"Химия", Савинкина Е.В., Логинова Г.П.; под ред. Вахрушева А.А.
Железо — распространённый переходный металл, из которого получают чугун и сталь для строительства, машин и инструментов. Его свойства связаны со строением атома: железо легко отдаёт электроны и чаще всего образует соединения со степенями окисления +2 и +3. Оно реагирует с неметаллами и разбавленными кислотами, а во влажном воздухе постепенно ржавеет. Знание этих закономерностей помогает записывать уравнения реакций и выбирать способы защиты металла.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо — химический элемент Fe с порядковым номером 26. Оно находится в 4-м периоде и VIIIБ-группе периодической системы, относится к металлам. Положение элемента помогает предсказать строение его атома и типичные химические свойства.
Электронная конфигурация железа показывает, как электроны распределены по уровням и подуровням. Для атома Fe она записывается так: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Эта запись нужна, чтобы понять, какие электроны могут участвовать в образовании химических связей и ионов.
Степень окисления железа — условный заряд атома в соединении. Чаще всего железо имеет степени окисления +2 и +3: это связано с возможностью отдавать два электрона внешнего 4s-подуровня или дополнительно один электрон 3d-подуровня. По степени окисления можно составлять формулы соединений и уравнения реакций.
Коррозия железа — разрушение металла под действием окружающей среды. При ржавлении железо окисляется, а образующиеся продукты реакции составляют ржавчину. Понимание этого процесса помогает выбирать способы защиты металлических предметов.
Железо относят к переходным металлам, потому что у его атома заполняется 3d-подуровень. Электронная конфигурация Fe — [Ar] 3d⁶ 4s²: внешние электроны находятся на 4s-подуровне, а электроны 3d также могут участвовать в образовании соединений. Поэтому железо образует несколько устойчивых ионов, а его химические свойства разнообразнее, чем у многих металлов главных подгрупп.
Наиболее характерны степени окисления +2 и +3. При образовании Fe²⁺ атом отдаёт два электрона 4s-подуровня, а при образовании Fe³⁺ теряет ещё один электрон с 3d-подуровня. Например, в FeO кислород имеет степень окисления −2, поэтому железо имеет +2; в Fe₂O₃ на три атома кислорода с суммарным зарядом −6 приходятся два атома железа, каждый со степенью окисления +3.
Железо твёрдое, имеет металлический блеск, проводит электрический ток и притягивается магнитом. Эти свойства связаны с металлической связью: положительные частицы металла удерживаются общими подвижными электронами. Электроны переносят заряд, а упорядоченное строение и взаимодействие частиц обеспечивают твёрдость; магнитные свойства связаны с особенностями электронного строения железа.
При нагревании железо взаимодействует с неметаллами, потому что атомы обмениваются электронами и образуют устойчивые соединения. Например, с кислородом образуется оксид: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄, а с серой — сульфид: Fe + S → FeS. С разбавленной соляной кислотой железо вытесняет водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; в этой реакции образуется соль железа(II).
Во влажном воздухе железо корродирует: вода помогает переносу частиц, а кислород окисляет металл. Ржавчина представляет собой смесь веществ, в которой есть гидратированные оксиды железа; её состав не выражают одной простой формулой. Чтобы замедлить разрушение, поверхность покрывают краской, смазкой или металлом, изолируя железо от воды и кислорода, либо используют коррозионно-стойкие сплавы.
| Объект | Состав или формула | Характерная степень окисления железа | Характерное свойство |
|---|---|---|---|
| Железо как простое вещество | Fe | 0 | Металл, притягивается магнитом |
| Оксид железа(II) | FeO | +2 | Оксид, в котором железо связано с кислородом |
| Оксид железа(III) | Fe₂O₃ | +3 | Оксид железа с большей степенью окисления |
| Соли железа(II) | Например, FeCl₂ | +2 | Содержат катионы Fe²⁺ |
| Соли железа(III) | Например, FeCl₃ | +3 | Содержат катионы Fe³⁺ |
Сначала определите, рассматривается ли простое вещество или соединение: у Fe как простого вещества степень окисления равна 0. В оксидах и солях формула и название показывают, какой ион железа входит в состав. Сравнивая строки таблицы, удобно не путать соединения железа(II) и железа(III).
Задача 1. Составьте уравнение реакции железа с серой и укажите степень окисления железа в продукте. Рассуждаем так: простые вещества при реакции образуют сульфид железа, а его формулу составляем с учётом зарядов ионов. Железо отдаёт электроны, сера их принимает.
Ответ: Fe + S → FeS; степень окисления железа в продукте +2.
Задача 2. Запишите реакцию железа с разбавленной соляной кислотой и найдите объём водорода, выделившегося при реакции 5,6 г Fe. Металл образует соль железа(II), а водород выделяется в виде газа. По коэффициентам уравнения количество железа и водорода относится как 1:1.
Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑; выделится 2,24 л водорода при нормальных условиях.
Задача 3. При восстановлении оксида железа(III) угарным газом получили 11,2 г железа. Найдите массу Fe₂O₃, вступившего в реакцию. Сначала нужно получить правильное соотношение веществ в уравнении, а затем использовать его для перевода количества железа в количество оксида.
Ответ: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂; в реакцию вступило 16 г оксида железа(III).
Ошибка — считать, что железо всегда имеет степень окисления +2. Так иногда решают по знакомому FeO, забывая, что существует и Fe₂O₃ с железом +3. Проверяйте формулу и суммарный заряд: в нейтральном соединении сумма степеней окисления равна нулю.
Не путайте простое вещество Fe с атомом железа в составе соединения. У простого вещества степень окисления равна 0, но внутри оксида или соли она может быть +2 либо +3. Проверяйте, стоит ли Fe отдельно или входит в формулу сложного вещества.
Нельзя без проверки записывать для любой кислоты один и тот же продукт реакции. С разбавленными неокисляющими кислотами обычно образуются соль железа(II) и водород, например FeCl₂ и H₂. Перед составлением уравнения учитывайте тип кислоты и условия, затем проверьте число атомов и заряд частиц.
Ржавление иногда принимают за физическое изменение, потому что на поверхности просто заметно меняется цвет. На самом деле железо реагирует с кислородом при участии влаги, то есть происходит химическое превращение. Если образовались новые вещества, это химический процесс; поэтому для защиты нужно препятствовать контакту металла с водой и кислородом.
Чтобы понять свойства железа, нужно уметь читать периодическую систему, записывать электронное строение атома, знать особенности металлической связи и определять степени окисления. Эти знания позволяют объяснить образование Fe²⁺ и Fe³⁺ и правильно составлять формулы соединений. Далее они пригодятся при изучении металлов, сплавов, окислительно-восстановительных реакций и коррозии. Так становится понятнее, почему состав вещества связан с его свойствами и применением.
Почему железо относят к переходным металлам?
В атоме железа заполняется d-подуровень, который не завершён у атома и его распространённых ионов. Электроны этого подуровня могут участвовать в образовании соединений, поэтому железо относят к переходным металлам.
Почему железо может иметь степени окисления +2 и +3?
Атом железа может отдать два электрона внешнего 4s-подуровня и получить степень окисления +2. Если при образовании соединения отдаётся ещё один электрон с 3d-подуровня, степень окисления становится +3.
Какие вещества образуются при реакции железа с разбавленной кислотой?
С разбавленной неокисляющей кислотой железо обычно образует соль железа(II) и водород. Например: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.
Чем оксид железа(II) отличается от оксида железа(III)?
В FeO железо имеет степень окисления +2, а в Fe₂O₃ — +3. Поэтому в формулах различается соотношение атомов железа и кислорода, а сами вещества имеют разные свойства.
Почему железо ржавеет и как защитить его от коррозии?
При участии кислорода и влаги железо окисляется, и постепенно образуется ржавчина. Доступ воды и кислорода ограничивают окрашиванием, смазыванием, нанесением защитных покрытий или использованием сплавов, устойчивых к коррозии.
§ 27. Железо - элемент VIIIБ- группы
