zabika.ru 1

Железо


Расположен в 4 периоде VIIIВ группе. Важнейшие природные руды железа: магнетит Fe3O4; гематит или красный железняк Fe2O3; лимонит, или бурый железняк Fe2O3∙H2O; сидерит FeCO3;пирит (железный, или серный колчедан) FeS2.

Простое вещество железо-сравнительно мягкий ковкий металл серебристого цвета. В соответствии с большим числом валентных электронов металлическая связь в железе более прочная, чем в уже рассмотренных металлах IVA- и IIA-групп, а также в алюминии. Поэтому железо имеет более высокие температуры кипения и плавления. Железо относится к группе тяжёлых металлов (ρ=7,874 г/см3)

Химические свойства железа

Общая характеристика. В химическом отношении железо-металл средней активности. Компактное железо вполне устойчиво в сухой атмосфере из-за образования защитной оксидной плёнки; в отсутствие влаги при обычных условиях железо не взаимодействует с хлором (поэтому хлор хранят и перевозят в железных баллонах)

Взаимодействие железа с простыми веществами. Железо непосредственно реагирует с кислородом, образуя в зависимости от условий оксиды состава Fe+2O, Fe3O4 (( Fe+2 ,Fe+3 ) O4) и Fe+3O3. Термическая устойчивость оксидов в ряду Fe2O3→Fe3О4 →FeO повышается, что влияет на возможность их образования в тех или иных условиях протекания реакции: при обычных условиях наиболее устойчив Fe2O3, при температурах 500-700°С - Fe3О4, при ещё более высоких температурах (≈1200°С) –FeO.

Высокодисперсное железо обладает пирофорными свойствами ( т.е. самовоспламеняется на воздухе), в этом случае образуется оксид железа (III):

4Fe+3O2=2Fe2O3

В чистом кислороде окисление железа протекает более интенсивно, чем на воздухе, температура реакции выше, поэтому в этих условиях образуется более устойчивый смешанный оксид Fe3О4(при температуре =570 градусов)


3Fe+2O2=Fe3O4

При ещё более высоких температурах наибольшей устойчивостью обладает оксид железа (II), который и образуется, если реакцию проводить при 1200 - 1300°С:

2Fe+O2=2FeO

Если охлаждённый оксид железа (II), нагреть до 570°С, то он, как и следовало ожидать, превращается в более устойчивый при этой температуре Fe3О4 :

4FeO=Fe3O4+Fe

При нагревании до 200 - 250°С железо в присутствии влаги реагирует с хлором с образованием летучего хлорида железа (III):

2Fe+3Cl2=2FeCl3

При нагревании смеси(600°С) железа с серой образуется сульфид железа (II):

Fe+S=FeS

С водородом железо не реагирует, но растворяется его( однако гораздо хуже, чем платина, палладий и никель) как в твёрдом, так и в расплавленном состоянии.

В расплавленном состоянии железо взаимодействует с углеродом. Образуется цементит Fe3С:

3Fe+C=Fe3C

Взаимодействие железа со сложными веществами:

В отсутствие кислорода железо высокой степени чистоты в обычных условиях с водой не реагирует. Однако в присутствии кислорода железо с водой медленно взаимодействует (подвергается коррозии). Упрощённо процесс описывается уравнением:

4Fe+3O2+xH2O=2Fe2O3∙xH2O

При температуре ≈570°С железо реагирует с парами воды с образованием устойчивого при данной температуре смешанного оксида:

3Fe+4H2O=Fe2O3+4H2

При более высоких температурах(900°С) преимущественно образуется FeO:

Fe+H2O=FeO+H2

При нагревании железо реагирует с хлороводородом:

Fe+2HCl(г)=FeCl2+H2

Кислоты-не окислители (точнее, кислоты, являющиеся окислителями за счёт ионов водорода) взаимодействуют с железом с образованием солей железа (II) и выделением водорода:


Fe+2HCl=FeCl2+H2

Fe+H2SO4(разб)=FeSO4+H2

Серная кислота с w(H2SO4) ≈70 % реагирует с железом при нагревании с образованием сульфата железа(III) и выделением оксида серы(IV):

2Fe+6H2SO4(конц)=Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O

Более концентрированная серная кислота не реагирует с железом даже при нагревании.

Концентрированная азотная кислота реагирует с железом при нагревании с преимущественным выделением NO2 и образованием нитрата железа (III):

Fe+6HNO3(конц)=Fe(NO3)3+3NO2↑+3H2O

С w(HNO3) ≈30-40 %, образуется оксид азота (II), при этом образуется нитрат железа(III)

Fe+4HNO3=Fe(NO3)3+NO↑+2H2O

Очень разбавленной 2-3% азотная кислота взаимодействует с железом с образованием нитрата железа(II) и нитрата аммония

4Fe+10HNO3(очень разб.)=4Fe(NO3)2+NH4NO3+3H2O

Железо вытесняет из водных растворов солей менее активные ( расположенные в э/х ряду правее железа) металлы, при этом в основном образуются соли Fe+2

Fe(т)+CuSO4(p-p)=FeSO4(p-p)+Cu(т)

Fe(т)+3AgNO3(p-p)=Fe(NO3)3+3Ag(т)

Оксиды и гидроксиды железа

Оксид железа(II) FeO – твёрдое чёрное вещество, tпл=1360°C, плотность 5,7 г/см3.При нагревании до 570-700°С разлагается:

4FeO=Fe+Fe3O4

Взаимодействует с кислотами( в атмосфере азота во избежание окисления Fe2+ в Fe3+)

FeO+2HCl=FeCl2+H2O

Из-за выраженных окислительных свойств концентрированной азотной кислоты растворении FeO в ней является окислительно-восстановительным процессом:


FeO+4HNO3(конц)=Fe(NO3)3+NO2↑+2H2O

С очень разбавленной (2-3%) азотной кислотой оксид железа (II) реагирует по типу реакции обмена:

FeO+2HNO3(очень разб)=Fe(NO3)2+H2O

Кислород окисляет оксид железа (II) до оксидов с более высокой степенью окисления железа(570°С):

6FeO+O2=2Fe3O4

4FeO+O2=2Fe2O3( температура менее 570°С)

Напротив, восстановители (водород, кокс, оксид углерода (II)) восстанавливают FeO до свободного железа(при высокой температуре):

FeO+H2=Fe+H2O

FeO+C(кокс)=Fe+CO↑

FeO+CO=Fe+CO2

Получение оксида железа (II).1. Разложение проводят в инертной атмосфере(например, атмосфере азота):

Fe(OH)2=FeO+H2O

FeCO3=FeO+CO2

FeC2O4=FeO+CO↑+CO2

Оксалат железа(II)

2. Частичное восстановление оксидов Fe3O4 и Fe2O3 водородом, коксом или оксидом углерода (II):

Fe3O4+H2=3FeO+H2O

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – порошок белого цвета, связи Fe-OH имеют преимущественно ковалентный характер.

Гидроксид железа(II) является слабым амфотерным электролитом с сильным преобладанием основных свойств:

Fe(OH)2+2HCl=FeCl2+2H2O (в атмосфере азота)

Fe(OH)2+2NaOH=Na2[Fe(OH)4]↓

При нагревании легко отщепляет воду:

Fe(OH)2=FeO+H2O

Окислители переводят гидроксид железа (II) в гидроксид железа (III), который со временем (при нагревании быстро) теряет воду с образованием бурого метагидроксида железа (III) FeO(OH):


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

2Fe(OH)2+H2O2(разб)=2Fe(OH)3

4Fe(OH)3=H2O+FeO(OH)

Получают по реакции обмена соли железа (II) с разбавленным раствором щёлочи или водным раствором аммиака в инертной атмосфере:

FeCl2+2KOH=Fe(OH)2↓+2KCl

Оксид железа (II, III) Fe
3O4 – твёрдое чёрное вещество, содержит железо в степенях окисления +2 и +3(железная окалина). Термически устойчив вплоть до 700°С, выше этой температуры более устойчив оксид железа (II)

2Fe3O4=6FeO+O2

Смешанный оксид взаимодействует с кислотами:

Fe3O4+8HCl=FeCl2+2FeCl3+4H2O

Fe3O4+10HNO3(конц)=3Fe(NO3)3+NO2↑+5H2O

Кислород окисляется до оксида железа (III):

4Fe3O4+O2=6Fe2O3

Восстанавливается до оксида железа (II) либо до чистого железа(в избытке восстановителя):

Fe3O4+4H2=4H2O+3Fe

3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe

Fe3O4+CO=3FeO+CO2↑

Получение: взаимодействие железа с водой или кислородом, частичным восстановлением Fe2O3 или неполным окислением:

3Fe2O3+H2=2Fe3O4+H2O

Оксид железа (III) Fe2O3 – самый устойчивый при обычных условиях оксид железа. Это красно-бурое твёрдое вещество, имеет ионное строение, с водой не реагирует. При нагревании превращается в более устойчивый при высоких температурах смешанный оксид:


6Fe2O3=4Fe3O4+O2

Этот оксид является амфотерным оксидом с преобладанием основных свойств, реагирует с кислотами, труднее-со щелочами, карбонатами:

Fe2O3+6HCl=2FeCl3+3H2O

Fe2O3+2NaOH(конц)=H2O+2NaFeO2(диоксоферрат(III) натрия (феррит натрия))

Fe2O3+Na2CO3=2NaFeO2+CO2

В зависимости от мольного соотношения восстанавливается до железа или смешанного оксида:

Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe2O3+Fe=3FeO

Получение (при температуре):

2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O

4Fe(NO3)3=2Fe2O3+12NO2↑+3O2

Гидроксид железа (III) растворяется в кислотах, однако с разбавленными растворами щелочей не реагирует, взаимодействие возможно только с концентрированными растворами щелочей при нагревании или сплавлении с кристаллическими щелочами, термически неустойчив:

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

Fe(OH)3+3NaOH(конц)=Na3[Fe(OH)6](гексагидроксоферрат (III) натрия), при температуре

Fe(OH)3(т)+NaOH(т)=2H2O+NaFeO2 (феррит натрия), при температуре

2Fe(OH)3=Fe2O3+3H2O (при температуре)

Получают по реакции обмена между солью и разбавленным раствором щелочи или аммиака:

FeCl3+3KOH=Fe(OH)3↓+3KCl


Fe(NO3)3+3NH3∙H2O=Fe(OH)3↓+3NH4NO3

Получение железа, чугуна и стали

В чистом виде встречается очень редко. Получают его(при температуре):

Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O

3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3

FeCl2=Fe+Cl2↑- электролиз расплава

Fe(CO)5=Fe+5CO↑

Основная масса железа потребляется в виде сплавов с углеродом и другими элементами. Таковыми сплавами является чугун и сталь. Чугун хрупок, а сталь можно ковать, штамповать. Из чугуна отливают станины машин, плиты, трубы. Сталь идёт на изготовление различных инструментов, болтов, гвоздей. Основное отличие между чугуном и сталью состоит в относительном содержании углерода. В чугунах его массовая доля составляет более 2% , а в сталях – менее 2%.

Плавят чугун в доменных печах. Сам процесс происходит следующим образом:

С+O2=CO2

CO2+C=2CO

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2

Fe3O4+CO=3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2

Восстановление железа из руды заканчивается при температуре 1100°С.

Переработка чугуна в сталь сводится к удалению из него избытка углерода и других примесей окислением кислородом при высокой температуре в специальных установках – мартеновских печах, конвертерах или электропечах.

Особенно нежелательно в сталях повышенное содержание фосфора и серы, делающих её хрупкой и ломкой. Эти примеси удаляют добавлением в расплавленный чугун негашеной извести:

FeS+CaO=CaS+FeO

P2O5+4CaO=Ca3(PO4)2∙CaO (томасов шлак)