Quando o ferro exibe estado de oxidação 3. Compostos de ferro (III)

Lições objetivas:

Educacional: apresentar aos alunos os compostos naturais de ferro, considerar os compostos de ferro mais importantes (+2) e (+3), suas propriedades, familiarizá-los com as reações qualitativas aos íons de ferro (+2) e (+3), mostrar o significado econômico de compostos de ferro;

Desenvolvimento: desenvolvimento da fala, memória, pensamento lógico, habilidades de atividade conjunta; desenvolvimento e consolidação de competências e habilidades para trabalhar com equipamentos de laboratório;

Educacional: formação de uma visão de mundo, habilidades de cooperação, continuidade de conhecimentos, implementação de conexões interdisciplinares, educação de alfabetização ambiental, atitude razoável em relação à natureza (slide 2).

Equipamentos e reagentes:

amostras compostos naturais ferro (minério de ferro magnético, minério de ferro vermelho, minério de ferro marrom, pirita de ferro); soluções de cloreto de ferro (II) e (III), soluções de sal de sangue vermelho e sal de sangue amarelo, solução de tiocianato de potássio, solução alcalina; sais: sulfato de ferro, cloreto de ferro (III), sulfato de ferro (III), vidraria química necessária.

Tipo de aula: combinada.

Durante as aulas

I. Momento organizacional.

II. Atualizando conhecimentos.

1 opção

1) Fe + H 2 SO 4р-р =

3) Fe + AgNO 3 =

opção 2

Complete as equações de reação. Considere a equação nº 2 do ponto de vista do OVR.

Opção 3

Complete as equações de reação. Considere a equação nº 2 do ponto de vista do OVR.

3) Fe + Cu(NÃO 3) 2 =

III. Aprendendo novo material.

Encontrando ferro na natureza

O ferro (5%) é o segundo metal mais comum em crosta da terrra, e na natureza ocupa o 4º lugar. Ocorre na natureza na forma de óxidos e sulfetos:

Fe 3 O 4 – minério de ferro magnético (magnetita);

Fe 2 O 3 – minério de ferro vermelho (hematita);

(O médico e alquimista Theofastus Paracelsus viajou muito e em 1530 da Rússia trouxe para seu laboratório em Basileia um pedaço de mineral vermelho cereja - “pedra de sangue”. O mineral realmente deixou um traço “sangrento” - uma linha vermelha no pergaminho ou pedra branca. Assistente de Paracelso, um monge ignorante, decidiu que o mineral da Rússia era o sangue coagulado do diabo. Ao preparar os componentes dos medicamentos por meio da calcinação de sais obtidos do “mineral russo”, o monge recebia cada vez um pó vermelho . Cristais lilases de sulfato e nitrato de ferro (III), cloreto férrico amarelo ( III) ou carbonato de ferro (II) quase branco - todos eles, quando aquecidos em uma corrente de ar, se transformaram em “sangrentos". Tendo abandonado o trabalho , o monge começou a dizer em todos os lugares que Paracelso estava associado ao diabo. Ameaças foram feitas contra o famoso médico, e à noite ele teve que deixar secretamente Basileia. De manhã, uma multidão de moradores da cidade destruiu e queimou sua casa).

“Bloodstone” é o mineral hematita Fe 2 O 3 . Os sais de ferro se decompõem quando aquecidos, liberando esse óxido vermelho.)

2Fe 2 O 3 *3H 2 O – minério de ferro marrom (limonita);

FeS 2 – pirita de ferro (pirita).

Além do ferro, esses minerais contêm outros elementos. O ferro natural quimicamente puro só pode ser originário de meteorito (o maior meteorito foi encontrado em 1920 no sudoeste da África, pesando 60 toneladas, “Goba”) (demonstração de uma coleção de minerais) (Slide 3).

O ferro forma diversas séries de compostos, para saber quais devemos lembrar, qual a característica estrutural do átomo de ferro e quais estados de oxidação são característicos do ferro?

Fe +26 2е, 8е, 14е, 2е

(Fe é um elemento do grupo 7 do subgrupo secundário, 4 períodos (grande). Não é o último, mas o penúltimo, 3º do nível de energia do núcleo que é preenchido, onde o número máximo de elétrons é 18; o ferro tem 14 elétrons. O ferro é um agente redutor, como outros metais, porém, ao contrário dos metais previamente estudados, os átomos de ferro durante a oxidação cede não apenas os elétrons do último nível, adquirindo um estado de oxidação de +2, mas são capazes de doar 1 elétron de o penúltimo nível de energia, embora aceite um estado de oxidação de +3. O ferro é caracterizado por dois graus principais de oxidação (+2 e +3).

Exibindo estados de oxidação +2 e +3, o ferro forma 2 séries de compostos.

Compostos de ferro (+2).

Compostos de ferro (+2): FeO (óxido de ferro (II) e Fe (OH) 2 (hidróxido de ferro (II)). Eles têm um caráter básico pronunciado. Eles são obtidos indiretamente. Considere a série genética de Fe +2:

Compostos de ferro (+3).

Compostos de ferro (+3): Fe 2 O 3 (óxido de ferro(III)) e Fe(OH) 3 (hidróxido de ferro(III)). Eles têm propriedades anfotéricas fracamente expressas. Eles os recebem indiretamente. Considere a série genética Fe +3:

Os cátions de ferro (+2) são facilmente oxidados pelo oxigênio atmosférico ou outros agentes oxidantes em cátions de ferro (+3). Portanto, o precipitado branco Fe(OH) 2 (hidróxido de ferro(II)) no ar primeiro adquire uma cor verde e depois torna-se marrom, transformando-se em Fe(OH) 3 (hidróxido de ferro(III) (experimento de demonstração

)

Sais de ferro (+2) e (+3).

O ferro forma 2 séries de sais Fe +2 e Fe +3. Para reconhecer compostos de ferro (+2) e (+3), são realizadas reações qualitativas nesses íons (reações qualitativas são reações com a ajuda das quais eles reconhecem várias substâncias, são acompanhados por um efeito externo brilhante).

Reações qualitativas ao Fe +2.

O reagente é sal de sangue vermelho.

Reações qualitativas ao Fe +3.

O reagente é sal de sangue amarelo.

Além disso, para detectar íons de ferro (III), utiliza-se a interação dos sais de ferro (III) com o tiocianato de potássio ou de amônio, fazendo com que a solução adquira uma cor vermelha intensa.

Cuidados de segurança: é necessário ingerir substâncias em quantidades especificadas pelo professor; quando os dados chegam reagentes químicos os reagentes na pele ou na roupa devem ser lavados com excesso de água; Se alguma coisa entrar em contato com seus olhos, enxágue com água por 10 a 15 minutos.

(visualização do disco; demonstração de amostras de sal; experimentos dos alunos) (Slide 4, 5).

Aplicação de compostos de ferro

O ferro desempenha as funções dos órgãos hematopoiéticos e faz parte da hemoglobina e de outras proteínas complexas de organismos animais. O ferro é encontrado na forma de ferro fundido e aço ampla aplicação na economia nacional. Dos sais de ferro, os sulfatos e cloretos são os de maior importância técnica.

FeSO 4 *7H 2 O – sulfato de ferro é utilizado no controle de pragas de plantas, no preparo de tintas minerais, etc.;

FeCl 3 – utilizado como mordente para tingimento de tecidos e como catalisador em síntese orgânica;

Fe 2 (SO 4) 3 *9H 2 O - utilizado para purificação de água, na forma de alúmen na medicina.

(visualização do disco; demonstração de amostras de sal)

Na lição, examinamos os compostos de ferro (+2) e (+3). Aprendemos sobre a ocorrência do ferro na natureza: os minerais magnetita, hematita, limonita, pirita. Estudamos compostos de ferro (+2) (FeO (óxido de ferro(II) e Fe(OH) 2 (hidróxido de ferro(II)) e suas propriedades; compostos de ferro (+3) (Fe 2 O 3 (óxido de ferro(III) ) e Fe (OH) 3 (hidróxido de ferro (III), suas propriedades. Observamos a facilidade de oxidação de Fe +2 em Fe +3 pelo oxigênio atmosférico. Aprendemos que o ferro forma 2 séries de compostos:

Fe +2: o reagente é sal de sangue vermelho, forma-se um precipitado azul escuro (azul Turnboole);

Fe +3: serve como reagente

1) sal de sangue amarelo, forma-se uma cor azul escura (azul da Prússia);

2) tiocianato de potássio ou amônio, forma-se uma cor vermelha intensa.

Examinamos o uso de compostos de ferro na metalurgia, medicina, purificação de água, tingimento de têxteis, controle de pragas e outros setores da economia nacional.

V. Consolidação.

Tarefa. Que massa de ferro pode ser obtida tratando 96 g de óxido de ferro(III) com excesso de monóxido de carbono se o rendimento da reação for 80% do teoricamente possível? (Slide 6)

VI. Reflexão.

Complete as frases ou responda à pergunta.

eu gostei mais...

Hoje eu descobri...

Foi difícil...

Foi interessante…

Agora eu posso…

Tentei…

Lição de casa: livro didático Gabrielyan O. S. p. 14 (pp. 65-67); ex. 5.6 por escrito (Slide 7).

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O conteúdo informativo único da espectroscopia Mössbauer, a relativa simplicidade do experimento e os fundamentos teóricos desenvolvidos levaram ao uso generalizado da espectroscopia Mössbauer em física e química do estado sólido, física nuclear, geologia e arqueologia, química analítica e tecnologia química.

1.3 Compostos complexos de ferro em solução

O ferro, sendo um elemento de transição, é um agente complexante típico. O ferro forma CS estável, estando nos estados de valência Fe (III) e Fe (II). A complexação estabiliza compostos com um estado de oxidação de +2 que é menos estável para o ferro.

O ferro forma um número bastante grande de compostos complexos. O mais característico do ferro (II) e do ferro (III) é o número de coordenação (CN) = 6 (menos frequentemente 4 e 5). A capacidade de formar complexos é mais característica do ferro em C/O = +3. Vejamos alguns complexos de ferro e métodos para sua preparação.

1.3.1 Hexacianoferratos (II, III)

Os complexos de cianeto são muito estáveis ​​para o ferro (II)(cianoferratos (II)). O mais famoso deles é o hexacianoferrato (II) de potássio -sal de sangue amarelo.

Sal de sangue amarelo (hexacianoferrato de potássio (II) - K 4) é conhecido desde meados do século XVIII. Inicialmente, era obtido pela fusão de resíduos de matadouros (por exemplo, sangue animal, cascos, peles, etc.) com potássio (K 2CO3 ) e restos de ferro. Após resfriar o fundido e lixiviá-lo com água, obteve-se sal de sangue amarelo.

Agora, o hexacianoferrato de potássio (II) é obtido pela reação do excesso de KCN com o sal ferro ferroso:

FeCl2 + 6KCN = K4 + 2KC1.

Quando uma solução de sal de sangue amarelo é adicionada a uma solução de sais férricos, forma-se um precipitado azul escuro, denominadoBerlim ou npycc azul :

4FeCl 3 + 3K 4 = Fe III 4 3 + 12KCl.

Foto. 2. Azul da Prússia

3+ .

Se o sal amarelo do sangue for tratado com um agente oxidante (cloro, permanganato de potássio), obtém-se o sal complexo de ferro férrico (III) hexacianoferrato de potássio (III) - K 3, que é colorido em vermelho e chamadosal de sangue vermelho.

2K 4 + C1 2 = 2K 3 + 2KC1.

Foto. 1. Sal vermelho no sangue.

Sal vermelho de sangue (complexo 3- ), menos estável que o amarelo (complexo 4- ) e, portanto, é muito venenoso.

Arroz. 5. Diagrama de energia 4- (método MO).

Quando soluções de sais de ferro divalentes reagem com o sal vermelho do sangue, forma-se um precipitado azul escuro, denominadoturnbull azul:

3FeCl 2 + 4K 3 = Fe III 4 3 + 6KC1 + 6KCN.

Esta é uma reação qualitativa aos sais de Fe 2+ .

Anteriormente acreditava-se que isso resultaria na formação de hexacianoferrato (III) de ferro (II), ou seja, Fe II 3 2 , esta é exatamente a fórmula proposta para “Turnbull blue”. Agora, graças à pesquisa pelo método de espectroscopia Mössbauer, sabe-se que o azul Turnboole e o azul da Prússia são a mesma substância e, durante a reação, os elétrons são transferidos dos íons Fe 2+ para íon hexacianoferrato (III):

Fe 2+ + 3- → Fe 3+ + 4- .

Este processo ocorre quase instantaneamente, e a reação inversa só pode ser realizada no vácuo a 300 0 COM . Este fato é aparentemente explicado pelo fato do complexo 4- mais estável que 3-.

O azul Turnboule e o azul da Prússia são pouco solúveis em água, o que os torna difíceis de usar como tintas. Para aumentar a solubilidade dos hexacianoferratos, íons de potássio são introduzidos na composição KFe (este último composto é denominado azul da Prússia solúvel). À medida que o conteúdo de íons potássio aumenta, a cor dos compostos muda de azul escuro para azul claro.

Esquema da estrutura do “azul da Prússia” solúvel - “Turnboole blue” (hidrato cristalino do tipo KFe IIIH2 O) é mostrado na Figura 6.

Arroz. 6. Estrutura de cristal azul da Prússia

Isso mostra que os átomos de Fe 2+ e Fe 3+ estão localizados na rede cristalina do mesmo tipo, porém, em relação aos grupos cianeto são desiguais, prevalece a tendência à colocação de Fe 2+ entre átomos de carbono, Fe 3+ - entre átomos de nitrogênio, íons K moléculas + e H 2 O estão localizados nos vazios da rede cristalina.

Embora a composição, estrutura e redes cristalinas do azul da Prússia e do azul Turnboule sejam idênticas, diferentes nomes históricos continuam a persistir, refletindo a química dos íons de ferro em diferentes estados de oxidação.

1.3.2 Ditiossulfatoferrato(III)

Este composto complexo é formado pela interação do ferro 3+ com o tiossulfato de sódio. O composto complexo é de cor violeta intensa.

FeCl 3 + 2 Na 2 S 2 O 3 → 3 NaCl + Na

2Na →FeS 2 O 3 + FeS 4 O 6 + Na 2 S 2 O 3

1.3.3 Difosfatoferrato

Em ambiente ácido, fosfatos e ácido fosfórico com íons de ferro formam complexos incolores 3-:

FeCl 3 + H 3 PO 4 + K 3 PO 4 → K 3 + 3HCl

1.3.4 Cátion hexaammin ferro (II)

Cátion 2+ fracamente estável e instantaneamente decomposto pela água:

2+ + 6H 2 O = Fe(OH) 2 ↓ + 4NH 3 ∙H 2 O + 2NH 4 +

1.3.5 Complexos com outros ligantes

Entre os complexos de Fe de alta rotação 2+ formados por ligantes monodentados incluem íons água 2+ , CS com íons haleto, por exemplo, K 2, em cuja estrutura são fixados octaedros condensados.

O ferro (II) em CS com ligantes polidentados é instável, pois é rapidamente oxidado pelo oxigênio atmosférico e pela água, transformando-se em ferro (III) CS mais termodinamicamente estável.

1.3.6 Trioxalatoferratos de potássio (III, II)

O trioxalatoferrato (III) de potássio é preparado pela reação de sulfato de ferro (III), oxalato de bário e oxalato de potássio em uma solução aquosa:

Fe 2 (SO 4 ) 3 + Ba 2 (C 2 O 4 ) 2 + 4K 2 C 2 O 4 = 2K 3 + 2BaSO 4 + K 2 SO 4

Sob a influência da luz com comprimento de onda inferior a 490 nm, o Fe(III) é quantitativamente reduzido a Fe(II) devido à oxidação de alguns íons C 2 O 4 2- para CO 2:

2K 3 = 2K 2 + K 2 C 2 O 4 + 2CO 2

O complexo de oxalato de ferro (II) resultante é altamente solúvel em água e é liberado da solução na forma de hidrato cristalino K 2∙6H2 Ó de cor amarelo dourado.

Foto. 3. Trioxalatoferrato de potássio (II)

1.3.7 Quelatos

O termo quelato (quelato inglês do grego “garra”) é usado para designar estruturas cíclicas que são formadas como resultado da adição de um cátion a dois ou mais átomos doadores pertencentes a uma molécula de complexona. De acordo com o termo quelato, esses compostos deveriam ser representados na forma de uma espécie de caranguejo, que, com suas garras polidentadas, agarra firmemente o íon metálico, e quanto mais garras, mais forte é a pegada. Como tradução literal da palavra quelato, o termo “compostos em forma de garra” foi usado na literatura até recentemente para designar compostos complexos com estruturas cíclicas.

O fechamento dos ciclos durante a formação de compostos quelatos é um importante fator responsável pela alta estabilidade dos complexonatos. Compostos complexos contendo grupos cíclicos são mais estáveis ​​do que compostos que não contêm anéis, e complexos com anéis de cinco e seis membros são os mais estáveis.

Os complexos quelatos são mais típicos das complexonas. O termo “complexonas” foi proposto em 1945 pelo professor da Universidade de Zurique G. Schwarzenbach (1904 - 1978) para ligantes orgânicos do grupo dos ácidos poliaminopolicarboxílicos.

O agente quelante mais comumente usado é o etilenodiaminotetraacetato (EDTA, Trilon-B).

Complexo de ferro com EDTA (- ) é classificado como de baixo spin. Contém o ligante EDTA 4- , como sempre, hexadentante. No entanto, o CN do íon Fe 3+ é igual a 7, pois, além de quatro átomos de oxigênio e dois átomos de nitrogênio, o EDTA 4- a esfera interna do CS inclui o átomo de oxigênio da água de hidratação da esfera interna:

A formação de estruturas quelatadas é característica não apenas das complexonas, mas de outros compostos orgânicos. Por exemplo, CSs de ferro com betadicetonas são muito estáveis. A mais simples das betadicetonas de ferro é o trisacetilacetonato Fe(AcAc) 3 .

Quando aquecido, sublima sem se decompor. Sua molécula contém 3 anéis quelatos de seis membros. Apesar de pertencer a compostos de alto spin, o trisacetilacetonato de ferro (III) se comporta como um composto com estrutura molecular: o componente iônico da ligação Fe III – o ligante é protegido pelos radicais hidrocarbonetos do ligante, como resultado o composto é caracterizado por uma interação intermolecular fraca “semelhante a um órgão”. Isso explica sua capacidade de dissolver em solventes de baixa polaridade e sublimar facilmente (150 0ºC).

Como reação informal, o reagente mais sensível para o ferro (II) é uma solução alcoólica de dimetilglioxima, que forma um composto quelato complexo vermelho com o íon ferro (II), insolúvel em solução de amônia:

1.3.7. Nitroprussiato de sódio.

Um derivado do hexacianoferrato de ferro (III) chamado nitroprussiato de sódio Na 2∙2H2 O (cristais vermelho-escuros), pode ser obtido, por exemplo, pela reação :

Na 3 + NO = Na 2 + NaCN

Mesa 3. Características dos compostos complexos de ferro.

2. Parte prática

2.1 Sínteses de complexos

2.1.1 Síntese de trioxalatoferrato(III) de potássio

Primeiro você precisa preparar oxalato de bário, para o qual adicione uma solução de 2,5 g de cloreto de bário di-hidratado em 6 ml de água a uma solução de 1,5 g de oxalato de sódio em 40 ml de água. Filtrar os cristais precipitados utilizando um funil de Buchner e enxaguar várias vezes. água fria.

Para obter trioxalatoferrato (III) de potássio, coloque 1,25 g de sulfato de ferro (III), o oxalato de bário resultante, 1,5 g de oxalato de potássio e 30 ml de água em um copo com capacidade de 50-100 ml. Aqueça a mistura por várias horas em banho-maria, mantendo um volume constante. Após separação do precipitado de sulfato de bário, evaporar o filtrado até um volume de 5 ml e arrefecer. Os cristais de trioxalatoferrato de potássio (III) são filtrados, lavados com uma pequena quantidade de água e depois com álcool e secos em dessecador a vácuo sobre ácido sulfúrico. O medicamento deve ser protegido da luz solar, é melhor secar em local escuro.

2.1.2 Síntese do complexo quelato

Prepare uma solução de 4 g FeCl 3 em 3,5 ml de água e uma solução de 9,3 g de EDTA em 30 ml de água. Aqueça a mistura por várias horas no fogão e depois deixe esfriar. Filtre e seque os cristais caídos.

2.1.3 Cultivando um cristal azul da Prússia

Ao cultivar cristais, é necessário levar em consideração que se a cristalização ocorrer muito lentamente, obtém-se um cristal grande; se for rápido, obtêm-se muitos cristais pequenos. Substâncias que consistem em um cristal são monocristais.

Os cristais crescem de diferentes maneiras: por exemplo, resfriando uma solução saturada. À medida que a temperatura diminui, a solubilidade da maioria das substâncias diminui e diz-se que precipitam. Primeiro, minúsculos núcleos cristalinos aparecem na solução e nas paredes do recipiente, e então a cristalização ocorre em todo o volume da solução. Quando o resfriamento é lento e não há impurezas sólidas na solução (digamos, poeira), poucos núcleos são formados e gradualmente eles se transformam em belos cristais de formato regular.

Prepare soluções saturadas quentes de FeCl 3 e sal de sangue amarelo. Misture as soluções em um béquer, filtre o precipitado com funil de Buchner e coloque em papel de filtro limpo para obter uma semente. Depois de uma semana, selecione o cristal maior para semear, amarre-o com fio lavsan e coloque-o na solução mãe. Após 14 dias, foram obtidos cristais maiores.

2.1.4 Cultivando um cristal azul Turnbull

Prepare soluções saturadas quentes de FeSO 4 e sal de sangue vermelho. Misture as soluções em um béquer, filtre o precipitado com funil de Buchner e coloque em papel de filtro limpo para obter uma semente. Após uma semana, selecione o cristal maior para semear, amarre-o com fio Mylar e coloque-o na solução mãe. Após 14 dias, obtém-se um cristal maior, em forma de cubo.

Identificação

1) os cristais cultivados possuem formato cúbico, o que corresponde aos dados da literatura. Quando visto através de um microscópio, a estrutura cúbica do cristal é confirmada.

2) a cor dos cristais cúbicos de “azul Turnboole” e “azul da Prússia” é muito semelhante, o que indica a identidade de sua estrutura.

3) como o complexo cianeto de Fe(II) é mais estável, durante a formação do “Turnboole blue” ocorre uma transição de valência:

3- + Fe 2+ = Fe 3+ + 4-

4) assim, ocorre uma transição para um complexo de cianeto de Fe (II) mais estável, ou seja, para o “azul da Prússia”.

5) a cor do composto complexo resultante de ferro (III) com EDTA corresponde aos dados da literatura (amarelo).

6) a cor do trioxalatoferrato de potássio (III) resultante corresponde aos dados da literatura (laranja-marrom).

conclusões

1) o objetivo deste trabalho foi estabelecer a estrutura cúbica e a identidade do “Turnboole blue” - “Prussian blue”.

2) foram cultivados cristais de azul Turnbull e azul da Prússia.

3) inspeção visual Os cristais cúbicos obtidos indicam a semelhança da forma e da cor desses cristais, inclusive quando vistos ao microscópio.

4) concluiu-se com base em dados da literatura que devido à transição de valência do Fe II 3 2 convertido para Fe 4 3 , ou seja, o processo segue no sentido de criar um complexo de Fe (II) mais estável.

5) Foram obtidos 2,32 gramas de trioxalatoferrato de Fe(III), o que representa 85% do rendimento teórico

6) foi obtido um complexo de ferro (III) com EDTA

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Aplicativo

Parâmetros dos espectros de Mössbauer:

1) A probabilidade do efeito Mössbauer em caso Geral está escrito na forma:

Onde< x 2 > - o quadrado médio do deslocamento dos núcleos no absorvedor da posição de equilíbrio durante vibrações do estado sólido na direção do feixe de γ-quanta,eu - comprimento de onda do quantum γ. Magnitude<х 2 > depende do espectro de fônons do sólido e de sua temperatura absoluta T. Com o aumento da temperatura 2 > cresce e f" cai. A probabilidade do efeito Mössbauer também diminui com a diminuição do número atômico do elemento, pois neste caso a energia do primeiro estado nuclear excitado aumenta muitoE 0 e o efeito não é observado nos núcleos dos elementos leves. Até agora foi registrado 103 nuclídeos de 44 elementos.