§ 54. Железо как химический элемент

Определения и обозначения

Химический элемент железо обозначают символом Fe, его атомный номер равен 26. Число 26 означает заряд ядра атома и число протонов в нём. Элемент — это вид атомов, а простое вещество железо — металл, состоящий из атомов этого элемента.

Изотоп железа — разновидность атомов железа с тем же зарядом ядра, но другим числом нейтронов. Поэтому изотопы имеют одинаковый атомный номер, но разные массовые числа. Такое различие нужно, чтобы правильно находить состав ядра и объяснять среднюю атомную массу элемента.

Электронная конфигурация атома железа показывает распределение 26 электронов по уровням и подуровням: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s². Сокращённо её записывают как [Ar] 3d⁶ 4s². Эта запись помогает понять положение железа в периодической системе и образование его ионов.

Степень окисления железа показывает условный заряд атома в соединении. Наиболее характерны значения +2 и +3: они связаны с отдачей двух электронов 4s или двух электронов 4s и одного электрона 3d. По степени окисления можно различать соединения Fe(II) и Fe(III) и составлять их формулы.

Как это устроено

Атомный номер 26 задаёт заряд ядра железа, равный +26 элементарным зарядам. В нейтральном атоме положительный заряд 26 протонов уравновешен 26 электронами. Если электронов становится меньше или больше, образуется ион, но принадлежность ядра к железу не меняется.

Железо находится в 4-м периоде, потому что его электроны занимают четыре энергетических уровня. Оно расположено в 8-й группе и d-блоке, поскольку при заполнении атома появляется электрон на 3d-подуровне. Положение в периодической системе поэтому связано не просто с номером элемента, а с конкретным строением его электронной оболочки.

Конфигурация железа записывается как [Ar] 3d⁶ 4s²: [Ar] обозначает заполненную оболочку аргона, а после неё идут восемь электронов железа. Подуровень 4s заполняется раньше 3d, но в готовом атоме 3d записывают перед 4s. В образовании связей и ионов могут участвовать и два внешних 4s-электрона, и электроны незаполненного 3d-подуровня.

Несколько степеней окисления объясняются близкой энергией электронов 4s и 3d. При потере двух 4s-электронов образуется Fe²⁺, а при потере ещё одного 3d-электрона — Fe³⁺. Ион Fe³⁺ особенно устойчив, потому что его 3d-подуровень имеет наполовину заполненную конфигурацию 3d⁵; у Fe²⁺ сохраняется конфигурация 3d⁶.

Атом железа электрически нейтрален и содержит 26 электронов, а Fe²⁺ и Fe³⁺ имеют соответственно 24 и 23 электрона. Простое вещество железо — образец металлического вещества, а соединения железа содержат его атомы или ионы вместе с атомами других элементов. Такое различение не позволяет смешивать символ элемента, частицу и вещество.

Железо как химический элемент

Таблица объединяет сведения, которые нужно получать из положения железа и его электронной конфигурации. В графе «Что показывает» указано, для какого вывода используется каждая характеристика. Значения удобно применять как краткий алгоритм при решении задач о составе атома и ионов.

Разбор задач

Задача 1. Состав изотопа ⁵⁶Fe

Для атома изотопа ⁵⁶Fe нужно определить число протонов, нейтронов и электронов. Изотопная запись даёт массовое число A = 56, а периодическая система — атомный номер Z = 26. Сначала находим частицы, которые задаются непосредственно атомным номером, затем вычисляем нейтроны.

1. Число протонов равно атомному номеру: p = Z = 26.
2. Число нейтронов находим разностью массового и атомного номеров: n = A − Z = 56 − 26 = 30.
3. Атом нейтрален, поэтому число электронов равно числу протонов: e = 26.

Ответ: в атоме ⁵⁶Fe содержатся 26 протонов, 30 нейтронов и 26 электронов. Если бы это был ион, число электронов изменилось бы, но число протонов осталось равным 26. Именно протоны определяют, что частица относится к железу.

Задача 2. Конфигурации атома и ионов железа

Нужно записать электронную конфигурацию атома железа и ионов Fe²⁺ и Fe³⁺, а также указать положение элемента. У железа Z = 26, поэтому нейтральный атом имеет 26 электронов. При образовании катионов сначала удаляются электроны с 4s-подуровня, хотя в сокращённой записи 3d стоит перед 4s.

1. Заполняем подуровни: Fe: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s², или [Ar] 3d⁶ 4s².
2. Для Fe²⁺ удаляем два электрона 4s: Fe²⁺: [Ar] 3d⁶.
3. Для Fe³⁺ удаляем ещё один электрон с 3d: Fe³⁺: [Ar] 3d⁵. Железо находится в 4-м периоде, 8-й группе, d-блоке.

Ответ: Fe имеет конфигурацию [Ar] 3d⁶ 4s², Fe²⁺ — [Ar] 3d⁶, Fe³⁺ — [Ar] 3d⁵. Число электронов у ионов равно 24 и 23 соответственно. Порядок удаления 4s, затем 3d нужно помнить отдельно от порядка заполнения подуровней.

Задача 3. Средняя атомная масса изотопной смеси

Пусть образец содержит ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe и ⁵⁷Fe с долями 6%, 91% и 3%. Среднюю относительную атомную массу находят не сложением массовых чисел, а суммой вкладов каждого изотопа. Для этого каждое массовое число умножают на его долю, выраженную десятичной дробью.

1. Переводим проценты: 0,06; 0,91; 0,03.
2. Вычисляем среднее: Aᵣ = 54 · 0,06 + 56 · 0,91 + 57 · 0,03 = 3,24 + 50,96 + 1,71 = 55,91.
3. Сравниваем результат с массовыми числами: 55,91 находится между 54 и 57, потому что учитывает все три изотопа.

Ответ: средняя относительная атомная масса образца равна 55,91. Она не обязана быть целой, поскольку является средневзвешенным значением. В реальном природном железе состав изотопов определяет табличное значение около 55,85.

Типичные ошибки

Путают железо как химический элемент с простым веществом железом, потому что в речи используется одно название. Элемент — это вид атомов, а простое вещество — материальный образец из этих атомов. Проверка: спросите себя, говорится ли о составе ядра или о свойствах металла.

Считают, что конфигурация железа заканчивается на 4s², пропуская 3d⁶. Такая ошибка возникает из-за механического чтения порядка заполнения подуровней. Проверка: у железа должно быть 26 электронов, а запись только [Ar] 4s² даёт лишь 20.

При образовании Fe²⁺ и Fe³⁺ удаляют электроны только с 3d-подуровня. Забывают, что сначала уходят два электрона 4s, поскольку именно они находятся дальше от ядра. Проверка: записывайте нейтральную конфигурацию и зачёркивайте сначала 4s².

Массовое число одного изотопа принимают за относительную атомную массу железа. Причина ошибки — оба значения связаны с массой атомов, но первое относится к конкретному изотопу, а второе — к природной смеси. Проверка: если в условии есть несколько долей, используйте средневзвешенное значение.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении атома, составе ядра, изотопах, электронных конфигурациях и периодической системе. Без них трудно связать атомный номер с числом частиц и положением элемента. Эти правила применяются к любому химическому элементу.

Дальше сведения о железе понадобятся при изучении его простого вещества и соединений. Электронная конфигурация помогает объяснять ионы Fe²⁺ и Fe³⁺, а степени окисления — состав и свойства соединений. В окислительно-восстановительных реакциях железо может отдавать или принимать электроны.

Тема связана с периодическим законом: положение элемента позволяет предсказывать строение атома и возможные степени окисления. Переход железа к d-блоку объясняет его переменную валентность и разнообразие соединений. Поэтому таблица Менделеева служит не только справочником, но и инструментом прогноза.

Что запомнить

• Химический символ железа — Fe, его атомный номер — 26.
• В нейтральном атоме железа 26 протонов и 26 электронов.
• Железо находится в 4-м периоде, 8-й группе, d-блоке периодической системы.
• Электронная конфигурация железа: [Ar] 3d⁶ 4s².
• Наиболее характерные степени окисления железа — +2 и +3.
• Изотопы железа имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
• Относительная атомная масса природного железа учитывает распространённость его изотопов.