fe_6O_9$. Поскольку масса железа в обоих случаях одинакова, его массовая доля будет выше там, где общая масса меньше, то есть в магнитном железняке.

Таким образом, из всех перечисленных руд наибольшее содержание железа имеет магнитный железняк.

Ответ: Наибольшая массовая доля железа в магнитном железняке.