Первые изделия из железа и его сплавов были найдены при раскопках и датируются примерно 4 тысячелетием до нашей эры. То есть еще древние египтяне и шумеры использовали метеоритные месторождения данного вещества, чтобы изготовлять украшения и предметы быта, а также оружие.
Сегодня соединения железа различного рода, а также чистый металл - это самые распространенные и применяемые вещества. Не зря XX век считался железным. Ведь до появления и широкого распространения пластика и сопутствующих материалов именно это соединение имело для человека решающее значение. Что представляет собой данный элемент и какие вещества образует, рассмотрим в данной статье.
Химический элемент железо
Если рассматривать строение атома, то в первую очередь следует указать его местоположения в периодической системе.
- Порядковый номер - 26.
- Период - четвертый большой.
- Группа восьмая, подгруппа побочная.
- Атомный вес - 55,847.
- Строение внешней электронной оболочки обозначается формулой 3d 6 4s 2 .
- Символ химического элемента - Fe.
- Название - железо, чтение в формуле - "феррум".
- В природе существует четыре стабильных изотопа рассматриваемого элемента с массовыми числами 54, 56, 57, 58.
Химический элемент железо имеет также около 20 различных изотопов, которые не отличаются стабильностью. Возможные степени окисления, которые может проявлять данный атом:
Важное значение имеет не только сам элемент, но и его различные соединения и сплавы.
Физические свойства
Как простое вещество, железо имеет с ярко выраженным металлизмом. То есть это серебристо-белый с серым оттенком металл, обладающий высокой степенью ковкости и пластичности и высокой температурой плавления и кипения. Если рассматривать характеристики более подробно, то:
- температура плавления - 1539 0 С;
- кипения - 2862 0 С;
- активность - средняя;
- тугоплавкость - высокая;
- проявляет ярко выраженные магнитные свойства.
В зависимости от условий и различных температур, существует несколько модификаций, которые образует железо. Физические свойства их различаются от того, что разнятся кристаллические решетки.
Все модификации имеют различные типы строения кристаллических решеток, а также отличаются магнитными свойствами.
Химические свойства
Как уже упоминалось выше, простое вещество железо проявляет среднюю химическую активность. Однако в мелкодисперсном состоянии способно самовоспламеняться на воздухе, а в чистом кислороде сгорает сам металл.
Коррозионная способность высокая, поэтому сплавы данного вещества покрываются легирующими соединениями. Железо способно взаимодействовать с:
- кислотами;
- кислородом (в том числе воздухом);
- серой;
- галогенами;
- при нагревании - с азотом, фосфором, углеродом и кремнием;
- с солями менее активных металлов, восстанавливая их до простых веществ;
- с острым водяным паром;
- с солями железа в степени окисления +3.
Очевидно, что, проявляя такую активность, металл способен образовывать различные соединения, многообразные и полярные по свойствам. Так и происходит. Железо и его соединения чрезвычайно разнообразны и находят применение в самых разных отраслях науки, техники, промышленной деятельности человека.
Распространение в природе
Природные соединения железа встречаются довольно часто, ведь это второй по распространенности элемент на нашей планете после алюминия. При этом в чистом виде металл встречается крайне редко, в составе метеоритов, что говорит о больших его скоплениях именно в космосе. Основная же масса содержится в составе руд, горных пород и минералов.
Если говорить о процентном содержании рассматриваемого элемента в природе, то можно привести следующие цифры.
- Ядра планет земной группы - 90%.
- В земной коре - 5%.
- В мантии Земли - 12%.
- В земном ядре - 86%.
- В речной воде - 2 мг/л.
- В морской и океанской - 0,02 мг/л.
Самые распространенные соединения железа формируют следующие минералы:
- магнетит;
- лимонит или бурый железняк;
- вивианит;
- пирротин;
- пирит;
- сидерит;
- марказит;
- леллингит;
- миспикель;
- милантерит и прочие.
Это еще далеко список, ведь их действительно очень много. Кроме того, широко распространены различные сплавы, которые создаются человеком. Это тоже такие соединения железа, без которых сложно представить современную жизнь людей. К ним относятся два основных типа:
- чугуны;
- стали.
Также именно железо является ценной добавкой в составе многих никелевых сплавов.
Соединения железа (II)
К таковым относятся такие, в которых степень окисления образующего элемента равна +2. Они достаточно многочисленны, ведь к ним можно отнести:
- оксид;
- гидроксид;
- бинарные соединения;
- сложные соли;
- комплексные соединения.
Формулы химических соединений, в которых железо проявляет указанную степень окисления, для каждого класса индивидуальны. Рассмотрим наиболее важные и распространенные из них.
Железо — всем известный химический элемент. Он относится к средним по химической активности металлам. Свойства и применение железа мы рассмотрим в этой статье.
Распространенность в природе
Существует довольно большое количество минералов, в состав которых входит феррум. Прежде всего, это магнетит. Он на семьдесят два процента состоит из железа. Его химическая формула — Fe 3 O 4 . Данный минерал еще называют магнитный железняк. Он обладает светло-серым цветом, иногда с темно-серым, вплоть до черного, с металлическим блеском. Наибольшее его месторождение среди стран СНГ находится на Урале.
Следующий минерал с высоким содержанием железа — гематит — он на семьдесят процентов состоит из данного элемента. Его химическая формула — Fe 2 O 3 . Его еще называют красным железняком. Он обладает окраской от красно-коричневой до красно-серой. Наибольшее месторождение на территории стран СНГ находится в Кривом Роге.
Третий по содержанию феррума минерал — лимонит. Здесь железа шестдесят процентов от общей массы. Это кристаллогидрат, то есть в его кристаллическую решетку вплетены молекулы воды, его химическая формула — Fe 2 O 3 .H 2 O. Как понятно из названия, данный минерал имеет желто-коричневатый цвет, изредка бурый. Он является одной из главных составляющих природных охр и используется в качестве пигмента. Его также называют бурый железняк. Самые крупные места залегания — Крым, Урал.
В сидерите, так называемом шпатовом железняке, сорок восемь процентов феррума. Его химическая формула — FeCO 3 . Его структура неоднородна и состоит из соединенных вместе кристаллов разного цвета: серых, бледно-зеленых, серо-желтых, коричнево-желтых и др.
Последний часто встречающийся в природе минерал с высоким содержанием феррума — пирит. Он обладает такой химической формулой FeS 2 . Железа в нем находится сорок шесть процентов от общей массы. Благодаря атомам серы данный минерал имеет золотисто-желтую окраску.
Многие из рассмотренных минералов применяются для получения чистого железа. Кроме того, гематит используют в изготовлении украшений из натуральных камней. Вкрапления пирита могут иметься в украшениях из лазурита. Кроме этого, в природе железо встречается в составе живых организмов — оно является одним из важнейших компонентов клетки. Данный микроэлемент обязательно должен поступать в организм человека в достаточном количестве. Лечебные свойства железа во многом связаны с тем, что данный химический элемент является основой гемоглобина. Поэтому употребление феррума хорошо сказывается на состоянии крови, а следовательно, и всего организма в целом.
Железо: физические и химические свойства
Рассмотрим по порядку два этих больших раздела. железа — это его внешний вид, плотность, температура плавления и т. д. То есть все отличительные черты вещества, которые связаны с физикой. Химические свойства железа — это его способность вступать в реакцию с другими соединениями. Начнем с первых.
Физические свойства железа
В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод. 
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все.
Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, - единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.
С точки зрения химии
Данный элемент относится к металлам средней активности. Но химические свойста железа являются типичными и для всех остальных металлов (кроме тех, которые находятся правее водорода в электрохимическом ряду). Оно способно реагировать со многими классами веществ.
Начнем с простых
Феррум вступает во взаимодействие с килородом, азотом, галогенами (йодом, бромом, хлором, фтором), фосфором, карбоном. Первое, что нужно рассмотреть, - реакции с оксигеном. При сжигании феррума образуются его оксиды. В зависимости от условий проведения реакции и пропорций между двумя участниками они могут быть разнообразными. Как пример такого рода взаимодействиям можно привести следующие уравнения реакций: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 ; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 . И свойства оксида железа (как физические, так и химические) могут быть разнообразными, в зависимости от его разновидности. Такого рода реакции происходят при высоких температурах.
Следующее — взаимодействие с азотом. Оно также может произойти только при условии нагревания. Если взять шесть молей железа и один моль азота, получим два моля нитрида железа. Уравнение реакции будет выглядеть следующим образом: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
При взаимодействии с фосфором образуется фосфид. Для проведения реакции необходимы такие компоненты: на три моля феррума - один моль фосфора, в результате образуется один моль фосфида. Уравнение можно записать следующим образом: 3Fe + P = Fe 3 P.
Кроме того, среди реакций с простыми веществами можно также выделить взаимодействие с серой. При этом можно получить сульфид. Принцип, по которому происходит процесс образования данного вещества, подобен описанным выше. А именно происходит реакция присоединения. Для всех химических взаимодействий подобного рода нужны специальные условия, в основном это высокие температуры, реже — катализаторы.
Также распространены в химической промышленности реакции между железом и галогенами. Это хлорирование, бромирование, йодирование, фторирование. Как понятно из названий самих реакций, это процесс присоединения к атомам феррума атомов хлора/брома/йода/фтора с образованием хлорида/бромида/йодида/фторида соответственно. Данные вещества широко используются в разнообразных отраслях промышленности. Кроме того, феррум способен соединяться с кремнием при высоких температурах. Благодаря тому что химические свойства железа разнообразны, его часто используют в химической отрасли промышленности.
Феррум и сложные вещества
От простых веществ перейдем к тем, молекулы которых состоят из двух и более различных химических элементов. Первое, что нужно упомянуть, - реакцию феррума с водой. Здесь проявляются основные свойства железа. При нагревании воды вместе с железом образуется (называется он так потому, что при взаимодействии с той же водой образует гидроксид, по-другому говоря — основание). Итак, если взять по одному молю обоих компонентов, образуются такие вещества, как диоксид феррума и водород в виде газа с резким запахом — также в молярных пропорциях один к одному. Уравнение такого рода реакции можно записать следующим образом: Fe + H 2 O = FeO + H 2 . В зависимости от пропорций, в которых смешать эти два компонента, можно получить ди- либо триоксид железа. Оба этих вещества очень распространены в химической промышленности, а также используются во многих других отраслях.
С кислотами и солями
Так как феррум находится левее водорода в электрохимическом ряду активности металлов, он спосособен вытеснять данный элемент из соединений. Примером этому является реакция замещения, которую можно наблюдать при добавлении железа к кислоте. Например, если смешать в одинаковых молярных пропорциях железо и сульфатную кислоту (она же серная) средней концентрации, в результате получим сульфат железа (ІІ) и водород в одинаковых молярных пропорциях. Уравнение такой реакции будет выглядеть таким образом: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .
При взаимодействии с солями проявляются восстановительные свойства железа. То есть с помощью него можно выделить менее активный металл из соли. Например, если взять один моль и столько же феррума, то можно получить сульфат железа (ІІ) и чистую медь в одинаковых молярных пропорциях.
Значение для организма
Один из самых распространенных в земной коре химических элементов — железо. мы уже рассмотрели, теперь подойдем к нему с биологической точки зрения. Феррум выполняет очень важные функции как на клеточном уровне, так и на уровне всего организма. В первую очередь железо является основой такого белка, как гемоглобин. Он необходим для транспорта кислорода по крови от легких ко всем тканям, органам, к каждой клетке организма, в первую очередь к нейронам головного мозга. Поэтому полезные свойства железа невозможно переоценить.
Кроме того что он влияет на кровеобразование, феррум также важен для полноценного функционирования щитовидной железы (для этого нужен не только йод, как некоторые считают). Также железо принимает участие во внутриклеточном обмене веществ, регулирует иммунитет. Еще феррум в особенно большом количестве содержится в клетках печени, так как помогает нейтрализовать вредные вещества. Также он является одним из главных компонентов многих видов ферментов нашего организма. В суточном рационе человека должно содержаться от десяти до двадцати миллиграмм данного микроэлемента.
Продукты, богатые железом
Таких немало. Они есть как растительного, так и животного происхождения. Первые — это злаки, бобовые, крупы (в особенности гречка), яблоки, грибы (белые), сухофрукты, шиповник, груши, персики, авокадо, тыква, миндаль, финики, помидоры, брокколи, капуста, черника, ежевика, сельдерей и др. Вторые — печень, мясо. Употребление продуктов с высоким содержанием железа особенно важно в период беременности, так как организм формирующегося плода требует большого количества данного микроэлемента для полноценного роста и развития.
Признаки недостатка в организме железа
Симптомами слишком маленького количества феррума, поступающего в организм, являются усталость, постоянное замерзание рук и ног, депрессии, ломкость волос и ногтей, снижение интеллектуальной активности, пищеварительные расстройства, низкая работоспособность, нарушения в работе щитовидной железы. Если вы заметили несколько из этих симптомов, то стоит увеличить количество продуктов с содержанием железа в своем рационе либо купить витамины или пищевые добавки с содержанием феррума. Также обязательно нужно обратиться к врачу, если какие-либо из этих симптомов вы ощущаете слишком остро.
Использование феррума в промышленности
Применение и свойства железа тесно связаны. В связи с его ферромагнитностью, его применяют для изготовления магнитов — как более слабых для бытовых целей (сувенирные магниты на холодильник и т. д.), так и более сильных — для промышленных целей. В связи с тем что рассматриваемый металл обладает высокой прочностью и твердостью, его с древности использовали для изготовления оружия, доспехов и других военных и бытовых инструментов. К слову, еще в Древнем Египте было известно метеоритное железо, свойства которого превосходят таковые у обычного металла. Также такое особенное железо использовалось и в Древнем Риме. Из него изготавливали элитное оружие. Щит или меч, выполненный из метеоритного металла, мог иметь только очень богатый и знатный человек.
Вообще, металл, который мы рассматриваем в данной статье, является самым разносторонне используемым среди всех веществ данной группы. Прежде всего, из него изготавливаются сталь и чугун, которые применяются для производства всевозможных изделий, необходимых как в промышленности, так и в повседневной жизни.
Чугуном называется сплав железа и углерода, в котором второго присутствует от 1,7 до 4,5 процента. Если второго меньше, чем 1,7 процента, то такого рода сплав называется сталью. Если углерода в составе присутствует около 0,02 процента, то это уже обыкновенное техническое железо. Присутствие в сплаве углерода необходимо для придания ему большей прочности, термоустойчивости, стойкости к ржавлению.
Кроме того, в стали может содержаться много других химических элементов в качестве примесей. Это и марганец, и фосфор, и кремний. Также в такого рода сплав для придания ему определенных качеств могут быть добавлены хром, никель, молибден, вольфрам и многие другие химические элементы. Виды стали, в которых присутствует большое количество кремния (около четырех процентов), используются в качестве трансформаторных. Те, в составе которых много марганца (вплоть до двенадцати-четырнадцати процентов), находят свое применение при изготовлении деталей железных дорог, мельниц, дробилок и других инструментов, части которых подвержены быстрому стиранию.
Молибден вводят в состав сплава, чтобы сделать его более термоустойчивым — такие стали используются в качестве инструментальных. Кроме того, для получения всем известных и часто используемых в быту в виде ножей и других бытовых инструментов нержавеющих сталей необходимо добавление в сплав хрома, никеля и титана. А для того чтобы получить ударостойкую, высокопрочную, пластичную сталь, достаточно добавить к ней ванадий. При вводе в состав ниобия можно добиться высокой устойчивости к коррозии и воздействию химически агрессивных веществ.
Минерал магнетит, который был упомянут в начале статьи, нужен для изготовления жестких дисков, карт памяти и других устройств подобного типа. Благодаря магнитным свойствам, железо можно найти в устройстве трансформаторов, двигателей, электронных изделий и др. Кроме того, феррум могут добавлять в сплавы прочих металлов для придания им большей прочности и механической устойчивости. Сульфат данного элемента применяют в садоводстве для борьбы с вредителями (наряду с сульфатом меди).
являются незаменимыми при очистке воды. Кроме того, порошок магнетита используется в черно-белых принтерах. Главный способ применения пирита — получение из него серной кислоты. Данный процесс происходит в лабораторных условиях в три этапа. На первой стадии пирит феррума сжигают, получая при этом оксид железа и диоксид серы. На втором этапе происходит превращение диоксида сульфура в его триоксид при участии кислорода. И на завершающей стадии полученное вещество пропускают через в присутствии катализаторов, тем самым и получая серную кислоту.
Получение железа
В основном добывают данный металл из двух основных его минералов: магнетита и гематита. Делают это с помощью восстановления железа из его соединений углеродом в виде кокса. Делается это в доменных печах, температура в которых достигает двух тысяч градусов по шкале Цельсия. Кроме того, есть способ восстановления феррума водородом. Для этого необязательно наличие доменной печи. Для осуществления данного метода берут специальную глину, смешивают ее с измельченной рудой и обрабатывают водородом в шахтной печи.
Заключение
Свойства и применение железа разнообразны. Это, пожалуй, самый важный в нашей жизни металл. Став известным человечеству, он занял место бронзы, которая на тот момент была основным материалом для изготовления всех орудий труда, а также оружия. Сталь и чугун во многом превосходят сплав меди с оловом с точки зрения своих физических свойств, устойчивости к механическим воздействиям.
Кроме того, железо на нашей планете более распространено, чем многие другие металлы. его в земной коре составляет почти пять процентов. Это четвертый по распространенности в природе химический элемент. Также данный химический элемент очень важен для нормального функционирования организма животных и растений, прежде всего потому, что на его основе построен гемоглобин. Железо является важнейшим микроэлементом, употребление которого важно для поддержания здоровья и нормальной работы органов. Кроме вышеперечисленного, это единственный металл, который обладает уникальными магнитными свойствами. Без феррума невозможно представить нашу жизнь.
Железо – химический элемент
1. Положение железа в периодической таблице химических элементов и строение его атома
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 -2 e - → Fe +2 , окисляется восстановитель
Fe 0 -3 e - → Fe +3 , окисляется восстановитель
Основные степени окисления: +2, +3
2. 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 неокисленном 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.
3. Роль железа в жизни человека и растений
Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO 2 .
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.
4. 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 коррозиии хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.
5. Получение железа
Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:
FeO + C = Fe + CO
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O
Опыт "Получение железа алюминотермией"
6. 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):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3
2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II,III) - вещество чёрного цвета:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
C кислородом во влажном воздухе образуется Fe 2 O 3 * nH 2 O
Опыт "Взаимодействие железа с кислородом"
3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H 2 O t˚C → Fe 3 O 4 + 4H 2
4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
Fe + S t˚C → FeS
5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 (разб .) = FeSO 4 + H 2
6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц .) t˚C → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц
.) t˚C → Fe(NO 3) 3
+ 3NO 2 + 3H 2 O
Железо (III)
7. 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.
Изделия из чугуна
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: М
Тренажёр №2 - Генетический ряд Fe 3+
Тренажёр №3 - Уравнения реакций железа с простыми и сложными веществами
Задания для закрепления
№1. Составьте
уравнения реакций получения железа из его оксидов Fe 2 O 3 и
Fe 3 O 4 , используя в качестве восстановителя:
а) водород;
б) алюминий;
в) оксид углерода (II).
Для каждой реакции составьте электронный баланс.
№2. Осуществите
превращения по схеме:
Fe 2 O 3 -> Fe - +H2O,
t -> X - +CO, t -> Y - +HCl ->Z
Назовите продукты X, Y, Z?
Железо проявляет умеренную химическую активность. Оно горит в атмосфере кислорода, образуя оксид Fe 2 O 3 . В мелкораздробленном состоянии металл пирофорен, т.е. способен самовозгораться на воздухе. Тонкий порошок железа можно получить при термическом разложении оксалата железа в атмосфере водорода.
При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe 2 O 3 .
Железо реагирует с расплавленной серой, образуя сульфид, активно взаимодействует с хлором, бромом и иодом с образованием трихлорида, трибромида и дииодида. С фтором железо реагирует слабо из-за образования на поверхности плотной мало летучей пленки трифторида. При температурах более 500° С металл обратимо взаимодействует с углеродом:
Карбид железа такого состава называют цементитом. Он содержится в чугунах и сталях.
С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe 2 О 3 , при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe 3 О 4 . Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО.
При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe 2 P и Fe 3 P, с углеродом, образуя карбид Fe 3 C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi. При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO) 5 . Известны также карбонилы железа составов Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12 . Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава .
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность. С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Под действием атмосферной влаги и воздуха железо коррозирует (ржавеет):
4Fe + 2H 2 O + 3O 2 = 4FeO(OH)
За счет коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого железа.
Очень чистое железо, содержащее менее 0,01% примесей серы, углерода и фосфора, устойчиво к коррозии. Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна, поставленная еще в 9 в. до н.э., на которой нет никаких признаков ржавчины. Она сделана из очень чистого металла с содержанием железа 99,72%. Не последнюю роль в коррозионной устойчивости материала знаменитой колонны могут играть климатические особенности этой местности.
Металлическое железо взаимодействует при нагревании с концентрированными (более 30%) растворами щелочей, образуя гидроксокомплексы. Под действием сильных окислителей при нагревании железо может образовывать соединения в степени окисления (+VI) – ферраты:
Fe + 2KNO 3 = K 2 FeO 4 + 2NO
Для железа известны оксиды и гидроксиды в степенях окисления (II) и (III).
Железо образует простые соли почти со всеми анионами. Растворимы в воде нитраты, сульфаты, галогениды (кроме фторидов), ацетаты и др. Катион железа(II) может быть окислен многими окислителями до катиона железа(III). Растворы солей железа(II) и его твердые соли постепенно окисляются даже просто при хранении на воздухе:
4FeCO 3 + 2H 2 O + O2 = 4FeO(OH) + 2CO 2
4FeS + 6H 2 O + O 2 = 4FeO(OH) + 4H 2 S
Наиболее устойчивой твердой солью железа(II) является гексагидрат сульфата железа(II)-аммония (NH4)2Fe(SO 4)2.6H 2 O (соль Мора).
При нагревании сульфаты, нитраты, карбонаты и оксалаты железа разлагаются. При этом железо(II) обычно окисляется до железа(III), например:
2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 3 + SO 2
Соли железа(III) подвергаются сильному гидролизу.
– составная гемоглобина. Этот сложный белок входит в эритроциты, известные так же как красные кровяные тельца. Без них, собственно, кровь не была бы алой, да и жизни бы не было.
Эритроциты транспортируют по организму углекислый газ и кислород. Они необходимы для жизнедеятельности. А для чего еще необходимо железо , каковы его свойства и стоимость в прямом и переносном смыслах?
Химические и физические свойства железа
Дотрагивались до железа в прохладном помещении? Холод от прикосновения к металлу – результат его высокой теплопроводности. Материал моментально забирает энергию тела, передавая ее окружающей среде. В результате, человеку становится холодно.
Электропроводность железа тоже на высоте. Металл с легкостью передает ток благодаря свободным электронам в атоме. В нем 7 слоев. На последних 2-х расположены 8 электронов. При возбуждении все они могут быть валентными, то есть способными образовать новые связи.
Внешне металл железо серебристо-серый. Встречаются самородные формы. Чистое железо пластичное и ковкое. У выраженный металлический блеск и средняя твердость – 4 балла по . 10 баллов – показатель самого твердого на земле камня алмаз, а 1-им баллом отмечен тальк.
Железо – элемент средней тугоплавкости. Закипает металл при 2860-ти градусах, а размягчается при 1539-ти. В таком состоянии материал теряет ферромагнитные свойства. Они присущи лишь твердому состоянию железа. Элемент становится магнитом, попадая в поле.
Но, интереснее то, что после его исчезновения, металл еще долгое время остается магнитом. Такая особенность обусловлена все теми же свободными электронами в структуре атома. Перемещаясь, частицы меняют его строение и свойства.
Железо – химический элемент , легко вступающий в реакции с бромом, фтором, хлором и другими галогенами. Это элементы 17-ой группы таблицы Менделеева. При обычных условиях протекает и взаимодействие с кислородом.
Теперь, о реакциях нагрева. При сжигании металла образуются его оксиды. Их несколько видов: — 2FeO, 2Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 . Какой именно получится, зависит от пропорций исходных элементов и условий совмещения. Свойства оксидов разнятся.
Нагрев запускает и реакцию с . Для нее нужно 6 молей железа и один моль газа. Выход – 2 моля нитрида 26-го элемента. Его фосфид формируется уже в сочетании с фосфором. Еще одно простое вещество, объединяющееся с феррумом – . Получается, естественно, сульфид. Протекает реакция присоединения.
Из сложных веществ, то есть состоящих из молекул, железо взаимодействует с кислотами. Металл вытесняет из них водород. Получается замещение. Так, и взаимодействия с серной кислотой выходит сульфат феррума и чистый водород.
Возможны и реакции с . Их железо восстанавливает. Иными словами, 26-ой элемент выделяет из веществ менее активный металл. Соединив феррум, к примеру, с сульфатом меди, получают сульфат уже железа. остается в первозданном виде.
Применение железа
Где железо применяется, вытекает из его свойств. Ферромагнитоность пригождается при изготовлении сувениров и промышленных установок. Иными словами, из металла делают магниты, как для холодильников, так и для больших производств. Прочность материала, твердость – повод использовать его для изготовления оружия, брони.
Особым шиком считаются модели из метеоритного железа . В космических телах свойства феррума усилены. Поэтому, ножи и доспехи получаются особенно острыми, прочными. Признаки железа метеоритного заметили еще в Древнем Риме.
Известны и сплавы железа , в частности, чугун и сталь. Из них отливают вещи бытового, повседневного характера, к примеру, оградки, беседки, фурнитуру. Используют феррума и для промышленных целей. Интересно, что состав у стали и чугуна один, пропорции разные. И там, и там сливаются железо с углеродом . В стали газа меньше 1,7%. В чугуне углерода от 1,7 до 4,5%.
Углерод в сплавах железа играет роль упрочняющего элемента. Он снижает подверженность смеси коррозии и делает материал термоустойчивым. К сталям примешивают и иные добавки. Не зря существуют разные марки сплава. С , к примеру, производят стойкую к ударам и, при этом, пластичную сталь.
В виде хлорида 26-ой элемент используют для очистки воды. Пригождается металл и в медицине. Лечение железом необходимо при анемии. Это недостаток красных кровяных телец и металла в их составе. Препараты железа выписывают, так же, больным туберкулезом, радикулитом, страдающим от судорог и кровотечений из носа.
26-ой элемент необходим и для нормального функционирования щитовидной железы. Обычно, ее дисфункцию связывают с дефицитом . Однако, не он один обеспечивает здоровье железы.
Немало феррума и в клетках печени. Там металл способствует нейтрализации вредных веществ, токсинов. Для поддержания в организм человека должны поступать не меньше 20-ти миллиграммов железа в сутки.
Добыча железа
Железо – распространенный металл. В природе немало минералов, в основе которых лежит 26-ой элемент. Больше всего феррума в и . Из них-то и удаляют железо .
Проводится реакция восстановления металла. Для того нужен кокс, то есть соединение углерода. Взаимодействие протекает при температуре в 2000 градусов Цельсия, в доменных .
Без доменных печей обходятся при восстановлении феррума чистым водородом. Потребуются уже шахтные печи. Так называют модели вытянутые по вертикали.
Рабочее пространство аппарата подобно цилиндру или конусу. В них помещают измельченную руду железа , смешанную со специальной . Потом, добавляют водород. Итог все тот же – чистый феррум.
Цена железа
Стоимость металла зависит от вида продукции. Большинство вещей делаются из сплавов феррума, к примеру, кровельные материалы. Покрытия для крыш, как правило, листовые. Цена за квадратный метр варьируется от 300-от до 600-от с лишним рублей в зависимости от толщины железа.
Кровельные листы рифленые, сложной геометрии и особого состава. Простые пласты стоят дешевле. Есть предложения купить 30 листов 2,5 на 1,3 метра за 1000 рублей. Толщина – 1,5 миллиметра.
Чистый элемент в таблетках стоит около 1600 рублей за 180-200 штук. Если же приобретается готовое изделие, в которое вложен ручной труд, бывает сложно уложиться и в десятки, сотни тысяч. Яркий пример – кованная продукция по индивидуальным заказам.
За необычные ворота, мебель, вазы, кузнецы «срывают» немалый куш. Большую часть цены составляет не материал, а человеческий труд, воплощение в жизнь задумки.
Что касается стоимости железосодержащей руды, за тонну в России просят около 40-ка американских долларов. Это ценник за сырье с 60-процентным содержанием феррума. Когда выделяют чистый порошок 26-го элемента, за 1000 килограммов просят уже не меньше 560-600-от долларов США.
Большинство фирм торгуют оптом. Предложений купить только одно кило металла, редки. 1000 граммов обходится примерно в 1-1,5 доллара. Некоторые компании фасуют порошок феррума в мешки по 5, 10, 25 килограммов. Объявления о продаже размещены в интернете.