Żelazowce -

żelazo

kobalt

nikiel

Współczesny podział pierwiastków na grupy, w strukturze tablicy układu okresowego, konsekwentnie trzyma się konfiguracji elektronowej jako jedynego kryterium podziału. Do danej grupy (1-18) zalicza te pierwiastki, które leżą w tej samej kolumnie, po rozpisaniu ich w kolejności liczby atomowej i zgodnie z okresowością struktury elektronowej atomów. 

Wcześniejszy podział pierwiastków na grupy przyjmował  nieco inne podejście do problemu. Pierwiastki dzielono na siedem grup (I - VII), w obrębie których wyróżniano grupy główne (A) i poboczne (B). Grupę gazów szlachetnych oznaczano jako grupę 0, zaś dzisiejsze grupy  8-10 stanowiły grupę VIII i zawierały aż dziewięć pierwiastków. Taki podział, nie sprzeniewierzając się okresowości w konfiguracji elektronowej,  próbował (z dość dobrym skutkiem) wiązać w grupy pierwiastki o podobnych właściwościach. Z drugiej jednak strony, omawiając chrom w tej samej VI grupie co tlen i siarkę, a złoto obok potasu (grupa I) czy mangan obok chloru, wprowadzał czasem zbyt wiele zamieszania i wcale nie ułatwiał przyswajania ogólnych reguł zachowania się pierwiastków danej grupy.

W naszym przewodniku stosujemy przy omawianiu właściwości pierwiastków  współczesny podział na grupy, robiąc jednak drobny wyjątek dla dawnej grupy VIII. Dla grup 8-10 właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków w obrębie grupy różnią się znacznie, natomiast są dość zgodne dla triad w obrębie okresu (Fe, Co, Ni - żelazowce;   Ru, Rh, Pd - platynowce lekkie   i   Os, Ir, Pt - platynowce ciężkie). Taki też podział, zgodny z historyczną grupą VIII zastosowałem w naszej witrynie, wychodząc z często tu powtarzanego założenia, że wszelkie podziały mają nam w czymś pomóc, bo inaczej nie mają sensu. Wydaje mi się, że taki nieco "hybrydowy" podział bardziej ułatwi nam zapamiętanie właściwości i chemizmu poszczególnych pierwiastków, niż ortodoksyjne trzymanie się "oficjalnych" podziałów.

Natomiast na stronie omawiającej w skrócie właściwości pierwiastków (tej z podaną konfiguracją) zastosowano konsekwentny podział na 18 grup.

 

Charakterystyka grupy:
Metale, o dobrej kowalności i ciągliwości  i temperaturze topnienia około 1500°C. W temperaturze pokojowej wszystkie są ferromagnetykami. Nikiel traci właściwości ferromagnetyczne już w temperaturze 363°C (temperatura Curie). W szeregu napięciowym metali leżą przed wodorem, wypierają zatem wodór z kwasów. Jednak nie roztwarzają się w stężonym kwasie azotowym(V), ulegając pasywacji (pokrywając się cienką warstewką tlenku, nie dopuszczającą do dalszej reakcji). W związkach występują zazwyczaj na +2 i +3 stopniach utlenienia. Jak wszystkie pierwiastki grup przejściowych mają tendencję do tworzenia kompleksów.

 

Fe - żelazo   (liczba atomowa 26)	izotopy	średnia masa atomowa  55,847
wartościowość	+2  +3	[konfiguracja elektronowa]

Metal o bardzo silnych właściwościach paramagnetycznych (ferromagnetyk). Bardzo łatwo ulega korozji. Jest pierwiastkiem o ponad 5% rozpowszechnieniu w przyrodzie. W przyrodzie występuje głównie pod postacią rud:  hematyt (Fe₂O₃), magnetyt (Fe₃O₄), piryt (FeS₂) i inne.

Otrzymywanie żelaza z rud polega na zredukowaniu go za pomocą węgla (koksu). W praktyce jest to dość złożony i skomplikowany technologicznie proces. W jego wyniku otrzymuje się tzw. surówkę czyli stop żelaza i głównie węgla (około 4%) oraz krzemu, manganu, fosforu i innych drobnych zanieczyszczeń. Surówkę przerabia się na stal, usuwając nadmiar węgla (do wartości poniżej 1,7%) i dodając uszlachetniających komponentów (chrom, nikiel, wolfram, mangan, krzem). Uszlachetnianie ma na celu przede wszystkim zmniejszenie reaktywności (odporność na korozję) i poprawienie właściwości fizycznych surówki. Od  składu i ilości domieszek (zazwyczaj kilku-kilkunastu procent) zależą właściwości otrzymanej stali.
Ze względu na to, że stal jest swoistym stałym roztworem, także obróbka cieplna, zmieniając charakter oddziaływań i powiązań poszczególnych elementów stali, wpływa w znaczący sposób na właściwości końcowego produktu (np. hartowanie stali).

Chemicznie czyste żelazo jest srebrzystym, dość miękkim, kowalnym i ciągliwym metalem. Występuje w trzech odmianach alotropowych, jednak w temperaturze do 900°C występuje tylko odmiana . W suchym powietrzu pokrywa się cienka warstwą tlenku i nie ulega dalszemu utlenianiu. W roztworach elektrolitów i wilgotnym powietrzu przechodzi w uwodnione tlenki, węglany, wodorotlenki (rdza). Ze względu na niski potencjał normalny żelaza (-0,44 V) rozpoczęty proces korozji biegnie dalej samorzutnie i wszelkie zabiegi mogą jedynie go spowolnić.

Z tlenem tworzy żelazo tlenek FeO, trwały w wysokich temperaturach (powyżej 500°C), w trakcie oziębiania przechodzący w Fe₃O₄ i Fe. Tlenek żelaza (III) Fe₂O₃ występuje w dwóch odmianach - otrzymany przez łagodne utlenianie Fe₃O₄ (Fe₂O₃·FeO) odmiana γ jest ferromagnetykiem, zaś otrzymana przez prażenie wodorotlenku lub soli żelaza(III) (azotanów lub siarczanów) odmiana  nie ma właściwości ferromagnetycznych. W trakcie ogrzewania w temperaturze 400°C odmiana γ przechodzi w .

W wysokich temperaturach tworzy żelazo z tlenem tlenek Fe₃O₄ (magnetyt, zendra - czarny nalot na silnie ogrzewanych powierzchniach przedmiotów żelaznych). Tlenek ten powstaje również podczas działania na żelazo parą wodną w wysokiej temperaturze (300 - 500°C) i w czasie spalania żelaza w czystym tlenie.

Żelazo jest pierwiastkiem bardzo reaktywnym, reaguje z kwasami na zimno, łączy się też bezpośrednio z większością niemetali. Występuje na +2 i +3 stopniu utlenienia. Związki żelaza(II) są reduktorami, utleniając się do żółtych lub brunatnych związków żelaza(III). Wodorotlenki żelaza (tak na drugim jak i trzecim stopniu utlenienia) są bardzo słabo rozpuszczalne w wodzie, wypadają z roztworów odpowiednich soli żelaza po zalkalizowaniu wodorotlenkiem sodu lub potasu. Wodorotlenek Fe(OH)₂ jest bezbarwny, bardzo szybko przechodząc pod wpływem tlenu z powietrza w osad zielonkawy, z czasem zamieniający się w  brunatny osad Fe(OH)₃.

Wodorotlenek Fe(OH)₃ wypada z roztworów soli Fe(III) po zalkalizowaniu amoniakiem lub wodorotlenkiem albo węglanem litowców, w postaci brunatnego osadu. W rzeczywistości nie jest to związek o wzorze Fe(OH)₃ lecz o zmiennym składzie xFe₂O₃·yH₂O Obydwa wodorotlenki rozpuszczają się w niewielkim stopniu w nadmiarze stężonego ługu dając niebieski  tetrahydroksożelazian(II) sodowy {Na₂[Fe(OH)₄]}  lub bezbarwny oktahydroksożelazian(III) sodowy {Na₅[Fe(OH)₈]·5H₂O}.

Siarka z żelazem tworzy siarczek FeS, który pod działaniem kwasów przechodzi w odpowiednia sól i wydziela się siarkowodór H₂S. Jest to sposób otrzymywania siarkowodoru na skalę laboratoryjną. Siarczek żelaza(II) powstaje przez działanie siarczkiem amonu (NH₄)₂S na roztwór soli Fe(II) lub przez stapianie opiłków żelaza z siarką.
Piryt, minerał stosowany przy produkcji kwasu siarkowego FeS₂ jest zwiazkiem żelaza(II), zaś siarka jest formalnie na -1 stopniu utlenienia. W wilgotnym powietrzu przebiega egzoenergetyczna reakcja utleniania FeS₂do FeSO₄, mogąca nawet doprowadzić do samozapłonu hałd węgla bogatego w FeS₂.

Halogenki żelaza(II) otrzymuje się rozpuszczając żelazo w odpowiednim kwasie:

Fe + 2HCl ——> FeCl₂ + H₂

Bezwodny FeCl₂ otrzymujemy przepuszczając gazowy HCl nad czystym żelazem.

Działając chlorem na żelazo w podwyższonej temperaturze (200-300°C) otrzymujemy FeCl₃. Jest to substancja silnie higroskopijna, w roztworach wodnych silnie hydrolizuje, dając czerwonobrunatno zabarwione hydroksykationy Fe(OH)²⁺ a roztwór wykazuje charakter kwaśny. Dodając do roztworu kwasu solnego cofamy hydrolizę i roztwór przybiera barwę żółtą.

Siarczan żelaza(II) FeSO₄ powstaje w trakcie roztwarzania żelaza pierwiastkowego w rozcieńczonym kwasie siarkowym. 
Siarczan żelaza(II) tworzy sole mieszane z siarczanami metali alkalicznych np. sól Mohra (NH₄)₂SO₄·FeSO₄·5H₂O

Siarczan żelaza(III) Fe₂(SO₄)₃ otrzymuje się przez roztwarzanie Fe₃O₄ w stężonym kwasie siarkowym. Siarczany żelaza(III) tworzą sole mieszane z  siarczanami metali alkalicznych - ałuny. Do najbardziej znanych należą: ałun żelazowo-potasowy i żelazowo-amonowy:  K₂SO₄·Fe₂(SO₄)₃·24H₂O,  (NH₄)₂SO₄·Fe₂(SO₄)₃·24H₂O

Azotany żelaza powstają w czasie działania na metaliczne żelazo rozcieńczonym (Fe(II)) lub stężonym (Fe(III)) kwasem azotowym. Fe(NO₃)₂ jest związkiem nietrwałym i powstaje tylko w przypadku gdy stężenie HNO₃ nie przekracza 5%. Bardziej stężony kwas azotowy działa utleniająco dając Fe(NO₃)₃.

Rodanek żelazowy Fe(SCN)₃  ze względu na swą barwę (krwistoczerwony) stosowany jest do wykrywania i oznaczania metodą kolorymetryczną żelaza(III).

Związki żelaza o charakterze kompleksu to przede wszystkim kompleksy z jonami cyjankowymi - jon heksacyjanożelazianowy(II) (żelazicyjanek potasu) i jon heksacyjanożelazianowy(III) (żelazocyjanek potasu). Powstają po dodaniu do odpowiedniej soli żelaza cyjanku potasu. Kompleks żelaza(II) ma stałą trwałości wynoszącą 10³⁷, co powoduje, że sól ta (K₄[Fe(CN)₆]) nie jest toksyczna. Nie daje także żadnej reakcji charakterystycznej dla jonów Fe²⁺. 
Kompleks żelaza(III)  (K₃[Fe(CN)₆])  jest też dość trwały, jednak stężenia jonów cyjankowych w jego roztworze nie można lekceważyć. Nie daje on natomiast reakcji charakterystycznych dla Fe³⁺.

Dodając do roztworu żelazicyjanku potasu soli żelaza Fe(III) lub do żelazocyjanku potasu soli żelaza(II) otrzymujemy koloidalny roztwór ciemnogranatowego błękitu pruskiego:

[Fe(CN)₆]^4- +  Fe³⁺ + K⁺  ——>  KFe^(III)[Fe^(II)(CN)₆]

[Fe(CN)₆]^3- +  Fe²⁺ + K⁺  ——>  KFe^(II)[Fe^(III)(CN)₆]

Wprowadzając sól żelaza w nadmiarze otrzymujemy w pierwszym przypadku osad błękitu pruskiego 

3[Fe(CN)₆]^4- +  4Fe³⁺    ——>  Fe₄^(III)[Fe^(II)(CN)₆]₃

a w drugim osad błękitu Turnbulla

2[Fe(CN)₆]^3- +  3Fe²⁺    ——>  Fe₃^(II)[Fe^(III)(CN)₆]₂

W omawianych wyżej kompleksach heksacyjanożelazianowych dość łatwo mozna podstawić jedną z grup cyjanowych innym ligandem - np. NO, NO₂, NH₃, H₂O, CO itp. Najpopularniejszym kompleksem tego typu jest, otrzymywany poprzez działanie kwasu azotowego na heksacyjanożelazian, nitroprusydek: Na₂[Fe(CN)₅·NO]. Znajduje on zastosowanie w chemii analitycznej jako odczynnik do wykrywania jonu siarczkowego S^2-, pod wpływem którego brunatny roztwór nitroprusydku zmienia barwę na fioletowoczerwoną, pochodzącą od powstającego Na₄[Fe(CN)₅·NOS].

W organizmie człowieka żelazo jest niezbędne, jako istotny składnik hemoglobiny - białka odpowiedzialnego za oddychanie komórkowe.

 

Co - kobalt   (liczba atomowa 27)		średnia masa atomowa  58,932
wartościowość	+2   +3	[konfiguracja elektronowa]

Ma jeden trwały izotop (59Co), zaś jego izotop -promieniotwórczy ⁶⁰Co (t_1/2= 5,3 lat) znajduje ważne zastosowanie w technice i medycynie ("bomba kobaltowa"). Jest srebrzystym metalem o właściwościach ferromagnetycznych, o stosunkowo niewielkim rozpowszechnieniu (0,004%). Występuje najczęściej w towarzystwie rud żelaza i miedzi. Jest bardziej szlachetny niż żelazo (nieco bardziej pasywny chemicznie), występuje na +2 i +3 stopniu utlenienia, przy czym w tym drugim przypadku tworzy związki niezbyt trwałe. Nie ulega roztwarzaniu w stężonym kwasie azotowym (zjawisko pasywacji). W reakcji z kwasami redukuje jon wodorowy i tworzy sole  kobaltu(II). Wyższe stopnie utlenienia spotyka się niezmiernie rzadko i tylko w postaci kompleksów. Bardzo łatwo tworzy jony kompleksowe, tak kationy jak i aniony, o bardzo różnych barwach. Sole kobaltu w roztworach maja barwę różową, pochodzącą od jonu [Co(H₂O)₆]²⁺, co znalazło zastosowanie w praktyce. Sole bezwodne kobaltu są najczęściej barwy niebieskiej. Tlenek kobaltu stopiony z węglanem sodu i krzemionką daje szkliwo o ciemnogranatowym zabarwieniu, służące do barwienia szkła (szkło kobaltowe) i malowania porcelany.

Siarczek kobaltu wytrąca się z roztworu jego soli pod wpływem siarkowodoru w postaci czarnego osadu.. Siarczek ten rozpuszcza się w kwasach, jednakże pod warunkiem chronienia go przed dostępem powietrza. Pod wpływem tlenu z powietrza szybko przechodzi on w formę nierozpuszczalna w kwasach. Większość pozostałych soli kobaltu jest w wodzie rozpuszczalna. Podobnie jak żelazo kobalt tworzy także sole złożone - np. (NH₄)₂SO₄·CoSO₄·6H₂O.

Z roztworów soli kobaltu wodorotlenki litowców wytrącają osad Co(OH)₂ barwy niebieskiej, po pewnym czasie przechodzącą w różową. Wodorotlenek kobaltu utlenia się tlenem z powietrza do Co(OH)₃ (brunatny), zaś pod wpływem silnych utleniaczy (H₂O₂) daje czarny, uwodniony tlenek.

Kobalt stanowi składnik stali (około 30%) używanej do wyrobu stałych magnesów. 

Ni - nikiel   (liczba atomowa 28)		średnia masa atomowa  58,71
wartościowość	+2	[konfiguracja elektronowa]

Miękki, kowalny srebrzysty metal (rozpowszechnienie 0,01%) o właściwościach ferromagnetycznych, które traci w stosunkowo niskiej temperaturze (punkt Curie 363°C). Właściwościami przypomina kobalt. W związkach występuje najczęściej na +2 stopniu utlenienia. Tworzy także łatwo, podobnie jak kobalt, jony kompleksowe. 

Siarczek niklu wytrąca się z roztworu jego soli pod wpływem siarkowodoru w postaci czarnego osadu.. Siarczek ten rozpuszcza się w kwasach, jednakże pod warunkiem chronienia go przed dostępem powietrza. Pod wpływem tlenu z powietrza szybko przechodzi on w formę nierozpuszczalna w kwasach. Większość pozostałych soli niklu jest w wodzie rozpuszczalna, tworząc zielone roztwory. Bezwodne mają barwę żółtą lub brunatną. Podobnie jak żelazo i kobalt, nikiel tworzy także sole złożone - np. (NH₄)₂SO₄·NiSO₄·6H₂O.

Z roztworów soli niklu wodorotlenki litowców wytrącają osad Ni(OH)₂ barwy jasnozielonej, w odróżnieniu od wodorotlenku kobaltu nie zmieniającej się pod wpływem powietrza. Dopiero pod wpływem silnych utleniaczy (H₂O₂) powstaje, podobnie jak w przypadku kobaltu, czarny, uwodniony tlenek.

Nikiel służy jako galwanicznie nakładane powłoki antykorozyjne, ze względu na mniejszą niż żelazo aktywność chemiczną. Ponieważ jednak z żelazem tworzy ogniwo w którym anodą jest żelazo, najmniejsze uszkodzenie tej powłoki powoduje przyspieszenie korozji żelaza. Stosowany jest często jako składnik stopów z wieloma innymi metalami . Jako katalizator znany jest pod nazwą niklu Raneya. Jest to porowata masa otrzymana przez "wypłukanie" glinu z wcześniej otrzymanego stopu glinu i niklu. Glin usuwa się przez trawienie stężonym NaOH. Katalizator niklowy służy między innymi do uwodorniania nienasyconych węglowodorów.

---