"Химия", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е. и др.
Железо — распространённый металл, из которого делают конструкции, инструменты и множество сплавов. Его свойства связаны со строением атома и металлической кристаллической решёткой, а химические реакции — со способностью проявлять степени окисления +2 и +3. Железо взаимодействует с кислородом, кислотами и растворами солей. Знание этих реакций помогает понять получение чугуна и стали, а также причины ржавления и способы защиты изделий.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо — химический элемент Fe и простое вещество, серебристо-серый металл. В периодической системе это элемент 4-го периода, 8-й группы; его порядковый номер — 26. В соединениях железо чаще всего имеет степени окисления +2 и +3, то есть условные заряды ионов Fe²⁺ и Fe³⁺. Это нужно учитывать, когда составляют формулы оксидов и солей.
Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода больше, чем в стали: обычно около 2–4%. Чугун хорошо заполняет форму при литье, но часто бывает твёрдым и хрупким. Его используют для деталей и изделий, которым важны прочность при сжатии и способность принимать сложную форму.
Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий меньше углерода, чем чугун, обычно до примерно 2%. При меньшем содержании углерода сталь часто пластичнее, а при большем может становиться твёрже, но хрупче. Состав и обработка позволяют подбирать сталь для конструкций, инструментов и машин.
Коррозия железа — разрушение металла под воздействием окружающей среды. При ржавлении на поверхности образуются рыхлые продукты коррозии, которые не защищают металл надёжно от дальнейшего разрушения. Понимание причин коррозии помогает выбрать способ защиты изделия.
В атоме железа 26 электронов, и особенности их расположения позволяют железу отдавать электроны при образовании химических соединений. Оно может образовать ион Fe²⁺ или Fe³⁺, поэтому возникают соединения с разными свойствами. Например, при взаимодействии с разбавленной соляной кислотой образуется хлорид железа(II), а в других условиях возможны соединения железа(III). Степень окисления устанавливают по реагентам и условиям, а затем используют для составления формулы.
В твёрдом железе атомы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку, а часть электронов свободно перемещается между ними. Такое строение и металлическая связь объясняют электропроводность и теплопроводность металла. Слои атомов могут смещаться без полного разрушения связи, поэтому железо ковкое и поддаётся обработке. Магнитные свойства связаны с особенностями поведения электронов и внутреннего строения металла.
При нагревании железо реагирует с кислородом, а продукт зависит от условий: например, при горении образуется оксид Fe₃O₄. С серой железо соединяется с образованием сульфида железа(II): Fe + S → FeS. С галогенами образуются соли, но состав продукта также зависит от галогена и условий реакции. Такие реакции показывают, что железо образует бинарные соединения — вещества из двух химических элементов.
В ряду активности железо расположено до водорода, поэтому с разбавленными неокислительными кислотами оно обычно вытесняет водород и образует соль железа(II). Например: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. С окислительными кислотами поведение отличается: водород может не выделяться, поскольку кислота окисляет железо, а сама восстанавливается. В растворе соли менее активного металла железо может вытеснить его: атомы железа переходят в раствор, а ионы другого металла осаждаются.
Чугун и сталь различаются прежде всего долей углерода, а значит, и свойствами сплава: более высокое содержание углерода обычно увеличивает твёрдость, но может повышать хрупкость. Коррозия начинается, когда поверхность железа контактирует с окружающей средой. Вода и кислород участвуют в электрохимических процессах, в результате которых образуются продукты ржавления. Краска, лак или металлическое покрытие замедляют процесс, если не дают влаге и кислороду добраться до железа.
| Что сравниваем | Свойство или условие | Результат или пример |
|---|---|---|
| Физические свойства железа | Металлическая кристаллическая решётка и подвижные электроны | Блеск, электропроводность, ковкость; железо обладает магнитными свойствами |
| Реакция с кислородом | Нагревание и доступ кислорода | Образуются оксиды; при горении возможно образование Fe₃O₄ |
| Реакция с кислотами | Разбавленная неокислительная кислота | Соль железа(II) и водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ |
| Реакция с растворами солей | Соль менее активного металла | Железо переходит в раствор, менее активный металл выделяется |
| Чугун и сталь: содержание углерода | В чугуне углерода больше, чем в стали | Чугун обычно более хрупкий; свойства стали зависят от состава и обработки |
| Условия коррозии и способы защиты | Вода и кислород ускоряют разрушение; покрытие ограничивает их доступ | Краска, лак и металлические покрытия защищают поверхность |
В таблице удобно сопоставлять условие реакции с тем, что образуется, а не запоминать уравнения отдельно от их смысла. Если меняются реагенты или условия, проверьте, не изменится ли продукт. Для сплавов и коррозии таблица связывает состав или окружающую среду с наблюдаемыми свойствами.
Запишите уравнение реакции железа с разбавленной соляной кислотой и назовите продукты. Железо активнее водорода, поэтому оно вытесняет его из разбавленной неокислительной кислоты. В образующейся соли железо имеет степень окисления +2, а хлор — −1. Значит, формула соли FeCl₂, а вторым продуктом будет водород.
Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Продукты реакции — хлорид железа(II) и водород.
Какую массу железа можно получить восстановлением 16 г оксида железа(III) угарным газом? Сначала определяем уравнение, затем находим количество Fe₂O₃ и по коэффициентам вычисляем количество Fe. Угарный газ CO забирает кислород у оксида, превращаясь в CO₂. Используем относительные атомные массы: Fe — 56, O — 16.
Ответ: можно получить 11,2 г железа, если реакция протекает полностью и потерь вещества нет.
К железному гвоздю добавили раствор CuSO₄. Железо активнее меди, поэтому атомы железа переходят в раствор, а медь осаждается на поверхности гвоздя. Составляем уравнение и проверяем, как меняется масса гвоздя. Для сравнения масс используем молярные массы Fe ≈ 56 г/моль и Cu ≈ 64 г/моль.
Ответ: выделяется медь, уравнение — Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu. Масса гвоздя возрастает, если учитывать только обмен железа и меди и не учитывать возможное отслаивание осадка.
Ошибка — считать железо всегда двухвалентным. Её допускают, если запоминают только реакции железа с разбавленными кислотами, но в соединениях железо часто имеет и степень окисления +3. Проверяйте состав продукта и условия реакции: например, FeCl₂ содержит железо(II), а Fe₂O₃ — железо(III).
Не следует считать, что железо со всеми кислотами выделяет водород. Это правило подходит для разбавленных неокислительных кислот, но окислительные кислоты реагируют иначе. Перед составлением уравнения определите, какая кислота дана и каковы условия реакции, затем проверьте, может ли образоваться H₂.
Чугун и сталь — не чистое железо и не одно и то же вещество: это сплавы с различным содержанием углерода. Путаница возникает, если ориентироваться только на то, что оба материала сделаны на основе железа. Сверьтесь с составом: в чугуне углерода больше, а свойства зависят от состава и обработки.
Ржавление нельзя представлять только как прямое соединение железа с кислородом без участия влаги. Такое упрощение упускает, что коррозия обычно идёт при наличии воды и кислорода. Проверьте объяснение: оно должно учитывать влажную среду, а не только присутствие воздуха.
Для изучения железа нужны знания о строении атома, металлах, степенях окисления и составлении формул соединений. Реакции помогают разбирать ряд активности металлов, свойства кислот и уравнивание окислительно-восстановительных реакций. Эти умения пригодятся в темах о металлургии и сплавах, коррозии и практическом применении металлов.
Почему железо образует соединения с разными степенями окисления?
Во внешней части атома железа есть электроны, которые могут участвовать в образовании связей. В зависимости от реакции железо отдаёт разное их число, поэтому чаще всего проявляет степени окисления +2 и +3.
Почему железо ржавеет быстрее во влажном воздухе?
Для коррозии обычно нужны и кислород, и вода. Влага помогает протекать электрохимическим процессам, поэтому во влажном воздухе разрушение железа идёт быстрее, чем в сухом.
Чем чугун отличается от стали?
И чугун, и сталь — сплавы железа с углеродом, но в чугуне углерода больше. Поэтому чугун обычно твёрдый и хрупкий, а сталь можно делать более прочной, упругой или пластичной, меняя её состав и обработку.
В каких случаях железо вытесняет металл из раствора его соли?
Железо вытесняет металл, если тот менее активен и находится в растворе в виде ионов. Например, железо вытесняет медь из раствора сульфата меди(II), но не вытесняет более активные металлы.
Как защитить железное изделие от коррозии?
Нужно ограничить контакт железа с водой и кислородом: для этого поверхность красят, покрывают лаком или другим металлом. Также применяют специальные защитные покрытия и хранят изделия в сухих условиях.
§ 45. Железо
