Iron chloride (III) and boiling water. Хлорид железа (III) и кипящая вода

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Iron chloride (III) and boiling water - pt.1 / Хлорид железа (III) и кипящая вода

Когда делал эксперименты по взаимодействию красной кровяной соли с хлоридом железа (III) дело дошло до кипячения смеси растворов ( Iron(III) chloride and potassium ferricyanide - pt.2 / Хлорид железа (III) и красная кровяная соль [ссылка]). Неожиданно вспомнил про другой эксперимент с FeCl3: я читал его описание еще в детстве, но до сих пор не сделал. Называется он:

"Чай, который нельзя выпить".

В какой он был книге - остается только искать, но суть его простая, поэтому решил воспроизвести опыт без точного описания. В стакан с кипящей водой добавляем каплю раствора хлорида железа (III) - в результате происходит гидролиз и содержимое стакана превращается в коричневый коллоидный раствор, похожий на чай (гидроксид железа (III) или основные хлориды железа (III)).

В первом опыте я налил в стакан 200 мл дистиллированной воды, поставил на плитку, довел до кипения. В кипящую воду добавил 2 капли насыщенного раствора хлорида железа (III) - раствор в стакане стал темно-коричневым. Возникновения мути или других признаков образования осадка заметно не было. Факт возникновения коллоида можно было проверить с помощью луча лазера или любого другого узкого луча: при прохождении узкого светового пучка сквозь коллоидный раствор сбоку виден световой конус - конус Тиндаля. Истинный раствор не дает такого эффекта.

Вместо этого я просто проверил рН универсальной индикаторной бумажкой: среда оказалась слабокислой, близкой к нейтральной. Если гидролиз и идет (должен), то лишь частично.

Второй опыт. Закипятил в стакане 200 мл водопроводной воды (вода из-под крана), и не прекращая кипения, добавил 2 капли насыщенного раствора хлорида железа (III), перемешал. Раствор стал коричневым, и почти сразу - мутным (образование суспензии), еще через несколько десятков секунд в растворе стали заметны бурые хлопья: это гидроксид железа (III) или основные хлориды. Снял раствор с плиты - вскоре хлопья четко сформировались, укрупнились и постепенно осели на дно, образуя объемный бурый осадок, над которым остался почти бесцветный раствор. Если стакан снова поставить на горячую плитку, крупные агрегаты хлопьев всплывали вверх, затем плавали в жидкости вверх-вниз за счет конвекции.

Третий опыт. В стакан с 200 мл кипящей дистиллированной воды добавил 2 капли насыщенного раствора хлорида железа (III), перемешал. Результат - темно-коричневый раствор, признаков образования твердой фазы незаметно. Несколько минут кипячения - визуальных изменений нет. Добавил примерно 20 мл холодной водопроводной воды, перемешал, продолжил нагрев. Постепенно в стакане появилась муть, через несколько десятков секунд - коричневые хлопья. Все примерно, как в опыте с водопроводной водой, только медленнее. Пока я держал стакан на плите, пузырьки пара и конвекционные потоки воды препятствовали образованию крупных хлопьев, но после снятия стакана с плиты более крупные хлопья быстро сформировались и, когда конвекционные потоки утихли, осели на дно.

Взял один из стаканов с водой и коричневым осадком на дне. Аккуратно декантировал жидкость в чистый стакан и добавил туда раствор роданида аммония, цель - определить наличие трехвалентного железа в растворе. Результат - раствор стал красно-оранжевым: т.е. железо есть, но его мало.

Объяснить происходящее просто. Водопроводная вода содержит растворенные соли, некоторые из них при нагревании подвергаются гидролизу (например, Na₂CO₃, NaHCO₃, KHCO₃), в результате среда смещается в щелочную область - настолько, что фенолфталеин при добавлении к кипящей водопроводной воде становится малиновым, хотя холодная водопроводная вода не дает малиновой окраски с фенолфталеином (см. статью Гидролиз (водопроводная вода). Hydrolysis (tap water) [ссылка]). Щелочная среда приводит к гидролизу хлорида железа (III). Например, в случае карбоната натрия суммарное уравнение будет иметь вид:

2FeCl₃ + 3Na₂CO₃ + 3H₂O = 2Fe(OH)₃ + 6NaCl + 3CO₂

Позже нашел книгу, в которой я в детстве прочитал описание этого опыта: О.І. Астахов Цікаві роботи з хімії (Занимательные работы по химии) С.30 [ссылка].

Iron chloride (III) and boiling water. Хлорид железа (III) и кипящая вода

Как видите, в ней речь идет только о дистиллированной воде, причем в качестве признака гидролиза хлорида железа (III) автор приводит интенсивную окраску кипящего раствора. Окраска коллоидных растворов действительно обычно более интенсивная, чем истинных растворов (при той же концентрации), но критерий не особо надежный.

Упомяну также, что хлорид железа (III) используется в процессе очистки природной воды (речной, озерной) - для последующего ее использования с питьевыми целями. Данная стадия называется "коагуляция воды" ("коагулирование воды"). После отделения крупных механических примесей (и при необходимости - регулирования рН) в воду добавляют раствор коагулянта. В качестве коагулянта служат: хлорид железа или сульфат железа (III), сульфат алюминия, алюминиевые квасцы, гидроксохлорид алюминия и т.п. При добавлении коагулянта в растворе возникают хлопья гидроксида железа или алюминия, которые сорбируют и обволакивают твердые неорганические и органические загрязнения: водоросли, бактерии и вирусы, частицы ила и глины, также - сорбируют некоторые растворенные вещества. Оседая на дно, гидроксиды увлекают примеси с собой. Чтобы облегчить процесс образования более крупных хлопьев и ускорить их осаждение на дно, в воду могут также добавлять флокулянты - органические вещества с длинными молекулами, которые могут сорбироваться сразу на двух (нескольких) частицах осадка одновременно, облегчая их укрупнение и седиментацию. Такое укрупнение частиц осадка называется "флокуляция".

Данная технология - коагуляция и флокуляция широко используется не только для получения питьевой воды, но и для очистки промышленных сточных вод перед их сбросом в природные водоемы.

Iron chloride (III), tap water and Tyndall effect - pt.2 / Хлорид железа (III), водопроводная вода и эффект Тиндаля

В следующем эксперименте решил проверить, как реагирует водопроводная вода с хлоридом железа (III) при комнатной температуре (т.е. без кипячения).

Взял 5 л банку, налил в нее водопроводную воду почти до верху, добавил около 1 мл насыщенного раствора хлорида железа (III), перемешал. Раствор стал желтым, первоначально - не мутным, но вскоре в растворе появилась муть, количество которой все увеличивалось. В результате жидкость стала бело-коричневой, сильно мутной, но прозрачность не потеряла.

Взял светодиодный фонарик с самодельной диафрагмой из фольги. В растворе был четко виден конус Тиналя (Tyndall effect).

Суть происходящего проста: водопроводная вода содержит карбонаты и гидрокарбонаты, которые создают слабощелочную среду. Они взаимодействуют с хлоридом железа (III), образуя сначала коллоидный раствор, а потом - и осадок гидроксида железа (III). Примерно, как в опыте, описанном в первой части, но уже без кипячения.

Оставил 5-л банку на ночь (примерно на 10 часов), в результате на дне выпал светло-коричневый осадок. Часть осадка прилипла к стенкам банки. В жидкости все еще оставалась муть - от луча фонарика четко наблюдался конус Тиндаля. Мелкие частицы гидроксида железа (III) остались во взвешенном состоянии. Вот для этого при очистке природной воды и добавляют флокулянты: чтобы частички гидроксидов железа или алюминия слипались и быстрее оседали на дно.

Через 50 часов осадок гидроксида железа (III) визуально осел на дно, частично - пристал к стенкам банки. Вода выглядела бесцветной и не мутной, - примерно, как исходная вода из-под крана, но стоило посветить лучом фонарика, - и конус Тиндаля наблюдался четко. Таким образом, в растворе все еще оставались не осевшие твердые частицы.