Вопрос 31. Железо: строение атома, физические и химические

Вопрос 31. Железо: строение атома, физические и химические
свойства, применение.
Железо (Ferrum) находится в побочной подгруппе VIII группы
Периодической системы. В триаду железа входят также кобальт и никель.
Электронная формула железа имеет вид: …3d64s2. Для металлов этой группы
не характерна высшая степень окисления, равная +8. В соединениях железо
проявляет две степени окисления: +2 и +3.
Железо является одним из наиболее распространенных элементов в
природе, уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию. Его массовая доля
в земной коре составляет 5%.
Железо входит в состав большинства горных пород. Основными
железными рудами являются магнитный железняк (минерал магнетит Fe3O4),
красный железняк (минерал гематит Fe2O3), бурый железняк (минерал гетит
Fe2O3∙3H2O), шпатовый железняк (минерал сидерит FeCO3).
Железо представляет собой серебристо-белый металл. На воздухе оно
подвергается коррозии, покрываясь ржавчиной. Чистое железо достаточно
мягко и пластично. Плотность составляет 7,87 г/см3, температура плавления
1539оС.
Железо относится к металлам средней активности.
1. Взаимодействие с неметаллами
При нагревании железо реагирует со многими неметаллами
(кислородом, галогенами, серой, углеродом), например:
Fe + S = FeS
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
2. Взаимодействие с водой
Железо взаимодействует с водой лишь при высоких температурах
(свыше 700оС):
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
3. Взаимодействие с кислотами
Железо растворяется в хлороводородной и разбавленной серной
кислотах, образуя соли железа (II) и водород, например:
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
В достаточно концентрированной серной кислоте реакция протекает по
уравнению:
Fe + 2H2SO4 = FeSO4 + SO2 + 2H2O
В серной кислоте очень высокой концентрации железо пассивируется,
что позволяет хранить и перевозить серную кислоту в железной таре.
С разбавленной азотной кислотой железо взаимодействует. Продукты
взаимодействия в зависимости от концентрации кислоты могут быть
различными:
4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O
В концентрированной азотной кислоте железо пассивируется.
4. Взаимодействие с солями
Железо может вытеснять некоторые металлы (электродные потенциалы
которых более положительные, чем у железа) из растворов их солей.
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
5. Взаимодействие с оксидом углерода (II)
Железо, взаимодействуя с оксидом углерода (II), образует
пентакарбонил железа:
Fe + 5CO = [Fe(CO)5].
Это соединение применяют для получения чистого металла.
Соли железа, кроме сульфидов и фосфатов, хорошо растворимы в воде.
Со щелочами железо не реагирует.
Ионы Fe2+ и Fe3+ образуют прочные комплексы с цианид-ионами CN−
(гексацианоферраты) состава [Fe(CN)6]3− и [Fe(CN)6]4−, соли которых
K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль) и K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная соль)
используются при химико-термической обработке (цианировании)
поверхности стали, а также в качественном химическом анализе для
идентификации солей железа в растворе.
Качественная реакция на ионы железа (II) основана на действии
красной кровяной соли K3[Fe(CN)6]. В результате реакции выпадет осадок
темно-синего цвета (турнбулева синь или берлинская лазурь):
FeSO4 + K3[Fe(CN)6] = K[FeFe(CN)6] + K2SO4
или
Fe2+ + K+ + [Fe(CN)6]3− = K[FeFe(CN)6]
В соединении K[FeFe(CN)6] железо входит в двух степенях окисления:
+2 и +3.
Для обнаружения ионов железа (III) применяют желтую кровяную соль
K4[Fe(CN)6].
FeCl3 + K4[Fe(CN)6] = K[FeFe(CN)6] + 3KCl
или
Fe3+ + K+ + [Fe(CN)6]4− = K[FeFe(CN)6]
Применение железа
Сплавы железа с углеродом и другими веществами – стали являются
основными конструкционными материалами.
В химической промышленности железо используется как катализатор
(в синтезе аммиака, органических соединений).
Пирит FeS2 используется в производстве серы и серной кислоты. Окисд
железа (III) применяют в производстве желтых, красных и коричневых
красок, керамики, эмалей, цемента, термитных смесей.
Сульфат железа (II) FeSO4 и железный купорос FeSO4∙7H2O служит в
качестве электролита в гальванотехнике и как ядохимикат в сельском
хозяйстве.