铁系元素的物理和化学性质及其应用

铁系元素的物理和化学性质及其应用

物理性质报告

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铁系元素的原子半径、离子半径、电离势等性质基本随原子序数的增大而呈规律性变化，但镍的原子量小于钴，这是因为质量数较小的镍同位素所占比例较大。

铁基元素均为白色金属，有金属光泽。钴略带灰色。它们都具有较大的密度和较高的熔点，其熔点随原子序数的增加而降低。这可能是因为3d轨道上的单电子数按Fe、Co、Ni（4、3、2）的顺序依次减少，金属键依次减弱。

钴比较硬而脆，铁和镍延展性好，均表现出铁磁性，它们的合金是良好的磁性材料。

化学性质报告

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铁系元素电位图

从铁系元素的标准电极电位来看，它们都是中等活性的金属。它们的化学性质如下：

①在酸性溶液中，Fe2+、Co2+、Ni2+分别是铁、钴、镍离子最稳定的状态。空气中的氧能将酸性溶液中的Fe2+氧化成Fe3+，但不能将Co2+和Ni2+氧化成Co3+和Ni3+。

从数值上可以看出，高氧化态的铁（VI）、钴（III）和镍（IV）在酸性溶液中都是强氧化剂。

②在碱性介质中，铁的最稳定氧化态为+3，而钴、镍的最稳定氧化态仍为+2；低氧化态铁、钴、镍在碱性介质中比在酸性介质中更容易氧化成高氧化态。低氧化态氢氧化物的还原性按Fe(OH)2>Co(OH)2>Ni(OH)2的顺序降低。

例如，向 Fe2+ 溶液中加入碱可以产生白色的 Fe(OH)2 沉淀，但空气中的氧气会立即将白色的 Fe(OH)2 氧化成红褐色的 Fe(OH)3 沉淀：

在同样条件下生成的粉红色Co(OH)2比较稳定，但放置在空气中，也能被空气中的氧气慢慢氧化成棕色的Co(OH)3：

在同等条件下，生成的绿色Ni(OH)2最为稳定，根本不会被空气中的氧气氧化。

可以看出，Fe(OH)2还原性最强，且最不稳定，而Ni(OH)2还原性最差，且最稳定，这是由它们在碱性介质中标准电极电位的大小决定的。

③铁元素易溶于稀酸，只有钴在稀酸中溶解很慢，遇浓硝酸均呈“钝化”状态。铁能被热的浓碱溶液腐蚀，而钴和镍在碱溶液中比铁稳定。

④在没有水蒸气的情况下，在常温下，铁基元素对氧、硫、氯、磷等非金属几乎不起作用，但在高温下却发生剧烈反应。

目的报告

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铁、钴、镍主要用于制造合金。铁是重要的基本结构材料，铁合金应用十分广泛。钴合金硬度较高。镍是不锈钢的主要成分之一。由于镍不与强碱发生反应，实验室中常用镍坩埚来熔化碱性物质。镍粉还可用作加氢反应的催化剂。