Залізо

Залізо – елемент 4-го періоду і VIIIб-групи Періодичної системи, порядковий номер 26. Разом з кобальтом Со і нікелем Ni утворює сімейство (тріаду) заліза. Електронна формула атома [18Ar] 3d64s2, характерні ступені окислення 0, + II і + III (остання найбільш стійка).

Шкала ступенів окислення заліза:

За електронегативності (1,64) залізо займає проміжне положення між типовими металами (Na, Са) і типовими неметалами (F, О, N). Проявляє амфотерні властивості, металеві (основні) властивості переважають над неметалевими (кислотними), у з’єднаннях перебуває у складі катіонів (частіше) і аніонів (рідше). Утворює численні солі і бінарні сполуки.

У природі – сьомий за хімічною поширеності елемент (четвертий серед металів, перший важкий метал); знаходиться в хімічно зв’язаному вигляді. Життєво важливий елемент для всіх організмів.

Залізо Fe. Проста речовина. Сірий м’який, ковкий, тугоплавкий метал. Звичайне залізо повільно окислюється у вологому повітрі (іржавіє), чисте залізо корозії не піддається. Не реагує з водою, пасивується в концентрованих сірчаної та азотної кислоти.

Компактний метал покривається при нагріванні на повітрі оксидною плівкою (окалиною), а порошок згорає; реагує з хлором і сіркою:

Відновлює водяна пара (старий спосіб отримання водню в промисловості):

3Fe + 4Н2O (пар) = (FeIIFe2III) O4 + 4Н2 (800 ° C)

В ряді напруг коштує лівіше водню, реагує з розведеними кислотами НCl і H2SO4, при цьому утворюються солі заліза (II) і виділяється водень:

Fe + 2Н + = Fe2 + + Н2 ^

(Реакції проводяться без доступу повітря, інакше FeII поступово переводиться киснем в FeIII).

При дії на залізо більш сильного окислювача (тут – азотна кислота) воно відразу переходить у катіон Fe3 +:

Fe + 4HNO3 (разб.) = Fe (NO3) 3 + NO ^ + 2H2O

Амфотерность заліза проявляється тільки в концентрованих лугах при кип’ятінні:

Fe + 2NaOH (50%) + 2Н2O = Na2 [Fe (OH) 4] v + Н2 ^

і утворюється осад тетрагідроксоферрата (II) натрію.

Залізо витісняє (по ряду напруг) менше активні метали з розчинів їх солей:

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cuv

Залізо повільно окислюється у вологому повітрі (іржавіє), через пухкості коричневої іржі (FeIIFe2III) O4 захисний шар не створюється. Процес іржавіння:

Технічне залізо – сплави заліза з вуглецем: чавун містить 2,06-6,67% С, сталь 0,02-2,06% С, часто присутні інші природні домішки (S, Р, Si) і вводяться штучно спеціальні добавки (Mn , Ni, Cr), що надає сплавів заліза технічно корисні властивості – твердість, термічну і корозійну стійкість, гнучкість та ін.
Виробництво сталі
Переділ чавуну в сталь проводиться в спеціальних печах (конвертерних, мартенівських, електричних), що відрізняються способом обігріву; температура процесу 1700-2000 ° C. Продування повітря, збагаченого киснем, призводить до вигоряння з чавуну надлишкового вуглецю, а також сірки, фосфору і кремнію у вигляді оксидів. При цьому оксиди або уловлюються у вигляді газів, що відходять (СO2, SO2), або зв’язуються в легко відокремлюваний шлак – суміш Са3 (РO4) 2 і CaSiO3. Для отримання спеціальних сталей в піч вводять легуючі добавки інших металів.

Отримання чистого заліза в промисловості – електроліз розчину солей заліза, наприклад:

(Існують і інші спеціальні методи, у тому числі відновлення оксидів заліза воднем).

Чисте залізо застосовується у виробництві спеціальних сплавів, при виготовленні сердечників електромагнітів і трансформаторів, чавун – у виробництві лиття та сталі, сталь – як конструкційний і інструментальний матеріали, в тому числі зносо-, жаро- і корозійно-стійкі.

Оксид заліза (II) FeO. Амфотерний оксид з великим переважанням основних властивостей. Чорний, має іонну будову Fe2 + O2-. При нагріванні спочатку розкладається, потім утворюється знову. Не утворюється при згорянні заліза на повітрі. Не реагує з водою. Розкладається кислотами, сплавляється з лугами. Повільно окислюється у вологому повітрі. Відновлюється воднем, коксом. Бере участь у доменному процесі виплавки чавуну. Застосовується як компонент кераміки і мінеральних фарб. Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання в лабораторії: термічний розклад сполук заліза (II) без доступу повітря:

Fe (OH) 2 = FeO + H2O (150-200 ° C)

FeCO3 = FeO + СO2 (490-550 ° C)

Оксид діжелеза (III) – заліза (II) (FeIIFe2III) O4. Подвійний оксид. Чорний, має іонну будову Fe2 + (Fe3 +) 2 (O2-) 4. Термічно стійкий до високих температур. Не реагує з водою. Розкладається кислотами. Відновлюється воднем, розпеченим залізом. Бере участь у доменному процесі виробництва чавуну. Застосовується як компонент мінеральних фарб (залізний сурик), кераміки, кольорового цементу. Продукт спеціального окислення поверхні сталевих виробів (чорніння, вороніння). За складом відповідає коричневої іржі і темної окалині на залозі. Застосування брутто-формули Fe3O4 не рекомендується. Рівняння найважливіших реакцій:
Отримання: згоряння заліза (див.) На повітрі.

У природі – оксидна руда заліза магнетит.

Оксид заліза (III) Fe2O3. Амфотерний оксид з переважанням основних властивостей. Червоно-коричневий, має іонну будову (Fe3 +) 2 (O2-) 3. Термічно стійкий до високих температур. Не утворюється при згорянні заліза на повітрі. Не реагує з водою, з розчину випадає бурий аморфний гідрат Fe2O3 nН2O. Повільно реагує з кислотами і лугами. Відновлюється монооксидом вуглецю, розплавленим залізом. Сплавляється з оксидами інших металів і утворює подвійні оксиди – шпінелі (технічні продукти називаються ферритами). Застосовується як сировина при виплавці чавуну в доменному процесі, каталізатор у виробництві аміаку, компонент кераміки, кольорових цементів та мінеральних фарб, при термитной зварювання сталевих конструкцій, як носій звуку і зображення на магнітних стрічках, як поліруючий засіб для сталі і скла.

Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання в лабораторії – термічний розклад солей заліза (III) на повітрі:

Fe2 (SO4) 3 = Fe2O3 + 3SO3 (500-700 ° C)

4 {Fe (NO3) 9 березня H2O} = 2FeaO3 + 12NO2 + 3O2 + 36H2O (600-700 ° C)

У природі – оксидні руди заліза гематит Fe2O3 і лимонит Fe2O3 nН2O.

Гідроксид заліза (II) Fe (OH) 2. Амфотерний гідроксид з переважанням основних властивостей. Білий (іноді з зеленуватим відтінком), зв’язку Fe – ОН переважно ковалентні. Термічно нестійкий. Легко окислюється на повітрі, особливо у вологому стані (темніє). Розчиняється у воді. Реагує з розведеними кислотами, концентрованими лугами. Типовий відновник. Проміжний продукт при корозії заліза. Застосовується у виготовленні активної маси железонікелевих акумуляторів.

Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання: осадження з розчину лугами або гідратом аміаку в інертному атмосфері:

Fe2 + + 2OН (разб.) = Fe (OH) 2v

Fe2 + + 2 (NH3 H2O) = Fe (OH) 2v + 2NH4 +

Метагидроксид заліза FeO (OH). Амфотерний гідроксид з переважанням основних властивостей. Світло-коричневий, зв’язку Fe – О і Fe – ОН переважно ковалентні.

При нагріванні розкладається без плавлення. Розчиняється у воді. Осідає з розчину у вигляді бурого аморфного полігідрат Fe2O3 nН2O, який при витримці під розведеним лужним розчином або при висушуванні переходить в FeO (OH). Реагує з кислотами, твердими лугами. Слабкий окислювач і відновник. Спікається з Fe (OH) 2. Проміжний продукт при корозії заліза. Застосовується як основа жовтих мінеральних фарб і емалей, поглинач газів, що відходять, каталізатор в органічному синтезі.

З’єднання складу Fe (OH) 3 невідомо (не отримано).

Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання: осадження з розчину солей заліза (III) гідрату Fe2O3 nН2O і його часткове зневоднення (див. Вище).

У природі – оксидна руда заліза лимонит Fe2O3 nН2O і мінерал гетит FeO (OH).

Феррат калію K2FeO4. Оксосоль. Червоно-фіолетовий, розкладається при сильному нагріванні. Добре розчинний у концентрованому розчині КОН, реагує з киплячою водою, нестійкий в кислотному середовищі. Сильний окислювач. Якісна реакція – утворення червоного осаду феррата барію. Застосовується у синтезі феритів – промислово важливих подвійних оксидів заліза (III) та інших металів.

Рівняння найважливіших реакцій:

Отримання: утворюється при окисленні сполук заліза, наприклад метагидроксид FeO (OH), бромної водою, а також при дії сильних окислювачів (при спіканні) на залізо

Fe + 2KOH + 2KNO3 = K2FeO4 + 3KNO2 + H2O (420 ° C)

і електролізі в розчині:

(Феррат калію утворюється на аноді).

Якісні реакції на іони Fe2 + і Fe3 +. Виявлення іонів Fe2 + і Fe3 + у водному розчині проводять за допомогою реактивів K3 [Fe (CN) 6] і K4 [Fe (CN) 6] відповідно; в обох випадках випадає синій продукт однакового складу і будови, KFeIII [FeII (CN) 6]. У лабораторії цей осад називають берлінська лазур, або турнбуллева синь:

Fe2 + + К + + [Fe (CN) 6] 3 = KFeIII [FeII (CN) 6] v

Fe3 + + K + + [Fe (CN) 6] 4 = KFeIII [FeII (CN) 6] v

Хімічні назви вихідних реактивів і продукту реакцій:

K3 [Fe (CN) 6] – гексаціаноферрат (III) калію

K4 [Fe (CN) 6] – гексаціаноферрат (II) калію

KFeIII [FeII (CN) 6] – гексаціаноферрат (II) заліза (III) калію

Крім того, хорошим реактивом на іони Fe3 + є тиоцианат-іон NCS-, залізо (III) з’єднується з ним, і з’являється яскраво-червона («кривава») забарвлення:

Fe3 + + 6NCS- = [Fe (NCS) 6] 3

Цим реактивом (наприклад, у вигляді солі KNCS) можна виявити навіть сліди заліза (III) у водопровідній воді, якщо вона проходить через залізні труби, покриті зсередини іржею.

Посилання на основну публікацію