Железо и его свойства

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe₂O₃ образует разнообразные ферриты:

 

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

 

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ — железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ — железоаммонийные квасцы и т. д.

 

Для качественного  обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами SCN⁻. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами SCN⁻ образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа [Fe(SCN)]²⁺, [Fe(SCN)₂]⁺, Fe(SCN)₃, [Fe(SCN)₄]^-. Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

 

Другим качественным реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]⁴⁻ выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата (II) калия-железа (III):

4K[Fe(CN)₆] + 4FeCl = 4KFe^III[Fe^II(CN)₆]↓ + 12KCl

 

Соединения  железа (VI)

 

Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H₂FeO₄. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)₃ в щелочи, например, феррат(VI) калия K₂FeO₄. Ферраты окрашены в фиолетовый цвет.

 

Ферраты также  можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:

Fe + 2KOH + 2H₂O = K₂FeO₄ + 3H₂↑

Ферраты — сильные  окислители. В кислой среде разлагаются  с выделением кислорода:

4FeO₄^2- + 5H⁺ = K₂FeO₄ + 3H₂↑

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания  воды.

 

Соединения  железа VII и VIII

 

Имеются сообщения  об электрохимическом получении  соединений железа(VIII), однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.

 

 

 

1.2 Существующие  методы анализа

1.2.1 Определение  железа комплексонометрическим  методом

 

Принцип комплексонометрического  метода определения железа заключается  в способности ионов трехвалентного железа образовывать с трилоном Б  устойчивые комплексные соединения. Анализ проводят в присутствии индикатора вариаминового синего при рН 2-3.

1,0-1,5г ионита, высушенного до постоянной массы по ГОСТ 10898.1, взвешивают с погрешностью не более 0,0002 г, помещают в фарфоровый тигель, смачивают 0,5-1,0 см³ концентрированной серной кислоты, помещают в холодную муфельную печь и постепенно нагревают.

Тигель с  содержимым прокаливают 2ч в муфельной  печи при 850-900⁰С до разрушения гранул ионита. Полученную золу растворяют в 5см³ соляной кислоты с добавлением 3-5 капель азотной кислоты.

Далее содержимое тигля закрывают крышкой и  нагревают на водяной бане до растворения  золы. При необходимости операцию растворения повторяют после  упаривания раствора досуха. Крышку после  нагрева обмывают 2-3см³ воды, собирая промывные воды в тот же тигель.

Затем содержимое тигля количественно переносят  в коническую колбу, доводят объем  раствора до 100см³ водой и осторожно нейтрализуют аммиаком до рН 2-3 по универсальной индикаторной бумаге.

К нейтрализованному  раствору добавляют 0,2-0,5г аминоуксусной кислоты, индикатор вариаминовый синий небольшими порциями(на кончине шпателя) и медленно, по каплям, титруют трилоном Б до перехода фиолетовой окраски в желтую.

Параллельно проводят контрольное определение с теми же количествами реактивов и при  тех же условиях.

 

1.2.2 Определение железа фотоколориметрическим методом

 

Принцип фотоколориметрического метода определения железа заключается  в способности ионов двухвалентного железа образовывать с ортофенантролином комплексные соединения, окрашенные в оранжево-красный цвет при рН 3-9.

Около (1±0,1) г  ионита, высушенного до постоянной массы по ГОСТ 10898.1, взвешивают с  погрешностью не более 0,0002 г, далее  проводят озоление навески ионита и последующее растворение золы.

Содержимое  тигля количественно переносят  в мерную колбу вместимостью 100см³ и доводят объем раствора до метки дистиллированной водой.

Из колбы  отбирают 5,10 или 25см³ раствора в зависимости то содержания железа, помещают в мерную колбу вместимостью 50см³, прибавляют 1см³ раствора ортофенантролина, раствор аммиака по каплям до исчезновения синей окраски бумаги конго. После этого объем раствора доводят до метки дистиллированной водой, тщательно перемешивают и оставляют на 10-15 мин до появления устойчивой окраски. Железо определяют на фотоколориметре, применяя светофильтр с областью светопропускания 490-540 нм и кюветы с толщиной рабочего слоя 20 мм.

Параллельно проводят контрольное определение без  пробы ионита (контрольный раствор) с теми же реактивами и при тех же условиях, начиная с добавления соляной кислоты.

Для приготовления  растворов сравнения в мерные колбы вместимостью 50см³ вносят 2;5;10;15;20 см³ рабочего раствора железоаммонийных квасцов, что соответствует массе железа в нем соответственно 0,01; 0,025; 0,05; 0,075; 0,1 мг. В колбы добавляют по 10см³ дистиллированной воды, а остальные реактивы прибавляют в том же порядке, как и к анализируемой пробе. Окраска растворов сравнения устойчиво в течение двух месяцев при хранении в  темном месте.

По контрольному раствору устанавливают стрелку  прибора на нуль и измеряют оптическую плотность растворов сравнения  и анализируемой пробы.

Строят градуировочный график, откладывая на оси абсцисс  массу железа в миллиграммах, а на оси ординат соответствующие значения оптических плотностей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Экспериментальная  часть

2.1 Сущность  и теоретические основы метода

 

Окислительно-восстановительные методы объемного анализа основаны на применении окислительно-восстановительных реакций. Рабочими растворами в оксидиметрии являются растворы окислителей или восстановителей.

Метод, основанный на окислении перманганатом, называют перманганатометрией.

Перманганатометрическим методом объемного анализа, или, сокращенно, перманганатометрией, называют метод, в котором главным рабочим раствором является раствор перманганата калия KMnO₄.

Oкисление перманганатом с аналитическими целями проводят преимущественно в кислой среде. Поэтому основное уравнение перманганатометрии имеет следующий вид:

 MnO₄ + 5ē + 8H⁺ = Mn²⁺ + 4H₂O

В лабораторной практике перманганат применяют  в виде растворов различной концентрации. Обычно пользуются 0,1н. раствором перманганата, хотя в некоторых случаях применяют 0,01н., 0,05н. и 0,2н. растворы.

Перманганатометрия - метод химического титриметрического анализа, основанный на применении растворов перманганата калия (KMnO₄) для количественных объёмных определений . Преимущество перманганатометрии заключается в том, что для неё отпадает необходимость в применении специального индикатора при установлении точки эквивалентности, так как раствор KMnO₄ имеет характерный фиолетово-красный цвет. В большинстве случаев титрование восстановителей стандартным раствором KMnO₄ проводится в кислой среде; окислительно-восстановительная реакция протекает тогда по схеме:

 MnO₄^- + 5ē ⇔ Mn²⁺ + 4H₂O.

Некоторые вещества (например, сульфиты, сульфиды, тиосульфаты, гидразин) окисляются легче в нейтральной  или щелочной среде: в этом случае реакция идёт по схеме:

       

        MnO₄^- + 4H⁺ + 3ē = MnO₂ + 2H₂O.

 

2.2 Оборудование, реактивы и материалы

 

• Соль Мора
• Рабочий раствор перманганата калия
• Серная кислота 2н
• Мерная колба 100мл
• Пипетка 10мл
• Бюретка
• Аналитические весы
• Цилиндр
• Колба для титрования

 

2.3 Методика  выполнения анализа

 

При определении  железа II сначала рассчитывают  величину навески соли, которая зависит от емкости мерной колбы и от концентрации рабочего раствора перманганата калия.

Навеску растворенной соли Мора, взятой на аналитических  весах с точностью до 0,0002 г, переносят количественно в мерную колбу и растворяют дистиллированной водой, подкисленной 30-40 мл 2н раствором H₂SO₄ (для предупреждения гидролиза соли Мора). Для титрования берут отмеренный пипеткой определенный объем приготовленного раствора соли Мора, к которому прибавляют еще 20-30 мл 2н раствора H₂SO₄ . Титрование раствора соли Мора перманганатом проводят на холоде до получения слабо-розовой окраски.

 

2.4 Правила  техники безопасности

 

При работе с  кислотами необходимо помнить следующее:

• При разбавлении крепких кислот следует кислоту наливать в воду, а не наоборот.
• Переливать крепкие HNO₃ , H₂SO₄ и HCl можно только при включенной тяге в вытяжном шкафу. Дверцы шкафа должны быть, по возможности, прикрыты.
• При работе с крепкими кислотами необходимо одевать защитные очки, а при работе с дымящей HNO₃, кроме очков, надевать длинный резиновый фартук.
• Наполнение сосудов концентрированными кислотами и щелочами и переливание следует проводить сифоном или специальными пипетками с резиновой грушей.
• При хранении азотной и серной кислот должны быть приняты меры к недопущению соприкосновения их с древесиной, соломой и прочими веществами органического происхождения.
• Открывание сосудов с концентрированными кислотами и щелочами и приготовление растворов из них разрешается только в вытяжном шкафу с включенной принудительной вентиляцией.

 

2.5 Результаты  анализа 

 

2.5.1 Экспериментальные данные

 

 

m_бюкса = 13,4567 г

m_{бюкса+навеска} = 17,3779 г

m_{навески} = 3,9212 г

V_{пипетки сили Мора} = 10,00 мл

 

 

Данные титрования

 

V¹_KMnO4 = 13,80 мл

V²_KMnO4 = 14,10 мл

V³_KMnO4 = 13,80 мл

V⁴_KMnO4 = 14,00 мл

 

 

2.5.2 Расчет  результатов анализа

m_{соли Мора} = Mэ_{соли Мора} * Сэ_{соли Мора} * V_колбы 
               1000

 

где:    Мэ_{соли Мора} – молярная масса эквивалента, г/моль

            Сэ_{соли Мора} – эквивалентная концентрация, н

            V_колбы – объем колбы, мл

 

M_{соли Мора} = 392,1*0,1010*100  = 3,9210г 
    1000

V_KMnO4Cэ_KMnO4 = V_{соли Мора}Сэ_{соли Мора}

Сэ_{соли Мора} = V_KMnO4Сэ_KMnO4

                                                                            V_{соли Мора}

 

где:    V_KMnO4 – объем KMnO₄, израсходованный на титрование, мл

           Сэ_KnO4 – эквивалентная концентрация KMnO₄, н

          V_{соли Мора} – объем соли Мора в пипетке, мл

           Сэ_{соли Мора} – эквивалентная концентрация соли Мора,н

 

 

Сэ¹ = 0,1010*13,18 = 0,1319н

10

 

Сэ² = 0,1010*14,10 = 0,1424н

10

 

Сэ³ = 0,1010*13,80 = 0,1393н

10

 

Сэ⁴ = 0,1010*14,00 = 0,1414н

10

 

 

m = Cэ*Мэ_{соли Мора}* V_{соли Мора}

1000

 

где:    Сэ_{соли Мора} – эквивалентная концентрация соли Мора,н

            Мэ_{соли Мора} – молярная масса эквивалента соли Мора, г/моль

            V_{соли Мора} – объем соли Мора в пипетке, мл

 

= 0,5462г

 

   = 0,5583г

 

                      = 0,5462г

 

                          = 0,5544г

 

* 100%

 

где:    W_Fe% - процентное содержание железа, %

            m_{соли Мора} – масса соли Мора,г

            m_нав – масса навески соли Мора,г

 

Таблица – Результаты анализа

Объем KMnO4 на титрование, мл	Навеска соли Мора, г	Объем соли Мора в пипетке, мл	Эквивалентная концентрация KMnO4 ,н	Процентное  содержание Fe, %
13,80	3,9210	10,00	0,1010	13,93
14,10				14,24
13,80				13,93
14,00				14,13

2.6 Математическая  обработка результатов анализа

 

Средняя арифметическая величина:

 

X =

 

 

Погрешность отдельного измерения(отклонения):

 

=

 

 

Средняя арифметическая абсолютная погрешность:

 

 

Средняя арифметическая относительная погрешность:

 

 

 

Среднеквадратичная  абсолютная погрешность(стандартное  отклонение):