Железо и его соединения. Первоначальные представления об органических веществах — тренажёр для 9 класса

Раздел 1 — Определение

Железо — химический элемент VIII группы 4-го периода (Fe, Z = 26), металл побочной подгруппы, образующий соединения с двумя устойчивыми степенями окисления: +2 и +3. Электронная формула атома: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Отдавая два 4s-электрона, атом даёт ион Fe²⁺; отдавая дополнительно один 3d-электрон, — ион Fe³⁺ с устойчивой полузаполненной конфигурацией 3d⁵.

Органические вещества — соединения углерода (кроме оксидов углерода, угольной кислоты, карбонатов, карбидов и цианидов), в которых атомы углерода четырёхвалентны и соединяются друг с другом в цепи и циклы. Число известных органических соединений превышает 20 миллионов — следствие способности углерода к катенации.

Место темы в курсе 9 класса: железо завершает изучение металлов и связывает химию с материаловедением (сплавы, коррозия), а первоначальные представления об органике открывают переход к курсу 10 класса.

Раздел 2 — Ключевые правила

Железо проявляет степень окисления +2 с окислителями средней силы и +3 — с сильными окислителями. Это правило объясняет все различия в уравнениях реакций.

1. Слабые окислители (HCl, разб. H₂SO₄, соли менее активных металлов, S) дают Fe²⁺. Пример: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.
2. Сильные окислители (Cl₂, Br₂, HNO₃, конц. H₂SO₄ при нагревании) дают Fe³⁺. Пример: 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.
3. Холодные концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ пассивируют железо — на поверхности образуется плотная оксидная плёнка, реакция прекращается.
4. Fe²⁺ — восстановитель, Fe³⁺ — окислитель. Fe³⁺ окисляет медь: 2FeCl₃ + Cu → 2FeCl₂ + CuCl₂.
5. Коррозия железа требует одновременно кислорода и воды: 4Fe + 3O₂ + 6H₂O → 4Fe(OH)₃ (ржавчина — смесь Fe₂O₃·nH₂O).
6. Углеводороды содержат только C и H; класс определяется типом связи: одинарная — алканы CₙH₂ₙ₊₂, двойная — алкены CₙH₂ₙ, тройная — алкины CₙH₂ₙ₋₂.
7. Класс кислородсодержащего вещества задаёт функциональная группа: –OH (спирты), –CHO (альдегиды), –COOH (карбоновые кислоты).

Раздел 3 — Разбор примеров

Пример 1. Железо и водяной пар. 3Fe + 4H₂O(пар) →(t) Fe₃O₄ + 4H₂↑. Раскалённое железо восстанавливает водород из воды, а сам металл окисляется до смешанного оксида Fe₃O₄ (FeO·Fe₂O₃), где две трети атомов имеют степень +3, одна треть — +2. Вывод: с водой при обычных условиях железо не реагирует, требуется температура выше 700 °C.

Пример 2. Железо и раствор соли. Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu↓. Железо стоит в ряду активности левее меди, поэтому вытесняет её; гвоздь покрывается красным налётом, синяя окраска раствора бледнеет. Вывод: в реакциях с солями железо всегда переходит в Fe²⁺.

Пример 3. Получение и превращение гидроксидов. FeSO₄ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + Na₂SO₄, затем 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Зеленоватый осадок Fe(OH)₂ на воздухе буреет — Fe²⁺ окисляется кислородом до Fe³⁺. Вывод: соединения Fe(II) неустойчивы на воздухе.

Пример 4. Качественные реакции. FeCl₃ + 3KSCN → Fe(SCN)₃ + 3KCl — раствор становится кроваво-красным; для Fe²⁺ используют красную кровяную соль K₃[Fe(CN)₆] — выпадает синий осадок (турнбулева синь). Вывод: катионы Fe²⁺ и Fe³⁺ различают по цвету продукта, а не по цвету исходного раствора.

Пример 5. Горение метана и присоединение к этилену. CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; C₂H₄ + Br₂ → C₂H₄Br₂. Метан, имея только одинарные связи, окисляется, но не присоединяет бром; этилен обесцвечивает бромную воду за счёт разрыва π-связи. Вывод: обесцвечивание бромной воды — признак кратной связи.

Пример 6. Свойства уксусной кислоты. CH₃COOH + NaOH → CH₃COONa + H₂O. Группа –COOH отщепляет ион H⁺, поэтому вещество даёт те же реакции, что и неорганические кислоты. Вывод: функциональная группа определяет химические свойства.

Раздел 4 — Таблица

Раздел 5 — Типичные ошибки

Ошибка «соляная кислота даёт FeCl₃». Причина — перенос свойств хлора на его кислоту. Неправильно: Fe + 3HCl → FeCl₃. Правильно: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑, поскольку ион H⁺ — окислитель средней силы.

Ошибка «железо реагирует с холодной концентрированной HNO₃». Причина — забытая пассивация. Правильно: при обычной температуре реакции нет, кислоту перевозят в стальных цистернах.

Ошибка «ржавчина = Fe₂O₃». Причина — упрощение. Ржавчина — гидратированный оксид Fe₂O₃·nH₂O, образующийся только при совместном действии O₂ и H₂O; в сухом воздухе железо не ржавеет.

Ошибка «любое вещество с углеродом — органическое». Причина — формальное определение. CO₂, CaCO₃, KCN относят к неорганическим соединениям.

Ошибка в формулах гомологов. Неправильно: C₃H₈ — алкен. Правильно: проверять по общей формуле: при n = 3 алкан C₃H₈, алкен C₃H₆.

Раздел 6 — Пошаговый алгоритм

1. Определите тип реагента: кислота, неметалл, вода, соль или окислитель-сильный.
2. Установите по силе окислителя степень окисления железа в продукте: +2 или +3.
3. Запишите формулы продуктов с учётом валентности и составьте уравнение.
4. Уравняйте коэффициенты, при ОВР — методом электронного баланса.
5. Для органического вещества посчитайте атомы C и H и сравните с общими формулами CₙH₂ₙ₊₂, CₙH₂ₙ, CₙH₂ₙ₋₂.
6. Найдите функциональную группу и назовите класс соединения.
7. Проверьте результат: равенство числа атомов каждого элемента слева и справа, равенство отданных и принятых электронов, соответствие валентности углерода четырём.

Раздел 7 — Как запомнить

• «Слабый окислитель — слабая степень»: HCl, H₂SO₄(разб.), соли → Fe²⁺; Cl₂, HNO₃ → Fe³⁺.
• Цвета: «два — зелёный, три — бурый» (Fe(OH)₂ зеленоватый, Fe(OH)₃ бурый).
• Реактивы-«кровь»: красная кровяная соль ловит Fe²⁺, жёлтая — Fe³⁺; роданид даёт «кровавый» раствор с Fe³⁺.
• Коррозия: формула «Fe + O₂ + H₂O = ржавчина» — убери любой компонент, и процесс остановится (отсюда покраска, оцинковка, протекторная защита).
• Ряд углеводородов по числу водородов: –2 на каждую кратную связь: C₃H₈ → C₃H₆ → C₃H₄.
• Первые четыре алкана: «Метан, Этан, Пропан, Бутан» — «МЭПБ».