"Химия", Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г.
Железо — металл с символом Fe и атомным номером 26, который используют в строительстве, машиностроении и производстве множества изделий. Его ценят за прочность, электропроводность и магнитные свойства, а большинство металлических конструкций делают не из чистого железа, а из его сплавов — чугуна и стали. Важная особенность железа — способность образовывать соединения со степенями окисления +2 и +3. Знание его реакций помогает понять, как металл получают из руд и почему он взаимодействует с кислотами по-разному.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо — химический элемент Fe с атомным номером 26, то есть в ядре его атома 26 протонов. Оно находится в 4-м периоде, 8-й группе, в d-блоке периодической системы; электронное распределение по уровням — 2, 8, 14, 2. Такое строение помогает объяснить металлические свойства железа и то, почему оно образует соединения с разными степенями окисления.
Сплавы железа — материалы, в которых железо является основой, а к нему добавлены углерод и другие элементы. Чугун содержит больше углерода, обычно около 2–4%, и подходит, например, для изготовления деталей и литых изделий. В стали углерода меньше, поэтому её можно сделать прочной и одновременно достаточно пластичной для строительства, машин и инструментов.
Соединения железа(II) — вещества, в которых степень окисления железа равна +2. Примеры — оксид FeO, хлорид FeCl₂ и сульфат FeSO₄; их растворы часто имеют бледно-зелёную окраску. Многие соединения Fe(II) способны окисляться кислородом воздуха до соединений Fe(III), поэтому их свойства полезно учитывать при хранении и проведении реакций.
Соединения железа(III) содержат железо со степенью окисления +3. К ним относятся оксид Fe₂O₃, хлорид FeCl₃ и гидроксид Fe(OH)₃; гидроксид выпадает в виде бурого осадка. По сравнению с соединениями Fe(II) многие вещества Fe(III) проявляют окислительные свойства, то есть могут принимать электроны от других веществ.
Железо расположено в середине длинного периода таблицы, и в образовании его соединений участвуют электроны не только внешнего, но и предшествующего уровня. Поэтому атом способен отдавать разное число электронов, чаще всего два или три, и образовывать ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Это объясняет существование двух распространённых групп соединений железа и различия в их химическом поведении.
Прочность, твёрдость, металлический блеск и электропроводность делают железо полезным конструкционным материалом. Электрический ток в металле переносится подвижными электронами, а металлическая связь помогает веществу сохранять прочность. Железо притягивается магнитом, потому что относится к ферромагнетикам: магнитные свойства его атомов могут упорядочиваться в общих областях материала.
При реакциях железо обычно отдаёт электроны, поэтому выступает восстановителем: само оно окисляется, а другой участник реакции принимает электроны. С кислородом при нагревании может образоваться смешанный оксид Fe₃O₄, а с серой — сульфид FeS, где железо имеет степень окисления +2. С хлором образуется FeCl₃, а при взаимодействии с водяным паром при высокой температуре — Fe₃O₄ и водород; состав продукта зависит от условий и реагента.
Разбавленные неокисляющие кислоты, например соляная, реагируют с железом с образованием соли и водорода: металл вытесняет водород из кислоты. При этом в солях такой реакции железо обычно имеет степень окисления +2. Иначе ведут себя холодные концентрированные азотная и серная кислоты: они могут вызвать пассивацию — образование плотного защитного слоя на поверхности, который тормозит дальнейшее взаимодействие.
Железо получают из руд, содержащих его оксиды, в доменной печи. Кокс при горении даёт тепло и угарный газ CO, который отнимает кислород у оксида железа; например, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Расплавленное железо поглощает часть углерода и примесей, поэтому из печи получают чугун, а не чистое железо. Чтобы получить сталь, чугун затем перерабатывают и уменьшают содержание углерода.
| Объект | Состав или степень окисления железа | Характерные свойства | Примеры или применение |
|---|---|---|---|
| Железо | Простое вещество Fe | Твёрдое, прочное, проводит ток, притягивается магнитом | Конструкции, детали, инструменты |
| Соединения железа(II) | Fe имеет степень окисления +2 | Могут окисляться до соединений Fe(III); многие растворы бледно-зелёные | FeO, FeCl₂, FeSO₄ |
| Соединения железа(III) | Fe имеет степень окисления +3 | Многие проявляют окислительные свойства; Fe(OH)₃ — бурый осадок | Fe₂O₃, FeCl₃, Fe(OH)₃ |
| Чугун | Сплав железа с углеродом; углерода больше, чем в стали | Твёрдый, хорошо подходит для литья, но обычно более хрупкий | Литые детали, элементы оборудования |
| Сталь | Сплав железа с меньшим содержанием углерода, чем в чугуне | Прочная; свойства меняют подбором состава и обработкой | Строительные конструкции, машины, инструменты |
Сначала найдите в таблице объект, а затем сравните его состав со свойствами: так видно, почему вещество или материал ведёт себя именно так. Степень окисления помогает отличить соединения Fe(II) от Fe(III), а содержание углерода — чугун от стали. Примеры в последнем столбце показывают, где свойства железа и его сплавов используют на практике.
Задача: составьте уравнение реакции железа с серой и укажите степень окисления железа в продукте. Железо и сера образуют сульфид железа(II), формула которого FeS. Поскольку один атом каждого элемента уже даёт нужное соотношение, коэффициенты перед формулами равны единице.
Уравнение: Fe + S → FeS. В продукте железо имеет степень окисления +2, поэтому образуется соединение железа(II).
Задача: запишите уравнение реакции железа с разбавленной соляной кислотой и назовите продукты. Соляная кислота не является окислителем, а железо расположено в ряду активности левее водорода, поэтому оно вытесняет водород из кислоты. В образующейся соли железо обычно имеет степень окисления +2.
Уравнение: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Продукты — хлорид железа(II) и водород; стрелка вверх обозначает выделение газа.
Задача: вычислите массу железа, которую можно получить из 160 г оксида железа(III) Fe₂O₃ при восстановлении угарным газом. Сначала нужно установить, сколько железа содержится в указанном количестве оксида по уравнению реакции. Считаем, что оксид полностью прореагировал и потерь продукта нет.
Ответ: теоретически можно получить 112 г железа. Проверка по составу формулы даёт тот же результат: в 160 г Fe₂O₃ содержится 112 г железа и 48 г кислорода. В реальном производстве выход может быть меньше из-за примесей и потерь.
Ошибка — считать, что железо во всех соединениях имеет степень окисления +2. Так можно подумать, потому что железо часто реагирует с разбавленными кислотами с образованием солей Fe(II). Проверяйте формулу и условия реакции: например, в FeCl₃ железо имеет +3, а в FeS — +2.
Ошибка — смешивать понятия «химический элемент», «простое вещество» и «сплав». Элемент Fe обозначает вид атомов, простое вещество — металл из атомов железа, а чугун и сталь содержат также углерод и другие компоненты. Чтобы проверить себя, спросите, идёт ли речь о символе элемента, чистом веществе или материале с переменным составом.
Ошибка — записывать реакцию разбавленной кислоты без водорода или неверно составлять формулу соли. Это происходит, если забыть, что железо вытесняет водород из неокисляющей кислоты и обычно образует ион Fe²⁺. Составьте продукты по зарядам и уравняйте атомы: для соляной кислоты получается Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.
Ошибка — называть чугун и сталь чистым железом. Их металлическая основа действительно железная, но содержание углерода и свойства отличаются; поэтому оба материала являются сплавами. Сверьте состав: углерода в чугуне больше, чем в стали, а сталь обычно лучше подходит для изделий, которым нужны прочность и пластичность.
Для изучения железа нужны знания о строении атома, периодической системе, металлах и степенях окисления. Они помогают объяснить, почему железо образует ионы Fe²⁺ и Fe³⁺ и как составлять формулы его соединений. Без умения определять заряды ионов трудно правильно записать, например, FeCl₂ и FeCl₃.
Реакции железа связаны с рядом активности металлов, свойствами кислот и окислительно-восстановительными процессами. Эти знания позволяют предсказать выделение водорода и понять, почему кислород или хлор могут принимать электроны у железа. Дальше тема пригодится при изучении металлургии, коррозии и соединений переходных элементов.
Почему железо проявляет степени окисления +2 и +3?
У атома железа на внешних энергетических уровнях есть электроны, которые могут участвовать в образовании связей. Поэтому в соединениях атом железа может отдавать два или три электрона и приобретать степени окисления +2 или +3. Какая именно степень реализуется, зависит от реагентов и условий реакции.
Чем отличаются железо, чугун и сталь?
Железо — химический элемент, а также простое вещество, состоящее из его атомов. Чугун и сталь — сплавы на основе железа, в которых есть углерод и могут присутствовать другие элементы. В чугуне углерода больше, чем в стали, поэтому материалы отличаются свойствами и применением.
Почему железо притягивается магнитом?
Железо относится к ферромагнитным веществам: в нём существуют области, где магнитные свойства атомов согласованы. Под действием внешнего магнитного поля эти области ориентируются, поэтому кусок железа притягивается к магниту. Это свойство используют, например, в электродвигателях и трансформаторах.
Всегда ли при реакции железа с кислотой выделяется водород?
Нет. Водород обычно выделяется при взаимодействии железа с разбавленными неокисляющими кислотами, например с соляной. Концентрированные азотная и серная кислоты при обычных условиях могут пассивировать железо — создавать на поверхности защитный слой, который мешает реакции.
Как получают железо из руды?
В доменной печи оксиды железа восстанавливают угарным газом и другими восстановителями, образующимися при сгорании кокса. Полученное железо плавится и растворяет часть углерода, поэтому продуктом доменной плавки становится чугун. Затем его перерабатывают, чтобы получить сталь с нужным составом.
§ 48. Железо
