"Химия (углублённый уровень)", Еремин В.В., Кузьменко Н.Е., Теренин В.И. и др./Под ред. Лунина В.В.
Железо — металл, состоящий из атомов химического элемента Fe. Его строение объясняет характерные металлические свойства, а изменение кристаллической решётки при нагревании приводит к переходам между модификациями. Железо реагирует с кислородом, неметаллами и кислотами, а во влажном воздухе постепенно ржавеет. Знание этих свойств помогает понимать, как получают и используют железо, почему его сплавы нуждаются в защите и как подобрать способ противодействия коррозии.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо как простое вещество — металл, образованный атомами химического элемента Fe. Химический элемент — это вид атомов с определённым зарядом ядра, а простое вещество — материал, состоящий из атомов одного элемента. Это различие помогает не смешивать обозначение Fe с конкретным металлом и его свойствами.
Аллотропия железа — способность одного химического элемента образовывать простые вещества с разным строением кристаллической решётки. Основные модификации железа обозначают α-железо и γ-железо. Понятие нужно, чтобы объяснять, почему железо при разных температурах может отличаться внутренним строением и свойствами.
Ферромагнетизм — способность вещества сильно намагничиваться и сохранять упорядоченность магнитных моментов частиц. α-железо проявляет это свойство ниже точки Кюри, примерно 770 °C; выше этой температуры ферромагнетизм исчезает. Граница важна при описании магнитных свойств: они зависят не только от вещества, но и от температуры.
Коррозия железа — разрушение металла вследствие взаимодействия с окружающей средой. При обычном ржавлении нужны и вода, в том числе в виде влаги, и кислород воздуха. Это определение помогает понять, почему одного контакта с сухим кислородом или чистой водой обычно недостаточно для быстрого образования ржавчины.
Железо относится к металлам и при обычных условиях является твёрдым кристаллическим веществом. В узлах решётки находятся частицы железа, а металлическая связь возникает благодаря общим подвижным электронам. Их движение обеспечивает электропроводность, а взаимодействие электронов со светом придаёт металлу характерный блеск. Слои частиц могут смещаться без полного разрушения связи, поэтому железо и его сплавы способны деформироваться.
При нагревании движение атомов усиливается, и меняется наиболее устойчивая для них упаковка. До примерно 912 °C существует α-железо с объёмно-центрированной кубической решёткой; при этой температуре оно переходит в γ-железо с гранецентрированной кубической решёткой. При дальнейшем изменении температуры структура снова меняется, а при охлаждении переходы идут в обратном направлении. Поэтому свойства железа при обработке зависят от температурного режима.
Твёрдость и пластичность описывают сопротивление деформации и способность менять форму, не разрушаясь; конкретные показатели зависят от чистоты металла, структуры и обработки. Металлический блеск и электропроводность связаны с подвижными электронами в металлической связи. Магнитные свойства тоже зависят от строения, но у α-железа особенно важна температура: выше точки Кюри, около 770 °C, оно утрачивает ферромагнетизм. Следовательно, точные характеристики вещества нельзя обсуждать без указания условий измерения.
При нагревании железо реагирует с кислородом и многими неметаллами, причём продукт зависит от реагента и условий. Например, при сгорании железа в кислороде образуется Fe₃O₄, а с серой — FeS. С водяным паром при нагревании получается оксид железа Fe₃O₄ и выделяется водород. В разбавленных неокисляющих кислотах железо вытесняет водород и обычно образует соль Fe(II); окисляющие кислоты могут вести себя иначе.
Ржавление — электрохимический процесс: на разных участках поверхности железа протекают сопряжённые реакции, а вода служит средой для переноса ионов. Кислород участвует в превращениях, приводящих к образованию продуктов коррозии, поэтому влажный воздух способствует разрушению металла. Краска, масло или металлическое покрытие мешают воде и кислороду соприкасаться с железом. Легирование, то есть добавление других элементов при получении сплава, также может повысить коррозионную стойкость.
Таблица помогает сопоставить условия опыта и наблюдаемый результат: один и тот же реагент при разных условиях может давать разные продукты. В уравнениях следите за сохранением числа атомов и за степенями окисления, если реакция является окислительно-восстановительной. Для коррозии приведено общее условие процесса, а не единственное уравнение образования ржавчины.
| Свойство или реагент | Условия | Наблюдение или продукт | Уравнение реакции |
|---|---|---|---|
| Внешний вид и агрегатное состояние | Обычные условия | Твёрдый металл с металлическим блеском | — |
| Плотность и механические свойства | Обычные условия; свойства зависят от чистоты и обработки | Плотность около 7,9 г/см³; железо твёрдое, поддаётся деформации | — |
| Магнитные свойства и температура | α-железо ниже примерно 770 °C | Ферромагнетизм; выше точки Кюри он исчезает | — |
| Кислород | Нагревание | Образуется оксид железа Fe₃O₄ | 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ |
| Сера и другие неметаллы | Нагревание | С серой образуется сульфид железа(II) | Fe + S → FeS |
| Водяной пар | Нагревание | Образуются Fe₃O₄ и водород | 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ |
| Кислоты | Разбавленная неокисляющая кислота | Соль железа(II) и водород | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ |
| Вода и кислород при коррозии | Влажная среда с доступом кислорода | Поверхность постепенно покрывается ржавчиной | — |
Задача 1. Запишите уравнение реакции железа с кислородом при нагревании и определите степени окисления элементов. Сначала устанавливаем, что железо окисляется, а кислород восстанавливается. Продукт реакции при горении железа в кислороде — Fe₃O₄, поэтому сначала записываем схему Fe + O₂ → Fe₃O₄. Затем уравниваем число атомов каждого элемента.
Ответ: 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄; железо меняет степень окисления с 0 на +2 и +3, кислород — с 0 на −2. Задача 2. Железный гвоздь поместили в раствор разбавленной соляной кислоты. По ряду активности железо вытесняет водород из такой кислоты, а в обычных условиях образует соль Fe(II).
Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂; выделяется H₂. Задача 3. При взаимодействии 11,2 г железа с избытком раствора серной кислоты найти объём водорода при нормальных условиях. Сначала используем уравнение Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂: из одного моля железа получается один моль водорода. Избыток кислоты означает, что железо является реагентом, по которому рассчитывают количество продукта.
Ответ: 4,48 л водорода. В расчёте важно согласовать коэффициенты реакции с найденным количеством железа и использовать молярный объём именно для нормальных условий. Если бы кислота была окисляющей или условия отличались, продукты реакции следовало бы установить заново.
Ошибка: считать слова «железо» и «химический элемент Fe» обозначениями одного и того же понятия. Так происходит, потому что в формулах символ элемента часто одновременно используют для записи простого вещества. Проверьте себя вопросом: речь идёт о виде атомов или о металле с его физическими свойствами? В первом случае говорят об элементе, во втором — о веществе.
Ошибка: приписывать железу ферромагнитные свойства при любой температуре. Магнитность знакомого железного предмета легко принять за неизменный признак металла, но выше примерно 770 °C α-железо теряет ферромагнетизм. Проверка — сравнить температуру с точкой Кюри и не смешивать её с температурой перехода α-железа в γ-железо, около 912 °C.
Ошибка: записывать FeCl₃ при реакции железа с разбавленной соляной кислотой. Обычно забывают, что разбавленная неокисляющая кислота переводит железо в степень окисления +2, а водород выделяется в виде H₂. Самопроверка: составьте электронный баланс и проверьте, какая соль соответствует иону Fe²⁺; правильная формула здесь — FeCl₂.
Ошибка: полагать, что ржавление вызывается только водой или только кислородом. Это упрощение возникает, когда внимание сосредоточено на одном условии, хотя коррозия железа обычно развивается при совместном присутствии влаги и кислорода. Проверьте объяснение по обоим факторам: вода обеспечивает среду для переноса ионов, а кислород участвует в реакции. Поэтому защита должна препятствовать контакту металла с окружающей средой.
Для понимания свойств железа нужны понятия простого вещества и химического элемента, знание металлической связи и строения кристаллических решёток. Уравнения реакций удобно разбирать с помощью правил составления окислительно-восстановительных реакций, а возможность выделения водорода из кислот проверять по ряду активности металлов. Эти знания применяются при изучении сплавов железа, получения металлов и защиты от коррозии. Они помогают связать строение вещества с его практическим использованием.
Чем простое вещество железо отличается от химического элемента Fe?
Химический элемент Fe — это вид атомов с зарядом ядра +26. Простое вещество железо — металл, образованный атомами этого элемента; именно ему присущи блеск, электропроводность и другие свойства вещества.
Почему железо меняет кристаллическую структуру при нагревании?
При нагревании меняется энергия и подвижность атомов, поэтому устойчивой становится другая организация их расположения в решётке. Так α-железо переходит в γ-железо, а при дальнейшем нагревании и последующем охлаждении происходят другие структурные переходы.
При какой температуре железо теряет ферромагнитные свойства?
Ферромагнитные свойства α-железа исчезают выше точки Кюри — примерно 770 °C. При этом кристаллическая модификация железа ещё не меняется: переход α-железа в γ-железо происходит примерно при 912 °C.
Почему при реакции железа с разбавленной соляной кислотой образуется FeCl₂, а не FeCl₃?
В реакции с разбавленной неокисляющей кислотой железо отдаёт два электрона и переходит в ионы Fe²⁺. Поэтому образуется хлорид железа(II) FeCl₂, а ионы водорода восстанавливаются до водорода.
Что необходимо для ржавления железа и как его замедлить?
Для обычного ржавления нужны одновременно вода или влага и кислород; процесс протекает как электрохимическая коррозия. Доступ среды к железу ограничивают покрытиями, а легирование используют для повышения стойкости сплавов.
§ 55. Железо — простое вещество
