§29. Железо и его свойства

Определения и обозначения

Железо — химический элемент с символом Fe и порядковым номером 26, простое вещество которого является металлом. В таблице Менделеева оно находится в побочной подгруппе; его атомы способны отдавать электроны. Это помогает понять, почему железо образует положительные ионы и вступает в реакции с неметаллами.

Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который используют, чтобы описывать распределение электронов. Для железа наиболее характерны степени окисления +2 и +3, поэтому в соединениях встречаются ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. По степени окисления можно составить формулу вещества и определить, сколько электронов участвует в окислительно-восстановительной реакции.

Коррозия — постепенное разрушение металла при взаимодействии с окружающей средой. Железо корродирует во влажном воздухе, образуя рыхлую ржавчину, которая не защищает металл от дальнейшего разрушения. Понятие нужно, чтобы объяснить, почему железные изделия покрывают краской, смазкой или защитными металлическими слоями.

Как это устроено

Атом железа имеет электроны на внешнем энергетическом уровне, которые он может отдавать при образовании соединений. При потере двух электронов возникает ион Fe²⁺, а при потере трёх — Fe³⁺. Поэтому железо проявляет переменную степень окисления, и в разных реакциях могут получаться разные соединения. Их состав зависит от реагентов и условий реакции.

При нагревании железо взаимодействует с кислородом и образует окалину — смесь оксидов, в частности Fe₃O₄. В этом соединении часть атомов железа имеет степень окисления +2, а часть — +3. Железо соединяется и с другими неметаллами: например, при нагревании с серой получается сульфид железа FeS. Нагревание ускоряет реакцию, потому что частицы движутся быстрее и чаще сталкиваются с достаточной энергией.

С разбавленными кислотами железо реагирует с выделением водорода, если кислота не обладает сильными окислительными свойствами. Например, уравнение реакции с соляной кислотой: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Один атом железа отдаёт два электрона, а два иона водорода принимают их и превращаются в молекулу H₂. Коэффициенты показывают, что на один моль железа приходится один моль водорода.

Железо также вытесняет из растворов солей некоторые менее активные металлы. Так, при реакции Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu атомы железа переходят в раствор в виде ионов, а ионы меди превращаются в металл. Это возможно потому, что железо активнее меди и легче отдаёт электроны. По такому опыту можно сравнивать относительную активность металлов.

Холодная вода почти не реагирует с железом, однако в присутствии воды и кислорода на поверхности постепенно появляется ржавчина. Она рыхлая и пористая, поэтому не отделяет металл от воздуха и влаги. Из-за этого коррозия может продолжаться в глубине изделия. Окраска, смазка или защитное покрытие мешают воде и кислороду соприкасаться с железом.

Основные реакции железа

В таблице собраны распространённые реакции железа и условия, при которых они протекают. Используйте её, чтобы быстро вспомнить продукты реакции, а затем обязательно проверьте, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково. Условия над стрелкой или в скобках помогают отличить реакцию при нагревании от реакции в растворе.

Разбор задач

Задача. Железо массой 5,6 г прореагировало с избытком разбавленной соляной кислоты. Найдите объём водорода, который выделится при нормальных условиях. Избыток кислоты означает, что железо полностью вступит в реакцию, поэтому количество продукта можно определить по количеству железа. Сначала запишем уравнение и выясним соотношение веществ.

1. Составляем уравнение реакции: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Оно показывает, что один моль железа образует один моль водорода. Коэффициенты уравнения уже уравнены: атомов Fe, H и Cl слева и справа поровну.

2. Находим количество вещества железа по формуле n = m / M. Молярная масса железа M(Fe) = 56 г/моль, поэтому n(Fe) = 5,6 г / 56 г/моль = 0,1 моль. Это исходное количество реагента, с которым будем сравнивать количество водорода.

3. Используем соотношение коэффициентов: перед Fe и H₂ стоят единицы. Значит, n(H₂) = n(Fe) = 0,1 моль. Если бы коэффициенты отличались, количество водорода следовало бы найти с учётом их отношения.

4. При нормальных условиях один моль любого газа занимает 22,4 л. Тогда V(H₂) = n × 22,4 л/моль = 0,1 × 22,4 = 2,24 л. Проверяем единицы: количество вещества умножили на молярный объём, поэтому результат получен в литрах.

Ответ: при нормальных условиях выделится 2,24 л водорода. Проверка смысла результата проста: 5,6 г железа — одна десятая моля, значит, водорода тоже образуется одна десятая моля. Избыток кислоты не меняет расчёт, потому что ограничивающим реагентом является железо.

Типичные ошибки

• Считать, что железо во всех соединениях имеет степень окисления +2. Так ошибаются, потому что переносят знакомую формулу FeCl₂ на любые вещества с железом. Проверяйте состав соединения и заряды ионов: например, в Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3.

• Записывать реакцию железа с кислотой без водорода или получать соль железа(III) в реакции с разбавленной соляной кислотой. Путаница возникает из-за разных возможных степеней окисления железа. Проверьте условия, запишите формулы продуктов и уравняйте число атомов; для разбавленной HCl используют уравнение Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.

• Путать ржавление с мгновенной реакцией железа с чистой водой. Обычно железо медленно корродирует во влажной среде, где одновременно участвуют вода и кислород. Чтобы проверить объяснение, уточните условия процесса: холодная вода сама по себе не даёт заметной быстрой реакции, а коррозия развивается постепенно.

• В расчёте объёма газа приравнивать массу железа к количеству водорода или забывать коэффициенты реакции. Такое случается, если пропустить переход от массы к молям. Проверьте цепочку: масса → количество вещества по n = m / M → соотношение по уравнению → объём газа.

Связь с другими темами

Свойства железа связаны с периодической системой: положение элемента помогает судить о строении атома, а оно — о способности образовывать ионы. Реакции железа с кислородом, кислотами и солями относятся к химическим свойствам металлов и иллюстрируют окислительно-восстановительные процессы. Расчёт количества водорода использует понятия моля, молярной массы и молярного объёма газа. Коррозия показывает, как химические реакции влияют на материалы в повседневной жизни.

Что запомнить

• Символ железа — Fe; характерные степени окисления в соединениях: +2 и +3.

• Железо реагирует с неметаллами, разбавленными кислотами и растворами солей некоторых менее активных металлов.

• Разбавленная соляная кислота реагирует с железом с образованием FeCl₂ и H₂: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.

• Во влажном воздухе железо корродирует; защитные покрытия замедляют доступ воды и кислорода.

• В задачах сначала уравнивают реакцию, затем находят количество вещества и используют коэффициенты уравнения.