Fe (лат. Ferrum), химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Блестящий серебристо-белый металл. Образует полиморфные модификации; при обычной температуре устойчиво a - Fe (кристаллическая решетка кубическая объемноцентрированная) с плотностью 7,874 г./см?. a - Fe вплоть до 769°С (точка Кюри) ферромагнитно; tпл 1535°С.
На воздухе окисляется покрывается рыхлой ржавчиной. По распространенности элементов в природе железо находится на 4-м месте; образует ок. 300 минералов. На долю сплавов железа с углеродом и другими элементами приходится около 95% всей металлической продукции (чугун, сталь, ферросплавы). В чистом виде практически не используется (в быту железными часто называются стальные или чугунные изделия). Необходимо для жизнедеятельности животных организмов; входит в состав гемоглобина.
Желемзо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро коррозирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес.% углерода) и чугун (более 2,14 вес.% углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом №1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65% (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бомльшую часть земного ядра.
Железо в трудах ученых
O том, что древние люди пользовались вначале именно железом метеоритного происхождения, свидетельствуют и распространенные у некоторых народов мифы о богах или демонах, сбросивших с неба железные предметы и орудия, - плуги, топоры и пр.
Интересен также факт, что к моменту открытия Америки индейцы и эскимосы Северной Америки не были знакомы со способами получения железа из руд, но умели обрабатывать метеоритное железо.
В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX в.
Во II в. н.э. железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.
Впрочем, некоторые народы не связывали название железа с небесным происхождением металла. Так, у славянских народов железо называется по «функциональному» признаку.
Русское железо (южнославянское зализо, польское zelaso, литовское gelesis и т.д.) имеет корень «лез» или «рез» (от слова лезо - лезвие). Такое словообразование прямо указывает на функцию предметов, изготовлявшихся из железа, - режущих инструментов и оружия.
Приставка «же», по-видимому, смягчение более древнего «зе» или «за»; она сохранилась в начальном виде у многих славянских народов (у чехов - zelezo).
Старые немецкие филологи - представители теории индоевропейского, или, как они его называли, индогерманского праязыка - стремились произвести славянские названия от немецких и санскритских корней.
Например, Фик сопоставляет слово железо с санскритским ghalgha (расплавленный металл, от ghal - пылать). Но вряд ли это соответствует действительности: ведь древним людям была недоступна плавка железа. С санскритским ghalgha скорее можно сопоставить греческое название меди, но не славянское слово железо.
Функциональный признак в названиях железа нашел отражение и в других языках. Так, на латинском языке наряду с обычным названием стали (chalybs), происходящим от наименования племени халибов, жившего на южном побережье Черного моря, употреблялось название acies, буквально обозначающее лезвие или острие.
Это, слово в точности соответствует древнегреческому, применявшемуся в том же самом смысле.
Упомянем в нескольких словах о происхождении немецкого и английского названий железа. Филологи обычно принимают, что немецкое слово Eisen имеет кельтское происхождение, так же как и английское Iron. В обоих терминах отражены кельтские названия рек (Isarno, Isarkos, Eisack), которые затем трансформировались) isarn, eisarn) и превратились в Eisen. Существуют, впрочем, и другие точки зрения.
Некоторые филологи производят немецкое Eisen от кельтского isara, означающего «крепкий, сильный». Существуют также теории, утверждающие, что Eisen происходит от ayas или aes (медь), а также от Eis (лед) и т.д. Староанглийское название железа (до 1150 г.) - iren; оно употреблялось наряду с isern и isen и перешло в средние века. Современное Iron вошло в употребление после 1630 г.
Заметим, что в «Алхимическом лексиконе» Руланда (1612) в качестве одного из старых названий железа приведено слово Iris, означающее «радуга» и созвучное Iron.
Ставшее международным, латинское название Ferrum принято у романских народов. Оно, вероятно, связано с греколатинским fars (быть твердым), которое происходит от санскритского bhars (твердеть). Возможно сопоставление и с ferreus, означающим у древних писателей «нечувствительный, непреклонный, крепкий, твердый, тяжкий», а также с ferre (носить). Алхимики наряду с Ferrum yпoтребляли и многие другие названия, например Iris, Sarsar, Phaulec, Mineraи др.
Железные изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к очень давним временам (IV-V тысячелетиях до н.э.), в Египте и Месопотамии. Однако железный век в Египте начался лишь с ХIIв. до н.э., а в других странах еще позднее. В древнерусской литературе слово железо фигурирует в древнейших памятниках (с XI в.) под названиями желъзо, железо, железо.
Железо (латинское ferrum), fe, химический элемент viii группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый металл. Элемент в природе состоит из четырёх стабильных изотопов: 54 fe (5,84%), 56 fe (91,68%), 57 fe (2,17%) и 58 fe (0,31%).
Историческая справка. Ж. было известно ещё в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определённом уровне развития техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным Ж., о чём свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское «бени-пет» означает «небесное железо»; древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (родительный падеж sideris) - звезда, небесное тело. В хеттских текстах 14 в. до н. э. упоминается о Ж. как о металле, упавшем с неба. В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, французское fer, итальянское ferro).
Способ получения Ж. из руд был изобретён в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение Ж. распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришёл 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 Ж. получали по сыродутному процессу. Железную руду восстанавливали древесным углём в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления - крицу ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть Ж. науглероживалась, т. е. получался чугун ; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна «чушка», «свинское железо» - английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой двухстадийный процесс оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12-13 вв. кричный способ был уже широко распространён. В 14 в. 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 в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали , который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлические шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней четверти 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в Ж. на поду пламенной отражательной печи. Промышленный переворот 18 - начала 19 вв., изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в Ж. и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства Ж. не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 в., когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.
Распространённость в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Ж. 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.). Ж. принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений. Ж. - 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 Ж. накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.
Важную роль в геохимии Ж. играют окислительно-восстановительные реакции - переход 2-валентного Ж. 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 гидроокисей 3-валентного Ж. Широко распространённые соединения 3-валентного Ж. имеют красный, жёлтый, бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование - «красно-цветная формация» (красные и бурые суглинки и глины, жёлтые пески и т. д.).
Физические и химические свойства. Значение Ж. в современной 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, поддаётся прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.
Ж. может существовать в виде двух кристаллических решёток: a - и g - объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910 °С устойчиво a - fe с ОЦК-решёткой (а = 2,86645 å при 20°С). Между 910°С и 1400°С устойчива g -модификация с ГЦК-решёткой (а = 3,64 å). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решётка d -fe (а = 2,94 å), устойчивая до температуры плавления (1539°С). a - fe ферромагнитно вплоть до 769°С (точка Кюри). Модификация g -fe и d -fe парамагнитны.
Полиморфные превращения Ж. и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов . Углерод образует с Ж. твёрдые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77 å), размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус fe 1,26 å). Твёрдый раствор углерода в g -fe наз. аустенитом , а в (a -fe- ферритом . Насыщенный твёрдый раствор углерода в g - fe содержит 2,0% С по массе при 1130°С; a -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 твёрдый раствор углерода в a - fe, очень твёрдый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности.
Физические свойства Ж. зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Ж., как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает т. н. красноломкость , фосфор (даже 10 -20 % Р) - хладноломкость ; углерод и азот уменьшают пластичность , а водород увеличивает хрупкость Ж. (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 Ж., относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:
Атомный радиус 1,26 å
Ионные радиусы fe 2+ o,80 å, fe 3+ o,67 å
Плотность (20 o c) 7,874 г/см 3
t пл 1539°С
t kип около 3200 о С
Температурный коэффициент линейного расширения (20°С) 11,7·10 -6
Теплопроводность (25°С) 74,04 вт /(м·К )
Теплоёмкость Ж. зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоёмкость (0-1000 o c) 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
Модуль сдвига 84,0·10 3 Мн/м 2
Кратковременная прочность на разрыв
170-210 Мн/м 2
Относительное удлинение 45-55%
Твёрдость по Бринеллю 350-450 Мн/м 2
Предел текучести 100 Мн/м 2
Ударная вязкость 300 Мн/м 2
Конфигурация внешней электронной оболочки атома fe 3 d 6 4s 2 . Ж. проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Ж.). С кислородом Ж. образует закись feo, окись fe 2 o 3 и закись-окись fe 3 o 4 (соединение feo с fe 2 o 3 , имеющее структуру шпинели ) . Во влажном воздухе при обычной температуре Ж. покрывается рыхлой ржавчиной (fe 2 o 3 · n h 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 Ж. При нагревании Ж. в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Ж. - воронения. При нагревании в водяном паре Ж. окисляется с образованием fe 3 o 4 (ниже 570°С) или feo (выше 570°С) и выделением водорода.
Гидроокись 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-бурую гидроокись fe (oh) 3 . Закись feo проявляет основные свойства. Окись fe 2 o 3 амфотерна и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными окислами (например, с mgo), она образует ферриты - соединения типа fe 2 o 3 · n meo, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Ж., существующего в виде ферратов, например k 2 feo 4 , солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.
Ж. легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды fecl 2 и fecl 3 . При нагревании Ж. с серой образуются сульфиды fes и fes 2 . Карбиды Ж. - fe 3 c (цементит ) и fe 2 c (e -карбид) - выпадают из твёрдых растворов углерода в Ж. при охлаждении. fe 3 c выделяется также из растворов углерода в жидком Ж. при высоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, даёт с Ж. твёрдые растворы внедрения; из них выделяются нитриды fe 4 n и fe 2 n. С водородом Ж. даёт лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Ж. энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, fe 3 si) и фосфиды (например, fe 3 p).
Соединения Ж. с многими элементами (О, s и др.), 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 закиси Ж. часть ионов fe 2+ в узлах решётки замещена ионами fe 3+ ; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решётки, принадлежавшие ионам fe 2+ , остаются пустыми и фаза (вюстит) в обычных условиях имеет формулу fe 0,947 o.
Своеобразно взаимодействие Ж. с азотной кислотой. Концентрированная hno 3 (плотность 1,45 г/см 3 ) пассивирует Ж. вследствие возникновения на его поверхности защитной окисной плёнки; более разбавленная hno 3 растворяет Ж. с образованием ионов fe 2+ или fe 3+ , восстанавливаясь до mh 3 или n 2 o и n 2 .
Растворы солей 2-валентного Ж. на воздухе неустойчивы - fe 2+ постепенно окисляется до fe 3+ . Водные растворы солей Ж. вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей fe 3+ тиоцианат-ионов scn - даёт яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения fe (scn) 3 , что позволяет открывать присутствие 1 части fe 3+ примерно в 10 6 частях воды. Для Ж. характерно образование комплексных соединений.
Получение и применение. Чистое Ж. получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Разрабатывается способ непосредственного получения Ж. из руд электролизом расплавов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого Ж. путём его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах.
Ж. - важнейший металл современной техники. В чистом виде Ж. из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса Ж. применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов Ж. приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железных руд. Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путём окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом s, Р, О) и добавления легирующих элементов. Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и др. элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов Ж. особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и др. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.
На основе Ж. создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство Ж. и его сплавов постоянно растет. В 1971 в СССР выплавлено 89,3 млн. т чугуна и 121 млн. т стали.
Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова.
Железо как художественный материал использовалось с древности в Египте (подставка для головы из гробницы Тутанхамона около Фив, середина 14 в. до н. э., Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамии (кинжалы, найденные около Кархемиша, 500 до н. э., Британский музей, Лондон), Индии (железная колонна в Дели, 415). Со времён средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из Ж. в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и др.) - кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного листового Ж. (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами, чётким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на свето-воздушном фоне. В 20 в. Ж. используется для изготовления решёток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.
Т. Л.
Железо в организме. Ж. 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 (т. н. концентраторы), способные накапливать его в больших количествах (например, железобактерии - до 17-20% Ж.). Почти всё Ж. в организмах животных и растений связано с белками. Недостаток Ж. вызывает задержку роста и явления хлороза растений, связанные с пониженным образованием хлорофилла. Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток Ж., вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения Ж., и растения не получают его в достаточном количестве; в кислых почвах Ж. переходит в растворимые соединения в избыточном количестве. При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений Ж. заболевания растений могут наблюдаться на значительных территориях.
В организм животных и человека Ж. поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свёкла). В норме человек получает с рационом 60-110 мг Ж., что значительно превышает его суточную потребность. Всасывание поступившего с пищей Ж. 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 Ж.- белкового комплекса - ферритина. Основное депо Ж. в организме - печень и селезёнка. За счёт Ж. ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах - миоглобин, в различных тканях цитохромы и др. железосодержащие ферменты. Выделяется Ж. из организма главным образом через стенку толстых кишок (у человека около 6-10 мг в сутки) и в незначительной степени почками. Потребность организма в Ж. меняется с возрастом и физическим состоянием. На 1 кг веса необходимо детям - 0,6, взрослым - 0,1 и беременным - 0,3 мг Ж. в сутки. У животных потребность в Ж. 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.
В. В. Ковальский.
В медицине лекарственные препараты Ж. (восстановленное Ж., лактат Ж., глицерофосфат Ж., сульфат 2-валентного Ж., таблетки Бло, раствор яблочнокислого Ж., ферамид, гемостимулин и др.) используют при лечении заболеваний, сопровождающихся недостатком Ж. в организме (железодефицитная анемия), а также как общеукрепляющие средства (после перенесённых инфекционных заболеваний и др.). Изотопы Ж. (52 fe, 55 fe и 59 fe) применяют как индикаторы при медико-биологических исследованиях и диагностике заболеваний крови (анемии, лейкозы, полицитемия и др.).
Лит.: Общая металлургия, М., 1967; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 2, М., 1966; Краткая химическая энциклопедия, т. 2, М., 1963; Левинсон Н. Р., [Изделия из цветного и чёрного металла], в кн.: Русское декоративное искусство, т. 1-3, М., 1962-65; Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922-1932, М. - Л., 1940; Граник С., Обмен железа у животных и растений, в сборнике: Микроэлементы, пер. с англ., М., 1962; Диксон М., Уэбб Ф., ферменты, пер. с англ., М., 1966; neogi p., iron in ancient india, calcutta, 1914; friend j. n., iron in antiquity, l.,1926; frank e. b., old french ironwork, camb. (mass.), 1950; lister r., decorative wrought ironwork in great britain, l., 1960.
cкачать реферат
Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.
Основные степени окисления — +2, +3
Простое вещество железо - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Химические свойства простого вещества — железа:
Ржавление и горение в кислороде
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °С)
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °С)
Fe + S – t° → FeS (600 °С)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°С)
4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н 2 SO 4 , при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe +2 постепенно переводится кислородом в Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (разб.) → FeSO 4 + H 2
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Fе 3+ :
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют
Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в из растворов их солей.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
Fе + 2NaОН (50 %) + 2Н 2 O= Nа 2 ↓+ Н 2
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Техническое железо - сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.
Доменный процесс производства чугуна
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд - перевод в оксидную руду:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2 ,800°С, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2 ,500-600°С, -CO 2)
б) сжигание кокса при горячем дутье:
С (кокс) + O 2 (воздух) →СO 2 (600-700°С) СO 2 + С (кокс) ⇌ 2СО (700-1000 °С)
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:
Fe 2 O 3 →(CO) (Fe II Fe 2 III)O 4 →(CO) FeO→(CO) Fe
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
Fе (т) →(C (кокс) 900-1200°С) Fе (ж) (чугун, t пл 1145°С)
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe 2 С и графит.
Производство стали
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО 2 , SО 2), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са 3 (РO 4) 2 и СаSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:
FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 (90°С) (электролиз)
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь - как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.
Оксид железа(II) F еО . Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fе 2+ O 2- . При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:
4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fе (560-700 °С, 900-1000°С)
FеО + 2НС1 (разб.) = FеС1 2 + Н 2 O
FеО + 4НNO 3 (конц.) = Fе(NO 3) 3 +NO 2 + 2Н 2 O
FеО + 4NаОН =2Н 2 O + N а 4 F е O 3(красн .) триоксоферрат(II) (400-500 °С)
FеО + Н 2 =Н 2 O + Fе (особо чистое) (350°С)
FеО + С (кокс) = Fе + СО (выше 1000 °С)
FеО + СО = Fе + СO 2 (900°С)
4FеО + 2Н 2 O (влага) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН) (t)
6FеО + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 (300-500°С)
Получение в лаборатории : термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:
Fе(ОН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 °С)
FеСОз = FеО + СO 2 (490-550 °С)
Оксид дижелеза (III) – железа( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe 2+ (Fе 3+) 2 (O 2-) 4 . Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик ), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение ). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe 3 O 4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FеО + O 2 (выше 1538 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 8НС1 (разб.) = FеС1 2 + 2FеС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 +10НNO 3 (конц.) =3Fе(NO 3) 3 + NO 2 + 5Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 + O 2 (воздух) = 6Fе 2 O 3 (450-600°С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Fе (особо чистое, 1000 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + СО =ЗFеО + СO 2 (500-800°C)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fе ⇌4FеО (900-1000 °С, 560-700 °С)
Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.
магнетит.
Оксид железа(III) F е 2 О 3 . Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fе 3+) 2 (O 2-) 3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fе 2 O 3 nН 2 О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.
Уравнения важнейших реакций:
6Fе 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °С)
Fе 2 O 3 + 6НС1 (разб.) →2FеС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)
Fе 2 O 3 + 2NaОН (конц.) →Н 2 O+ 2 N а F е O 2 (красн.) диоксоферрат(III)
Fе 2 О 3 + МО=(М II Fе 2 II I)O 4 (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)
Fе 2 O 3 + ЗН 2 =ЗН 2 O+ 2Fе (особо чистое, 1050-1100 °С)
Fе 2 O 3 + Fе = ЗFеО (900 °С)
3Fе 2 O 3 + СО = 2(Fe II Fе 2 III)O 4 + СO 2 (400-600 °С)
Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:
Fе 2 (SO 4) 3 = Fе 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °С)
4{Fе(NO 3) 3 9 Н 2 O} = 2Fе a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36Н 2 O (600-700 °С)
В природе — оксидные руды железа гематит Fе 2 O 3 и лимонит Fе 2 O 3 nН 2 O
Гидроксид железа (II) F е(ОН) 2 . Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.
Уравнения важнейших реакций:
Fе(OН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 °С, в атм.N 2)
Fе(ОН) 2 + 2НС1 (разб.) =FеС1 2 + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + 2NаОН (> 50%) = Nа 2 ↓ (сине-зеленый) (кипячение)
4Fе(ОН) 2 (суспензия) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)
2Fе(ОН) 2 (суспензия) +Н 2 O 2 (разб.) = 2FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + КNO 3 (конц.) = FеО(ОН)↓ + NO+ КОН (60 °С)
Получение : осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:
Fе 2+ + 2OH (разб.) = F е(ОН) 2 ↓
Fе 2+ + 2(NH 3 Н 2 O) = F е(ОН) 2 ↓ + 2NH 4
Метагидроксид железа F еО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fе — О и Fе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fе 2 O 3 nН 2 O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fе(ОН) 2 . Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.
Соединение состава Fе(ОН) 3 не известно (не получено).
Уравнения важнейших реакций:
Fе 2 O 3 . nН 2 O→(200-250 °С, — H 2 O ) FеО(ОН)→(560-700° С на воздухе, -H2O) →Fе 2 О 3
FеО(ОН) + ЗНС1 (разб.) =FеС1 3 + 2Н 2 O
FeO(OH)→Fe 2 O 3 . nH 2 O -коллоид (NаОН (конц.))
FеО(ОН)→N а 3 [ F е(ОН) 6 ] белый , Nа 5 и К 4 соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КFе III . В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь , или турнбуллева синь :
Fе 2+ + К + + 3- = КFе III ↓
Fе 3+ + К + + 4- = КFе III ↓
Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:
К 3 Fе III - гексацианоферрат (III) калия
К 4 Fе III - гексацианоферрат (II) калия
КFе III - гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия
Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fе 3+ является тиоцианат-ион NСS — , железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:
Fе 3+ + 6NСS — = 3-
Этим реактивом (например, в виде соли КNСS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.
МЕТАЛЛЫ ПОБОЧНЫХ ПОДГРУПП
Характеристика переходных элементов – меди, хрома, железа по их положению в периодической системе химических элементов Д.И. Менделеева и особенностям строения их атомов.
Понятие переходный элемент обычно используется для обозначения любого из d- или f-элементов. Эти элементы занимают переходное положение между электроположительными s-элементами и электроотрицательными p-элементами. d-Элементы образуют три переходных ряда - в 4-м, 5-м и 6-м периодах соответственно. Первый переходный ряд включает 10 элементов, от скандия до цинка. Он характеризуется внутренней застройкой 3d-орбиталей. Хром и медь имеют на 4s-орбиталях всего по одному электрону. Дело в том, что полузаполненные или заполненные d-подоболочки обладают большей устойчивостью, чем частично заполненные. В атоме хрома на каждой из пяти 3d-орбиталей, образующих 3d-подоболочку, имеется по одному электрону. Такая подоболочка является полузаполненной. В атоме меди на каждой из пяти 3d-орбиталей находится по паре электронов (аналогичным образом объясняется аномалия серебра). Все d-элементы являются металлами. Большинство из них имеет характерный металлический блеск. По сравнению с s-металлами их прочность в целом значительно выше. В частности, для них характерны свойства: высокий предел прочности на разрыв; тягучесть; ковкость (их можно расплющить ударами в листы). d-элементы и их соединения обладают рядом характерных свойств: переменные состояния окисления; способность к обра зованию комплексных ионов; образование окрашенных соединений. d-Элементы характеризуются также более высокой плотностью по сравнению с другими металлами. Это объясняется сравнительно малыми радиусами их атомов. Атомные радиусы этих металлов мало изменяются в этом ряду. d-Элементы - хорошие проводники электрического тока, особенно те из них, в атомах которых имеется только один внешний s-электрон сверх полузаполненной или заполненной d-оболочки. Например, медь.
Химические свойства .
Электроотрицательность металлов первого переходного ряда возрастают в направлении от хрома к цинку. Это означает, что металлические свойства элементов первого переходного ряда постепенно ослабевают в указанном направлении. Такое изменение их свойств проявляется и в последовательном возрастании окислительно-восстановительных потенциалов с переходом от отрицательных к положительным значениям.
Характеристика хрома и его соединений
Хром - твердый, голубовато-белый металл.ρ = 7,2г/см 3 , t плавл = 1857 0 С СО: +1,+2,+3,+4,+5,+6Химические свойства.
- При обычных условиях хром реагирует только со фтором. При высоких температурах (выше 600 0 C) взаимодействует с кислородом, галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором.
4Cr + 3O 2 2Cr 2 O 3
2Cr + 3Cl 2 2CrCl 3
2Cr + 3S Cr 2 S 3
- В раскалённом состоянии реагирует с парами воды:
2Cr + 3H 2 O Cr 2 O 3 + 3H 2
- Хром растворяется в разбавленных сильных кислотах (HCl, H 2 SO 4). В отсутствии воздуха образуются соли Cr 2+ , а на воздухе – соли Cr 3+ .
Cr + 2HCl → CrCl 2 + H 2 -
2Cr + 6HCl + O 2 → 2CrCl 3 + 2H 2 O + H 2 -
- Наличие защитной окисной плёнки на поверхности металла объясняет его пассивность по отношению к холодным концентрированным кислотам – окислителям. Однако при сильном нагревании эти кислоты растворяют хром:
2 Сr + 6 Н 2 SО 4 (конц) Сr 2 (SО 4) 3 + 3 SО 2 + 6 Н 2 О
Сr + 6 НNО 3 (конц) Сr(NО 3) 3 + 3 NO 2 + 3 Н 2 О
Получение.Соединения хрома
Соединения двухвалентного хрома
Оксид хрома (II ) CrO
Физические свойства: твердое нерастворимое в воде вещество ярко-красного или коричнево- красного цвета. Химические свойства. CrO – основной оксид.Получение.
Cr 2 O 3 + 3Н 2 2Cr + 3H 2 O Гидроксид хрома (II ) Сr(ОН) 2 Физические свойства: твердое нерастворимое в воде вещество желтого цвета . Химические свойства. Сr(ОН) 2 – слабое основание.
- Взаимодействует с кислотами: Cr(OH) 2 + 2HCl → CrCl 2 + 2H 2 O Легко окисляется в присутствии влаги кислородом воздуха в Сr(ОН) 3:
4Cr(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O → 4Cr(OH) 3
- При прокаливании разлагается:
- Действием щелочи на растворы солей Cr(II): СrСl 2 + 2 NaОН = Сr(ОН) 2 ↓ + 2 NaСl.
Соединения трёхвалентного хрома
Оксид хрома (III ) Cr 2 O 3 Физические свойства: темно-зеленое тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде. Химические свойства. Cr 2 O 3 - амфотерный оксид.Хромит натрия
- При высокой температуре восстанавливается водородом, кальцием, углеродом до хрома:
Cr 2 O 3 + 3Н 2 2Cr + 3H 2 O
Получение.
Гидроксид хрома (III ) Cr (OH ) 3 Физические свойства: нерастворимое в воде вещество зелёного цвета. Химические свойства. Сr(ОН) 3 – амфотерный гидроксид2Cr(OH) 3 + 3H 2 SO 4 →Cr 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Cr(OH) 3 + KOH → KCrO 2 + 2H 2 O
(хромит калия) Получение.
- При действии щелочей на соли Сr 3+ выпадает студнеобразный осадок гидроксида хрома (III) зеленого цвета:
Сr 2 (SО 4) 3 + 6NaОН → 2 Сr(ОН) 3 ↓ + 3 Na 2 SО 4 ,
Соединения шестивалентного хрома
Оксид хрома (VI ) CrO 3 Физические свойства: твердое вещество темно-красного цвета, хорошо растворимое в воде. Ядовит! Химические свойства. CrO 3 – кислотный оксид.- Взаимодействует со щелочами, образуя соли желтого цвета-хроматы:
CrO 3 + 2KOH → K 2 CrO 4 + H 2 O
- Взаимодействует с водой, образуя кислоты: CrO 3 + H 2 O → H 2 CrO 4 хромовая кислота
- Термически неустойчив: 4 CrO 3 → 2Cr 2 O 3 + 3O 2
- Получают из хромата (или дихромата) калия действием H 2 SO 4 (конц.).
K 2 CrO 4 + H 2 SO 4 → CrO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O
K 2 Cr 2 O 7 + H 2 SO 4 → 2CrO 3 + K 2 SO 4 + H 2 O
Гидроксиды хрома (VI) H 2 CrO 4 - хромовая кислота , H 2 Cr 2 O 7 - дихромовая кислота Обе кислоты неустойчивы, при попытке их выделения в чистом виде распадаются на воду и оксид хрома (VI). Однако соли их вполне устойчивы. Соли хромовой кислоты называют хроматами, они окрашены в желтый цвет, а соли дихромовой кислоты – дихроматами, они окрашены в оранжевый цвет.Железо и его соединения
Железо – сравнительно мягкий ковкий металл серебристого цвета, пластичный, намагничивается. T плавл =1539 0 С. ρ = 7,87г/см 3 . СО: +2 – со слабыми окислителями – растворы кислот, солей, неметаллы, кроме кислорода и галогенов +3 – с сильными окислителями – концентрированные кислоты, кислород, галогены.Химические свойства.
- Горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II,III): 3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
- При высокой температуре (700–900C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2 -
- На воздухе в присутствии влаги ржавеет: 4Fе + 3O 2 + 6Н 2 О → 4Fе(ОН) 3 . Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах, проявляя СО +2:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 -
Fe + H 2 SO 4 (разб.) → FeSO 4 + H 2 -
- В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, проявляя СО +3:
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 - + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 - + 3H 2 O
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).
- Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu↓
Получение.- Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II)
Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2
Соединения двухвалентного железа
О ксид железа (II ) FeO
Физические свойства: твердое вещество черного цвета, нерастворимое в воде. Химические свойства: FeО – основной оксид 6 FeО + O 2 2Fe 3 О 4- Восстанавливается водородом, углеродом, оксидом углерода(II) до железа:
Гидроксид железа (II ) Fe (OH ) 2
Физические свойства: порошок белого цвета, нерастворимый в воде. Химические свойства: Fe(OH) 2 – слабое основание. Получение.- Образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:
FeCl 2 + 2KOH → 2KCl + Fе(OH) 2 ↓
Качественная реакция на Fe 2+
При действии гексацианоферрата (III) калия K 3 (красной кровяной соли) на растворы солей двухвалентного железа образуется синий осадок (турнбулева синь):3FeSO 4 + 2K 3 Fe 3 2 + 3K 2 SO 4
Соединения трёхвалентного железа
Оксид железа (III ) Fe 2 O 3
Физические свойства: твердое вещество красно-коричневого цвета. Химические свойства: Fe 2 O 3 – амфотерный оксид. феррит натрия Fe 2 О 3 + 3H 2 - 2 Fe + 3H 2 O Получение.Гидроксид железа (III ) Fe (OH ) 3
Физические свойства: твердое вещество красно-бурого цвета. Химические свойства: Fe(OH) 3 – амфотерный гидроксид.- Взаимодействует с кислотами, как нерастворимое основание:
2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 →Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
- Взаимодействует со щелочами, как нерастворимая кислота:
Fe(OH) 3 + KOH (тв) → KFeO 2 + 2H 2 O
Fе(ОН) 3 + 3КОН (конц) → К 3
Получение.- Образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа: выпадает в виде красно–бурого осадка:
Fe(NO 3) 3 + 3KOH Fe(OH) 3 + 3KNO 3
Качественные реакции на Fe 3+
- При действии гексацианоферрата (II) калия K 4 (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок (берлинская лазурь):
4FeCl 3 +3K 4 Fe 4 3 + 12KCl
- При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe 3+ роданистого калия или аммония появляется интенсивная кроваво-красная окраска роданида железа(III):
FeCl 3 + 3KCNS 3КCl + Fe(CNS) 3
Медь и её соединения
Медь - довольно мягкий металл красно-желтого цвета, ковкий, пластичный, обладает высокой тепло- и электропроводностью. T плавл = 1083 0 С. ρ = 8,96г/см 3 . СО: 0,+1,+2
Химические свойства.
- Взаимодействие с простыми веществами.
- Взаимодействие со сложными веществами.
Медь стоит в ряду напряжений правее водорода, поэтому не реагирует с разбавленными соляной и серной кислотами, но растворяется в кислотах – окислителях:
3Cu + 8HNO 3 (разб.) → 3Cu(NO 3) 2 + 2NO- + 2H 2 O
Cu + 4HNO 3 (конц.) → Cu(NO 3) 2 + 2NO 2 -+ 2H 2 O
Cu + 2H 2 SO 4 (конц.) → CuSO 4 + SO 2 -+2H 2 O
Получение .
CuO + CO Cu + CO 2
- При электролизе солей меди: 2CuSO 4 + 2H 2 O → 2
Cu
+ O
2
-
+ 2H 2 SO 4
Соединения одновалентной меди
Оксид меди(I ) С u 2 O Физические свойства: твердое вещество красного цвета, нерастворимое в воде. Химические свойства: Сu 2 O – основной оксид. Получение.- Получают восстановлением соединений меди (II), например, глюкозой в щелочной среде:
- Взаимодействует с кислотами: CuOH + HCl → CuCl + H 2 O На воздухе легко окисляется до Cu(OH) 2: 4CuOH + О 2 + 2H 2 O → 4 Cu(OH) 2
Соединения двухвалентной меди
Железо (символ Fe) − химический элемент восьмой группы, четвертого периода. Железо в периодической системе химических элементов расположено под номером 26.
В подгруппе Железа содержится 4 элемента: Fe железо, рутений Ru, осмий Os, Hs хасмий.
Характеристика химического элемента Железо
Ferrum - латинское слово, оно означает не только железо, а также твёрдость и оружие. От него произошли названия железа и в некоторых европейских языках: французском fer, итальянском ferro, испанском hierro и такие термины, как ферриты, ферромагнетизм. Похожие названия этого металла в славянских и балтийских языка: литовском gelezis, польском zelazo, болгарском желязо, украинском залiзо и белорусском жалеза. Английское название Iron, немецкое Eisen, голландское ijzer имеют происхождение от санскритского isira (крепкий, сильный).
Распространение Железа в природе
Железо 26 элемент таблицы Менделеева
Железо - первый на земном шаре и второй по распространённости металл в земной коре, очень важный металл для человека. Ещё с незапамятных времён люди встречали железо в виде железных метеоритов. Обычно в метеоритном железе содержится от 5 до 30 % никеля, почти 0,5 % кобальта и до 1 % других элементов. На территории Африки 80 тысяч лет назад упал самый крупный метеорит Гоба, он весил 66 тонн. Он содержит 84 % железа и 16 % никеля. В метеоритном музее Российской академии наук, хранятся два осколка железного метеорита, которые весят 256 кг, упавшего на Дальнем Востоке. В 1947 г. в Приморском крае на площади 35 км 2 «железным дождём» выпали тысячи осколков (массой от 60 до 100 тонн) железного метеорита. Очень редкий минерал - самородное железо земного происхождения, встречается в виде мелких зёрен и содержит 2% никеля и десятые доли процента других металлов. На Луне было найдено самородное железо в раздробленном состоянии.
В 13- 12 веках до н.э. происходит распад и смена культур на всём пространстве Евразии от Атлантики до Тихого океана, и в течение нескольких веков - до 10-8 веков до н.э. происходят переселения народов. Этот период получил название катастрофы бронзового века и начало перехода к железному веку.
Железа в земной коре очень много, но добывать его тяжело. Этот металл прочно связан в рудах с кислородом, а иногда с серой. Древние печи не могли дать нужной температуры, при которой плавится чистое железо и получалось железо в виде губки с примесями из руды, называемой крицей. При ковке крицы, железо частично отделялось от руды.
Во многих минералах содержится железо. Магнитный железняк, содержащий 72,3% железа - самый богатый железом минерал. Древнегреческий философ Фалес Милетский более 2500 лет назад изучил образцы чёрного металла, которые притягивают железо. Дал ему название magnetis lithos - камень из Магнесии, так произошло название магнита. Теперь известно, что это был магнитный железняк - чёрный оксид железа.
Роль Железа в живом организме
Важнейшей рудой железа является гематит. Он содержит 69,9% железа. Гематит ещё называют красный железняк, а старинное название - кровавик. От греческого haima, что означает кровь. Появились и другие слова, связанные с кровью, такие как гемоглобин. Гемоглобин служит переносчиком кислорода от органов дыхания к тканям организма, а в обратном направлении переносит диоксид углерода. Недостаток железа в организме приводит к тяжёлому заболеванию - железодефицитной анемии . При этом заболевании происходят нарушения скелета, функции центральной нервной и сосудистой систем , наблюдается недостаток кислорода в тканях. Железо необходимо живым организмам. Оно содержится также в мышцах, селезёнке и печени. У взрослого человека железа около 4 г, оно присутствует в каждой клетке организма. Человек каждый день с пищей должен получать 15 миллиграммов железа. При недостатке железа врачи назначают специальные препараты, в которых железо находится в легко усвояемом виде.
Применение Железа
Если в выплавляемом железе больше 2% углерода, то получается чугун, его плавят на сотни градусов ниже, чем чистое железо. Так как чугун хрупкий, из него можно только отливать различные изделия, ковать его нельзя. Из железной руды в доменных печах выплавляют большое количество чугуна, который используют для отливки памятников, решёток и тяжёлых станин для станков. Основную массу чугуна перерабатывают в сталь. Для этого в конвертерах или в мартеновских печах из чугуна «выжигают» часть углерода и других примесей.
Из стали с разным содержанием углерода сделаны все предметы от рельсов до гвоздей. Если в железе мало углерода, получается мягкая низкоуглеродистая сталь, а вводя в сталь легирующие примеси других элементов, получаются разные сорта специальных сталей. Известно огромное множество сталей и каждая имеет своё применение.
Самая известная - нержавеющая сталь, которая содержит никель и хром. Из этой стали делают аппаратуру для химических заводов и столовую посуду. А если в сталь ввести 18% вольфрама, 1% ванадия и 4% хрома, получится быстрорежущая сталь, из неё делают свёрла и наконечники резцов. Если сплавить железо с 1,5% углерода и 15% марганца, получается такая твёрдая сталь, из которой делают ножи бульдозеров и зубья экскаваторов. Сталь содержащая 36% никеля, 0,5 % углерода и 0,5% марганца называется инваром, из неё делают точные приборы и некоторые детали для часов. Сталь, которую называют платинитом, содержит 46% никеля и 15% углерода расширяется при нагревании так же как и стекло. Спай платинита со стеклом не растрескивается и поэтому его используют при изготовлении электрических ламп.
Нержавеющая сталь не намагничивается и к магниту не притягивается. Намагнитить можно только углеродистую сталь. Чистое железо само не намагничивается, а притягивается магнитом, такое железо подходит для изготовления сердечников электромагнитов.
В мире ежегодно выплавляется более миллиарда тонн железа. Но коррозия, которая является страшным врагом металла, не только уничтожает сам металл, на выплавку которого были затрачены огромные усилия, ещё и выводит из строя готовые изделия, которые стоят дороже самого металла. Она ежегодно уничтожает десятки миллионов тонн выплавляемого металла. Железо при коррозии реагирует с кислородом и водой, превращаясь в ржавчину.
Железо, его положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, взаимодействие с серой, хлороводородной кислотой, растворами солей.
ПЛАН ОТВЕТА:
положение в п. с. и строение атома физические свойства химические свойства Химический элемент железо находится в 4-ом периоде 8-ой группе побочной подгруппе. В атоме железа четыре электронных слоя. Электронами заполняется d–подуровень третьего слоя, на нём находится 6 электронов, а на четвёртом слое s–подуровне находится 2 электрона. В соединениях железо проявляет степени окисления +2 и +3.
| IV период VIII группа побочная подгруппа | Fe)))) | +2 | +3 | ||
| +26 2 8 8+6 2 | 4s | ?? | |||
| 3d | ?? | ? | ? | ? | ? |
Простое вещество железо – серебристо-белый металл с температурой плавления 15390С, плотностью 7,87 г/см3, обладает магнитными свойствами. Железо – химически активный металл. При нагревании оно взаимодействует с серой с образованием сульфида железа(II): Fe0 + S0 = Fe+2S-2. Железо вытесняет водород из растворов кислот, при этом образуются соли железа(II), например, при действии на железо соляной кислоты образуется хлорид железа(II): Fe0 + 2H+1Cl-1 = Fe+2Cl2-1 + H20. Железо может вытеснять менее активные металлы из растворов их солей, например, при действии железа на раствор сульфата меди(II) образуются металлическая медь и сульфат железа(II): Fe0 + Cu+2SO4 = Cu0 + Fe+2SO4.
Во всех реакциях железо проявляет свойства восстановителя. Более сильные окислители – хлор, кислород, концентрированные кислоты – окисляют железо до степени окисления +3.
Если домашнее задание на тему: » Железо, его положение в периодической системе химических элементов Д И Менделеева, взаимодействие оказалось вам полезным, то мы будем вам признательны, если вы разместите ссылку на эту сообщение у себя на страничке в вашей социальной сети.
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?
