§ 45. Железо

Определения и обозначения

Железо — химический элемент Fe, расположенный в 4-м периоде периодической системы, и простое вещество-металл. В атоме железа 26 электронов; в соединениях для него особенно характерны степени окисления +2 и +3. Это обозначение помогает составлять формулы соединений и понимать, как железо участвует в реакциях.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода больше, чем в стали. Обычно он твёрдый, хорошо переносит сжатие, но может быть хрупким и плохо деформируется. Поэтому из чугуна отливают, например, детали машин, трубы и посуду, которым важна форма, а не способность сильно гнуться.

Сталь — сплав железа с углеродом и, нередко, другими элементами. Изменяя состав, получают стали с разной твёрдостью, прочностью и устойчивостью к коррозии. Это позволяет выбирать материал для конструкций, инструментов, автомобилей и множества других изделий.

Коррозия — разрушение металла при взаимодействии с окружающей средой. При ржавлении железо реагирует с кислородом и влагой, а на поверхности постепенно появляется рыхлый слой продуктов коррозии. Он не защищает металл надёжно, поэтому разрушение может распространяться дальше.

Как это устроено

Железо находится в побочной подгруппе периодической системы, а его электронное строение позволяет атомам отдавать не только электроны внешнего уровня, но и электрон предвнешнего. Если отдаются два электрона, возникает ион Fe²⁺, а если три — Fe³⁺. Поэтому у железа распространены степени окисления +2 и +3, а конкретная из них зависит от вещества и условий реакции.

Железо — серебристо-серый твёрдый металл, который проводит тепло и электрический ток, притягивается магнитом и поддаётся ковке. Эти свойства связаны с металлической связью: электроны могут перемещаться между атомами, а сами атомы образуют упорядоченную структуру. Прочность и возможность обрабатывать металл делают его полезным для изготовления деталей, конструкций и инструментов.

При нагревании железо соединяется с кислородом, а с серой при нагревании образует сульфид железа(II), FeS. С разбавленными кислотами железо обычно реагирует с выделением водорода и образованием соли железа(II): Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. В растворах солей менее активных металлов железо может вытеснить металл, например медь из CuSO₄, поскольку железо активнее меди.

Оксиды железа различаются соотношением атомов и степенью окисления: FeO содержит железо(+2), а Fe₂O₃ — железо(+3). Гидроксиды Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ получают, добавляя щёлочь к раствору соответствующей соли; выпадают осадки разного цвета: зеленоватый и бурый соответственно. Так их можно различать в опыте, хотя осадок Fe(OH)₂ на воздухе постепенно окисляется и меняет цвет.

Железо получают из руды восстановлением: вещество-восстановитель отнимает кислород у соединения железа. Например, угарный газ восстанавливает оксид железа(III): Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. В доменной печи из руды получают чугун, а при дальнейшей переработке регулируют содержание углерода и добавок, получая сталь с нужными свойствами.

Железо и его важнейшие соединения

Сначала сравнивайте формулу и степень окисления: индекс показывает число атомов, а римская цифра в названии — степень окисления железа. Цвет осадка помогает распознать гидроксиды, а уравнения показывают типичные способы их получения и применения. Знак ↓ обозначает выпадение осадка.

Разбор задач

Реакция железа с кислородом

Задача: запишите уравнение реакции железа с кислородом, если образуется оксид железа(III), и расставьте коэффициенты. В формулах простых веществ запишем Fe и O₂, а оксид железа(III) обозначим Fe₂O₃. Затем уравняем число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Запишем схему: Fe + O₂ → Fe₂O₃.
2. В Fe₂O₃ два атома железа и три атома кислорода, поэтому для чётного числа атомов кислорода поставим коэффициент 2 перед Fe₂O₃. Справа окажется 4 атома Fe и 6 атомов O.
3. Поставим 4 перед Fe и 3 перед O₂, чтобы получить такое же число атомов слева. Итог: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃.

Проверка: с обеих сторон по 4 атома железа и 6 атомов кислорода. Следовательно, коэффициенты подобраны правильно. Ответ: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃.

Замещение водорода и меди

Задача: составьте уравнения реакций железа с разбавленной соляной кислотой и раствором сульфата меди(II), укажите признаки реакций. Железо активнее водорода и меди, поэтому может вытеснить их из соответствующих соединений. Определим продукты и затем уравняем схемы.

1. В реакции с кислотой образуются хлорид железа(II) и водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Признак реакции — выделение пузырьков бесцветного газа.
2. Из раствора сульфата меди железо вытесняет медь: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. На железе появляется красноватый налёт меди, а голубая окраска раствора ослабевает.
3. Проверьте ряд активности: железо стоит выше водорода и меди. Поэтому обе реакции замещения возможны, а атомы железа переходят в соединения со степенью окисления +2.

В первой реакции выделяется водород, а во второй образуется твёрдая медь. Уравнения сбалансированы: число атомов каждого элемента одинаково по обе стороны стрелки. Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂; Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Расчёт массы железа с учётом выхода

Задача: сколько килограммов железа можно получить восстановлением 16 кг Fe₂O₃ угарным газом, если выход железа составляет 80%? Сначала найдём массу железа, которая получилась бы при полном превращении оксида. Затем уменьшим её пропорционально выходу продукта.

1. Запишем уравнение: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Молярная масса Fe₂O₃ равна 160 г/моль, а масса железа в уравнении — 2 × 56 = 112 г.
2. Найдём массовую долю железа в оксиде: 112 / 160 = 0,7. Значит, теоретически из 16 кг Fe₂O₃ можно получить 16 × 0,7 = 11,2 кг железа.
3. Учтём выход 80%: 11,2 × 0,80 = 8,96 кг. Выход меньше 100%, поэтому фактическая масса ниже теоретической.

Проверка: 8,96 кг составляют 80% от 11,2 кг. В расчёте использованы атомные массы железа 56 и кислорода 16. Ответ: можно получить 8,96 кг железа.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что во всех соединениях железо имеет степень окисления +2. Так думают, если запомнили только распространённые соли Fe(II), но забывают о соединениях Fe(III). Проверяйте заряд частиц и индексы в формуле: в Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3.

Ошибка: путать оксиды железа(II) и железа(III), записывая обеим формулам одинаковые индексы. Название сообщает степень окисления, а формулу нужно составить так, чтобы суммарный заряд вещества был равен нулю. Для FeO это +2 и −2, а для Fe₂O₃ два иона Fe³⁺ уравновешивают три иона O²⁻.

Ошибка: ожидать, что при реакции железа с разбавленной кислотой выделится кислород. Кислород входит в состав воды или кислотного остатка, а железо вытесняет из кислоты водород. Проверьте продукты по типу реакции: обычно образуются соль железа(II) и H₂.

Ошибка: считать чугун и сталь чистым железом. Это сплавы, и содержание углерода вместе с другими добавками меняет их свойства. Если речь идёт о чугуне или стали, учитывайте состав: чугун содержит больше углерода, чем сталь.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться в соединениях железа, нужно знать строение атома, понятие степени окисления и правила составления формул. Умение уравнивать реакции помогает правильно описывать взаимодействие железа с кислотами, кислородом и солями. Эти навыки позволяют не просто запоминать уравнения, а проверять их по составу и числу атомов.

Свойства железа связаны с темами о коррозии, сплавах и металлургии: они объясняют, почему металл разрушается и как получают материалы с заданными качествами. Реакции восстановления руды и переходы между степенями окисления относятся к окислительно-восстановительным процессам. Эти знания применяются при изучении получения металлов и защиты изделий от ржавления.

Что запомнить

• Железо — металл, проявляющий в соединениях степени окисления +2 и +3.
• Железо реагирует с кислородом и серой с образованием соединений.
• С разбавленными кислотами железо обычно образует соль железа(II) и водород.
• Железо вытесняет менее активные металлы из растворов их солей.
• Чугун и сталь — сплавы на основе железа; они различаются содержанием углерода.
• Коррозия приводит к разрушению железа и его сплавов.