Качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+: как различить

Ион железа в растворе может находиться в двух степенях окисления: +2 (железо(II), $\text{Fe}^{2+}$) и +3 (железо(III), $\text{Fe}^{3+}$). Внешне растворы этих солей похожи, но химически ведут себя совершенно по-разному. Различить их помогают специфические реагенты, каждый из которых даёт яркий неповторимый признак только с «своим» ионом. Разберём все ключевые реакции, уравнения и научимся рассчитывать массу образующегося осадка. Чтобы сразу попробовать на числах, воспользуйтесь калькулятором ниже: он вычисляет количество вещества иона и массу осадка при заданных параметрах.

Качественные реакции на ион железа(III)

Ион $\text{Fe}^{3+}$ обнаруживают тремя основными способами, каждый из которых даёт характерный и однозначный внешний признак.

Рассчитать для своей задачи

Реакция с гидроксидом натрия (NaOH). При добавлении щёлочи к раствору соли железа(III) выпадает бурый (ржаво-коричневый) осадок гидроксида железа(III):

$\text{Fe}^{3+} + 3\text{OH}^{-} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow$

Осадок $\text{Fe(OH)}_3$ нерастворим в воде и имеет характерную ржавую окраску - именно такого цвета ржавчина, которую видим в быту. Это одна из самых надёжных реакций: бурый осадок невозможно перепутать с продуктами реакций других распространённых катионов. Молярная масса $\text{Fe(OH)}_3 = 106{,}87\ \text{г/моль}$.

Реакция с роданидом калия (KSCN) - специфическая. Это наиболее эффектная реакция на $\text{Fe}^{3+}$: уже при следовой концентрации иона раствор окрашивается в интенсивный кроваво-красный цвет из-за образования комплексного иона $[\text{Fe(SCN)}]^{2+}$:

$\text{Fe}^{3+} + \text{SCN}^{-} \rightarrow [\text{Fe(SCN)}]^{2+}$

Реакция сверхчувствительна: её используют для обнаружения $\text{Fe}^{3+}$ даже при концентрации порядка $10^{-5}\ \text{моль/л}$. Осадок не образуется - продукт растворим, а красное окрашивание появляется мгновенно. Именно поэтому роданид считают специфическим реагентом на $\text{Fe}^{3+}$: ни один из других распространённых катионов такого цвета не даёт.

Реакция с жёлтой кровяной солью K$_4$[Fe(CN)$_6$]. При добавлении гексацианоферрата(II) калия к раствору $\text{Fe}^{3+}$ выпадает тёмно-синий осадок, исторически называемый берлинской лазурью:

$\text{Fe}^{3+} + [\text{Fe(CN)}_6]^{4-} \rightarrow \text{KFe}[\text{Fe(CN)}_6]\downarrow$

Это высокоселективная реакция: берлинская лазурь - пигмент с многовековой историей, применяемый и сегодня. Осадок не растворяется в разбавленных кислотах, что помогает отличить его от других синих осадков.

Качественные реакции на ион железа(II)

Ион $\text{Fe}^{2+}$ тоже имеет два характерных реагента, которые дают неповторимый результат именно с ним.

Реакция с гидроксидом натрия (NaOH). Щёлочь осаждает $\text{Fe}^{2+}$ в виде белого (слегка зеленоватого) осадка гидроксида железа(II):

$\text{Fe}^{2+} + 2\text{OH}^{-} \rightarrow \text{Fe(OH)}_2\downarrow$

Ключевая особенность: на воздухе свежий белый осадок быстро буреет - он окисляется кислородом воздуха до $\text{Fe(OH)}_3$:

$4\text{Fe(OH)}_2 + \text{O}_2 + 2\text{H}_2\text{O} \rightarrow 4\text{Fe(OH)}_3$

Это явление само по себе служит подтверждением наличия именно $\text{Fe}^{2+}$, а не $\text{Fe}^{3+}$: осадок $\text{Fe(OH)}_3$ изначально бурый и на воздухе не меняется. Молярная масса $\text{Fe(OH)}_2 = 89{,}86\ \text{г/моль}$.

Реакция с красной кровяной солью K$_3$[Fe(CN)$_6$] - специфическая. Гексацианоферрат(III) калия даёт с $\text{Fe}^{2+}$ синий осадок, называемый турнбулевой синью:

$\text{Fe}^{2+} + [\text{Fe(CN)}_6]^{3-} \rightarrow \text{KFe}[\text{Fe(CN)}_6]\downarrow$

Синяя окраска осадка похожа на берлинскую лазурь, и по современным данным оба соединения имеют схожую структуру. Тем не менее специфичность реагентов сохраняется: жёлтая кровяная соль дифференцирует $\text{Fe}^{3+}$, красная - $\text{Fe}^{2+}$.

Рассчитать для своей задачи

Как рассчитать массу осадка

Количественный расчёт позволяет не просто констатировать признак, но и найти, сколько осадка образуется при данных условиях. Алгоритм одинаков для любой из реакций, где образуется твёрдый продукт.

Шаг 1. Количество вещества иона:

$n(\text{Fe}^{n+}) = \frac{m_\text{образца} \cdot w}{M_\text{соли}}$

где $m_\text{образца}$ - масса образца (г), $w$ - массовая доля соли (доля от 1), $M_\text{соли}$ - молярная масса соли (г/моль).

Шаг 2. Масса осадка (стехиометрия 1:1 по иону во всех перечисленных реакциях):

$m_\text{осадка} = n(\text{Fe}^{n+}) \cdot M_\text{продукта}$

Пример. Дано 32,4 г $\text{FeCl}_3$ (100%), к раствору добавляется избыток NaOH. $M(\text{FeCl}_3) = 162{,}2\ \text{г/моль}$, $M(\text{Fe(OH)}_3) = 106{,}87\ \text{г/моль}$.

$n(\text{Fe}^{3+}) = \frac{32{,}4 \cdot 1{,}0}{162{,}2} = 0{,}1998\ \text{моль}$

$m(\text{Fe(OH)}_3) = 0{,}1998 \cdot 106{,}87 = 21{,}35\ \text{г}$

Этот расчёт калькулятор выполняет автоматически при перемещении ползунков - попробуйте задать другие значения и проследить, как меняется масса осадка.

Ионные уравнения: полные и сокращённые

В задачах по аналитической химии важно правильно записывать уравнения в ионной форме. Разберём это на примере реакции $\text{FeCl}_3$ с $\text{NaOH}$.

Молекулярное уравнение:

$\text{FeCl}_3 + 3\text{NaOH} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{NaCl}$

Полное ионное уравнение (все растворимые соли и щёлочи пишем в виде ионов):

$\text{Fe}^{3+} + 3\text{Cl}^{-} + 3\text{Na}^{+} + 3\text{OH}^{-} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow + 3\text{Na}^{+} + 3\text{Cl}^{-}$

Сокращённое ионное уравнение (вычёркиваем одинаковые ионы с обеих сторон):

$\text{Fe}^{3+} + 3\text{OH}^{-} \rightarrow \text{Fe(OH)}_3\downarrow$

Именно сокращённые ионные уравнения отражают суть реакции и именно их нужно знать для качественного анализа: не важно, из какой соли взяты ионы - из $\text{FeCl}_3$ или $\text{Fe}_2(\text{SO}_4)_3$, - итог будет одинаковым.

Специфичность реагентов: почему это важно

Специфичным называют реагент, дающий характерный признак только с одним определённым ионом. Из всех перечисленных реагентов строго специфичным считается KSCN для $\text{Fe}^{3+}$: кроваво-красный цвет $[\text{Fe(SCN)}]^{2+}$ не дублируется никаким другим распространённым катионом в нейтральной среде.

NaOH, напротив, осаждает гидроксиды многих металлов, поэтому при работе с неизвестным раствором сначала выполняют характерные специфические реакции (KSCN для $\text{Fe}^{3+}$, красная кровяная соль для $\text{Fe}^{2+}$), а NaOH используют как подтверждающую или для расчётного определения количества вещества.

Берлинская лазурь и турнбулева синь тоже высокоселективны, хотя во времена классической аналитики ошибочно считались разными веществами. По современной кристаллохимии оба продукта имеют одинаковую структуру типа «берлинская лазурь» - разницу создаёт лишь степень окисления железа в исходном реагенте.

Частые ошибки

• Перепутать жёлтую и красную кровяные соли. Жёлтая K$_4$[Fe(CN)$_6$] - на $\text{Fe}^{3+}$ (берлинская лазурь), красная K$_3$[Fe(CN)$_6$] - на $\text{Fe}^{2+}$ (турнбулева синь). Запомните: обе «синие», но применяются «крест-накрест».
• Не учитывать побурение осадка Fe(OH)$_2$. Если взять пробу не сразу, а через несколько минут - осадок уже бурый. Нередко студенты делают ошибочный вывод о присутствии $\text{Fe}^{3+}$, хотя изначально был $\text{Fe}^{2+}$.
• Подставлять массовую долю в процентах, а не долях. В формуле $n = m \cdot w / M$ значение $w$ должно быть долей (0 до 1), а не процентами. При $w = 80\%$ нужно писать $w = 0{,}80$.
• Игнорировать стехиометрию в уравнении. Для реакции $\text{Fe}^{3+} + 3\text{OH}^-$ нужно три моля гидроксида на один моль иона. При расчёте «достаточно ли реагента» это ключевое соотношение.
• Путать признак с уравнением. Признак реакции - наблюдаемое изменение (цвет осадка или раствора); уравнение - запись химических частиц. Обе части обязательны в ответе на задачу.

FAQ

Чем отличается реакция Fe²⁺ с NaOH от реакции Fe³⁺ с NaOH? Оба иона образуют осадки гидроксидов, но разных цветов: $\text{Fe(OH)}_2$ - белый (слегка зеленоватый), $\text{Fe(OH)}_3$ - бурый (ржаво-коричневый). Дополнительный диагностический признак: осадок $\text{Fe(OH)}_2$ на воздухе буреет из-за окисления до $\text{Fe(OH)}_3$. $\text{Fe(OH)}_3$ не меняет цвета, поскольку железо уже в высшей степени окисления.

Почему KSCN считают специфическим реагентом именно на Fe³⁺? Роданид-ион $\text{SCN}^-$ образует интенсивно окрашенный комплекс $[\text{Fe(SCN)}]^{2+}$ только с железом(III) при нейтральном и слабокислом pH. Другие распространённые катионы ($\text{Fe}^{2+}$, $\text Cu^{2+}$, $\text{Al}^{3+}$, $\text{Mn}^{2+}$) в этих условиях кроваво-красного цвета не дают. Реакция работает даже при очень низких концентрациях $\text{Fe}^{3+}$, поэтому применяется в аналитических лабораториях как экспресс-тест.

Как правильно записать сокращённое ионное уравнение для реакции FeSO$_4$ с K$_3$[Fe(CN)$_6$]? Молекулярное уравнение: $\text{FeSO}_4 + \text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6] \rightarrow \text{KFe}[\text{Fe(CN)}_6]\downarrow + \text{K}_2\text{SO}_4$. В ионной форме: $\text{Fe}^{2+} + \text{SO}_4^{2-} + 3\text{K}^{+} + [\text{Fe(CN)}_6]^{3-} \rightarrow \text{KFe}[\text{Fe(CN)}_6]\downarrow + 2\text{K}^{+} + \text{SO}_4^{2-}$. Сокращённое: $\text{Fe}^{2+} + [\text{Fe(CN)}_6]^{3-} \rightarrow \text{KFe}[\text{Fe(CN)}_6]\downarrow$.

Коротко

Ионы $\text{Fe}^{2+}$ и $\text{Fe}^{3+}$ распознают специфическими реагентами: $\text{Fe}^{3+}$ обнаруживают с KSCN (кроваво-красный цвет), NaOH (бурый осадок) или K$_4$[Fe(CN)$_6$] (берлинская лазурь); $\text{Fe}^{2+}$ - с NaOH (белый буреющий осадок) или K$_3$[Fe(CN)$_6$] (турнбулева синь). Массу осадка считают по формулам $n = m \cdot w / M_\text{соли}$ и $m_\text{ос} = n \cdot M_\text{продукта}$ с учётом стехиометрии 1:1 по иону.