Степень окисления железа (Fe): в соединениях, как определить, примеры

Теория:

Степень окисления железа в наиболее устойчивых соединениях равна +2 и +3. Также существуют состояния 0, +6 (ферраты), а степени +4 и +5 встречаются крайне редко и крайне нестабильны.

Это определяется его положением в периодической системе: железо (Fe) — элемент 8‑й группы (устаревшая ПС побочная группа железа), 4‑го периода.

Железо входит в «подгруппу железа» (триаду), которую образуют элементы: железо, кобальт и никель.

Как переходный металл (d-элемент), оно имеет восемь валентных электронов на внешнем и предвнешнем уровнях (3d⁶4s²).

Железо способно отдавать эти электроны, проявляя переменные степени окисления, однако полная отдача всех 8 электронов до состояния +8 практически недостижима.

В отличие от марганца, железо имеет «лишний» электрон на d-подуровне, который образует пару, что делает конфигурацию иона Fe³⁺ (3d⁵) энергетически более выгодной.

Чтобы определить все возможные значения, используют электронную формулу.

Например:

• Для железа (1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²) — наличие двух электронов на 4s объясняет СО +2, а последующая потеря одного электрона с 3d-подуровня приводит к стабильной конфигурации полузаполненного d-слоя (СО +3).
• Для алюминия (1s²2s²2p⁶3s²3p¹) — электронная формула ограничивает единственную устойчивую СО значением +3.

Рис. Степень окисления железа 0, +1, +2, +3, +4, +5, +6. Факторы, влияющие на СО — наличие шести d-электронов и двух s-электронов, возможность их последовательной отдачи.

Железо чаще всего останавливается на степени окисления +3, приобретая устойчивую конфигурацию [Ar] 3d⁵, где d-подуровень заполнен ровно наполовину.

Почему у железа переменные степени окисления?

Причина гибкости железа — наличие восьми валентных электронов на 3d и 4s подуровнях.

1. В простом веществе (Fe⁰): Все электроны остаются при атоме. Заряд равен 0. 3d [↑↓][↑][↑][↑][↑] 4s [↑↓].
2. В ионе (Fe⁺³): Железо отдает 2 электрона с 4s и 1 с 3d. Остается идеально симметричный наполовину заполненный подуровень. 3d [↑][↑][↑][↑][↑] 4s [ ].

Рис. 2. Схема окисления атома железа: Атом Fe ([Ar] 3d⁶ 4s²) последовательно теряет электроны, достигая наиболее устойчивого состояния +3 (или высшего +6 в ферратах).

Степень окисления железа в соединениях

Железо меняет свойства в зависимости от СО, что отражается на цвете растворов:

• Феррат калия (K₂FeO₄): Fe +6, O -2 (фиолетовый раствор).
• Оксид железа(III) (Fe₂O₃): Fe +3, O -2 (красно-бурый).
• Оксид железа(II) (FeO): Fe +2, O -2 (черный).
• Хлорид железа(II) (FeCl₂): Fe +2, Cl -1 (светло-зеленый).

Высшая степень окисления

Максимально достижимая в обычных условиях СО железа равна +6 (ферраты). Теоретическая высшая (+8) не реализуется из-за высокой энергии отрыва электронов.

Низшая степень окисления

Низшая равна 0 (металлическое железо).

Почему степень окисления может быть положительной или отрицательной?

Знак степени окисления (заряда) зависит от способности атома притягивать электроны, что называется электроотрицательностью (ЭО).

1. Положительная СО (+): Проявляется у атомов с низкой ЭО (обычно металлы). Железо — типичный металл, оно «отдает» электроны более сильным неметаллам (кислороду, хлору), приобретая заряд +2, +3 или +6.
2. Отрицательная СО (-): Характерна для неметаллов (O, F, N, S). Они «перетягивают» электроны на себя. Железо практически всегда будет со знаком (+).
3. Нулевая СО (0): Бывает в простых веществах (чистое железо Fe). Здесь нет перераспределения электронов, так как атомы имеют одинаковую силу (ЭО).

Важно: железо — это металл, который только отдает электроны (+2, +3), в определенных условиях он может проявлять отрицательную степень окисления, в специальных карбонильных комплексах. Самый известный пример — тетракарбонилферрат-анион Fe(CO)₄^2-.

Как определить степень окисления железа

По таблице Менделеева

1. Семейство: d-элемент (триада железа).
2. Валентные электроны: 8 (6 на d-уровне и 2 на s-уровне).
3. Атомная масса железа : 55,845 а.е.м. (обычно округляется до 56).
4. Типичные СО: +2, +3.

По валентности (Число связей)

Валентность железа переменна и обычно равна II или III.

1. В молекуле Fe₂O₃ железо проявляет валентность III.
2. В молекуле FeCl₂ железо проявляет валентность II.

По электронной конфигурации

1. Электронная формула железа: [Ar] 3d⁶ 4s².
2. Сначала отдаются 2 электрона с 4s-подуровня, затем 1 электрон с 3d-подуровня для достижения устойчивого состояния 3d⁵.

По химическому соединению (Алгебраический расчет)

Пример для Fe₂O₃: Сумма всех степеней окисления в молекуле равна 0. Кислород почти всегда имеет СО -2.

Расчет: 2 · x + 3 · (−2) = 0 → 2x − 6 = 0 → 2x = 6 → x = +3.

Примеры степеней окисления железа

Ниже приведена таблица соответствия степени окисления, цвета соединений и конкретных примеров веществ.

Шпаргалка для определения степени окисления железа

Представьте, что атом железа — это кошелёк с 8 монетами (4s²3d⁶), но некоторые монеты достать легче, чем другие:

• 0 — «кошелёк полный»: монеты не потрачены (металлическое железо).
• +2 — «выпали 2 монеты из внешнего кармана» (4s): образуются соли железа(II).
• +3 — «выпали 2 внешних и 1 из внутреннего отдела»: кошелек стал очень легким и стабильным (3d⁵). Это ржавчина.
• +6 — «почти пустой кошелек»: редкое и агрессивное состояние (ферраты), железо хочет немедленно вернуть свои монеты (сильный окислитель).

Пример решения задачи:

Проверка знаний

Отметьте правильные утверждения для Железа (Fe):

1) Порядковый номер железа в таблице Менделеева — 26.

2) Степень окисления +3 более устойчива, чем +2, из-за стабильного подуровня 3d⁵.

3) В соединениях с неметаллами железо чаще имеет отрицательную степень окисления.

4) Железо может проявлять высшую степень окисления +6 в составе ферратов (например, K₂FeO₄).

5) Железо может проявлять высшую степень окисления +8, так как находится в 8 группе.

Часто задаваемые вопросы