Przemiany chemiczne związków żelaza

Żelazo to metal o liczbie atomowej 26. Jest składnikiem skorupy ziemskiej i wielu minerałów, należy także do mikroelementów ludzkiego organizmu. Wykazuje stosunkowo dużą reaktywność.

Reaguje z kwasem solnym (HCl), jak również z rozcieńczonym kwasem siarkowym (VI) – H2SO4. Można to sprawdzić doświadczalnie poprzez wrzucenie gwoździa żelaznego do probówek zawierających wyżej wymienione kwasy. W obu przypadkach obserwujemy wydzielanie się gazowego wodoru oraz zmianę zabarwienia roztworu na kolor jasnozielony. W probówkach zaszły następujące reakcje:

  1. Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
  2. Fe + H2SO4 rozc.→ FeSO4 + H2

W zapisie jonowym reakcji: Fe + 2H+ → Fe2+ + H2 ↑ widać, że w tej sytuacji żelazo przechodzi z 0 na +II stopień utlenienia. Jasnozielona barwa roztworu pochodzi właśnie od jonów Fe2+.

Powstały w doświadczeniu roztwór można poddać kolejnym reakcjom, by obserwować inne przemiany żelaza. Na początek, dodajemy kroplami roztwór zasady sodowej (NaOH), w wyniku czego powstaje jasnozielony osad. W probówce zaszła następująca reakcja:
FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2 ↓+ 2NaCl (zapis jonowy: Fe2+ + 2 OH → Fe(OH)2 ↓)

Podczas tej reakcji żelazo nie zmieniło stopnia utlenienia (pozostało na +II). Jasnozielona barwa osadu spowodowana jest wytrąceniem wodorotlenku żelaza (II).

Jeżeli do powstałego osadu dodamy roztwór nadtlenku wodoru (który pełni funkcję utleniacza), osad zmieni barwę na czerwonobrunatną:

2Fe(OH)2 + H2O2 → 2Fe(OH)3

Żelazo przechodzi z +II na +III stopień utlenienia. Czerwonobrunatne zabarwienie osadu pochodzi od powstającego wodorotlenku żelaza (III).

Wodorotlenek żelaza (II) można poddać także działaniu wysokiej temperatury, co doprowadzi do powstania czarnego proszku – tlenku żelaza (II). W wyniku przeprowadzonej reakcji: Fe(OH)2 → FeO + H2O nie dochodzi do zmiany stopnia utlenienia żelaza – w obu związkach pozostaje ono na +II stopniu utlenienia.

Ogrzewaniu można poddać także wodorotlenek żelaza (III), co będzie skutkowało powstaniem czerwonobrunatnego proszku – tlenku żelaza (III). Tutaj również nie dochodzi do zmiany stopnia utlenienia żelaza (pozostaje ono na +III stopniu utlenienia), a przebieg reakcji można przedstawić następująco: 2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O.

Z kolei w wyniku reakcji siarczanu (VI) żelaza (II) z utleniaczem (H2O2) w środowisku H2SO4 roztwór przyjmuje żółte zabarwienie. Świadczy to o powstaniu siarczanu (VI) żelaza (III) – Fe2(SO4)3. Zachodzi następująca reakcja: 2FeSO4 + H2O2 + H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 2H2O. Żelazo zmienia stopień utlenienia z +II na +III.

Należy także zwrócić uwagę na fakt, że żelazo w temperaturze pokojowej nie ulega reakcjom z kwasami utleniającymi (takimi jak na przykład kwas azotowy (V) czy stężony kwas siarkowy (VI)). W takim przypadku dochodzi do zjawiska pasywacji, co oznacza, że na powierzchni metalu tworzy się warstwa związku, która chroni przed dalszą reakcją.