После эксперимента коллеги Termoyad по получению металлического цинка из водного раствора [1] решил провести аналогичный эксперимент с железом. Скажу сразу, задача получить железо в качестве реактива не стояла: слава богу, железа пока хватает. Стояла задача ответить на вопрос: можно ли выделить металлическое железо из водного раствора солей химическим способом? Цинк легко образует гидрокомплексы при растворении гидроксида цинка в щелочах, про железо такое не скажешь, поэтому придется обойтись кислыми растворами.

В качестве исходного вещества использовал соль Мора, FeSO₄·(NH₄)₂SO₄·6H₂O двойной сульфат железа (II) и аммония. Дальше для простоты его формула будет обозначаться как FeSO₄ (т.к. сульфат аммония в данном случае практически является балластом). Казалось бы, получить железо из раствора сульфата двухвалентного железа просто, достаточно добавить более активный металл, например, магний. Помните, в школе писали реакции вроде приведенной ниже:

FeSO₄ + Mg = MgSO₄ + Fe

Так вот, это уравнение можно смело заранее перечеркнуть. Почему?

В водном растворе сульфата железа (II) находится сразу два катиона-окислителя - Fe²⁺ и H⁺. Последний образуется в результате гидролиза. Водород расположен в электрохимическом ряду напряжений правее железа, поэтому согласно теории восстанавливаться должны, прежде всего, катионы водорода, а уже потом - катионы железа. На практике, скорее всего, эти процессы будут идти одновременно.

Чем плохо выделение водорода? Как уже отмечалось, катионы водорода присутствуют в растворе сульфата железа в результате гидролиза. Гидролиз - обратимая реакция:

Fe²⁺ + H₂O <= >Fe(OH)⁺ + H⁺

Fe(OH)⁺ + H₂O <=> Fe(OH)₂ + H⁺

Если катионы водорода будут реагировать с магнием, то равновесие сместится вправо - гидролиз приведет к образованию осадка гидроксида железа или основных солей.

Чтобы основные соли не выпадали, нужно добавить кислоту. Решил использовать лимонную кислоту, т.к. она сравнительно слабая, и если и будет реагировать с железом, которое образуется, то не слишком быстро.

Растворил в воде 11.7 г соли Мора и 6.2 г лимонной кислоты, получился зеленоватый раствор. Довел объем до 75 мл. Взял кусочек магния массой 1.5 г. Точнее, не чистого магния, а сплава электрон. Электрон - сплав, который содержит около 90% магния, около 10% алюминия и около 1% марганца. В нашем случае он заменил чистый магний. Важно то, что все компоненты и сплав электрон в целом не обладают ферромагнитными свойствами (именно по ним легче всего обнаружить металлическое железо - если оно образуется в результате реакции). Если условно принять, что сплав электрон - чистый магний, а лимонная кислота безводная, то на 1 моль магния приходится 0.48 моль двухвалентного железа и 0.52 моль лимонной кислоты.

Поместил кусочек магния в раствор соли Мора и лимонной кислоты. Началось выделение водорода - не очень сильное, но аэрозоль раствора летел стабильно. Зеленоватый раствор быстро стал светло-серым, со временем - темно-серым, в конце - черным (при разбавлении порции темного раствора она становилась коричневой с зеленоватым оттенком). Растворение магния продолжалось примерно 2 часа - реакция шла сравнительно медленно. Раствор заметно нагрелся.

Вскоре после начала реакции стало заметно образование мелкого порошка железа, который оседал на дно или был взвешен в растворе. Поднес к стакану магнит, образовавшийся порошок железа притянулся к магниту и собрался на стенке стакана. Кусочек магния также примагнитился, т.к. на его поверхности осело железо.

По-видимому, железо было целесообразно отделять в процессе реакции с помощью магнита - по мере его образования. Я этого не сделал и дождался полного растворения кусочка магния, а потом профильтровал раствор. Жидкость фильтровалась медленно, по-видимому, какой-то коллоид забил поры бумаги. Потом промыл железо на фильтре, после сушки осталось 0.06 г черного порошка (который содержал частички не растворившегося сплава электрон). Выход очень низкий. Порошок мазал бумагу и легко притягивался магнитом.

По моему предположению, часть железа, которое образовалось в процессе реакции, затем растворилось в лимонной кислоте. Видимо, этим и объясняется черный цвет раствора на заключительной стадии эксперимента.

Читатель спросит: "Может быть, добавлять лимонную кислоту было не обязательно? - Ведь соображения насчет образования осадка основных солей (при реакции магния и сульфата железа) - только теория, зато лимонная кислота может растворять образовавшееся железо".

Ответ даст эксперимент, который описан в следующей статье.

__________________________________________________
¹ Получение металлического цинка из водного раствора. The precipitation of metallic zinc from aqueous solution [ссылка]

Watch the video / Смотреть Видео (96 Мб, .avi )

Как будет реагировать магний с солью железа, если в раствор не добавлять кислоту, как было сделано в прошлом опыте (реакция магния с раствором соли Мора и лимонной кислоты [ссылка])? Логично предположить, что магний одновременно будет восстанавливать ионы водорода и железа. Первый процесс сместит равновесие в сторону гидролиза соли железа, что вызовет образование осадка основных солей.

Fe³⁺ + H₂O <=> Fe(OH)²⁺ + H⁺

Fe(OH)²⁺ + H₂O <=> Fe(OH)₂⁺ + H⁺

Fe(OH)₂⁺ + H₂O <=> Fe(OH)₃ + H⁺

Mg + 2H⁺ = Mg²⁺ + H₂

Взял 7.9 г хлорида железа (III) [кристаллогидрат], растворил соль в воде, довел объем почти до 25 мл. В стакан с раствором поместил кусочек магния (сплав электрон) весом 0.91 г. Сразу же началось выделение газа (водород). Выделение газа было сравнительно активное, но более слабое, чем обычно бывает при растворении магния в кислотах. Раствор не нагревался. Минут через 10 убедился, что погруженный в раствор кусочек магния притягивается неодимовым магнитом. Другими словами, образовалось металлическое железо. Однако, вскоре этот эффект необратимо исчез: железо сначала образовалось, а потом растворилось, после чего содержимое стакана уже не реагировало на магнит.

Через два часа выделение водорода продолжалось, хотя и ослабло. На дне образовался коричневый осадок (в небольшом количестве). Лишь часть кусочка магния растворилась. Оставил стакан на ночь. Раствор превратился в гелеобразную суспензию, которая состояла из коричневого раствора и коричневого осадка. Значительная часть магния не прореагировала. Магний покрылся темным налетом, который не притягивался к магниту.

Таким образом, хлорид железа (III) реагирует с магнием в основном за счет соляной кислоты, которая образовалась при его гидролизе. В начальной стадии взаимодействия зафиксировано образование металлического железа, которое вскоре растворилось.

Watch the video / Смотреть Видео (51 Мб, .avi )

Комментарии

^К1 У коллеги возник вопрос: может ли магний в опилках восстанавливать железо из раствора жёлтой кровяной соли?

Взял несколько миллилитров раствора в бюксе, добавил мелких магниевых опилок. За полчаса никаких признаков реакции: раствор все также желтый, магний металлического цвета (в случае, если бы выделялось железо, он должен бы почернеть).

<Железо, кобальт, никель, марганец, рений / Iron, cobalt, nickel, manganese, rhenium>

<Химические вулканы и Фараоновы змеи ч.2> <Химические вулканы ч.1> < Опыты со щелочными металлами > < Опыты со щелочными металлами 1 > [Эксперименты с ацетиленом] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном] [Эксперименты с ацетиленом, метаном, пропаном и бутаном 2] <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 1> <Эксперименты с пропан-бутановой смесью 2> <Эксперименты с фосфором ч.1> <Эксперименты с фосфором ч.2> <Эксперименты с водородом 1> <Эксперименты с водородом 2> <Эксперименты с водородом 3> <Хлористый азот (трихлорид азота). Иодистый азот (нитрид иода)> <Перекись ацетона, ГМТД, органические перекиси> <Черный порох> <Кумулятивный эффект (№5 2011)> <Нитроглицерин, Этиленгликольдинитрат, Нитроэфиры, Нитропроизводные> <Огонь от капли воды (№1 2012)> <Огонь на ладони (Холодный огонь)> <Ртуть, Амальгамы, Соединения Ртути>
<Железо, его Соединения и Сплавы (Обсудить на форуме)> [Отправить Комментарий / Сообщение об ошибке]