27. Общая сравнительная характеристика элементов семейств железа и платиноидов. Особенности подгруппы. Триада элементов. Распространенность в земной коре, физические, химические свойства, получение и применение.

Семейство железа входит в состав побочной подгруппы восьмой группы и является в ней первой триадой, включающей в себя железо, кобальт и никель. Эти элементы имеют два электрона на наружном слое атома, все они являются металлами. По свойствам все три элемента похожи между собой. Для них характерна степень окисления 2, 3, 4. Реже проявляются более высокие степени окисления. Ни один элемент из семейства железа не проявляет максимальной степени окисления +8. Все металлы триады образуют разнообразные соединения, проявляя степени окисления +2 и +3. Проявление высокой степени окисления и амфотерных свойств характерно для железа.

Температуры плавления элементов триады железа высокие, тем не менее, ниже, чем у элементов, находящихся в серединах серий переходных металлов.

Железо – первый элемент в переходных рядах, имеющий спаренный электрон на внутренней d-орбитали. Спаренные электроны с такой орбитали труднее участвуют в образовании химической связи, чем неспаренные. У триады железа существуют особенности орбитального строения, проявляющиеся в виде магнитных и ферромагнитных свойств. В результате ориентированности атомов металлы образуют постоянные магниты. Все металлы семейства железа проявляют электроположительное поведение. Инертны в среде окислителя, даже кислорода, так как образуют оксидные пленки.

взаимодействует с кислородом при высоких температурах: 3Fe+2O2=Fe2O3(FeO).

ЖелезоОдин из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия) — ковкийметалл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

 Из них получают почти чистый Fe3O4, который вместе с известняком и коксом используется для выплавки чугуна в доменной печи.В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода: 2С+О2=2СО.

В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III): 3СО+Fe2O3=2Fe+3CO2.

Химические свойства:При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2O3·xH2O.
Взаимодействует с кислотами: с соляной кислотой:

С разбавленной серной кислотой:

Концентрированные азотная и сернаякислоты пассивируют железо. C концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании:

Взаимодействие с кислородом. Сгорание железа на воздухе:
Сгорание в чистом кислороде:
Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо:
Взаимодействие с порошком серы при нагревании:
Взаимодействие с галогенами при нагревании. Горение в хлоре:
При повышенном давлении паров брома:
Взаимодействие с йодом:
Взаимодействие с неметаллами. С азотом при нагревании:
С фосфором при нагревании:
С углеродом:
С кремнием:
Взаимодействие раскалённого железа с водяным паром:
Железо восстанавливает металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов солей:
Железо восстанавливает соединения железа(III):

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η5-C5H5)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

Кобальт-серебристо-белый, слегка желтоватый металл с розоватым или синеватым отливом.твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427 °C устойчива α-модификация. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива β-модификация кобальта (решётка кубическая гранецентрированная). выделяют из руд, содержащих много мышьяка и некоторой доли серебра, достаточной для промышленной переработки.При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором.

С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и чёрную β-форму (выпадает в осадок из растворов).

При нагревании CoS в атмосфере сероводорода получается сложный сульфид Со9S8

С другими окисляющими элементами, такими как углерод, фосфор, азот, селен, кремний, бор. кобальт тоже образует сложные соединения, являющиеся смесями где присутствует кобальт со степенями окисления 1, 2, 3.

Кобальт способен растворять водород, не образуя химических соединений. Косвенным путем синтезированы два стехиометрических гидрида кобальта СоН2 и СоН.

Растворы солей кобальта CoSO4, CoCl2, Со(NO3)2 придают воде бледно-розовую окраску. Растворы солей кобальта в спиртах темно-синие. Многие соли кобальта нерастворимы.

Кобальт создаёт комплексные соединения. Чаще всего на основе аммиака.

Наиболее устойчивыми комплексами являются лутеосоли [Co(NH3)6]3+ жёлтого цвета и розеосоли [Co(NH3)5H2O]3+ красного или розового цвета.

Также кобальт создаёт комплексы на основе CN−, NO2− и многих других

Никель – это пластичный, ковкий, переходныйметалл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Химически малоактивен.Тускнеет на воздухе. Имеет гранецентрированную кубическую решетку.Атомы никеля имеют внешнюю электронную конфигурацию 3d84s2. Наиболее устойчивым для никеля является состояние окисления Ni(II).

Никель образует соединения со степенью окисления +2 и +3. При этом никель со степенью окисления +3 только в виде комплексных солей. Для соединений никеля +2 известно большое количество обычных и комплексных соединений. Оксид никеля Ni2O3 является сильным окислителем.

Никель характеризуется высокой коррозионной стойкостью — устойчив на воздухе, в воде, в щелочах, в ряде кислот[4]. Химическая стойкость обусловлена его склонностью к пассивированию — образованию на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей защитным действием. Никель активно растворяется в разбавленной азотной кислоте:
и в горячей концентрированной серной:
 

С соляной и с разбавленной серной кислотами реакция протекает медленно. Концентрированная азотная кислота пассивирует никель, однако при нагревании реакция всё же протекает[5] (основной продукт восстановления азота — NO2).

С оксидом углерода CO никель легко образует летучий и очень ядовитый карбонил Ni(CO)4.

Тонкодисперсный порошок никеля пирофорный (самовоспламеняется на воздухе).

В чистом виде весьма пластичен и поддается обработке давлением в руде много примесей: сульфиды никеля, меди и железа. Половина получаемого никеля расходуется в производстве стали для повышения ее коррозионной стойкости и твердости. Он используется также для создания прочных покрытий на стальных изделиях.

Платиновые металлы.Элементы второй и третей триад восьмой группы периодической системы: рутений, родий, палладий, осмий, иридий, платина. серебристо-белые и тугоплавкие, наряду с серебром и золотом, из-за красивого внешнего вида и высокой химической стойкости, относят к благородным металлам. Платиновые металлы принадлежат к наиболее редким элементам, их среднее содержание в земной коре крайне мало.

Самые редкие в земной коре – рутений и иридий (1·10-7% по массе), наиболее распространен осмий (5·10-6%).

Но что весьма интересно – весьма высоко среднее содержание платиноидов в каменных метеоритах (10-4 – 10-5 % по массе).

Платиновые металлы встречаются на Земле в основном в самородном виде, известны и немногочисленные соединения с серой, мышьяком и сурьмой.Основным источником получения платиновых металлов служат сульфидные медно-никелевые руды, месторождения которых находятся в России (Норильск, Красноярский край), Канаде, ЮАР и других странах.

Иридий применяют в основном в виде сплава с платиной (до 10% иридия). Из платино-иридиевого сплава сделаны международные эталоны метра и килограмма. Из него также изготовляют тигли, в которых выращивают кристаллы для лазеров, из сплава иридия и осмия делают опоры для стрелок компасов и других приборов.очень твёрдый, тугоплавкий, серебристо-белый переходный металлплатиновой группы, обладающий высокой плотностью и сравнимый по этому параметру только с осмием. Имеет высокую коррозионную стойкость даже при температуре 2000 °C.Иридий — тяжёлый серебристо-белый металл, из-за своей твердости плохо поддающийся механической обработке.Иридий устойчив на воздухе при обычной температуре и нагревании, при прокаливании порошка в токе кислорода образует в незначительном количестве IrO2. Компактный иридий при температурах до 100 °C не реагирует со всеми известными кислотами и их смесями. Свежеосажденная иридиевая чернь частично растворяется в царской водке с образованием смеси соединений Ir(III) и Ir(IV). Порошок иридия может быть растворён хлорированием в присутствии хлоридовщелочных металлов при 600—900 °C или спеканием с Na2O2 или BaO2 с последующим растворением в кислотах. Иридий взаимодействует с F2 при 400—450 °C, а c Cl2 и S при температуре красного каленияИз чистого иридия изготовляют тигли для кристаллов для лазера и  полудрагоценные камни, используют для иридирования поверхностей ювелирных изделий («иридистое золото»), вследствие чего они приобретают светло-серый, очень блестящий оттенок.

Родий-твёрдый переходныйметалл серебристо-белого цветаРодий — твёрдый металл, серебристо-серого цвета. Имеет высокий коэффициент отражения электромагнитных лучей видимой части спектра, поэтому широко используется для изготовления «поверхностных» зеркал.Родий — благородный металл, по химической стойкости в большинстве коррозионных сред превосходит платину. Металлический родий растворяется в царской водке при кипячении (компактный[уточнить] не растворяется, растворяется в виде черни[источник не указан 736 дней]),в расплаве КНSО4, в концентрированной серной кислоте при нагревании, а также электрохимически, анодно — в смеси перекиси водорода и серной кислоты.

Родий характеризуется высокой химической устойчивостью. С неметаллами он взаимодействует только при температуре красного каления. Мелко измельчённый родий медленно окисляется только при температуре выше 600 °C:    При нагревании родий медленно взаимодействует с концентрированной серной кислотой, раствором гипохлорита натрия и бромоводорода. При спекании реагирует с расплавами гидросульфата калия KHSO4, пероксида натрия Na2O2 и пероксида бария BaO2: В присутствии хлоридов щелочных металлов, когда есть возможность образовывать комплексы [RhX3]3−, родий взаимодействует с хлором, например:   

способен сорбировать водород, является важным катализатором, ускоряющим химические реакции, также он входит в состав сплавов, обладающих высокой твердостью и стойкостью против истирания и окисления. Благодаря своей высокой отражающей способности (80% лучей видимой части спектра), а также высокой стойкостью против окисления является хорошим материалом для покрытия рефлекторов прожекторов и зеркал точных приборов. Из сплавов родий-платина изготовляют лабораторную и заводскую аппаратуру, проволоку для термоэлектрических пирометров. В ювелирном производстве родий используют в качестве защитно-декоративного покрытия родием ювелирных изделий из золота и серебра.

Родий имеет очень светлую окраску, и по виду напоминает серебро, но, в отличие от него, не темнеет на воздухе и поэтому родирование (покрытие слоем родия) применяется для защиты серебряных изделий от потемнения.

Родий входит в состав платиновых ювелирных сплавов (на территории России применяется лишь одна марка сплава платина – родий  950 пробы).

Палладийпластичныйпереходныйметалл серебристо-белого цвета.Палладий пластичен, микродобавки никеля, кобальта, родия или рутения улучшают механические свойства Pd, повышают твёрдость. Палладий не реагирует с водой, разбавленными кислотами, щелочами, раствором аммиака. Реагирует с концентрированными соляной и азотной кислотами, «царской водкой», галогенами, серой. Окисляется при сплавлении с гидросульфатом калия KHSO4:

Применяется как катализатор на многих химических производствах, используется для изготовления специальной химической посуды, стойких к коррозии деталей высокоточных приборов, в производстве медицинских инструментов, деталей кардиостимуляторов, лекарств, а также служит для изготовления ювелирных изделий и для протезирования зубов.

Сплав золото-палладий, так называемое «белое золото», широко используются в ювелирном деле.

Осмийблестящий серебристо-белый с голубоватым отливом металл. Наряду с иридием обладает наибольшей плотностью среди всех простых веществ. Согласно теоретическим расчётам его плотность даже выше, чем у иридия.Очень твердый металл, поэтому, при создании сплавов с наивысшей износостойкостью, в их состав вводят осмий Твердый, но хрупкий металл с очень высокой удельной массой, сохраняющий свой блеск даже при высоких температурах. В силу своей твёрдости, хрупкости, низкого давления паров, а также очень высокой температуры плавления, осмий с трудом поддаётся механической обработке.Порошок осмия при нагревании реагирует с кислородом, галогенами, парами серы, селеном, теллуром, фосфором, азотной и серной кислотами. Компактный осмий не взаимодействует ни с кислотами, ни со щелочами, но с расплавами щелочей образует водорастворимые осматы. Медленно реагирует с азотной кислотой и царской водкой, реагирует с расплавленными щелочами в присутствии окислителей (нитрата или хлората калия), с расплавленной перекисью натрия. В соединениях проявляет степени окисления от −2 до +8, из которых самыми распространёнными являются +2, +3, +4 и +8.

Осмий — один из немногих металлов, образующих полиядерные (или кластерные) соединения. Полиядерный карбонил осмия Os3(CO)12 используется для моделирования и исследования химических реакций углеводородов на металлических центрах[12][13][14]. Карбонильные группы в Os3(CO)12 могут замещаться на другие лиганды, в том числе и содержащие кластерные ядра других переходных металлов.

Кончики перьев дорогих авторучек изготовляют из сплава осмия и иридия.

Из сплавов осмия и иридия изготовляют режущие кромки хирургических инструментов, резцов для художественной обработки слоновой кости.

Осмистый иридий и иридистый осмий – хорошо известные минералы (соответственно невьянскит и сысертскит): в первом преобладает иридий, во втором –осмий. Иногда эти минералы встречаются самостоятельно, но чаще входят в состав самородной платины.

Одно достоинство осмия – тугоплавкость, температура его плавления около 30000С.

На нужды химии расходуется почти половина мировой добычи осмия. Но следует помнить, что безобидные на вид бледно-желтые кристаллы четырехокиси осмия – сильный яд, раздражающий кожу и слизистые оболочки, вредно действующий на глаза. Кроме сильного и неприятного запаха, это соединение очень токсично! Предельно допустимая концентрация (ПДК) четырёхокиси осмия в воздухе составляет 0.002 мг/м3, что всего в пять раз меньше ПДК для синильной кислоты (0.01 мг/м3).

Рутенийпереходныйметалл серебристого цвета.По тугоплавкости  рутений уступает лишь нескольким элементам — рению, осмию, вольфраму, танталу и ниобию.Химические свойстваРутений весьма инертный металл.Рутений не растворяется в кислотах и царской водке (смеси HCl и HNO3). Вместе с тем рутений реагирует с хлором выше 400 °C (образуется RuCl3) и со смесью щелочи и нитрата при сплавлении (образуются рутенаты, например Na2RuO4). Применяют для повышения коррозионной стойкости титана, как катализатор, в качестве жаропрочных материалов в аэрокосмической технике. В ювелирном деле рутений применяется для изготовления так называемого «черного золота»: для придания золотым сплавам чёрного цвета, поверхность ювелирного изделия покрывают слоем чёрного родия или рутения гальваническим методом, причём цвет покрытий варьирует в диапазоне от серого и тёмно-серого до чёрного.

Платиноиды встречаются и в живых организмах, и представлены главным образом рутением, а также изотопами рутения и родия.

Изотоп рутения-106  радиоактивный.

У наземных млекопитающих радиоактивные изотопы рутения всасываются через пищеварительный тракт, проникают в легкие, отлагаются в почках, печени, мышцах, скелете, и являются составной частью радиоактивного загрязнения биосферы.