"Химия", Жилин Д.М., (изд. "БИНОМ. Лаборатория знаний")
Железо — распространённый металл, из которого получают чугун и сталь для строительства, транспорта и производства инструментов. Его свойства связаны со строением атома и металлической кристаллической решёткой, а химические реакции показывают, как оно образует соединения со степенями окисления +2 и +3. Чтобы понимать получение железа из руд и причины коррозии, нужно уметь записывать его реакции с кислородом, кислотами и другими веществами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо (Fe) — химический элемент с порядковым номером 26, расположенный в побочной подгруппе VIII группы, 4-м периоде Периодической системы; относительная атомная масса составляет примерно 56. Это серебристо-серый металл, который при обычных условиях твёрдый и обладает магнитными свойствами. Символ Fe используют в формулах и уравнениях, а положение элемента помогает предсказывать его строение и химическое поведение.
Степень окисления железа — условный заряд его атома в соединении; наиболее характерны значения +2 и +3. При образовании катионов железо отдаёт соответственно два или три электрона, возникают ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Различать эти состояния необходимо, чтобы правильно составлять формулы солей, оксидов и гидроксидов.
Чугун — сплав железа с углеродом и другими примесями, в котором углерода больше, чем в стали. Сплавом называют материал из нескольких веществ, свойства которого отличаются от свойств чистого металла. Чугун применяют там, где нужны твёрдость и устойчивость формы, хотя он более хрупкий.
Сталь — сплав железа с углеродом, содержащий углерода меньше, чем чугун; в неё могут входить и другие элементы. Благодаря составу сталь обычно пластичнее чугуна, поэтому её можно ковать, прокатывать и придавать ей разные формы. Содержание углерода и добавок подбирают под назначение изделия.
Железо находится в побочной подгруппе, а его атом имеет электроны не только на внешнем, но и на предшествующем энергетическом уровне. Поэтому при образовании соединений могут участвовать два внешних электрона или они вместе с ещё одним электроном. Так объясняется образование ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ и переменная степень окисления железа. Отдавая электроны другим частицам, железо проявляет металлические свойства.
В твёрдом железе частицы образуют металлическую кристаллическую решётку, в которой часть электронов может перемещаться между атомами. Подвижные электроны переносят электрический заряд и энергию, поэтому металл проводит электричество и тепло. Связь частиц в решётке помогает железу сохранять прочность, а возможность смещения слоёв атомов без полного разрушения объясняет пластичность. Особое строение электронных оболочек также связано с магнитными свойствами железа.
Железо вступает в реакции, потому что способно отдавать электроны, а многие неметаллы их принимают. При нагревании железа в кислороде могут образовываться разные оксиды: состав продукта зависит от температуры и количества кислорода. С серой образуется сульфид железа, а с галогенами — галогениды; например, в хлоре получается FeCl₃. С холодной водой железо реагирует слабо, но водяной пар при нагревании образует с ним оксид и водород.
Разбавленные неокисляющие кислоты содержат ионы водорода, которые принимают электроны у железа. Железо при этом обычно переходит в Fe²⁺, а атомы водорода соединяются в молекулы H₂; например, Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Поэтому в обычных условиях образуется соль железа(II), а не железа(III). Концентрированные окисляющие кислоты могут вести себя иначе, поэтому условия реакции всегда учитывают.
Соединения железа(II) и железа(III) отличаются зарядом иона, составом и свойствами. Например, оксид FeO и гидроксид Fe(OH)₂ содержат Fe²⁺, а Fe₂O₃ и Fe(OH)₃ — Fe³⁺; многие соединения Fe(II) бледно-зелёные, а соединения Fe(III) часто имеют жёлто-бурую или красно-бурую окраску. В окислительно-восстановительной реакции восстановитель отдаёт электроны, а окислитель их принимает. Железо часто является восстановителем, поскольку его атомы переходят в ионы, отдавая электроны.
В рудах железо чаще всего находится в составе оксидов. Чтобы получить металл, оксид восстанавливают: его кислород связывает более активный восстановитель, например угарный газ, и остаётся железо. В металлургии из руды получают сплавы, а не только чистый металл. У чугуна доля углерода выше, поэтому он твёрдый и хрупкий; у стали углерода меньше, и она обычно лучше переносит деформацию, что определяет области применения этих материалов.
Сначала найдите в таблице исходное вещество или свойство, а затем сопоставьте его с указанной реакцией и результатом. Формулы показывают состав соединений, а коэффициенты перед ними — соотношение частиц в реакции. Условия важны: при изменении температуры или концентрации реагентов могут измениться продукты.
| Объект или свойство | Что указать | Пример уравнения или применения |
|---|---|---|
| Положение железа и строение атома | Порядковый номер 26, 4-й период, побочная подгруппа; 26 электронов | Электронная схема по слоям: 2, 8, 14, 2 |
| Физические свойства | Твёрдый серебристо-серый металл, проводит тепло и ток, магнитится | Изготовление деталей и конструкций |
| Степени окисления | Наиболее характерны +2 и +3 | Fe²⁺ и Fe³⁺ |
| Реакция с кислородом | Образуются оксиды; продукт зависит от условий | 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ |
| Реакции с неметаллами | При нагревании железо реагирует с серой и галогенами | 2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃ |
| Реакция с водой | С холодной водой реакция идёт слабо; с паром при нагревании — заметно | 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂↑ |
| Реакция с разбавленными кислотами | Образуются соль Fe(II) и водород | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑ |
| Оксиды и гидроксиды железа(II) | Содержат Fe²⁺ | FeO, Fe(OH)₂ |
| Оксиды и гидроксиды железа(III) | Содержат Fe³⁺ | Fe₂O₃, Fe(OH)₃ |
| Получение железа из оксидов | Восстановление оксида угарным газом | Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ |
| Чугун и сталь | Сплавы железа с углеродом; в чугуне углерода больше | Чугун — литьё; сталь — конструкции и инструменты |
| Применение железа и его сплавов | Выбор зависит от прочности, пластичности и других свойств | Строительство, машины, транспорт, бытовые изделия |
Задача: по положению железа в Периодической системе определить строение его атома и возможные степени окисления в соединениях. Порядковый номер показывает число протонов, а в нейтральном атоме также число электронов. Для ответа о степенях окисления нужно учесть электроны внешнего и предшествующего уровней.
Ответ: у атома железа 26 электронов, электронная схема по уровням — 2, 8, 14, 2; наиболее характерные степени окисления — +2 и +3. При записи соединения проверьте, чтобы суммарный заряд формулы был равен нулю. Например, с хлорид-ионом Cl⁻ ион Fe³⁺ образует FeCl₃.
Задача: составить и уравнять реакции железа с хлором, разбавленной соляной кислотой и раствором соли меди(II), а также назвать окислитель и восстановитель. В первых двух случаях железо отдаёт электроны, но продукт определяется веществом, с которым оно реагирует. В реакции с солью меди проверяем ряд активности: железо активнее меди и вытесняет её из раствора.
Ответ: уравнения приведены выше. Проверка коэффициентов показывает, что число атомов каждого элемента слева и справа одинаково. Роли окислителя и восстановителя определяем по изменению степеней окисления, а не по положению вещества в формуле.
Задача: найти массу железа, которое можно получить восстановлением оксида железа(III) угарным газом, если известны масса руды mруды и массовая доля Fe₂O₃ в ней w. Сначала определяем массу именно оксида, потому что остальные вещества руды в расчёт по этому уравнению не входят. Затем используем соотношение веществ из уравнения реакции.
Ответ: m(Fe) ≈ 0,70 · mруды · w, если w записана долей единицы и восстановление считается полным. Подставьте данные задачи в эту формулу и укажите массу в тех же единицах, что и масса руды. Если процесс неполный, фактический выход будет меньше расчётного.
Ошибка: считать, что железо во всех соединениях имеет одну степень окисления. Её допускают, когда путают химический элемент Fe и ион железа в конкретном веществе: состав соединений бывает разным. Проверьте себя, вычислив степень окисления по формуле и сумме зарядов, например отдельно для FeO и Fe₂O₃.
Ошибка: записывать при взаимодействии железа с разбавленной кислотой соль железа(III). Обычно железо отдаёт два электрона и образует Fe²⁺, а водород выделяется в виде H₂. Сверьте уравнение по электронному балансу: Fe⁰ → Fe²⁺, а 2H⁺ → H₂.
Ошибка: путать FeO с Fe₂O₃ и Fe(OH)₂ с Fe(OH)₃. Похожие названия могут скрыть различие в составе, но индексы и скобки показывают, сколько атомов и групп входит в формулу; они соответствуют разным степеням окисления. Чтобы проверить себя, найдите степень окисления Fe, учитывая O со значением −2 и группу OH со значением −1.
Ошибка: называть чугун и сталь чистым железом. Их считают просто железом из-за того, что оно составляет основу материала, но оба вещества являются сплавами с углеродом и примесями. Проверьте себя вопросом о составе: если углерод присутствует как компонент сплава, перед вами не чистое железо; в чугуне его обычно больше, чем в стали.
Чтобы объяснить свойства железа, нужны знания о строении атома, Периодической системе, степенях окисления и химической связи. Для записи реакций с кислотами и солями пригодятся ряд активности металлов и правила составления уравнений, а для определения окислителя и восстановителя — признаки окислительно-восстановительных реакций. Эти умения применяются при изучении металлургии, коррозии и сплавов, а также качественных реакций на Fe²⁺ и Fe³⁺. Уравнения получения металла помогают решать расчётные задачи по количеству вещества и массовой доле.
Почему железо проявляет две основные степени окисления — +2 и +3?
У атома железа на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона, а на соседнем — ещё один электрон, который сравнительно легко участвует в образовании связей. Поэтому железо может отдавать два электрона и образовывать Fe²⁺ или отдавать три и образовывать Fe³⁺. Устойчивость каждого иона зависит от состава и условий.
Почему при реакции железа с соляной кислотой образуется железо(II), а не железо(III)?
В разбавленной соляной кислоте ионы водорода принимают электроны, а железо обычно отдаёт два электрона, переходя в Fe²⁺. Поэтому образуется хлорид железа(II): Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑. Для появления Fe³⁺ нужны более сильные окислители или другие условия.
Чем отличаются FeO и Fe2O3?
В FeO железо имеет степень окисления +2, а в Fe₂O₃ — +3. Это разные вещества, поэтому их нельзя взаимозаменять в уравнениях реакций. Они отличаются составом и цветом: FeO обычно тёмный, Fe₂O₃ — красно-бурый.
Почему железо ржавеет и как связаны ржавление и коррозия?
Во влажном воздухе железо взаимодействует с кислородом и водой, образуя смесь соединений железа, которую называют ржавчиной. Коррозия — более общее название разрушения металлов под действием окружающей среды, а ржавление — коррозия именно железа и его сплавов. Соль и кислоты ускоряют этот процесс.
Чем чугун отличается от стали?
И чугун, и сталь — сплавы железа с углеродом, но в чугуне углерода больше. Чугун твёрдый, но более хрупкий, а сталь обычно пластичнее и лучше поддаётся обработке. Поэтому материалы выбирают с учётом требуемых прочности, формы и условий использования.
§ 28. Железо
