Железо, хром, медь и цинк

Железо, хром, медь и цинк — d-элементы четвёртого периода. У них достраивается не внешний, а предвнешний 3d-подуровень, и в образовании связей могут участвовать как 4s-, так и 3d-электроны. Отсюда главная особенность: переменные степени окисления и окрашенные соединения.

Обратите внимание на два «проскока электрона» — у хрома и у меди. Заполненный или наполовину заполненный d-подуровень энергетически выгоднее, поэтому один 4s-электрон переходит на 3d. Именно из-за этого у хрома конфигурация 3d⁵4s¹, а не 3d⁴4s².

• У d-металлов несколько степеней окисления — продукт зависит от силы окислителя.
• Почти все их соединения окрашены: цвет — рабочая подсказка на экзамене.
• Cr³⁺ и Zn²⁺ амфотерны, Fe³⁺ амфотерен слабо (только при сплавлении).
• Медь стоит правее водорода, поэтому реагирует только с кислотами-окислителями.

Железо — металл средней активности, в ряду напряжений стоит левее водорода. Ключевой вопрос всегда один: какая степень окисления получится — +2 или +3? Ответ зависит исключительно от силы окислителя.

Отдельно запомните пассивацию: концентрированные HNO₃ и H₂SO₄ на холоде не растворяют железо (как и алюминий с хромом). Но стоит нагреть — реакция идёт, и железо переходит в +3.

У железа три оксида. FeO — чёрный, основный. Fe₂O₃ — красно-бурый, слабо амфотерный (со щелочами реагирует только при сплавлении). Fe₃O₄ — железная окалина, смешанный оксид FeO·Fe₂O₃, поэтому с кислотой даёт сразу две соли.

Гидроксиды нерастворимы и получаются обменом. Fe(OH)₂ — зеленоватый осадок, Fe(OH)₃ — бурый. Свежий Fe(OH)₂ на воздухе окисляется до Fe(OH)₃ и меняет цвет — это классический вопрос «почему осадок побурел».

Переход Fe²⁺ → Fe³⁺ выполняет любой достаточно сильный окислитель: Cl₂, Br₂, HNO₃, KMnO₄, H₂O₂, кислород воздуха. Обратный переход Fe³⁺ → Fe²⁺ — это восстановление: подойдут сами металлы (Fe, Cu), иодид-ион, сероводород, SO₂.

В задании 6 условие часто описано не формулами, а наблюдениями: «выпал бурый осадок», «раствор стал ярко-синим», «оранжевая окраска сменилась зелёной». Если помнить цвета, половина задач решается без всякой химии. Пощёлкайте по палитре, а отдельно посмотрите два самых наглядных превращения — хромат ⇄ дихромат и побурение Fe(OH)₂.

Хром — самый «многоликий» металл задания 6. Его поведение полностью описывается одной закономерностью: с ростом степени окисления свойства меняются от основных к кислотным.

Гидроксид хрома(III) амфотерен ровно так же, как Al(OH)₃, — с той же ловушкой «раствор против расплава». Координационное число хрома в растворе равно 6.

Главный сюжет темы — переход хромат ⇄ дихромат. Он происходит при смене среды и не является окислительно-восстановительной реакцией: хром и слева, и справа находится в степени окисления +6. Меняется только цвет и состав аниона.

Дихромат в кислой среде — один из самых сильных окислителей школьного курса. Продукт восстановления зависит от среды, и это отдельная таблица, которую нужно знать наизусть.

Зеркальный сюжет: в щелочной среде хром(III), наоборот, проявляет восстановительные свойства и окисляется до хромата — жёлтый цвет возвращается.

Медь стоит в ряду активности правее водорода, поэтому из соляной и разбавленной серной кислот водород она не вытесняет — реакции просто не будет. Растворить медь может только кислота-окислитель, где окисляет не ион H⁺, а кислотный остаток.

У меди два оксида, и их цвета обязательны к запоминанию: CuO — чёрный, Cu₂O — кирпично-красный. Гидроксид Cu(OH)₂ — голубой осадок, который при нагревании легко разлагается и чернеет.

Cu(OH)₂ — рабочий реактив органической химии: с многоатомными спиртами он даёт ярко-синий раствор без нагревания, а с альдегидами при нагревании — красный осадок Cu₂O.

Медный купорос CuSO₄·5H₂O — синие кристаллы. При прокаливании он теряет кристаллизационную воду и становится белым. Обратное превращение используют как качественную реакцию на воду: белый порошок безводного сульфата меди синеет.

С избытком аммиака и Cu²⁺, и Cu(OH)₂ дают ярко-синий аммиачный комплекс. Это самая узнаваемая качественная реакция на медь.

Цинк проще всех четырёх: степень окисления только +2, соединения бесцветные, поведение полностью повторяет алюминий. Разница одна и важная: координационное число цинка равно 4, а не 6, и заряд иона +2, а не +3 — поэтому в комплексе перед ним стоит два натрия.

Есть и отличие от алюминия, которое любят спрашивать: Zn(OH)₂ растворяется в избытке аммиака с образованием бесцветного комплекса, а Al(OH)₃ — нет. Именно поэтому аммиаком нельзя разделить эти два катиона наверняка, зато можно отличить цинк от алюминия.

С очень разбавленной азотной кислотой активный цинк восстанавливает азот максимально глубоко — до степени окисления −3, то есть до нитрата аммония. Газ при этом не выделяется.

Восемь опытов подряд: дан реактив и наблюдаемый эффект — нужно назвать ион. После каждого ответа появляется уравнение и разбор. Особое внимание на пару «красная и жёлтая кровяные соли»: именно на ней теряют баллы чаще всего.