Окислителни свойства на желязото. желязо в природата. Химични свойства на тези съединения

Първите продукти от желязо и неговите сплави са открити по време на разкопки и датират от около 4-то хилядолетие пр.н.е. Тоест дори древните египтяни и шумери са използвали метеоритни находища на това вещество за направата на бижута и предмети от бита, както и оръжия.

Днес различни видове железни съединения, както и чист метал, са най-разпространените и използвани вещества. Нищо чудно, че 20-ти век се смяташе за железен. В края на краищата, преди появата и широкото използване на пластмасата и свързаните с нея материали, това съединение беше от решаващо значение за хората. Какъв е този елемент и какви вещества образува, ще разгледаме в тази статия.

Химически елемент желязо

Ако разгледаме структурата на атома, тогава на първо място трябва да посочим местоположението му в периодичната система.

1. Пореден номер - 26.
2. Периодът е четвъртият голям.
3. Осмата група, вторичната подгрупа.
4. Атомното тегло е 55,847.
5. Структурата на външната електронна обвивка се обозначава с формулата 3d 6 4s 2 .
6. - Fe.
7. Името е желязо, четенето във формулата е "ферум".
8. В природата има четири стабилни изотопа на въпросния елемент с масови числа 54, 56, 57, 58.

Химическият елемент желязо също има около 20 различни изотопа, които не са стабилни. Възможните степени на окисление, които даден атом може да прояви, са:

Важен е не само самият елемент, но и неговите различни съединения и сплави.

Физически свойства

Като просто вещество желязото има изразена металичност. Тоест, това е сребристо-бял метал със сив оттенък, който има висока степен на пластичност и пластичност и висока точка на топене и кипене. Ако разгледаме характеристиките по-подробно, тогава:

• точка на топене - 1539 0 С;
• кипене - 2862 0 С;
• активност - средна;
• огнеупорност - висока;
• проявява изразени магнитни свойства.

В зависимост от условията и различните температури има няколко модификации, които образува желязото. Физичните им свойства се различават от факта, че кристалните решетки се различават.

Всички модификации имат различни видове структура на кристални решетки и също се различават по магнитни свойства.

Химични свойства

Както бе споменато по-горе, простото вещество желязо проявява средна химическа активност. Въпреки това, във фино диспергирано състояние, той е способен да се самозапалва във въздуха, а самият метал изгаря в чист кислород.

Корозионната способност е висока, така че сплавите на това вещество са покрити с легиращи съединения. Желязото може да взаимодейства с:

• киселини;
• кислород (включително въздух);
• сив;
• халогени;
• при нагряване - с азот, фосфор, въглерод и силиций;
• със соли на по-малко активни метали, редуциращи ги до прости вещества;
• с остра водна пара;
• с железни соли в степен на окисление +3.

Очевидно е, че проявявайки такава активност, металът е в състояние да образува различни съединения, различни и полярни по свойства. И така става. Желязото и неговите съединения са изключително разнообразни и се използват в различни отрасли на науката, технологиите и промишлената човешка дейност.

Разпространение в природата

Естествените съединения на желязото са доста разпространени, защото е вторият най-често срещан елемент на нашата планета след алуминия. В същото време в чист вид металът е изключително рядък като част от метеорити, което показва големите му натрупвания в космоса. Основната маса се съдържа в състава на руди, скали и минерали.

Ако говорим за процентното съдържание на въпросния елемент в природата, тогава могат да се дадат следните цифри.

1. Ядрата на планетите от земния тип - 90%.
2. В земната кора - 5%.
3. В мантията на Земята – 12%.
4. В земното ядро ​​- 86%.
5. В речна вода - 2 mg/l.
6. В моретата и океаните - 0,02 mg/l.

Най-често срещаните железни съединения образуват следните минерали:

• магнетит;
• лимонит или кафява желязна руда;
• вивианит;
• пиротин;
• пирит;
• сидерит;
• марказит;
• лелингит;
• миспикел;
• милантерит и др.

Това все още е дълъг списък, защото наистина са много. Освен това са широко разпространени различни сплави, създадени от човека. Това също са такива железни съединения, без които е трудно да си представим съвременния живот на хората. Те включват два основни вида:

• чугуни;
• да стане.

Желязото също е ценна добавка към много никелови сплави.

Съединения на желязо(II).

Те включват тези, при които степента на окисление на образуващия елемент е +2. Те са доста многобройни, тъй като включват:

• оксид;
• хидроксид;
• бинарни съединения;
• комплексни соли;
• комплексни съединения.

Формулите на химичните съединения, в които желязото проявява посочената степен на окисление, са индивидуални за всеки клас. Помислете за най-важните и често срещани от тях.

1. Железен(II) оксид.Черен прах, неразтворим във вода. Естеството на връзката е основно. Той може бързо да се окислява, но също така може лесно да се редуцира до просто вещество. Разтваря се в киселини, за да образува съответните соли. Формула - FeO.
2. Железен(II) хидроксид.Представлява бяла аморфна утайка. Образува се при взаимодействието на соли с основи (алкали). Той показва слаби основни свойства, способен е бързо да се окислява във въздуха до железни съединения +3. Формула - Fe (OH) 2.
3. Солите на даден елемент в определеното състояние на окисление.Като правило те имат бледозелен цвят на разтвора, окисляват се добре дори във въздуха, придобиват и се превръщат в железни соли 3. Те се разтварят във вода. Примери за съединения: FeCL2, FeSO4, Fe(NO3)2.

   

   Няколко съединения са от практическо значение сред посочените вещества. Първо, (II). Това е основният доставчик на йони за човешкото тяло с анемия. Когато такова заболяване се диагностицира при пациент, му се предписват комплексни препарати, които се основават на въпросното съединение. Така се попълва недостигът на желязо в организма.

   На второ място, железен (II) сулфат, заедно с мед, се използва за унищожаване на селскостопански вредители в културите. Методът доказва своята ефективност повече от дузина години, поради което е много ценен от градинари и градинари.

   Мора сол

   Това е съединение, което е кристален хидрат на желязо и амониев сулфат. Формулата му е написана като FeSO 4 * (NH 4) 2 SO 4 * 6H 2 O. Едно от съединенията на желязото (II), което е широко използвано в практиката. Основните области на употреба от човека са следните.

   1. Фармацевтика.
   2. Научни изследвания и лабораторни титриметрични анализи (за определяне съдържанието на хром, калиев перманганат, ванадий).
   3. Лекарство - като добавка към храната с липса на желязо в тялото на пациента.
   4. За импрегниране на дървени изделия, тъй като солта Mora предпазва от процеси на гниене.

   Има и други области, в които това вещество намира приложение. Името си получи в чест на немския химик, който пръв откри проявените свойства.

   Вещества със степен на окисление на желязо (III)

   Свойствата на железните съединения, в които то проявява степен на окисление +3, са малко по-различни от тези, обсъдени по-горе. По този начин природата на съответния оксид и хидроксид вече не е основна, а ясно изразена амфотерна. Даваме описание на основните вещества.

   
   

   Сред дадените примери от практическа гледна точка важен е такъв кристален хидрат като FeCL 3 * 6H 2 O или железен (III) хлорид хексахидрат. Използва се в медицината за спиране на кървенето и попълване на железните йони в тялото при анемия.

   Железен (III) сулфат пентахидрат се използва за пречистване на питейна вода, тъй като действа като коагулант.

   Съединения на желязо(VI).

   Формулите на химичните съединения на желязото, където то проявява специална степен на окисление +6, могат да бъдат записани, както следва:

   • K2FeO4;
   • Na2FeO4;
   • MgFeO 4 и др.

   Всички те имат общо наименование - ферати - и имат подобни свойства (силни редуциращи агенти). Те също така са в състояние да дезинфекцират и имат бактерициден ефект. Това им позволява да се използват за обработка на питейна вода в индустриален мащаб.

   Комплексни съединения

   Специалните вещества са много важни в аналитичната химия и не само. Тези, които се образуват във водни разтвори на соли. Това са сложни съединения на желязото. Най-популярните и добре проучени от тях са следните.

   1. Калиев хексацианоферат (II) K 4 .Друго име на съединението е жълта кръвна сол. Използва се за качествено определяне на железен йон Fe 3+ в разтвор. В резултат на експозицията разтворът придобива красив ярко син цвят, тъй като се образува друг комплекс - пруско синьо KFe 3+. От древни времена се използва като
   2. Калиев хексацианоферат (III) K 3 .Друго име е червена кръвна сол. Използва се като качествен реагент за определяне на железни йони Fe 2+ . В резултат на това се образува синя утайка, която се нарича Turnbull blue. Използва се и като боя за тъкани.

   

   Желязо в органични вещества

   Желязото и неговите съединения, както вече видяхме, имат голямо практическо значение в стопанския живот на човека. Но освен това, биологичната му роля в организма е не по-малко голяма, дори напротив.

   Има един много важен протеин, който включва този елемент. Това е хемоглобинът. Благодарение на него се транспортира кислород и се извършва равномерен и навременен газов обмен. Следователно ролята на желязото в жизненоважния процес - дишането - е просто огромна.

   

   Общо човешкото тяло съдържа около 4 грама желязо, което трябва постоянно да се попълва чрез консумираната храна.

Желязото е осмият елемент от четвъртия период в периодичната таблица. Номерът му в таблицата (наричан още атомен) е 26, което съответства на броя на протоните в ядрото и електроните в електронната обвивка. Обозначава се с първите две букви от латинския му еквивалент - Fe (лат. Ferrum - чете се като "ferrum"). Желязото е вторият най-често срещан елемент в земната кора, процентът е 4,65% (най-често срещаният е алуминият, Al). В естествената си форма този метал е доста рядък, по-често се добива от смесена руда с никел.

Във връзка с

Какво е естеството на това съединение? Желязото като атом се състои от метална кристална решетка, която осигурява твърдостта на съединенията, съдържащи този елемент, и молекулната стабилност. Именно във връзка с това този метал е типично твърдо тяло, за разлика например от живака.

Желязото като просто вещество- сребрист метал с характерни за тази група елементи свойства: ковкост, метален блясък и пластичност. Освен това желязото има висока реактивност. Последното свойство се доказва от факта, че желязото корозира много бързо при наличие на висока температура и подходяща влажност. В чист кислород този метал гори добре и ако се натроши на много малки частици, те не само ще горят, но и ще се запалят спонтанно.

Често наричаме желязото не чист метал, а неговите сплави, съдържащи въглерод ©, например стомана (<2,14% C) и чугун (>2,14% С). Също така от голямо промишлено значение са сплавите, към които се добавят легиращи метали (никел, манган, хром и други), поради което стоманата става неръждаема, т.е. легирана. Така въз основа на това става ясно какво широко индустриално приложение има този метал.

Характеристика Fe

Химични свойства на желязото

Нека разгледаме по-отблизо характеристиките на този елемент.

Свойства на просто вещество

• Окисляване във въздуха при висока влажност (корозивен процес):

4Fe + 3O2 + 6H2O \u003d 4Fe (OH) 3 - железен (III) хидроксид (хидроксид)

• Изгаряне на желязна жица в кислород с образуването на смесен оксид (съдържа елемент както със степен на окисление +2, така и със степен на окисление +3):

3Fe+2O2 = Fe3O4 (желязна скала). Реакцията е възможна при нагряване до 160 ⁰C.

• Взаимодействие с вода при висока температура (600−700 ⁰C):

3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2

• Реакции с неметали:

а) Реакция с халогени (Важно! С това взаимодействие той придобива степента на окисление на елемента +3)

2Fe + 3Cl2 \u003d 2FeCl3 - железен хлорид

б) Реакция със сяра (Важно! При това взаимодействие елементът има степен на окисление +2)

Железен (III) сулфид - Fe2S3 може да се получи по време на друга реакция:

Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O

в) Образуване на пирит

Fe + 2S \u003d FeS2 - пирит. Обърнете внимание на степента на окисление на елементите, които съставляват това съединение: Fe (+2), S (-1).

• Взаимодействие с метални соли в електрохимичната серия на метална активност вдясно от Fe:

Fe + CuCl2 \u003d FeCl2 + Cu - железен (II) хлорид

• Взаимодействие с разредени киселини (например солна и сярна):

Fe+HBr = FeBr2+H2

Fe+HCl = FeCl2+ H2

Имайте предвид, че тези реакции произвеждат желязо със степен на окисление +2.

• В неразредени киселини, които са най-силните окислители, реакцията е възможна само при нагряване; в студени киселини металът се пасивира:

Fe + H2SO4 (концентриран) = Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 + 6H2O

Fe+6HNO3 = Fe(NO3)3+3NO2+3H2O

• Амфотерните свойства на желязото се проявяват само при взаимодействие с концентрирани алкали:

Fe + 2KOH + 2H2O \u003d K2 + H2 - калиев тетрахидроксиферат (II) се утаява.

Процес на производство на желязо в доменна пещ

• Изпичане и последващо разлагане на сулфидни и карбонатни руди (изолиране на метални оксиди):

FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Тази реакция е и първата стъпка в индустриалния синтез на сярна киселина.

FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).

• Изгаряне на кокс (в излишък):

С (кокс) + O2 (въздух) —> CO2 (600−700 ⁰C)

CO2+С (кокс) —> 2CO (750−1000 ⁰C)

• Възстановяване на руда, съдържаща оксид, с въглероден оксид:

Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)

Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)

FeO —> Fe(CO, -CO2)

• Карбуризация на желязо (до 6,7%) и топене на чугун (t⁰топене - 1145 ⁰C)

Fe (твърд) + C (кокс) -> чугун. Реакционната температура е 900-1200 ⁰C.

В чугуна цементитът (Fe2C) и графитът винаги присъстват под формата на зърна.

Характеристика на съединения, съдържащи Fe

Ще проучим характеристиките на всяка връзка поотделно.

Fe3O4

Смесен или двоен железен оксид, съдържащ елемент със степен на окисление както +2, така и +3. Също така се нарича Fe3O4 железен оксид. Това съединение е устойчиво на високи температури. Не реагира с вода, водни пари. Разгражда се от минерални киселини. Може да се редуцира с водород или желязо при висока температура. Както можете да разберете от горната информация, това е междинен продукт в реакционната верига на промишленото производство на желязо.

Директно железният оксид се използва в производството на бои на минерална основа, цветен цимент и керамични продукти. Fe3O4 е това, което се получава чрез почерняване и посиняване на стомана. Смесен оксид се получава чрез изгаряне на желязо във въздух (реакцията е дадена по-горе). Руда, съдържаща оксиди, е магнетит.

Fe2O3

Железен (III) оксид, тривиално име - хематит, червено-кафяво съединение. Устойчив на високи температури. В чиста форма не се образува при окисляването на желязото с атмосферен кислород. Не реагира с вода, образува хидрати, които се утаяват. Реагира слабо с разредени основи и киселини. Може да се легира с оксиди на други метали, образувайки шпинели - двойни оксиди.

Червената желязна руда се използва като суровина в промишленото производство на чугун по метода на доменната пещ. Освен това ускорява реакцията, тоест е катализатор в амонячната индустрия. Използва се в същите области като железния оксид. Освен това се използва като носител на звук и изображения върху магнитни ленти.

FeOH2

Железен(II) хидроксид, съединение, което има както киселинни, така и основни свойства, като последните преобладават, тоест е амфотерно. Бяло вещество, което бързо се окислява във въздуха, "става кафяво" до железен (III) хидроксид. Разлага се при излагане на температура. Реагира както със слаби разтвори на киселини, така и с основи. Няма да се разтваряме във вода. В реакцията той действа като редуциращ агент. Той е междинен продукт в корозионната реакция.

Откриване на Fe2+ и Fe3+ йони („качествени” реакции)

Разпознаването на Fe2+ и Fe3+ йони във водни разтвори се извършва с помощта на сложни комплексни съединения - съответно K3, червена кръвна сол и K4, жълта кръвна сол. И при двете реакции се образува утайка с наситен син цвят със същия количествен състав, но различна позиция на желязото с валентност +2 и +3. Тази утайка също често се нарича пруско синьо или синьо на Turnbull.

Реакция, написана в йонна форма

Fe2++K++3-  K+1Fe+2

Fe3++K++4-  K+1Fe+3

Добър реагент за откриване на Fe3+ е тиоцианатният йон (NCS-)

Fe3++ NCS-  3- - тези съединения имат яркочервен ("кървав") цвят.

Този реагент, например калиев тиоцианат (формула - KNCS), ви позволява да определите дори незначителна концентрация на желязо в разтвори. Така той може да определи дали тръбите са ръждясали, когато изследва чешмяната вода.

Желязото е било известно в праисторически времена, но е широко използвано много по-късно, тъй като е изключително рядко в природата в свободно състояние и производството му от руди става възможно едва на определено ниво на технологично развитие. Вероятно за първи път човек се е запознал с метеоритното желязо, както се вижда от имената му на езиците на древните народи: древноегипетското "бени-пет" означава "небесно желязо"; старогръцкото sideros се свързва с латинското sidus (род падеж sideris) - звезда, небесно тяло. В хетските текстове от 14 век пр.н.е. д. Желязото се споменава като метал, паднал от небето. В романските езици коренът на името, дадено от римляните, е запазен (например френски fer, италиански ferro).

Методът за получаване на желязо от руди е изобретен в западната част на Азия през 2-ро хилядолетие пр.н.е. д.; след това използването на желязо се разпространява във Вавилон, Египет, Гърция; Бронзовата епоха е заменена от желязната. Омир (в 23-та песен на Илиада) разказва, че Ахил наградил победителя в състезанието по хвърляне на диск с железен диск. В Европа и Древна Русия в продължение на много векове желязото се е получавало чрез процеса на производство на сирене. Желязната руда се редуцира с дървени въглища в пещ, построена в яма; въздухът се изпомпва в огнището с кожи, редукторът - крицу се отделя от шлаката чрез удари с чук и от него се изковават различни продукти. С усъвършенстването на методите на продухване и увеличаването на височината на огнището температурата на процеса се повишава и част от желязото се въглеродизира, т.е. се получава чугун; този относително крехък продукт се счита за отпадъчен продукт. Оттук и името на чугуна "chushka", "pig iron" - английски. чугун. По-късно се забелязва, че когато в огнището се зарежда не желязна руда, а чугун, се получава и нисковъглеродно желязо и такъв двуетапен процес се оказва по-изгоден от суровото тесто. През 12-13 век методът на крещене вече е широко разпространен.

През 14 век чугунът започва да се топи не само като полуфабрикат за по-нататъшна обработка, но и като материал за отливане на различни изделия. От същото време датира и преустройството на огнището в шахтова пещ ("домница"), а след това в доменна пещ. В средата на 18 век в Европа започва да се използва тигелният процес за получаване на стомана, който е бил известен в Сирия в ранния период на Средновековието, но по-късно е забравен. С този метод стоманата се получава чрез топене на метален заряд в малки съдове (тигли) от силно огнеупорна маса. През последната четвърт на 18-ти век процесът на пудинг на превръщане на чугун в желязо започва да се развива в огнището на огнена реверберационна пещ. Индустриалната революция от 18-ти и началото на 19-ти век, изобретяването на парната машина, изграждането на железопътни линии, големи мостове и парния флот създадоха огромно търсене на желязо и неговите сплави. Всички съществуващи методи за производство на желязо обаче не могат да отговорят на нуждите на пазара. Масовото производство на стомана започва едва в средата на 19 век, когато се развиват бесемеровият, томасовият и мартеновият процес. През 20-ти век възниква и става широко разпространен електрическият процес на производство на стомана, давайки висококачествена стомана.

Разпространение на желязото в природата.По отношение на съдържанието в литосферата (4,65% от теглото) желязото е на второ място сред металите (алуминият е на първо място). Той мигрира енергично в земната кора, образувайки около 300 минерала (оксиди, сулфиди, силикати, карбонати, титанати, фосфати и др.). Желязото участва активно в магмените, хидротермалните и супергенните процеси, които са свързани с образуването на различни видове железни находища. Желязото е метал от земните дълбини, натрупва се в ранните етапи на кристализация на магмата, в ултраосновни (9,85%) и основни (8,56%) скали (само 2,7% в гранитите). В биосферата желязото се натрупва в много морски и континентални седименти, образувайки седиментни руди.

Важна роля в геохимията на желязото играят окислително-възстановителните реакции - преходът на 2-валентно желязо в 3-валентно и обратно. В биосферата, в присъствието на органична материя, Fe 3+ се редуцира до Fe 2+ и лесно мигрира, а когато се сблъска с атмосферния кислород, Fe 2+ се окислява, образувайки натрупвания от хидроксиди на тривалентно желязо. Широко разпространените съединения на 3-валентното желязо са червено, жълто, кафяво. Това определя цвета на много седиментни скали и името им - "червено оцветени образувания" (червени и кафяви глини и глини, жълти пясъци и др.).

Физични свойства на желязото.Значението на желязото в съвременната технология се определя не само от широкото му разпространение в природата, но и от комбинация от много ценни свойства. Той е пластичен, лесно се кове както в студено, така и в нагрято състояние, може да се валцува, щампова и изтегля. Способността за разтваряне на въглерод и други елементи е в основата на получаването на различни железни сплави.

Желязото може да съществува под формата на две кристални решетки: α- и γ-центрирана кубична (bcc) и лицево-центрирана кубична (fcc). Под 910°C α-Fe с bcc решетка е стабилен (a = 2.86645Å при 20°C). Между 910°C и 1400°C, γ-модификацията с fcc решетка е стабилна (a = 3.64Å). Над 1400°C отново се образува bcc решетката δ-Fe (a = 2.94Å), която е стабилна до точката на топене (1539°C). α-Fe е феромагнитен до 769 °C (точка на Кюри). Модификациите γ-Fe и δ-Fe са парамагнитни.

Полиморфните трансформации на желязото и стоманата при нагряване и охлаждане са открити през 1868 г. от Д. К. Чернов. Въглеродът образува интерстициални твърди разтвори с желязо, в които С атоми с малък атомен радиус (0,77 Å) са разположени в междинните пространства на металната кристална решетка, която се състои от по-големи атоми (Fe атомен радиус 1,26 Å). Твърдият разтвор на въглерод в γ-Fe се нарича аустенит, а в α-Fe се нарича ферит. Наситен твърд разтвор на въглерод в γ-Fe съдържа 2,0% C по маса при 1130 °C; α-Fe разтваря само 0,02-0,04% C при 723 °C и по-малко от 0,01% при стайна температура. Следователно, когато аустенитът се охлажда, се образува мартензит - пренаситен твърд разтвор на въглерод в α-Fe, който е много твърд и чуплив. Комбинацията от закаляване с темпериране (нагряване до относително ниски температури за намаляване на вътрешните напрежения) позволява да се даде на стоманата необходимата комбинация от твърдост и пластичност.

Физическите свойства на желязото зависят от неговата чистота. В индустриалните железни материали желязото обикновено се придружава от примеси от въглерод, азот, кислород, водород, сяра и фосфор. Дори при много ниски концентрации, тези примеси значително променят свойствата на метала. И така, сярата причинява така наречената червена крехкост, фосфор (дори 10 -2% P) - студена крехкост; въглеродът и азотът намаляват пластичността, а водородът повишава крехкостта на желязото (т.нар. водородна крехкост). Намаляването на съдържанието на примеси до 10 -7 - 10 -9% води до значителни промени в свойствата на метала, по-специално до увеличаване на пластичността.

Следните са физичните свойства на желязото, отнасящи се главно за метал с общо съдържание на примеси по-малко от 0,01% от масата:

Атомен радиус 1,26Å

Йонни радиуси Fe 2+ 0.80Å, Fe 3+ 0.67Å

Плътност (20°C) 7,874 g/cm3

t бала около 3200°С

Температурен коефициент на линейно разширение (20°C) 11,7 10 -6

Топлопроводимост (25°C) 74,04 W/(m K)

Топлинният капацитет на желязото зависи от неговата структура и се променя по сложен начин с температурата; среден специфичен топлинен капацитет (0-1000°C) 640,57 j/(kg K) .

Електрическо съпротивление (20°C) 9,7 10 -8 ohm m

Температурен коефициент на електрическо съпротивление (0-100°C) 6.51 10 -3

Модул на Юнг 190-210 10 3 MN / m 2 (19-21 10 3 kgf / mm 2)

Температурен коефициент на модула на Юнг 4 10 -6

Модул на срязване 84,0 10 3 MN/m 2

Краткотрайна якост на опън 170-210 MN/m2

Относително удължение 45-55%

Твърдост по Бринел 350-450 MN/m2

Граница на провлачване 100 MN/m2

Якост на удар 300 MN/m2

Химични свойства на желязото.Конфигурацията на външната електронна обвивка на атома е 3d 6 4s 2 . Желязото проявява променлива валентност (най-стабилните съединения са 2- и 3-валентното желязо). С кислорода желязото образува оксид (II) FeO, оксид (III) Fe 2 O 3 и оксид (II,III) Fe 3 O 4 (съединение на FeO с Fe 2 O 3 със структура на шпинел). Във влажен въздух при обикновени температури желязото се покрива с хлабава ръжда (Fe 2 O 3 nH 2 O). Поради своята порьозност ръждата не пречи на достъпа на кислород и влага до метала и следователно не го предпазва от по-нататъшно окисление. В резултат на различни видове корозия всяка година се губят милиони тонове желязо. Когато желязото се нагрява в сух въздух над 200 °C, то се покрива с много тънък оксиден филм, който предпазва метала от корозия при обикновени температури; това е в основата на техническия метод за защита на желязото - синене. При нагряване във водна пара желязото се окислява до Fe 3 O 4 (под 570 °C) или FeO (над 570 °C) и освобождава водород.

Хидроксидът Fe (OH) 2 се образува като бяла утайка при действието на разяждащи алкали или амоняк върху водни разтвори на Fe 2+ соли в атмосфера на водород или азот. При контакт с въздух Fe(OH) 2 първо става зелен, след това става черен и накрая бързо се превръща в червено-кафяв Fe(OH) 3 хидроксид. FeO оксидът проявява основни свойства. Оксидът Fe 2 O 3 е амфотерен и има слабо киселинна функция; реагирайки с по-основни оксиди (например с MgO, той образува ферити - съединения от типа Fe 2 O 3 nMeO, които имат феромагнитни свойства и се използват широко в радиоелектрониката. Киселинните свойства също са изразени в 6-валентното желязо, което съществува под формата на ферати, например K 2 FeO 4 , соли на желязна киселина, които не са изолирани в свободно състояние.

Желязото лесно реагира с халогени и халогеноводороди, давайки соли, като хлориди FeCl 2 и FeCl 3 . Когато желязото се нагрява със сяра, се образуват FeS и FeS 2 сулфиди. Железни карбиди - Fe 3 C (цементит) и Fe 2 C (е-карбид) - се утаяват от твърди разтвори на въглерод в желязото при охлаждане. Fe 3 C също се освобождава от разтвори на въглерод в течно желязо при високи концентрации на C. Азотът, подобно на въглерода, дава интерстициални твърди разтвори с желязо; от тях се изолират нитриди Fe 4 N и Fe 2 N. С водород желязото дава само слабо стабилни хидриди, чийто състав не е точно определен. При нагряване желязото реагира енергично със силиций и фосфор, за да образува силициди (напр. Fe 3 Si и фосфиди (напр. Fe 3 P).

Съединенията на желязото с много елементи (O, S и други), които образуват кристална структура, имат променлив състав (например съдържанието на сяра в моносулфида може да варира от 50 до 53,3 at.%). Това се дължи на дефекти в кристалната структура. Например, в железен оксид (II), някои от Fe 2+ йони в местата на решетката са заменени с Fe 3+ йони; за да се поддържа електрическа неутралност, някои места на решетката, принадлежащи на Fe 2+ йони, остават празни.

Нормалният електроден потенциал на желязото във водни разтвори на неговите соли за реакцията Fe = Fe 2+ + 2e е -0,44 V, а за реакцията Fe = Fe 3+ + 3e е -0,036 V. Така в поредицата от дейности желязото е отляво на водорода. Лесно се разтваря в разредени киселини с освобождаване на H 2 и образуване на Fe 2+ йони. Взаимодействието на желязото с азотната киселина е странно. Концентрираната HNO 3 (плътност 1,45 g/cm 3) пасивира желязото поради образуването на защитен оксиден филм върху повърхността му; по-разреденият HNO 3 разтваря желязото с образуването на Fe 2+ или Fe 3+ йони, като се редуцира до NH 3 или N 2 и N 2 O. Разтворите на соли на 2-валентно желязо във въздуха са нестабилни - Fe 2+ постепенно се окислява до Fe 3+. Водните разтвори на железни соли са киселинни поради хидролиза. Добавянето на тиоцианатни йони SCN- към разтвори на Fe 3+ соли дава ярък кървавочервен цвят поради появата на Fe(SCN) 3, което позволява да се разкрие наличието на 1 част Fe 3+ в около 10 6 части вода. Желязото се характеризира с образуването на комплексни съединения.

Получаване на желязо.Чистото желязо се получава в относително малки количества чрез електролиза на водни разтвори на неговите соли или чрез редукция на неговите оксиди с водород. Производството на достатъчно чисто желязо постепенно се увеличава чрез директното му редуциране от рудни концентрати с водород, природен газ или въглища при относително ниски температури.

Използването на желязо.Желязото е най-важният метал на съвременните технологии. В чистата си форма, поради ниската си якост, желязото практически не се използва, въпреки че продуктите от стомана или чугун често се наричат ​​"желязо" в ежедневието. По-голямата част от желязото се използва под формата на сплави с много различни състави и свойства. Желязните сплави представляват приблизително 95% от всички метални продукти. Богатите на въглерод сплави (над 2% от теглото) - чугун, се топят в доменни пещи от богати на желязо руди. Стомана от различни степени (въглеродно съдържание по-малко от 2% от теглото) се топи от чугун в открити и електрически пещи и конвертори чрез окисляване (изгаряне) на излишния въглерод, отстраняване на вредни примеси (главно S, P, O) и добавяне легиращи елементи. Високолегираните стомани (с високо съдържание на никел, хром, волфрам и други елементи) се топят в електродъгови и индукционни пещи. За производството на стомани и железни сплави за особено важни цели се използват нови процеси като вакуумно и електрошлаково претопяване, плазмено и електронно-лъчево топене и др. Разработват се методи за топене на стомана в непрекъснато работещи агрегати, които осигуряват високо качество на метала и автоматизация на процеса.

На базата на желязото се създават материали, които могат да издържат на високи и ниски температури, вакуум и високо налягане, агресивни среди, високи променливи напрежения, ядрена радиация и др. Производството на желязо и неговите сплави непрекъснато нараства.

Желязото като художествен материал се използва от древни времена в Египет, Месопотамия и Индия. От Средновековието в европейските страни (Англия, Франция, Италия, Русия и др.) са запазени многобройни високохудожествени изделия от желязо - ковани огради, панти за врати, стенни конзоли, ветропоказатели, сандъци, светлини. Кованите продукти от пръти и продукти от перфорирана ламарина (често с облицовка от слюда) се отличават с равнинни форми, ясен линейно-графичен силует и са ефективно видими на фона на светъл въздух. През 20 век желязото се използва за производството на решетки, огради, ажурни вътрешни прегради, свещници и паметници.

Желязото в организма.Желязото присъства в организмите на всички животни и в растенията (около 0,02% средно); необходим е главно за обмен на кислород и окислителни процеси. Има организми (т.нар. концентратори), способни да го натрупват в големи количества (например железни бактерии - до 17-20% желязо). Почти цялото желязо в животинските и растителни организми е свързано с протеини. Недостигът на желязо причинява забавяне на растежа и хлороза на растенията, свързана с намалено производство на хлорофил. Излишъкът от желязо също има вредно въздействие върху развитието на растенията, причинявайки например стерилност на оризовите цветя и хлороза. В алкални почви се образуват железни съединения, които са недостъпни за корените на растенията и растенията не го получават в достатъчни количества; в кисели почви желязото преминава в разтворими съединения в излишък. При дефицит или излишък на усвоими железни съединения в почвите могат да се наблюдават болести по растенията на големи площи.

Желязото навлиза в тялото на животните и хората с храната (черен дроб, месо, яйца, бобови растения, хляб, зърнени храни, спанак и цвекло са най-богати на желязо). Обикновено с храната човек получава 60-110 mg желязо, което значително надвишава дневната му нужда. Усвояването на желязото, прието с храната, става в горната част на тънките черва, откъдето то навлиза в кръвта в свързана с протеини форма и се пренася с кръвта до различни органи и тъкани, където се отлага под формата на желязо-протеинов комплекс - феритин. Основното депо на желязо в организма е черният дроб и далакът. Благодарение на феритина се синтезират всички съдържащи желязо съединения на тялото: респираторният пигмент хемоглобин се синтезира в костния мозък, миоглобинът се синтезира в мускулите, а цитохромите и други желязосъдържащи ензими се синтезират в различни тъкани. Желязото се екскретира от тялото главно през стената на дебелото черво (при хората около 6-10 mg на ден) и в малка степен чрез бъбреците. Нуждата на организма от желязо варира в зависимост от възрастта и физическото състояние. За 1 kg тегло децата се нуждаят от - 0,6, възрастните - 0,1 и бременните жени - 0,3 mg желязо на ден. При животните потребността от желязо е приблизително (на 1 kg сухо вещество от диетата): за млечни крави - най-малко 50 mg, за млади животни - 30-50 mg; за прасенца - до 200 mg, за бременни прасета - 60 mg.

Бражникова Алла Михайловна,

ГБОУ средно училище №332

Невски район на Санкт Петербург

Това ръководство разглежда въпроси по темата "Химия на желязото". В допълнение към традиционните теоретични въпроси се разглеждат въпроси, които надхвърлят основното ниво. Съдържа въпроси за самоконтрол, които дават възможност на студентите да проверят степента на усвояване на съответния учебен материал при подготовка за изпита.

ГЛАВА 1. ЖЕЛЯЗОТО Е ПРОСТО ВЕЩЕСТВО.

Структурата на атома на желязото .

Желязото е d-елемент, разположен в странична подгрупа на VIII група на периодичната система. Най-често срещаният метал в природата следалуминий. Той е част от много минерали: кафява желязна руда (хематит) Fe 2 O 3, магнитна желязна руда (магнетит) Fe 3 O 4, пирит FeS 2.

Електронна структура : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Валентност : II, III, (IV).

Степени на окисление: 0, +2, +3, +6 (само във ферати K 2 FeO 4).

физични свойства.

Желязото е лъскав, сребристо-бял метал, т.т. - 1539 0 С.

Касова бележка.

Чистото желязо може да се получи чрез редуциране на оксиди с водород при нагряване, както и чрез електролиза на разтвори на неговите соли. Домейнен процес - получаване на желязо под формата на сплави с въглерод (чугун и стомана):

1) 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO → 3FeO + CO 2

3) FeO + CO → Fe + CO 2

Химични свойства.

I. Взаимодействие с прости вещества – неметали

1) С хлор и сяра (при нагряване). С по-силен окислител хлорът окислява желязото до Fe 3+, с по-слаб - сярата - до Fe 2+:

2Fe 2 + 3Cl → 2FeCl 3

2) С въглища, силиций и фосфор (при висока температура).

3) В сух въздух се окислява от кислород, образувайки скала - смес от железни (II) и (III) оксиди:

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3)

II. Взаимодействие със сложни вещества.

1) Корозията (ръждясването) на желязото протича във влажен въздух:

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

При висока температура (700 - 900 0 C) при липса на кислород желязото реагира с водна пара, измествайки водорода от него:

3Fe+ 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2

2) Измества водорода от разредена солна и сярна киселина:

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 (разб.) \u003d FeSO 4 + H 2

Силно концентрираните сярна и азотна киселина не реагират с желязото при обикновени температури поради пасивирането му.

С разредена азотна киселина желязото се окислява до Fe 3+, продуктите на редукция на HNO 3 зависят от неговата концентрация и температура:

8Fe + 30HNO 3 (много добре разлагане) → 8Fe(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O

Fe + 4HNO 3 (разл.) → Fe (NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Fe + 6HNO 3 (конц.) → (температура) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

3) Реакция с разтвори на метални соли вдясно от желязото в електрохимичната серия от метални напрежения:

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

ГЛАВА2. СЪЕДИНЕНИЯ НА ЖЕЛЯЗОТО(II).

Железен оксид(II) .

FeO оксидът е черен прах, неразтворим във вода.

Касова бележка.

Възстановяване от железен оксид (III) при 500 0 C чрез действието на въглероден оксид (II):

Fe 2 O 3 + CO → 2FeO + CO 2

Химични свойства.

Основният оксид, съответства на Fe (OH) 2 хидроксид: разтваря се в киселини, образувайки железни (II) соли:

FeO+ 2HCl → FeCl 2 + H 2 O

Железен хидроксид (II).

Железният хидроксид Fe(OH) 2 е неразтворима във вода основа.

Касова бележка.

Действието на алкали върху железни соли () без достъп на въздух:

FeSO 4 + NaOH → Fe(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4

Химични свойства.

Хидроксидът Fe (OH) 2 проявява основни свойства, разтваря се добре в минерални киселини, образувайки соли.

Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 → FeSO 4 + 2H 2 O

При нагряване се разлага:

Fe(OH) 2 → (температура) FeO+ H 2 O

редокс свойства.

Съединенията на желязото (II) проявяват достатъчно силни редуциращи свойства, те са стабилни само в инертна атмосфера; на въздух (бавно) или във воден разтвор под действието на окислители (бързо) преминават в съединения на желязо (III):

4 Fe(OH) 2 (утайка) + O 2 + 2H 2 O→ 4 Fe(OH) 3 ↓

2FeCl 2 + Cl 2 → 2FeCl 3

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 → 5 Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O

Съединенията на желязото (II) могат също да действат като окислители:

FeO+ CO→ (температура) Fe+ CO

ГЛАВА 3. СЪЕДИНЕНИЯ НА ЖЕЛЕЗОТО (III).

Железен оксид(III)

Fe 2 O 3 оксидът е най-стабилното естествено кислородсъдържащо желязно съединение. Това е амфотерен оксид, неразтворим във вода. Образува се по време на изпичането на пирит FeS 2 (виж 20.4 "Получаване на SO 2".

Химични свойства.

1) Разтваряйки се в киселини, образува железни (III) соли:

Fe 2 O 3 + 6HCl → 2FeCl 3 + 3H 2 O

2) Когато се слее с калиев карбонат, той образува калиев ферит:

Fe 2 O 3 + K 2 CO 3 → (температура) 2KFeO 2 + CO 2

3) Под действието на редуциращи агенти действа като окислител:

Fe 2 O 3 + 3H 2 → (температура) 2Fe + 3H 2 O

Железен хидроксид (III)

Железният хидроксид Fe (OH) 3 е червено-кафяво вещество, неразтворимо във вода.

Касова бележка.

Fe 2 (SO 4) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

Химични свойства.

Fe (OH) 3 хидроксидът е по-слаба основа от железния (II) хидроксид, има слабо изразена амфотерност.

1) Разтворим в слаби киселини:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

2) При варене в 50% разтвор на NaOH се образува

Fe(OH) 3 + 3NaOH → Na 3

Железни соли (III).

Подлежи на силна хидролиза във воден разтвор:

Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe (OH) 2+ + H +

Fe 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O ↔ Fe (OH) SO 4 + H 2 SO 4

Под действието на силни редуциращи агенти във воден разтвор те проявяват окислителни свойства, превръщайки се в железни (II) соли:

2FeCl 3 + 2KI → 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl

Fe 2 (SO 4) 3 + Fe → 3 Fe

ГЛАВА4. КАЧЕСТВЕНИ РЕАКЦИИ.

Качествени реакции на Fe 2+ и Fe 3+ йони.

1. Реагентът за Fe 2+ йона е калиев хексацианоферат (III) (червена кръвна сол), който дава със себе си интензивно синя утайка от смесена сол - калиево-железен (II) хексацианоферат (III) или търнбул синьо:

FeCl 2 + K 3 → KFe 2+ ↓ + 2KCl

1. Реагентът за Fe 3+ йона е тиоцианатният йон (тиоцианатен йон) CNS - при взаимодействие с железни (III) соли се образува кървавочервено вещество - железен (III) тиоцианат:

FeCl 3 + 3KCNS → Fe(CNS) 3 + 3KCl

3) Fe 3+ йони могат също да бъдат открити с помощта на калиев хексацианоферат (II) (жълта кръвна сол). В този случай се образува водонеразтворимо вещество с интензивен син цвят - калиево-железен (III) хексацианоферат (II) или пруско синьо:

FeCl 3 + K 4 → KFe 3+ ↓ + 3KCl

ГЛАВА 5. МЕДИЦИНСКО И БИОЛОГИЧНО ЗНАЧЕНИЕ НА ЖЕЛЯЗОТО.

Ролята на желязото в организма.

Желязоучаства в образуването на хемоглобин в кръвта, в синтеза на хормоните на щитовидната жлеза, в защитата на организма от бактерии. Необходим е за образуването на имунни защитни клетки, необходим е за "работата" на витамините от група В.

Желязое част от повече от 70 различни ензими, включително дихателни, които осигуряват процесите на дишане в клетките и тъканите и участват в неутрализирането на чужди вещества, влизащи в човешкото тяло.

Хематопоеза. Хемоглобин.

Газообмен в белите дробове и тъканите.

Желязодефицитна анемия.

Недостигът на желязо в организма води до заболявания като анемия, анемия.

Желязодефицитната анемия (IDA) е хематологичен синдром, характеризиращ се с нарушен синтез на хемоглобин поради дефицит на желязо и проявяващ се с анемия и сидеропения. Основните причини за IDA са загубата на кръв и липсата на богата на хем храна и напитки.

Пациентът може да бъде обезпокоен от умора, задух и сърцебиене, особено след физическо натоварване, често - замайване и главоболие, шум в ушите, дори е възможно припадък. Човек става раздразнителен, сънят е нарушен, концентрацията на внимание намалява. Тъй като притока на кръв към кожата е намален, може да се развие повишена чувствителност към студ. Има и симптоми от стомашно-чревния тракт - рязко намаляване на апетита, диспептични разстройства (гадене, промени в характера и честотата на изпражненията).

Желязото е неразделна част от жизненоважни биологични комплекси, като хемоглобин (пренос на кислород и въглероден диоксид), миоглобин (съхранение на кислород в мускулите), цитохроми (ензими). Тялото на възрастен човек съдържа 4-5 g желязо.

СПИСЪК НА ИЗПОЛЗВАНАТА ЛИТЕРАТУРА:

1. К.Н. Зеленин, В.П. Сергутин, О.В. Malt "Ние издържаме изпита по химия перфектно." Elbl-SPb LLC, 2001 г.
2. K.A. Макаров "Медицинска химия". Издателство на Санкт Петербургския държавен медицински университет в Санкт Петербург, 1996 г.
3. Н.Л. Глинка обща химия. Ленинград "Химия", 1985 г.
4. В.Н. Доронкин, А.Г. Бережная, Т.В. Сажнев, В.А. Февралева „Химия. Тематични тестове за подготовка за изпит. Издателство "Легион", Ростов на Дон, 2012 г.

Той е известен на хората от древността: учените приписват древни битови предмети, изработени от този материал, към 4-то хилядолетие пр.н.е.

Човешкият живот не може да се представи без желязо. Смята се, че желязото се използва за промишлени цели по-често от другите метали. Най-важните структури са направени от него. Желязото също се намира в малки количества в кръвта. Именно съдържанието на двадесет и шестия елемент оцветява кръвта в червено.

Физични свойства на желязото

В кислорода желязото изгаря, за да образува оксид:

3Fe + 2O₂ = Fe3O₄.

При нагряване желязото може да реагира с неметали:

Също така, при температура от 700-900 ° C, той реагира с водна пара:

3Fe + 4H₂O = Fe3O₄ + 4H₂.

Железни съединения

Както знаете, железните оксиди имат йони с две степени на окисление: +2 и + 3. Изключително важно е да знаете това, тъй като за различните елементи ще се извършват напълно различни качествени реакции.

Качествени реакции към желязото

Необходима е качествена реакция, за да се определи лесно наличието на йони на едно вещество в разтвори или примеси на друго. Помислете за качествените реакции на двувалентно и тривалентно желязо.

Качествени реакции за желязо (III)

Съдържанието на железни йони в разтвор може да се определи с помощта на алкали. При положителен резултат се образува основа - железен (III) хидроксид Fe (OH) ₃.

Железен(III) хидроксид Fe(OH)3

Полученото вещество е неразтворимо във вода и има кафяв цвят. Това е кафявата утайка, която може да показва наличието на железни йони в разтвора:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓+ 3NaCl.

Fe(III) йони могат също да се определят с помощта на K3.

Разтвор на железен хлорид се смесва с жълтеникав разтвор на кръвна сол. В резултат на това можете да видите красива синкава утайка, което ще покаже, че в разтвора присъстват железни йони. ще намерите грандиозни експерименти за изследване на свойствата на желязото.

Качествени реакции за желязо (II)

Fe²⁺ йони реагират с червената кръвна сол K₄. Ако при добавяне на солта се образува синкава утайка, тогава тези йони присъстват в разтвора.