Железо - средний по химической активности металл. Входит в состав многих минералов: магнетита, гематита, лимонита, сидерита, пирита.
Образец лимонитаХимические и физические свойства железа
При нормальных условиях и в чистом виде железо - твердое вещество серебристо-серого цвета с ярким металлическим блеском. Железо - хороший электро- и теплопроводник. Это можно ощутить, дотронувшись в холодном помещении к железному предмету. Так как металл быстро проводит тепло, за короткий отрезок времени забирает большую часть тепла из человеческой кожи, поэтому во время прикосновения к нему ощущается холод.
Чистое железо
Температура плавления железа - 1538 °С, температура кипения - 2862 °С. Характерные свойства железа - хорошая пластичность и легкоплавкость.
Реагирует с простыми веществами: кислородом, галогенами (бромом, йодом, фтором, ), фосфором, серой. При сжигании железа образуются оксиды металла. В зависимости от условий проведения реакции и пропорций между двумя участниками, оксиды железа могут быть разнообразными. Уравнения реакций:
2Fe + O₂ = 2FeO;
4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃;
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.
Подобные реакции идут при высоких температурах. вы узнаете, какие опыты на изучение свойств железа можно провести дома.
Реакция железа с кислородом
Для реакции железа с кислородом необходимо предварительное нагревание. Железо сгорает ослепительным пламенем, разбрасывая - раскаленные частицы железной окалины Fe₃O₄. Такая же реакция железа и кислорода происходит и на воздухе, когда при механической обработке сильно нагревается от трения.
При сгорании железа в кислороде (или на воздухе) образуется железная окалина. Уравнение реакции:
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄
3Fe + 2O₂ = FeO Fe₂O₃.
Железная окалина - соединение, в котором железо имеет разные значения валентности.
Получение оксидов железа
Оксиды железа - это продукты взаимодействия железа с кислородом. Наиболее известные из них - FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄.
Оксид железа (III) Fe₂O₃ - оранжево-красный порошок, образующийся при окислении железа на воздухе.
Вещество образуется при разложении соли трехвалентного железа на воздухе при высокой температуре. В фарфоровый тигель насыпается немного сульфата железа (III), а затем прокаливается на огне газовой горелки. При термическом разложении сульфат железа распадется на оксид серы и оксид железа.
Оксид железа (II, III) Fe₃O₄ образуется при сжигании порошкообразного железа в кислороде или на воздухе. Для получения оксида в фарфоровый тигель насыпается немного смешанного с нитратом натрия или калия тонкого железного порошка. Смесь поджигается газовой горелкой. При нагревании нитраты калия и натрия разлагаются с выделением кислорода. Железо в кислороде горит, образуя оксид Fe₃O₄. После окончания горения полученный оксид остается на дне фарфоровой чашки в виде железной окалины.
Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!
Оксид железа (II) FeO - это черный порошок, который образуется при разложении оксалата железа в инертной атмосфере.
В организме человека содержится около 5 г железа, большая часть его (70%) входит в состав гемоглобина крови.
Физические свойства
В свободном состоянии железо - серебристо-белый металл с сероватым оттенком. Чистое железо пластично, обладает ферромагнитными свойствами. На практике обычно используются сплавы железа - чугуны и стали.
Fe - самый главный и самый распространенный элемент из девяти d-металлов побочной подгруппы VIII группы. Вместе с кобальтом и никелем образует «семейство железа».
При образовании соединений с другими элементами чаще использует 2 или 3 электрона (В = II, III).
Железо, как и почти все d-элементы VIII группы, не проявляет высшую валентность, равную номеру группы. Его максимальная валентность достигает VI и проявляется крайне редко.
Наиболее характерны соединения, в которых атомы Fe находятся в степенях окисления +2 и +3.
Способы получения железа
1. Техническое железо (в сплаве с углеродом и другими примесями) получают карботермическим восстановлением его природных соединений по схеме:
Восстановление происходит постепенно, в 3 стадии:
1) 3Fe 2 O 3 + СО = 2Fe 3 O 4 + СO 2
2) Fe 3 O 4 + СО = 3FeO +СO 2
3) FeO + СО = Fe + СO 2
Образующийся в результате этого процесса чугун содержит более 2% углерода. В дальнейшем из чугуна получают стали - сплавы железа, содержащие менее 1,5 % углерода.
2. Очень чистое железо получают одним из способов:
а) разложение пентакарбонила Fe
Fe(CO) 5 = Fe + 5СО
б) восстановление водородом чистого FeO
FeO + Н 2 = Fe + Н 2 O
в) электролиз водных растворов солей Fe +2
FeC 2 O 4 = Fe + 2СO 2
оксалат железа (II)
Химические свойства
Fe - металл средней активности, проявляет общие свойства, характерные для металлов.
Уникальной особенностью является способность к «ржавлению» во влажном воздухе:
В отсутствие влаги с сухим воздухом железо начинает заметно реагировать лишь при Т > 150°С; при прокаливании образуется «железная окалина» Fe 3 O 4:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
В воде в отсутствие кислорода железо не растворяется. При очень высокой температуре Fe реагирует с водяным паром, вытесняя из молекул воды водород:
3 Fe + 4Н 2 O(г) = 4H 2
Процесс ржавления по своему механизму является электрохимической коррозией. Продукт ржавления представлен в упрощенном виде. На самом деле образуется рыхлый слой смеси оксидов и гидроксидов переменного состава. В отличие от пленки Аl 2 О 3 , этот слой не предохраняет железо от дальнейшего разрушения.
Виды коррозии
Защита железа от коррозии
1. Взаимодействие с галогенами и серой при высокой температуре.
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3
2Fe + 3F 2 = 2FeF 3
Fe + I 2 = FeI 2
Образуются соединения, в которых преобладает ионный тип связи.
2. Взаимодействие с фосфором, углеродом, кремнием (c N 2 и Н 2 железо непосредственно не соединяется, но растворяет их).
Fe + Р = Fe x P y
Fe + C = Fe x C y
Fe + Si = Fe x Si y
Образуются вещества переменного состава, т к. бертоллиды (в соединениях преобладает ковалентный характер связи)
3. Взаимодействие с «неокисляющими» кислотами (HCl, H 2 SO 4 разб.)
Fe 0 + 2Н + → Fe 2+ + Н 2
Поскольку Fe располагается в ряду активности левее водорода (Е° Fe/Fe 2+ = -0,44В), оно способно вытеснять Н 2 из обычных кислот.
Fe + 2HCl = FeCl 2 + Н 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + Н 2
4. Взаимодействие с «окисляющими» кислотами (HNO 3 , H 2 SO 4 конц.)
Fe 0 - 3e - → Fe 3+
Концентрированные HNO 3 и H 2 SO 4 «пассивируют» железо, поэтому при обычной температуре металл в них не растворяется. При сильном нагревании происходит медленное растворение (без выделения Н 2).
В разб. HNO 3 железо растворяется, переходит в раствор в виде катионов Fe 3+ а анион кислоты восстанавливется до NO*:
Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2Н 2 O
Очень хорошо растворяется в смеси НСl и HNO 3
5. Отношение к щелочам
В водных растворах щелочей Fe не растворяется. С расплавленными щелочами реагирует только при очень высоких температурах.
6. Взаимодействие с солями менее активных металлов
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu
Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0
7. Взаимодействие с газообразным монооксидом углерода (t = 200°C, P)
Fe(порошок) + 5CO (г) = Fe 0 (CO) 5 пентакарбонил железа
Соединения Fe(III)
Fe 2 O 3 - оксид железа (III).
Красно-бурый порошок, н. р. в Н 2 O. В природе - «красный железняк».
Способы получения:
1) разложение гидроксида железа (III)
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
2) обжиг пирита
4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3
3) разложение нитрата
Химические свойства
Fe 2 O 3 - основный оксид с признаками амфотерности.
I. Основные свойства проявляются в способности реагировать с кислотами:
Fe 2 О 3 + 6Н + = 2Fe 3+ + ЗН 2 О
Fe 2 О 3 + 6HCI = 2FeCI 3 + 3H 2 O
Fe 2 О 3 + 6HNO 3 = 2Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O
II. Слабокислотные свойства. В водных растворах щелочей Fe 2 O 3 не растворяется, но при сплавлении с твердыми оксидами, щелочами и карбонатами происходит образование ферритов:
Fe 2 О 3 + СаО = Ca(FeО 2) 2
Fe 2 О 3 + 2NaOH = 2NaFeО 2 + H 2 O
Fe 2 О 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2
III. Fe 2 О 3 - исходное сырье для получения железа в металлургии:
Fe 2 О 3 + ЗС = 2Fe + ЗСО или Fe 2 О 3 + ЗСО = 2Fe + ЗСO 2
Fe(OH) 3 - гидроксид железа (III)
Способы получения:
Получают при действии щелочей на растворимые соли Fe 3+ :
FeCl 3 + 3NaOH = Fe(OH) 3 + 3NaCl
В момент получения Fe(OH) 3 - красно-бурый слизистоаморфный осадок.
Гидроксид Fe(III) образуется также при окислении на влажном воздухе Fe и Fe(OH) 2:
4Fe + 6Н 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3
4Fe(OH) 2 + 2Н 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3
Гидроксид Fe(III) является конечным продуктом гидролиза солей Fe 3+ .
Химические свойства
Fe(OH) 3 - очень слабое основание (намного слабее, чем Fe(OH) 2). Проявляет заметные кислотные свойства. Таким образом, Fe(OH) 3 имеет амфотерный характер:
1) реакции с кислотами протекают легко:
2) свежий осадок Fe(OH) 3 растворяется в горячих конц. растворах КОН или NaOH с образованием гидроксокомплексов:
Fe(OH) 3 + 3КОН = K 3
В щелочном растворе Fe(OH) 3 может быть окислен до ферратов (солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты H 2 FeO 4):
2Fe(OH) 3 + 10КОН + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6КВr + 8Н 2 O
Соли Fe 3+
Наиболее практически важными являются: Fe 2 (SO 4) 3 , FeCl 3 , Fe(NO 3) 3 , Fe(SCN) 3 , K 3 4- желтая кровяная соль = Fe 4 3 берлинская лазурь (темно-синий осадок)
б) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 роданид Fe(III) (р-р кроваво-красного цвета)
Железо было известно еще в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, так как в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определенном уровне развития техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным Железом, о чем свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское "бени-пет" означает "небесное железо"; древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (род. падеж sideris) - звезда, небесное тело. В хеттских текстах 14 века до н. э. упоминается о Железе как о металле, упавшем с неба. В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, франц. fer, итал. ferro).
Способ получения Железа из руд был изобретен в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение Железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришел железный век. Гомер (в 23-й песне "Илиады") рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. В Европе и Древней Руси в течение многих веков Железо получали по сыродутному процессу. Железную руду восстанавливали древесным углем в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления - крицу ударами молота отделяли от шлака и из нее выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть Железа науглероживалась, то есть получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна "чушка", "свинское железо" - англ. pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причем такой двухстадийный процесс оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12-13 веках кричный способ был уже широко распространен.
В 14 веке чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь ("домницу"), а затем и в доменную печь. В середине 18 века в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии еще в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлической шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней четверти 18 века стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в Железо на поду пламенной отражательной печи. Промышленный переворот 18 - начала 19 веков, изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в Железе и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства Железа не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 века, когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В 20 веке возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.
Распространение Железа в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Железо занимает второе место среди металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.). Железо принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений. Железо - металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере Железо накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.
Важную роль в геохимии Железа играют окислительно-восстановительные реакции - переход 2-валентного Железа в 3-валентное и обратно. В биосфере при наличии органических веществ Fe 3+ восстанавливается до Fe 2+ и легко мигрирует, а при встрече с кислородом воздуха Fe 2+ окисляется, образуя скопления гидрооксидов 3-валентного Железа. Широко распространенные соединения 3-валентного Железа имеют красный, желтый, бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование -"красноцветная формация" (красные и бурые суглинки и глины, желтые пески и т. д.).
Физические свойства Железа. Значение Железа в современное технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и других элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.
Железо может существовать в виде двух кристаллических решеток: α- и γ-объемноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910°С устойчиво α-Fe с ОЦК-решеткой (а = 2,86645Å при 20 °С). Между 910 °С и 1400°С устойчива γ-модификация с ГЦК-решеткой (а = 3,64Å). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решетка δ-Fe (a = 2,94Å), устойчивая до температуры плавления (1539 °С). α-Fe ферромагнитно вплоть до 769 °С (точка Кюри). Модификации γ-Fe и δ-Fe парамагнитны.
Полиморфные превращения Железа и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 году Д. К. Чернов. Углерод образует с Железом твердые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77Å), размещаются в междоузлиях кристаллической решетки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26 Å). Твердый раствор углерода в γ-Fe называется аустенитом, а в α-Fe - ферритом. Насыщенный твердый раствор углерода в γ-Fe содержит 2,0% С по массе при 1130 °С; α-Fe растворяет всего 0,02- 0,04% С при 723 °С, и менее 0,01% при комнатной температуре. Поэтому при закалке аустенита образуется мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe, очень твердый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твердости и пластичности.
Физические свойства Железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемых красноломкость, фосфор (даже 10 -2 % Р) - хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Железа (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10 -7 - 10 -9 % приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.
Ниже приводятся физические свойства Железа, относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:
Атомный радиус 1,26Å
Ионные радиусы Fe 2+ 0,80Å, Fe 3+ 0.67Å
Плотность (20°C) 7 ,874 г/см 3
t кип около 3200°С
Температурный коэффициент линейного расширения (20°С) 11,7·10 -6
Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·K)
Теплоемкость Железа зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоемкость (0-1000°С) 640,57 дж/(кг·К) .
Удельное электрическое сопротивление (20°С) 9,7·10 -8 ом·м
Температурный коэффициент электрического сопротивления (0-100°С) 6,51·10 -3
Модуль Юнга 190-210·10 3 Мн/м 2 (19-21·10 3 кгс/мм 2)
Температурный коэффициент модуля Юнга 4·10 -6
Модуль сдвига 84,0·10 3 Мн/м 2
Кратковременная прочность на разрыв 170-210 Мн/м 2
Относительное удлинение 45-55%
Твердость по Бринеллю 350-450 Мн/м 2
Предел текучести 100 Мн/м 2
Ударная вязкость 300 Мн/м 2
Химические свойства Железа. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d 6 4s 2 . Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Железа). С кислородом Железо образует оксид (II) FeO, оксид (III) Fe 2 O 3 и оксид (II,III) Fe 3 O 4 (соединение FeO c Fe 2 O 3 , имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe 2 O 3 ·nH 2 O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Железа. При нагревании Железа в сухом воздухе выше 200 °С оно покрывается тончайшей оксидной пленкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Железа - воронения. При нагревании в водяном паре Железо окисляется с образованием Fe 3 O 4 (ниже 570 °С) или FeO (выше 570 °С) и выделением водорода.
Гидрооксид Fe(OH) 2 образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака на водные растворы солей Fe 2+ в атмосфере водорода или азота. При соприкосновении с воздухом Fe(OH) 2 сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурый гидрооксид Fe(OH) 3 . Оксид FeO проявляет основные свойства. Оксид Fe 2 O 3 амфотерен и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными оксидами (например, с MgO, она образует ферриты - соединения типа Fe 2 O 3 ·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Железа, существующего в виде ферратов, например K 2 FeO 4 , солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.
Железо легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl 2 и FeCl 3 . При нагревании Железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS 2 . Карбиды Железа - Fe 3 C (цементит) и Fe 2 C (е-карбид) - выпадают из твердых растворов углерода в Железе при охлаждении. Fe 3 C выделяется также из растворов углерода в жидком Железе при высоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, дает с Железом твердые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe 4 N и Fe 2 N. С водородом Железо дает лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Железо энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe 3 Si и фосфиды (например, Fe 3 P).
Соединения Железа с многими элементами (О, S и другими), образующие кристаллическую структуру, имеют переменный состав (так, содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это обусловлено дефектами кристаллической структуры. Например, в оксиде Железа (II) часть ионов Fe 2+ в узлах решетки замещена ионами Fe 3+ ; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решетки, принадлежавшие ионам Fe 2+ , остаются пустыми.
Нормальный электродный потенциал Железа в водных растворах его солей для реакции Fe = Fe 2+ + 2e составляет -0,44 в, а для реакции Fe = Fe 3+ + 3e равен -0,036 в. Таким образом, в ряду активностей Железо стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением Н 2 и образованием ионов Fe 2+ . Своеобразно взаимодействие Железа с азотной кислотой. Концентрированная HNO 3 (плотность 1,45 г/см 3) пассивирует Железо вследствие возникновения на его поверхности защитной оксидной пленки; более разбавленная HNO 3 растворяет Железо с образованием ионов Fe 2+ или Fe 3+ , восстанавливаясь до NH 3 или N 2 и N 2 O. Растворы солей 2-валентного Железа на воздухе неустойчивы - Fe 2+ постепенно окисляется до Fe 3+ . Водные растворы солей Железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe 3+ тиоцианат-ионов SCN- дает яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe(SCN) 3 что позволяет открывать присутствие 1 части Fe 3+ примерно в 10 6 частях воды. Для Железа характерно образование комплексных соединений.
Получение Железа. Чистое Железо получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого Железо путем его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углем при относительно низких температурах.
Применение Железа. Железо - важнейший металл современной техники. В чистом виде Железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту "железными" часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса Железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов Железа приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железом руд. Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путем окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом S, P, О) и добавления легирующих элементов. Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и других элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов Железа особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и другие. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.
На основе Железа создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство Железа и его сплавов постоянно растет.
Железо как художественный материал использовалось с древности в Египте, Месопотамии, Индии. Со времен средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из Железа в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и других) - кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного листового Железа (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами, четким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на световоздушном фоне. В 20 веке Железо используется для изготовления решеток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.
Железо в организме. Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02%); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Существуют организмы (так называемые концентраторы), способные накапливать его в больших количествах (например, железобактерии - до 17-20% Железа). Почти все Железо в организмах животных и растений связано с белками. Недостаток Железа вызывает задержку роста и явления хлороза растений, связанные с пониженным образованием хлорофилла. Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток Железа, вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения Железа, и растения не получают его в достаточном количестве; в кислых почвах Железо переходит в растворимые соединения в избыточном количестве. При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений Железа заболевания растений могут наблюдаться на значительных территориях.
В организм животных и человека Железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свекла). В норме человек получает с рационом 60-110 мг Железа, что значительно превышает его суточную потребность. Всасывание поступившего с пищей Железа происходит в верхнем отделе тонких кишок, откуда оно в связанной с белками форме поступает в кровь и разносится с кровью к различным органам и тканям, где депонируется в виде Железо-белкового комплекса - ферритина. Основное депо Железа в организме - печень и селезенка. За счет ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах - миоглобин, в различных тканях цитохромы и других железосодержащие ферменты. Выделяется Железо из организма главным образом через стенку толстых кишок (у человека около 6-10 мг в сутки) и в незначительной степени почками. Потребность организма в Железе меняется с возрастом и физическим состоянием. На 1 кг веса необходимо детям - 0,6, взрослым-0,1 и беременным - 0,3 мг Железа в сутки. У животных потребность в Железе ориентировочно составляет (на 1 кг сухого вещества рациона): для дойных коров - не менее 50 мг, для молодняка - 30-50 мг; для поросят - до 200 мг, для супоросных свиней - 60 мг.
Является одним из самых распространенных элементов в земной коре.
Физические свойства железа.
Железо - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической стойкостью. Оно хорошо переносит высокие температуры и влажности. Быстро тускнеет (ржавеет) на воздухе и в воде. Очень пластичный, хорошо поддается ковке и прокатке. Обладает хорошей тепло- и электропроводностью, отличный ферромагнетик.
Химические свойства железа.
Железо переходный металл. Может иметь степень окисления +2 и +3. Реагирует с водяным паром:
3 Fe + 4 H 2 O = Fe 3 O 4 + 4 H 2 .
Но в присутствии влаги железо ржавеет:
4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Fe (OH ) 3 .
2 Fe + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3 .
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .
Концентрированные кислоты пассивируют железо на холоде, но растворяют при нагревании:
2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
Гидроксид железа (II ) получается при действии щелочи на соли железа (II) без доступа кислорода :
F 2 SO 4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 + Na 2 SO 4 .
Выделяется осадок белого цвета, который на воздухе быстро окисляется:
4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3 .
Данный гидроксид амфотерный, при нагреве растворяется в щелочах с образованием гексагидроферата:
Fe(OH) 3 + 3KOH = K 3 .
Железо образует две комплексные соли железа :
- Желтая кровяная соль K 4 [ Fe (CN ) 6 ];
- Красная кровяная соль K 3 [ Fe (CN ) 6 ].
Эти соединения являются качественными для определения ионов железа. Соединение берлинская лазурь :
K 4 + Fe 2+ = KFe III + 2K + .
Применение железа.
Железо является важнейшим компонентом процесса дыхания. Он входит в состав гемоглобина крови, участвует в переносе кислорода от легких к тканям. В природе железо встречается в составе руд и минералов.
Железо - восьмой элемент четвёртого периода в таблице Менделеева. Его номер в таблице (также его называют атомным) 26, что соответствует числу протонов в ядре и электронов в электронной оболочке. Обозначается первыми двумя буквами своего латинского эквивалента - Fe (лат. Ferrum - читается как «феррум»). Железо - второй по распространённости элемент в земной коре, процентное содержание - 4,65% (самый распространённый - алюминий, Al). В самородном виде данный металл встречается достаточно редко, чаще его добывают из смешанной руды с никелем.
Вконтакте
Какова же природа данного соединения? Железо как атом состоит из металлической кристаллической решётки, за счёт чего обеспечивается твёрдость соединений, содержащих этот элемент, и молекулярная стойкость. Именно в связи с этим данный металл - типичное твёрдое тело в отличие, например, от ртути.
Железо как простое вещество - металл серебристого цвета c типичными для этой группы элементов свойствами: ковкость, металлический блеск и пластичность. Помимо этого, железо обладает высокой реакционной активностью. О последнем свойстве свидетельствует тот факт, что железо очень быстро подвергается коррозии при наличии высокой температуры и соответствующей влажности. В чистом кислороде этот металл хорошо горит, а если раскрошить его на очень мелкие частицы, то они будут не просто гореть, а самовозгораться.
Зачастую железом мы называем не чистый металл, а его сплавы, содержащих углерод ©, например, сталь (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Также важное промышленное значение имеют сплавы, в которые добавляются легирующие металлы (никель, марганец, хром и другие), за счёт них сталь становится нержавеющей, т. е. легированной. Таким образом, исходя из этого становится понятным, какое обширное промышленное применение имеет этот металл.
Характеристика Fe
Химические свойства железа
Рассмотрим подробнее особенности этого элемента.
Свойства простого вещества
- Окисление на воздухе при высокой влажности (коррозийный процесс):
4Fe+3O2+6H2O = 4Fe (OH)3 - гидроксид (гидроокись) железа (III)
- Горение железной проволоки в кислороде с образованием смешанного оксида (в нём присутствует элемент и со степенью окисления +2, и со степенью окисления +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (железная окалина). Реакция возможна при нагревании до 160 ⁰C.
- Взаимодействие с водой при высокой температуре (600−700 ⁰C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Реакции с неметаллами:
а) Реакция с галогенами (Важно! При данном взаимодействии приобретает степень окисления элемента +3)
2Fe+3Cl2 = 2FeCl3 - хлорид трёхвалентного железа
б) Реакция с серой (Важно! При данном взаимодействии элемент имеет степень окисления +2)
Сульфид железа (III) - Fe2S3 можно получить в ходе другой реакции:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
в) Образование пирита
Fe+2S = FeS2 - пирит. Обратите внимание на степень окисления элементов, составляющих данное соединение: Fe (+2), S (-1).
- Взаимодействие с солями металлов, стоящими в электрохимическом ряду активности металлов справа от Fe:
Fe+CuCl2 = FeCl2+Cu - хлорид железа (II)
- Взаимодействие с разбавленными кислотами (например, соляной и серной):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe+HCl = FeCl2+ H2
Обратите внимание, что в этих реакция получается железо со степенью окисления +2.
- В неразбавленных кислотах, которые являются сильнейшими окислителями, реакция возможна только при нагревании, в холодных кислотах металл пассивируется:
Fe+H2SO4 (концентрированная) = Fe2 (SO4)3+3SO2+6H2O
Fe+6HNO3 = Fe (NO3)3+3NO2+3H2O
- Амфотерные свойства железа проявляются только при взаимодействии с концентрированными щелочами:
Fe+2KOH+2H2O = K2+H2 - тетрагидроксиферрат (II) калия выпадает в осадок.
Процесс производства чугуна в доменной печи
- Обжиг и последующее разложение сульфидных и карбонатных руд (выделение оксидов металла):
FeS2 —> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Эта реакция также является первым этапом промышленного синтеза серной кислоты.
FeCO3 —> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).
- Сжигание кокса (в избытке):
С (кокс)+O2 (возд.) —> CO2 (600−700 ⁰C)
CO2+С (кокс) —> 2CO (750−1000 ⁰C)
- Восстановление руды, содержащий оксид, угарным газом:
Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)
FeO —> Fe (CO, -CO2)
- Науглероживание железа (до 6,7%) и расплавление чугуна (t⁰плавления - 1145 ⁰C)
Fe (твёрдый)+С (кокс) —> чугун. Температура реакции - 900−1200 ⁰C.
В чугуне всегда присутствует в виде зёрен цементит (Fe2C) и графит.
Характеристика соединений, содержащих Fe
Изучим особенности каждого соединения отдельно.
Fe3O4
Смешанный или двойной оксид железа, имеющий в своём составе элемент со степенью окисления как +2, так и +3. Также Fe3O4 называют железной окалиной
. Это соединение стойко переносит высокие температуры. Не вступает реакцию с водой, парами воды. Подвергается разложению минеральными кислотами. Может быть подвергнуто восстановлению водородом либо железом при высокой температуре. Как вы могли понять из вышеизложенной информации, является промежуточным продуктом в цепочке реакция промышленного производства чугуна.
Непосредственно же железную окалину применяют в производстве красок на минеральной основе, цветного цемента и изделий из керамики. Fe3O4 - это то, что получается при чернении и воронении стали. Получают смешанный оксид путём сгорания железа на воздухе (реакция приведена выше). Руда, содержащая оксиды, является магнетитом.
Fe2O3
Оксид железа (III), тривиальное название - красный железняк , соединение красно-коричневого цвета. Устойчиво к воздействию высоких температур. В чистом виде не образуется при окислении железа кислородом воздуха. Не вступает в реакцию с водой, образует гидраты, выпадающие в осадок. Плохо реагирует с разбавленными щелочами и кислотами. Может сплавляться с оксидами других металлов, образуя шпинели - двойные оксиды.
Красный железняк применяется в качестве сырья при промышленном получении чугуна доменным способом. Также ускоряет реакцию, то есть является катализатором, в аммиачной промышленности. Применяется в тех же областях, что и железная окалина. Плюс к этому использовался как носитель звука и картинки на магнитных лентах.
FeOH2
Гидроксид железа (II) , соединение, обладающее как кислотными, так и основными свойствами, преобладают последние, то есть, является амфотерным. Вещество белого цвета, которое быстро окисляется на воздухе, «буреет», до гидроокиси железа (III). Подвержено распаду при воздействии температуры. Вступает в реакцию и со слабыми растворами кислот, и со щелочами. В воде не растворим. В реакции выступает в роли восстановителя. Является промежуточным продуктом в реакции коррозии.
Обнаружение ионов Fe2+ и Fe3+ («качественные» реакции)
Распознавание ионов Fe2+ и Fe3+ в водных растворах производят с помощью сложных комплексных соединений - K3, красная кровяная соль, и K4, жёлтая кровяная соль, соответственно. В обеих реакциях выпадает осадок насыщенного синего цвета с одинаковым количественным составом, но различным положением железа с валентностью +2 и +3. Этот осадок также часто называют берлинской лазурью или турнбуллевой синью.
Реакция, записанная в ионном виде
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Хороший реактив для выявления Fe3+ — тиоцианат-ион (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- — эти соединения имеют ярко-красную («кровавую») окраску.
Этот реактив, например, тиоцианат калия (формула - KNCS), позволяет определить даже ничтожно малую концентрацию железа в растворах. Так, он способен при исследовании водопроводной воды определить, не заржавели ли трубы.
