Железо в химии: химические свойства и происхождение

Железо

Железо (Fe от лат. Ferrum) — элемент восьмой группы (по старой классификации — побочной подгруппы восьмой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Один из самых распространённых в земной коре металлов: второе место после алюминия.
Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Собственно железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Характеристика железа

Железо (Fe) стоит на четвертом месте по содержанию его в недрах земной коры. Оно занимает место в 7 группе 4 периода и имеет номер 26 в химической таблице элементов Менделеева. Валентность железа имеет прямую зависимость от своего положения в таблице. Но об этом позже.

Данный металл наиболее всего распространен в природе в виде руды, встречается в воде как минерал, а также в различных соединениях.

Наибольшее количество запасов железа в виде руды, находится в России, Австралии, Украине, Бразилии, США, Индии, Канаде.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнитность. На практике с магнитными свойствами этого материала приходится встречаться часто. Это — единственный металл, который обладает такой редкостной чертой.

Под действием магнитного поля происходит намагничивание железа. Сформировавшиеся магнитные свойства металл еще долго сохраняет и сам остается магнитом. Такое исключительное явление объясняется тем, что структура железа содержит большое количество свободных электронов, способных передвигаться.

Важные параметры

Чистый металл железо довольно пластичен, хорошо поддается ковке и плохо литью. Однако небольшие примеси углерода значительно увеличивают его твердость и хрупкость. Это качество и стало одной из причин вытеснения бронзовых орудий труда железными.

• Если сравнить железные сплавы и бронзу, из тех, что были известны в древнем мире, очевидно, что бронза превосходила их и по прочности, и по коррозийной стойкости, а, значит, и по долговечности. Однако массовое изготовление бронзовых предметов привело к истощению оловянных рудников. А, так как олово распространено значительно меньше, чем медь, перед металлургами прошлого оставался вопрос о замене. И железо заменило бронзу. Полностью последняя была вытеснена, когда появились стали: такого сочетания твердости и упругости, бронза не дает.
• Железо образует с кобальтом и никелем триаду железа. Свойства элементов очень близки, ближе, чем у их же аналогов с таким же строение внешнего слоя. Все металлы обладают прекрасными механическими свойствами: легко обрабатываются, прокатываются, протягиваются, их можно ковать и штамповать. Кобальт и никель не столь реакционноспособны и более устойчивы к коррозии, чем железо. Однако меньшая распространенность этих элементов не позволяет использовать их так же широко, как и железо.
• Главным «конкурентом» железу по области использования выступает алюминий и его сплавы. Но на деле оба материала обладают совершенно разными качествами. Алюминий далеко не столь прочен, как железо, хуже вытягивается, не поддается ковке. С другой стороны, металл отличается, куда меньшим весом, что заметно облегчает конструкции.

Электропроводность железа весьма средняя, в то время как алюминий по этому показателю уступает лишь серебру, меди и золоту. Железо является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность при отсутствии магнитного поля, а алюминий – типичный парамагнетик и втягивается в магнитное поле.

Столь разные свойства обуславливают абсолютно разные области применения, так что «сражаются» конструкционные материалы очень редко, например, в производстве мебели, где легкость алюминиевого профиля противопоставляется прочности стального.

Состав и структура

Железо существует в 4 различных модификациях, отличающихся друг от друга параметрами решетки и структурой. Наличие фаз имеет действительно решающее значение для выплавки, поскольку именно фазовые переходы и их зависимость от легирующих элементов обеспечивает само течение металлургических процессов в этом мире. Итак, речь идет о следующих фазах:

• α-фаза устойчива до +769 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой. α-фаза является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствии магнитного поля. Температура в 769 С является точкой Кюри для металла.
• β-фаза существует от +769 С до +917 С. Структура модификации та же, но параметры решетки несколько другие. При этом сохраняются практически все физические свойства за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком.
• γ — фаза появляется в диапазоне от +917 до +1394 С. Для нее характера гранецентрированная кубическая решетка.
• δ-фаза существует выше температуры в +1394 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой.

Выделяют также ε-модификацию, которая появляется при высоком давлении, а также в результате легирования некоторыми элементами. ε -фаза обладает плотноупакованной гексагонической решеткой.

Далее мы расскажем, какова плотность, и чему равна удельная теплоемкость железа.

Про физические и химические свойства железа поведает этот видеоролик:

Кристаллические модификации железа

Железо может существовать в виде 2 кристаллических решёток: объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Всего же, железо имеет 5 кристаллических модификаций.

При обычном давлении железо существует в 4 кристаллических модификациях:

1. До 769°С существует ферромагнитное a-Fe с ОЦК (а = 0,286645 нм при 20°С, z = 2, пространственная группа Im3m).
2. При 769°С (точка Кюри) a-Fe переходит в парамагнитное состояние b-Fe без изменения сингонии и др. свойств, кроме магнитных. DH0 перехода a:b 1,72 кДж/моль. Парамагнитное железо b-Fe устойчиво в интервале 769-917°С.
3. В интервале 917-1394°С существует парамагнитное g-Fe с ГЦК (при 950°С а = 0,3656 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m). DH0 перехода b:g 0,91 кДж/моль.
4. Выше 1394°С существует парамагнитное d-Fe с ОЦК (при 1425°С а = 0,293 нм, z = 2, пространственная группа Im3m). DH0 перехода g:d 0,63 кДж/моль.

При высоких давлениях существует e-Fe с гексагонической плотноупакованной решеткой, которое также образуется и при нормальном давлении при легировании железа рядом элементов.

Полиморфные превращения железа и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов.

Электронное строение атома железа

Электронная конфигурация  железа в основном состоянии:

+26Fe 1s22s22p63s23p64s23d6

Железо проявляет ярко выраженные магнитные свойства.

Нахождение в природе

Железо довольно распространено в земной коре (порядка 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает 4-ое место среди всех элементов и 2-ое место среди металлов. Содержание в земной коре  — около 8%.

В природе железо в основном встречается в виде соединений:

Красный железняк Fe2O3 (гематит).

Магнитный железняк Fe3O4 или FeO·Fe2O3 (магнетит).

В природе также широко распространены сульфиды железа, например,  пирит FeS2.

Встречаются и другие минералы, содержащие железо.

Геохимия железа

Гидротермальный источник с железистой водой. Оксиды железа окрашивают воду в бурый цвет

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %. Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002—0,02 мг/л. В речной воде его концентрация значительно выше — 2 мг/л.

Геохимические свойства железа

Распространение железа в пересчёте на 106 атомов кремния.

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро Земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо 3O2Fe характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Ca2+ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO · Fe2O3 или Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа — пирит FeS2 (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире.

Содержание железа в морской воде — 1⋅10−5—1⋅10−8 %.

Другие часто встречающиеся минералы железа:

• Сидерит — FeCO3 — содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см³ и твёрдость 3,5—4,5 по шкале Мооса.
• Марказит — FeS2 — содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6—4,9 г/см³ и твёрдостью 5—6 по шкале Мооса.
• Лёллингит — FeAs2 — содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7—7,4 г/см³, твёрдость 5—5,5 по шкале Мооса.
• Миспикель — FeAsS — содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6—6,2 г/см³ и твёрдостью 5,5—6 по шкале Мооса.
• Мелантерит — FeSO4·7H2O — реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8—1,9 г/см³.
• Вивианит — Fe3(PO4)2·8H2O — встречается в виде сине-серых или зелёно-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твёрдостью 1,5—2 по шкале Мооса.

Помимо вышеописанных минералов железа, существуют, например:

Физические свойства

Прежде чем переходить к валентности железа, необходимо подробнее рассмотреть его физические свойства, так сказать, приглядеться к нему поближе.

Этот металл имеет серебристый цвет, достаточно пластичный, но способен к увеличению твердости путем его взаимодействия с другими элементами (например, с углеродом). Также он обладает магнитными свойствами.

Во влажной среде железо может корродировать, то есть ржаветь. Хотя абсолютно чистый металл устойчивее к влаге, но если в нем есть примеси, именно они провоцируют коррозию.

Железо хорошо взаимодействует с кислотной средой, даже может образовывать соли железной кислоты (при условии сильного окислителя).

В воздушной среде быстро покрывается оксидной пленкой, которая защищает его от взаимодействий.

Химические свойства

Также этот элемент обладает рядом химических свойств. Железо, как и остальные элементы таблицы Менделеева, имеет заряд атомного ядра, который соответствует порядковому номеру +26. А возле ядра вращается 26 электронов.

А вообще, если рассматривать свойства железа – химического элемента, то он является металлом с невысокой активной способностью.

Взаимодействуя с окислителями более слабыми, железо образует соединения, где оно двухвалентно (то есть его степень окисления +2). А если с сильными окислителями, то степень окисления железа достигает +3 (то есть валентность его становится равной 3).

При взаимодействии с химическими элементами, которые не являются металлами, Fe выступает по отношению к ним восстановителем, при этом степень окисления его становиться, кроме +2 и +3, даже +4, +5, +6. Такие соединения имеют очень сильные окислительные свойства.

Как уже отмечалось выше, железо в воздушной среде покрывается оксидной пленкой. А при нагревании скорость реакции повышается и может образоваться оксид железа с валентностью 2 (температура менее 570 градусов по Цельсию) или оксид с валентностью 3 (температурный показатель более 570 градусов).

Взаимодействие Fe с галогенами, приводит к образованию солей. Элементы фтор и хлор окисляют его до +3. Бром же – до +2 или +3 (все зависит от того, какие условия осуществления химического превращения при взаимодействии с железом).

Вступая во взаимодействия с йодом, элемент окисляется до +2.

Нагревая железо и серу, получается сульфид железа с валентностью 2.

Если феррум расплавить и соединить его с углеродом, фосфором, кремнием, бором, азотом, то получатся соединения называемые сплавами.

Железо является металлом, поэтому оно вступает во взаимодействие и с кислотами (об этом кратко также говорилось чуть выше). Например, кислоты серная и азотная, имеющие высокую концентрацию, в среде с пониженной температурой, на железо не оказывают воздействия. Но стоит ей повысится, как происходит реакция, в результате которой железо окисляется до +3.

Чем выше концентрация кислоты, тем большую температуру необходимо дать.

Нагревая 2-х валентное железо в воде, получим его оксид и водород.

Также Fe обладает способностью вытеснять из водных растворов солей металлы, которые имеют пониженную активность. При этом он окисляется до +2.

При повышении температуры, железо восстанавливает металлы из оксидов.

Характерные степени окисления

Степень окисленияОксидГидроксидХарактерПримечания

* Кислота в свободном виде не существует — получены только её соли.

Химическая активность железа зависит от степени его чистоты, дисперсности, присутствия влаги и кислорода.

Диаграмма Пурбе для Fe-H2O

Для железа наиболее характерны степени окисления — +2 и +3.

Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH)2. Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) — слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe2O3 и коричневый гидроксид Fe(OH)3. Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe3+ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH)3 растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe2O3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли не существующей в свободном виде кислоты 2HFeO):

Fe2O3+2NaOH→2NaFeO2+H2O{displaystyle {mathsf {Fe_{2}O_{3}+2NaOHrightarrow 2NaFeO_{2}+H_{2}O}}}

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко переходят друг в друга при изменении окислительно-восстановительных потенциалов.

Кроме того, существует оксид Fe3O4, формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe+2(Fe+3O2)2.

Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли — ферраты (например, K2FeO4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Известны также степени окисления: −2 (тетракарбонилферрат натрия), −1, 0 (пентакарбонил железа), +1, +4, +5.

Свойства простого вещества

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующей дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2O3·xH2O.

Взаимодействует с кислотами.

• С соляной кислотой, образуя хлорид железа (ΙΙ):

Fe+2HCl→FeCl2+H2↑{displaystyle {mathsf {Fe+2HClrightarrow FeCl_{2}+H_{2}uparrow }}}

• С разбавленной серной кислотой, образуя сульфат железа (II):

Fe+H2SO4→FeSO4+H2↑{displaystyle {mathsf {Fe+H_{2}SO_{4}rightarrow FeSO_{4}+H_{2}uparrow }}}

• Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо. C концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании, образуя сульфат железа(III):

2Fe+6H2SO4→ot Fe2(SO4)3+3SO2↑+6H2O{displaystyle {mathsf {2Fe+6H_{2}SO_{4}xrightarrow {^{o}t} Fe_{2}(SO_{4})_{3}+3SO_{2}uparrow +6H_{2}O}}}

• Взаимодействие с кислородом.

• Железо [31] горит в кислороде при нагревании; или без, в случае пирофорности; образуя оксид железа (II, III): [32] [33] [34] :

3Fe+2O2→150−600oCFe3O4{displaystyle {mathsf {3Fe+2O_{2}{xrightarrow {150-600^{o}C}}Fe_{3}O_{4}}}}

• Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо, образуется оксид железа (II):

2Fe+O2→ot 2FeO{displaystyle {mathsf {2Fe+O_{2}xrightarrow {^{o}t} 2FeO}}}

• Взаимодействует с порошком серы при нагревании, образуя сульфид железа (II):

Fe+S→ot FeS{displaystyle {mathsf {Fe+Sxrightarrow {^{o}t} FeS}}}

• Взаимодействует с галогенами при нагревании:

• Горит в хлоре, образуя хлорид железа (III) :

2Fe+3Cl2→ot 2FeCl3{displaystyle {mathsf {2Fe+3Cl_{2}xrightarrow {^{o}t} 2FeCl_{3}}}}

• При повышенном давлении взаимодействует с парами брома, образуя бромид железа (III):

2Fe+3Br2→p 2FeBr3{displaystyle {mathsf {2Fe+3Br_{2}{xrightarrow {p}} 2FeBr_{3}}}}

• Взаимодействует с йодом, образуя йодид железа (II, III):

3Fe+4I2→Fe3I8{displaystyle {mathsf {3Fe+4I_{2}rightarrow Fe_{3}I_{8}}}}

• Взаимодействие с неметаллами.

• С азотом при нагревании, образуя нитрид дижелеза:

4Fe+N2→ot 2Fe2N{displaystyle {mathsf {4Fe+N_{2}xrightarrow {^{o}t} 2Fe_{2}N}}}

• С фосфором при нагревании, образуя фосфиды железа:

Fe+P→ot FeP{displaystyle {mathsf {Fe+Pxrightarrow {^{o}t} FeP}}}
2Fe+P→ot Fe2P{displaystyle {mathsf {2Fe+Pxrightarrow {^{o}t} Fe_{2}P}}}
3Fe+P→ot Fe3P{displaystyle {mathsf {3Fe+Pxrightarrow {^{o}t} Fe_{3}P}}}

• С углеродом, образуя карбид железа:

3Fe+C→Fe3C{displaystyle {mathsf {3Fe+Crightarrow Fe_{3}C}}}

• С кремнием при нагревании, образуя силицид железа:

Fe+Si→1410∘∁FeSi{displaystyle {mathsf {Fe+Sixrightarrow {1410^{circ }complement } FeSi}}}

• Взаимодействие раскалённого железа с водяным паром даёт оксид железа (III):

2Fe+3H2O→ot Fe2O3+3H2↑{displaystyle {mathsf {2Fe+3H_{2}Oxrightarrow {^{o}t} Fe_{2}O_{3}+3H_{2}uparrow }}}

• Железо восстанавливает металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов солей:

Fe+CuSO4→FeSO4+Cu{displaystyle {mathsf {Fe+CuSO_{4}rightarrow FeSO_{4}+Cu}}}

• Железо восстанавливает соединения железа(III):

Fe+2FeCl3→3FeCl2{displaystyle {mathsf {Fe+2FeCl_{3}rightarrow 3FeCl_{2}}}}

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η5-C5H5)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

Способы получения

Железо в промышленности получают из железной руды, гематита Fe2O3  или магнетита (Fe3O4или FeO·Fe2O3).

1. Один из основных способов производства железа – доменный процесс. Доменный процесс основан на восстановлении железа из оксида углеродом в доменной печи.

В печь загружают руду, кокс и флюсы.

Шихта – смесь исходных материалов, а в некоторых случаях и топлива в определённой пропорции, которую обрабатывают в печи.

Каменноугольный кокс – это твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96—98 % углерода.

Флюсы – это неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.

Шлак – расплав (а после затвердевания – стекловидная масса), покрывающий поверхность жидкого металла. Шлак состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами и предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.

В печи кокс окисляется до оксида углерода (II):

2C   +  O2   →  2CO

Затем нагретый угарный газ восстанавливает оксид железа (III):

3CO   +  Fe2O3    →   3CO2    +   2Fe

Процесс получения железа – многоэтапный и зависит от температуры.

Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:

3Fe2O3    +   CO   →    2Fe3O4      +    CO2

Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает восстановление смешанного оксида железа (II, III)  до оксида железа (II):

Fe3O4   +   CO   →   3FeO   +   CO2

Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:

CaCO3    →    CaO    +       CO2

Оксид железа (II) опускается в область с более высоких температур (до 1200oC), где протекает следующая реакция:

FeO   +   CO   →   Fe   +   CO2

Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом, образуя угарный газ:

CO2   +    C   →    2CO

2. Также железо получают прямым восстановлением из оксида водородом:

Fe2O3    +   3H2   →    2Fe      +    3H2O

При этом получается более чистое железо, т.к.  получаемое железо не загрязнено серой и фосфором, которые являются примесями в каменном угле.

3.Еще один способ получения железа в промышленности – электролиз растворов солей железа.

Валентность железа

Как было отмечено, железо относится к элементам с переменной валентностью. И она может колебаться не только между показателями 2 и 3, но и достигать 4, 5 и даже 6.

Конечно, более подробно изучает валентность железа неорганическая химия. Рассмотрим этот механизм кратко на уровне простейших частиц.

Железо является д-элементом, к которому причисляется еще 31 элемент таблицы Менделеева (это 4-7 периоды). С возрастанием порядкового номера, свойства д-элементов приобретают небольшие изменения. Атомный радиус у этих веществ также медленно возрастает. Они обладают переменной валентностью, которая зависит от того, что предвнешний д-электронный подуровень является незавершенным.

Потому для железа валентными есть не только с-электроны, находящиеся во внешнем слое, но и неспаренные 3д-электроны предвнешнего слоя. И, как следствие, валентность Fe в химических соединениях может равнятся 2, 3, 4, 5, 6. В основном, она равна 2 и 3 – это более устойчивые соединения железа с другими веществами. В менее устойчивых — он проявляет валентность 4, 5, 6. Но, такие соединения встречаются реже.

Важные подробности

Железо можно смело относить к единицам с переменными показателями, значения могут колебаться не только между 2 и 3, но и достигать даже шести. Подобными изучениями занимаются специалисты отрасли неорганической химии, но каждому человеку подобные знания обязательно пригодятся. Если рассматривать механизм кратко и брать во внимание простые частицы, то данный элемент способен причислять 31 позицию из списка, это пункты с 4 по 7 периоды таблицы Менделеева. Поскольку порядковый номер будет постепенно расти, то свойства феррума несколько изменятся. Кроме возрастания атомного радиуса, получится заметить переменную валентность, это обусловлено незавершенностью подуровня. Чаще можно увидеть более устойчивые соединения с показателями 2 и 3, а самыми ненадежными считаются значения от четырех до шести, но они встречаются достаточно редко.

Двухвалентный феррум

При взаимодействии 2 валентного железа с водой получается оксид железа (2). Такое соединение обладает черным цветом. Достаточно легко взаимодействует с соляной (малой концентрации) и азотной (высокой концентрации) кислотами.

Если такому оксиду 2-х валентного железа провзаимодействовать или с водородом (температура 350 градусов по Цельсию), или с углеродом (коксом) при 1000 градусов, то оно восстанавливается до чистого состояния.

Добывают оксид железа 2-х валентного такими способами:

• через соединение оксида 3-х валентного железа с угарным газом;
• при нагревании чистого Fe, при этом низкое давление кислорода;
• при раскладывании оксалата 2-х валентного железа в вакуумной среде;
• при взаимодействии чистого железа с его оксидами, температура при этом 900-1000 градусов по Цельсию.

Что касается природной среды, то оксид железа 2-х валентного, присутствует в виде минерала вюстита.

Есть еще способ, как в растворе определить валентность железа – в данном случае, имеющего ее показатель 2. Необходимо провести реакции с красной солью (гексацианоферрат калия) и с щелочью. В первом случае наблюдается получение осадка темно-синего цвета – комплексной соли железа 2-х валентного. Во втором – получение темного серо-зеленого осадка – гидроксида железа также 2-х валентного, в то время, как гидроксид железа 3-х валентного имеет цвет в растворе темно-бурый.

Рассмотрение подробностей другого типа соединения

Феррум со значением 3 также отличается по цвету, он будет красно-коричневым, из распространенных наименований стоит отметить окись железа, сурик, пигмент красного оттенка, краситель для пищи и крокус. В природе также можно встретить это вещество, оно представлено в виде такого минерала, как гематит. Подобный оксид с водой взаимодействовать не сможет, единственными соединениями будут щелочь и кислоты. Некоторые строительные материалы достаточно удачно окрашивают с помощью этого состава, сюда относятся:

1. Кирпич.
2. Цементные смеси.
3. Изделия из керамики.
4. Бетон.
5. Плитка для тротуаров.
6. Напольные покрытия, в том числе и линолеум.

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)2. Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

4FeCl2+O2+2H2O→4Fe(OH)Cl2{displaystyle {mathsf {4FeCl_{2}+O_{2}+2H_{2}Orightarrow 4Fe(OH)Cl_{2}}}}

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2O.

Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe2+ и [Fe(CN)6]3− выпадает осадок гексацианоферрата (III) калия-железа (II) (турнбулева синь):

K3[Fe(CN)6]+Fe2+→KFeII[FeIII(CN)6]↓+2K+{displaystyle {mathsf {K_{3}[Fe(CN)_{6}]+Fe^{2+}rightarrow KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_{6}]downarrow +2K^{+}}}}
,

который внутримолекулярно перегруппировывается в гексацианоферрат (II) калия-железа (III) (берлинская лазурь):

KFeII[FeIII(CN)6]→KFeIII[FeII(CN)6]{displaystyle {mathsf {KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_{6}]rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_{6}]}}}

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen3 (максимум светопоглощения — 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9) [35] .

Соединения железа (VI)

Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H2FeO4. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)3 в щёлочи [38] :

2Fe(OH)3+3Cl2+10KOH→2K2FeO4+6KCl+8H2O{displaystyle {mathsf {2Fe(OH)_{3}+3Cl_{2}+10KOHrightarrow 2K_{2}FeO_{4}+6KCl+8H_{2}O}}}

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щёлочи на железном аноде:

Fe+2KOH+2H2O→K2FeO4+3H2↑{displaystyle {mathsf {Fe+2KOH+2H_{2}Orightarrow K_{2}FeO_{4}+3H_{2}uparrow }}}

Ферраты — сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода [39] :

4FeO42−+20H+→4Fe3++3O2↑+10H2O{displaystyle {mathsf {4FeO_{4}^{2-}+20H^{+}rightarrow 4Fe^{3+}+3O_{2}uparrow +10H_{2}O}}}

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.

Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)2, основание Fe(OH)3, которое реагирует с кислотами:

2Fe(OH)3+3H2SO4→Fe2(SO4)3+6H2O{displaystyle {mathsf {2Fe(OH)_{3}+3H_{2}SO_{4}rightarrow Fe_{2}(SO_{4})_{3}+6H_{2}O}}}

Соли Fe3+ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe3+, как правило, окружён шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.

Ион Fe3+ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При pH>4 этот ион практически полностью осаждается в виде Fe(OH)3 [36] :

Fe3++3H2O→Fe(OH)3↓+3H+{displaystyle {mathsf {Fe^{3+}+3H_{2}Orightarrow Fe(OH)_{3}downarrow +3H^{+}}}}

При частичном гидролизе иона Fe3+ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.

Кислотные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH)3 выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(OH)3+3KOH→K3[Fe(OH)6]{displaystyle {mathsf {Fe(OH)_{3}+3KOHrightarrow K_{3}[Fe(OH)_{6}]}}}

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)3.

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe2O3 образует разнообразные ферриты:

Fe2O3+2NaOH→2NaFeO2+H2O{displaystyle {mathsf {Fe_{2}O_{3}+2NaOHrightarrow 2NaFeO_{2}+H_{2}O}}}

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe+2FeCl3→3FeCl2{displaystyle {mathsf {Fe+2FeCl_{3}rightarrow 3FeCl_{2}}}}

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с неорганическими тиоцианатами SCN−. При этом образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа [Fe(SCN)]2+, [Fe(SCN)2]+, Fe(SCN)3, [Fe(SCN)4]− [37] . Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4− выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата (II) калия-железа (III) (берлинская лазурь):

K4[Fe(CN)6]+FeCl3→KFeIII[FeII(CN)6]↓+3KCl{displaystyle {mathsf {K_{4}[Fe(CN)_{6}]+FeCl_{3}rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_{6}]downarrow +3KCl}}}

Количественно ионы Fe3+ определяют по образованию красных (в слабокислой среде) или жёлтых (в слабощелочной среде) комплексов с сульфосалициловой кислотой. Эта реакция требует грамотного подбора буферов, так как некоторые анионы (в частности, ацетат) образуют с железом и сульфосалициловой кислотой смешанные комплексы со своими оптическими характеристиками.

Соединения железа VII и VIII

Известна степень окисления VII в анионе [FeO4]− [40] .

Имеются сообщения об электрохимическом получении соединений железа (VIII) [41] [42] [43] , однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.

Качественные реакции

Качественные реакциинаионы железа +2.

– взаимодействие солей железа (II) с щелочами. При этом образуется серо-зеленый студенистый осадокгидроксида железа (II).

Например, хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом натрия:

2NaOH  +   FeCl2    →    Fe(OH)2   + 2NaCl

Видеоопытвзаимодействия раствора сульфата железа (II) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть  здесь.

Гидроксид железа (II) на воздухе буреет, так как окисляется до гидроксида железа (III):

4Fe(OH)2   +    O2   +   2H2O    →   4Fe(OH)3

– ионы железа +2 окрашивают раствор в светлый желто-зеленый цвет.

– взаимодействие с красной кровяной солью K3[Fe(CN)6] – также качественная реакция на ионы железа +2. При этом образуется синий осадок «турнбулева синь».

Видеоопытвзаимодействия раствора хлорида железа (II) с раствором гексацианоферрата (III) калия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть  здесь.

Качественные реакции на ионы железа +3

– взаимодействие солей железа (III) с щелочами. При этом образуется бурый осадокгидроксида железа (III).

Например, хлорид железа (III) реагирует с гидроксидом натрия:

3NaOH  +   FeCl3    →    Fe(OH)3   + 3NaCl

Видеоопытвзаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть  здесь.

– ионы железа +3 окрашивают раствор в светлый желто-оранжевый цвет.

– взаимодействие с желтой кровяной солью K4[Fe(CN)6] ионы железа +3. При этом образуется синий осадок «берлинская лазурь».

Видеоопытвзаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гексацианоферрата (II) калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть  здесь.

В последнее время получены данные, которые свидетельствуют, что молекулы берлинской лазури идентичны по строению молекулам турнбулевой сини. Состав молекул обоих этих веществ можно выразить формулой Fe4[Fe2(CN)6]3.

–  при взаимодействии солей железа (III) с роданидамираствор окрашивается в кроваво-красный цвет.

Например, хлорид железа (III) взаимодействует с роданидом натрия:

FeCl3   +    3NaCNS   →   Fe(CNS)3   +  3NaCl

Применение

Железная руда

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

• Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
• Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
• Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
• Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
• Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
• Порошок железа используется как поглотитель кислорода при упаковке некоторых продуктов питания, что помогает продлить их срок хранения.
• Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
• Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
• Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
• Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.
• Порошок железа и чугуна используется в качестве искрообразователя и горючего в пиротехнике [44] .