§ 49. Железо и его соединения

Железо как химический элемент

Железо — элемент, расположенный в 4-м периоде, VIIIB-группе периодической системы. Электронная схема, формула электронной конфигурации и электронно-графическая схема его атома имеют вид:

или ₂₆Fe 2е^–, 8е^–, 14е^–, 2е^–;

₂₆Fe 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d64s² или ₂₆Fe [Ar]3d⁶4s²;

₂₆Fe

Железо относится к d-элементам. Наиболее устойчивыми степенями окисления атомов железа являются +2 и +3.

Железо — второй по распространённости после алюминия металл в земной коре (массовая доля — около 5 %). В неокисленном состоянии железо изредка встречается в метеоритах в составе сплава с кобальтом и никелем. В природе железо находится в виде соединений. Наиболее распространёнными минералами, включающими железо, являются Fe₂O₃ (гематит), Fe₃O₄ (магнетит), FeO(OH) (гётит), FeS₂ (пирит), FeCO₃ (сидерит).

В Республике Беларусь открыто два месторождения железных руд — Новосёлковское (Кореличский район Гродненской области) и Околовское (Столбцовский район Минской области). Они рассматриваются в качестве возможной сырьевой базы для металлургической промышленности нашей страны. Главный рудный минерал этих месторождений — магнетит.

Железо как простое вещество

Физические свойства. Железо представляет собой светлый серебристо-белый металл с плотностью 7,87 г/см³ и температурой плавления 1538 °С. Металл пластичен, относительно мягок: его относительная твёрдость по шкале Мооса равна 4 (Приложение 2).

При красном калении (выше 600 °С) железо размягчается и хорошо поддаётся сварке, ковке и прокатке. Отличительной особенностью железа являются его ярко выраженные магнитные свойства — ферромагнетизм.

Магнитными свойствами, кроме железа, обладают кобальт, никель и некоторые сплавы этих металлов, а также природный минерал магнетит. Ферромагнетики используют в электрогенераторах, трансформаторах, для звуко- и видеозаписи, в телефонах, компьютерах и др.

Химические свойства. По химическим свойствам металлическое железо — типичный металл. Вспомним особенности известных вам взаимодействий железа с неметаллами, водяным паром, кислотами и солями (табл. 35).

Таблица 35. Химические свойства железа

Реагенты и уравнения (cхемы) реакций	Условия протекания и продукт реакции
Неметаллы	Железо при нагревании взаимодействует с неметаллами (азотом, бором, кремнием, фосфором, серой). Галогены окисляют железо до степени окисления +3 (кроме I2). При горении железа в кислороде образуется оксид, в котором имеются атомы железа(II) и железа(III)
Вода	При высокой температуре (около 800 °С) железо восстанавливает водород из водяного пара
Кислоты	Железо способно восстанавливать водород из кислот. При комнатной температуре железо в концентрированных HNО3, H2SО4 не растворяется, так как они пассивируют его поверхность
Соли	Железо восстанавливает менее активные металлы из растворов солей

Коррозия железа

Изделия из железа в технике, быту, природе подвергаются коррозии. Коррозия — разрушение металла в результате взаимодействия с веществами из окружающей среды.

Причины коррозии. Условно процесс коррозии железа во влажной атмосфере можно представить уравнением:

.

Образующийся Fe(OH)₃ подвергается частичной дегидратации — удалению воды — и поэтому состав ржавчины выражают формулой Fe₂O₃ · xH₂O.

При высоких температурах может происходить окисление сухим кислородом с образованием Fe₃O₄:

.

В окружающей среде в присутствии иных окислителей, например кислот и кислотных оксидов, образуются соли железа.

Во всех этих процессах железо окисляется и разрушается, компоненты окружающей среды восстанавливаются. Продукты окисления железа образуются в виде рыхлых слоёв, не защищающих металл от дальнейшей коррозии (§ 20, рис. 47, б).

Скорость коррозии, как и в случае других окислительно-восстановительных процессов, зависит от химической природы и площади соприкосновения реагентов, их концентрации, температуры. Коррозию ускоряют растворы солей и кислот (рис. 113). Коррозию замедляют, полируя поверхность металла, сохраняя металл в сухом воздухе. Коррозия железа замедлена в растворах щелочей или при контакте с более активным, чем железо, металлом (рис. 114).

Из курса химии 9-го класса вам известно, что скорость коррозии увеличивается при контакте железа с менее активным металлом (рис. 114).

Знание факторов, влияющих на скорость коррозии, позволило предложить ряд способов защиты от коррозии.

1. Защитные покрытия. В качестве материалов для металлических покрытий применяют цинк, никель, медь, хром, серебро, бронзу, латунь и др. (рис. 115). Так, оцинкованное железо используют в качестве кровельного материала, в изготовлении кузовов автомобилей, шурупов. В этом случае железо не будет разрушаться до тех пор, пока не прореагирует всё покрытие из цинка. Покрытия из менее активных металлов, чем железо, защищают его от коррозии лишь в случае, если в них отсутствуют поры, трещины, царапины.

К неметаллическим покрытиям относят лакокрасочные и полимерные материалы, смазочные масла.

Защитные покрытия также получают путём оксидирования (создание слоя окалины Fe₃O₄) и фосфатирования (нанесение слоя фосфатов) поверхности металла.

2. Электрохимическая защита осуществляется подключением защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока (катодная защита) или приведением защищаемого металла в контакт с более активным металлом (рис. 116).

3. Легирование металлов. В расплав металла при его производстве добавляют легирующие добавки — хром, никель, молибден и др., снижающие активность металла. Таким образом получают, например, нержавеющую сталь.

4. Изменение состава и свойств коррозионной среды. Коррозионную среду можно изменить добавлением в неё ингибиторов (веществ, которые значительно уменьшают скорость коррозии металла, например нитрита, фосфата или хромата натрия и ряда других).

Применение железа и его сплавов. До 95 % всего добываемого железа производится в виде его сплавов — чугуна и сталей. С составом, свойствами и сферами применения этих сплавов вы уже ознакомились, изучая материал § 43, а с методами получения — в § 45. Напомним, что содержание углерода в сталях ниже 2 %, то есть гораздо меньше, чем в чугуне, поэтому сталь — более ковкий, прочный и менее хрупкий сплав по сравнению с чугуном. Она легко подвергается механической обработке (режется, шлифуется, прокатывается, куётся).

Чугун — более дешёвый сплав с хорошими литейными свойствами, но более хрупкий. Изделия из чугуна более коррозионноустойчивы, чем из нелегированной стали (рис. 117). Различие в свойствах определило и разные области использования сплавов железа.

Чистое железо используется как катализатор, например в синтезе аммиака, бромировании бензола.

Вопросы, задания, задачи

1. Составьте формулу электронной конфигурации и электронно-графическую схему железа. Укажите число неспаренных электронов в основном состоянии атома железа.

2. Консервные банки из железа часто покрывают оловом. Этот процесс называют лужением. При появлении царапин на олове коррозия железной банки протекает быстрее, чем оцинкованного железа. Как это можно объяснить, используя положение металлов в ряду активности?

3. Какие заклёпки — медные или алюминиевые — предпочтительнее использовать для скрепления двух железных деталей?

4. Почему нельзя готовить раствор медного купороса в железном ведре?

5. Три железные пластинки полностью погрузили в разбавленные растворы гидроксида калия, хлорида калия, уксусной кислоты, а четвёртую — в дистиллированную воду. Опишите, что будет наблюдать экспериментатор через сутки.

6. Определите массу средней соли, образовавшейся при взаимодействии железа массой 11,2 г с достаточным количеством разбавленной серной кислоты.

7. Составьте уравнения реакций оксидов железа FeО, Fe₂О₃ и Fe₃О₄ с водородом, разбавленными серной и соляной кислотами.

8. Укажите направление смещения равновесия в системе

:

• а) при повышении давления;
• б) повышении температуры;
• в) увеличении концентрации угарного газа.

9. Железную пластинку массой 10 г выдержали в растворе медного купороса, содержащего cульфат меди(II) массой 2,4 г. Определите массу пластинки по окончании реакции.

10. Из каждой тонны железной руды, в которой массовая доля Fe₃O₄ равна 82 %, получен чугун массой 575 кг с массовой долей железа 95,5 %. Определите выход железа.

*Самоконтроль

1. В атоме железа в основном состоянии имеется(-ются):

• а) четыре неспаренных электрона;
• б) заполненная 4s-орбиталь;
• в) шесть р-электронов;
• г) вакантные 4р-орбитали.

2. Коррозия железа усиливается:

• а) при контакте с цинком;
• б) в растворах солей;
• в) при фосфатировании его поверхности;
• г) с увеличением влажности воздуха.

3. При комнатной температуре железо реагирует с:

• а) HNO_3(разб);
• б) HСl_(конц);
• в) H₂SO_4(разб);
• г) H₂SO_4(конц);

4. В реакции железа с водяным паром основным продуктом является:

• а) FeO;
• б) Fe₂O₃;
• в) Fe₃O₄;
• г) Fe(OH)₃.

5. Железо при взаимодействии с хлором и соляной кислотой образует соответственно:

• а) FeCl₂ и FeCl₃;
• б) FeCl₃ и FeCl₃;
• в) FeCl₃ и FeCl₂;
• г) FeCl₂ и FeCl₂.