Химия

Железо
План урока:
Положение в таблице Менделеева и строение атома
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: 1s22s22p63s23p63d64s2. Для его атома характерно предзаполнение s-подуровня, поэтому в действительности формула следующая: 1s22s22p63s23p64s23d6. Железо является d-элементом. Благодаря этому, основные степени окисления железа: 0, +2, +3.
Физические свойства
Железо обладает всеми свойствами металлов:
- пластичность (ковкость);
- электропроводность;
- теплопроводность;
- металлический блеск;
- высокая температура плавления (15390С).
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.
Основные месторождения:
- 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.
2Fe+3Cl2→2FeCl3
Fe+S→FeS.
С кислородом образуется сразу два оксида со степенями окисления +2 и +3:
3Fe+2O2→tFe3O4(FeO⋅Fe2O3).
Взаимодействие с водой
Железо реагирует с парами воды в раскалённом состоянии:
3Fe+4H2O→−tFe3O4+4H2↑
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.
Fe+2HCl=FeCl2+H2↑;
Fe+H2SO4=FeSO4+H2↑
Реакция с солями
Железо реагирует с солями, металл которых пассивнее железа. Это значит, он должен располагаться левее в ряду активности металлов.
Fe+CuSO4=FeSO4+Cu↓
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:
- Разложение: Fe3O4 → 3Fe + 2O2
- Реакция с разбавленной кислотой: Fe3O4 + 4 H2SO4 → Fe2(SO4)3 + FeSO4 + 4 H2O
- Окисление: 4Fe3O4 + 2O2 →6Fe2O3
- Сплавление: Fe3O4 + 14NaOH → Na4FeO3 + 2Na5FeO4 + 7H2O
- Конпропорционирование: Fe + Fe3O4 → 4FeO
- Восстановление водородом до железа и воды.
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:
Fe(OH)2 + 2NaOH → Na2[Fe(OH)4]
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.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Какие степени окисления характерны для железа? (несколько ответов)
1) +2 2) +1 3) +5 4) +3
С какими из веществ реагирует железо?
1) Cl2 2) CO2 3) H2SO4(конц.) 4) Na2O
Магнитный железняк — это: (несколько ответов)
1) Fe3O4 2) Fe2O3 3) 2Fe2O3•3H2O 4) FeS2
Оксид и гидроксид железа (III) обладает
1) основными свойствами 2) амфотерными свойствами 3) кислотными свойствами 4) несолеобразующий оксид и гидроксид
Для осуществления превращений по схеме Fe → FeCl2 → Fe(OH)2 → FeSO4 необходимо последовательно использовать вещества, формулы которых:
1) l2, Cu(OH)2, HCl 2) Cl2, H2SO4, NaOH 3) HCl, KOH, H2SO4 4) NaCl, KOH, H2SO4