Учебник для 9 класса

ХИМИЯ

§ 17. Железо

Строение и свойства атомов. Железо Fe — элемент побочной подгруппы VIII группы (VIIIB группы) 4-го периода Периодической системы Д. И. Менделеева.

Строение электронной оболочки атомов железа несколько отличается от строения электронных оболочек атомов элементов главных подгрупп. Как и положено элементу 4-го периода, атомы железа имеют четыре энергетических уровня, но заполняется у них не последний, а предпоследний, третий от ядра, уровень.

На последнем же уровне атомы железа содержат два электрона. На предпоследнем уровне, который может вместить 18 электронов, у атома железа находятся 14 электронов. Следовательно, распределение электронов по уровням в атомах железа таково:

Подобно всем металлам, атомы железа проявляют восстановительные свойства, отдавая при химических взаимодействиях не только два электрона с последнего уровня и приобретая степень окисления +2, но часто и электрон с предпоследнего уровня, при этом степень окисления атома повышается до +3.

Железо — простое вещество. Это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куётся, 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 твёрдость методами термического и механического воздействия, например с помощью закалки и прокатки.

Различают технически чистое и химически чистое железо. Технически чистое железо представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02—0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора — ещё меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей.

Из технически чистого железа сделаны, например, канцелярские скрепки и кнопки. Такое железо легко корродирует, в то время как химически чистое железо почти не подвергается коррозии. Очевидно, знаменитая Делийская колонна сделана из чистого железа (рис. 68).

Рис. 68.
Железная колонна в Дели — один из самых загадочных памятников индийской культуры. Она обладает уникальным свойством: железо, отлитое 15 веков назад, не ржавеет

Первые образцы железа, попавшего в руки человека, по-видимому, были метеоритного происхождения. О знакомстве человека в древности с железом космического происхождения говорит факт наличия у жителей Гренландии, не имевших никакого понятия о железной руде, изделий из железа.

Алхимики обозначали железо в виде копья и щита — характерных атрибутов бога войны Марса.

В настоящее время железо — это основа современной техники и сельскохозяйственного машиностроения, транспорта и средств связи, космических кораблей и вообще всей современной цивилизации. Большинство изделий, начиная от швейной иглы и кончая космическими аппаратами, не может быть изготовлено без применения железа.

Переходя к описанию химических свойств железа, повторим, что оно может проявлять степени окисления +2 и +3, соответственно железо даёт два ряда соединений. Число электронов, которое атом железа отдаёт при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, с галогенами (кроме иода) железо образует галогениды, в которых оно имеет степень окисления +3:

а с серой — сульфид железа (II):

Раскалённое железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины:

При высокой температуре (700—900 °С) железо взаимодействует с парами воды:

В соответствии с положением железа в электрохимическом ряду напряжений оно может вытеснять металлы, стоящие правее него, из водных растворов их солей, например:

В разбавленных соляной и серной кислотах железо растворяется, окисляясь ионами водорода, при этом образуются соли железа (II) и водород:

Лабораторный опыт № 17
Взаимодействие железа с соляной кислотой

Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, при этом образуются нитрат железа (III), вода и продукт восстановления азотной кислоты — азот N₃, оксид азота (II) NO или аммиак NH₃ (нитрат аммония NH₄NO₃) в зависимости от концентрации кислоты.

Концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют железо, образуя на поверхности металла плотную, прочную оксидную плёнку.

Соединения железа. По распространённости в земной коре железо занимает четвёртое место среди всех элементов (после кислорода, кремния и алюминия).

В природе железо образует ряд минералов. Это магнитный железняк (магнетит) Fe₃O₄, красный железняк (гематит) Fe₂O₃, бурый железняк (лимонит) 2Fe₂O₃ • ЗН₂O. Все они используются в чёрной металлургии для производства чугуна и стали.

Ещё одно природное соединение железа — железный, или серный, колчедан (пирит) FeS₂ — не служит железной рудой для получения металла, но применяется для производства серной кислоты.

Как уже было сказано выше, для железа характерны два ряда соединений: соединения железа (II) и железа (III).

Оксид железа (II) FeO и соответствующий ему гидроксид железа (II) Fe(OH)₂ получают косвенно, в частности по следующей цепочке превращений:

Оксид и гидроксид железа (II) имеют ярко выраженные основные свойства.

Катионы железа (II) Fe²⁺ легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями, например пероксидом водорода, до катионов железа (III) Fe³⁺. Поэтому белый осадок гидроксида железа (II) Fe(OH)₂ на воздухе сначала приобретает зелёную окраску, а затем становится бурым, постепенно превращаясь в гидроксид железа (III) Fe(OH)₃:

Оксид железа (III) Fe₂O₃ и соответствующий ему гидроксид железа (III) Fe(OH)₃ также получают косвенно, например по цепочке:

Лабораторный опыт № 18
Получение гидроксидов железа (II) и (III) и изучение их свойств

Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфаты и хлориды.

Кристаллогидрат сульфата железа (II) FeSO₄ • 7Н₂O, известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок, для обработки древесины и в других целях.

Хлорид железа (III) FeCl₃ используют при очистке воды, в качестве протравы при крашении тканей.

Сульфат железа (III) Fe₂(SO₄)₃ • 9Н₂O применяют при очистке воды, в качестве растворителя в гидрометаллургии и в других целях.

Для распознавания соединений железа (II) и (III) проводят качественные реакции на ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Качественной реакцией на ионы железа (II) Fe²⁺ служит реакция солей железа (II) с соединением, формула которого K₃[Fe(CN)₆], называемым красной кровяной солью. С соединениями такого типа вам ещё предстоит познакомиться в старшей школе. Это особая группа солей, которые, как вы знаете, называют комплексными. Пока же вам нужно усвоить, как диссоциируют такие соли:

Реактивом на ионы железа (III) Fe³⁺ является другое комплексное соединение — жёлтая кровяная соль — K₄[Fe(CN)₆], которая в растворе диссоциирует аналогично:

Если к растворам, содержащим ионы Fe²⁺ или Fe³⁺, прилить соответственно растворы красной кровяной соли (реактив на Fe²⁺) и жёлтой кровяной соли (реактив на Fe³⁺), то в обоих случаях выпадет одинаковый синий осадок (рис. 69):

Рис. 69.
Качественная реакция на ионы Fe²⁺ и Fe³⁺

Для обнаружения ионов Fe³⁺ также используют взаимодействие солей железа (III) с роданидом калия KSCN или роданидом аммония NH₄SCN. При этом образуется ярко окрашенный ион FeSCN²⁺, а раствор приобретает интенсивно-красный цвет (рис. 70):

Рис. 70.
Качественная реакция на ион Fe³⁺

Роль химического элемента железа в жизнедеятельности живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кислорода от органов дыхания к другим органам и тканям.

Соединения железа издавна применяют для лечения малокровия, при истощении, упадке сил.

Для человека и животных источником железа служит пища. В зелёных овощах, таких как шпинат, салат, капуста, много железа. Розовая черешня содержит наполовину меньше железа, чем чёрная. Светло-зелёный капустный лист в шесть раз беднее железом, чем зелёный. В говядине железа больше, чем в телятине.

Новые слова и понятия

1. Строение атома железа. Степени окисления железа: +2, +3.
2. Физические и химические свойства железа. Образование хлоридов железа (II) и (III), взаимодействие с серой, кислородом, водой, кислотами, солями.
3. Железо в природе, минералы железа (магнитный, бурый и красный железняк).
4. Соединения катионов железа Fe²⁺ и Fe³⁺.
5. Качественные реакции на Fe²⁺ и Fe³⁺ и реактивы: жёлтая и красная кровяная соли, роданид калия.

Задания для самостоятельной работы

1. Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих генетические ряды соединений Fe²⁺ и Fe³⁺. Первые реакции каждого ряда охарактеризуйте с позиций окисления-восстановления, а реакции с участием электролитов запишите также в ионном виде.
2. Напишите по два молекулярных уравнения, соответствующих следующим сокращённым ионным уравнениям:

   

   Как называют эти реакции? Напишите названия реактивов.

3. Используя дополнительную литературу (словари русского языка, химические словари и др.), подготовьте рассказ о происхождении названий реактивов и продуктов качественных реакций на Fe²⁺ и Fe³⁺.
4. Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

   

   Рассмотрите два превращения (по выбору) с позиций окисления-восстановления. Реакции с участием электролитов напишите в молекулярной и ионных формах.

5. Напишите три уравнения реакций железа с разбавленной азотной кислотой, в которых продуктом восстановления кислоты будет соответственно N₂, NO, NH₄NO₃. Для расстановки коэффициентов в уравнениях химических реакций используйте метод электронного баланса. Определите окислитель и восстановитель в этих реакциях.
6. Вычислите объём оксида углерода (II) (н. у.), который потребуется для восстановления железа из 2,32 т магнитного железняка, содержащего 5% пустой породы. Вычислите количество вещества железа, которое при этом получится, если выход его составляет 80% от теоретически возможного.
7. Используя свои знания по химии железа, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или химического процесса».