Желязо - обща характеристика на елемента, химични свойства на желязото и неговите съединения. Определяне на радиусите на атомите и йоните Максималният радиус на атома е желязото

Фигура 46. Контакт на частици в кристал

Използването на рентгенови лъчи за изследване на кристали позволява не само да се установи вътрешната структура на последните, но и да се определят размерите на частиците,образувайки кристал – атоми или йони.

За да разберете как се правят подобни изчисления, представете си, че частиците, от които е изграден кристалът, имат сферична форма и са в контакт една с друга. В този случай можем да приемем, че разстоянието между центровете на две съседни частици е равно на сумата от техните радиуси (фиг. 46). Ако частиците са прости атоми и се измерва разстоянието между тях, по този начин се определя радиусът на атома, очевидно равен на половината от намереното разстояние. Например, знаейки, че за металните натриеви кристали константата на решетката де равно на 3,84 ангстрьома, намираме, че радиусът rнатриевият атом е равен.

Определянето на радиусите на различни йони е малко по-трудно. Тук вече не е възможно просто да разделите разстоянието между йоните наполовина, тъй като размерите на йоните не са еднакви. Но ако радиусът на един от йоните r 1 е известен, радиусът на другия r 2 се намира лесно чрез просто изваждане:

r 2 = д - r 1

От това следва, че за да изчислите радиусите на различни йони, като използвате константите на кристалната решетка, трябва да знаете радиуса на поне един йон. Тогава намирането на радиусите на всички други йони вече няма да е трудно.

Използвайки оптични методи, беше възможно доста точно да се определят радиусите на флуорните йони F - (1.33 A) и кислород O - (1.32 A); Тези радиуси служат като начални стойности при изчисляване на радиусите на други йони. Например, определянето на константата на решетката на магнезиевия оксид MgO показа, че тя е равна на 2,1 ангстрьома. Като извадим радиуса на кислородния йон от тук, намираме радиуса на магнезиевия йон:

2,1 - 1,32 = 0,78 Å

Константата на решетката на натриевия флуорид е 2,31 Å; тъй като радиусът на флуорния йон е 1,33 ангстрьома, радиусът на натриевия йон трябва да бъде равен на:

2,31 -1,33 = 0,98 Å

Познавайки радиуса на натриевия йон и константата на решетката на натриевия хлорид, е лесно да се изчисли радиуса на хлорния йон и т.н.

По този начин са определени радиусите на почти всички атоми и йони.

Обща представа за размера на тези количества се дава от данните, дадени в табл. 7.

Таблица 7

Радиуси на атоми и йони на някои елементи

Както показват тези данни, в металите радиусите на атомите са по-големи от радиусите на йоните; в металоидите, напротив, радиусите на йоните са по-големи от радиусите на атомите.

Относителните размери на йоните, образуващи кристал, оказват огромно влияние върху структурата на пространствената решетка. Така например два много сходни по своята химическа природа - CsCl и NaCl, обаче образуват решетки от различен тип, като в първия случай всеки положителен йон е заобиколен от осем отрицателни йона, а във втория - само шест. Тази разлика се обяснява с факта, че размерите на цезиевите йони

и натрий не са едно и също. Редица съображения ни принуждават да приемем, че йоните трябва да бъдат разположени в кристала така, че всеки по-малък йон, ако е възможно, напълно да запълва пространството между големите йони около него и обратно; с други думи, отрицателните йони, които почти винаги са по-големи от положителните, трябва да обграждат положителните йони възможно най-близо, в противен случай системата ще бъде нестабилна. Тъй като радиусът на Cs + йона е 1,65 Å, а Na + йонът е само 0,98 Å, очевидно е, че повече Cl - йони могат да бъдат поставени около първия, отколкото около втория.

Броят на отрицателните йони, обграждащи всеки положителен йон в кристала, се нарича координационно число на дадена решетка. Изследване на структурата на различни кристали показва, че най-често срещаните координационни числа са 2, 3, 4, 6, 8 и 12.

Координационното число зависи от съотношението на радиуса на положителния йон към радиуса на отрицателния йон: колкото по-близко е това отношение до единица, толкова по-голямо е координационното число. Разглеждайки йоните като сфери, разположени в кристал според метода на най-плътното опаковане, е възможно да се изчисли при какво съотношение между радиусите на положителните и отрицателните йони трябва да се получи определено координационно число.

По-долу са теоретично изчислените най-големи координационни числа за дадено съотношение на радиуса.

Лесно е да се провери, че координационните числа за NaCl и CsCl, намерени от тази таблица, точно съответстват на действителното подреждане на йони в кристалите на тези вещества.

Желязото, както и местоположението му в периодичната таблица. Нека идентифицираме основните физични и химични свойства на този елемент и неговите области на използване.

Позиция в ПС

Желязото е d-елемент от група 8 (странична подгрупа). Той има атомен номер 26, относителна атомна маса 56 и неговият атом съдържа 26 протона, 26 електрона и 30 неутрона. Този метал има средна химическа активност и проявява редуциращи свойства. Характерни степени на окисление: +2, +3.

Характеристики на структурата на атома

Какво е електронна ютия? Ако разгледаме разпределението на електроните по енергийни нива, получаваме следната опция:

2е; 8e; 14-ти; 2д. Тази структура на електронната обвивка на атома на желязото показва местоположението му във вторична подгрупа и потвърждава членството му в d-семейството на елементите.

Да бъдеш сред природата

Желязото е един от най-разпространените химични елементи в природата. В земната кора процентното му съдържание е около 5,1%. Само три елемента присъстват в по-големи количества в дълбините на нашата планета: силиций, алуминий, кислород.

Желязни руди се намират в различни региони на Земята. Алхимиците са открили съединения на този метал в почвите. При производството на желязо се избират руди, в които съдържанието му надвишава 30 процента.

Магнитната желязна руда съдържа около седемдесет и два процента метал. Основните находища на магнетит се намират в Курската магнитна аномалия, както и в Южен Урал. В кървавия камък процентът на желязото достига 65 процента. Хематитът е открит в района на Кривой Рог.

Значение за растенията и животните

Каква роля играе желязото в живите организми? Структурата на атома обяснява неговите редуциращи свойства. Този химичен елемент му придава характерен червен цвят. Около три грама чисто желязо, повечето от които са включени в хемоглобина, се намират в тялото на възрастен. Основната цел е пренос на активен кислород към тъканите от белите дробове, както и отстраняване на получения въглероден диоксид.

Растенията също имат нужда от този метал. Като част от цитоплазмата, той участва активно в процесите на фотосинтеза. Ако растението няма достатъчно желязо, листата му са бели. При минимално торене с железни соли листата на растенията стават зелени.

Физични свойства

Разгледахме структурата на железния атом. Диаграмата потвърждава, че този елемент има метален блясък (има валентни електрони). Сребристобелият метал има доста висока точка на топене (1539 градуса по Целзий). Благодарение на добрата си пластичност, този метал може лесно да се валцува, щампова и кове.

Способността за магнетизиране и демагнетизиране, характерна за желязото, го прави отличен материал за производството на ядра на мощни електромагнити в различни устройства и електрически машини.

Колко активно е желязото? Структурата на атома показва наличието на два електрона във външното ниво, които ще бъдат предадени по време на химическа реакция. За да се увеличи неговата твърдост и здравина, се извършва допълнително валцуване и закаляване на метала. Такива процеси не са придружени от промяна в структурата на атома.

Видове желязо

Електронната структура на железния атом, чиято диаграма беше обсъдена по-горе, обяснява неговите химични характеристики. В търговски чистия метал, който е нисковъглеродна стомана, основният компонент е желязото. Около 0,04% от въглерода е идентифициран като примеси; присъстват също фосфор, азот и сяра.

Химически чистото желязо е подобно по външни параметри на платината. Има повишена устойчивост на корозионни процеси и е устойчив на киселини. При най-малкото въвеждане на примеси в чист метал неговите уникални характеристики изчезват.

Опции за получаване

Структурата на алуминиеви и железни атоми показва, че амфотерният алуминий принадлежи към основната подгрупа и възможността за използването му в процеса на отделяне на желязото от неговите оксиди. Алуминотермията, извършвана при повишени температури, позволява изолирането на чист метал от естествени руди. В допълнение към алуминия, въглерод (2) и въглища са избрани като силни редуциращи агенти.

Характеристики на химичните свойства

Какви химични свойства има желязото? Структурата на атома обяснява неговата редуцираща активност. Желязото се характеризира с образуването на две серии от съединения със степен на окисление +2, +3.

Във влажен въздух протича процесът на ръждясване (корозия) на метала, в резултат на което се образува железен хидроксид (3). Нагрятата желязна жица реагира с кислорода, за да образува черен прах от железен (2,3) оксид, наречен железен оксид.

При високи температури металът може да взаимодейства с водни пари, образувайки смесен оксид. Процесът е придружен от отделяне на водород.

Реакцията с неметали възниква само при предварително нагряване на изходните компоненти.

Желязото може да се разтвори в разредена сярна или солна киселина без предварително загряване на сместа. Концентрираните сярна и солна киселина пасивират този метал.

Какви други химични свойства има желязото? Атомната структура на даден елемент показва неговата средна активност. Това се потвърждава от подреждането на желязото преди водорода (H2) в серията на напрежението. Следователно, той може да измести от соли всички метали, разположени вдясно в серията на Бекетов. Така при реакцията с меден (2) хлорид, извършена чрез нагряване, се освобождава чиста мед и се получава разтвор на железен хлорид (2).

Области на използване

По-голямата част от цялото желязо се използва в производството на желязо и стомана. В чугуна процентът на въглерод е 3-4 процента, в стоманата - не повече от 1,4 процента. Този неметал действа като елемент, който увеличава силата на връзката. В допълнение, той има положителен ефект върху корозионните свойства на сплавите и повишава устойчивостта на материала към повишени температури.

Ванадиеви добавки са необходими за увеличаване на механичната якост на стоманата. Хромът повишава устойчивостта към агресивни химикали.

Феромагнитните свойства на този химичен елемент го правят популярен в промишлени инсталации, които включват електромагнити. Освен това желязото е намерило своето приложение в сувенирната индустрия. От него се изработват различни сувенири, като цветни магнити за хладилник.

Силата и ковкостта позволяват металът да се използва за създаване на броня и различни видове оръжия.

Железен хлорид (3) се използва за пречистване на вода от примеси. В медицината елемент 26 се използва при лечението на заболявания като анемия. При липса на червени кръвни клетки бързо настъпва умора, а кожата става неестествено бледа. Добавките с желязо помагат за премахване на този проблем и връщане на тялото към пълна активност. Желязото е от особено значение за дейността на щитовидната жлеза и черния дроб. За да избегнете сериозни проблеми в човешкото тяло, е достатъчно да консумирате около 20 mg от този метал на ден.

УЧЕБНИК ЗАДАЧИ ЛАБОРАТОРНИ ПРАКТИЧЕСКИ НАУЧНИ РАЗКАЗИ ЗА ЧЕТЕНЕ

Продължение. Виж No 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22/2003

§ 5.3 Същност
в кристално състояние

(продължение)

ЛАБОРАТОРНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ

1. Определяне на междуядрено разстояние в кристално желязо.

В тази експериментална работа ще се запознаете с определянето на плътността на метала - много важна характеристика, благодарение на която можете да прецените например състава и времето на производство на метален продукт.
Кога и от кого идва възклицанието “Еврика!”? Древногръцкият учен Архимед е роден в Сиракуза (остров Сицилия) около 287 г. пр.н.е. д. и е убит от римски войник по време на превземането на града по време на Втората пуническа война. Последните думи на Архимед: "Не пипайте рисунките ми." На Архимед се приписва фразата: „Дайте ми място да застана и аз ще преместя Земята“. Архимед намира решение на проблема с определянето на количеството злато и сребро в жертвената корона на сиракузкия владетел Хиеро, докато се къпе. Той изтича вкъщи гол с викове „Еврика!”, което означава „Намерен!” Опитайте се да кажете най-общо как Архимед доказва, че в короната има повече сребро от необходимото.

Очаква ви истинско научно изследване!
Работата се извършва от малка група от 2-4 души. Прочетете внимателно длъжностната характеристика, направете подробен експериментален план (с наличен метален образец и мерно стъкло) и предварително разпределете отговорностите (кой какво ще прави).
Експериментът се състои в определяне на плътността на метала, което позволява, използвайки числото на Авогадро, да се изчисли междуядреното разстояние, т.е. разстоянието между ядрата на атомите в кристал или молекула. Това разстояние е една от постоянните характеристики на това вещество.

Размерите на атомите и молекулите се изразяват в различни единици: сантиметри (cm), нанометри
(1 nm = 1 10 –9 m) и пикометри (1 pm = 1 10 –12 m). Преди това беше широко използвана несистемна единица за дължина, ангстрьом.

Вземете парче метал (желязо, мед, алуминий, олово), например желязна топка от голям лагер. Можете да използвате дебел железен пирон, като първо сте отрязали главата и върха му, за да направите цилиндър. Определете масата на взетия метал чрез претегляне.
Определете обема на измерената маса от същия метал. Ако наличният метал има формата на правилна геометрична фигура - куб, топка, цилиндър или друго, измерете размерите му с линийка или шублер. Използвайки математически знания, изчислете обема на детайла.

Можете да вземете голяма гайка или винт за кола или парче кабелна оплетка. Не е необходимо да вземете метала под формата на едно парче, можете да вземете шепа пирони, малки топки, изстрел и т.н. Ако имате парче метал с неправилна форма или малки парчета (топки, винтове, гайки, пирони, кламери и др., направени от един метал, а не от сплав), вие сами трябва да предложите начин за определяне на обема на метал с известна маса (успяхте ли вече да претеглите шепа или куп парчета метал без да губите нищо?).
Можете да направите това. Напълнете мерителния цилиндър около половината с вода и запишете обема му (по-точно!). Поставете парчетата метал в цилиндър с вода, докато водата покрие метала, и запишете получения обем вода и метал. Какъв е обемът на метала? Може да се случи, че ще има по-малко вода и няма да покрие целия метал. Какво да правим тогава? Помисли за това.
Изсипете точно известен обем вода в друг мерителен цилиндър и налейте достатъчно вода в цилиндъра с метал, за да покрие метала. Запишете позициите на нивата на водата в двата цилиндъра. Сега можете да изчислите обема на водата в цилиндъра с метал и обема, зает от вода и метал. Намерете обема на метала и като знаете неговата маса, определете неговата плътност.

След това изчислете обема, който ще съответства на броя на металните атоми на Авогадро. Определете обема на атом и изчислете междуядреното разстояние, като го приравните към дължината на ръба на куба, съдържащ атома.
Имайте предвид, че този метод за определяне на междуядрените разстояния е приблизителен. Въпреки това междуядрените разстояния в металните кристали, изчислени по този метод, съвпадат добре с тези, получени с други методи.
Вместо желязо можете да вземете други метали - мед, олово, дори злато и сребро.

Как да определим размера на един атом, например желязо? Знаете ли, че 1 мол Fe има маса
55,845 g; Плътността на желязото преди това беше определена експериментално. (Според референтни данни, кристалното желязо има плътност = 7,87 g/cm3). Нека изчислим обема на 1 мол желязо:

55,845 (g)/7,87 (g/cm3) = 7,1 cm3.

Нека определим обема на дял от един атом в кристалната структура на желязото. За да направите това, разделете обема на 1 мол атоми (моларен обем) на броя на атомите на Авогадро:

7,1 (cm 3)/6,02 1023 = 1,18 10 –23 cm 3.

Така диаметърът на железен атом в кристал е приблизително 0,000000023 см. Това е междуядреното разстояние. Полученото число не е диаметърът на изолиран атом, тъй като електронните обвивки на атомите са нещо подобно на облаци с много размазани ръбове. В строгата научна литература по химия и физика не се използват изразите „атомен диаметър“ или „атомен радиус“, а терминът „междуядрено разстояние“ и обозначението л(„ейл“). Защо е диаметърът на един железен атом ди междуядреното му разстояние лса равни, ще ви стане ясно от фиг. 5.6. Според референтни данни радиусът на железния атом е 124,1 pm = 1,24 10 –8 cm, така че междуядреното разстояние е 2,48 10 –8 cm.

Изразете междуядреното разстояние в кристално желязо в различни мерни единици.

2. Изследване на междуядрените разстояния на други елементи

Нека проследим промяната в междуядрените разстояния, използвайки примера на елементи от 4-ти период, които са в кристално състояние (при обикновена температура):

Начертайте графика на промените в междуядрените разстояния при преминаване от калий към селен. Ако успеете да обясните хода на промените в междуядрените разстояния, тогава ще разберете някои от характеристиките на конструкцията на периодичната таблица на елементите на Д. И. Менделеев.
Ако в бъдеще ще трябва да подготвите сплави от различни метали, тогава информацията за радиусите на атомите ще ви помогне да предвидите свойствата на сплавите.
Металните сплави са твърди системи, образувани от два или повече метала (както и метали и неметали). Сплавите имат по-добри свойства в сравнение с техните съставни метали. Една класификация на сплавите се основава на броя на фазите, които изграждат сплавта. Ако в сплавта има само една фаза, това е еднофазна система или твърд разтвор на един метал в друг.
Нека кажем няколко думи за твърдите разтвори. Рядко се наблюдава пълна взаимна разтворимост на металите във всяко съотношение. Това може да се случи с компоненти, които са сходни по свойства. Например златото и среброто могат да се разтварят едно в друго във всяко съотношение, тъй като са в една и съща подгрупа и размерите на атомите им са близки (съответно 1,442 10 –8 и 1,444 10 –8 cm).
Твърд разтвор – фаза с променлив състав, в която атомите на различни елементи са разположени в обща кристална решетка. Има твърди разтвори заместване И изпълнение .
Заместващ твърд разтвор се образува, когато атомите на разтворения метал са разположени в населени зони (възли) на решетката на разтворения метал. Радиусите на атомите в такива разтвори се различават един от друг с не повече от 15% (за железни сплави - с не повече от 8%). Посочете какви твърди разтвори могат да се образуват от горните метали.Друго важно изискване за образуването на заместващи твърди разтвори е, че металите трябва да бъдат електрохимично сходни, тоест те не трябва да са твърде далеч един от друг в серията на напрежение (по-точно в серията на електродния потенциал).
Интерстициален твърд разтвор се образува в резултат на това, че атомите на разтворения метал са разположени в кухините между населените места (възли) на кристалната решетка. Размерът на атомите на разтварящия се метал не трябва да бъде по-голям от 63% от размера на атома на разтварящия се метал.

ЖЕЛЯЗО(лат. Ferrum), Fe, химичен елемент от VIII група на периодичната система, атомен номер 26, атомна маса 55.847. Произходът на латинското и руското наименование на елемента не е ясно установен. Естественото желязо е смес от четири нуклида с масови числа 54 (съдържанието в естествената смес е 5,82% тегловни), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурацията на двата външни електронни слоя е 3s 2 p 6 d 6 4s 2. Обикновено образува съединения в степени на окисление +3 (валентност III) и +2 (валентност II). Известни са и съединения с железни атоми в степени на окисление +4, +6 и някои други.

В периодичната система на Менделеев желязото е включено в група VIIIB. В четвъртия период, към който принадлежи и желязото, тази група включва освен желязото също кобалта (Co) и никела (Ni). Тези три елемента образуват триада и имат подобни свойства.

Радиусът на неутралния железен атом е 0,126 nm, радиусът на Fe 2+ йона е 0,080 nm, а Fe 3+ йона е 0,067 nm. Енергиите на последователна йонизация на железния атом са 7.893, 16.18, 30.65, 57, 79 eV. Електронен афинитет 0,58 eV. Според скалата на Полинг електроотрицателността на желязото е около 1,8.

Желязото с висока чистота е лъскав сребристосив, пластичен метал, който се поддава добре на различни методи на механична обработка.

Физични и химични свойства:при температури от стайна температура до 917°C, както и в температурния диапазон 1394-1535°C, има -Fe с кубична центрирана решетка, при стайна температура параметърът на решетката А= 0,286645 nm. При температури 917-1394°C, -Fe с гранецентрирана кубична решетка T е стабилна ( А= 0,36468 nm). При температури от стайна температура до 769°C (така наречената точка на Кюри) желязото има силни магнитни свойства (казва се, че е феромагнитно); при по-високи температури желязото се държи като парамагнетик. Понякога парамагнитното -Fe с кубична центрирана решетка, стабилно при температури от 769 до 917 ° C, се счита за модификация на желязото, а -Fe, стабилно при високи температури (1394-1535 ° C), се нарича -Fe според традицията (идеите за съществуването на четири модификации на желязото са възникнали, когато рентгеновият дифракционен анализ все още не е съществувал и е нямало обективна информация за вътрешната структура на желязото). Точка на топене 1535°C, точка на кипене 2750°C, плътност 7,87 g/cm3. Стандартният потенциал на двойката Fe 2+ /Fe 0 е 0,447V, двойката Fe 3+ /Fe 2+ е +0,771V.

Когато се съхранява на въздух при температури до 200°C, желязото постепенно се покрива с плътен филм от оксид, който предотвратява по-нататъшното окисляване на метала. Във влажен въздух желязото се покрива с хлабав слой ръжда, който не пречи на достъпа на кислород и влага до метала и неговото разрушаване. Ръждата няма постоянен химичен състав, приблизително нейната химична формула може да бъде написана като Fe 2 O 3 xH 2 O.

Желязото реагира с кислород (O) при нагряване. Когато желязото гори на въздух, се образува Fe 2 O 3 оксид, а когато желязото гори в чист кислород, се образува Fe 3 O 4 оксид. Ако кислородът или въздухът преминат през разтопено желязо, се образува FeO оксид. При нагряване на сяра (S) и железен прах се образува сулфид, чиято приблизителна формула може да бъде написана като FeS.

Желязото реагира с халогени при нагряване. Тъй като FeF3 е нелетлив, желязото е устойчиво на флуор (F) до температури от 200-300°C. Когато желязото се хлорира (при температура около 200°C), се образува летлив FeCl3. Ако взаимодействието на желязо и бром (Br) настъпи при стайна температура или при нагряване и повишено налягане на бромните пари, се образува FeBr 3. При нагряване FeCl 3 и особено FeBr 3 отделят халогена и се превръщат в железни (II) халогениди. Когато желязото и йодът (I) реагират, се образува йодид Fe 3 I 8.

При нагряване желязото реагира с азот (N), образувайки железен нитрид Fe 3 N, с фосфор (P), образувайки фосфиди FeP, Fe 2 P и Fe 3 P, с въглерод (C), образувайки карбид Fe 3 C, със силиций ( Si), образувайки няколко силицида, например FeSi.

При повишено налягане металното желязо реагира с въглероден окис CO и се образува течност, при нормални условия, силно летливо желязо пентакарбонил Fe(CO) 5. Известни са и железни карбонили със състави Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12. Железните карбонили служат като изходни материали при синтеза на органични железни съединения, включително състава фероцен.

Чистото метално желязо е стабилно във вода и разредени алкални разтвори. Желязото не се разтваря в концентрирани сярна и азотна киселина, тъй като силен оксиден филм пасивира повърхността му.

Желязото реагира със солна и разредена (приблизително 20%) сярна киселина, за да образува железни (II) соли:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

Когато желязото реагира с приблизително 70% сярна киселина, реакцията протича до образуване на железен (III) сулфат:

2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O

Железният (II) оксид FeO има основни свойства, основата Fe (OH) 2 съответства на него. Железен (III) оксид Fe 2 O 3 е слабо амфотерен; той е съчетан с дори по-слаба основа от Fe (OH) 2, Fe (OH) 3, която реагира с киселини:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

Железен (III) хидроксид Fe(OH) 3 проявява слабо амфотерни свойства; способен е да реагира само с концентрирани разтвори на основи:

Fe(OH) 3 + KOH = K

Получените хидроксокомплекси на желязо(III) са стабилни в силно алкални разтвори. Когато разтворите се разреждат с вода, те се разрушават и железен (III) хидроксид Fe(OH) 3 се утаява.

Съединенията на желязо (III) в разтвори се редуцират от метално желязо:

Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2

При съхранение на водни разтвори на соли на желязо (II) се наблюдава окисление на желязо (II) до желязо (III):

4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2

От солите на желязо (II) във водни разтвори най-стабилна е двойната амониева сол на Мор и железен (II) сулфат (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O.

Желязото (III) е способно да образува двойни сулфати с еднократно заредени катиони като стипца, например KFe(SO 4) 2 желязо-калиева стипца, (NH 4)Fe(SO 4) 2 фериамониева стипца и др.

Когато газообразен хлор (Cl) или озон действат върху алкални разтвори на железни (III) съединения, се образуват железни (VI) фератни съединения, например калиев ферат (VI) (K): K 2 FeO 4. Има съобщения за получаване на съединения на желязо (VIII) под въздействието на силни окислители.

За откриване на железни (III) съединения в разтвор се използва качествена реакция на Fe 3+ йони с тиоцианатни йони CNS. Когато Fe 3+ йони взаимодействат с CNS аниони, се образува яркочервен железен тиоцианат Fe(CNS) 3. Друг реагент за Fe 3+ йони е калиев хексацианоферат (II) (K): K 4 (преди това вещество се наричаше жълта кръвна сол). Когато Fe 3+ и 4 йони взаимодействат, се образува яркосиня утайка.

Разтвор на калиев хексацианоферат (III) (K) K 3, наричан по-рано червена кръвна сол, може да служи като реагент за Fe 2+ йони в разтвор. Когато Fe 3+ и 3 йони взаимодействат, се образува яркосиня утайка със същия състав, както при взаимодействието на Fe 3+ и 4 йони.

желязо-въглеродни сплави:желязото се използва главно в сплави, предимно въглеродни (C) сплави, различни чугуни и стомани. В чугуна съдържанието на въглерод е по-високо от 2,14% от теглото (обикновено на ниво 3,5-4%), в стоманата съдържанието на въглерод е по-ниско (обикновено на ниво 0,8-1%).

Чугунът се произвежда в доменни пещи. Доменната пещ е гигантски (до 30-40 м височина) пресечен конус, кух отвътре. Вътрешните стени на доменната пещ са облицовани с огнеупорни тухли, дебелината на зидарията е няколко метра. Отгоре, обогатена (освободена от отпадъчни скали) желязна руда, редуциращ кокс (специални видове въглища, подложени на коксуване - нагрявани при температура около 1000 ° C без достъп на въздух), както и материали за топене (варовик и други), които насърчават сепарация се зареждат в доменната пещ с колички.от разтопени метални примеси шлака. Взрив (чист кислород (O) или въздух, обогатен с кислород (O)) се подава в доменната пещ отдолу. Тъй като материалите, заредени в доменната пещ, се понижават, температурата им се повишава до 1200-1300°C. В резултат на редукционни реакции, протичащи главно с участието на кокс C и CO:

Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Появява се метално желязо, което е наситено с въглерод (C) и тече надолу.

Тази стопилка периодично се освобождава от доменната пещ през специална отваряща се клетка и се оставя да се втвърди в специални форми. Чугунът може да бъде бял, така нареченият чугун (от него се произвежда стомана) и сив или чугун. Белият чугун е твърд разтвор на въглерод (C) в желязо. В микроструктурата на сивия чугун могат да се разграничат микрокристали от графит. Поради наличието на графит, сивият чугун оставя отпечатък върху бялата хартия.

Чугунът е крехък и се чупи при удар, така че пружини, листови пружини или всякакви продукти, които трябва да се огъват, не могат да бъдат направени от него.

Твърдият чугун е по-лек от разтопения чугун, така че когато се втвърди, той не се свива (както е обичайно при втвърдяване на метали и сплави), а се разширява. Тази функция ви позволява да правите различни отливки от чугун, включително да го използвате като материал за художествено леене.

Ако съдържанието на въглерод (C) в чугуна се намали до 1,0-1,5%, тогава се образува стомана. Стоманите могат да бъдат въглеродни (такива стомани нямат други компоненти освен Fe и C) и легирани (такива стомани съдържат добавки от хром (Cr), никел (Ni), молибден (Mo), кобалт (Co) и други метали, които подобряват механичните и други свойства на стоманата).

Стоманите се произвеждат чрез обработка на чугун и метален скрап в кислороден преобразувател, електродъгова пещ или пещ с отворена пещ. При такава обработка съдържанието на въглерод (C) в сплавта се намалява до необходимото ниво; както се казва, излишният въглерод (C) се изгаря.

Физическите свойства на стоманата се различават значително от свойствата на чугуна: стоманата е еластична, може да се кове и валцува. Тъй като стоманата, за разлика от чугуна, се свива по време на втвърдяване, получените стоманени отливки се подлагат на компресия във валцувани мелници. След валцуването кухините и кухините, които са се появили по време на втвърдяването на стопилките, изчезват в обема на метала.

Производството на стомана има дълга, дълбока традиция в Русия, а стоманата, произведена от нашите металурзи, е с високо качество.

История на производството на желязо:желязото е играло и продължава да играе изключителна роля в материалната история на човечеството. Първото метално желязо, попаднало в човешки ръце, вероятно е с метеоритен произход. Желязните руди са широко разпространени и често се срещат дори на повърхността на Земята, но самородното желязо на повърхността е изключително рядко. Вероятно преди няколко хиляди години човек е забелязал, че след изгаряне на огън в някои случаи се наблюдава образуването на желязо от онези парчета руда, които случайно са попаднали в огъня. Когато гори огън, редуцирането на желязото от рудата става поради реакцията на рудата както директно с въглища, така и с въглероден оксид (II) CO, образуван по време на горенето. Възможността за получаване на желязо от руди беше значително улеснена от откритието на факта, че когато рудата се нагрява с въглища, се появява метал, който след това може да бъде допълнително пречистен по време на коване. Извличането на желязо от руда с помощта на процеса на издухване на сирене е изобретено в Западна Азия през 2-ро хилядолетие пр.н.е. Периодът от 9-ти до 7-ми век пр. н. е., когато металургията на желязото се развива сред много племена в Европа и Азия, се нарича желязна епоха, която заменя бронзовата епоха. Подобренията в методите на продухване (естествената тяга е заменена с мехове) и увеличаването на височината на ковачницата (появяват се пещи с нисък вал) доведоха до производството на чугун, който започна да се топи широко в Западна Европа от 14 век. Полученият чугун се превръща в стомана. От средата на 18-ти век въглищният кокс започва да се използва в процеса на доменни пещи вместо дървени въглища. Впоследствие методите за получаване на желязо от руди бяха значително подобрени и в момента за тази цел се използват специални устройства: доменни пещи, кислородни конвертори и електродъгови пещи.

Намиране в природата:Желязото е доста широко разпространено в земната кора, то представлява около 4,1% от масата на земната кора (4-то място сред всички елементи, 2-ро сред металите). Известни са голям брой руди и минерали, съдържащи желязо. Най-голямо практическо значение имат червените железни руди (хематитова руда, Fe 2 O 3; съдържа до 70% Fe), магнитни железни руди (магнетитова руда, Fe 3 O 4; съдържа 72,4% Fe), кафяви железни руди (хидрогетитова руда НFeO 2 · н H 2 O), както и железни руди (сидеритова руда, железен карбонат, FeCO 3; съдържа около 48% Fe). В природата се срещат и големи находища на пирит FeS2 (други имена са серен пирит, железен пирит, железен дисулфид и други), но рудите с високо съдържание на сяра все още не са от практическо значение. Русия е на първо място в света по запаси от желязна руда. Морската вода съдържа 1·10 5 1·10 8% желязо.

Приложение на желязото, неговите сплави и съединения:Чистото желязо има доста ограничени приложения. Използва се при производството на сърцевини на електромагнити, като катализатор за химически процеси и за някои други цели. Но железните сплави - чугун и стомана - формират основата на съвременната технология. Много съединения на желязото също се използват широко. Така железен (III) сулфат се използва при пречистване на вода, железни оксиди и цианид служат като пигменти при производството на багрила и т.н.

Биологична роля:желязото присъства в телата на всички растения и животни като микроелемент, тоест в много малки количества (средно около 0,02%). Въпреки това, железните бактерии, които използват енергията на окисление на желязо (II) в желязо (III) за хемосинтеза, могат да натрупат до 17-20% желязо в клетките си. Основната биологична функция на желязото е участието в транспорта на кислород (О) и окислителните процеси. Желязото изпълнява тази функция като част от сложни протеини - хемопротеини, чиято простетична група е железопорфириновият комплекс - хем. Сред най-важните хемопротеини са дихателните пигменти хемоглобин и миоглобин, универсални преносители на електрони в реакциите на клетъчното дишане, окисление и фотосинтеза, цитохроми, каталозни и пероксидни ензими и др. При някои безгръбначни желязосъдържащите дихателни пигменти хелоеритрин и хлорокруорин имат структура, различна от хемоглобините. По време на биосинтезата на хемопротеините желязото се прехвърля към тях от протеина феритин, който съхранява и транспортира желязото. Този протеин, една молекула от който съдържа около 4500 железни атома, е концентриран в черния дроб, далака, костния мозък и чревната лигавица на бозайници и хора. Дневната нужда на човек от желязо (6-20 mg) се покрива в изобилие от храната (богати на желязо са месо, черен дроб, яйца, хляб, спанак, цвекло и други). Тялото на средностатистически човек (телесно тегло 70 kg) съдържа 4,2 g желязо, 1 литър кръв съдържа около 450 mg. При липса на желязо в организма се развива жлезиста анемия, която се лекува с лекарства, съдържащи желязо. Добавките с желязо се използват и като общоукрепващи средства. Прекомерната доза желязо (200 mg или повече) може да има токсичен ефект. Желязото е необходимо и за нормалното развитие на растенията, поради което има микроторове на базата на железни препарати.

Желязото е елемент от страничната подгрупа на осма група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев с атомен номер 26. Означава се със символа Fe (лат. Ferrum). Един от най-често срещаните метали в земната кора (на второ място след алуминия). Метал със средна активност, редуциращ агент.

Основни степени на окисление - +2, +3

Простото вещество желязо е ковък сребристобял метал с висока химическа реактивност: желязото бързо корозира при високи температури или висока влажност на въздуха. Желязото гори в чист кислород, а във фино диспергирано състояние спонтанно се запалва във въздуха.

Химични свойства на просто вещество - желязо:

Ръждясване и изгаряне в кислород

1) Във въздуха желязото лесно се окислява в присъствието на влага (ръждясва):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

Нагорещена желязна тел гори в кислород, образувайки скала - железен оксид (II, III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °C)

2) При високи температури (700–900°C) желязото реагира с водна пара:

3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) Желязото реагира с неметали при нагряване:

2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)

Fe + S – t° → FeS (600 °C)

Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°C)

4) В серията на напрежението той е отляво на водорода, реагира с разредени киселини HCl и H 2 SO 4 и се образуват железни (II) соли и се отделя водород:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакциите се провеждат без достъп на въздух, в противен случай Fe +2 постепенно се превръща от кислород в Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (разреден) → FeSO 4 + H 2

В концентрирани окислителни киселини желязото се разтваря само при нагряване, веднага се превръща в катион Fe 3+:

2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(в студена, концентрирана азотна и сярна киселина пасивирам

Железен пирон, потопен в синкав разтвор на меден сулфат, постепенно се покрива с покритие от червена метална мед.

5) Желязото измества металите, разположени вдясно от него, от разтворите на техните соли.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Амфотерните свойства на желязото се проявяват само в концентрирани алкали по време на кипене:

Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O= Na 2 ↓+ H 2

и се образува утайка от натриев тетрахидроксоферат(II).

Технически хардуер- сплави на желязо и въглерод: чугунът съдържа 2,06-6,67% С, стомана 0,02-2,06% С, често присъстват други естествени примеси (S, P, Si) и изкуствено въведени специални добавки (Mn, Ni, Cr), което придава на железните сплави технически полезни свойства - твърдост, термична и корозионна устойчивост, ковкост и др. . .

Процес на производство на чугун в доменна пещ

Процесът на доменна пещ за производство на чугун се състои от следните етапи:

а) подготовка (изпичане) на сулфидни и карбонатни руди - превръщане в оксидна руда:

FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2800°C, -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2 500-600°C, -CO 2)

б) изгаряне на кокс с горещ взрив:

C (кокс) + O 2 (въздух) → CO 2 (600-700 ° C) CO 2 + C (кокс) ⇌ 2 CO (700-1000 ° C)

в) редукция на оксидна руда с въглероден оксид CO последователно:

Fe2O3 →(CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe

г) карбуризация на желязо (до 6,67% С) и топене на чугун:

Fe (t ) →(° С(Кока Кола)900-1200°C) Fe (течност) (чугун, точка на топене 1145°C)

Чугунът винаги съдържа цементит Fe 2 C и графит под формата на зърна.

Производство на стомана

Превръщането на чугун в стомана се извършва в специални пещи (конверторни, отворени, електрически), които се различават по метода на нагряване; температура на процеса 1700-2000 °C. Издухването на обогатен с кислород въздух води до изгаряне на излишния въглерод, както и на сяра, фосфор и силиций под формата на оксиди от чугуна. В този случай оксидите или се улавят под формата на отработени газове (CO 2, SO 2), или се свързват в лесно отделима шлака - смес от Ca 3 (PO 4) 2 и CaSiO 3. За производството на специални стомани в пещта се въвеждат легиращи добавки от други метали.

Касова бележкачисто желязо в промишлеността - електролиза на разтвор на железни соли, например:

FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90°С) (електролиза)

(има и други специални методи, включително редукция на железни оксиди с водород).

Чистото желязо се използва в производството на специални сплави, в производството на сърцевини на електромагнити и трансформатори, чугун - в производството на отливки и стомана, стомана - като конструкционни и инструментални материали, включително устойчиви на износване, топлина и корозия нечий.

Железен(II) оксид Е EO . Амфотерен оксид със силно преобладаване на основни свойства. Черен, има йонна структура Fe 2+ O 2-. При нагряване първо се разлага и след това се образува отново. Не се образува при изгаряне на желязото на въздух. Не реагира с вода. Разлага се с киселини, стопява се с основи. Бавно се окислява във влажен въздух. Редуциран от водород и кокс. Участва в доменния процес на топене на желязо. Използва се като компонент на керамика и минерални бои. Уравнения на най-важните реакции:

4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 °C, 900-1000 °C)

FeO + 2HC1 (разреден) = FeC1 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 (конц.) = Fe(NO 3) 3 +NO 2 + 2H 2 O

FeO + 4NaOH = 2H 2 O + на 4ЕдО3 (червено.) триоксоферат(II)(400-500 °C)

FeO + H 2 = H 2 O + Fe (изключително чист) (350°C)

FeO + C (кокс) = Fe + CO (над 1000 °C)

FeO + CO = Fe + CO 2 (900°C)

4FeO + 2H 2 O (влага) + O 2 (въздух) → 4FeO(OH) (t)

6FeO + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500°C)

Касова бележка V лаборатории: термично разлагане на съединения на желязо (II) без достъп на въздух:

Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)

FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 °C)

Дижелезен(III) оксид - желязо( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Двоен оксид. Черно, има йонна структура Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Термично стабилен при високи температури. Не реагира с вода. Разлага се с киселини. Редуциран с водород, горещо желязо. Участва в доменния процес на производство на чугун. Използва се като компонент на минерални бои ( червено олово), керамика, цветен цимент. Продукт от специално окисляване на повърхността на стоманени продукти ( почерняване, посиняване). Съставът съответства на кафява ръжда и тъмен нагар върху желязото. Не се препоръчва използването на брутната формула Fe 3 O 4. Уравнения на най-важните реакции:

2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (над 1538 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8НС1 (разр.) = FeС1 2 + 2FeС1 3 + 4Н 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (конц.) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (въздух) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 ° C)

(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (изключително чист, 1000 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 (500-800°C)

(Fe II Fe 2 III)O4 + Fe ⇌4FeO (900-1000 °C, 560-700 °C)

Касова бележка:изгаряне на желязо (виж) във въздуха.

магнетит.

Железен(III) оксид Е e 2 O 3 . Амфотерен оксид с преобладаващи основни свойства. Червено-кафяв, има йонна структура (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Термично стабилен до високи температури. Не се образува при изгаряне на желязото на въздух. Не реагира с вода, от разтвора се утаява кафяв аморфен хидрат Fe 2 O 3 nH 2 O. Реагира бавно с киселини и основи. Редуцирано от въглероден окис, разтопено желязо. Слива се с оксиди на други метали и образува двойни оксиди - шпинели(техническите продукти се наричат ​​ферити). Използва се като суровина при топенето на чугун в процеса на доменни пещи, катализатор при производството на амоняк, компонент на керамика, цветни цименти и минерални бои, при термитно заваряване на стоманени конструкции, като носител на звук и изображение върху магнитни ленти, като полиращ агент за стомана и стъкло.

Уравнения на най-важните реакции:

6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °C)

Fe 2 O 3 + 6НС1 (разл.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)

Fe 2 O 3 + 2NaOH (конц.) → H 2 O+ 2 нАЕдО 2 (червен)диоксоферат(III)

Fe 2 O 3 + MO=(M II Fe 2 II I)O 4 (M=Cu, Mn, Fe, Ni, Zn)

Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O+ 2Fe (изключително чист, 1050-1100 °C)

Fe 2 O 3 + Fe = 3FeO (900 °C)

3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 + CO 2 (400-600 °C)

Касова бележкав лабораторията - термично разлагане на соли на желязо (III) във въздуха:

Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °C)

4(Fe(NO 3) 3 9 H 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 °C)

В природата - руди от железен оксид хематит Fe 2 O 3 и лимонит Fe 2 O 3 nH 2 O

Железен(II) хидроксид Е e(OH)2. Амфотерен хидроксид с преобладаващи основни свойства. Бели (понякога със зеленикав оттенък), Fe-OH връзките са предимно ковалентни. Термично нестабилен. Лесно се окислява на въздух, особено когато е мокър (потъмнява). Неразтворим във вода. Реагира с разредени киселини и концентрирани алкали. Типичен редуктор. Междинен продукт при ръждясването на желязото. Използва се при производството на активната маса на желязо-никелови батерии.

Уравнения на най-важните реакции:

Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, atm.N 2)

Fe(OH) 2 + 2HC1 (разреден) = FeC1 2 + 2H 2 O

Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (синьо-зелен) (кипещ)

4Fe(OH) 2 (суспензия) + O 2 (въздух) → 4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)

2Fe(OH) 2 (суспензия) +H 2 O 2 (разреден) = 2FeO(OH)↓ + 2H 2 O

Fe(OH) 2 + KNO 3 (конц.) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 °C)

Касова бележка: утаяване от разтвор с основи или амонячен хидрат в инертна атмосфера:

Fe 2+ + 2OH (разреден) = Еe(OH) 2 ↓

Fe 2+ + 2(NH3H2O) = Еe(OH) 2 ↓+ 2NH 4

Железен метахидроксид Е еО(ОН). Амфотерен хидроксид с преобладаващи основни свойства. Светлокафявите, Fe - O и Fe - OH връзки са предимно ковалентни. При нагряване се разлага, без да се топи. Неразтворим във вода. Утаява се от разтвора под формата на кафяв аморфен полихидрат Fe 2 O 3 nH 2 O, който при задържане в разреден алкален разтвор или при изсушаване се превръща в FeO (OH). Реагира с киселини и твърди основи. Слаб окислител и редуциращ агент. Спечен с Fe(OH) 2. Междинен продукт при ръждясването на желязото. Използва се като основа за жълти минерални бои и емайллакове, абсорбер на отпадъчни газове и катализатор в органичния синтез.

Съединението със състав Fe(OH)3 е неизвестно (не е получено).

Уравнения на най-важните реакции:

Fe 2 O 3 . nH 2 O→( 200-250 °C, —з 2 О) FeO(OH)→( 560-700° C на въздух, -H2O)→ Fe 2 O 3

FeO(OH) + ZNS1 (разреден) = FeC1 3 + 2H 2 O

FeO(OH)→ Fe 2 О 3 . nH 2 О-колоид(NaOH (конц.))

FeO(OH)→ на 3 [Еe(OH)6]бяло, Na 5 и K 4 съответно; и в двата случая се утаява син продукт със същия състав и структура, KFe III. В лабораторията тази утайка се нарича пруско синьо, или търнбул синьо:

Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓

Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓

Химични наименования на изходните реагенти и реакционни продукти:

K 3 Fe III - калиев хексацианоферат (III)

K 4 Fe III - калиев хексацианоферат (II)

КFe III - желязо (III) калиев хексацианоферат (II)

В допълнение, добър реагент за Fe 3+ йони е тиоцианатният йон NСS -, желязото (III) се комбинира с него и се появява яркочервен („кървав“) цвят:

Fe 3+ + 6NCS - = 3-

Този реагент (например под формата на KNCS сол) може дори да открие следи от желязо (III) в чешмяната вода, ако премине през железни тръби, покрити с ръжда отвътре.