| Характеристика | Fe | Co | Ni |
| Электронная конфигурация | ...3 d 64 s 2 | ...3 d 74 s 2 | ...3 d 84 s 2 |
| Металлический радиус атома, нм | 0,126 | 0,125 | 0,124 |
| Энергия ионизации I 1, кДж/моль | |||
| Сродство к электрону Ее _, кДж/моль | 45,57 | 63,87 | 111,54 |
| Относительная электроотрицательность c (по шкале Полинга) | 1,83 | 1,88 | 1,91 |
| Температура плавления, °С | |||
Стандартный электродный потенциал Е  , В
| –0,44 | –0,28 | –0,25 |
| Характерные степени окисления в соединениях | +2, +3, +6 | +2, +3 | +2, +3 |
Из приведенных данных следует, что Fe, Co, Ni имеют близкие значения радиусов атомов, энергии ионизации. Так как они очень сходны между собой по свойствам, их выделяют в семейство железа. Это металлы со средней восстановительной активностью, в ряду стандартных электродных потенциалов расположены до водорода. В соответствии со значениями Е о активность в ряду Fe → Co → Ni понижается.
Высшая степень окисления +6 встречается только у железа. Она осуществляется за счет перехода 4 s -электрона на 4 р -подуровень. Это соединения с ковалентным характером связи. Железо (III) более устойчиво, чем железо (II), т. к. имеет по одному электрону на каждой из пяти d -орбиталей. Кобальт (III) устойчив только в комплексных соединениях, для никеля наиболее характерна степень окисления +2. Соединения со степенью окисления +2, +3 имеют ионную связь с долей ковалентности.
Fe, Co, Ni ферромагнитны, являются основой всех практически важных магнитных материалов. Ферромагнетизм – разновидность парамагнетизма, при которой намагниченность сохраняется после устранения внешнего магнитного поля. Соединения никеля и особенно кобальта ядовиты.
Природные соединения. В природе изредка встречается самородное железо метеоритного или вулканического происхождения. Важнейшие минералы, содержащие Fe:
| Fe2O3 – | красный железняк; |
| Fe2O3 × n H2O – | бурый железняк; |
| Fe3O4 – | магнитный железняк; |
| FeCO3 – | сидерит; |
| FeS2 – | железный колчедан, пирит. |
Физические свойства. Железо – сравнительно мягкий ковкий металл серебристо-серого цвета, обладает магнитными свойствами. Так как у железа большое число валентных электронов, металлическая связь в нем прочная, железо имеет высокие температуры плавления (1538°С) и кипения (2750°С). Железо относится к группе тяжелых металлов (плотность 7,87 г/см3). Основные сплавы железа – чугун (содержание углерода 1,7–4,0%), углеродистые стали (содержание углерода 0,3–4,0%). Легированные стали содержат легирующие добавки (Cr, Ni, Mn, V, Mo и др.).
Получение железа. В промышленности железо получаютв виде сплавов с углеродом и другими компонентами (чугуны и стали).Выплавку чугуна проводят в домнах – больших печах высотой до 80 м, выложенных изнутри огнеупорным кирпичом. Снизу в печь подают горячий воздух, обогащенный кислородом. В нижней части доменной печи происходит сгорание угля с образованием углекислого газа:
С + О2 = СО2.
Выделяющейся при этом теплоты оказывается достаточно для протекания процесса. Углекислый газ, проходя через слои кокса, восстанавливается до оксида углерода (II), который, реагируя с железной рудой, восстанавливает ее до металла:
CO2 + C 
2CO;
3Fe2O3 + CO 2Fe3O4 + CO2;
Fe3O4 + CO 3FeO + CO2;
FeO + CO Fe + CO2.
Для удаления содержащихся в руде примесей, например кварцевого песка SiО2, в печь добавляют флюсы – известняк или доломит, которые разлагаются до оксидов CaO, MgO, связывающих примеси в легкоплавкие шлаки (CaSiО3, MgSiО3). Помимо железа кокс восстанавливает и примеси, содержащиеся в руде, например фосфор, серу, марганец, частично кремний:
Са3(РО4)2 + 5С ЗСаО + 5СО + 2Р;
CaSО4 + 4С CaS + 4СО;
МnО + С Мn + СО;
SiО2 + 2С Si + 2СО.
В расплавленном металле сера присутствует в виде сульфида FeS, фосфор – фосфида Fe3P, кремний – силицида SiC, а избыточный углерод – карбида Fe3C (цементита). Выходящие из домны газы называют доменными, или колошниковыми. Примерно на одну треть по объему они состоят из угарного газа, поэтому их используют как топливо для подогрева воздуха, поступающего в доменную печь.
Получают чугун (содержит 2‒6% углерода). Чугун служит сырьем для производства стали. Суть происходящих при выплавке стали процессов заключается в удалении из сплава излишнего количества углерода. Для этого через расплавленный чугун пропускают кислород, который окисляет углерод, содержащийся в чугуне в виде графита или цементита, до угарного газа. Содержание углерода уменьшается до 2%. «Передел» чугуна в сталь осуществляется конверторным или мартеновским методами, а также в электропечах.
Сталь тверже железа, труднее гнется, более упруга, легче ломается, хотя и не так хрупка, как чугун. Чем выше содержание углерода, тем она тверже. В обычных сортах стали допускается присутствие не более 0,05% серы и 0,08% фосфора. Даже незначительная примесь серы делает сталь хрупкой при нагревании; в металлургии это свойство стали называют красноломкостью. Содержание в стали фосфора вызывает хладоломкость – хрупкость при низких температурах. Закаленная сталь образуется при резком охлаждении стали, нагретой до температуры красного каления. Такая сталь обладает высокой твердостью, но хрупка. Из закаленной стали изготавливают режущий инструмент. При медленном охлаждении получается отпущенная сталь – она мягкая и пластичная. Легированием – введением в расплав легирующих добавок: хрома, марганца, ванадия и других металлов – получают специальные сорта стали. Сталь, содержащая более 13% хрома, утрачивает способность корродировать на воздухе, становится нержавеющей. Особо прочные стали, содержащие марганец, используют для отливки брони.
Чистое железо может быть получено методом электролиза расплавов солей железа или восстановлением оксидов водородом:
2FeCl3 
2Fe + 3Cl2;
Fe2O3 + 3Н2 2Fe + 3Н2O.
Для многих современных отраслей техники требуется железо очень высокой степени чистоты. Очистку технического железа проводят карбонильным методом. Железо взаимодействует с оксидом углерода (II) при повышенном давлении и температуре 100–200°С, образуя пентакарбонил железа:
Fe + 5CO Fe(CO)5.
Пентакарбонил железа – жидкость, которую легко можно отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250°С карбонил легко разлагается, образуя порошок железа:
Fe(CO)5 Fe + 5CO.
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме, то получится металл, содержащий 99,98–99,999% железа.
Химические свойства железа. Железо является металлом средней активности. В электрохимическом ряду напряжений оно расположено до водорода, но правее щелочных и щелочноземельных металлов. При повышенной температуре железо реагирует как с простыми, так и со сложными веществами.
С кислородом в зависимости от условий железо образует оксиды различного состава:
4Fe + 3O2 
2Fe2O3;
 |
3Fe + 2O2 Fe3O4;
 |
2Fe + O2 2FeO;
 |
2Co + O2 2CoO;
 |
2Ni + O2 2NiO.
С галогенами Fe, Co, Ni реагируют при нагревании, образуя кристаллические соединения:
2Fe + 3Г2 = 2FeГ3 (Г = F, Cl, Br), но Fe + I2 = FeI2;
2Co + 3F2 = 2CoF3;
(Ni) Co + Г2 = Co Г2 (Г = Cl, Br, I).
Никель не разрушается фтором даже при температуре красного каления, поэтому из него изготавливают аппаратуру, работающую в атмосфере фтора.
С серой при нагревании Fe, Co, Ni энергично взаимодействуют, образуя сульфиды MeS, MeS2:
Fe + S FeS (FeS2).
Все сульфиды являются нестехиометрическими соединениями.
С азотом Fe, Co, Ni взаимодействуют, образуя нитриды разного состава (Fe2N, CoN, Ni3N2).
С углеродом металлы семейства железа в расплавленном состоянии реагируют, образуя карбиды, чаще всего Ме3С:
3 Fe + C = Fe3C (цементит).
Нитриды, карбиды – это продукты внедрения атомов неметалла в пустоты кристаллической структуры металла. Они неустойчивы, разлагаются под действием разбавленных кислот.
Металлы семейства железа, особенно никель, поглощают значительное количество водорода, образуя нестехиометрические соединения типа FeH, NiH2. Это черные пирофорные порошки, самовоспламеняющиеся на воздухе. Металлы семейства железа, в особенности Ni, широко используются в качестве катализаторов в реакциях гидрирования.
В ряду стандартных электродных потенциалов Fe, Co, Ni располагаются до водорода, но из-за образования оксидных пленок с водой реагируют только при высоких температурах:
3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2.
В присутствии кислорода железо медленно реагирует с водой при обычных условиях (процесс коррозии):
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 (Fe2O3 · n H2O).
В кислотах-неокислителях растворяются с выделением водорода, образуя ионы Ме2+:
Fe + 2 HCl = FeCl2 + H2.
Состав продуктов взаимодействия разбавленной азотной кислоты с железом зависит от концентрации кислоты:
Fe + 4HNO3(разб) = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O;
4Fe + 10HNO3(оч.разб) 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O.
Кобальт и никель в такой реакции дают соли Co2+(NO3)2, Ni2+(NO3)2.
Концентрированные H2SO4 и HNO3 пассивируют Fe, Co, Ni (поэтому H2SO4 перевозят в железной таре), при нагревании реакции протекают:
2Fe + 6H2SO4(конц) Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O;
Fe + 6HNO3(конц) Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O.
Железо, кобальт и никель устойчивы по отношению к растворам и даже расплавам щелочей.