Особенности химических свойств

Железо и его соединения

План.

1) Особенности строения атомов железа и других переходных металлов.

2) Особенности физических и химических свойств

3) Нахождение в природе, получение и применение железа. Сплавы.

4) Соединения железа, их свойства. Роль железа в организме человека и применение его соединений в медицине.

5) Коррозия.

5) Другие важнейшие переходные металлы

Особенности строения атомов. Железо как представитель переходных металлов.

Железо находится в 4 периоде, в 8 группе, побочной подгруппе, относится к d-элементам. Т.е. на внешнем 4-ом электронном слое находится два электрона, идет заполнение предпоследнего уровня, 3d-подуровня.

Электронная конфигурация железа 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶

В химических процессах у атомов побочных металлов принимают участие не только s²-электроны последнего электронного уровня, но и электроны незавершенного d-подуровня. Такие электроны называют валентными. Как именно это происходит - зависит от конкретной конфигурации электронов (от энергии такой конфигурации).

Для железа, как и для почти всех d-элементов, возможна степень окисления +2. При этом атом железа «теряет» два электрона которые находятся у него на внешнем 4 слое.

Т.е. у него остается 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶

Такая конфигурация неустойчива. Напомним, максимально выгоден полностью заполненный слой (правило октета), потом - полностью заполненный подуровень, потом - наполовину заполненный подуровень). Значит степень окисления +2 будет для железа неустойчивой, нехарактерной. Потеряв еще один электрон железо приобретает наполовину завершенный подуровень 3d⁵ и стабильную степень окисления +3.

Возможны и другие степени окисления, но в школьном курсе такие соединения не изучаются, для железа они – экзотичны. Помните только, что железо может использовать при образовании соединений и остальные свои валентные электроны.

2. Физические свойства. Серебристо белый металл, проводит электрический ток и тепло, довольно мягкий, пластичный, тяжелый ρ 7,8 г/см³, тугоплавкий (температура плавления около 1530 ) (существуют несколько аллотропических модификаций железа обозначаемых греческими буквами с разными температурами плавления и плотностями), имеет магнитные свойства.

Особенности химических свойств

Металл средней активности, восстановитель. Со слабыми окислителями железо окисляется до степени окисления +2, с сильными – до +3.

При нагревании (особенно в раздробленном состоянии) окисляется кислородом и другими неметаллами.

Fe + O₂ → FeO∙Fe₂O₃ (Fe₃O₄ )

Fe + Cl₂ → FeCl₃

Fe + S → FeS

На воздухе в присутствии малейших следов влаги железо окисляется кислородом при обычной температуре. Этот процесс носит название «ржавление железа», а образовавшийся гидратированный оксид железа называют ржавчиной. А на химическом языке этот процесс, протекающий самопроизвольно при контакте железа с окружающей средой, принято называть коррозией.

Fe + H₂O + O₂ → Fe(OH)₃ или Fe₂O₃∙nH₂O

Окисляется железо и ионами водорода. Это может быть перегретый водяной пар или разбавленные растворы кислот. Обычно образуется смесь соединений со степенями окисления и +2 и +3. Можно сказать и иначе: образуются соединения со степенью окисления +2, которые кислородом воздуха легко окисляются до соответствующих соединений, со степенью окисления +3.

Т.е. в отсутствие воздуха окисление разбавленными кислотами-неокислителями проходит по уравнению:

Fe + HCl → FeCl₂ + H₂

Концентрированные кислоты-окислители при нагревании окисляют железо до более высокой степени окисления

Fe + H₂SO_{4 (конц)} → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + H₂O

Обратите внимание! Так эта реакция проходит при нагревании, а на холоду железо пассивируются, и с кислотами уже не взаимодействует. С растворами щелочей железо при н.у. тоже не взаимодействует.

Железо может окисляться ионами малоактивных металлов (Cu²⁺, Sn²⁺…):

Fe + Hg(NO₃)₂ → Hg+ Fe(NO₃)₂

Нахождение в природе

Содержание в земной коре – 5,1% по массе, второй после алюминия металл по распространенности. В свободном состоянии встречается только в составе метеоритов. А обычно - в виде соединений:

магнитный железняк (магнетит, Курская магнитная аномалия), красный железняк (гематит, Криворожский железно-рудный бассейн), бурый железняк, шпатовый железняк, железный колчедан (пирит) .

Получение

1). Восстановлением из оксидов (доменный процесс). Суть процесса: Fe₂O₃ + С → Fe + СO₂, т.е. восстановление оксида железа, содержащегося в железной руде, коксом. Третьим компонентом необходимым для доменного процесса являются флюсы (СаСО₃), они переводят тугоплавкие пустые породы (SiO₂) в легкоплавкие и легкие шлаки (силикаты). Процесс проводят в домнах (печи высотой обычно около 25 м и диаметром до 10 м). Это непрерывный производственный процесс. Сверху засыпают шихту (кокс, руда, флюсы), снизу подают кислород. Восстановленное железо плавится и стекает в нижнюю часть печи – горн. Оттуда его периодически выпускают. Но это железо содержит много углерода. Т.е. в домнах получают не железо, а его твердый и хрупкий сплав – чугун.

Процесс удаления лишнего углерода из чугуна называют переделкой. Его суть заключается в окислении «лишнего» углерода кислородом. Этот процесс проводят в мартеновских печах или кислородных конвекторах. Сырьем кроме чугуна является железный лом, легирующие добавки, кислород. В результате получается ковкий сплав железа – сталь.

2). Можно восстанавливать железо с помощью электрического тока или активных металлов (алюминотермия), эти методы используется в странах, имеющих дешевую электроэнергию.

Применение железа

В чистом виде железо обычно не используют. Любые примеси, иногда очень незначительные, сильно изменяют свойства железа, а главное – усиливают его склонность к коррозии. Поэтому из чистого железа изготавливают только сердечники электромагнитов, якоря электродвигателей, а в основном используют сплавы железа. Для железа существует два вида сплавов: чугуны и стали. Чугуны содержат более 2% углерода, стали – меньше 2%.

Чугуны твердые, химически стойкие. В отличии от других сплавов чугун увеличивает объем при переходе от жидкого состояния к твердому. Чугун бывает:

Передельный (до 90% от всего выплавленного чугуна) - содержит углерод в основном в виде цементита. Используют для переработки в сталь. Очень твердый и хрупкий.

Литейный чугун содержит углерод в виде кристаллов графита. Механически литейный чугун менее хрупкий. Используют для изготовления литых изделий (станины станков, посуда…).

Стали содержат углерода менее 2% (а чаще и менее 1%), но содержат специальные добавки, которые называют легирующими (хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кремний…). Сталь можно подвергать ковке и прокату, она более пластична, чем чугун, особенно при высокой температуре. Легирующие добавки сильно меняют свойства стали. Так можно изготавливают нержавеющие, инструментальные, жаропрочные стали и т.д.

Соединения железа.

Для всех переходных металлов характерна зависимость свойств соединений элемента от его степени окисления. Чем выше с.о. элемента тем сильнее проявляются кислотные и окислительные свойства его соединения.

Железо (II)

FeO (твердое черное вещество, нерастворимое в воде)

Fe(OH)₂ (бледно-зеленый студенистый осадок, твердое вещество практически нерастворимое в воде)

FeCl₂ и др. соли (кристаллические вещества бледно-зеленого цвета, используют в с/х как микроудобрение)

Основные свойства оксида и гидроксида (т.е. они легко вступают в реакцию нейтрализации с кислотами, а с основаниями практически не взаимодействуют)

FeО + HCl → FeCl₂ + H₂О

Fe(OH)₂ + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O

Восстановительные свойства (т.е. они очень легко окисляются)

Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O → Fe(OH)₃

Железо (III)

Fe₂O₃ (твердое вещество красно-коричневого цвета, нерастворимое в воде, известно под названием железный сурик, используется как пигмент для красок, как окислитель в пиротехнических смесях)

Fe(OH)₃ (бурый студенистый осадок, твердое вещество практически нерастворимое в воде, ржавчина)

FeCl₃ и др. соли (кристаллические вещества коричневого или желтого цвета, используют для очистки воды, в медицине - как окислитель, бактерицидное средство)

Оксид и гидроксид имеют амфотерные свойства (т.е. они вступают в реакцию нейтрализации и с кислотами и со щелочами, но основные свойства преобладают)

Fe(OH)₃ + HCl → FeCl₃ + H₂О

Fe(OH)₃ + NaOH → Na₃[Fe(OH)₆]

Окислительные свойства у соединений проявляются слабо, т.е. взаимодействуют только с сильными восстановителями)

FeCl₂ + H₂S → FeCl₂ + S + HCl