Химия железо 9 класс кратко

Обновлено: 04.07.2024

Одним из самых известных металлов является железо. Часто металлические изделия называют железными, но это лишь один химический элемент – металл из многих. Причем химические свойства этого элемента не так просты, как кажется. В этой статье рассмотрим физические и химические особенности железа.

План урока:

Положение в таблице Менделеева и строение атома

Железо расположено в 8 группе побочной подгруппе. У этого элемента 26 электронов, распределенных по 4 уровням. Электронная конфигурация: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Для его атома характерно предзаполнение s-подуровня, поэтому в действительности формула следующая: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6 . Железо является d-элементом. Благодаря этому, основные степени окисления железа: 0, +2, +3.

Физические свойства

Железо обладает всеми свойствами металлов:

- высокая температура плавления (1539 0 С).

Многие свойства находятся в оптимальных границах, поэтому железо часто используют при изготовлении различных изделий из металла. Для изменения определенных характеристик изготавливаются сплавы.

Основные сплавы железа

Металлы отличаются некоторыми параметрами. Например, одни обладают меньшей температурой плавления, другие большей прочностью, третьи – наиболее электропроводны. Иногда, для изменения свойств металла, его сплавляют с неметаллами (чаще всего, углерод). Самый распространенный сплав – сталь. Основу сплава составляет железо и углерод, кроме них могут добавляться различные металлы (легирующие компоненты), меняющие свойства сплава.

Таблица. Сплавы железа и их свойства

В качестве легирующих металлов стали могут использовать:

  • Cr – хром
  • Mo – молибден
  • Ni – никель
  • Si – кремний
  • Cu – медь
  • W – вольфрам
  • Al – алюминий
  • Mn – марганец
  • Ti – титан
  • Nb – ниобий
  • Co — кобальт

Легирующими компонентами чугуна являются неметаллы: марганец, кремний, сера, фосфор и некоторые металлы (алюминий, хром).

Нахождение железа в природе

В природе железо содержится в рудах. Они могут отличаться по содержанию железа и других примесей. К основным железным рудам относятся: магнетит, гематит, пирит.

Магнетит (магнитный железняк)

Химическая формула – FeO·Fe2O3. К основному оксиду могут примешиваться различные металлы и их оксиды. Зоны залежей магнетита проводят к формированию магнитных аномалий – участков Земли, на которых магнитные приборы указывают не на полюса, а на эту залежь. По этой причине использовать компасы и электронные приборы в этих зонах бесполезно.

Магнетит добывается в Челябинской области, на Кольском полуострове, Южном Урале, на Украине (гора Кривой рог).

Кратер добычи железной руды в Курской Магнитной Аномалии. Источник

Эта руда является основной для получения железа, так как его содержание в ней – 72,4%. В форме минерала используется в качестве утяжелителя глинистых растворов при бурении.

Пирит

Химическая формула - FeS2 (серный или железный колчедан). Может содержать примеси Mn, Ni, Co. Это минерал желтого цвета. Из-за внешнего сходства его часто путали с золотом, поэтому этот минерал часто называют золотом дураков. Хотя, самородное золото часто содержится в пирите в виде примесей и даже встраивается в го кристаллическую решетку.

Считается одним из самых распространенных сульфидов. Залежи пирита расположена во всех геотермальноактивных зонах, а также, в донных отложениях Черного моря.

При контакте с воздухом окисляется до лимонита (FeOOH·(Fe2O3·nH2O).

Пирит используется для получения серной кислоты, сероводорода или в строительном деле в качестве добавки в цемент.

Гематит

Химическая формула - Fe2O3. С давних времен минерал использовался для изготовления красок, ритуальных украшений и лекарственных препаратов. В настоящее время является основным источником получения чугуна.

  • Украинское (Кривбасс);
  • Михайловское (КМА);
  • Колатсельгские штольни;
  • Байкальское месторождение;
  • Альпийское;
  • Кутим.

Кроме минералов существует еще метеоритное железо. Это форма металла, попавшего на Землю из космоса. Во время прохождения через плотные слои атмосферы все примеси метеорита сгорают. Такое железо считается самым чистым. Оно практически не подвергается коррозии.

Способы получения

Основным способом получения железа является выделение из минеральных руд. Основным считается доменный процесс. Выделение железа производится в несколько стадий.

Доменная печь

Таблица. Стадии доменного процесса

Мартеновская печь

Для снижения содержания примесей в чугуне, полученный материал отправляют в Мартеновскую печь. Это плавильная установка. Процесс увеличения доли железа происходит в три этапа:

  • Плавление. Здесь образуется большое количество FeO.
  • Окисление. С+ FeO = Fe+CO. в результате реакции доля углерода снижается.
  • Раскисление. Окисление оставшегося FeO алюминием, ферромарганцем или ферросилицием.

Электрическая печь

Установка предназначена для получения легированной стали. Установка разогревается до высоких температур (цифра зависит от итогового сплава) и добавляется окислительный материал (нихром, фехраль и т.д.).

Химические свойства железа

Железо – элемент средней активности. Без нагревания многие реакции даже с сильными окислителями идут крайне медленно. При повышении температуры скорость взаимодействия увеличивается.

Взаимодействие с неметаллами

С неметаллами железо образует бинарные соединения – соли или оксиды.

Важная особенность: при взаимодействии с простыми веществами (кроме кислорода), железо проявляет степень окисления +3.

С кислородом образуется сразу два оксида со степенями окисления +2 и +3:

Взаимодействие с водой

Железо реагирует с парами воды в раскалённом состоянии:

Отношение железа к кислотам

С концентрированными кислотами железо не реагирует (пассивирует).

С растворами реакция идет также как и у других металлов – с образованием соли и водорода. Важно: при реакции со сложными соединениями железо проявляет степень окисления +2.

Реакция с солями

Железо реагирует с солями, металл которых пассивнее железа. Это значит, он должен располагаться левее в ряду активности металлов.

Смешанный оксид Fe3O4

Интересным соединение железа является смешанный оксид. Его особенность в том, что в одной кристаллической решетке есть сразу два иона железа - +2 и +3. Так как они образуют единый комплекс, часто их записывают как один оксид. На самом деле это кристаллогидрат двух оксидов: FeO⋅Fe2O3. Для него характерны следующие реакции:

Гидроксиды железа 2 и 3

Гидроксиды железа являются амфотерными соединениями, но с разной степенью основности.

Fe(OH)2

Гидроксид железа (II) – соединение коричневого или буро-оранжевого цвета.

Природный минерал с этой формулой называется амакинит.

Проявляет все химические свойства основных гидроксидов (реакции замещения с солями, кислотами).

Как амфотерное соединение способен реагировать со щелочами с образованием комплексных солей:

Гидроксид железа (II) является компонентом железо-никелевых аккумуляторов.

Fe(OH)3

Соединение красно-коричневого цвета.

Проявляет амфотерные свойства.

В природе встречается в составе минерала лимонита.

Проявляет химические свойства как и Fe(OH)2.

Применение железа

Железо является основным элементом черной металлургии, где используются сплавы этого вещества. Железные изделия необходимы в строительном, отделочном, электронном ремесле. В чистом виде оно применяется в химической промышленности, для изготовления аккумуляторов, для очистки сточных вод.


Железо: характеристика и свойства

Ключевые слова конспекта: железо, характеристика элемента железо, свойства железа, ферраты, оксиды железа, железная окалина, взаимодействие с неметаллами, гидрооксиды железа, сульфид железа, ржавление.

Железо Fe – элемент № 26, 4-го периода, VIIIB группы. Электронная конфигурация атома железа в стационарном состоянии 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Электронная конфигурация валентного слоя атома железа изображена также на схеме:

железо

Наиболее устойчивые электронные конфигурации ионов железа:
Fe 2+ – 3d 6 4s 0 ;
Fe 3+ – 3d 5 4s 0 .

Жeлeзо проявляет следующие степени окисления:

  • 0 – в простых веществах;
  • +2 – в оксиде FeO, в гидроксиде Fe(OH)2 и солях, например FeCl2, FeSO4 и т. д.;
  • +3 – в оксиде Fe2O3, в гидроксиде Fe(OH)3 и солях, например FeCl3, Fe(NO3)3 и т. д.

Можно окислить жeлeзо до степени окисления +6, которую оно проявляет в ферратах, например K2FeO4. Несмотря на существование ферратов калия и бария, железная кислота H2FeO4 не получена – под действием кислот ферраты разлагаются.

Железо образует оксиды FeO и Fe2O3. Кроме того, существует оксид Fe3O4, оксид дижелеза (III) – железа (II), или железная окалина.


Формулу оксида Fe3O4 можно записать по-другому:

Желeзo образует гидроксиды Fe(OH)2 и Fe(OH)3. Оба они являются слабыми электролитами, проявляют амфотерные свойства, но основные заметно преобладают над кислотными.

Жeлезo образует несколько кристаллических модификаций, устойчивых при определённых температурах.

При обычных условиях чистое железо – мягкий, ковкий серебристо–серый металл, относится к тяжёлым (р = 7,87 г/см 3 ), тугоплавким (t°пл. = 1539 °С) металлам.

В электрохимическом ряду напряжений металлов жeлезо находится в его средней части, железо – металл средней активности.

При нагревании (особенно в измельчённом состоянии) железо взаимодействует практически со всеми неметаллами.


Железo взаимодействует с кислородом (при нагревании на воздухе), образуется двойной оксид Fe3O4:

При взаимодействии с азотом, фосфором и углеродом образуются металлообразные соединения нестехиометрического состава, например Fe2N, Fe3C (цементит).


При нагревании железа с серой образуются сульфид железа (II) FeS или дисульфид железа FeS2:


Раскалённое желeзo реагирует с парами воды, при этом образуется двойной оксид железа (II, III) – железная окалина:

На влажном воздухе при условиях, близких к стандартным, железо окисляется кислородом (ржавление железа):


Жeлезo реагирует с кислотами, окисляющими металлы за счёт Н + , с выделением водорода. При этом железо окисляется до степени окисления +2 (если бы получились соли железа со степенью окисления +3, то водород в момент выделения восстановил бы железо до +2):


Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют железо, но с разбавленной азотной кислотой железо реагирует. При этом могут образоваться как Fe(NO3)2, так и Fe(NO3)3, в зависимости от концентрации кислоты (степени её разбавления) и от температуры:


Железо реагирует с растворами солей металлов, расположенных в ряду напряжений правее железа. При этом обычно железо окисляется до +2:

железо элемент, электронная конфигурация атома железа

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.

Основные степени окисления — +2, +3

Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Химические свойства простого вещества — железа:

Ржавление и горение в кислороде

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):

2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

Fe + S – t° → FeS (600 °С)

Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1 ) (700°С)

4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н 2 SO 4 , при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 ­ (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe +2 постепенно переводится кислородом в Fe +3 )

В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Фе 3+ :

(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).

железо вытесняет медь из солей

Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди

5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:

и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.

Техническое железо — сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др .

Доменный процесс производства чугуна

Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:

а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд — перевод в оксидную руду:

б) сжигание кокса при горячем дутье:

в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:

Fe 2 O 3 →(CO) (Fe II Fe 2 III )O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe

г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:

Fе (т ) →( C ( кокс) 900—1200°С) Fе (ж) (чугун, t пл 1145°С)

В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe 2 С и графит.

Производство стали

Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО 2 , SО 2 ), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са 3 (РO 4 ) 2 и СаSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:

FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 ↑ (90°С) (электролиз)

(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).

Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь — как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.

Оксид железа(II) F еО . Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Фе 2+ O 2- . При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:

4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III ) + Fе (560—700 °С , 900—1000°С)

FеО + 4NаОН =2Н 2 O + N а 4 F е O 3(красн .) триоксоферрат(II) (400—500 °С)

FеО + Н 2 =Н 2 O + Фе (особо чистое) (350°С)

FеО + С (кокс) = Фе + СО (выше 1000 °С)

ФеО + СО = Фе + СО 2 (900°С)

6ФеО + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III )O 4 (300—500°С)

Получение в лаборатории : термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:

FеСОз = FеО + СO 2 (490-550 °С)

Оксид дижелеза (III) – железа( II ) ( Fe II Fe 2 III )O 4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe 2+ (Fе 3+ ) 2 ( O 2- ) 4 . Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок ( железный сурик ), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий ( чернение, воронение ). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe 3 O 4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:

2(Fe II Fe 2 III )O 4 = 6ФеО + O 2 (выше 1538 °С)

(Fe II Fe 2 III )O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Фе (особо чистое, 1000 °С)

(Fe II Fe 2 III )O 4 + СО =ЗFеО + СO 2 (500—800°C)

(Fe II Fe 2 III )O4 + Fе ⇌4FеО (900—1000 °С , 560—700 °С)

Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.

В природе — оксидная руда железа магнетит.

Оксид железа(III) F е 2 О 3 . Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Фе 3+ ) 2 (O 2- ) 3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Фе 2 O 3 nН 2 О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.

Уравнения важнейших реакций:

Fе 2 O 3 + 2NaОН (конц.) →Н 2 O+ 2 N а F е O 2 (красн.) диоксоферрат(III)

Fе 2 О 3 + МО=(М II Fе 2 II I )O 4 (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)

Fе 2 O 3 + ЗН 2 =ЗН 2 O+ 2Fе (особо чистое, 1050—1100 °С)

Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:

В природе — оксидные руды железа гематит Fе 2 O 3 и лимонит Fе 2 O 3 nН 2 O

Гидроксид железа (II) F е(ОН) 2 . Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Фе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.

Уравнения важнейших реакций:

4Fе(ОН) 2 (суспензия) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)

Получение : осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:

Fе 2+ + 2OH (разб.) = F е(ОН) 2 ↓

Метагидроксид железа F еО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Фе — О и Фе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Фе 2 O 3 nН 2 O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в ФеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Фе(ОН) 2 . Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.

Соединение состава Fе(ОН) 3 не известно (не получено).

Уравнения важнейших реакций:

Fе 2 O 3 . nН 2 O→( 200-250 °С, — H 2 O ) FеО(ОН)→( 560-700° С на воздухе , -H2O) →Fе 2 О 3

FeO(OH)→ Fe 2 O 3 . nH 2 O -коллоид (NаОН (конц.) )

FеО(ОН)→ N а 3 [ F е(ОН) 6 ] белый , Nа 5 [Fе(OН) 8 желтоватый (75 °С, NаОН ( т) )

2FеО(ОН) + Fе(ОН) 2 =( Fe II Fe 2 III )O 4 + 2Н 2 O (600—1000 °С)

2FеО(ОН) + ЗН 2 = 4Н 2 O+ 2Фе (особо чистое, 500—600 °С)

2FеО(ОН) + ЗВr 2 + 10КОН = 2К 2 FеO 4 + 6Н 2 O + 6КВr

Получение: осаждение из раствора солей железа(Ш) гидрата Фе 2 О 3 nН 2 O и его частичное обезвоживание (см. выше).

В природе — оксидная руда железа лимонит Fе 2 O 3 nН 2 О и минерал гётит FеО(ОН).

Феррат калия К 2 F еО 4 . Оксосоль. Красно-фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель.

Качественная реакция — образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов — промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.

Уравнения важнейших реакций:

FеО 4 2- + Ва 2+ = ВаFеO 4 (красн.)↓ (в конц. КОН)

Получение : образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида ФеО(ОН), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо

Fе + 2КОН + 2КNO 3 = К 2 F е O 4 + 3КNO 2 + H 2 O (420 °С)

и электролизе в растворе:

Fе + 2КОН (конц.) + 2Н 2 O→ЗН 2 ↑ + К 2 F е O 4 ( электролиз)

(феррат калия образуется на аноде).

Качественные реакции на ионы F е 2+ и F е 3+

Обнаружение ионов Фе 2+ и Fе 3+ в водном растворе проводят с помощью реактивов К 3 [Fе(СN) 6 ] и К 4 [Fе(СN) 6 ] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КФе III [Fе II (СN) 6 ]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь , или турнбуллева синь :

Fе 2+ + К + + [Fе(СN) 6 ] 3- = КFе III [Fе II (СN) 6 ]↓

Fе 3+ + К + + [Fе(СN) 6 ] 4- = КFе III [Fе II (СN) 6 ]↓

Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:

К 3 Fе III [Fе(СN) 6 ]- гексацианоферрат (III) калия

К 4 Fе III [Fе (СN) 6 ]- гексацианоферрат (II) калия

КFе III [Fе II (СN) 6 ]- гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия

Fе 3+ + 6NСS — = [Фе(НСС) 6 ] 3-

Этим реактивом (например, в виде соли КНСС) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.

Железо - это d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса Ar(Fe) = 56; состав атома: 26-протонов; 30 – нейтронов; 26 – электронов.

Схема строения атома:

Электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Металл средней активности, восстановитель:

Fe 0 -2e - →Fe +2 , окисляется восстановитель

Fe 0 -3e - →Fe +3 , окисляется восстановитель

Основные степени окисления: +2, +3

II. Распространённость железа

Железо – один из самых распространенных элементов в природе . В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию . Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в не окисленном состоянии.

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

Основными железными рудами являются :

магнетит (магнитный железняк) – Fe 3 O 4 содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии:

гематит (железный блеск, кровавик)– Fe 2 O 3 содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе:

лимонит (бурый железняк) – Fe 2 O 3 ‧nH 2 O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму:

пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) – FeS 2 содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.

III. Роль железа в жизни человека и растений

Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, и вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

IV. Физические свойства железа

Железо – это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 о С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02-0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.

V. Получение железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:

VI. Химические свойства железа

Как элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления. Мы рассмотрим только соеди­нения, в которых железо проявляет степени окисления +2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II, III) - вещество чёрного цвета:

При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):

3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов . При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):

Железо реагирует с фосфором. При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:

С азотом железо реагирует при нагревании с образованием нитрида :

Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида :

3Fe + C = t = Fe 3 C

5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:

6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании

При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:

Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации . При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:

С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):

При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

7) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

8) Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей. При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат)

При взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:

9) Простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2 при взаимодействии с соединениями железа +3:

VII. Качественные реакции на

VIII. Применение железа

Основная часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали — сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4% углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.

Чугуны необходимы для производства различных отли­вок — станин тяжелых машин и т.п.

Стали используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок, листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для производства различных сортов сталей применяют так называемые легиру­ющие добавки, которыми служат различные металлы: Мn, Сr, Мо и другие, улучшающие качество стали.

Железо — элемент восьмой группы четвёртого периода Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

Физические свойства железа

Механические свойства железа зависят от его чистоты – содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов. Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы.

Химические свойства железа

Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т.е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно корродирует; при обильном доступе кислорода образуются гидратные формы оксида железа (III):

При недостатке кислорода или при затрудненном доступе образуется смешанный оксид (II, III) Fe3O4:

Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:

В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до железа (III):

Однако, в серной кислоте, концентрация которой близка к 100%, железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит. В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется:

При высоких концентрациях азотной кислоты растворение замедляется и железо становится пассивным.

Как и другие металлы железо вступает в реакции с простыми веществами. Реакции взаимодействия железа с галогенами (вне зависимости от типа галогена) протекают при нагревании. Взаимодействие железа с бромом протекает при повышенном давлении паров последнего:

Взаимодействие железа с серой (порошок), азотом и фосфором также происходит при нагревании:

Железо способно реагировать с такими неметаллами, как углерод и кремний:

Среди реакций взаимодействия железа со сложными веществами особую роль играют следующие реакции — железо способно восстанавливать металлы, стоящие в ряду активности правее него, из растворов солей (1), восстанавливать соединения железа (III) (2):

Железо, при повышенном давлении, реагирует с несолеобразующим оксидом – СО с образованием веществ сложного состава – карбонилов — Fe(CO)5, Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12.

Железо при отсутствии примесей устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей.

Получение железа

Примеры решения задач

Задание Железная окалина Fe3O4 массой 10 г была сначала обработана 150 мл раствора соляной кислоты (плотность 1,1 г/мл) с массовой долей хлороводорода 20%, а затем в полученный раствор добавили избыток железа. Определите состав раствора (в % по массе).
Решение Запишем уравнения реакций согласно условию задачи:

Зная плотность и объем раствора соляной кислоты, можно найти его массу:

msol(HCl) = 150×1,1 = 165 г.

Рассчитаем массу хлороводорода:

m(HCl) = 165×20%/100% = 33 г.

Молярная масса (масса одного моль) соляной кислоты, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 36,5 г/моль. Найдем количество вещества хлороводорода:

v(HCl) = 33/36,5 = 0,904 моль.

Молярная масса (масса одного моль) окалины, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 232 г/моль. Найдем количество вещества окалины:

Согласно уравнению 1, v(HCl): v(Fe3O4) = 1:8, следовательно, v(HCl) = 8 v(Fe3O4) = 0,344 моль. Тогда, количество вещества хлородорода, рассчитанное по уравнению (0,344 моль) будет меньше, чем указанное в условии задачи (0,904 моль). Следовательно, соляная кислота находится в избытке и будет протекать еще одна реакция:

Определим количество вещества хлоридов железа, образующихся в результате первой реакции (индексами обозначим конкретную реакцию):

Определим количество хлороводорода, которое не прореагировало в реакции 1 и количество вещества хлорида железа (II), образовавшееся в ходе реакции 3:

vrem(HCl) = v(HCl) – v1(HCl) = 0,904 – 0,344 = 0,56 моль;

Определим количество вещества FeCl2, образовавшегося в ходе реакции 2, общее количество вещества FeCl2 и его массу:

Определим количество вещества и массу железа, вступившего в реакции 2 и 3:

m(Fe) = vsum(Fe) ×M(Fe) = 0,323 ×56 = 18,088 г.

Вычислим количество вещества и массу водорода, выделившегося в реакции 3:

Определяем массу полученного раствора m’sol и массовую долю FeCl2 в нём:

m’sol = 165 + 10 + 18,088 – 0,56 = 192,528 г;

Задание Какие процессу будут протекать при погружении цинковой пластинки в раствор хлорида железа (II)? Как изменится масса хлорида железа (II) в растворе?
Решение Хлорид железа (II) в растворе подвергается гидролизу:

FeCl2 + HOH ↔FeOHCl +HCl;

Fe 2+ + HOH ↔ FeOH + + H + .

Цинк будет взаимодействовать с кислотой:

^<\circ></p> <p>Zn
+ 2H + = Zn 2+ + H2↑.

Так как цинк более активный металл, чем железо (расположен в ряду напряжений левее железа), то он вытесняет железо из соли:

Zn " width="6" height="7" />
+ Fe 2+ = Zn 2+ + Fe " width="6" height="7" />
.

Читайте также: