Железо в химии: свойства и происхождение (общая характеристика, строение и химические реакции)

Железо

Железо (Fe от лат. Ferrum) — элемент восьмой группы (по старой классификации — латеральная подгруппа восьмой группы) четвертого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Один из самых распространенных в земной коре: второе место после алюминия.
Простое вещество железо представляет собой ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической активностью: железо быстро подвергается коррозии при высоких температурах или высокой влажности воздуха. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается на воздухе.
На самом деле железом часто называют его сплавы с низким содержанием примесей (до 0,8%), сохраняющие мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще всего применяют сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 % по массе углерода) и чугун (более 2,14 % по массе углерода), а также нержавеющую сталь (легированную) с добавлением легирующие металлы (хром, марганец, никель и др.). Сочетание специфических свойств железа и его сплавов делает его «металлом номер 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространенность железа в земной коре составляет 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Также считается, что железо составляет большую часть земного ядра.

Характеристика железа

Железо (Fe) занимает четвертое место по содержанию в недрах земной коры. Он занимает место в 7-й группе 4-го периода и имеет номер 26 в химической таблице элементов Менделеева. Валентность железа напрямую зависит от его положения в таблице. Но об этом чуть позже.

Этот металл наиболее распространен в природе в виде минерала, он встречается в воде как минерал, а также в различных соединениях.

Наибольшее количество запасов железа в виде руды находится в России, Австралии, Украине, Бразилии, США, Индии, Канаде.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнетизм. На практике часто обнаруживаются магнитные свойства этого материала. Это единственный металл, обладающий такой редкой чертой.

Под действием магнитного поля железо намагничивается. Сформировавшиеся магнитные свойства металла сохраняются длительное время и сами по себе остаются магнитом. Это исключительное явление объясняется тем, что в структуре железа содержится большое количество свободных электронов, способных двигаться.

Важные параметры

Чистое металлическое железо довольно пластично, хорошо поддается ковке и плохо отливается. Однако небольшие примеси углерода значительно повышают его твердость и хрупкость. Это качество стало одной из причин вытеснения бронзовых орудий железными.

• Если сравнить сплавы железа и бронзы, из известных в древнем мире, то видно, что бронза превосходила их и по твердости, и по стойкости к коррозии, а, следовательно, и по долговечности. Однако массовое производство бронзовых изделий привело к истощению оловянных рудников. И, поскольку олово встречается гораздо реже меди, перед металлургами прошлого встал вопрос о замене. И железо заменило бронзу. Последняя была полностью вытеснена с появлением стали: бронза не дает такого сочетания твердости и эластичности.
• Железо образует железную триаду с кобальтом и никелем. Свойства элементов очень близки, ближе, чем у их собратьев с таким же строением внешней оболочки. Все металлы обладают прекрасными механическими свойствами: легко обрабатываются, прокатываются, волочатся, куются и штампуются. Кобальт и никель менее реакционноспособны и более устойчивы к коррозии, чем железо. Однако меньшая распространенность этих элементов не позволяет использовать их так широко, как железо.
• Основным «конкурентом» железа в области использования является алюминий и его сплавы. Но на самом деле оба материала обладают совершенно разными качествами. Алюминий далеко не так прочен, как железо, он хуже тянется и не поддается ковке. С другой стороны, металл отличается гораздо меньшим весом, что значительно облегчает конструкцию.

Электропроводность железа очень средняя, ​​тогда как алюминий по этому показателю уступает только серебру, меди и золоту. Железо является ферромагнетиком, то есть сохраняет свою намагниченность в отсутствие магнитного поля, а алюминий является типичным парамагнетиком и притягивается к магнитному полю.

Столь разные свойства приводят к совершенно разным областям применения, поэтому конструкционные материалы очень редко «бьются», например, в мебельном производстве, где легкость алюминиевого профиля противопоставляется прочности стального.

Состав и структура

Железо существует в 4 разных модификациях, отличающихся друг от друга параметрами и структурой сети. Наличие фаз действительно имеет решающее значение для литья, так как именно фазовые переходы и их зависимость от легирующих элементов обеспечивают само протекание металлургических процессов в этом мире. Поэтому речь идет о следующих фазах:

• α-фаза стабильна до +769 С, имеет объемно-центрированную кубическую решетку. α-фаза ферромагнитна, т е сохраняет свою намагниченность в отсутствие магнитного поля. Температура 769°С является точкой Кюри для металла.
• β-фаза существует от +769 С до +917 С. Структура модификации такая же, но параметры решетки несколько отличаются. При этом почти все физические свойства сохраняются, кроме магнитных: железо становится парамагнетиком.
• γ-фаза проявляется в интервале от +917 до +1394 С. Она имеет гранецентрированную кубическую решетку.
• δ-фаза существует выше температуры +1394 C и имеет объемно-центрированную кубическую решетку.

Существует также модификация ε, которая появляется при высоком давлении, а также в результате легирования некоторыми элементами. ε-фаза имеет плотную гексагональную решетку.

Далее мы расскажем, что такое плотность и какова удельная теплоемкость железа.

Это видео расскажет вам о физических и химических свойствах железа:

Кристаллические модификации железа

Железо может существовать в виде 2-х кристаллических решеток: объемно-центрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Всего железо имеет 5 кристаллических модификаций.

При нормальном давлении железо существует в 4 кристаллических модификациях:

1. До 769 °С существует ферромагнитное a-Fe с ОЦК (а = 0,286645 нм при 20 °С, z = 2, пр группа Im3m).
2. При 769°С (точка Кюри) a-Fe переходит в парамагнитное состояние b-Fe без изменения сингонии и других свойств, кроме магнитных. Переход DH0 a:b 1,72 кДж/моль. Парамагнитное железо b-Fe стабильно в интервале 769-917°С.
3. В диапазоне от 917 до 1394 °С присутствует парамагнитное g-Fe с ГЦК (при 950 °С, a = 0,3656 нм, z = 4, пр группа Fm3m). Переход DH0 b:g 0,91 кДж/моль.
4. Выше 1394 °С имеется парамагнитное d-Fe с ОЦК (при 1425 °С а = 0,293 нм, z = 2, пр группа Im3m). Переход DH0 g:d 0,63 кДж/моль.

При высоких давлениях e-Fe существует с плотной гексагональной решеткой, которая образуется и при нормальном давлении при сплавлении железа с различными элементами.

Полиморфные превращения железа и стали при нагревании и охлаждении были открыты в 1868 г. Д. К. Черновым.

Электронное строение атома железа

Электронная конфигурация железа в основном состоянии:

+26Fe 1s22s22p63s23p64s23d6

Железо обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

Нахождение в природе

Железо довольно распространено в земной коре (около 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает четвертое место среди всех элементов и второе место среди металлов. Содержание в земной коре около 8%.

В природе железо встречается в основном в виде соединений:

Красная железная руда Fe2O3 (гематит).

Магнитный железняк Fe3O4 или FeO Fe2O3 (магнетит).

В природе также широко распространены сульфиды железа, например пирит FeS2.

Есть и другие минералы, содержащие железо.

Геохимия железа

Гидротермальный источник железистых вод. Оксиды железа окрашивают воду в коричневый цвет

Железо является одним из самых распространенных элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, особенно на Земле. Важная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где, по оценкам, его содержание составляет около 90%. Содержание железа в земной коре составляет 5%, а в мантии около 12%. Из металлов железо по распространенности в земной коре уступает только алюминию. При этом около 86% всего железа находится в ядре и 14% в мантии. Содержание железа значительно возрастает в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается практически при всех экзогенных и эндогенных процессах, происходящих в земной коре. Морская вода содержит железо в очень малых количествах от 0,002 до 0,02 мг/л.

Геохимические свойства железа

Распределение железа по 106 атомам кремния.

Важнейшей геохимической характеристикой железа является то, что оно имеет различные степени окисления. Железо в нейтральной металлической форме составляет ядро ​​Земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Двухвалентное железо FeO является основной формой железа в мантии и коре Земли. Оксид железа 3O2Fe характерен для верхних и более окисленных частей земной коры, особенно для осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Ca2+ — другим основным элементам, составляющим значительную часть всех земных горных пород. Благодаря своему кристаллическому химическому сходству железо заменяет магний и частично кальций во многих силикатах. Содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с понижением температуры.

Минералы железа

В земной коре широко распространено железо: на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (четвертое место среди всех элементов, второе место среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, значительное его содержание в основных и ультраосновных породах и малое в кислых и средних породах.

Известно большое количество железосодержащих руд и минералов. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO Fe2O3 или Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), рудный бурый чугун или лимонит (гетит и гидрогетит соответственно). FeOOH и FeOOH · nH2O). Гетит и гидрогетит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шапки», мощность которых достигает нескольких сотен метров. Они также могут иметь осадочное происхождение, выделяясь из коллоидных растворов в озерах или прибрежных районах морей. При этом образуются оолитовые минералы железа или бобовые. Они часто содержат вивианит Fe3(PO4)2 · 8H2O.

В природе также широко распространены сульфиды железа: пирит FeS2 (сернистый или железистый колчедан) и пирротин. Это не железные руды: пирит используется для производства серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железной руды Россия занимает первое место в мире.

Содержание железа в морской воде составляет 1⋅10–5—1⋅10–8 %.

Другие распространенные минералы железа:

• Сидерит – FeCO3 – содержит примерно 35% железа. Имеет желтовато-белый цвет (с серым или коричневым оттенком при загрязнении). Плотность 3 г/см³, твердость 3,5-4,5 по шкале Мооса.
• Марказит – FeS2 – содержит 46,6% железа. Встречается в виде желтых дипирамидальных ромбических кристаллов, похожих на латунь, с плотностью 4,6-4,9 г/см³ и твердостью 5-6 по шкале Мооса.
• Лоллингит — FeAs2 — содержит 27,2 % железа и встречается в виде ромбовидно-бипирамидальных кристаллов серебристо-белого цвета. Плотность 7-7,4 г/см³, твердость 5-5,5 по шкале Мооса.
• Миспицел – FeAsS – содержит 34,3% железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью от 5,6 до 6,2 г/см³ и твердостью от 5,5 до 6 по шкале Мооса.
• Мелантерит — FeSO4·7H2O — в природе встречается реже и представляет собой зеленый (или серый из-за примесей) моноклинный кристалл с хрупким стеклянным блеском. Плотность 1,8-1,9 г/см³.
• Вивианит — Fe3(PO4) 2 8H2O — встречается в виде голубовато-серых или зеленовато-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твердостью 1,5-2 по шкале Мооса.

Кроме железных руд, описанных выше, существуют, например:

Физические свойства

Прежде чем перейти к валентности железа, необходимо более подробно рассмотреть его физические свойства, так сказать, поближе познакомиться с ним.

Этот металл имеет серебристый цвет, достаточно пластичен, но способен увеличивать твердость за счет взаимодействия с другими элементами (например, с углеродом). Он также обладает магнитными свойствами.

Во влажной среде железо может подвергаться коррозии, то есть ржавчине. Хотя абсолютно чистый металл более устойчив к влаге, если в нем есть примеси, то именно они вызывают коррозию.

Железо хорошо взаимодействует с кислой средой, может даже образовывать соли трехвалентного железа (при условии, что оно является сильным окислителем).

На воздухе он быстро покрывается оксидной пленкой, предохраняющей его от взаимодействий.

Химические свойства

Кроме того, этот элемент обладает рядом химических свойств. Железо, как и остальные элементы таблицы Менделеева, имеет заряд атомного ядра, что соответствует порядковому номеру +26. Вокруг ядра находится 26 электронов.

Вообще, если рассматривать свойства железа, химического элемента, то это металл с низкой активной емкостью.

При взаимодействии с более слабыми окислителями железо образует соединения, в которых оно двухвалентно (т.е его степень окисления +2). А если с сильными окислителями, то степень окисления железа достигает +3 (то есть его валентность становится равной 3).

При взаимодействии с химическими элементами, не являющимися металлами, Fe выступает по отношению к ним как восстановитель, при этом его степень окисления становится, помимо +2 и +3, даже +4, +5, +6. Эти соединения обладают очень сильными окислительными свойствами.

Как отмечалось выше, железо на воздухе покрыто оксидной пленкой. А при его нагревании скорость реакции увеличивается и может образоваться оксид железа с валентностью 2 (температура ниже 570 градусов Цельсия) или оксид с валентностью 3 (температурный показатель выше 570 градусов).

Взаимодействие Fe с галогенами приводит к образованию солей. Элементы фтор и хлор окисляют его до +3. Бром до +2 или +3 (все зависит от условий осуществления химического превращения при взаимодействии с железом).

При взаимодействии с йодом элемент окисляется до +2.

При нагревании железа и серы получают сульфид железа с валентностью 2.

Если расплавить железо и соединить его с углеродом, фосфором, кремнием, бором, азотом, то получатся соединения, называемые сплавами.

Железо — это металл, поэтому оно также взаимодействует с кислотами (об этом также было кратко сказано чуть выше). Например, серная и азотная кислоты, имеющие высокую концентрацию, в среде с низкой температурой не влияют на железо. Но как только она повышается, происходит реакция, в результате которой железо окисляется до +3.

Чем выше концентрация кислоты, тем выше должна быть температура.

Нагревая двухвалентное железо в воде, мы получаем его оксид и водород.

Кроме того, Fe обладает способностью вытеснять металлы с пониженной активностью из водных растворов солей. При этом он окисляется до +2.

При повышении температуры железо восстанавливает металлы из оксидов.

Характерные степени окисления

Степень окисленияОксидГидроксидХарактерПримечания

* Кислота не существует в свободном виде, получены только ее соли.

Химическая активность железа зависит от степени его чистоты, дисперсности, наличия влаги и кислорода.

Диаграмма Пурбе для Fe-H2O

Для железа наиболее характерны степени окисления +2 и +3.

Степень окисления +2 соответствует черному оксиду FeO, а зеленому гидроксиду Fe(OH)2 являются основными. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) — слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красновато-коричневому оксиду Fe2O3 и коричневому гидроксиду Fe(OH)3. Они амфотерны по своей природе, хотя их кислотные и основные свойства выражены слабо. Поэтому ионы Fe3+ полностью гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH)3 растворяется (и то не полностью) только в концентрированных щелочах. Fe2O3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли кислоты 2HFeO, не существующей в свободном виде):

Fe2O3 + 2NaOH → 2NaFeO2 + H2O { displaystyle { mathsf {Fe_ {2} O_ {3} + 2NaOH rightarrow 2NaFeO_ {2} + H_ {2} O}}}

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко меняются друг с другом при изменении окислительно-восстановительного потенциала.

Кроме того, есть оксид Fe3O4, формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид также можно рассматривать как феррит железа (II) Fe+2(Fe+3O2)2.

Существует также степень окисления +6. Соответствующие оксид и гидроксид не существуют в свободном виде, но были получены ферратные соли (например, K2FeO4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Известны также степени окисления: -2 (тетракарбонилферрат натрия), -1, 0 (пентакарбонил железа), +1, +4, +5.

Свойства простого вещества

При хранении на воздухе при температуре до 200°С железо постепенно покрывается плотной оксидной пленкой, препятствующей дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, что не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Оксид не имеет постоянного химического состава, грубо его химическую формулу можно записать как Fe2O3 xH2O.

Реагирует с кислотами.

• С соляной кислотой, образуя хлорид железа (ΙΙ):

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑ { displaystyle { mathsf {Fe + 2HCl rightarrow FeCl_ {2} + H_ {2} uparrow }}}

• С разбавленной серной кислотой образуется сульфат железа (II):

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑ { displaystyle { mathsf {Fe + H_ {2} SO_ {4} rightarrow FeSO_ {4} + H_ {2} uparrow }}}

• Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют железо. С концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании, образуя сульфат железа(III):

2Fe + 6H2SO4 → от Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 ↑ + 6H2O { displaystyle { mathsf {2Fe + 6H_ {2} SO_ {4} xrightarrow {^ {o} t} Fe_ {2} (SO_ {4 })_{3}+3SO_{2}стрелка вверх +6H_{2}O}}}

• Взаимодействие с кислородом.

• Железо 31 сгорает в кислороде при нагревании; или без, в случае пирофорности; образуя оксид железа (II, III): [32] [33] [34] :

3Fe + 2O2 → 150−600oCFe3O4 { displaystyle { mathsf {3Fe + 2O_ {2} { xrightarrow {150-600 ^ {o} C}} Fe_ {3} O_ {4}}}}

• При пропускании кислорода или воздуха через расплавленное железо образуется оксид железа (II):

2Fe + O2 → ot 2FeO { displaystyle { mathsf {2Fe + O_ {2} xrightarrow {^ {o} t} 2FeO}}}

• Взаимодействует с порошком серы при нагревании, образуя сульфид железа(II):

Fe + S → от FeS { displaystyle { mathsf {Fe + S xrightarrow {^ {o} t} FeS}}}

• Реагирует с галогенами при нагревании:

• Он сгорает в хлоре с образованием хлорида железа (III) :

2Fe+3Cl2→ot 2FeCl3{displaystyle {mathsf {2Fe+3Cl_{2}xrightarrow {^{o}t} 2FeCl_{3}}}}

• При повышенном давлении взаимодействует с парами брома и образует бромид железа (III):

2Fe+3Br2→p 2FeBr3{displaystyle {mathsf {2Fe+3Br_{2}{xrightarrow {p}} 2FeBr_{3}}}}

• Взаимодействует с йодом, образуя йодид железа (II, III):

3Fe + 4I2 → Fe3I8 { displaystyle { mathsf {3Fe + 4I_ {2} rightarrow Fe_ {3} I_ {8}}}}

• Взаимодействие с неметаллами.

• С азотом при нагревании образуется нитрид дижелеза:

4Fe + N2 → от 2Fe2N { displaystyle { mathsf {4Fe + N_ {2} xrightarrow {^ {o} t} 2Fe_ {2} N}}}

• С фосфором при нагревании образует фосфиды железа:

Fe + P → от FeP { displaystyle { mathsf {Fe + P xrightarrow {^ {o} t} FeP}}}
2Fe + P → от Fe2P { displaystyle { mathsf {2Fe + P xrightarrow {^ {o} t} Fe_ {2} P}}}
3Fe + P → от Fe3P { displaystyle { mathsf {3Fe + P xrightarrow {^ {o} t} Fe_ {3} P}}}

• С углеродом, образуя карбид железа:

3Fe+C→Fe3C{displaystyle {mathsf{3Fe+Cстрелка вправо Fe_{3}C}}}

• С кремнием при нагревании образует силицид железа:

Fe + Si → 1410 ∘ ∁ FeSi { Displaystyle { mathsf {Fe + Si xrightarrow {1410 ^ { circ} дополнение} FeSi}}}

• При взаимодействии горячего железа с водяным паром образуется оксид железа(III):

2Fe + 3H2O → от Fe2O3 + 3H2 ↑ { displaystyle { mathsf {2Fe + 3H_ {2} O xrightarrow {^ {o} t} Fe_ {2} O_ {3} + 3H_ {2} uparrow }}}

• Железо восстанавливает металлы справа от себя в ряду действий из растворов солей:

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu { displaystyle { mathsf {Fe + CuSO_ {4} rightarrow FeSO_ {4} + Cu}}}

• Железо восстанавливает соединения железа (III):

Fe + 2FeCl3 → 3FeCl2 { displaystyle { mathsf {Fe + 2FeCl_ {3} rightarrow 3FeCl_ {2}}}}

При высоком давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода (II) СО и при нормальных условиях образуется легколетучий пентакарбонил железа Fe(СО) 5 . Известны также карбонилы железа состава Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными материалами при синтезе органических соединений железа, в том числе ферроцена состава (η5-C5H5)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных щелочных растворах. Железо не растворяется в холодной концентрированной серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной пленкой. Горячая концентрированная серная кислота, будучи более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

Способы получения

Железо получают промышленным способом из железной руды, гематита Fe2O3 или магнетита (Fe3O4 или FeO Fe2O3).

1. Одним из основных способов производства чугуна является доменный процесс. Доменный процесс основан на восстановлении железа из оксида углеродом в доменной печи.

В печь загружают руду, кокс и флюсы.

Шихта: смесь сырья и, в некоторых случаях, топлива в определенной пропорции, которая обрабатывается в печи.

Кокс каменноугольный представляет собой пористый твердый продукт серого цвета, получаемый коксованием угля при температуре 950-1100°С без доступа воздуха. Содержит 96-98% углерода.

Флюсы — это неорганические вещества, которые добавляют в руду во время плавки металла, чтобы понизить температуру плавления и облегчить отделение металла от пустой породы.

Шлак представляет собой расплавленную массу (а после затвердевания стеклообразную массу), покрывающую поверхность жидкого металла. Шлак состоит из плавучих остаточных продуктов с флюсами и защищает металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.

В печи кокс окисляется до монооксида углерода (II):

2С + О2 → 2СО

Затем нагретый монооксид углерода восстанавливает оксид железа (III):

3CO + Fe2O3 → 3CO2 + 2Fe

Процесс получения железа многоступенчатый и зависит от температуры.

Наверху, где температура обычно составляет от 200 °C до 700 °C, происходит следующая реакция:

3Fe2O3 + СО → 2Fe3O4 + СО2

Внизу в печи при температуре около 850°C происходит восстановление смешанного оксида железа(II,III) до оксида железа(II):

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2

Противотоки газов разогревают шихту и известняк разрушается:

СаСО3 → СаО + СО2

Оксид железа(II) опускается в область более высоких температур (до 1200°С), где протекает следующая реакция:

FeO + CO → Fe + CO2

Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом с образованием угарного газа:

СО2 + С → 2СО

2. Железо получают также прямым восстановлением оксида водородом:

Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O

В этом случае получается более чистое железо, так как полученное железо не загрязнено серой и фосфором, являющимися примесями в угле.

3. Другим способом получения железа в промышленности является электролиз растворов солей железа.

Валентность железа

Как уже отмечалось, железо относится к элементам с переменной валентностью. Причем он может колебаться не только между показателями 2 и 3, но и достигать 4, 5 и даже 6.

Конечно, неорганическая химия более подробно изучает валентность железа. Кратко рассмотрим этот механизм на уровне простейших частиц.

Железо – элемент d, к которому прибавляется еще 31 элемент из таблицы Менделеева (это периоды 4-7). По мере увеличения атомного номера свойства d-элементов претерпевают незначительные изменения. Атомный радиус этих веществ также медленно увеличивается. Они имеют переменную валентность, которая зависит от незавершенности предвнешнего d-электронного подуровня.

Поэтому для железа валентны не только с-электроны, находящиеся во внешней оболочке, но и неспаренные 3d-электроны предвнешней оболочки. И, как следствие, валентность Fe в химических соединениях может быть равна 2, 3, 4, 5, 6. В основном она равна 2 и 3 — это более устойчивые соединения железа с другими веществами. В менее стабильных он проявляет валентность 4, 5, 6. Но эти соединения менее распространены.

Важные подробности

Железо смело можно отнести к единицам с переменными показателями, значения могут колебаться не только между 2 и 3, но даже достигать шести. Такие исследования проводят специалисты в области неорганической химии, но такие знания непременно пригодятся всем людям. Если кратко рассмотреть механизм и учесть простые частицы, то этот элемент может занимать в списке 31 позицию, это точки с 4 по 7 период таблицы Менделеева. Так как порядковый номер будет постепенно увеличиваться, свойства железа немного изменятся. Кроме увеличения атомного радиуса можно будет заметить переменную валентность, это связано с незавершенностью подоболочки. Чаще можно увидеть более устойчивые соединения с показателями 2 и 3.

Двухвалентный феррум

При взаимодействии валентного железа 2 с водой образуется оксид железа(2). Эта связь черного цвета. Довольно легко взаимодействует с соляной (низкой концентрации) и азотной (высокой концентрации) кислотами.

Если такой двухвалентный оксид железа взаимодействует с водородом (температура 350 градусов Цельсия) или углеродом (кокс) при 1000 градусов, то он восстанавливается до чистого состояния.

Оксид двухвалентного железа извлекают следующими способами:

• путем объединения оксида трехвалентного железа с оксидом углерода;
• при нагревании чистого Fe кислородом низкого давления;
• путем разложения оксалата двухвалентного железа в вакуумной среде;
• при взаимодействии чистого железа с его оксидами температура составляет 900-1000 градусов Цельсия.

Что касается природной среды, то оксид железа двухвалентен и присутствует в виде минерала вюстита.

Есть и другой способ определения валентности железа в растворе, в данном случае с показателем 2. Необходимо провести реакции с красной солью (гексацианоферратом калия) и со щелочью. В первом случае наблюдается темно-синий осадок, комплексная соль 2-валентного железа. При втором образуется темный серовато-зеленый осадок: гидроксид железа также двухвалентный, а гидроксид трехвалентного железа в растворе темно-коричневый.

Рассмотрение подробностей другого типа соединения

Феррум со значением 3 также отличается по цвету, он будет красновато-коричневым, общие названия включают оксид железа, красный свинец, красный пигмент, пищевой краситель и шафран. Это вещество также можно встретить в природе, оно встречается в виде такого минерала, как гематит. Такая ржавчина не сможет взаимодействовать с водой, единственными соединениями будут щелочи и кислоты. Некоторые строительные материалы вполне успешно окрашиваются этим составом, к ним относятся:

1. Кирпич.
2. Цементные смеси
3. Керамические изделия.
4. Конкретный.
5. Тротуарная плитка.
6. Напольные покрытия, в том числе линолеум.

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему соответствует основание Fe(OH)2. Соли железа(II) имеют светло-зеленую окраску. При хранении, особенно во влажном воздухе, они буреют за счет окисления до железа(III). Такой же процесс происходит при хранении водных растворов солей железа(II):

4FeCl2 + O2 + 2H2O → 4Fe (OH) Cl2 { displaystyle { mathsf {4FeCl_ {2} + O_ {2} + 2H_ {2} O rightarrow 4Fe (OH) Cl_ {2}}}}

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора: двухаммонийный сульфат железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O.

Гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль) может служить реагентом для ионов Fe2+ в растворе. При взаимодействии ионов Fe2+ и [Fe(CN)6]3– выпадает в осадок гексацианоферрат (III) калия-железа(II) (синий Тернбуля):

K3 [Fe (CN) 6] + Fe2+ → KFeII [FeIII (CN) 6] ↓ + 2K + { displaystyle { mathsf {K_ {3} [Fe (CN) _ {6}] + Fe ^ {2+} rightarrow KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_{6}]downarrow +2K^{+}}}}
,

который внутримолекулярно перегруппировывается в гексацианоферрат (II) калия-железа (III) (берлинская лазурь):

KFeII [FeIII (CN) 6] → KFeIII [FeII (CN) 6] { displaystyle { mathsf {KFe ^ {II} [Fe ^ {III} (CN) _ {6}] rightarrow KFe ^ {III} [Fe^{II}(CN)_{6}]}}}

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen3 (максимальное светопоглощение 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9) [35] .

Соединения железа (VI)

Ферраты – это соли трехвалентной кислоты H2FeO4, не существующие в свободном виде. Это соединения фиолетового цвета, напоминающие перманганаты по окислительным свойствам и сульфаты по растворимости. Ферраты получают действием газообразного хлора или озона на суспензию Fe(OH)3 в щелочи [38] :

2Fe (OH) 3 + 3Cl2 + 10KOH → 2K2FeO4 + 6KCl + 8H2O { displaystyle { mathsf {2Fe (OH) _ {3} + 3Cl_ {2} + 10KOH rightarrow 2K_ {2} FeO_ {4} + 6KCl + 8H_ {2}О}}}

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:

Fe + 2KOH + 2H2O → K2FeO4 + 3H2 ↑ { displaystyle { mathsf {Fe + 2KOH + 2H_ {2} O стрелка вправо K_ {2} FeO_ {4} + 3H_ {2} uparrow }}}

Ферраты являются сильными окислителями. В кислой среде они разлагаются с выделением кислорода [39] :

4FeO42−+20H+→4Fe3++3O2↑+10H2O{displaystyle {mathsf{4FeO_{4}^{2-}+20H^{+}стрелка вправо 4Fe^{3+}+3O_{2}uparrow + 10Н 2 О}}}

Окислительные свойства ферратов используются для обеззараживания воды.

Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe2O3 слабоамфотерный, он соответствует еще более слабому основанию, чем Fe(OH)2, Fe(OH)3, реагирующие с кислотами:

2Fe (OH) 3 + 3H2SO4 → Fe2 (SO4) 3 + 6H2O { displaystyle { mathsf {2Fe (OH) _ {3} + 3H_ {2} SO_ {4} rightarrow Fe_ {2} (SO_ {4}) 3 +6Н 2 О}}}

Соли Fe3+ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe3+ обычно окружен шестью молекулами воды. Эти соли розового или фиолетового цвета.

Ион Fe3+ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При pH>4 этот ион почти полностью осаждается в виде Fe(OH)3 [36] :

Fe3++3H2O→Fe(OH)3↓+3H+{displaystyle {mathsf{Fe^{3+}+3H_{2}Oстрелка вправо Fe(OH)_{3}downarrow +3H^{+}}}}

При частичном гидролизе иона Fe3+ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, благодаря которым растворы приобретают коричневый цвет.

Кислотные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH)3 выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными щелочными растворами:

Fe (OH) 3 + 3KOH → K3 [Fe (OH) 6] { displaystyle { mathsf {Fe (OH) _ {3} + 3KOH стрелка вправо K_ {3} [Fe (OH) _ {6}]}}}

Образующиеся гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильнощелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются и Fe(OH) 3 выпадает в осадок.

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe2O3 образует разнообразные ферриты:

Fe2O3 + 2NaOH → 2NaFeO2 + H2O { displaystyle { mathsf {Fe_ {2} O_ {3} + 2NaOH rightarrow 2NaFeO_ {2} + H_ {2} O}}}

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl3 → 3FeCl2 { displaystyle { mathsf {Fe + 2FeCl_ {3} rightarrow 3FeCl_ {2}}}}

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами квасцового типа, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — аммониево-железистые квасцы и т.д.

Для качественного обнаружения соединений железа(III) в растворе используют качественную реакцию ионов Fe3+ с неорганическими тиоцианатами SCN-. В данном случае это смесь ярко-красных тиоцианатных комплексов железа [Fe(SCN)]2+, [Fe(SCN)2]+, Fe(SCN)3, [Fe(SCN)4]– [37]. Состав смеси (а значит, и интенсивность ее окраски) зависит от ряда факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Еще одним качественным реагентом на ионы Fe3+ является гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4– выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата(II) калия-железа(III) (берлинская лазурь):

K4 [Fe (CN) 6] + FeCl3 → KFeIII [FeII (CN) 6] ↓ + 3KCl { displaystyle { mathsf {K_ {4} [Fe (CN) _ {6}] + FeCl_ {3} rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_{6}]стрелка вниз +3KCl}}}

Ионы Fe3+ количественно определяют по образованию красных (в слабокислой среде) или желтых (в слабощелочной среде) комплексов с сульфосалициловой кислотой. Эта реакция требует грамотного подбора буферов, так как некоторые анионы (в частности, ацетат) образуют с железом и сульфосалициловой кислотой смешанные комплексы со своими оптическими характеристиками.

Соединения железа VII и VIII

Степень окисления VII в анионе [FeO4]– известна [40] .

Имеются сообщения об электрохимическом получении соединений железа(VIII) [41][42][43], однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.

Качественные реакции

Качественные реакции на ионы железа +2.

– взаимодействие солей железа (II) со щелочами. При этом образуется серо-зеленый желеобразный осадок гидроксида железа (II).

Например, хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом натрия:

2NaOH + FeCl2 → Fe(OH)2 + 2NaCl

Видео опыт взаимодействия раствора сульфата железа(II) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа(II)) можно посмотреть здесь.

Гидроксид железа (II) становится коричневым на воздухе, окисляясь до гидроксида железа (III):

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

— ионы железа +2 окрашивают раствор в светлый зеленовато-желтый цвет.

— взаимодействие с красной кровяной солью K3[Fe(CN)6] — также качественная реакция на ионы железа +2. При этом образуется синий осадок «тернбулл синий».

Видео опыт взаимодействия раствора хлорида железа(II) с раствором гексацианоферрата калия(III) (качественная реакция на ионы железа(II)) можно посмотреть здесь.

Качественные реакции на ионы железа +3

– взаимодействие солей железа (III) со щелочами. При этом образуется коричневый осадок гидроксида железа (III).

Например, хлорид железа (III) реагирует с гидроксидом натрия:

3NaOH + FeCl3 → Fe(OH)3 + 3NaCl

Видео опыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

— ионы железа +3 окрашивают раствор в светло-желто-оранжевый цвет.

– взаимодействие с желтой кровяной солью K4[Fe(CN)6] ионы железа +3. При этом образуется синий осадок «берлинская лазурь».

Видео опыт взаимодействия раствора хлорида железа(III) с раствором гексацианоферрата калия(II) (качественная реакция на ионы железа(III)) можно посмотреть здесь.

Недавно были получены данные, указывающие на то, что молекулы берлинской лазури идентичны по структуре молекулам лазури Тернбулла. Состав молекул этих двух веществ можно выразить формулой Fe4[Fe2(CN)6]3.

— при взаимодействии солей железа (III) с роданидами раствор окрашивается в красный цвет, как кровь.

Например, хлорид железа(III) взаимодействует с тиоцианатом натрия:

FeCl3 + 3NaCNS → Fe(CNS)3 + 3NaCl

Применение

Железная руда

Железо является одним из наиболее широко используемых металлов, на его долю приходится до 95% мирового металлургического производства.

• Железо является основным компонентом стали и чугуна, важнейших конструкционных материалов.
• Железо может быть включено в сплавы на основе других металлов, например никеля.
• Магнитный оксид железа (магнетит) является важным материалом в производстве устройств долговременной памяти компьютеров: жестких дисков, дискет и др.
• Уникальные ферромагнитные свойства различных сплавов на основе железа способствуют их широкому использованию в электротехнике для магнитопроводов электродвигателей и трансформаторов.
• Сверхтонкий порошок магнетита используется во многих черно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. В нем используется как черный цвет магнетита, так и его способность прилипать к намагниченным роликам переноса.
• Железный порошок используется в качестве поглотителя кислорода в упаковке некоторых продуктов, чтобы продлить срок их хранения.
• Хлорид железа(III) (хлорное железо) применяют в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
• Железный купорос (железный купорос) в смеси с медным купоросом применяют для борьбы с вредоносными грибами в ландшафтном дизайне и строительстве.
• Железо используется в качестве анода в железо-никелевых батареях, железо-воздушных батареях.
• Водные растворы хлоридов двухвалентного и трехвалентного железа, а также их сульфатов применяют в качестве коагулянтов при очистке природных и остаточных вод при водоподготовке промышленных предприятий.
• Железный порошок и чугун применяют в качестве искрообразователя и горючего в пиротехнике.