Урок №54. Железо. Нахождение в природе. Свойства железа

Металл средней активности, восстановитель:

Fe⁰-2e^-→Fe⁺², окисляется восстановитель

Fe⁰-3e^-→Fe⁺³, окисляется восстановитель

Основные степени окисления: +2, +3

II. Распространённость железа

Железо – один из самых распространенных элементов в природе. В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию. Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в не окисленном состоянии.

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

Основными железными рудами являются:

• магнетит (магнитный железняк) – Fe₃O₄ содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии:

• гематит (железный блеск, кровавик)– Fe₂O₃ содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе:

• лимонит (бурый железняк) – Fe₂O₃‧nH₂O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму:

• пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) – FeS₂ содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.

III. Роль железа в жизни человека и растений

Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO₂.

Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, и вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

IV. Физические свойства железа

Железо – это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539^оС. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02-0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.

V. Получение железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:

FeO + C = Fe + CO

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

Опыт "Получение железа алюминотермией"

VI. Химические свойства железа

Как элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления. Мы рассмотрим только соеди­нения, в которых железо проявляет степени окисления +2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O₂ + 6H₂ O = 4Fe(OH)₃

2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II, III) - вещество чёрного цвета:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):

2Fe+O₂=2FeO

C кислородом во влажном воздухе образуется Fe₂O₃‧nH₂O

Опыт "Горение железа в кислороде"

3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H₂O =^t˚C= Fe₃O₄ + 4H₂

4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

2Fe + 3Cl₂ =^t= 2FeCl₃

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

Fe + I₂ =^t= FeI₂

Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):

Fe + S =^t= FeS

Железо реагирует с фосфором. При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:

Fe + P =^t= FeP

С азотом железо реагирует при нагревании с образованием нитрида:

6Fe + N₂ =^t= 2Fe₃N

Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида:

3Fe + C =^t= Fe₃C

5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄(разб.) = FeSO₄ + H₂

6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании

При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:

2Fe + 6H₂SO_4(конц.) =^t= Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации. При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:

Fe+6HNO_3(конц.) =^t= Fe(NO₃)₃+3NO₂+3H₂O

С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):

Fe+4HNO_{3(разб.гор.)} =^t= Fe(NO₃)₃+NO+2H₂O

При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

8Fe+30HNO_{3(оч. разб.)} =^t= 8Fe(NO₃)₃+3NH₄NO₃+9H₂O

Опыт "Взаимодействие железа с концентрированными кислотами"

7) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

8) Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей. При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат)

При взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:

Fe+2KOH+3KNO₃=3KNO₂+K₂FeO₄+H₂O

9) Простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2 при взаимодействии с соединениями железа +3:

2Fe(NO₃)₃+Fe=3Fe(NO₃)₂

2FeCl₃+Fe=3FeCl₂

Fe₂(SO₄)₃+Fe=3FeSO₄

VII. Качественные реакции на

Железо (II)

Железо (III)

VIII. Применение железа

Основная часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали — сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4% углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.

Чугуны необходимы для производства различных отли­вок — станин тяжелых машин и т.п.

Изделия из чугуна

Стали используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок, листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для производства различных сортов сталей применяют так называемые легиру­ющие добавки, которыми служат различные металлы: Мn, Сr, Мо и другие, улучшающие качество стали.

Изделия из стали

"Появление железа"

Это интересно