jern (forbindelser)

Jern optræder i forbindelser med oxidationstrin fra −2 til +6. Endvidere er der et stort antal intermetalliske forbindelser, i hvilke man ikke kan tildele jern et veldefineret oxidationstrin.

Oxidationstrin +2 og +3: I vandige opløsninger optræder jern altovervejende med oxidationstrin +2 som jern(II)- eller ferroforbindelser og med +3 som jern(III)- eller ferriforbindelser. Jern(II)forbindelser indeholder i vandige opløsninger den næsten farveløse jern(II)aquaion, Fe(H₂O)₆²⁺ (i forkortet form Fe²⁺), der er et mildt reduktionsmiddel, hvilket medfører, at salte med stærkt oxiderende ioner som fx nitritionen, NO₂^-, ikke kan eksistere. Jern(III)forbindelser som fx jern(III)aquaionen, Fe(H₂O)₆³⁺ (i forkortet form Fe³⁺), er på den anden side oxidationsmidler, hvilket betyder, at de ikke kan danne forbindelser med stærkt reducerende ioner. Et eksempel er reaktionen mellem jern(III)ionen og jodidionen, I^-, hvor der dannes jern(II) og jod. De ioner, som hverken er udpræget reducerende eller oxiderende, som fx fluorid, klorid, bromid, sulfat osv. danner såvel jern(II)- som jern(III)forbindelser. Jern(II)forbindelser har en række lighedspunkter med magnesiumforbindelser med hensyn til fx opløselighed. Tilsvarende har jern(III)forbindelser ligheder med aluminiumforbindelser. I ren tilstand er jern(II)forbindelser enten farveløse, hvide eller svagt grønne. De oxideres imidlertid let af luftens oxygen til jern(III)forbindelser og antager da ofte en brunlig farve selv ved et ringe indhold af jern(III). Oxidationstrinnet +2 stabiliseres ved tilstedeværelsen af reducerende stoffer som fx oxalationen, C₂O₄^2-, og forbindelsen jern(II)oxalat, FeC₂O₄∙2H₂O er særdeles stabil, hvorimod jern(III)ionen reduceres til oxidationstrin +2 af oxalationen, særligt hurtigt i lys.

Nogle almindeligt kendte og anvendte jern(II)forbindelser er følgende: jern(II)acetat, Fe(CH₃COO)₂, der i ren tilstand er farveløst, men med et lille indhold af jern(III) anvendes som farvestof i blæk og som udgangsstof for mørke tekstilfarver. Jern(II)sulfat, FeSO₄∙7H₂O, tidligere kaldet jernvitriol, danner svagt farvede, blågrønne krystaller, der er let opløselige i vand. Det er udgangsprodukt for fremstilling af mange jernforbindelser. Jern(II)sulfat er kendt som et middel til bekæmpelse af mos i græsplæner. Det danner dobbeltsaltet Mohrs salt, FeSO₄(NH₄)₂SO₄∙6H₂O, som er mere modstandsdygtigt mod oxidation end det simple sulfat. Endvidere findes en række simple forbindelser som jern(II)klorid, FeCl₂, der dannes, når jern opløses i saltsyre og anvendes til vandrensning i et oxiderende miljø, og det hvide jern(II)carbonat, FeCO₃, der fx anvendes som jerntilskud i kreaturfoder. I naturen findes det som mineralet siderit, jernspat, ofte med gul eller gulbrun farve. Oxidationstrinnet +2 stabiliseres ofte ved komplexdannelse. En af de længst kendte komplekse jern(II)forbindelser er kaliumhexacyanoferrat(II), K₄[Fe(CN)₆]∙3H₂O, der også kaldes gult blodludsalt, idet det tidligere blev fremstillet ud fra nitrogenholdige, organiske stoffer, som fx blod, ved reaktion med jern i smeltet kaliumcarbonat med luftens oxygen som oxidationsmiddel. I vandige opløsninger, spaltes (dissocieres) det i kaliumioner og hexacyanoferrat(II)ioner, Fe(CN)₆^4-. Stoffet er ikke giftigt, i modsætning til de simple cyanider som fx kaliumcyanid, og de vandige opløsninger giver ingen af de almindelige kemiske reaktioner for jern(II)- og cyanidionen.

Jern(III)forbindelser er ofte farvede, på trods af, at Fe(H₂O)₆³⁺-ionen er farveløs. Helt rene forbindelser, der indeholder denne ion, fx jernalun, NH₄Fe(SO₄)₂∙12H₂O, er ligeledes farveløse. Hvis jernet er lidt forurenet med mangan, hvad der ofte er tilfældet, får jernalunkrystallerne imidlertid en svag, violet farve. Noget tilsvarende gælder farven hos jern(III)nitrat, Fe(NO₃)₃∙6H₂O. Jern(III)aquaionen er en syre, dvs. at den kan fraspalte hydrogenioner fra vandmolekylerne. Herved dannes nogle brunfarvede forbindelser af typen (H₂O)₄Fe(OH)₂Fe(H₂O)₄⁴⁺ og lignende. Sættes ammoniak eller fx natriumhydroxid til en opløsning af et jern(III)salt dannes et rødbrunt, geleagtigt stof, som efter længere kontakt med vand danner et krystallinsk jern(III)oxid-hydroxid, der findes i to former, der kaldes α- og γ-FeO(OH). Vandfrit jern(III)klorid, FeCl₃, der har en mørkegrøn, metallisk farve, dannes ved opvarmning af jern i klor. Jern(III) danner let komplekse ioner med halogenidioner, fx FeF₆^3-- og FeCl₄^--ionerne og med cyanidionen dannes hexacyanoferrat(III)ionen, Fe(CN)₆^3-, der indgår i kaliumhexacyanoferrat(III), rødt blodludsalt, K₃[Fe(CN)₆], der dannes af K₄[Fe(CN)₆] ved hjælp af et stærkt oxidationsmiddel, fx klor.

Med jern(II)ionen, Fe²⁺, danner hexacyanoferrat(III)ionen et kraftigt farvet, blåt bundfald, kaldet berlinerblåt. Samme forbindelse fås ved reaktion mellem jern(III)-ionen og hexacyanoferrat(II)ionen. Sammensætningen afhænger af forsøgsbetingelserne, men kan typisk angives som MFe[Fe(CN)₆], hvor M fx kan være ammonium, natrium eller kalium. Fældningen af berlinerblåt kan anvendes til kvalitativ påvisning af jern. Berlinerblåt anvendes i blåtryk. Papir behandles i mørke med en opløsning af ammoniumhexacyanoferrat(III) og jern(III)citrat. Ved belysning reduceres jern(III) af citrationerne til jern(II), hvorved der dannes berlinerblåt.

Højere oxidationstrin. Jern(IV)-forbindelser kan fremstilles som dobbeltoxider af typen Sr₂FeO₄ i form af sorte krystaller. Jern(V)-forbindelser kendes i forbindelser af typen M₃FeO₄, hvor M kan være natrium, kalium eller rubidium. Begge de to nævnte typer forbindelser sønderdeles af vand. Derimod kan der fremstilles vandige opløsninger, der indeholder den stærkt oxiderende jern(VI)-ion, FeO₄^2-, der giver opløsningerne en dyb, rød farve.

Oxider og sulfider. Det jernoxid, der har det laveste indhold af oxygen, antog man tidligere havde den nøjagtige sammensætning FeO. Denne formel repræsenterer imidlertid ikke en stabil forbindelse. Ved ca. 1300 °C findes en fase kaldet wüstit med sammensætning FeO_1-x, hvor x kan variere fra 0,03 til 0,08. Under 560 °C henfalder wüstit til jern og Fe₃O₄, der som mineral er kendt under navnene magnetit og magnetjernsten. Det kan beskrives som værende et dobbeltoxid FeOFe₂O₃. Jern(III)oxid, Fe₂O₃, findes som mineral under navnet hæmatit eller blodjernsten. Det kan fremstilles ved opvarmning af jern(III)salte af flygtige syrer, fx af jern(III)sulfat og anvendes som et rødt farvepigment. Endvidere kendes et stort antal dobbeltoxider af sammensætningen MFe₂O₄, hvor M er et metal i oxidationstrin +2, fx magnesium, mangan, zink eller nikkel. De magnetiske egenskaber af dobbeltoxider med de generelle formler RFeO₃ og R₃Fe₅O₁₂, hvor R er yttrium, lanthan, eller et af lanthaniderne, fx gadolinium, er blevet studeret intensivt med henblik på tekniske anvendelser som elektroniske lagermedier.

Jern danner med svovl en forbindelse, der kan skrives som FeS_1+x, hvor x kan variere fra 0 til ca. 0,2. Det findes som mineralet magnetkis, også kaldet pyrrhotit, hvis kemiske sammensætning også er variabel. Et andet sulfid har formlen FeS₂. Begge sulfider er halvledere. FeS₂ findes som mineralerne pyrit og marcasit. Jernets sulfider har stor teknisk betydning, bl. a. i svovlsyrefabrikationen.

Oxidationstrin −2, −1, 0, +1. Oxidationstrinnet 0 findes bl.a. i forbindelser mellem jern og carbonmonoxid, CO. Jernpentacarbonyl, Fe(CO)₅, dannes som en gul væske ved direkte reaktion mellem findelt jern og carbonmonoxid. Det kan ved belysning omdannes til dijern-enneacarbonyl, Fe₂(CO)₉, der igen kan omdannes til trijern-dodekacarbonyl, Fe₃(CO)₁₂. Alle jerncarbonylerne er giftige. De er uopløselige i vand, men opløselige i organiske opløsningsmidler, fx benzen og petroleumsether. Vandige alkaliske opløsninger reagerer med jernpentacarbonyl under dannelse af carbonylationen, [Fe(CO)₄]^2- og en form med hydrogen [Fe(CO)₄H]^-. Mængdeforholdet afhænger af opløsningens baseindhold og af temperaturen. Fe₃(CO)₁₂ danner med jod forbindelsen octacarbonyldijern(I)dijodid, Fe₂I₂(CO)₈, hvori jern kan tildeles oxidationstrinnet +1.

Jern danner med cyclopentadien, C₅H₆, forbindelsen bis(η⁵-cyclopentadienyl)jern, (C₅H₅)₂Fe, også kaldet ferrocen. Det er et krystallinsk, orangefarvet stof, der er uopløseligt i vand, men opløseligt i de fleste organiske opløsningsmidler. Det smelter ved 173 °C uden at sønderdeles og har en række kemiske egenskaber fælles med aromatiske forbindelser, som fx benzen, og der er udviklet en omfattende organisk kemi baseret på ferrocen. I ferrocen er jernatomet placeret mellem to cyclopentadienfemkanter, hvis planer er parallelle, men hvor den ene femkant er drejet 180° i forhold til den anden.