Магнетит или железная окалина (Fe₃O₄) - это не просто промежуточное соединение между FeO и Fe₂O₃. Это самостоятельное вещество с уникальными свойствами. В его структуре на каждые три атома железа приходится четыре атома кислорода.
При быстром расчете степени окисления железа в этом соединении, получается дробное значение +8/3, что кажется невозможным в химии, где степени окисления всегда целые числа. Дело в том, что Fe₃O₄ можно представить как химический «гибрид» - это буквально FeO и Fe₂O₃, объединённые в одной кристаллической решётке. Поэтому его формулу можно записать как FeO·Fe₂O₃. Один из атомов железа находится в степени окисления +2, а два других — в степени окисления +3.
Эта двойственная природа делает магнетит особенно интересным в химических реакциях
Рассмотрим самые важные из них
Взаимодействие с кислотами-неокислителями
При взаимодействии с кислотами-неокислителями, такими как разбавленная соляная или разбавленная серная кислота, железная окалина образует смесь солей железа(II) и железа(III): кислота просто «разбирает» структуру окалины на составляющие, не меняя степеней окисления. Каждый атом железа сохраняет свой «статус» и образует соль, соответствующую его степени окисления:
Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O
Обратите внимание на стехиометрию: один моль FeCl₂ (от Fe²⁺) и два моля FeCl₃ (от двух Fe³⁺). Это точно соответствует составу Fe₃O₄, где соотношение Fe²⁺:Fe³⁺ равно 1:2.
С разбавленной серной кислотой картина полностью аналогична соляной кислоте. Ключевое слово здесь - «разбавленная». В таких условиях H₂SO₄ ведёт себя как обычная кислота, не проявляя окислительных свойств. Все степени окисления железа сохраняются.
Взаимодействие с кислотами-окислителями
Реакция Fe₃O₄ с концентрированной серной кислотой, в отличие от разбавленных кислот, приводит к образованию только сульфата железа(III). Это происходит потому, что концентрированная серная кислота является достаточно сильным окислителем, чтобы перевести все железо в степень окисления +3.
2Fe₃O₄ + 10H₂SO₄(конц.) → 3Fe₂(SO₄)₃ + SO₂↑ + 10H₂O
Азотная кислота - это особый случай. Даже в разбавленном виде она проявляет окислительные свойства, а в концентрированном становится ещё более агрессивной.
В случае реакции с кислотами-окислителями, например, концентрированной азотной кислотой, все железо окисляется до степени окисления +3:
Fe₃O₄ + 10HNO₃ (конц.) → 3Fe(NO₃)₃ + NO₂↑ + 5H₂O
С кислотами-окислителями (концентрированная H₂SO₄ и HNO₃ в любой концентрации) конечный продукт всегда содержит железо в степени окисления +3, независимо от исходного оксида!
Превращения оксидов железа
Оксиды железа могут превращаться друг в друга. Это происходит при изменении условий: нагревании на воздухе (окисление) или обработке восстановителями. Схема этих превращений и возможные реагенты представлены ниже:
Если вы встречаете в заданиях железную окалину (Fe₃O₄) - будьте готовы! Составители экзаменов очень любят включать её и в первую, и во вторую часть, потому что этот оксид — идеальный способ проверить сразу несколько важных тем))