§ 17. Железо

Определения и обозначения

Железо — химический элемент Fe с порядковым номером 26 и относительной атомной массой около 56. Оно находится в 4-м периоде и 8-й группе периодической системы, относится к переходным металлам. Порядковый номер показывает заряд ядра и число электронов в нейтральном атоме. Символ Fe обозначает элемент, а также входит в формулы его простого вещества и соединений.

Аллотропные модификации железа — формы одного элемента, которые отличаются строением кристаллической решётки. При обычных условиях устойчиво α-железо, а при нагревании примерно выше 912 °C оно переходит в γ-железо. Разное расположение атомов влияет на свойства и поведение металла при нагревании. Это понятие помогает объяснить, почему железо может менять структуру, не превращаясь в другой элемент.

Чугун — сплав железа с углеродом, в котором углерода больше, чем в стали. Обычно он твёрдый, хорошо заполняет формы при литье, но достаточно хрупкий и плохо переносит ударные нагрузки. Поэтому из чугуна делают, например, корпуса машин, трубы и детали, которые получают литьём. Его свойства полезны там, где важны твёрдость и удобство изготовления сложной формы.

Сталь — сплав железа с углеродом, в котором углерода меньше, чем в чугуне. Сталь обычно прочнее и менее хрупкая, её можно обрабатывать давлением и использовать для изготовления конструкций и инструментов. Добавки других элементов, например хрома или никеля, позволяют изменять свойства стали. Состав подбирают под задачу: материалу могут придать большую твёрдость, прочность или устойчивость к коррозии.

Как это устроено

Положение железа в периодической системе связано с его строением: у атома 26 электронов, а на внешнем уровне находятся два электрона. Их железо может отдавать, образуя ионы Fe²⁺, а в ряде соединений отдаёт ещё один электрон и образует Fe³⁺. Поэтому металл проявляет две распространённые степени окисления, а не только +2. Способность отдавать электроны и металлическая связь объясняют, почему железо относится к металлам.

В земной коре железо редко встречается в виде свободного металла: оно достаточно активно и соединяется с другими элементами. Поэтому его добывают из руд, в которых оно входит в состав оксидов и других соединений. Чтобы получить металл, железо в соединении восстанавливают — отнимают у него кислород или иным способом переводят в свободное состояние. Например, при восстановлении оксида железа(III) угарным газом образуются железо и углекислый газ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Металлический блеск, пластичность и способность проводить тепло и электрический ток связаны с металлической решёткой. В ней положительные частицы расположены упорядоченно, а часть электронов может перемещаться между ними; именно подвижные электроны переносят заряд и энергию. Пластичность означает, что слои частиц могут смещаться, не разрушая сразу всю решётку. Магнитные свойства железа обусловлены особенностями движения электронов и строения атомов, поэтому железо притягивается магнитом.

Химические реакции железа показывают, как оно отдаёт электроны и образует соединения. При нагревании в кислороде образуется оксид железа(II, III): 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄; с серой железо реагирует с образованием сульфида железа(II): Fe + S → FeS. С разбавленной соляной кислотой металл выделяет водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. В растворе сульфата меди железо вытесняет менее активную медь: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Состав сплава влияет на то, как материал ведёт себя при нагрузке и обработке. Увеличение доли углерода по сравнению со сталью делает чугун твёрдым, но более хрупким, поэтому его часто отливают, а не используют для деталей, которые нужно гнуть. Сталь с меньшим содержанием углерода обычно пластичнее и лучше подходит для конструкций и обработки. Добавление других элементов меняет свойства сплава, позволяя получать материалы для разных условий эксплуатации.

Железо и его сплавы: свойства и превращения

Сначала найдите в таблице объект или реагенты, затем проследите, какой продукт образуется. Последний столбец помогает связать состав и реакцию со свойствами и применением. Для кислот учитывайте условия: приведённый пример относится к разбавленной соляной кислоте.

Разбор задач

1. Положение железа и число частиц в атоме

Назовите положение железа в периодической системе и определите число протонов и электронов в его нейтральном атоме. Порядковый номер железа равен 26, а его относительная атомная масса — около 56. Положение элемента указывает, где искать его в таблице, а заряд ядра позволяет определить число протонов. Для нейтрального атома число электронов равно числу протонов.

1. Находим в периодической системе символ Fe и порядковый номер 26. Значит, железо находится в 4-м периоде и 8-й группе.
2. Порядковый номер равен заряду ядра, поэтому в ядре 26 протонов. В нейтральном атоме суммарный заряд равен нулю, значит, вокруг ядра находятся 26 электронов.

Ответ: железо — элемент 4-го периода, 8-й группы; в нейтральном атоме 26 протонов и 26 электронов. Относительная атомная масса около 56 не меняет число электронов. Для другого элемента рассуждение будет таким же: сначала находят порядковый номер, затем используют нейтральность атома.

2. Реакция железа с серой

Составьте уравнение реакции железа с серой и укажите её тип. В продукте железо обычно имеет степень окисления +2, а сера — −2. Поэтому частицы соединяются в отношении один к одному, и формула продукта — FeS. После записи формулы нужно проверить, одинаково ли число атомов каждого элемента слева и справа.

1. Записываем реагенты: Fe + S →. Железо соединяется с серой при нагревании.
2. Составляем формулу продукта по зарядам ионов Fe²⁺ и S²⁻: получается FeS. Уравнение Fe + S → FeS уже уравнено: с каждой стороны по одному атому железа и серы.
3. Проверяем тип реакции: из двух простых веществ образовалось одно сложное вещество. Это реакция соединения.

Ответ: Fe + S → FeS; реакция соединения. Коэффициенты равны единице, поэтому их обычно не пишут. Проверка атомов помогает не допустить ошибки, даже если формула продукта определена верно.

3. Масса железа из оксида

Вычислите массу железа, которую можно получить из заданной массы оксида железа(III) при восстановлении угарным газом. Пусть масса Fe₂O₃ равна m, тогда сначала необходимо найти количество вещества оксида. По уравнению реакции из одного моля Fe₂O₃ образуются два моля Fe. Полученное количество железа затем переводят в массу.

1. Записываем и уравниваем реакцию: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Коэффициент перед Fe показывает, что из 1 моль оксида получается 2 моль железа.
2. Находим молярную массу оксида: M(Fe₂O₃) = 2 · 56 + 3 · 16 = 160 г/моль. Количество вещества оксида равно n(Fe₂O₃) = m/160 моль, где m выражена в граммах.
3. Используем соотношение коэффициентов: n(Fe) = 2n(Fe₂O₃) = m/80 моль. Умножаем количество железа на его молярную массу: m(Fe) = (m/80) · 56 = 0,7m.

Ответ: из заданной массы оксида теоретически можно получить массу железа, равную 0,7m. Например, из 160 г Fe₂O₃ получится 112 г Fe. Такой расчёт предполагает, что реакция прошла полностью и потерь вещества нет; в реальном производстве выход может быть меньше.

Типичные ошибки

Путать химический элемент Fe и простое вещество железо — значит смешивать обозначение вида атомов с веществом, состоящим из этих атомов. Так происходит потому, что для обоих часто используют один символ. Проверяйте контекст: элемент находится в периодической системе и входит в состав соединений, а простое вещество обладает металлическими свойствами.

Считать, что железо во всех соединениях имеет только степень окисления +2, неверно: оно может образовывать и соединения со степенью окисления +3. Ошибку допускают, запоминая только один пример, например FeCl₂. Проверяйте формулу соединения по зарядам частиц: в Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3.

Называть любой сплав железа с углеродом сталью — ошибка: чугун тоже содержит железо и углерод. Путаница возникает из-за того, что оба материала используют в технике. Чтобы проверить название, сравните содержание углерода: в чугуне его больше, чем в стали.

Записывать реакцию железа с любой кислотой по одному шаблону нельзя. С разбавленной неокисляющей кислотой железо обычно выделяет водород, но некоторые кислоты в концентрированном виде пассивируют металл защитным слоем. Перед уравнением уточните вид и концентрацию кислоты, а затем проверьте, не действует ли она как окислитель.

Связь с другими темами

Для объяснения свойств железа нужны знания о строении атома и периодической системе: они помогают определить число частиц и понять степени окисления. При записи уравнений пригодятся умение определять валентность, составлять формулы и расставлять коэффициенты. Также нужно знать общие свойства металлов и их реакции с кислородом, кислотами и растворами солей. Эти знания применяются дальше при изучении коррозии, металлургии и сплавов, а также помогают понять, почему материалы в технике подбирают по их свойствам.

Что запомнить

• Химический знак железа — Fe, порядковый номер — 26.
• Железо — металл с характерными металлическими и магнитными свойствами.
• В соединениях железо часто проявляет степени окисления +2 и +3.
• Железо вступает в реакции с кислородом, серой и рядом кислот.
• Чугун и сталь — сплавы железа с углеродом, различающиеся содержанием углерода.
• Свойства сплавов можно изменять их составом и добавлением других элементов.