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.
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
M (молярная масса) железа — 55, 872 а. е. м. В школьной химии это значение часто округляют: M (Fe) = 56 г/моль- Электронная конфигурация валентного уровня: 3d6 4s2. Это значит, что на четвёртом электронном s-уровне находятся 2 электрона, а на третьем d-уровне — 6. Соответственно, наиболее устойчивым состоянием, с химической точки зрения, является: изначальное (все электроны атома находятся на своих электронных орбиталях), промежуточное (два или три электрона с валентного уровня переходят на электронные орбитали окислителя), в этом случае электроны могут как бы «метаться», не зная оставаться ли им на орбитали железа или переходить на электронное облако окислителя, сильно окисленное (все электроны переходят на электронные орбитали окислителя)
- Степени окисления железа: 0, +2, +3, +6
- Температура плавления железа — 1812 K (1538,85 °C)
- Температура кипения — 3134 K (2861 °C)
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
2Fe+3Br2 = 2FeBr3 — бромид железа (III)
б) Реакция с серой (Важно! При данном взаимодействии элемент имеет степень окисления +2)
Fe+S = FeS
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[Fe (OH)4]+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[Fe (CN)6], красная кровяная соль, и K4[Fe (CN)6], 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++[Fe (CN)6]3- K+1Fe+2 [Fe+3 (CN)6]
Fe3++K++[Fe (CN)6]4- K+1Fe+3 [Fe+2 (CN)6]
Хороший реактив для выявления Fe3+ тиоцианат-ион (NCS-)
Fe3++ NCS- [Fe (NCS)6]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.