Химическое и физические свойства железа

Железо

Чистое железо (99,97%), очищенное методом электролиза

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. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

  1. Структура
  2. Свойства
  3. Запасы и добыча
  4. Происхождение
  5. Применение
  6. Классификация
  7. Физические свойства
  8. Оптические свойства
  9. Кристаллографические свойства

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Две модификации кристаллической решетки железа

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

  1. В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
  2. В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
  3. В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.
В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.
При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

СВОЙСТВА

В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, — единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %.

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде — 1·10 −5 -1·10 −8 %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовыхлавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe1-xS) и когенит (Fe3C), что объясняют как восстановление углеродом (в том числе и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)n. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.
Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

ПРИМЕНЕНИЕ

Кольцо из железа

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Читайте также  Какие бывают сословия

Химические и физические свойства железа, применение

Одним из наиболее распространенных металлов в земной коре после алюминия считается железо. Физические и химические свойства его таковы, что оно обладает отличной электропроводностью, теплопроводностью и ковкостью, имеет серебристо-белый цвет и высокую химическую реакционную способность быстро коррозировать при высокой влажности воздуха или больших температурах. Находясь в мелкодисперсном состоянии, оно в чистом кислороде горит и самовоспламеняется на воздухе.

Начало истории железа

В третьем тысячелетии до н. э. люди стали добывать и научились обрабатывать бронзу и медь. Широкого применения из-за дороговизны они не получили. Продолжались поиски нового металла. История железа началась в первом веке до н. э. В природе его можно встретить только в виде соединений с кислородом. Для получения чистого металла необходимо отделить последний элемент. Расплавить железо долго не удавалось, так как его надо было нагреть до 1539 градусов. И только с появлением сыродутных печей в первом тысячелетии до новой эры стали получать этот металл. На первых порах он был хрупким, содержал много шлаков.

Железо в природе

Одного алюминия в литосфере содержится больше, чем железа. В природе его можно встретить только в виде соединений. Трехвалентное железо, вступая в реакцию, окрашивает почву в бурый цвет и придает песку желтоватый оттенок. Оксиды и сульфиды железа разбросаны в земной коре, иногда наблюдаются скопления минералов, из которых впоследствии и добывают металл. Содержание двухвалентного железа в некоторых минеральных источниках придает воде особый привкус.

Какими физическими свойствами железо обладает?

Это пластичный серебристо-белого цвета металл с сероватым оттенком, имеющий металлический блеск. Он является хорошим проводником электрического тока и теплоты. Благодаря пластичности он прекрасно поддается ковке и прокатке. Железо не растворяется в воде, но разжижается в ртути, плавится при температуре 1539 и кипит при 2862 градусов по Цельсию, имеет плотность 7,9 г/см³. Особенностью физических свойств железа является то, что металл притягивается магнитом и после аннулирования внешнего магнитного поля хранит намагниченность. Используя эти свойства его можно применять для изготовления магнитов.

Химические свойства

Железо обладает следующими свойствами:

  • на воздухе и в воде легко окисляется, покрываясь ржавчиной;
  • в кислороде накаленная проволока горит (при этом образуется окалина в виде оксида железа);
  • при температуре 700–900 градусов по Цельсию вступает в реакцию с парами воды;
  • при нагревании реагирует с неметаллами (хлором, серой, бромом);
  • вступает в реакции с разбавленными кислотами, в результате получаются соли железа и водород;
  • не растворяется в щелочах;
  • способно вытеснить металлы из растворов их солей (железный гвоздь, в растворе медного купороса, покрывается красным налетом, — это выделяется медь);
  • в концентрированных щелочах при кипячении проявляется амфотерность железа.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнитность. На практике с магнитными свойствами этого материала приходится встречаться часто. Это — единственный металл, который обладает такой редкостной чертой.

Запасы и добыча

Одним из самых распространенных элементов на земле является железо. По содержанию в земной коре занимает четвертое место. Известно множество руд, которые содержат его, например, магнитный и бурый железняк. Металл в промышленности получают в основном из руд гематита и магнетита при помощи доменного процесса. Вначале происходит его восстановление углеродом в печи при высокой температуре 2000 градусов по Цельсию.

Преимущества железа

Основные физические свойства вещества железа дают ему и сплавам следующие преимущества перед другими металлами:

  • Обладают твердостью и прочностью, сохраняя упругость. У разных сплавов эти качества неодинаковы и зависят от легирующих добавок, способов производства и термообработки.
  • Большое разнообразие чугуна и сталей позволяют использовать их для любых нужд в народном хозяйстве.
  • Высокие магнитные свойства металла незаменимы для изготовления магнитопроводов.

Недостатки

Кроме большого числа положительных качеств, есть и ряд отрицательных свойств металла:

  • Изделия подвержены коррозии. Для устранения этого нежелательного эффекта с помощью легирования получают нержавеющие стали, а в остальных случаях делают специальную антикоррозийную обработку конструкций и деталей.
  • Железо накапливает статическое электричество, поэтому изделия, содержащие его, подвергаются электрохимической коррозии и также требуют дополнительной обработки.
  • Удельный вес металла составляет 7,13 г/см³. Это физическое свойство железа придает конструкциям и деталям повышенный вес.

Состав и структура

У железа по кристаллическому признаку есть четыре модификации, которые отличаются структурой и параметрами решетки. Для выплавки сплавов именно наличие фазовых переходов и легирующих добавок имеет существенное значение. Различают следующие состояния:

  • Альфа-фаза. Она сохраняется до 769 градусов по Цельсию. В этом состоянии железо сохраняет свойства ферромагнетика и обладает объемно-центрированной решеткой кубического типа.
  • Бета-фаза. Существует при температуре от 769 до 917 градусов по Цельсию. Имеет немного другие параметры решетки, чем в первом случае. Все физические свойства железа остаются прежними за исключением магнитных, их оно утрачивает.
  • Гамма-фаза. Строение решетки становится гранецентрированным. Такая фаза проявляется в диапазоне 917–1394 градусов Цельсия.
  • Омега-фаза. Такое состояние металла появляется при температуре выше 1394 градусов Цельсия. От прежней отличается только параметрами решетки.

Применение

Люди начали использовать сначала метеоритное железо, которое ценили выше золота. С тех пор область применения этого металла только расширялась. Ниже представлено применение железа, на основе его физических свойств:

  • ферромагнитные оксиды используют для производства магнитных материалов: промышленных установок, холодильников, сувениров;
  • оксиды железа применяют как минеральные краски;
  • хлорид железа незаменим в радиолюбительской практике;
  • сульфаты железа используют в текстильной промышленности;
  • магнитная окись железа – один из важных материалов для производства устройств долговременной компьютерной памяти;
  • ультрадисперсный порошок железа находит применение в черно-белых лазерных принтерах;
  • прочность металла позволяет изготовлять оружие и броню;
  • износостойкий чугун можно использовать для производства тормозов, дисков сцепления, а также деталей для насосов;
  • жаростойкий – для доменных, термических, мартеновских печей;
  • жаропрочный – для компрессорного оборудования, дизельных двигателей;
  • высококачественная сталь используется для газопроводов, корпуса отопительных котлов, сушилок, стиральных и посудомоечных машин.

Заключение

Под железом часто подразумевают не сам метал, а его сплав — низкоуглеродистую электротехническую сталь. Получение чистого железа довольно сложный процесс, и поэтому его используют только для производства магнитных материалов. Как уже отмечалось, что исключительное физическое свойство простого вещества железа – это ферромагнетизм, т. е. способность намагничиваться в присутствии магнитного поля.

Железо (Fe)

Соединения железа:

Железо является самым распространенным металлом в земной коре (5,1% по массе) после алюминия.

На Земле железо в свободном состоянии встречается в незначительных количествах в виде самородков, а также в упавших метеоритах.

Промышленным способом железо добывают на железнорудных месторождениях, из железосодержащих минералов: магнитного, красного, бурого железняка.

Следует сказать, что железо входит в состав многих природных минералов, обуславливая их природную окраску. Окраска минералов зависит зависит от концентрации и соотношения ионов железа Fe 2+ /Fe 3+ , а также от атомов, окружающих эти ионы. Например, присутствие примесей ионов железа влияет на окраску многих драгоценных и полудрагоценных камней: топазов (от бледно-желтого до красного), сапфиров (от голубого до темно-синего), аквамаринов (от светло-голубого до зеленовато-голубого) и проч.

Железо содержится в тканях животных и растений, например, в организме взрослого человека присутствует около 5 г железа. Железо является жизненно важным элементом, оно входит в состав белка гемоглобина, участвуя в транспортировке кислорода от легких к тканям и клеткам. При недостатке железа в организме человека развивается малокровие (железодефицитная анемия).


Рис. Строение атома железа.

Электронная конфигурация атома железа — 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 6 электронов 3d-подуровня (всего 8 электронов), поэтому в соединениях железо может принимать степени окисления +8, +6, +4, +3, +2, +1, (наиболее часто встречаются +3, +2). Железо обладает средней химической активностью.


Рис. Степени окисления железа: +2, +3.

Физические свойства железа:

  • металл серебристо-белого цвета;
  • в чистом виде достаточно мягкий и пластичный;
  • хобладает хорошей тепло- и электропроводимостью.

Железо существует в виде четырех модификаций (различаются строением кристаллической решетки): α-железо; β-железо; γ-железо; δ-железо.

Химические свойства железа

  • реагирует с кислородом, в зависимости от температуры и концентрации кислорода могут образовываться различные продукты или смесь продуктов окисления железа (FeO, Fe2O3, Fe3O4):
    3Fe + 2O2 = Fe3O4;
  • окисление железа при низких температурах:
    4Fe + 3O2 = 2Fe2O3;
  • реагирует с водяным паром:
    3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2;
  • мелко раздробленное железо реагирует при нагревании с серой и хлором (сульфид и хлорид железа):
    Fe + S = FeS; 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3;
  • при высоких температурах реагирует с кремнием, углеродом, фосфором:
    3Fe + C = Fe3C;
  • с другими металлами и с неметаллами железо может образовывать сплавы;
  • железо вытесняет менее активные металлы из их солей:
    Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu;
  • с разбавленными кислотами железо выступает в роли восстановителя, образуя соли:
    Fe + 2HCl = FeCl2 + H2;
  • с разбавленной азотной кислотой железо образует различные продукты восстановления кислоты, в зависимости от ее концентрации (N2, N2O, NO2).

Получение и применение железа

Промышленное железо получают выплавкой чугуна и стали.

Чугун — это сплав железа с примесями кремния, марганца, серы, фосфора, углерода. Содержание углерода в чугуне превышает 2% (в стали менее 2%).

Чистое железо получают:

  • в кислородных конверторах из чугуна;
  • восстановлением оксидов железа водородом и двухвалентным оксидом углерода;
  • электролизом соответствующих солей.

Чугун получают из железных руд восстановлением оксидов железа. Выплавку чугуна осуществляют в доменных печах. В качестве источника тепла в доменной печи используется кокс.

Доменная печь является очень сложным техническим сооружением высотой в несколько десятков метров. Она выкладывается из огнеупорного кирпича и защищается внешним стальным кожухом. По состоянию на 2013 год самая крупная доменная печь была построена в Южной Корее сталелитейной компанией POSCO на металлургическом заводе в городе Кванъян (объем печи после модернизации составил 6000 кубометров при ежегодной производительности 5 700 000 тонн).


Рис. Доменная печь.

Процесс выплавки чугуна в доменной печи идет непрерывно в течение нескольких десятилетий, пока печь не выработает свой ресурс.


Рис. Процесс выплавки чугуна в доменной печи.

  • обогащенные руды (магнитный, красный, бурый железняк) и кокс засыпаются через колошник, расположенный в самом верху доменной печи;
  • процессы восстановления железа из руды под действием оксида углерода (II) протекают в средней части доменной печи (шахте) при температуре 450-1100°C (оксиды железа восстанавливаются до металла):
    • 450-500°C — 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;
    • 600°C — Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
    • 800°C — FeO + CO = Fe + CO2;
    • часть двухвалентного оксида железа восстанавливается коксом: FeO + C = Fe + CO.
  • параллельно идет процесс восстановления оксидов кремния и марганца (входят в железную руду в виде примесей), кремний и марганец входят в состав выплавляющегося чугуна:
    • SiO2 + 2C = Si + 2CO;
    • Mn2O3 + 3C = 2Mn + 3CO.
  • при термическом разложении известняка (вносится в доменную печь) образуется оксид кальция, который реагирует с оксидами кремния и алюминия, содержащихся в руде:
    • CaCO3 = CaO + CO2;
    • CaO + SiO2 = CaSiO3;
    • CaO + Al2O3 = Ca(AlO2)2.
  • при 1100°C процесс восстановления железа прекращается;
  • ниже шахты располагается распар, самая широкая часть доменной печи, ниже которой следует заплечник, в котором выгорает кокс и образуются жидкие продукты плавки — чугун и шлаки, накапливающиеся в самом низу печи — горне;
  • в верхней части горна при температуре 1500°C в струе вдуваемого воздуха происходит интенсивное сгорание кокса: C + O2 = CO2;
  • проходя через раскаленный кокс, оксид углерода (IV) превращается в оксид углерода (II), являющийся восстановителем железа (см. выше): CO2 + C = 2CO;
  • шлаки, образованные силикатами и алюмосиликатами кальция, располагаются выше чугуна, защищая его от действия кислорода;
  • через специальные отверстия, расположенные на разных уровнях горна, чугун и шлаки выпускаются наружу;
  • бОльшая часть чугуна идет на дальнейшую переработку — выплавку стали.

Сталь выплавляют из чугуна и металлолома конверторным способом (мартеновский уже устарел, хотя еще и применяется) или электроплавкой (в электропечах, индукционных печах). Суть процесса (передела чугуна) заключается в понижении концентрации углерода и других примесей путем окисления кислородом.

Как уже было сказано выше, концентрация углерода в стали не превышает 2%. Благодаря этому, сталь в отличие от чугуна достаточно легко поддается ковке и прокатке, что позволяет изготавливать из нее разнообразные изделия, обладающие высокой твердостью и прочностью.

Твердость стали зависит от содержания углерода (чем больше углерода, тем тверже сталь) в конкретной марке стали и условий термообработки. При отпуске (медленном охлаждении) сталь становится мягкой; при закалке (быстром охлаждении) сталь получается очень твердой.

Для придания стали нужных специфических свойств в нее добавляют лигирующие добавки: хром, никель, кремний, молибден, ванадий, марганец и проч.

Чугун и сталь являются важнейшими конструкционными материалами в подавляющем большинстве отраслей народного хозяйства.

Биологическая роль железа:

  • в организме взрослого человека содержится около 5 г железа;
  • железо играет важную роль в работе кроветворных органов;
  • железо входит в состав многих сложных белковых комплексов (гемоглобина, миоглобина, различных ферментов).

Если вам понравился сайт, будем благодарны за его популяризацию :) Расскажите о нас друзьям на форуме, в блоге, сообществе. Это наша кнопочка:

Код кнопки:
Политика конфиденциальности Об авторе

№26 Железо

История открытия:

Железо известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Латинское ferrum, скорее всего, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего из финикийского.

Нахождение в природе и получение:

Железо — один из самых распространённых элементов на Земле и вообще в Солнечной системе. Металлическое железо в образует ядро Земли, где его содержание, по оценкам, около 90%. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, тем не менее и здесь из металлов железо уступает по распространённости только алюминию. Из минералов наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3), магнитный железняк (магнетит, Fe3O4), бурый железняк или лимонит (FeOOH и FeOOH·nH2O). Пирит FeS2 (серный или железный колчедан) используется в производстве серной кислоты.
Наиболее распространённым промышленным способом получения железа является доменный процесс, в основе которого восстановление оксидом углерода(II): Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
При этом получается железо, содержащее до 7% углерода и другие примеси — чугун. Чугун в дальнейшем перерабатывают в более чистое железо — сталь, удаляя примеси окислением в мартеновских печах или конвертерах. Сталь может быть легирована добавками других металлов, для повышения ее прочности, корозионной стойкости и т.п.
Используется также прямой способ получения железа, в котором железные окатыши при 1000 o С восстанавливают водородом, получаемым при конверсии метана: Fe2O3 + 3H2 = 2Fe + 3H2O↑

Физические свойства:

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, ковок, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Tпл=1812K, Tкип=3134K.

Химические свойства:

Железо относится к металлам средней активности, в ряду напряжений стоит до водорода и растворяется во многих кислотах, но концентрированной серной и азотной кислотами пассивируется и на холоду с ними не реагирует. Раскаленное железо реагирует с водяным паром: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑ (раньше так получали водород для наполнения аэростатов).
При нагревании железо реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др.
Наиболее характерными для железа являются степени окисления +2 и +3, известны также соединения, где железо имеет степень окисления +6.

Важнейшие соединения:

Степень окисления +2 — основный оксид FeO (чёрный), гидроксид Fe(OH)2 (зеленый). Соли железа(II) (бледно-зеленого цвета), образуют кристаллогидраты (напр. железный купорос, FeSO4*7H2O), легко окисляются кислородом до соединений железа(III).

Степень окисления +3 — наиболее устойчивая степень окисления железа, ей соответствуют: оксид Fe2O3 и гидроксид Fe(OH)3 (оба — коричневого цвета), соли железа(III) — (образуют кристаллогидраты, в растворах сильно гидролизованы). Т.к. оксид железа(III) проявляет слабые основные свойства, он частично растворим в конц. щелочах, а при сплавлении со щелочами образует соотв. соли — ферриты: Fe2O3 + 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O↑
При растворении ферриты нацело гидролизуются.
Смешаный оксид, Fe3O4 или FeO*Fe2O3, («железная окалина») можно рассматривать также как феррит железа(II): Fe(FeO2)2. При взаимодействии его с растворами кислот образуется смесь солей железа (II) и (III).

Для железа в степени окисления +2 и +3 характерно образование многочисленных комплексных соединений, например таких как гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] («желтая кровяная соль») и гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] («красная кровяная соль»). При взаимодействии ионов Fe 3+ и [Fe(CN)6] 4- выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата(II) калия-железа(III) (берлинская лазурь): FeCl3 + K4[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]↓ + 3KCl. Это качественная реакция для обнаружения ионов Fe 3+ . Аналогичная реакция используется для открытия ионов железа(II): FeCl2 + K3[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6]↓ + 2KCl; («турнбулева синь»).

Степень окисления +6 — Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H2FeO4. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Ферраты — сильные окислители. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)3 в щелочи: 2Fe(OH)3 + 3Cl2 + 10KOH = 2K2FeO4 + 6KCl + 8H2O

Применение

— Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
— Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
— Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Биологическая роль и физиологическое действие

Железо входит в состав гемоглобина крови, обеспечивая, за счет своих окислительно-восстановительных свойств, ее важнейшую функцию, транспорт кислорода в ткани организма. В крови взрослого человека содержится около 4 г железа, его недостаток приводит к заболеванию железодефицитной анемией. Восполнить недостаток железа можно за счет пищевых продуктов, содержащих железо в хорошо усвояемой форме (печень, мясо, бобовые) или медикаментов.

Избыточное накопление железа в организме оказывает токсическое действие. ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Аксенова Ирина, Пуртова Ксения, ТюмГУ, 502(1) группа, 2013 г.

Урок 28 Бесплатно Железо. Часть первая

Нахождение в природе. Физические свойства железа.

Железо – элемент восьмой группы периодической системы элементов.

Первооткрыватель железа неизвестен – все знают, что оно использовалось с древнейших времён для изготовления орудий труда.

Самые древние изделия из железа относят к IV веку до н. э.

Первые предметы из железа были украшениями, легко догадаться почему. Одно из названий железа на древнегреческом языке – «сидер» переводится как «звездный». Древние люди не умели получать железо из руд и довольствовались лишь метеоритным железом («даром богов»).

Железо – второй по распространённости металл после алюминия, хотя многие ученые предполагают, что земное ядро, составляющее 32 % массы всей планеты, состоит целиком из железа. В пользу этого говорит наличие у Земли магнитного поля, которое возникает из-за вращения железного ядра.

Да и вообще, по своему составу атом железа – уникален.

Все атомы с большим зарядом ядра, то есть элементы, расположенные в периодической системе после железа, менее устойчивы.

Поэтому ученые считают, что железо – наиболее тяжелый элемент, способный образовываться в звездах при термоядерном синтезе.

Именно поэтому ядро Земли и, скорее всего, большинства других планет состоит именно из железа. Как наиболее тяжелый из «звездных» элементов он собирается в центре планеты под действием её гравитационного поля, образуя ядро.

Но в литосфере железо встречается в основном только в виде соединений (не считая метеоритного).

Наиболее важными природными соединениями железа являются:

красный железняк (гематит) Fe2O3

магнитный железняк (магнетит) Fe3O4

серный колчедан (пирит) FeS2

В природных водах и водах некоторых минеральных источников содержатся гидрокарбонат железа Fe(HCO3)2 и некоторые другие его соли.

Соединения железа входят в состав живых организмов.

Железо можно получить восстановлением его из железных руд углеродом (коксом), угарным газом, водородом, алюминием, то есть пирометаллургическим способом.

В промышленности используют доменный процесс, в основе которого лежит реакция с углеродом.

Чистое железо – пластичный металл серебристо-белого цвета.

Он отлично прокатывается, из него можно изготовить листы тоньше папиросной бумаги.

Плотность железа 7,87 г/см 3 , температура плавления 1539 °С.

В отличие от многих других металлов, железо обладает магнитными свойствами.

Магнитные свойства железа связаны со строением атома, а именно распределением электронов по оболочкам.

В периодической системе железо находится в «триаде» элементов:

железо

кобальт

никель

Все три элемента обладают близкими физическими свойствами и строением атома.

Все они являются ферромагнитными, то есть длительное время способны сохранять намагниченность.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Химические свойства железа

Химические свойства любого элемента зависят, в первую очередь, от строения ядра, а точнее, от распределения электронов по электронным уровням.

Железо находится в побочной подгруппе VIII группы Периодической системы химических элементов.

Для таких атомов валентными являются и электроны внешнего слоя, и часть электронов предвнешнего уровня.

На предвнешнем уровне атома железа 14 электронов.

Схема строения атома железа такова:

В химических реакциях атомы железа кроме двух электронов внешнего слоя могут отдавать один электрон с предвнешнего слоя и переходить в степень окисления +3.

Кроме того, степень окисления +3 для железа наиболее устойчива.

При обычных условиях железо малоактивно (не взаимодействует даже с активными окислителями), но при нагревании, особенно в мелко раздробленном состоянии, оно становится активным и реагирует почти со всеми неметаллами.

Очень мелкий порошок железа называют «пирофорное железо», оно способно самовоспламеняться на воздухе.

При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной (смешанный) оксид железа (II, III) Fe3O4 (FeO x Fe2O3)

Активные неметаллы (фтор, хлор, бром) окисляют железо до устойчивой степени окисления +3, а менее активные – сера, йод – до степени окисления +2:

Железо находится в середине ряда активности металлов, поэтому оно относится к металлам средней активности.

С водой активно реагирует только раскалённое железо.

Железо реагирует с большинством кислот, в том числе с соляной, с разбавленными серной и азотной, вытесняя из них водород и окисляясь до степени окисления +2.

Но концентрированные азотная и серная кислоты при обычной температуре пассивируют железо: образуют на его поверхности плотную пленку, которая препятствует дальнейшей химической реакции.

Поэтому концентрированные азотную и серную кислоты спокойно перевозят в стальных цистернах.

Железо вытесняет (восстанавливает) металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов их солей. Например, медь:

Эту реакцию вы можете провести сами.

Растворите в воде немного медного купороса (можно купить в хозяйственном магазине или в магазине, где продаётся всё для сада и огорода) и опустите в этот раствор железный гвоздь.

Медь будет покрывать гвоздь прямо на глазах – реакция идет довольно быстро.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: