"Химия", Журин А.А.
Железо — распространённый металл, необходимый для строительства, транспорта и изготовления машин. Его символ — Fe, порядковый номер — 26. Атомы железа могут образовывать соединения со степенями окисления +2 и +3, поэтому у металла есть несколько оксидов и солей. Железо получают из руд восстановлением, а для практического применения часто используют его сплавы с углеродом — чугун и сталь. Знание свойств железа помогает понять металлургию и реакции металлов.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Железо — химический элемент и простое вещество, состоящее из атомов с символом Fe; его порядковый номер в Периодической системе — 26. Порядковый номер показывает, что в ядре атома 26 протонов, а в нейтральном атоме есть 26 электронов. Символ Fe используют в формулах и уравнениях, а под простым веществом понимают металл, образованный атомами одного элемента.
Степень окисления — условный заряд атома в соединении, который показывает, сколько электронов он как будто отдал или принял. Для железа особенно характерны значения +2 и +3: например, они указаны в названиях оксидов железа(II) и железа(III). Умение определять степень окисления помогает правильно составлять формулы и различать соединения одного элемента.
Оксид железа(II) FeO содержит железо со степенью окисления +2, а в оксиде железа(III) Fe₂O₃ железо имеет степень окисления +3. Fe₃O₄ — смешанный оксид: в нём сочетаются железо(II) и железо(III), поэтому его состав можно записать как FeO·Fe₂O₃. Эти формулы важно не путать: они обозначают разные соединения, в которых железо имеет разный состав и свойства.
Чугун и сталь — сплавы железа с углеродом; сплавом называют материал, состоящий из нескольких элементов, обычно металлов или металла с неметаллом. В чугуне углерода больше, чем в стали, поэтому чугун обычно твёрдый, но хрупкий. Сталь, как правило, пластичнее и лучше поддаётся ковке и обработке, что определяет её широкое применение.
Железо находится в побочной подгруппе 8-й группы, в 4-м периоде Периодической системы. Электронное строение атома можно представить распределением 2, 8, 14, 2; два электрона находятся на внешнем уровне, а электроны предыдущего уровня тоже могут участвовать в химических связях. Поэтому железо способно отдавать два или три электрона и образовывать ионы Fe²⁺ и Fe³⁺, что объясняет характерные степени окисления +2 и +3.
Чистое железо — серебристо-серый твёрдый металл с металлическим блеском. Оно проводит тепло и электрический ток, потому что в металлах часть электронов может перемещаться между частицами и переносить заряд. Железо ковкое и пластичное, то есть его можно деформировать без мгновенного разрушения; эти свойства делают его удобным материалом для обработки.
При нагревании железо реагирует с кислородом, образуя оксиды; один из продуктов — Fe₃O₄. В обычных условиях металл покрывается ржавчиной при совместном действии кислорода и влаги, но с холодной водой быстро не реагирует. С водяным паром при высокой температуре реакция идёт: 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂, потому что нагревание ускоряет взаимодействие.
В разбавленных неокисляющих кислотах железо обычно вытесняет водород и переходит в раствор как Fe²⁺. Например, при реакции с соляной кислотой образуются хлорид железа(II) и водород: Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂. Из раствора соли менее активного металла железо тоже может вытеснить металл: Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu, поскольку железо в ряду активности стоит выше меди.
Оксиды железа(II) и железа(III) отличаются степенью окисления металла, а значит, и поведением в реакциях. Соединения Fe²⁺ могут окисляться: при этом железо отдаёт электроны и переходит в состояние Fe³⁺, поэтому меняется состав продукта. Например, гидроксид железа(II) на воздухе постепенно превращается в соединения железа(III); этот переход важен при понимании коррозии и окислительно-восстановительных реакций.
Железо в промышленности получают из руд, содержащих его оксиды, при высокой температуре. Оксид восстанавливают угарным газом или углеродом: например, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Полученный металл используют как основу для чугуна и стали: содержание углерода и другие добавки влияют на твёрдость, прочность и пластичность материала.
Сначала по таблице можно найти физическое свойство или нужную реакцию, а затем сверить её с формулой и условиями. Для составления уравнения учитывайте, что поведение железа зависит от реагента: с холодной водой оно не ведёт себя как щелочной металл. Сравнение строк также показывает, как свойства железа связаны с получением и использованием его сплавов.
| Аспект | Характеристика железа | Уравнение или пример |
|---|---|---|
| Положение в Периодической системе и строение атома | Fe, порядковый номер 26; атом содержит 26 протонов и 26 электронов | Электронное распределение по уровням: 2, 8, 14, 2 |
| Физические свойства | Серебристо-серый твёрдый металл, проводит тепло и ток, ковкий | Металлический блеск, пластичность |
| Реакция с кислородом | При нагревании образуется оксид | 3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄ |
| Реакция с водой | С холодной водой заметно не реагирует; с паром реагирует при нагревании | 3Fe + 4H₂O → Fe₃O₄ + 4H₂ |
| Реакция с кислотами | Разбавленные неокисляющие кислоты обычно дают соль Fe²⁺ и водород | Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂ |
| Вытеснение металлов из растворов солей | Железо вытесняет менее активные металлы, например медь | Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu |
| Основные оксиды железа | FeO — железо(II), Fe₂O₃ — железо(III), Fe₃O₄ — смешанный оксид | Fe₃O₄ = FeO·Fe₂O₃ |
| Получение из железной руды | Оксиды железа восстанавливают при высокой температуре | Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ |
| Чугун и сталь | Сплавы железа с углеродом; в чугуне углерода больше | Сталь обычно пластичнее чугуна |
| Применение железа и его сплавов | Материалы для строительства, машин, транспорта и инструментов | Стальные конструкции, чугунные детали |
Условие: составить уравнение реакции железа с разбавленной серной кислотой и определить восстановитель. Важно сначала установить, вытесняет ли железо водород: оно стоит в ряду активности левее водорода, а разбавленная серная кислота не является окислителем в этой реакции. Поэтому образуются соль железа(II) и газообразный водород.
Ответ: Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂; восстановитель — железо. Сульфат-ион не меняется, а ионы водорода принимают электроны и образуют молекулы H₂. Уточнение про разбавленную кислоту помогает не приписывать реакции другие продукты.
Условие: найти массу железа, полученного восстановлением известной массы Fe₂O₃ угарным газом; обозначим исходную массу оксида через m(Fe₂O₃). Сначала нужно получить соотношение между количествами веществ из уравнения реакции. Затем результат переводят в массу железа, используя молярные массы.
Ответ: масса железа равна 0,7 от массы исходного Fe₂O₃ при полном восстановлении. Если в условии дана конкретная масса оксида, её подставляют вместо m(Fe₂O₃). Расчёт предполагает, что примесей и потерь вещества нет.
Условие: определить состав смеси железа и другого металла по объёму водорода, выделившегося при действии соляной кислоты. Для численного ответа нужны также масса смеси и сведения о втором металле, поэтому покажем общий способ для металла M, который реагирует с кислотой по уравнению M + 2HCl → MCl₂ + H₂. Железо реагирует так же по соотношению 1 моль Fe : 1 моль H₂.
Ответ: состав определяют решением системы, но без массы смеси и названия второго металла численные значения найти нельзя. Если второй металл выделяет другое количество водорода на моль, первое уравнение нужно изменить по его реакции. Проверка: найденные массы должны в сумме давать массу исходной смеси.
Считать, что железо всегда образует только Fe²⁺, — ошибка: у него есть и устойчивая степень окисления +3. Так думают, потому что железо часто реагирует с разбавленными кислотами с образованием соли Fe²⁺. Проверка простая: при составлении формулы учитывайте условия реакции и название соединения, например Fe₂O₃ содержит Fe³⁺.
Путаница между FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄ приводит к неверным уравнениям. Причина — похожие формулы и названия, хотя в первых двух оксидах степень окисления железа разная, а третий смешанный. Проверьте баланс зарядов: кислород обычно имеет −2, поэтому в FeO железо +2, а в Fe₂O₃ — +3; Fe₃O₄ соответствует сочетанию FeO и Fe₂O₃.
Записывать реакцию железа с холодной водой как реакцию натрия — неверно: железо при обычных условиях заметно не реагирует с водой. Такое ожидание появляется, если переносить свойства активных щелочных металлов на все металлы. Уточните условия: с водяным паром железо реагирует при нагревании, а с холодной водой — нет заметной реакции.
Нельзя выбирать продукты реакции железа с кислотой или солью, не учитывая условия и ряд активности. Например, с разбавленной неокисляющей кислотой обычно образуются соль Fe²⁺ и H₂, а из раствора соли железо вытесняет только менее активный металл. Проверьте тип и концентрацию кислоты, положение металлов в ряду активности и баланс атомов и зарядов в уравнении.
Чтобы разбираться в свойствах железа, нужны знания о строении атома, Периодической системе, степенях окисления и ряде активности металлов. Эти темы помогают предсказывать продукты реакций, составлять формулы и уравнивать уравнения. Железо также связывает школьную химию с коррозией, окислительно-восстановительными реакциями и металлургией.
Получение железа из руд показывает, как химические реакции используют в промышленном производстве веществ. Изучение чугунов и сталей продолжает тему металлов и сплавов, а реакции ионов железа пригодятся при качественном распознавании веществ. Поэтому свойства одного металла помогают увидеть связь между химией, технологией материалов и практической жизнью.
Почему железо может иметь степени окисления +2 и +3?
У атома железа на внешнем энергетическом уровне находятся два электрона, а среди электронов предыдущего уровня есть ещё один, который может участвовать в образовании связей. Поэтому железо часто отдаёт два или три электрона и проявляет степени окисления +2 и +3.
Чем отличаются FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄?
В FeO железо имеет степень окисления +2, а в Fe₂O₃ — +3. Fe₃O₄ — смешанный оксид, в котором присутствуют атомы железа со степенями окисления +2 и +3; его состав можно представить как FeO·Fe₂O₃.
Реагирует ли железо с водой?
С холодной водой при обычных условиях железо заметно не реагирует. С водяным паром при нагревании реакция идёт с образованием оксида Fe₃O₄ и водорода.
Почему железо вытесняет медь из раствора её соли?
Железо активнее меди и стоит в ряду активности металлов левее неё. Поэтому атомы железа переходят в раствор в виде ионов, а ионы меди принимают электроны и превращаются в металл.
Чем чугун отличается от стали?
Оба материала — сплавы железа с углеродом. В чугуне углерода больше, поэтому он обычно твёрдый и хрупкий, а сталь содержит меньше углерода и лучше поддаётся обработке и ковке.
40. Железо
