Print bookPrint book

§ 49. Железо и его соединения

Site: Профильное обучение
Course: Химия. 11 класс
Book: § 49. Железо и его соединения
Printed by: Guest user
Date: Saturday, 25 May 2024, 3:07 PM

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:

img или 26Fe 2е, 8е, 14е, 2е;

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

26Fe img

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.

img

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) 
begin mathsize 14px style Fe space plus space straight S space stack equals space with t on top FeS
2 Fe space plus space 3 Сl subscript 2 space end subscript stack equals space with t on top space 2 FeCl subscript 3
3 Fe space plus space 2 straight О subscript 2 space stack equals space with t on top space Fe subscript 3 straight О subscript 4 end style
Вода При высокой температуре (около 800 °С) железо восстанавливает водород из водяного пара
begin mathsize 14px style 3 Fe space plus space 4 straight Н subscript 2 straight О space stack equals space with t on top Fe subscript 3 straight О subscript 4 space plus space 4 straight Н subscript 2 not stretchy upwards arrow end style
Кислоты Железо способно восстанавливать водород из кислот. При комнатной температуре железо в концентрированных HNО3, H24 не растворяется, так как они пассивируют его поверхность
begin mathsize 14px style Fe space plus space 2 HСl space equals space FeCl subscript 2 space plus space straight H subscript 2 not stretchy upwards arrow
Fe space plus space straight H subscript 2 SО subscript 4 left parenthesis разб right parenthesis space end subscript equals space FeSО subscript 4 space end subscript plus space straight H subscript 2 not stretchy upwards arrow end style
Соли Железо восстанавливает менее активные металлы из растворов солей
Fe plus CuSО subscript 4 space end subscript equals space FeSО subscript 4 space plus space Cu

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:

4 Fe space plus space 3 straight О subscript 2 space end subscript plus space 6 straight Н subscript 2 straight О space equals space 4 Fe left parenthesis OH right parenthesis subscript 3.

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:

3 Fe space plus space 2 straight О subscript 2 stack space equals space with t on top Fe subscript 3 straight О subscript 4.

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).

img
Рис. 113. Коррозия железа в средах различного состава
img
Рис. 114. Коррозия железа при контакте: а — с цинком, б — медью

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.

img
Рис. 115. Защитно-декоративные покрытия на изделиях из стали

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.

img
Рис. 116. Защита от коррозии подземного стального трубопровода

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).

img
Рис. 117. Изделия из чугуна, предметы традиционной белорусской кухонной посуды («чыгункi» и «патэльнi»)

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.

Железо относится к d-элементам. Наиболее устойчивые степени окисления атомов железа +2 и +3.

Железо реагирует с неметаллами, водяным паром, кислотами и солями.

Изделия из железа и его сплавов подвергаются коррозии — разрушению в результате взаимодействия с веществами из окружающей среды. Её можно замедлить нанесением покрытий, приведением в контакт с более активным металлом, легированием металла или изменением состава и свойств коррозионной среды.

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

begin mathsize 14px style Fe subscript 3 straight O subscript 4 left parenthesis тв right parenthesis end subscript space plus space 4 CO subscript left parenthesis straight г right parenthesis space end subscript rightwards arrow over leftwards arrow space 3 Fe subscript left parenthesis тв right parenthesis space end subscript plus space 4 CO subscript 2 left parenthesis straight г right parenthesis end subscript not stretchy upwards arrow space plus space 16 space кДж end style:

  • 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) HNO3(разб);
  • б) HСl(конц);
  • в) H2SO4(разб);
  • г) H2SO4(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.