§ 17. Железо

Определения и обозначения

Железо как химический элемент — элемент с символом Fe и порядковым номером 26, расположенный в четвёртом периоде и восьмой группе периодической системы. Заряд ядра его атома равен +26, а у нейтрального атома 26 электронов; упрощённо их распределение по оболочкам записывают как 2, 8, 14, 2. Эти сведения помогают понять, почему железо образует несколько типов соединений.

Железо как простое вещество — металл, состоящий из атомов железа. Он серебристо-серый, прочный, ковкий, проводит тепло и электрический ток и обладает магнитными свойствами. Здесь речь идёт уже не о знаке элемента в таблице, а о материале, который можно получить и использовать.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода больше, чем в стали. Сплавом называют материал из нескольких элементов, сохраняющий металлические свойства. Содержание углерода влияет на твёрдость и хрупкость чугуна, поэтому его применяют иначе, чем сталь.

Сталь — сплав железа с углеродом, в котором углерода меньше, чем в чугуне. Состав стали можно изменять, чтобы получать материалы с разными свойствами. Поэтому из стали делают конструкции, инструменты и множество бытовых изделий.

Как это устроено

Положение железа в периодической системе связано с его электронным строением: у атома есть внешние электроны, которые могут участвовать в образовании химических связей. В соединениях атом железа чаще всего отдаёт два или три электрона, поэтому его степени окисления обычно равны +2 или +3. Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который помогает составлять формулы и уравнения реакций.

Железо обладает металлическими свойствами, потому что атомы в металлическом веществе удерживаются общей системой связей с подвижными электронами. Эти электроны переносят электрический заряд и тепловую энергию, а слои атомов могут смещаться без полного разрушения вещества — так объясняется ковкость. Железо прочное и магнитное; его свойства важны при выборе материала для деталей и конструкций.

При нагревании железо взаимодействует с кислородом, а с серой образует сульфид железа(II): Fe + S → FeS. С галогенами продукт зависит от условий и может содержать железо со степенью окисления +2 или +3, например 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃. С разбавленными кислотами, стоящими в ряду активности после железа, металл обычно вытесняет водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; концентрированная азотная кислота может пассивировать железо.

Соли железа(II) дают с щёлочью осадок Fe(OH)₂: FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl. На воздухе этот гидроксид окисляется кислородом до бурого Fe(OH)₃, содержащего железо(III): 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Для образования Fe(OH)₃ можно добавить щёлочь к соли железа(III), например FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.

Железо получают из руд, в которых оно находится в составе соединений, чаще всего оксидов. При высокой температуре оксид железа(III) восстанавливается угарным газом: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; восстановление означает отнятие кислорода от оксида. В доменной печи получают металл с примесями и углеродом, а его доля определяет тип сплава: в чугуне углерода больше, чем в стали, и это меняет их свойства.

Железо и его важнейшие соединения

Сначала смотри на формулу: по ней определяют степень окисления железа, а затем сравнивают с другими веществами таблицы. Стрелки превращений помогают проследить переход Fe(II) в Fe(III). Формулы солей в таблице — примеры: соли железа бывают разными.

Разбор задач

Реакции железа с кислородом и серой

Условие. Составить уравнения реакций железа с кислородом и серой и расставить коэффициенты. Для кислорода возьмём типичный продукт горения железа — Fe₃O₄, а для серы — FeS. В этих соединениях железо имеет соответственно смешанные степени окисления +2 и +3 и степень +2.

1. Записываем схемы: Fe + O₂ → Fe₃O₄ и Fe + S → FeS.
2. В первой реакции ставим 3 перед Fe₃O₄, чтобы получить 12 атомов кислорода, затем 6 перед O₂. Справа теперь 9 атомов железа, поэтому ставим 9 перед Fe.
3. Во второй реакции число атомов железа и серы уже одинаково с обеих сторон, коэффициенты равны единице.

Ответ: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄; Fe + S → FeS. При горении железа конкретный состав продукта зависит от условий, поэтому в уравнении важно указать именно выбранное соединение.

Цепочка превращений Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃

Условие. Записать превращения Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ и указать условия реакций. Для каждой стадии подбираем реагент, который обеспечивает нужное изменение состава. Последний переход — окислительно-восстановительная реакция: железо меняет степень окисления с +2 на +3.

1. Чтобы получить FeCl₂, действуем на железо разбавленной соляной кислотой: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Железо вытесняет водород из кислоты.
2. К раствору FeCl₂ добавляем раствор щёлочи: FeCl₂ + 2NaOH → Fe(OH)₂↓ + 2NaCl. Выпадает малорастворимый гидроксид.
3. Осадок Fe(OH)₂ оставляем на воздухе: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃. Кислород окисляет железо(II) до железа(III).

Ответ: подходят HCl, NaOH и кислород воздуха с водой; последняя реакция идёт при доступе воздуха. Осадок Fe(OH)₂ постепенно становится бурым, поскольку образуется Fe(OH)₃.

Восстановление оксида железа(III)

Условие. Из 160 г Fe₂O₃ получают железо при выходе 80%. Найти массу железа. Выход показывает, какая доля от теоретически возможного количества продукта действительно получена, поэтому его учитывают после расчёта по уравнению.

1. Записываем реакцию: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Проверяем: число атомов каждого элемента слева и справа одинаково.
2. Молярная масса Fe₂O₃ равна 160 г/моль. Значит, 160 г — это 1 моль Fe₂O₃, из которого по уравнению получается 2 моль Fe, то есть 112 г.
3. Учитываем выход: 112 г × 0,80 = 89,6 г. Результат меньше теоретического, как и должен быть при выходе ниже 100%.

Ответ: 89,6 г железа. В задаче с другой массой оксида сначала находят количество Fe₂O₃, затем по коэффициентам определяют количество железа и только после этого применяют указанный выход.

Типичные ошибки

Смешивают химический элемент Fe и простое вещество — металлическое железо. Причина в том, что для обоих используют одно название, хотя символ обозначает элемент, а вещество — металл, состоящий из его атомов. Проверь себя: если говоришь о месте в таблице или атомах, речь об элементе; если о металле, который реагирует, — о простом веществе.

Считают, что железо во всех соединениях имеет степень окисления +2. Так бывает, если запомнить только одну формулу, например FeCl₂, и не проверять другие вещества. В формуле FeCl₃ железо имеет степень окисления +3; сравнивай индексы и заряды ионов, а не переноси значение из одного соединения на все остальные.

Путают свойства соединений железа(II) и железа(III), в том числе цвета гидроксидов и возможность окисления. Это случается, когда запоминают только названия, не связывая их с формулами и степенью окисления. Сверяй осадок с формулой: Fe(OH)₂ обычно зеленоватый, Fe(OH)₃ бурый; при окислении Fe(II) превращается в Fe(III).

При восстановлении руды записывают неподходящий оксид или оставляют уравнение несбалансированным. Причина — попытка считать по названию вещества, не уточнив его формулу и коэффициенты. Сначала прочитай формулу исходного оксида, затем уравняй атомы и проверь, что число атомов каждого элемента слева и справа совпало.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, периодической системе и степенях окисления: они объясняют формулы соединений железа. При разборе реакций пригодятся свойства металлов, кислот и солей, а также основы окислительно-восстановительных процессов. Эти знания помогают изучать металлургию, получение сплавов, коррозию и практическое применение металлов. Понимание состава чугуна и стали связывает химию с производством конструкций, инструментов и деталей.

Что запомнить

• Символ железа — Fe; железо относится к металлам.
• Для железа характерны степени окисления +2 и +3.
• Соединения железа(II) могут окисляться до соединений железа(III).
• Оксид железа(III) можно восстановить до железа, например угарным газом.
• Чугун и сталь — сплавы на основе железа, различающиеся прежде всего содержанием углерода.
• Железо широко применяют в виде сплавов.