Железо — общая характеристика элемента, химические свойства железа и его соединений
Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.
Основные степени окисления — +2, +3
Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Химические свойства простого вещества — железа:
Ржавление и горение в кислороде
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
Fe + S – t° → FeS (600 °С)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1 ) (700°С)
4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н 2 SO 4 , при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe +2 постепенно переводится кислородом в Fe +3 )
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Фе 3+ :
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).
Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Техническое железо — сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др .
Доменный процесс производства чугуна
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд — перевод в оксидную руду:
б) сжигание кокса при горячем дутье:
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe 2 С и графит.
Производство стали
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО 2 , SО 2 ), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са 3 (РO 4 ) 2 и СаSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:
FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 ↑ (90°С) (электролиз)
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь — как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.
Оксид железа(II) F еО . Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Фе 2+ O 2- . При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:
4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III ) + Fе (560—700 °С , 900—1000°С)
FеО + Н 2 =Н 2 O + Фе (особо чистое) (350°С)
FеО + С (кокс) = Фе + СО (выше 1000 °С)
ФеО + СО = Фе + СО 2 (900°С)
6ФеО + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III )O 4 (300—500°С)
Получение в лаборатории : термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:
FеСОз = FеО + СO 2 (490-550 °С)
Оксид дижелеза (III) – железа( II ) ( Fe II Fe 2 III )O 4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe 2+ (Fе 3+ ) 2 ( O 2- ) 4 . Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок ( железный сурик ), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий ( чернение, воронение ). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe 3 O 4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:
2(Fe II Fe 2 III )O 4 = 6ФеО + O 2 (выше 1538 °С)
(Fe II Fe 2 III )O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Фе (особо чистое, 1000 °С)
(Fe II Fe 2 III )O 4 + СО =ЗFеО + СO 2 (500—800°C)
(Fe II Fe 2 III )O4 + Fе ⇌4FеО (900—1000 °С , 560—700 °С)
Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.
В природе — оксидная руда железа магнетит.
Оксид железа(III) F е 2 О 3 . Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Фе 3+ ) 2 (O 2- ) 3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Фе 2 O 3 nН 2 О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.
Уравнения важнейших реакций:
Fе 2 О 3 + МО=(М II Fе 2 II I )O 4 (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)
Fе 2 O 3 + ЗН 2 =ЗН 2 O+ 2Fе (особо чистое, 1050—1100 °С)
Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:
В природе — оксидные руды железа гематит Fе 2 O 3 и лимонит Fе 2 O 3 nН 2 O
Гидроксид железа (II) F е(ОН) 2 . Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Фе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.
Уравнения важнейших реакций:
4Fе(ОН) 2 (суспензия) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)
Получение : осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:
Метагидроксид железа F еО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Фе — О и Фе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Фе 2 O 3 nН 2 O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в ФеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Фе(ОН) 2 . Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.
Соединение состава Fе(ОН) 3 не известно (не получено).
Уравнения важнейших реакций:
2FеО(ОН) + Fе(ОН) 2 =( Fe II Fe 2 III )O 4 + 2Н 2 O (600—1000 °С)
2FеО(ОН) + ЗН 2 = 4Н 2 O+ 2Фе (особо чистое, 500—600 °С)
2FеО(ОН) + ЗВr 2 + 10КОН = 2К 2 FеO 4 + 6Н 2 O + 6КВr
Получение: осаждение из раствора солей железа(Ш) гидрата Фе 2 О 3 nН 2 O и его частичное обезвоживание (см. выше).
В природе — оксидная руда железа лимонит Fе 2 O 3 nН 2 О и минерал гётит FеО(ОН).
Феррат калия К 2 F еО 4 . Оксосоль. Красно-фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель.
Качественная реакция — образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов — промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.
Уравнения важнейших реакций:
FеО 4 2- + Ва 2+ = ВаFеO 4 (красн.)↓ (в конц. КОН)
Получение : образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида ФеО(ОН), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо
и электролизе в растворе:
(феррат калия образуется на аноде).
Обнаружение ионов Фе 2+ и Fе 3+ в водном растворе проводят с помощью реактивов К 3 [Fе(СN) 6 ] и К 4 [Fе(СN) 6 ] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КФе III [Fе II (СN) 6 ]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь , или турнбуллева синь :
Fе 2+ + К + + [Fе(СN) 6 ] 3- = КFе III [Fе II (СN) 6 ]↓
Fе 3+ + К + + [Fе(СN) 6 ] 4- = КFе III [Fе II (СN) 6 ]↓
Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:
К 3 Fе III [Fе(СN) 6 ]- гексацианоферрат (III) калия
К 4 Fе III [Fе (СN) 6 ]- гексацианоферрат (II) калия
КFе III [Fе II (СN) 6 ]- гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия
Кроме того, хорошим реактивом на ионы Фе 3+ является тиоцианат-ион НСС — , железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:
Fе 3+ + 6NСS — = [Фе(НСС) 6 ] 3-
Этим реактивом (например, в виде соли КНСС) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.
Железо. Свойства железа и его соединений
Железо Fe: химические свойства, способы получения железа, взаимодействие с простыми веществами (кислород, сера) и со сложными веществами (кислоты, вода, сильные окислители). Оксид железа (II) FeO, оксид железа (III) Fe2O3, железная окалина (Fe3O4) — способы получения и химические свойства. Гидроксид железа (II) Fe(OH)2, гидроксид железа (III) Fe(OH)3 — способы получения и химические свойства.
Железо
Положение в периодической системе химических элементов
Элемент железо расположен в побочной подгруппе VIII группы (или в 8 группе в современной форме ПСХЭ) и в четвертом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.
Электронное строение атома железа
Электронная конфигурация железа в основном состоянии :
+26Fe 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6
Железо проявляет ярко выраженные магнитные свойства.
Физические свойства
Железо – металл серебристо-белого цвета, с высокой химической активностью и высокой ковкостью. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.
(изображение с портала vchemraznica.ru)
Температура плавления 1538 о С, температура кипения 2861 о С.
Нахождение в природе
Железо довольно распространено в земной коре (порядка 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает 4-ое место среди всех элементов и 2-ое место среди металлов. Содержание в земной коре — около 8%.
В природе железо в основном встречается в виде соединений:
(изображение с портала karatto.ru)
Магнитный железняк Fe3O4 или FeO·Fe2O3 (магнетит).
(изображение с портала emchi-med.ru)
В природе также широко распространены сульфиды железа, например, пирит FeS2.
(изображение с портала livemaster.ru)
Встречаются и другие минералы, содержащие железо.
Способы получения
Железо в промышленности получают из железной руды, гематита Fe2O3 или магнетита (Fe3O4или FeO·Fe2O3).
1. Один из основных способов производства железа – доменный процесс . Доменный процесс основан на восстановлении железа из оксида углеродом в доменной печи.
В печь загружают руду, кокс и флюсы.
Шихта – смесь исходных материалов, а в некоторых случаях и топлива в определённой пропорции, которую обрабатывают в печи.
Каменноугольный кокс – это твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96—98 % углерода.
Флюсы – это неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.
Шлак – расплав (а после затвердевания – стекловидная масса), покрывающий поверхность жидкого металла. Шлак состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами и предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.
В печи кокс окисляется до оксида углерода (II):
2C + O2 → 2CO
Затем нагретый угарный газ восстанавливает оксид железа (III):
Процесс получения железа – многоэтапный и зависит от температуры.
Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:
Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает восстановление смешанного оксида железа (II, III) до оксида железа (II):
Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:
Оксид железа (II) опускается в область с более высоких температур (до 1200 o C), где протекает следующая реакция:
FeO + CO → Fe + CO2
Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом, образуя угарный газ:
CO2 + C → 2CO
(изображение с портала 900igr.net)
2. Также железо получают прямым восстановлением из оксида водородом:
При этом получается более чистое железо, т.к. получаемое железо не загрязнено серой и фосфором, которые являются примесями в каменном угле.
3. Еще один способ получения железа в промышленности – электролиз растворов солей железа.
Качественные реакции
Качественные реакции на ионы железа +2.
– взаимодействие солей железа (II) с щелочами . При этом образуется серо-зеленый студенистый осадок гидроксида железа (II).
Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом натрия:
2NaOH + FeCl2 → Fe(OH)2 + 2NaCl
Видеоопыт взаимодействия раствора сульфата железа (II) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.
Гидроксид железа (II) на воздухе буреет, так как окисляется до гидроксида железа (III):
– ионы железа +2 окрашивают раствор в светлый желто-зеленый цвет.
– взаимодействие с красной кровяной солью K3[Fe(CN)6] – также качественная реакция на ионы железа +2. При этом образуется синий осадок «турнбулева синь».
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (II) с раствором гексацианоферрата (III) калия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.
Качественные реакции на ионы железа +3
– взаимодействие солей железа (III) с щелочами . При этом образуется бурый осадок гидроксида железа (III).
Например , хлорид железа (III) реагирует с гидроксидом натрия:
3NaOH + FeCl3 → Fe(OH)3 + 3NaCl
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.
– ионы железа +3 окрашивают раствор в светлый желто-оранжевый цвет.
– взаимодействие с желтой кровяной солью K4[Fe(CN)6] ионы железа +3. При этом образуется синий осадок «берлинская лазурь».
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гексацианоферрата (II) калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.
В последнее время получены данные, которые свидетельствуют, что молекулы берлинской лазури идентичны по строению молекулам турнбулевой сини. Состав молекул обоих этих веществ можно выразить формулой Fe4[Fe2(CN)6]3.
– при взаимодействии солей железа (III) с роданидами раствор окрашивается в кроваво-красный цвет.
Например , хлорид железа (III) взаимодействует с роданидом натрия:
FeCl3 + 3NaCNS → Fe(CNS)3 + 3NaCl
Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором роданида калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.
Химические свойства
1. При обычных условиях железо малоактивно , но при нагревании, в особенности в мелкораздробленном состоянии, оно становится активным и реагирует почти со всеми неметаллами .
1.1. Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:
1.2. Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):
Fe + S → FeS
1.3. Железо реагирует с фосфором . При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:
Fe + P → FeP
1.4. С азотом железо реагирует в специфических условиях.
1.5. Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида.
1.6. При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной оксид железа (II, III):
При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):
2Fe + O2 → 2FeO
2. Железо взаимодействует со сложными веществами.
2.1. При обычных условиях железо с водой практически не реагирует. Раскаленное железо может вступать в реакцию при температуре 700-900 о С с водяным паром:
3 Fe 0 + 4 H2 + O → Fe +3 3O4 + 4 H2 0
В воде в присутствии кислорода или во влажном воздухе железо медленно окисляется (корродирует):
2.2. Железо взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль железа со степенью окисления +2 и водород.
Например , железо бурно реагирует с соляной кислотой :
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑
2.3. При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:
2.4. Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации. При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:
С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):
При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:
2.5. Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей . При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат).
Например , при взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:
2.6. Железо восстанавливает менее активные металлы из оксидов и солей .
Например , железо вытесняет медь из сульфата меди (II). Реакция экзотермическая:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Еще пример : простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2 при взаимодействии с соединениями железа +3:
2FeCl3 + Fe → 3FeCl2
Оксид железа (II)
Оксид железа (II) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.
Способы получения
Оксид железа (II) можно получить различными методами :
1. Частичным в осстановлением оксида железа (III).
Например , частичным восстановлением оксида железа (III) водородом:
Или частичным восстановлением оксида железа (III) угарным газом:
Еще один пример : восстановление оксида железа (III) железом:
2. Разложение гидроксида железа (II) при нагревании :
Химические свойства
Оксид железа (II) — типичный основный оксид .
1. При взаимодействии оксида железа (II) с кислотными оксидами образуются соли.
Например , оксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI):
FeO + SO3 → FeSO4
2. Оксид железа (II) взаимодействует с растворимыми кислотами. При этом также образуются соответствующие соли .
Например , оксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой:
FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O
3. Оксид железа (II) не взаимодействует с водой.
4. Оксид железа (II) малоустойчив, и легко окисляется до соединений железа (III).
Например , при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуются нитрат железа (III), оксид азота (IV) и вода:
При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота (II). Реакция идет при нагревании:
5. Оксид железа (II) проявляет слабые окислительные свойства .
Например , оксид железа (II) реагирует с угарным газом при нагревании:
FeO + CO → Fe + CO2
Оксид железа (III)
Оксид железа (III) – это твердое, нерастворимое в воде вещество красно-коричневого цвета.
Способы получения
Оксид железа (III) можно получить различными методами :
1. Окисление оксида железа (II) кислородом.
2. Разложение гидроксида железа (III) при нагревании :
Химические свойства
Оксид железа (III) – амфотерный .
1. При взаимодействии оксида железа (III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли.
Например , оксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой:
2. Оксид железа (III) взаимодействует с щелочами и основными оксидами. Реакция протекает в расплаве, при этом образуется соответствующая соль (феррит) .
Например , оксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом натрия:
3. Оксид железа (III) не взаимодействует с водой.
4. Оксид железа (III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI).
Например , хлорат калия в щелочной среде окисляет оксид железа (III) до феррата:
Нитраты и нитриты в щелочной среде также окисляют оксид железа (III):
5. Оксид железа (III) проявляет окислительные свойства .
Например , оксид железа (III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II) или железной окалины:
Также оксид железа (III) восстанавливается водородом:
Железом можно восстановить оксид железа только до оксида железа (II):
Оксид железа (III) реагирует с более активными металлами .
Например , с алюминием (алюмотермия):
Оксид железа (III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями.
Например , с гидридом натрия:
Fe2O3 + 3NaH → 3NaOH + 2Fe
6. Оксид железа (III) – твердый, нелетучий и амфотерный. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.
Например , из карбоната натрия:
Оксид железа (II, III)
Оксид железа (II, III) (железная окалина, магнетит) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.
Фото с сайта wikipedia.ru
Способы получения
Оксид железа (II, III) можно получить различными методами :
1. Горение железа на воздухе:
2. Частичное восстановление оксида железа (III) водородом или угарным газом :
3. При высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой, образуя двойной оксид железа (II, III):
Химические свойства
Свойства оксида железа (II, III) определяются свойствами двух оксидов, из которых он состоит: основного оксида железа (II) и амфотерного оксида железа (III).
1. При взаимодействии оксида железа (II, III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли железа (II) и железа (III).
Например , оксид железа (II, III) взаимодействует с соляной кислотой. При это образуются две соли – хлорид железа (II) и хлорид железа (III):
Еще пример : оксид железа (II, III) взаимодействует с разбавленной серной кислотой.
2. Оксид железа (II, III) взаимодействует с сильными кислотами-окислителями (серной-концентрированной и азотной).
Например , железная окалина окисляется концентрированной азотной кислотой:
Разбавленной азотной кислотой окалина окисляется при нагревании:
Также оксид железа (II, III) окисляется концентрированной серной кислотой:
Также окалина окисляется кислородом воздуха :
3. Оксид железа (II, III) не взаимодействует с водой.
4. Оксид железа (II, III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI), как и прочие оксиды железа (см. выше).
5. Железная окалина проявляет окислительные свойства .
Например , оксид железа (II, III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II):
Также железная окалина восстанавливается водородом:
Оксид железа (II, III) реагирует с более активными металлами .
Например , с алюминием (алюмотермия):
Оксид железа (II, III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями (йодидами и сульфидами).
Например , с йодоводородом:
Гидроксид железа (II)
Способы получения
1. Гидроксид железа (II) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (II).
Например , хлорид железа (II) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (II) и хлорида аммония:
2. Гидроксид железа (II) можно получить действием щелочи на соли железа (II).
Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом калия с образованием гидроксида железа (II) и хлорида калия:
FeCl2 + 2KOH → Fe(OH)2↓ + 2KCl
Химические свойства
1. Гидроксид железа (II) проявляется основные свойства , а именно реагирует с кислотами . При этом образуются соответствующие соли.
Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида железа (II):
2. Гидроксид железа (II) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .
Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (II):
3. Гидроксид железа (II) проявляет сильные восстановительные свойства , и реагирует с окислителями. При этом образуются соединения железа (III) .
Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с кислородом в присутствии воды:
Гидроксид железа (II) взаимодействует с пероксидом водорода:
При растворении Fe(OH)2 в азотной или концентрированной серной кислотах образуются соли железа (III):
4. Г идроксид железа (II) разлагается при нагревании :
Гидроксид железа (III)
Способы получения
1. Гидроксид железа (III) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (III).
Например , хлорид железа (III) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (III) и хлорида аммония:
2. Окислением гидроксида железа (II) кислородом или пероксидом водорода:
3. Гидроксид железа (III) можно получить действием щелочи на раствор соли железа (III).
Например , хлорид железа (III) реагирует с раствором гидроксида калия с образованием гидроксида железа (III) и хлорида калия:
FeCl3 + 3KOH → Fe(OH)3↓ + 3KCl
Видеоопыт получения гидроксида железа (III) взаимодействием хлорида железа (III) и гидроксида калия можно посмотреть здесь.
4. Также гидроксид железа (III) образуется при взаимодействии растворимых солей железа (III) с растворами карбонатов и сульфитов . Карбонаты и сульфиты железа (III) необратимо гидролизуются в водном растворе.
Например: бромид железа (III) реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида железа (III), выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:
Но есть исключение ! Взаимодействие солей железа (III) с сульфитами в ЕГЭ по химии — окислительно-восстановительная реакция. Соединения железа (III) окисляют сульфиты, а также сульфиды и иодиды.
Взаимодействие хлорида железа (III) с сульфитом, например, калия — очень интересная реакция. Во-первых, в некоторых источниках указывается, что в ней таки может протекать необратимый гидролиз. Но для ЕГЭ лучше считать, что при этом протекает ОВР. Во-вторых, ОВР можно записать в разных видах:
Также допустима такая запись:
Химические свойства
1. Гидроксид железа (III) проявляет слабовыраженные амфотерные свойства, с преобладанием основных. Как основание, гидроксид железа (III) реагирует с растворимыми кислотами .
Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата железа (III):
2. Гидроксид железа (III) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .
Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (III):
3. Гидроксид железа (III) взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—ферриты, а в растворе реакция практически не идет. При этом гидроксид железа (III) проявляет кислотные свойства.
Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием феррита калия и воды:
4. Г идроксид железа (III) разлагается при нагревании :
Видеоопыт взаимодействия гидроксида железа (III) с соляной кислотой можно посмотреть здесь.
Соли железа
Нитраты железа
Нитрат железа (II) при нагревании разлагается на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:
Нитрат железа (III) при нагревании разлагается также на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:
Гидролиз солей железа
Растворимые соли железа, образованные кислотными остатками сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. частично:
I ступень: Fe 3+ + H2O ↔ FeOH 2+ + H +
II ступень: FeOH 2+ + H2O ↔ Fe(OH )2 + + H +
Однако сульфиты и карбонаты железа (III) и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:
При взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает ОВР:
2FeCl3 + 3Na2S → 2FeS + S + 6NaCl
Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.
Окислительные свойства железа (III)
Соли железа (III) под проявляют довольно сильные окислительные свойств. Так, при взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает окислительно-восстановительная реакция.
Например : хлорид железа (III) взаимодействует с сульфидом натрия. При этом образуется сера, хлорид натрия и либо черный осадок сульфида железа (II) (в избытке сульфида натрия), либо хлорид железа (II) (в избытке хлорида железа (III)):
2FeCl3 + 3Na2S → 2FeS + S + 6NaCl
2FeCl3 + Na2S → 2FeCl2 + S + 2NaCl
По такому же принципу соли железа (III) реагируют с сероводородом:
2FeCl3 + H2S → 2FeCl2 + S + 2HCl
Соли железа (III) также вступают в окислительно-восстановительные реакции с йодидами .
Например , хлорид железа (III) взаимодействует с йодидом калия. При этом образуются хлорид железа (II), молекулярный йод и хлорид калия:
2FeCl3 + 2KI → 2FeCl2 + I2 + 2KCl
Интерес представляют также реакции солей железа (III) с металлами. Мы знаем, что более активные металлы вытесняют из солей менее активные металлы . Иначе говоря, металлы, которые стоят в электрохимическом ряду левее, могут взаимодействовать с солями металлов, которые расположены в этом ряду правее . Исходя из этого правила, соли железа могут взаимодействовать только с металлами, которые расположены до железа. И они взаимодействуют.
Однако, соли железа со степенью окисления +3 в этом ряду являются небольшим исключением. Ведь для железа характерны две степени окисления: +2 и +3. И железо со степенью окисления +3 является более сильным окислителем. Таким образом, условно говоря, железо со степенью окисления +3 расположено в ряду активности после меди. И соли железа (III) могут реагировать еще и с металлами, которые расположены правее железа! Но до меди, включительно. Вот такой парадокс.
И еще один момент. Соединения железа (III) с этими металлами реагировать будут, а вот соединения железа (II) с ними реагировать не будут. Таким образом, металлы, расположенные в ряду активности между железом и медью (включая медь) при взаимодействии с солями железа (III) восстанавливают железо до степени окисления +2. А вот металлы, расположенные до железа в ряду активности, могут восстановить железо и до простого вещества.
Например , хлорид железа (III) взаимодействует с медью. При этом образуются хлорид железа (II) и хлорид меди (II):
А вот реакция нитрата железа (III) с цинком протекает уже по привычному механизму. И железо восстанавливается до простого вещества:
Железо. Строение. Свойства. Соединения железа
Разделы: Химия
Цели урока:
- Познакомить учащихся с элементом побочной группы Периодической системы – железом, его строением, свойствами.
- Знать нахождение железа в природе, способы его получения, применение, физические свойства.
- Уметь давать характеристику железа как элемента побочной подгруппы.
- Уметь доказывать химические свойства железа и его соединений, записывать уравнения реакций в молекулярном, ионном, окислительно-восстановительном виде.
- Развивать умения учащихся составлять уравнения реакций с участием железы, сформировать знания учащихся о качественных реакциях на ионы железы.
- Воспитывать интерес к предмету.
Оборудование: железо (порошок, булавка, пластина), сера, колба с кислородом, соляная кислота, сульфат железы(II), хлорид железы(III),гидроксид натрия, красная и желтая кровяные соли.
I. Органиционный момент
II. Проверка домашнего задания
III. Изучение нового материала
1. Вступление учителя.
– Значение железа в жизни, его роль в истории цивилизации. Одним из самых распространенных металлов в земной коре является железо. Применять его начали гораздо позже других металлов (меди, золота, цинка, свинца, олова), что, скорее всего, объясняется малым сходством руды железа с металлом. Первобытным людям было очень трудно догадаться, что из руды можно получить металл, который успешно можно использовать при изготовлении различных предметов, сказалось отсутствие инструментов и необходимых приспособлений для организации такого процесса. До того времени, когда человек научился получать из руды железо и изготавливать из него сталь и чугун, прошло довольно длительное время.
На данный момент железные руды являются необходимым сырьем для черной металлургии, теми полезными ископаемыми, обходиться без которых не сможет ни одна развитая промышленная страна. За год мировая добыча железных руд составляет приблизительно 350 000 000 тонн. Используются они для выплавки железа (содержание углерода 0,2-0,4 %), чугуна (2,5-4% углерода), стали (2,5-1,5 % углерода) Сталь имеет наиболее широкое применение в промышленности, чем железо и чугун, поэтому и больше спрос на ее выплавку.
Для выплавки чугуна из железных руд используются домны, которые работают на каменном угле или коксе, переплавка стали и железа из чугуна происходит в отражательных мартеновских печах, бессемеровских конверторах или способом Томаса.
Черные металлы и их сплавы имеют огромное значение в жизни и развитии человеческого общества. Всевозможные предметы быта и широкого потребления изготавливаются из железа. Для строительства кораблей, самолетов, железнодорожного транспорта, автомобилей, мостов, железных дорог, различных зданий, оборудования и прочего, используются сотни миллионов тонн стали и чугуна. Не существует такой отрасли сельского хозяйства и промышленности, в которой бы не применялись железо и его различные сплавы.
Немногие часто встречающиеся в природе минералы, имеющие в своем составе железо, являются именно железной рудой. К таким минералам можно отнести: бурый железняк, гематит, магнетит, другие, образующие крупные месторождения и занимающие огромные площади.
Химическое отношение магнетита или магнитного железняка, имеющего железо – черный цвет и уникальное свойство – магнитность, представляет собой соединение, состоящее из окиси и закиси железа. В природной среде его можно встретить как в виде зернистых или сплошных масс, так и в виде хорошо сформированных кристаллов. Железная руда наиболее богата содержанием металлического железа магнетита (до 72%).
Самые крупные в нашей стране месторождения магнетитовых руд находятся на Урале, в горах Высокая, Благодать, Магнитная, в некоторых районах Сибири – бассейне реки Ангара, Горной Шории, на территории Кольского полуострова.
2. Работа с классом. Характеристика железа как химического элемента
а) Положение в периодической системе:
Задание 1. Определить положение железа в Периодической системе?
Ответ: Железо расположено в 4-м большом периоде, четном ряду, 8-й группе, побочной группе.
б) строение атома:
Задание 2. Зарисовать состав и строение атома железа, электронные формулу и ячейки.
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
Вопрос. На каких слоях у железа расположены валентные электроны? Почему?
Ответ. Валентные электроны расположены на последнем и предпоследнем слоях, так как это элемент побочной подгруппы.
Железо относят к d-элементам, оно входит в состав триады элементов – металлов (Fe-Co-Ni);
в) окислительно-восстановительные свойства железа:
Вопрос. Чем является железо-окислителем или восстановителем? Какие степени окисления и валентность проявляет?
Ответ:
Fe 0 – 2e = Fe +3 >восстановитель
Fe 0 – 3e = Fe +3
с.о.+ 2,+ 3; валентность = II и III, валентность 7 – не проявляет;
г) соединения железа:
FeO – основный оксид
Fe(OH)2 – нерастворимое основание
Fe2O3 – оксид признаками амфотерности
Fe(OH)3 – основание с признаки амфотерности
Летучие водородные соединения – нет.
д) нахождение в природе.
Железо является вторым по распространенности металлом в природе(после алюминия).В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах.Наиболее важные природные соединения:
FeO*3HO – бурый железняк,
FeO – красный железняк,
FeO (FeO*FeO) – магнитный железняк,
FeS – железный колчедан (пирит)
Соединения железа входят в состав живых организмов.
3. Характеристика простого вещества железа
а) строение молекулы, тип связи, тип кристаллической решетки;(самостоятельно)
б) физические свойства железа
Железо – серебристо-серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Плотность железа – 7,87г/см 3 , температура плавления 1539 t о С.
в) химические свойства железа:
Атомы железа в реакциях отдают электроны и проявляют степени окисления + 2,+ 3 и иногда + 6.
В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми октивными окислителями(галогенами,кислородом,серой) но при нагревании становится активными и реагирует с ними:
2Fe +3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа(III)
3Fe + 2O2 = Fe2O3 (FeO*Fe O) Оксид железа(III)
Fe +S = FeS Сульфид железа(II)
При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором.
3Fe + C = Fe3C Карбид железа(цементит)
3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа
3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа
Железо реагирует со сложными веществами.
Во влажном воздухе железо быстро скисляется(корродирует):
Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов,поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железаменьше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:
Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами,вытесняя из них водород:
При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею.При нагревании концентрированная серная кислота окисляет железо до сульфата железа(III):
Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа(III):
Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.
Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:
г) применение железа (самостоятельно)
д) получение (вместе с учащимися)
В промышленности железо получают восстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II) в доменных печах.
Химизм доменного процесса следующий:
4. Соединения железа
Химические свойства данных соединений.
Дополнение. Соединения железа(II) неустойчивы, они могут они могут окисляться и переходить в соединения железа(III)
Fe +2 Cl2 + Cl2 = Fe +3 Cl3 составить дома окислительно-восстановительные
Fe +2 (OH) + H2O + O2 = Fe +3 (OH)3 схемы, уравнять.
Химические свойства данных соединений
Также качественной реакцией на Fe +2 служит реакция солей железа(II) с веществом ,называемым красный кровяной солью K3[Fe(CN)6] – это комплексное соединение.
А качественной реакций на Fe +3 служит реакция солей железа(III) с роданидом калия KCNS или роданидом аммония NH4CNS
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3KCl
Образуется роданид железа(III)
темно-красного цвета
IV. Закрепление знаний, умений, навыков
V. Задание на дом: составить кроссворд на тему железа.
http://chemege.ru/iron/
http://urok.1sept.ru/articles/598948