Занимательные опыты. Получение пирофорного железа

Пирофорное железо

Для получения цитрата железа(II) в водный раствор лимонной кислоты вносят небольшими порциями мелкие железные опилки, а смесь нагревают. При этом протекает реакция:

3 Fe + 2 С₃H₅(O)(COOH)₃ = Fe₃{C₃H₅(O)(COO)₃}₂ + 3 H₂

После того, как выделение водорода прекратится, непрореагировавшее железо отделяют фильтрованием, а раствор цитрата железа(II) упаривают до начала кристаллизации соли, охлаждают, затем отфильтровывают выпавшие кристаллы. Моногидрат цитрата железа(II) высушивают в вакуум-эксикаторе двое-трое суток.

Последующие операции ведут так же, как в случае дигидрата оксалата железа(II). Реакция термического разложения Fe₃{C₃H₅(O)(COO)₃}₂ ^. H₂O сопровождается выделением монооксида углерода и углерода:

Fe₃{C₃H₅(O)(COO)₃}₂ ^. H₂O = 3Fe + 9CO + 3C + 6H₂O

На демонстрационном столе укрепляют вертикально в лапке штатива стеклянную трубку, поставив ее на асбестовый лист, и еще теплое содержимое пробирки высыпают порциями в трубку, слегка постукивая по пробирке пальцем. Для большей эффектности опыта гасят в аудитории свет.

Черный порошок, высыпаясь из пробирки, самовоспламеняется и сгорает, образуя красивый сноп искр:

3 Fe + 2 O₂ = (Fe^IIFe^III₂)O₄

Хранить пирофорное железо нельзя, так как оно может вызвать пожар. Готовят пирофорное железо путём сливания эквимолярных растворов оксалата аммония и сульфата железа ( II ) или соли Мора. Для приготовления растворов возьмите 20 г. Соли Мора и растворите её в 20 мл. воды. Оксалат аммония в количестве 7,2 г. также растворите в 20 мл. воды. Растворы слейте вместе. Выпадет осадок дигидрата оксалата железа (FeC2O4 * 2H2O ). Осадок отфильтруйте и тщательно отмойте от солей аммония.

Промытый осадок высушите фильтровальной бумагой и перенесите в пробирку. Пробирку укрепите в штативе наклонно отверстием слегка в низ. Нагрейте осторожно вещество в пламени горелки, выделяющиеся капли воды снимайте фильтровальной бумагой. Когда вещество разложиться и превратиться в чёрный порошок, закройте пробирку. Пробирку с пирофорным железом поставьте остывать в безопасное место вдали от воспламеняющихся веществ.

При высыпании на лист железа или асбеста пирофорное железо вспыхивает. Опыт очень эффектен.



Самовозгорание объясняется очень тонкой измельчённостью, большой поверхностью окисления. Поэтому после опыта остатки железа надо ликвидировать.

Скорость окисления железа очень сильно зависит от обшей поверхности соприкосновения металла и воздуха. Так, обычный гвоздь, даже если он сильно нагрет, не скоро превращается в окалину. Мелкие опилки при сильном нагреве быстро сгорают, а при внесении в пламя - вспыхивают в виде искр. Химическим способом - восстановлением оксидов железа водородом - можно получить ещё более мелкий порошок железа; его называют пирофорным. Он вспыхивает на воздухе уже при обычной температуре. Пирофорными могут быть и многие другие металлы в мелкораздробленном состоянии, а также оксид FeO.

Обычно этот опыт объясняют увеличением поверхности соприкосновения реагентов. Действительно, у очень мелкого порошка железа поверхность может быть огромной. Так, железный кубик с ребром 1 см имеет поверхность6 см², а если бы удалось распилить его на мелкие частицы с ребром 1 мкм (К)-⁴ см), то общая площадь их поверхности увеличилась бы в 10 тыс. раз и составила бы уже 6 м² при неизменных объёме и массе вещества.

Однако только увеличением поверхности нельзя объяснить очень высокую скорость окисления пирофорного железа на воздухе. Ведь железный лист площадью 6 м² окисляется очень медленно. Значит, необходимо учитывать влияние других факторов. Оказывается, чем мельче частицы, тем больше в них имеется нарушений в расположении атомов железа в кристалле. Атомы железа в частичках пирофорного металла обладают значительно большей реакционной способностью, чем те же атомы на большой «гладкой» поверхности.

Быстрое сгорание пирофорного железа связано также с малой скоростью теплооотвода из зоны реакции. При окислении очень мелкой частицы железа теплота реакции не может уйти в глубь металла и в основном расходуется на её нагревание. А чем выше температура, тем быстрее скорость реакции. В результате железные пылинки быстро сгорают.

Моделируя различные условия окисления железа, учёные проделали интересный эксперимент. На стеклянную пластинку толщиной 0,1 мм напылили в вакууме тончайшую плёнку железа толщиной всего 0,15 мкм. Затем пластинку вынесли на воздух и быстро нагрели. Теплопроводность стекла невелика, поэтому почти вся тепловая энергия, выделявшаяся в ходе реакции окисления железа, расходовалась на нагрев металлической плёнки. Это привело к необычным последствиям. В плёнке образовывались микроскопические зародыши продукта реакции - оксида, которые непрерывно росли. При этом скорость роста вглубь составляла 2 мкм в секунду, а в стороны - 1 см в секунду, т. е. в 5 тыс. раз быстрее. Плёнка фактически сгорала прямо на глазах!

Если на тонкую прозрачную плёнку попадает свет и отражается от наружной и внутренней её границы (очень тонкие плёнки оксида железа прозрачны), возникает интересное физическое явление - интерференция света. Именно этим объясняется появление радужных колец на воде или на мокром асфальте, когда на поверхность попадает капля машинного масла.

Разная скорость окисления железа вглубь и вширь приводит к тому, что пятно оксида железа в ходе реакции получается неравномерным по толщине: в центре оно толще, по краям - тоньше. Каждой толщине пятна соответствует свой цвет, поэтому пятно оксида окрашено в разные цвета. Но если плёнка масла на воде не меняется со временем, то толщина оксидного пятна на железе в ходе реакции растёт. В результате цветные кольца бегут от центра к краям. Обычно фиксируется три-четыре цветных волны, после чего железная плёнка полностью переходит в оксид.

Иногда такие волны можно видеть и на поверхности сильно накаливаемого стального предмета. Когда его поверхность начинает покрываться тонкой плёнкой оксида, возникает явление, которое металлурги называют цветами побежалости: предмет окрашивается попеременно в разные цвета, начиная с бледно-жёлтого и кончая тёмно-синим.

</<br>