Хлорид железа(III): свойства, структура и применение.

Введение

Неорганическое соединение

Железо(III) хлорид описывает неорганические соединения с формулой FeCl3(H2O)x. Также известные как хлорид железа(III), эти соединения являются одними из наиболее важных и распространенных соединений железа. Они доступны как в безводной, так и в гидратированной формах, обе из которых гигроскопичны. Они содержат железо в степени окисления +3. Безводное производное является кислотой Льюиса, а все формы – мягкими окислителями. Он используется для очистки воды и в качестве травителя металлов.

Электронные и оптические свойства

Все формы хлорида железа парамагнитны, что обусловлено наличием неспаренных электронов в 3d-орбиталях. Хотя хлорид Fe(III) может иметь октаэдрическую или тетраэдрическую структуру (или обе, см. раздел «Структура»), все эти формы содержат пять неспаренных электронов, по одному на каждую d-орбиталь. Высокоспиновая электронная конфигурация d⁵ требует, чтобы d–d электронные переходы были спин-запрещены, помимо нарушения правила Лапорта. Эта двойная запрещённость приводит к тому, что его растворы имеют лишь слабый цвет. Или, говоря более технически, оптические переходы неинтенсивны. Водные растворы сульфата железа(III) и нитрата железа(III), содержащие [Fe(H₂O)₆]³⁺, практически бесцветны, в то время как растворы хлорида железа(III) имеют жёлтый цвет. Таким образом, хлоридные лиганды оказывают значительное влияние на оптические свойства иона железа.

Структура

Хлорид железа(III) может существовать в безводной форме и в виде ряда гидратов, что обуславливает различные структуры.

Безводный

Безводное соединение представляет собой гигроскопичное кристаллическое вещество с температурой плавления 307,6 °C. Цвет зависит от угла зрения: при отраженном свете кристаллы выглядят темно-зелеными, а при проходящем свете – пурпурно-красными. Безводный хлорид железа(III) имеет структуру, аналогичную BiI3, с октаэдрическими центрами Fe(III), соединенными двумя координированными хлоридными лигандами.

Гидраты

Хлорид железа образует гидраты при контакте с водой, что отражает его кислотность Льюиса. Все гидраты проявляют деликвесценцию, то есть переходят в жидкое состояние, поглощая влагу из воздуха. Гидратация неизменно приводит к образованию производных аквокомплексов с формулой [FeCl2(H2O)4]+. Этот катион может иметь транс- или цис-стереохимию, что отражает взаимное расположение хлоридных лигандов вокруг октаэдрического центра Fe. Четыре гидрата были охарактеризованы методом рентгеновской кристаллографии: дигидрат FeCl3⋅2H2O, дискехидрат FeCl3⋅2,5H2O, трискехидрат FeCl3⋅3,5H2O и, наконец, гексагидрат FeCl3⋅6H2O. Эти соединения различаются стереохимией октаэдрического иона железа, природой анионов, а также наличием или отсутствием воды кристаллизации.

Обработка воды

Наиболее широко хлорид железа(III) применяется в очистке сточных вод и производстве питьевой воды. Формируя высокодисперсные сети материалов, содержащих FeO и Fe, хлориды железа служат коагулянтами и флокулянтами. В этом применении водный раствор FeCl3 обрабатывается щелочью для образования флока гидроксида железа(III) (Fe(OH)3), также представленного в виде FeO(OH) (ферригидрита). Этот флок облегчает отделение взвешенных веществ, осветляя воду. Хлорид железа(III) также используется для удаления растворимого фосфата из сточных вод. Фосфат железа(III) нерастворим и, следовательно, выпадает в осадок в виде твердого вещества. Одним из потенциальных преимуществ его использования в водоочистке является то, что ион железа(III) окисляет (устраняет запах) сероводорода.

Исследования органического синтеза

Хотя хлориды железа(III) редко используются в практическом органическом синтезе, они привлекли значительное внимание как реагенты благодаря своей низкой стоимости, распространенности в земной коре и относительной нетоксичности. Многие исследования изучают как их окислительно-восстановительную активность, так и кислотные свойства Льюиса. Алкилтиофены полимеризуются в политиофены при обработке хлоридом железа(III). Показано, что хлорид железа(III) способствует реакциям образования C-C связи. Разработено несколько реагентов на основе хлорида железа(III), нанесенного на носитель. На силикагеле безводную соль применяют для проведения определенных реакций дегидратации и перегруппировки типа пинакола. Аналогичный, но увлажненный реагент индуцирует реакции гидролиза или эпимеризации. На оксиде алюминия хлорид железа(III) ускоряет реакции типа ene. При предварительной обработке гидридом натрия хлорид железа(III) образует гидрид-восстановитель, который превращает алкены и кетоны соответственно в алканы и спирты.

Гистология

Хлорид железа(III) является компонентом полезных красителей, таких как раствор Карнуа, гистологический фиксатор, широко используемый в различных областях. Он также применяется для приготовления красителя по Верхоффу.

Природное происхождение

Как и многие галогениды металлов, FeCl3 встречается в природе в виде следового минерала. Редкий минерал молисит обычно связан с вулканами и фумаролами. Аэрозоли на основе FeCl3 образуются в результате реакции железосодержащей пыли с соляной кислотой, содержащейся в морской соли. Этот аэрозоль железной соли вызывает около 1,5% естественного окисления метана и, как считается, оказывает ряд охлаждающих эффектов; таким образом, он был предложен в качестве катализатора для удаления метана из атмосферы. Предполагается, что облака Венеры содержат приблизительно 1% FeCl3, растворенного в серной кислоте.