Железо — Знание-сила

Железо

ПЕРЕХОДНЫЕ МЕТАЛЛЫ

Переходные металлы — элементы побочных подгрупп периодической системы (d- и f- элементы).

Общие свойства

  1. Все переходные элементы- металлы имеют низкую электроотрицательность.
  2. Все элементы проявляют переменные степени окисления. Начиная с III группы низшая степень окисления имеет основной характер, высшая – кислотный, средние – амфотерный.
  3. Все элементы образуют комплексные соединения.

ПОДГРУППА ЖЕЛЕЗА

Свойства элементов подгруппы железа

Атомный
номер
НазваниеЭлектронная
конфигурация  
r
г/см3
t°пл.
°C
t°кип.
°C
ЭОАтомный
радиус,
нм
Степень
окисления
26Железо Fe[Ar] 3d64s27,87153527501,640,128+2,+3
27Кобальт Co[Ar] 3d74s28,9149528701,70,125+2,+3
28Никель Ni[Ar] 3d8 4s28,9145327321,750,124+1,+2,+3,+4

 Получение
металлов подгруппы железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II)

FeO + C Fe + CO

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2

NiO + C Ni + CO

Co2O3 + 3C 2Co + 3CO

Fe

d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса – 56; (26p11; 30 n01), 26ē

Металл средней активности, восстановитель.

Основные степени окисления — +2, +3

Железо и его соединения

Химические свойства

  1. На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O2 + 6H2 O 4Fe(OH)3

Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II,III):

3Fe + 2O2 Fe3O4

2. При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H2O  –t° ->   Fe3O4 + 4H2­

3. Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

2Fe + 3Br2  – ->   2FeBr3

Fe + S  – ->   FeS

4. Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах:

Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2­

Fe + H2SO4(разб.) -> FeSO4 + H2­

В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании

2Fe + 6H2SO4(конц.)  – ->   Fe2(SO4)3 + 3SO2­ + 6H2O

Fe + 6HNO3(конц.)  – ->   Fe(NO3)3 + 3NO2­ + 3H2O

(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).

5. Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu¯

Соединения двухвалентного железа

Гидроксид железа (II)

Образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

FeCl + 2KOH 2KCl + Fе(OH)2¯

Fe(OH)2 — слабое основание, растворимо в сильных кислотах:

Fe(OH)2 + H2SO4 FeSO4 + 2H2O

Fe(OH)2 + 2H+   Fe2+ + 2H2O

При прокаливании Fe(OH)2 без доступа воздуха образуется оксид железа (II) FeO:

Fe(OH)2  – ->   FeO + H2O

В присутствии кислорода воздуха белый осадок Fe(OH)2, окисляясь, буреет – образуя гидроксид железа (III) Fe(OH)3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3

Соединения железа (II) обладают восстановительными свойствами, они легко превращаются в соединения железа (III) под действием окислителей:

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 3Fe2(SO4)3 + 2NO­ + 4H2O

Соединения железа склонны к комплексообразованию (координационное число=6):

FeCl2 + 6NH3 [Fe(NH3)6]Cl2

Fe(CN)2 + 4KCN K4[Fe(CN)6](жёлтая кровяная соль)

Качественная реакция на Fe2+

При действии гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] (красной кровяной соли) на растворы солей двухвалентного железа образуется синий осадок (турнбулева синь):

3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] Fe3[Fe(CN)6]2¯ + 3K2SO4

3Fe2+ + 3SO42- +6K+ + 2[Fe(CN)6]3- Fe3[Fe(CN)6]2¯ + 6K+ + 3SO42-

3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3- Fe3[Fe(CN)6]2¯

Соединения трёхвалентного железа

Оксид железа (III)

Образуется при сжигании сульфидов железа, например, при обжиге пирита:

4FeS2 + 11O2 2Fe2O3 + 8SO2­

или при прокаливании солей железа:

2FeSO4  – -> Fe2O3 + SO2­ + SO3­

Fe2O3 — основной оксид, в незначительной степени проявляющий амфотерные свойства

Fe2O3 + 6HCl  – ->   2FeCl3 + 3H2O

Fe2O3 + 6H+  – ->   2Fe3+ + 3H2O

Fe2O3 + 2NaOH + 3H2O  – ->   2Na[Fe(OH)4]

Fe2O3 + 2OH + 3H2O 2[Fe(OH)4]

Гидроксид железа (III)

Образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа: выпадает в виде красно–бурого осадка

Fe(NO3)3 + 3KOH Fe(OH)3¯ + 3KNO3

Fe3+ + 3OH Fe(OH)3¯

Fe(OH)3 – более слабое основание, чем гидроксид железа (II).

Это объясняется тем, что у Fe2+ меньше заряд иона и больше его радиус, чем у Fe3+, а поэтому, Fe2+ слабее удерживает гидроксид-ионы, т.е. Fe(OH)2 более легко диссоциирует.

В связи с этим соли железа (II) гидролизуются незначительно, а соли железа (III) — очень сильно. Для лучшего усвоения материалов этого раздела рекомендуется просмотреть видеофрагмент (доступен только на CDROM). Гидролизом объясняется и цвет растворов солей Fe(III): несмотря на то, что ион Fe3+ почти бесцветен, содержащие его растворы окрашены в жёлто-бурый цвет, что объясняется присутствием гидроксоионов железа или молекул Fe(OH)3, которые образуются благодаря гидролизу:

Fe3+ + H2O [Fe(OH)]2+ + H+

[Fe(OH)]2+ + H2O [Fe(OH)2]+ + H+

[Fe(OH)2]+ + H2O Fe(OH)3 + H+

При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот становится более светлой вследствие подавления гидролиза. Fe(OH)3 обладает слабо выраженной амфотерностью: он растворяется в разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:

Fe(OH)3 + 3HCl FeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + 3H+ Fe3+ + 3H2O

Fe(OH)3 + NaOH Na[Fe(OH)4]

Fe(OH)3 + OH [Fe(OH)4]

Соединения железа (III) — слабые окислители, реагируют с сильными восстановителями:

2Fe+3Cl3 + H2S-2 S0 + 2Fe+2Cl2 + 2HCl

Качественные реакции на Fe3+

  1. При действии гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок (берлинская лазурь):

4FeCl3 +3K4[Fe(CN)6] Fe4[Fe(CN)6]3¯ + 12KCl

4Fe3+ + 12Cl + 12K+ + 3[Fe(CN)6]4-   Fe4[Fe(CN)6]3¯ + 12K+ + 12Cl

4Fe3+ + 3 [Fe(CN)6]4- Fe4[Fe(CN)6]3¯

2. При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe3+ роданистого калия или аммония появляется интенсивная кроваво-красная окраска роданида железа(III):

FeCl3 + 3NH4CNS -> 3NH4Cl + Fe(CNS)3

(при взаимодействии же с роданидами ионов Fe2+ раствор остаётся практически бесцветным).

Применение

Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов.

Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа(III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей.

Железо и его сплавы, важнейшие конструкционные материалы в технике и промышленном производстве. Из сплавов железа с углеродом изготавливаются почти все конструкции в машиностроении и тяжелой промышленности.

Легковые, грузовые автомобили, станки, железные дороги, корпуса и силовые установки судов – все это делается в основном из стали. Масштаб производства стали является одной из основных характеристик общего технико-экономического уровня развития государства. На долю стали приходится около 95% всей металлической продукции.

Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых. Магнитная окись железа — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п. Также железо входит в большинство магнитных сплавов.

Железо находит широкое применение в виде солей. Хлорид железа III (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат. Десятиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве. Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Задачи:

  1. С помощью каких реакций можно осуществить следующие превращения:
    a) Fe304 → Fe → FeCl2 → FeCl3
    б) FeSO4 → Fe(OH)2 → Fe(OH)3→ Fe2O3 → Fe
    в) Fe → FeSO4 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3 → Fe(NO3)3
    Напишите уравнения реакций в молекулярной форме.
  2. Железо массой 7 г прореагировало с хлором (хлор в избытке). Полученный хлорид растворили в воде массой 200 г. Вычислите массовую долю соли в полученном растворе.
  3. Используя значения стандартных электродных потенциалов, определите, может ли железо реагировать с водными растворами следующих веществ: а) CuSO4 б) ZnSO4; в) НСl; г) КСІ; д) Mn(NO3)2; e) AgNO3. Напишите уравнения соответствующих реакций.
  4. Сплав железа с углеродом массой 5 г поместили в соляную кислоту (кислота в избытке). По окончании реакции объем выделившегося водорода составил 1,96 л (нормальные условия). Вычислите массовую долю углерода в сплаве с железом.
  5. В состав железной руды входят магнетит Fe304 (массовая доля 65%) и другие вещества, которые не содержат железо. Вычислите массу железа, которое можно получить из руды массой 800 кг
  6. Железо с углеродом образует карбид, в котором массовая доля железа равна 93,3%. Определите простейшую формулу этого карбида
Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить
Не копируйте текст!