Как горячая вода разрушает железо напишите уравнение

Учебно-методическое пособие

9 класс

Продолжение.
См. 21, 22, 23, 24, 25-26, 27-28, 29, 30, 31/2003

9. Металлы побочных подгрупп

Знать: особенности строения атомов металлов побочных подгрупп; химические свойства железа, хрома, цинка и их соединений; влияние степеней окисления элементов на кислотно-основные свойства их соединений.
Уметь: давать общую характеристику металлов побочных подгрупп по положению элементов в периодической системе и строению атомов; подтверждать уравнениями реакций восстановительные свойства металлов; описывать состав, характер и свойства их оксидов и гидроксидов в свете учения об ионных реакциях и окислительно-восстановительных процессах; раскрывать значение железа и его сплавов в жизни человека.
Основные понятия: природные соединения железа, цинка, меди, серебра; сильные и слабые окислители; коррозионная стойкость Fe, Zn, Cu, Ag, Au; амфотерность гидроксидов железа(III) и цинка; качественные реакции на ионы металлов Fe 2+ , Fe 3+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Ag + .

Контрольные вопросы

1. Каково строение атома железа? Каковы степени окисления железа в соединениях? Приведите примеры.
2. Назовите формулы природных соединений железа.
3. Каковы физические свойства железа?
4. Какова активность железа в химических реакциях?
5. Как можно окислить железо?
6. Какова степень окисления железа в железной окалине Fe₃O₄?
7. Как горячая вода разрушает железо? Напишите уравнение реакции.
8. В чем различие реакций железа с хлором и с соляной кислотой? Составьте уравнения реакций.
9. В чем различие действия на железо сильных и слабых окислителей? Приведите уравнения реакций.
10. Как реагирует железо с серной и азотной кислотами?
11. Какие металлы могут быть вытеснены железом из растворов их солей?
12. Каково биологическое значение железа?
13. От чего зависит коррозионная стойкость железа?
14. Какие оксиды железа известны? Чему равны степени окисления элемента в них?
15. Как можно получить FеО? Как доказать его основный характер?
16. Как можно получить Fe₂О₃? Как доказать его амфотерность?
17. Какие гидроксиды образует железо? Каков их химический характер?
18. Почему гидроксид железа(II) буреет на воздухе? Напишите уравнение реакции.
19. Как можно получить гидроксиды железа в лаборатории? Напишите уравнения реакций.
20. Как ведут себя гидроксиды железа при нагревании? Составьте уравнения реакций.
21. Какой из гидроксидов железа амфотерен? Как он взаимодействует с щелочами?
22. Как окрашены растворы солей железа и от чего зависит их окраска?
23. Как распознать соли двухвалентного железа? Приведите уравнения реакций.
24. Как распознать соли трехвалентного железа? Приведите уравнения реакций.
25. Какое применение находит железо?
26. Опишите строение атома цинка, укажите его возможные степени окисления в соединениях.
27. Как можно получить цинк из его сульфида и карбоната? Приведите уравнения реакций.
28. Опишите физические свойства цинка.
29. Приведите уравнения реакций, описывающие химические свойства цинка.
30. Как цинк взаимодействует с щелочами и их растворами? Приведите уравнения реакций.
31. Приведите уравнения реакций, описывающие химические свойства оксида цинка.
32. Приведите уравнения реакций, описывающие химические свойства гидроксида цинка.
33. Каково применение цинка и его соединений?
34. Каково строение атома меди? Укажите возможные степени окисления меди в соединениях.
35. Опишите важнейшие природные соединения меди.
36. Как можно получить медь из ее оксида, сульфида, карбоната? Составьте уравнения соответствующих реакций.
37. Опишите физические свойства меди.
38. Как медь взаимодействует с неметаллами? Приведите уравнения реакций.
39. Приведите уравнение реакции меди с концентрированной серной кислотой.
40. Как медь реагирует с азотной кислотой? Приведите уравнения реакций.
41. Какие оксиды образует медь? Каков их внешний вид?
42. Какие гидроксиды образует медь? Как они выглядят при получении?
43. Что происходит с гидроксидами меди при нагревании? Приведите уравнения реакций.
44. Каков химический характер гидроксида меди(II)? Подтвердите свое предположение уравнением реакции.
45. Как распознать растворы солей меди?
46. Каково применение меди и ее соединений?
47. Какова формула медного купороса? Как он ведет себя при нагревании?
48. Каково положение меди в ряду напряжений металлов? Как это проявляется в ее химических свойствах?
49. Каково строение атома серебра? Укажите его возможные степени окисления.
50. В каком виде серебро встречается в природе?
51. Каковы физические свойства серебра?
52. Каково положение серебра в ряду активности металлов? Как это проявляется в его химических свойствах?
53. Как серебро реагирует с серной и азотной кислотами? Приведите соответствующие уравнения реакций.
54. Что вы знаете об оксиде и гидроксиде серебра?
55. Где применяется серебро и его соединения?
56. В каком виде в природе встречается золото и почему?
57. Каковы физические свойства золота?
58. Каковы химические свойства золота?
59. Какие кислоты способны растворять золото, взаимодействуя с ним?
60. Где применяется золото и на каких свойствах основано его применение?

9.1. Свойства некоторых соединений металлов
побочных подгрупп

Хром устойчив к воздуху и воде, при нагревании растворяется в разбавленных кислотах:

Сr + 2НСl = СrCl₂ + Н₂,

Сr + Н₂SO₄ = СrSO₄ + Н₂.

Цвет раствора соли двухвалентного хрома – голубой. Соединения двухвалентного хрома очень неустойчивы:

Соли хрома(III) окрашены в зеленовато-фиолетовый цвет.
Оксид хрома(III) Сr₂О₃ – твердое вещество зеленого цвета, тугоплавкий.
Соединения хрома(III) по многим свойствам напоминают соединения алюминия.
Гидроксид хрома(III) образуется в виде студенистого остатка серо-синего цвета:

Сr₂(SO₄)₃ + 6NaOH = 2Cr(ОН)₃ + 3Na₂SO₄.

При растворении Сr(ОН)₃ в щелочах образуются хромиты, имеющие зеленую окраску:

Оксид хрома(VI) СrО₃ – твердое кристаллическое вещество темно-красного цвета, неустойчив и ядовит, сильный окислитель:

4СrО₃ = 2Сr₂O₃ + 3O₂,

Кислоты Н₂СrO₄ и Н₂Сr₂O₇ существуют только в растворе, где устанавливается равновесие между ними:

Соединения шестивалентного хрома – окислители, особенно в кислой среде. Протекание окислительно-восстановительных реакций с участием солей хромовых кислот хорошо наблюдается по изменению окраски растворов от оранжевой до зеленовато-фиолетовой:

9.2. Решение задач по теме
«Металлы побочных подгрупп»

Задача 1. Для определения содержания серебра в сплаве его в количестве 0,5 г растворили в азотной кислоте. Раствор обработали соляной кислотой. Выпавший осадок промыли, высушили и взвесили. Масса его оказалась равной 0,398 г. Найти содержание серебра в сплаве.

Решение

При действии азотной кислоты серебро переходит в раствор в виде ионов Аg + , а после обработки полученного раствора соляной кислотой выпадает осадок AgCl, его масса 0,398 г.
Воспользуемся значениями молярных масс хлорида серебра и металлического серебра:

чтобы составить запись:

Рассчитаем массовую долю серебра в сплаве:

(Ag) = m(Ag)/m(сплава), (Ag) = 0,299/0,5 = 0,6, или 60%.

Задача 2. Сколько металлической меди растворилось в 500 мл 92,1%-й серной кислоты (плотность равна 1,83 г/мл), если конечная концентрация кислоты 91,6% (выделившуюся в реакции воду не учитывать).

Решение

Находим массу кислоты, содержащейся в растворе:

Находим массу воды в растворе:

m(Н₂O) = 500•1,83 – 842,7 = 915 – 842,7 = 72,3 г.

Массовая доля воды в растворе после реакции составляет 8,4% (т. к. 91,6% – Н₂SO₄).
Находим содержание Н₂SO₄ в растворе после реакции:

Значит, в реакцию вступило 842,7 – 788,4 = 54,3 г серной кислоты.
Составим уравнение реакции:

Найдем массу растворившейся меди:

m(Cu) = 64•54,3/196 = 17,7 г.

Задания для самоконтроля

1. Запишите уравнения реакций, соответствующих следующим превращениям:

а) Сu Сu(NO₃)₂ СuО СuSO₄ Сu Сu(ОН)₂;
б) ZnS ZnO ZnSO₄ Zn(OH)₂ ZnO Zn;
в) Fe FeS FeCl₂ FeCl₃ Fe(OH)₃ Fe₂O₃ FePO₄;
г) FeS₂ Fe(OH)₃ Fe₂(SO₄)₃ Fe(NO₃)₃ Fe₂O₃.

2. Как можно распознать в растворе:

а) сульфаты железа(III), меди(II) и цинка;
б) хлориды железа(II) и железа(III)?

3. Определите коэффициенты в уравнениях окислительно-восстановительных реакций методом электронного баланса.

а) К₂Сr₂O₇ + SnCl₂ + НСl СrCl₃ + SnCl₄ + КСl + Н₂O;
б) СrCl₃ + КNO₃ + К₂СО₃ K₂СrО₄ + СО₂ + КNO₂ + КСl;
в) МnO₂ + NаВiО₃ + НNО₃ HMnO₄ + BiONO₃ + NaNO₃ + H₂O;
г) К₂МnO₄ + Н₂О МnО₂ + КМnO₄ + КОН;
д) НNО₃ + FeO Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O.

4. Определите минимальный объем раствора с массовой долей азотной кислоты 80% и плотностью 1,45 г/мл, который потребуется для растворения серебра, полученного при взаимодействии 11,2 г железа с раствором, содержащим 51 г нитрата серебра.

5. Достаточно ли 29 мл раствора соляной кислоты, содержащего 0,146 массовых частей HCl (плотность 1,07 г/см 3 ), для растворения стальной детали массой 3,36 г?

6. Какой объем раствора соляной кислоты (концентрация 0,25 моль/л) потребуется для растворения 7,2 г смеси порошков железа и оксида железа(III), если массовая доля оксида железа равна 22,2%?

7. Образец оксида железа массой 32 г восстановили до металла оксидом углерода(II). Определите формулу оксида железа, если объем СО, вступившего в реакцию, составил при нормальных условиях 13,44 л.

10. Металлургия

Знать: основные способы получения металлов; сущность доменного производства чугуна; химизм производства стали; особенности промышленного получения алюминия; научные принципы металлургических производств.
Уметь: составлять уравнения реакций, отражающих различные способы промышленного получения металлов; сравнивать различные способы производства стали; раскрывать проблемы безотходных производств и охраны окружающей среды.
Основные понятия: металлургия, руда, пустая порода, пирометаллургия, гидрометаллургия, электрометаллургия, металлотермия, алюмотермия, флюсы, раскислители, передельный чугун, доменная печь, кислородный конвертор, легированные стали, закалка и отпуск стали.

Контрольные вопросы

1. Известно, что металлы нашли широкое применение в электротехнике. Какое свойство металлов используется в этом случае?
2. Приведите примеры применения металлов в быту и на производстве.
3. Железо является основным конструкционным металлом. Как вы это понимаете? Как железо используют в качестве конструкционного материала?
4. Что такое металлургия?
5. В чем отличие черной металлургии от цветной?
6. Какие руды вам известны?
7. Как улучшают состав и свойства руды? Что называют дроблением, размолом, флотацией, брикетированием, агломерацией, пустой породой?
8. Какие металлы в цветной металлургии относят к легким, тяжелым, благородным?
9. Какие вещества используют в металлургии в роли восстановителей?
10. Что называют пирометаллургией, металлотермией, гидрометаллургией, электрометаллургией, алюмотермией?
11. Дайте определение понятиям «рафинирование», «закалка».
12. Какие виды механической обработки металлов вам известны? Что называют прокаткой, прессованием, ковкой, волочением, штамповкой?
13. Что такое чугун и передельный чугун? Какие примеси содержатся в чугуне?
14. Назовите основные руды, используемые в производстве чугуна. Какие формулы им соответствуют?
15. Что называют флюсом, коксом, раскислителем, шихтой?
16. Как устроена доменная печь? Сделайте рисунок доменной печи.
17. Напишите уравнения реакций, лежащих в основе производства чугуна.
18. Назовите основные области применения чугуна.
19. Почему нельзя загружать в доменную печь сильно измельченные плавильные материалы?
20. Какова роль шлака в доменном процессе? Ответ подтвердите уравнениями соответствующих реакций.
21. Почему доменная печь должна работать в непрерывном режиме?
22. Опишите основные отличия стали от чугуна (состав и свойства).
23. Как чугун превращают в сталь? Какие способы получения стали вам известны?
24. Что такое легирование и отпуск стали?
25. Что называют квасцами? Приведите формулу алюмокалиевых квасцов.
26. Назовите алюмосодержащие руды.
27. Опишите превращение боксита в глинозем. Приведите соответствующее уравнение химической реакции.
28. Опишите промышленный процесс превращения глинозема в алюминий.
29. Какие сплавы алюминия вам известны?
30. Назовите основные области применения алюминия.

10.1. Решение задач по теме
«Металлургия»

Задача 1. Для легирования стали требуется внести в расплав титан с массовой долей 0,12%. Какую массу сплава ферротитана надо добавить к расплаву стали массой 500 кг, если массовые доли металлов в ферротитане составляют: титана – 30%, железа – 70%?

Решение

Пусть m(ферротитана) – х кг, тогда

m (Тi) = m (ферротитана) • (Тi) = 0,3x кг.

Находим массу стали после добавления ферротитана в сплав:

Массовая доля титана в полученном сплаве составит:

(Тi) = m (Тi)/m’ (стали),

Задача 2. Барий получают алюмотермическим восстановлением оксида бария. Какая масса бария будет получена при взаимодействии оксидного концентрата массой 600 г (массовая доля BaO 91,8%) с техническим алюминием массой 100 г (массовая доля алюминия 98,55%)?

Решение

Запишем уравнение реакции:

Найдем массу и количество вещества оксида бария, взятого для реакции:

m(ВаО) = 600•0,918 = 550,8 г, (ВаО) = 550,8/153 = 3,6 моль.

Найдем массу и количество вещества алюминия, взятого для реакции:

m(Аl) = 100•0,9855 = 98,55 г, (Аl) = 98,55/27 = 3,65 моль.

По уравнению реакции определяем, какое из веществ взято в избытке:

Расчет ведем по BаО:

(Ва) = (ВаО) = 3,6 моль, m(Ва) = 3,6•137 = 493,2 г.

Задания для самоконтроля

1. Составьте уравнения реакций промышленных способов получения металлов:

а) цинка из сульфида цинка;
б) калия из хлорида калия;
в) железа из оксида железа(III);
г) никеля из сульфата никеля.

2. Действием оксида углерода(II) восстановили 9,95 г оксида металла(II) и получили 7,82 г чистого металла. Какой оксид металла был взят? Какой объем оксида углерода(II) (н. у.) прореагировал в этой реакции?

Ответ. NiO; 2,97 л СО.

3. Определите массу технического алюминия (массовая доля алюминия 98,4%), который потребуется для алюминотермического получения ванадия массой 15,3 кг из оксида ванадия(V).

4. Образец сплава железа с углеродом массой 7,27 г растворили в серной кислоте, при этом выделился водород объемом 2,8 л (н. у.). Определите массовую долю углерода в сплаве. Какой сплав железа был взят?

5. Определите массу свинца, который можно получить из каждого килограмма руды, содержащей 0,717 массовой доли PbS, если в процессе получения теряется 1% металла.

Ответы на задания для самоконтроля

9.2. Решение задач по теме «Металлы побочных подгрупп»

10.1. Решение задач по теме «Металлургия»

Реакция железа с водой

Железо вода реакция

Реакцию железа с водой можно выразить следующим суммарным уравнением:

Реакция идет с достаточной скоростью при нагревании (примерно до 400 °С). На ней был основан железопаровой способ получения водорода, утративший в настоящее время практическое значение. Однако эта реакция представляет интерес для истории химии: этим превращением в конце XVIII в. было доказано, что вода не простое вещество, а химическое соединение, в состав которого входит «горючий воздух» (т. е. водород).

Для опыта удобно воспользоваться свежевосстановленным железом в виде порошка, полученным взаимодействием водорода с оксидом железа (III) при сильном нагревании. Вместо восстановленного железа можно взять железные стружки, очищенные от оксидов железа споласкиванием их в кислоте, обезжиренные раствором щелочи, промытые водой и высушенные. Однако в этом случае реакция протекает медленнее.

Железо помещают в железную трубку, куда подводится вода (водяной пар). На рисунке 2 изображен вариант I опыта в железной трубке с диаметром 1,5—2 см. Более удобной для опытов является изогнутая трубка с длиной колен 15 и 25 см, которую можно изготовить в порядке самооборудования.

Рис. 2. Установка для взаимодействие раскаленного железа с водяным паром (вариант I):

1 — железная трубка, 2 — пробки, 3 — алонж, 4 — капельная воронка, 5 — газоотводная трубка, 6 — цилиндр, 7 — чаша кристаллизационная, 5 — горелка с насадкой.

В среднюю часть трубки 1 ближе к пробке помещают около 20 г железного порошка (или железных стружек) и слабо запирают его стеклянной ватой. Концы трубки закрывают хорошо подогнанными корковыми пробками 2 с отверстиями для алонжа 3 с капельной воронкой 4 и газоотводной трубкой 5. Нагревают железную трубку, не доводя ее до красного каления (более высо кая температура способствует обратному — эндотермическому — процессу). Из капельной воронки 4 прибавляют по каплям воду.

После вытеснения из установки воздуха образующийся водород собирают в цилиндры и испытывают его, соблюдая правила техники безопасности. Заканчивают опыт: вынимают газоотводную трубку вместе с пробкой, прекращают нагревание железной трубки и приливание воды из капельной воронки. Содержащиеся в трубке оксиды железа могут быть использованы для восстановления из них железа для опытов, а иногда их оставляют в трубке для проведения другого опыта — восстановления оксидов железа водородом.

Рис. 3. Установка для взаимодействия железа с водяным паром (вариант II):

1 — колба круглодонная с водой, 2 —тройник, 3 — стеклянная трубка с порошком восстановленного железа между комками стеклянной ваты, 4 — газоотводная трубка, 5 — чаша кристаллизационная, б — цилиндр, 7 — газовая горелка со щелевой насадкой.

В другом варианте опыта, при котором пропускают над раскаленным железом не воду, а водяные пары, применяют не изогнутую, а прямую железную или фарфоровую трубку. В этой установке использовано сочетание двух типов реакторов: колба и реакционная трубка.

Для проведения опыта собирают установку, изображенную на рисунке 3. В трубке 3 помещают железный порошок или железные опилки между комками стеклянной ваты. Трубку сильно накаливают, после чего воду в колбе 1 доводят до кипения (для равномерного кипения в колбу помещают капилляры-кипятильники). Избыток пара выходит через тройник 2. Через несколько минут, когда из установки будет вытеснен воздух, подводят под цилиндр 6 газоотводную трубку и собирают водород. Наличие водорода доказывают поджиганием собранного в цилиндре газа.

Восстановление железа водородом

Взаимодействие железа с водой может протекать и в обратном направлении. Восстановление оксидов железа водородом — эндотермические процессы:

Для проведения опыта можно использовать установку, показанную на рисунке 3.

Рис. 3. Установка для получения железа восстановлением оксидов железа водородом:

1 — газоотводная трубка для подачи водорода, 2 — промывная склянка с концентрированной серной кислотой, 3 — железная трубка, 4 — стакан с охлаждающей смесью, 3 — приемник с обезвоженным медным купоросом, 6 — пробирка для собирания водорода.

Поступающий из аппарата Киппа по трубке 1 водород проходит через концентрированную серную кислоту в склянке 2 и в сухом виде проникает в реакционную трубку 3, и далее водород выходит наружу через трубку 6. После вытеснения из установки воздуха (проба водорода на чистоту!) водород поджигают у газоотводной трубки 6. Затем сильно нагревают трубку 3 с оксидом железа, что может привести к угасанию пламени у отверстия трубки 6. Через 10—15 мин разъединяют реактор с приемником, вынув пробку из него. В пробирке легко можно заметить голубые кристаллы медного купороса.

Они образовались при взаимодействии безводного сульфата меди с водой — одним из продуктов реакции водорода с оксидами железа. После этого прекращают нагревание трубки, продолжая пропускать водород до ее остывания. Высыпают содержимое трубки на стекло или в фарфоровую чашку и сравнивают его с исходным веществом. Если для опыта был взят оксид железа (III) красного цвета, то он отличается от образовавшегося продукта реакции — железа — по цвету и отсутствию магнитных свойств. В том же случае, когда в реакционной трубке находится оксид Fe₃О₄, в состав которого входит железо со степенями окисления +2 и +3, то исходные и конечные продукты идентифицируют при помощи разбавленной соляной кислоты, а не с помощью магнита, так как оба они — железо (Fe) и оксид железа (Fe₃О₄) — почти не отличаются по цвету и обладают магнитными свойствами.

Полученное таким способом железо может быть использовано в качестве катализатора при синтезе аммиака.

Железо восстановленное, Fe

Горючий порошок. Состав, % (масс): железо 98,5, углерод 0,18, кислород 0,9. Дисперсность образца менее 50 мкм. Т. самовоспл.: аэрогеля 240 °С, аэровзвеси 400 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 100 г/м 3 ; макс. давл. взрыва 250 кПа; макс, скорость нарастания давл. 3 МПа/с; МВСК 13,1% (об.); миним. энергия зажигания аэровзвеси 80 мДж. В зависимости от состава и дисперсности образца нижн. конц. предел распр. пл. колеблется в интервале 66—460 г/м 3 .

Железо Fe физические свойства

Порошок железа в зависимости от состава, крупности и технологии получения может быть горючим или трудногорючим веществом. Уменьшение размеров частиц порошка, т-ры восстановления или отжига, содержания кислорода способствуют развитию пирофорных свойств.

Железные порошки марок ПЖМ и ПЖОМ дисперсностью 40—100 мкм имеют следующие показатели пожаро-взрывоопасности: т. самовоспл. аэрогеля 260—460 °С, аэровзвеси 300—940 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 100—875 г/мз. макс. давл. взрыва 101,3—3039 кПа; скор, нарастания давл. взрыва 1 — 18,2 МПа/с; МВСК 13—18% (об.); миним. энергия зажигания 6,8—23 мДж; железные порошки марок ПЖС и ПЖИ не воспламеняются в слое вплоть до 1000 °С и в аэровзвеси до 2000 0 С.

Для определения пожароопасных свойств использованы нестандартные методики, можно применять распыленную воду.

Железо карбонильное

Горючий порошок. Содержание Fe 99% (масс). Дисперсность образца менее 74 мкм. Т. самовоспл.: аэрогеля 170 °С, аэровзвеси 320 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 105 г/м 3 ; миним. энергия зажигания 20 мДж; при конц. пыли 1000 г/м 3 макс, давл. взрыва 300 кПа; макс, скорость нарастания давл. 16,6 МПа/с; МВСК 10% (об.) при разбавлении пылевоздушной смеси диоксидом углерода. Для образца со следами аммиаками дисперсностью менее 44 мкм т. самовоспл.: аэрогеля 260 °С, аэровзвеси 460 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 120 г/м 3 ; при конц. пыли 500 г/м 3 макс. давл. взрыва 350 кПа; макс, скорость нарастания давл. 48,2 МПа/с; миним. энергия зажигания 120 мДж [471]. Средства тушения: табл. 4.1, гр. 3.

Железо карбонильное КЖ-20ф

Горючий серый порошок. Состав, % (масс): железо 97—98, углерод 0,7—0,8, азот 0,7—0,8, фосфор 0,01. Насыпная масса 2500—4500 кг/м 3 . Дисперсность образца 2—3 мкм. Т. воспл, 473 °С; т. самовоспл. 542 °С; т. тлен. 223 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 102 г/м 3 . Средства тушения: табл. 4.1, гр. 3.

Железо карбонильное КЖР-10ф

горючий серый порошок. Состав, % (масс): железо 97—98, углерод 0,8—0,9, азот 0,8—0,9, фосфор 0,01. Насыпная масса 2500—4500 кг/м 3 . Дисперсность образца 3—4 мкм. Т. воспл. 482 °С; т. самовоспл. 555 °С; т. тлен. 229 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 106 г/м 3 . Средства тушения: табл. 4.1, гр. 3.

Железо электролитическое

Горючее вещество, склонно к самовозгоранию. Дисперсность образца 25 мкм. Т. самовоспл. аэровзвеси 430 °С; т. тлен. 350 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 220 г/м 3 ; макс, давл. взрыва 330 кПа; миним. энергия зажигания 240 мДж; МВСК 13% (об.) [394, 532]. Средства тушения: табл. 4.1, гр. 10.

Статья на тему Реакция железа с водой

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Leave a Comment

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

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: