§ 24. Железо

Определения и обозначения

Железо — химический элемент Fe с атомным номером 26, то есть в его ядре 26 протонов. Оно находится в 4-м периоде, в побочной подгруппе VIII группы периодической системы и относится к переходным металлам. Электронная конфигурация атома: [Ar] 3d⁶ 4s²; знание положения и строения помогает объяснять свойства элемента.

Аллотропия железа — существование железа в нескольких кристаллических модификациях, то есть вариантах расположения атомов в твёрдом металле. При обычном давлении ниже примерно 912 °C устойчиво α-железо, а при дальнейшем нагревании до примерно 1394 °C — γ-железо. Это понятие нужно, чтобы понимать изменения свойств металла при нагревании.

Чугун и сталь — сплавы железа с углеродом, а не отдельные химические элементы и не аллотропные формы железа. В чугуне обычно более 2 % углерода, в стали — менее примерно 2 %; точные границы зависят от принятой классификации. Различия состава влияют на прочность, пластичность и пригодность сплавов к литью или обработке.

Коррозия железа — разрушение металла при взаимодействии с окружающей средой. Ржавление происходит преимущественно во влажном воздухе при участии воды и кислорода, а образующаяся ржавчина представляет собой смесь гидратированных соединений. Понимание процесса помогает выбирать способы защиты металлических изделий.

Как это устроено

Железо находится в побочной подгруппе, а на его внешних энергетических уровнях есть электроны 4s и 3d, которые могут участвовать в образовании соединений. При отдаче двух электронов образуется Fe²⁺, а при отдаче ещё одного электрона с подуровня 3d — Fe³⁺. Поэтому наиболее типичны степени окисления +2 и +3, а выбор между ними зависит от окислительной способности реагента и условий.

Связь металлических атомов с обобществлёнными электронами объясняет электропроводность, блеск и пластичность железа. Его магнитные свойства связаны с упорядочением магнитных моментов атомов в кристалле; при нагревании тепловое движение нарушает это упорядочение выше точки Кюри, около 770 °C. Кристаллическая решётка также меняется: α-Fe переходит в γ-Fe примерно при 912 °C, а около 1394 °C γ-Fe сменяется δ-Fe; при этом δ-фаза имеет решётку α-типа. Около 1538 °C железо плавится.

При горении в кислороде железо образует оксид, состав которого зависит от условий: характерный продукт — Fe₃O₄. С холодной водой металл реагирует очень медленно, но с водяным паром при нагревании образует оксид и водород: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂. Разбавленные неокисляющие кислоты обычно растворяют железо с выделением H₂ и образованием соли Fe(II). Активные окислители, например хлор, способны переводить железо в степень окисления +3, поэтому важно учитывать условия реакции.

Во влажном воздухе тонкая водная плёнка на металле позволяет протекать электрохимическим процессам: железо окисляется, а растворённый кислород участвует в восстановлении. Так постепенно образуются гидратированные оксиды и другие соединения, составляющие рыхлую ржавчину. Растворённые соли повышают электропроводность плёнки и обычно ускоряют коррозию; сухой воздух, защитные покрытия и изоляция от воды её замедляют.

В доменной печи железную руду нагревают вместе с коксом и флюсами. Кокс создаёт высокую температуру и при горении образует CO, который восстанавливает оксиды железа, например: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Полученное железо растворяет часть углерода и примесей, поэтому продукт доменной печи — чугун. Для получения стали содержание углерода и примесей снижают и регулируют, чтобы получить нужные механические свойства.

Физические свойства, реакции и применение железа

В таблице собраны характерные наблюдения и уравнения, а также условия, от которых зависят продукты. Сначала определяйте реагент и среду, затем сопоставляйте наблюдение со степенью окисления железа. Уравнения помогают проверять, сохраняются ли число атомов и суммарный заряд.

Разбор задач

1. Железо с соляной кислотой и хлором

Условие: составить уравнения взаимодействия железа с разбавленной соляной кислотой и хлором, указать степень окисления железа в продуктах. Сначала различаем реагенты: разбавленная HCl — неокисляющая кислота, а Cl₂ — окислитель. Поэтому в первом случае ожидаем Fe(II), во втором — Fe(III).

1. В реакции с кислотой железо вытесняет водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.
2. В FeCl₂ хлор имеет степень окисления −1, значит железо имеет +2.
3. С хлором составляем уравнение 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃. В FeCl₃ железо имеет степень окисления +3, поскольку три атома хлора дают суммарный заряд −3.

Ответ: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂, железо +2; 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃, железо +3. Такую проверку можно выполнить для любого продукта: сумма степеней окисления в нейтральном соединении равна нулю.

2. Выход железа из оксида

Условие: найти массу железа, получаемого из заданной массы Fe₂O₃ при восстановлении CO, если известен выход продукта. Числовые масса оксида и выход в условии не заданы, поэтому решение записываем через m(Fe₂O₃) и выход η, выраженный долей единицы. Сначала рассчитываем теоретическое количество железа по уравнению, а затем учитываем неполный выход.

1. Записываем реакцию: Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.
2. Находим количество оксида: n(Fe₂O₃) = m(Fe₂O₃)/M(Fe₂O₃), где M(Fe₂O₃) ≈ 160 г/моль.
3. По коэффициентам реакции n(Fe)теор = 2n(Fe₂O₃), а теоретическая масса равна 2n(Fe₂O₃) · 56 г/моль.
4. Учитываем выход: m(Fe) = m(Fe)теор · η. Если выход задан в процентах, сначала делим его на 100.

Ответ: m(Fe) = m(Fe₂O₃) · 112/160 · η ≈ 0,70m(Fe₂O₃)η. Подстановка чисел возможна, когда заданы масса оксида и выход; при выходе 90 % используют η = 0,90. Проверка: масса железа не должна превосходить теоретически возможную.

3. Железо и оксид в смеси

Условие: смесь железа и его оксида обработали избытком разбавленной кислоты, измерили объём выделившегося водорода и требуется установить состав. Водород выделяется при реакции металлического железа с неокисляющей кислотой, но не при растворении оксида в кислоте. Поэтому измеренный газ позволяет определить количество железа, однако для полного состава смеси нужна ещё общая масса смеси или другая независимая информация.

1. Записываем реакцию металла, например с HCl: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂.
2. Из уравнения следует соотношение n(Fe) = n(H₂). При заданных условиях количество газа находят как n(H₂) = V(H₂)/Vₘ; если условия не указаны, молярный объём нельзя выбрать однозначно.
3. Находим массу железа: m(Fe) = n(Fe) · 56 г/моль.
4. Если известна общая масса смеси mсм, масса оксида равна m(окс) = mсм − m(Fe), а массовые доли находят делением масс компонентов на mсм.

Ответ: n(Fe) = V(H₂)/Vₘ, масса железа равна 56V(H₂)/Vₘ; без общей массы смеси численное содержание оксида определить нельзя. Этот вывод не является недостатком метода: объём газа даёт информацию только о металлическом железе. В задаче с конкретными числами нужно проверить, указаны ли условия измерения газа и общая масса смеси.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что железо во всех реакциях образует только соединения Fe(II). Её допускают, запоминая лишь реакцию металла с разбавленной кислотой и не учитывая силу окислителя. Проверяйте продукт по реагенту, уравнивайте реакцию и определяйте степень окисления железа по составу соединения.

Ошибка: записывать для любой кислоты выделение водорода. Это верно для разбавленных неокисляющих кислот, но окислительные кислоты могут давать другие продукты восстановления и обычно не выделяют H₂. Перед составлением уравнения уточните, является ли кислота окислителем, а затем проверьте электронный баланс.

Ошибка: считать ржавчину чистым оксидом Fe₂O₃. Простую формулу легко принять за описание реального налёта, хотя ржавчина состоит из смеси гидратированных соединений железа. Проверка проста: если говорится о ржавлении во влажном воздухе, учитывайте воду и не приравнивайте продукт к одному безводному оксиду.

Ошибка: смешивать понятия «железо», «чугун» и «сталь». Это происходит потому, что все три названия относятся к железосодержащим материалам. Железо — элемент и металл, а чугун и сталь — его сплавы с углеродом; аллотропные формы, напротив, состоят из одного элемента и различаются строением кристаллов.

Связь с другими темами

Для разбора свойств железа нужны знания о строении атома, электронных конфигурациях переходных элементов и степенях окисления. Уравнения реакций составляют с опорой на правила окислительно-восстановительных процессов: важно находить, кто отдаёт и кто принимает электроны. Эти знания пригодятся при изучении соединений железа, металлургии и сплавов. Коррозия связывает химию металлов с электрохимией, потому что разрушение во влажной среде протекает как система сопряжённых окислительных и восстановительных процессов.

Что запомнить

• Символ железа — Fe, атомный номер — 26.
• Для железа характерны степени окисления +2 и +3.
• Железо — металл с магнитными свойствами; при нагревании меняются его кристаллические модификации.
• С разбавленными неокисляющими кислотами железо обычно образует соль железа(II) и водород.
• Ржавление протекает при участии воды и кислорода.
• Железо получают восстановлением оксидов; его важнейшие сплавы — чугун и сталь.