Залізо в чистому вигляді - це пластичний метал сірого кольору, що легко піддається обробці. І все ж таки, для людини елемент Fe більш практичний у поєднанні з вуглецем та іншими домішками, які дозволяють утворювати металеві сплави – сталі та чавуни. 95% - саме стільки всієї виробленої на планеті металевої продукції містить залізо як основний елемент.

Залізо: історія

Перші залізні вироби, виготовлені людиною, датовані вченими IV тис. до зв. е., причому дослідження показали, що для їх виробництва використовувалося метеоритне залізо, для якого характерно 5-30-відсотковий вміст нікелю. Цікаво, але поки людство не освоїло видобуток Fe шляхом його переплавлення, залізо цінувалося дорожче за золото. Пояснювалося це тим, що міцніша і надійніша сталь куди більше підходила для виготовлення знарядь праці та зброї, ніж мідь та бронза.

Перший чавун навчилися отримувати древні римляни: їх печі могли підвищувати температуру руди до 1400 о С, тоді як чавуну було достатньо 1100-1200 про С. Згодом вони ж отримали і чисту сталь, температура плавлення якої, як відомо, становить 1535 градусів Цельсію.

Хімічні властивості Fe

Із чим взаємодіє залізо? Залізо взаємодіє з киснем, що супроводжується утворенням оксидів; з водою у присутності кисню; із сірчаною та соляною кислотами:

• 3Fe+2O 2 = Fe 3 O 4
• 4Fe+3O 2 +6H 2 O = 4Fe(OH) 3
• Fe+H 2 SO 4 = FeSO 4 +H 2
• Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2

Також залізо реагує на луги, тільки якщо вони є розплавами сильних окислювачів. Залізо не реагує з окислювачами при нормальній температурі, проте завжди починає вступати в реакцію при її підвищенні.

Застосування заліза у будівництві

Застосування заліза будівельною галуззю в наші дні не можна переоцінити, адже металоконструкції є основою будь-якої сучасної будівлі. У цій сфері Fe використовується у складі звичайних сталей, ливарного чавуну та зварювального заліза. Цей елемент знаходиться скрізь, починаючи з відповідальних конструкцій і закінчуючи анкерними болтами та цвяхами.


Зведення будівельних конструкцій зі сталі обходиться набагато дешевше, до того ж тут можна говорити і про вищі темпи будівництва. Це помітно збільшує використання заліза у будівництві, тоді як сама галузь освоює застосування нових, більш ефективних та надійних сплавів на основі Fe.

Використання заліза у промисловості

Використання заліза та його сплавів – чавуну та сталі – це основа сучасного машино-, верстато-, авіа-, приладобудування та виготовлення іншої техніки. Завдяки ціанідам та оксидам Fe функціонує лакофарбова промисловість, сульфати заліза застосовуються при водопідготовці. Тяжка промисловість зовсім немислима без використання сплавів на основі Fe+C. Словом, Залізо - це незамінний, але водночас доступний і відносно недорогий метал, який у складі сплавів має практично необмежену сферу застосування.

Застосування заліза у медицині

Відомо, що у кожній дорослій людині міститься до 4 грамів заліза. Цей елемент дуже важливий для функціонування організму, зокрема для здоров'я кровоносної системи (гемоглобін в еритроцитах). Існує безліч лікарських препаратів на основі заліза, які дозволяють підвищувати вміст Fe, щоб уникнути розвитку залізодефіцитної анемії.

В організмі людини міститься близько 5 г заліза, більшість його (70%) входить до складу гемоглобіну крові.

Фізичні властивості

У вільному стані залізо – сріблясто-білий метал із сіруватим відтінком. Чисте залізо пластично, має феромагнітні властивості. На практиці зазвичай використовуються сплави заліза – чавуни та сталі.

Fe - найголовніший і найпоширеніший елемент дев'яти d-металів побічної підгрупи VIII групи. Разом із кобальтом та нікелем утворює «родина заліза».

При утворенні з'єднань з іншими елементами частіше використовує 2 або 3 електрони (В = II, III).

Залізо, як і багато d-елементи VIII групи, не виявляє вищу валентність, рівну номеру групи. Його максимальна валентність досягає VI і виявляється вкрай рідко.

Найбільш характерними є сполуки, в яких атоми Fe знаходяться в ступенях окислення +2 і +3.

Способи отримання заліза

1. Технічне залізо (у сплаві з вуглецем та іншими домішками) отримують карботермічним відновленням його природних сполук за схемою:

Відновлення відбувається поступово, у 3 стадії:

1) 3Fe 2 O 3 + СО = 2Fe 3 O 4 + СО 2

2) Fe 3 O 4 + СО = 3FeO + СО 2

3) FeO + СО = Fe + СО 2

Чавун, що утворюється в результаті цього процесу, містить більше 2% вуглецю. Надалі з чавуну одержують сталі - сплави заліза, що містять менше 1,5% вуглецю.

2. Дуже чисте залізо одержують одним із способів:

а) розкладання пентакарбонілу Fe

Fe(CO) 5 = Fe + 5СО

б) відновлення воднем чистого FeO

FeO + Н 2 = Fe + Н 2 O

в) електроліз водних розчинів солей Fe+2

FeC 2 O 4 = Fe + 2С 2

оксалат заліза (II)

Хімічні властивості

Fe – метал середньої активності, виявляє загальні властивості, характерні для металів.

Унікальною особливістю є здатність до «іржавіння» у вологому повітрі:

За відсутності вологи із сухим повітрям залізо починає помітно реагувати лише за Т > 150°С; при прожарюванні утворюється «залізна окалина» Fe 3 O 4:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

У воді без кисню залізо не розчиняється. За дуже високої температури Fe реагує з водяною парою, витісняючи з молекул води водень:

3 Fe + 4Н2O(г) = 4H2

Процес іржавлення за своїм механізмом є електрохімічною корозією. Продукт іржавлення представлений у спрощеному вигляді. Насправді утворюється пухкий шар суміші оксидів та гідроксидів змінного складу. На відміну від плівки Аl 2 Про 3 цей шар не оберігає залізо від подальшого руйнування.

Види корозії

Захист заліза від корозії

1. Взаємодія з галогенами та сіркою за високої температури.

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

2Fe + 3F 2 = 2FeF 3

Fe + I 2 = FeI 2

Утворюються сполуки, у яких переважає іонний тип зв'язку.

2. Взаємодія з фосфором, вуглецем, кремнієм (з N 2 і Н 2 залізо безпосередньо не з'єднується, але розчиняє їх).

Fe + Р = Fe x P y

Fe + C = Fe x C y

Fe + Si = Fe x Si y

Утворюються речовини змінного складу, тому що бертоліди (у сполуках переважає ковалентний характер зв'язку)

3. Взаємодія з «неокислюючими» кислотами (HCl, H 2 SO 4 розб.)

Fe 0 + 2Н + → Fe 2+ + Н 2

Оскільки Fe розташовується в ряду активності лівіше водню (Е° Fe/Fe 2+ = -0,44В), воно здатне витісняти Н 2 із звичайних кислот.

Fe + 2HCl = FeCl 2 + Н 2

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + Н 2

4. Взаємодія з «окисними» кислотами (HNO 3 , H 2 SO 4 конц.)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+

Концентровані HNO 3 і H 2 SO 4 пасивують залізо, тому при звичайній температурі метал в них не розчиняється. При сильному нагріванні відбувається повільне розчинення (без виділення Н2).

У розб. HNO 3 залізо розчиняється, переходить у розчин у вигляді катіонів Fe 3+ а аніон кислоти відновлюється до NO*:

Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2Н 2 O

Дуже добре розчиняється в суміші НСl та HNO 3

5. Ставлення до луг

У водних розчинах лугів Fe не розчиняється. З розплавленими лугами реагує лише за дуже високих температур.

6. Взаємодія із солями менш активних металів

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu

Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. Взаємодія з газоподібним монооксидом вуглецю (t = 200°C, P)

Fe(порошок) + 5CO(г) = Fe 0(CO) 5 пентакарбоніл заліза

З'єднання Fe(III)

Fe 2 O 3 – оксид заліза (III).

Червоно-бурий порошок, н. нар. в Н 2 O. У природі – «червоний залізняк».

Способи отримання:

1) розкладання гідроксиду заліза (III)

2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O

2) випал піриту

4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3

3) розкладання нітрату

Хімічні властивості

Fe 2 O 3 – основний оксид з ознаками амфотерності.

I. Основні властивості проявляються у здатності реагувати з кислотами:

Fe 2 Про 3 + 6Н + = 2Fe 3+ + ДТ 2 Про

Fe 2 Про 3 + 6HCI = 2FeCI 3 + 3H 2 O

Fe 2 Про 3 + 6HNO 3 = 2Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O

ІІ. Слабокислотні властивості. У водних розчинах лугів Fe 2 O 3 не розчиняється, але при сплавленні з твердими оксидами, лугами та карбонатами відбувається утворення феритів:

Fe 2 Про 3 + СаО = Ca(FeО 2) 2

Fe 2 Про 3 + 2NaOH = 2NaFeО 2 + H 2 O

Fe 2 Про 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2

ІІІ. Fe 2 Про 3 - вихідна сировина для отримання заліза в металургії:

Fe 2 Про 3 + ЗС = 2Fe + ЗСО або Fe 2 Про 3 + ЗСО = 2Fe + ЗСО 2

Fe(OH) 3 - гідроксид заліза (III)

Способи отримання:

Отримують при дії лугів на солі розчинні Fe 3+ :

FeCl 3 + 3NaOH = Fe(OH) 3 + 3NaCl

У момент одержання Fe(OH) 3 - червоно-бурий слизово-аморфний осад.

Гідроксид Fe(III) утворюється також при окисленні на вологому повітрі Fe та Fe(OH) 2:

4Fe + 6Н 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3

4Fe(OH) 2 + 2Н 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3

Гідроксид Fe(III) є кінцевим продуктом гідролізу солей Fe3+.

Хімічні властивості

Fe(OH) 3 - дуже слабка основа (набагато слабша, ніж Fe(OH) 2). Виявляє помітні кислотні властивості. Таким чином, Fe(OH) 3 має амфотерний характер:

1) реакції з кислотами протікають легко:

2) свіжий осад Fe(OH) 3 розчиняється у гарячих конц. розчинах КОН або NaOH з утворенням гідроксокомплексів:

Fe(OH) 3 + 3КОН = K 3

У лужному розчині Fe(OH) 3 може бути окислений до ферратів (солей не виділеної у вільному стані залізної кислоти H 2 FeO 4):

2Fe(OH) 3 + 10КОН + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6КВr + 8Н 2 O

Солі Fe 3+

Найбільш практично важливими є: Fe 2 (SO 4) 3 , FeCl 3 , Fe(NO 3) 3 , Fe(SCN) 3 , K 3 4- жовта кров'яна сіль = Fe 4 3 берлінська блакит (темно-синій осад)

б) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 роданід Fe(III) (р-р криваво-червоного кольору)

Визначення. Історія. Геохімія. Властивості заліза. Місце народження. Фізичні та хімічні властивості. З'єднання. Застосування заліза.

Залізо

Залізо - елемент восьмої групи (за старою класифікацією - побічної підгрупи восьмої групи) четвертого періоду періодичної системи хімічних елементівД. І. Менделєєва з атомним номером 26. Позначається символом Fe(Лат. Ferrum). Один із найпоширеніших у земній корі металів (друге місце після алюмінію).
Проста речовина залізо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий метал сріблясто-білого кольору з високою хімічною реакційною здатністю: залізо швидко корродує при високих температурах або при високій вологості на повітрі. У чистому кисні залізо горить, а в дрібнодисперсному стані самозаймається і на повітрі.
Власне залізом зазвичай називають його сплави з малим вмістом домішок (до 0,8 %), які зберігають м'якість і пластичність чистого металу. Але на практиці частіше застосовуються сплави заліза з вуглецем: сталь (до 2,14 вага. % вуглецю) і чавун (понад 2,14 вага. % вуглецю), а також нержавіюча (легована) сталь з добавками легуючих металів (хром, марганець, нікель та ін). Сукупність специфічних властивостей заліза та її сплавів роблять його «металом № 1» за важливістю людини.
У природі залізо рідко зустрічається у чистому вигляді, найчастіше воно зустрічається у складі залізо-нікелевих метеоритів. Поширеність заліза в земній корі - 4,65% (4-е місце після O, Si, Al). Вважається також, що залізо становить більшу частину земного ядра.

Історія.Залізо, як інструментальний матеріал, відоме з найдавніших часів. Найдавніші вироби із заліза, знайдені при археологічних розкопках, датуються 4-м тисячоліттям до н. е. і відносяться до давньошумерської та давньоєгипетської цивілізацій. Це виготовлені з метеоритного заліза, тобто сплаву заліза та нікелю (зміст останнього коливається від 5 до 30 %), прикраси з єгипетських гробниць (близько 3800 до н. е.) та кинджал з шумерського міста Ура (близько 3100 до н.е.). е.). Від небесного походження метеоритного заліза походить, мабуть, одна з назв заліза в грецькій та латинській мовах: «сидер» (що означає «зірковий»).

Вироби із заліза, отриманого виплавкою, відомі з часу розселення арійських племен з Європи в Азію, острови Середземного моря, і далі (кінець 4-го і 3-го тисячоліття до н.е. в кам'яній кладці піраміди Хеопса в Єгипті (побудована близько 2530 до н. е..) Як показали розкопки в Нубійській пустелі, вже в ті часи єгиптяни, намагаючись відокремити золото, що видобувається, від важкого магнетитового піску, проколювали руду з висівками і руду з висівками. вуглець У результаті на поверхні розплаву золота випливав шар тістоподібного заліза, який обробляли окремо, з цього заліза кувалися гармати, у тому числі знайдені в піраміді Хеопса, проте після онука Хеопса Менкаура (2471—2465 р. до н.е.) в Єгипті настала смута: знати на чолі зі жерцями бога Ра скинула правлячу династію, і почалася чехарда узурпаторів, що закінчилася царювання фараона наступної династії Усеркара, якого жерці оголосили сином і втіленням самого бога Ра (з того часу це стало офіційним статусом фараонів). У ході цієї смути культурні та технічні знання єгиптян занепали, і, так само як деградувало мистецтво будівництва пірамід, технологія виробництва заліза була втрачена, аж до того, що пізніше, освоюючи в пошуках мідної руди Синайський півострів, єгиптяни не звернули жодної уваги на які були там поклади залізняку, а отримували залізо від сусідніх хетів і мітаннійців.
Перші освоїли метод виплавки заліза хати, це вказує найдавніше (2-е тисячоліття е.) згадка заліза у текстах хетів, які заснували свою імперію біля хаттів (сучасної Анатолії Туреччини). Так, у тексті хетського царя Анітти (близько 1800 року до н.е.(наша ера)) говориться:
У давнину майстрами залізних виробів мали славу халіби. У легенді про аргонавтів (їх похід у Колхіду відбувся приблизно за 50 років до троянської війни) розповідається, що цар Колхіди Еєт дав Ясону залізний плуг, щоб він зорав поле Ареса, і описуються його піддані халібери:
Вони не орють землю, не садять плодові дерева, не пасуть череди на опасистих луках; вони видобувають руду та залізо з необробленої землі та вимінюють на них продукти харчування. День не починається для них без тяжкої праці, у темряві ночі та густому диму проводять вони, працюючи весь день.
Аристотель описав їх спосіб одержання сталі: «халіби кілька разів промивали річковий пісок їхньої країни — цим виділяючи чорний шліх (важка фракція що складається переважно з магнетиту і гематиту), і плавили печах; отриманий таким чином метал мав сріблястий колір і був нержавіючий».
В якості сировини для виплавки стали використовувалися магнетитові піски, які часто зустрічаються по всьому узбережжю Чорного моря: ці магнетитові піски складаються з суміші дрібних зерен магнетиту, титано-магнетиту або ільменіту, і уламків інших порід, так що сплав, що виплавляється халібами, була легованою, і мала Чудові якості. Такий своєрідний спосіб отримання заліза свідчить, що халіби лише поширили залізо як технологічний матеріал, та його спосіб було методом повсюдного промислового виробництва залізних виробів. Проте їхнє виробництво послужило поштовхом для подальшого розвитку металургії заліза.
Климент Олександрійський у своїй енциклопедичній праці «Стромати» згадує, що за грецькими переказами залізо (мабуть, виплавка його з руди) було відкрито на горі Іді — так називався гірський ланцюг біля Трої (в Іліаді він згадується як гора Іда, з якою Зевс спостерігав за битвою греків з троянцями). Сталося це через 73 роки після Девкаліонового потопу, а цей потоп, згідно з Параською хронікою, був у 1528 році до н. е., тобто метод виплавки заліза з руди було відкрито приблизно 1455 року до зв. е. Однак з опису Климента не ясно, чи говорить він саме про цю гору в Передній Азії (Іда Фригійська у Вергілія), або про гору Іда на острові Крит, про яку римський поет Вергілій в Енеїді пише як про прабатьківщину троянців:
«Острів Юпітера, Крета, лежить серед широкого моря,
Нашого племені там колиска, де височіє Іда…»
Більш ймовірно, що Климент Олександрійський говорить саме про фригійську Іду біля Трої, оскільки там було знайдено стародавні залізні копальні та осередки залізоробного виробництва. Перше письмове свідоцтво про залозу є в глиняних табличках архіву єгипетських фараонів Аменхотепа III і Ехнатона, і відноситься до того ж часу (1450-1400 до н. Е..). Там згадується про вироблення заліза на півдні Закавказзя, яке греки називали Колхідою (і можливо, що слово "kolhidos" може бути модифікацією слова "halibos") - а саме, що цар країни Мітанні і володар Вірменії та Південного Закавказзя послав єгипетському фараону Аменхотепу разом із 318 наложницями кинджали та кільця з гарного заліза». Такі подарунки фараонам дарували і хети.
У найглибшої давнини залізо цінувалося дорожче золота, і за описом Страбона, у африканських племен за 1 фунт заліза давали 10 фунтів золота, а, за дослідженнями історика Г. Арешяна, вартості міді, срібла, золота і заліза у древніх хетів були у співвідношенні 1: 160 : 1280: 6400. У ті часи залізо використовувалося як ювелірний метал, з нього робили трони та інші регалії царської влади: наприклад, у біблійній книзі Повторення Закону 3,11 описаний «одр залізний» рефаїмського царя Ога.
У гробниці Тутанхамона (близько 1350 року до н. е.) було знайдено кинджал із заліза в золотій оправі — можливо, подарований хетами з дипломатичною метою. Але хети не прагнули широкого поширення заліза та його технологій, що видно і з листування єгипетського фараона Тутанхамона і його тестя Хаттусиля — царя хетів, що дійшло до нас. Фараон просить надіслати більше заліза, а цар хетів ухильно відповідає, що запаси заліза вичерпалися, а ковалі зайняті на сільськогосподарських роботах, тому він не може виконати прохання царственого зятя, і посилає лише один кинджал з «хорошого заліза» (тобто стали). Як видно, хети намагалися використати свої знання для досягнення військових переваг, і не давали іншим можливості зрівнятися з ними. Мабуть, тому залізні вироби набули широкого поширення лише після Троянської війни та падіння держави хетів, коли завдяки торговій активності греків технологія заліза стала відомою багатьом, і було відкрито нові родовища заліза та рудники. Так на зміну «Бронзовому» віку настав вік «Залізний».
За описами Гомера, хоча під час Троянської війни (приблизно 1250 до н.е.(наша ера)) зброя була в основному з міді та бронзи, але залізо вже було добре відоме і користувалося великим попитом, хоча більше як дорогоцінний метал. Наприклад, у 23-й пісні «Іліади» Гомер розповідає, що Ахілл нагородив диском із залізної криці переможця у змаганні з метання диска. Це залізо ахейці добували у троянців та суміжних народів (Іліада 7,473), у тому числі у халібо.
Можливо, залізо було однією з причин, що спонукали греків-ахейців рушити до Малої Азії, де вони дізналися секрети його виробництва. А розкопки в Афінах показали, що вже близько 1100 до н. е. і пізніше вже були поширені залізні мечі, списи, сокири, і навіть залізні цвяхи. У біблійній книзі Ісуса Навина 17,16 (пор. Суддів 14,4) описується, що филистимляни (біблійні «PILISTIM», а це були протогрецькі племена, споріднені з пізніми еллінами, переважно пеласги) мали безліч залізних колісниць, тобто в це Залізо вже стало широко застосовуватися у великих кількостях.
Гомер називає залізо багатотрудним, тому що в давнину основним методом його отримання був сиродутний процес: шари, що перемежуються, >залізної руди і деревного вугілля прожарювалися в спеціальних печах (гірницях — від древнього «Horn» — ріг, труба, спочатку це була просто труба, вирита в землі, зазвичай горизонтально у схилі яру). У горні окисли заліза відновлюються до металу розпеченим вугіллям, який відбирає кисень, окислюючись до окису вуглецю, і в результаті такого прожарювання руди з вугіллям виходило тістоподібне кричне залізо. Крицю очищали від шлаків куванням, вичавлюючи домішки сильними ударами молота. Перші горни мали порівняно низьку температуру - помітно менше температури плавлення чавуну, тому залізо виходило порівняно маловуглецевим. Щоб отримати міцну сталь, доводилося багато разів прожарювати і проковувати залізну крицю з вугіллям, при цьому поверхневий шар металу додатково насичувався вуглецем і зміцнювався. Так виходило «хороше залізо» — і це вимагало великих праць, вироби, отримані в такий спосіб, були значно міцнішими і твердішими, ніж бронзові.
Надалі навчилися робити більш ефективні печі (російською мовою — домна, домниця) для виробництва сталі, і застосували хутра для подачі повітря в горн. Вже римляни вміли доводити температуру печі до плавлення сталі (близько 1400 градусів, а чисте залізо плавиться при 1535 градусах). При цьому утворюється чавун з температурою плавлення 1100-1200 градусів, дуже тендітний в твердому стані (навіть не піддається ковці) і не має пружності сталі. Спочатку його вважали шкідливим побічним продуктом, але потім виявилося, що при повторному переплавленні в печі з посиленим продуванням через нього повітря, чавун перетворюється на сталь гарної якості, оскільки зайвий вуглець вигоряє. Такий двостадійний процес виробництва сталі з чавуну виявився простішим і вигіднішим, ніж кричний, і цей принцип використовується без особливих змін багато століть, залишаючись і до наших днів основним способом виробництва залізних матеріалів.

Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54Fe (ізотопна поширеність 5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) та 58Fe (0,282%). Також відомо більше 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найбільш стійкі з яких — 60Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даними становить 2,6 мільйона років), 55Fe (2,737 року), 59Fe (44,49) та 52Fe (8,275 години); решта ізотопів мають період напіврозпаду менше 10 хвилин.
Ізотоп заліза 56Fe відноситься до найбільш стабільних ядра: всі наступні елементи можуть зменшити енергію зв'язку на нуклон шляхом розпаду, а всі попередні елементи, в принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон за рахунок синтезу. Вважають, що залізом закінчується ряд синтезу елементів у ядрах нормальних зірок, проте наступні елементи можуть утворитися лише результаті вибухів наднових.

Геохімія заліза

Залізо — один із найпоширеніших елементів у Сонячній системі, особливо на планетах земної групи, зокрема на Землі. Значна частина заліза планет земної групи перебуває у ядрах планет, де його вміст, за оцінками, близько 90%. Вміст заліза у земній корі становить 5 %, а мантії близько 12 %. З металів залізо поступається за поширеністю в корі лише алюмінію. При цьому в ядрі знаходиться близько 86% заліза, а в мантії 14%. Вміст заліза значно підвищується у вивержених породах основного складу, де він пов'язаний з піроксеном, амфіболом, олівіном та біотитом. У промислових концентраціях залізо накопичується протягом багатьох екзогенних і ендогенних процесів, що відбуваються в земній корі. У морській воді залізо міститься у дуже малих кількостях 0,002-0,02 мг/л. У річковій воді трохи вище – 2 мг/л.

Геохімічні властивості заліза

Найважливіша геохімічна особливість заліза — наявність у нього кількох ступенів окиснення. Залізо в нейтральній формі - металеве - складає ядро ​​землі, можливо, є в мантії і дуже рідко зустрічається в земній корі. Закисне залізо FeO - основна форма знаходження заліза в мантії та земній корі. Окисне залізо Fe2O3 характерне для верхніх, найбільш окислених, частин земної кори, зокрема, осадових порід.
За кристалохімічними властивостями іон Fe2+ близький до іонів Mg2+ і Ca2+ — інших основних елементів, що становлять значну частину всіх земних порід. В силу кристалохімічної подібності залізо заміняє магній і, частково, кальцій у багатьох силікатах. При цьому вміст заліза у мінералах змінного складу зазвичай збільшується із зменшенням температури.
Мінерали заліза. У земній корі залізо поширене досить широко — на його частку припадає близько 4,1 % маси земної кори (4 місце серед усіх елементів, 2 серед металів). У мантії та земній корі залізо зосереджено головним чином у силікатах, при цьому його вміст значно в основних та ультраосновних породах, і мало – у кислих та середніх породах.
Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоний залізняк (гематит, Fe2O3; містить до 70% Fe), магнітний залізняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; містить 72,4% Fe), бурий залізняк або лимоніт (гетит та гідрогетит, відповідно FeOOH та FeOOH·nH2 ). Гетит і гідрогетит найчастіше зустрічаються в корах вивітрювання, утворюючи так звані «залізні капелюхи», потужність яких сягає кількох сотень метрів. Також вони можуть мати осадове походження, випадаючи з колоїдних розчинів в озерах або прибережних зонах морів. У цьому утворюються оолітові, чи бобові, залізні руди. Вони часто зустрічається вівіаніт Fe3(PO4)2·8H2O, що утворює чорні подовжені кристали і радіально-променисті агрегати.
У природі також поширені сульфіди заліза — пірит FeS2 (сірчаний чи залізний колчедан) і пирротин. Вони не є залізною рудою – пірит використовують для отримання сірчаної кислоти, а пірротин часто містить нікель та кобальт.
За запасами залізняку Росія посідає перше місце у світі.
Вміст заліза в морській воді - 1 · 10-5-1 · 10-8%.
Інші мінерали заліза, що часто зустрічаються:

• Сидерит - FeCO3 - містить приблизно 35% заліза. Має жовтувато-білий (з сірим або коричневим відтінком у разі забруднення) кольором. Щільність дорівнює 3 г/см і твердість 3,5-4,5 за шкалою Моосу.
• Марказит – FeS2 – містить 46,6 % заліза. Зустрічається у вигляді жовтих, як латунь, біпірамідальних ромбічних кристалів із щільністю 4,6—4,9 г/см³ та твердістю 5—6 за шкалою Моосу.
• Лелінгіт - FeAs2 - містить 27,2% заліза і зустрічається у вигляді сріблясто-білих біпірамідальних ромбічних кристалів. Щільність дорівнює 7-7,4 г/см3, твердість 5-5,5 за шкалою Моосу.
• Міспікель - FeAsS - містить 34,3% заліза. Зустрічається у вигляді білих моноклинних призм із щільністю 5,6—6,2 г/см³ та твердістю 5,5—6 за шкалою Моосу.
• Мелантерит - FeSO4 · 7H2O - рідше зустрічається в природі і являє собою зелені (або сірі через домішки) моноклінні кристали, що мають скляний блиск, крихкі. Щільність дорівнює 1,8-1,9 г/см3.
• Вівіаніт — Fe3(PO4)2·8H2O — зустрічається у вигляді синьо-сірих або зелено-сірих моноклинних кристалів із щільністю 2,95 г/см³ та твердістю 1,5—2 за шкалою Моосу.

Основні родовища

За даними Геологічної служби США (оцінка 2011 р.), світові розвідані запаси залізняку становлять близько 178 млрд тонн. Основні родовища заліза знаходяться у Бразилії (1 місце), Австралії, США, Канаді, Швеції, Венесуелі, Ліберії, Україні, Франції, Індії. У Росії залізо видобувається на Курській магнітній аномалії (КМА), Кольському півострові, Карелії та Сибіру, ​​в Україні - Кривбас, Полтавська область, Керченський півострів. Значну роль останнім часом набувають донні океанські родовища, у яких залізо разом із марганцем та інші цінними металами перебуває у конкреціях.

Отримання. У промисловості залізо одержують із залізної руди, в основному з гематиту (Fe2O3) та магнетиту (FeO·Fe2O3).

Існують різні способи вилучення заліза із руд. Найбільш поширеним є доменний процес.
Перший етап виробництва – відновлення заліза вуглецем у доменній печі за температури 2000 °C. У доменній печі вуглець у вигляді коксу, залізна руда у вигляді агломерату або котунів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік гарячого повітря, що нагнітається.
У печі вуглець як коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню:

У свою чергу монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб ця реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза(III):

Флюс додається для позбавлення від небажаних домішок (в першу чергу від cілікатів; наприклад, кварц) у руді, що добувається. Типовий флюс містить вапняк (карбонат кальцію) та доломіт (карбонат магнію). Для усунення інших домішок використовують інші флюси.
Дія флюсу (в даному випадку карбонат кальцію) полягає в тому, що при нагріванні він розкладається до його оксиду:

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак - метасилікат кальцію:

Шлак, на відміну діоксиду кремнію, плавиться в печі. Більш легкий, ніж залізо, шлак плаває лежить на поверхні — це властивість дозволяє розділяти шлак від металу. Шлак потім може використовуватися при будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий доменної печі, містить досить багато вуглецю (чавун). Крім таких випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він потребує подальшої переробки.
Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням у мартенівських печах чи конвертерах. Електричні печі використовуються для виплавки легованих сталей.
Окрім доменного процесу, поширений процес прямого одержання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи котуни. Окатиші обпалюють і обробляють у шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:
,
при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками як сірка та фосфор, які є звичайними домішками в кам'яному куті. Залізо виходить у твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.
Хімічно чисте залізо виходить електроліз розчинів його солей.

Фізичні властивості

Залізо – типовий метал, у вільному стані – сріблясто-білого кольору з сіруватим відтінком. Чистий метал пластичний, різні домішки (зокрема вуглець) підвищують його твердість і крихкість. Має яскраво виражені магнітні властивості. Часто виділяють так звану «тріаду заліза» - групу трьох металів (залізо Fe, кобальт Co, нікель Ni), що мають схожі фізичні властивості, атомні радіуси і значення електронегативності.
Для заліза характерний поліморфізм, він має чотири кристалічні модифікації:

• до 769 °C існує α-Fe (ферит) з об'ємноцентрованими кубічними гратами та властивостями феромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюрі для заліза);
• у температурному інтервалі 769-917 °C існує β-Fe, який відрізняється від α-Fe тільки параметрами об'ємноцентрованих кубічних ґрат і магнітними властивостями парамагнетика;
• у температурному інтервалі 917—1394 °C існує γ-Fe (аустеніт) з гранецентрованими кубічними гратами;
• вище 1394 °C стійко δ-Fe з об'ємоцентрованими кубічними гратами.

Металознавство не виділяє β-Fe як окрему фазу і розглядає її як різновид α-Fe. При нагріванні заліза або сталі вище точки Кюрі (769 °C ≈ 1043 K) тепловий рух іонів засмучує орієнтацію спінових магнітних моментів електронів, феромагнетик стає парамагнетиком - відбувається фазовий перехід другого роду, але фазового переходу першого роду зі зміною основних фізичних параметрів кристалів не відбувається.
Для чистого заліза за нормального тиску, з погляду металознавства, існують такі стійкі модифікації:

• від абсолютного нуля до 910 °C стійка α-модифікація з об'ємноцентрованими кубічними (ОЦК) кристалічними гратами;
• від 910 до 1400 °C стійка γ-модифікація з гранецентрованою кубічною (ГЦК) кристалічною решіткою;
• від 1400 до 1539 °C стійка δ-модифікація з об'ємноцентрованими кубічними (ОЦК) кристалічними гратами.

Наявність у сталі вуглецю і легуючих елементів істотно змінює температури фазових переходів (див. фазову діаграму залізо-вуглець). Твердий розчин вуглецю в α- і δ-залізі називається феритом. Іноді розрізняють високотемпературний -ферит і низькотемпературний -ферит (або просто ферит), хоча їх атомні структури однакові. Твердий розчин вуглецю в γ-залізі називається аустенітом.

• В області високих тисків (понад 13 ГПа, 128,3 тис. атм.) виникає модифікація ε-заліза з гексагональним щільноупакованим (ГПУ) ґратами.

Явище поліморфізму надзвичайно важливе для металургії сталі. Саме завдяки α-γ переходам кристалічних ґрат відбувається термообробка сталі. Без цього явища залізо як основа стали не набуло б такого широкого застосування.
Залізо відноситься до помірно тугоплавких металів. Серед стандартних електродних потенціалів залізо стоїть до водню і легко реагує з розведеними кислотами. Таким чином, залізо відноситься до металів середньої активності.
Температура плавлення заліза 1539 °C, температура кипіння - 2862 °C.

Хімічні властивості

Характерні ступені окислення

Для заліза характерні ступені окислення заліза - +2 та +3.
Ступеня окислення +2 відповідає чорний оксид FeO і зелений гідроксид Fe(OH)2. Вони мають основний характер. У солях Fe(+2) є у вигляді катіону. Fe(+2) – слабкий відновник.
Ступені окислення +3 відповідають червоно-коричневий оксид Fe2O3 та коричневий гідроксид Fe(OH)3. Вони мають амфотерний характер, хоч і кислотні, і основні властивості у них виражені слабо. Так, іони Fe3+ повністю гідролізуються навіть у кислому середовищі. Fe(OH)3 розчиняється (і то не повністю), тільки в концентрованих лугах. Fe2O3 реагує з лугами тільки при сплавленні, даючи ферити (формальні солі неіснуючої у вільному вигляді кислоти HFeO2):

Залізо (+3) найчастіше виявляє слабкі окисні властивості.
Ступені окислення +2 і +3 легко переходять між собою за зміни окислювально-відновних умов.
Крім того, існує оксид Fe3O4, формальний ступінь окислення заліза в якому +8/3. Однак цей оксид можна розглядати як ферит заліза (II) Fe+2(Fe+3O2)2.
Також існує ступінь окиснення +6. Відповідного оксиду та гідроксиду у вільному вигляді не існує, але отримані солі – ферати (наприклад, K2FeO4). Залізо (+6) знаходиться у них у вигляді аніону. Феррат є сильними окислювачами.

З'єднання заліза (II)

Оксид заліза(II) FeO має основні властивості, йому відповідає основа Fe(OH)2. Солі заліза (II) мають світло-зелений колір. При їх зберіганні, особливо у вологому повітрі, вони коричневіють за рахунок окиснення до заліза (III). Такий самий процес протікає при зберіганні водних розчинів солей заліза(II):

З солей заліза(II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2O.
Реактивом на іони Fe2+ у розчині може бути гексаціаноферрат(III) калію K3 (червона кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe2+ і 3-випадає осад гексаціаноферрата (III) калію-заліза (II) (берлінська блакить):

який внутрішньомолекулярно перегрупується в гексаціаноферрат (II) калію-заліза (III):

Для кількісного визначення заліза (II) у розчині використовують фенантролін Phen, що утворює із залізом (II) червоний комплекс FePhen3 (максимум світлопоглинання – 520 нм) у широкому діапазоні рН (4-9).

З'єднання заліза (III)

Оксид заліза(III) Fe2O3 слабо амфотерен, йому відповідає ще слабша, ніж Fe(OH)2, основа Fe(OH)3, яка реагує з кислотами:

Солі Fe3+ схильні до утворення кристалогідратів. Вони іон Fe3+ зазвичай оточений шістьма молекулами води. Такі солі мають рожевий чи фіолетовий колір.
Іон Fe3+ повністю гідролізується навіть у кислому середовищі. При рН>4 цей іон практично повністю осаджується у вигляді Fe(OH)3:

При частковому гідролізі іона Fe3+ утворюються багатоядерні оксо- і гідроксокатіони, через що розчини набувають коричневого кольору.
Основні властивості гідроксиду заліза(III) Fe(OH)3 виражені дуже слабко. Він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:

Гідроксокомплекси заліза(III), що утворюються при цьому, стійкі тільки в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому осад випадає Fe(OH)3.
При сплавленні з лугами та оксидами інших металів Fe2O3 утворює різноманітні ферити:

З'єднання заліза(III) у розчинах відновлюються металевим залізом:

Залізо(III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO4)2 - залізокалієві галун, (NH4)Fe(SO4)2 - залізоамонійні галун і т. д.
Для якісного виявлення у розчині сполук заліза(III) використовують якісну реакцію іонів Fe3+ з неорганічними тіоціанатами SCN−. При цьому утворюється суміш яскраво-червоних роданідних комплексів заліза 2+, +, Fe(SCN)3, -. Склад суміші (а отже, і інтенсивність її забарвлення) залежить від різних факторів, тому для точного якісного визначення заліза цей метод не застосовується.
Іншим якісним реактивом на іони Fe3+ є гексаціаноферрат(II) калію K4 (жовта кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe3+ та 4−випадає яскраво-синій осад гексаціаноферату (II) калію-заліза (III):

Кількісно іони Fe3+ визначають за утворенням червоних (у слабокислому середовищі) або жовтих (у слаболужному середовищі) комплексів із сульфосаліциловою кислотою. Ця реакція вимагає грамотного підбору буферів, оскільки деякі аніони (зокрема, ацетат) утворюють із залізом та сульфосаліцилової кислотою змішані комплекси зі своїми оптичними характеристиками.

З'єднання заліза (VI)

Феррати - солі не існує у вільному вигляді залізної кислоти H2FeO4. Це з'єднання фіолетового кольору, що за окисними властивостями нагадують перманганати, а по розчинності - сульфати. Отримують ферати при дії газоподібного хлору або озону на суспензію Fe(OH)3 у лугу:

Ферати також можна отримати електролізом 30%-ного розчину лугу на залізному аноді:

Феррати - сильні окислювачі. У кислому середовищі розкладаються з виділенням кисню:

Окисні властивості ферратів використовують для знезараження води.

Застосування

Залізо — один із найбільш застосовуваних металів, на нього припадає до 95 % світового металургійного виробництва.

• Залізо є основним компонентом сталей та чавунів - найважливіших конструкційних матеріалів.
• Залізо може входити до складу сплавів на основі інших металів, наприклад, нікелевих.
• Магнітний окис заліза (магнетит) - важливий матеріал у виробництві пристроїв довгострокової комп'ютерної пам'яті: жорстких дисків, дискет тощо.
• Ультрадисперсний порошок магнетиту використовується у багатьох чорно-білих лазерних принтерах у суміші з полімерними гранулами як тонер. Тут одночасно використовується чорний колір магнетиту та його здатність прилипати до намагніченого валика перенесення.
• Унікальні феромагнітні властивості ряду сплавів на основі заліза сприяють їх широкому застосуванню в електротехніці для магнітопроводів трансформаторів та електродвигунів.
• Хлорид заліза (III) (хлорне залізо) використовується в радіоаматорській практиці для травлення друкованих плат.
• Семиводний сульфат заліза (залізний купорос) у суміші з мідним купоросом використовується для боротьби зі шкідливими грибками у садівництві та будівництві.
• Залізо застосовується як анод в залізо-нікелевих акумуляторах, залізо-повітряних акумуляторах.
• Водні розчини хлоридів двовалентного та тривалентного заліза, а також його сульфатів використовуються як коагулянти в процесах очищення природних та стічних вод на водопідготовці промислових підприємств.

Залізо - елемент побічної підгрупи восьмої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 26. Позначається символом Fe (лат. Ferrum). Один із найпоширеніших у земній корі металів (друге місце після алюмінію). Метал середньої активності, відновник.

Основні ступені окислення - +2, +3

Проста речовина залізо - кування метал сріблясто-білого кольору з високою хімічною реакційною здатністю: залізо швидко корродує при високих температурах або при високій вологості на повітрі. У чистому кисні залізо горить, а в дрібнодисперсному стані самозаймається і на повітрі.

Хімічні властивості простої речовини – заліза:

Іржавіння та горіння в кисні

1) На повітрі залізо легко окислюється у присутності вологи (іржавіння):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

Розжарений залізний дріт горить у кисні, утворюючи окалину - оксид заліза (II, III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °С)

2) За високої температури (700–900°C) залізо реагує з парами води:

3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) Залізо реагує з неметалами при нагріванні:

2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °С)

Fe + S - t ° → FeS (600 ° С)

Fe+2S → Fe+2 (S2-1) (700°С)

4) У ряді напруг стоїть лівіше водню, реагує з розведеними кислотами НСl і Н 2 SO 4 при цьому утворюються солі заліза(II) і виділяється водень:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакції проводяться без доступу повітря, інакше Fe +2 поступово перекладається киснем у Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (розб.) → FeSO 4 + H 2

У концентрованих кислотах-окислювачах залізо розчиняється тільки при нагріванні, воно відразу переходить у катіон Fе 3+ :

2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(на холоді концентровані азотна та сірчана кислоти пасивують

Залізний цвях, занурений у блакитний розчин мідного купоросу, поступово покривається нальотом червоної металевої міді.

5) Залізо витісняє метали, що стоять правіше за нього з розчинів їх солей.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Амфотерність заліза проявляється лише у концентрованих лугах при кип'ятінні:

Fе + 2NaОН (50 %) + 2Н 2 O = Nа 2 ↓+ Н 2

і утворюється осад тетрагідроксоферату (II) натрію.

Технічне залізо- сплави заліза з вуглецем: чавун містить 2,06-6,67%, сталь 0,02-2,06% С, часто присутні інші природні домішки (S, Р, Si) і штучно спеціальні добавки (Мn, Ni, Сr), що наводять сплавам заліза технічно корисні властивості - твердість, термічну і корозійну стійкість, ковкість та ін .

Доменний процес виробництва чавуну

Доменний процес виробництва чавуну становлять такі стадії:

а) підготовка (випалювання) сульфідних і карбонатних руд - переведення в оксидну руду:

FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2,800°С, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2 ,500-600°С, -CO 2)

б) спалювання коксу при гарячому дутті:

С (кокс) + O 2 (повітря) →С 2 (600-700 ° С) С 2 + С (кокс) ⇌ 2СО (700-1000 ° С)

в) відновлення оксидної руди чадним газом СО послідовно:

Fe 2 O 3 →(CO)(Fe II Fe 2 III)O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe

г) навуглерожування заліза (до 6,67 % С) та розплавлення чавуну:

Fе (т ) →(C(кокс)900-1200 ° С) Fе (ж) (чавун, t пл 1145 ° С)

У чавуні завжди у вигляді зерен є цементит Fe 2 С і графіт.

Виробництво сталі

Переділ чавуну в сталь проводиться у спеціальних печах (конвертерних, мартенівських, електричних), що відрізняються способом обігріву; температура процесу 1700–2000 °С. Продування повітря, збагаченого киснем, призводить до вигоряння з чавуну надлишкового вуглецю, а також сірки, фосфору та кремнію у вигляді оксидів. При цьому оксиди або уловлюються у вигляді газів, що відходять (СО 2 , SО 2), або зв'язуються в легко відокремлюваний шлак - суміш Са 3 (РO 4) 2 і СаSiO 3 . Для отримання спеціальних сталей у піч вводять легуючі добавки інших металів.

Отриманнячистого заліза в промисловості - електроліз розчину солей заліза, наприклад:

FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 (90°С) (електроліз)

(Існують й інші спеціальні методи, у тому числі відновлення оксидів заліза воднем).

Чисте залізо застосовується у виробництві спеціальних сплавів, при виготовленні сердечників електромагнітів та трансформаторів, чавун - у виробництві лиття та сталі, сталь - як конструкційний та інструментальний матеріали, у тому числі зносо-, жаро- та корозійно-стійкі.

Оксид заліза(II) F еО . Амфотерний оксид з великою перевагою основних властивостей. Чорний, має іонну будову Fе 2+ O 2- . При нагріванні спочатку розкладається, потім знову утворюється. Чи не утворюється при згорянні заліза на повітрі. Чи не реагує з водою. Розкладається кислотами, сплавляється із лугами. Повільно окислюється у вологому повітрі. Відновлюється воднем, коксом. Бере участь у доменному процесі виплавки чавуну. Застосовується як компонент кераміки та мінеральних фарб. Рівняння найважливіших реакцій:

4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fе (560-700 °С, 900-1000 °С)

FеО + 2НС1 (розб.) = FеС1 2 + Н 2 O

FеО + 4НNO 3 (конц.) = Fе(NO 3) 3 +NO 2 + 2Н 2 O

FеО + 4NаОН = 2Н 2 O + Nа 4FеO3 (червоний.) тріоксоферрат(II)(400-500 ° С)

FеО + Н 2 = Н 2 O + Fе (особливо чисте) (350 ° С)

FеО + С (кокс) = Fе + СО (вище 1000 ° С)

FеО + СО = Fе + СО 2 (900 ° С)

4FеО + 2Н 2 O (волога) + O 2 (повітря) →4FеО(ВІН) (t)

6FеО + O 2 = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 ° С)

Отриманняв лабораторії: термічне розкладання з'єднань заліза (II) без доступу повітря:

Fе(ОН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 ° С)

FеСОз = FеО + СО 2 (490-550 ° С)

Оксид діжелеза (III) – заліза ( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Подвійний оксид. Чорний, має іонну будову Fe 2+ (Fе 3+) 2 (O 2-) 4 . Термічно стійка до високих температур. Чи не реагує з водою. Розкладається кислотами. Відновлюється воднем, розпеченим залізом. Бере участь у доменному процесі виробництва чавуну. Застосовується як компонент мінеральних фарб ( залізний сурик), кераміки, кольорового цементу. Продукт спеціального окиснення поверхні сталевих виробів ( чорніння, вороніння). За складом відповідає коричневій іржі та темній окалині на залозі. Застосування брутто-формули Fe3O4 не рекомендується. Рівняння найважливіших реакцій:

2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FеО + O 2 (вище 1538 °С)

(Fe II Fe 2 III)O 4 + 8НС1 (розб.) = FеС1 2 + 2FеС1 3 + 4Н 2 O

(Fe II Fe 2 III)O 4 +10НNO 3 (конц.) =3Fе(NO 3) 3 + NO 2 + 5Н 2 O

(Fe II Fe 2 III)O 4 + O 2 (повітря) = 6Fе 2 O 3 (450-600 ° С)

(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Fе (особливо чисте, 1000 ° С)

(Fe II Fe 2 III)O 4 + СО =ЗFеО + СО 2 (500-800°C)

(Fe II Fe 2 III)O4 + Fе ⇌4FеО (900-1000 °С, 560-700 °С)

Отримання:згоряння заліза на повітрі.

магнетит.

Оксид заліза(III) F е 2 Про 3 . Амфотерний оксид з величезним переважанням основних властивостей. Червоно-коричневий, має іонну будову (Fе 3+) 2 (O 2-) 3. Термічно стійкий до високих температур. Чи не утворюється при згорянні заліза на повітрі. Не реагує з водою, з розчину випадає бурий аморфний гідрат Fе 2 O 3 nН 2 Про. Повільно реагує з кислотами та лугами. Відновлюється монооксидом вуглецю, розплавленим залізом. Сплавляється з оксидами інших металів і утворює подвійні оксиди. шпинелі(Технічні продукти називаються феритами). Застосовується як сировина при виплавці чавуну в доменному процесі, каталізатор у виробництві аміаку, компонент кераміки, кольорових цементів та мінеральних фарб, при термітному зварюванні сталевих конструкцій, як носій звуку та зображення на магнітних стрічках, як полірувальний засіб для сталі та скла.

Рівняння найважливіших реакцій:

6Fе 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °С)

Fе 2 O 3 + 6НС1 (розб.) →2FеС1 3 + ДТ 2 O (t) (600 ° С, р)

Fе 2 O 3 + 2NaОН (конц.) →Н 2 O+ 2 NаFеO 2 (червоний.)діоксоферрат(III)

Fе 2 Про 3 + МО = (М II Fе 2 II I) O 4 (М = Су, Мn, Fе, Ni, Zn)

Fе 2 O 3 + ДТ 2 =ДТ 2 O + 2Fе (особливо чисте, 1050-1100 ° С)

Fе 2 O 3 + Fе = ЗFеО (900 °С)

3Fе 2 O 3 + СО = 2(Fe II Fе 2 III)O 4 + СО 2 (400-600 °С)

Отриманняв лабораторії - термічне розкладання солей заліза (III) на повітрі:

Fе 2 (SO 4) 3 = Fе 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 ° С)

4(Fе(NO 3) 3 9 Н 2 O) = 2Fе a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36Н 2 O (600-700 °С)

У природі – оксидні руди заліза гематит Fе 2 O 3 і лимоніт Fе 2 O 3 nН 2 O

Гідроксид заліза (ІІ) F е(ВІН) 2 . Амфотерний гідроксид з величезним переважанням основних властивостей. Білий (іноді із зеленуватим відтінком), зв'язки Fе - ВІН переважно ковалентні. Термічно нестійкий. Легко окислюється на повітрі, особливо у вологому стані (темніє). Нерозчинний у воді. Реагує із розведеними кислотами, концентрованими лугами. Типовий відновник. Проміжний продукт при іржавінні заліза. Застосовується у виготовленні активної маси залізонікелевих акумуляторів.

Рівняння найважливіших реакцій:

Fе(ON) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 ° С, в атм.N 2)

Fе(ОН) 2 + 2НС1 (розб.) = FеС1 2 + 2Н 2 O

Fе(ОН) 2 + 2NаОН (> 50%) = Na 2 ↓ (синьо-зелений) (кип'ятіння)

4Fе(ОН) 2 (суспензія) + O 2 (повітря) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)

2Fе(ОН) 2 (суспензія) +Н 2 O 2 (розб.) = 2FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O

Fе(ОН) 2 + КNO 3 (конц.) = FеО(ОН)↓ + NO+ КОН (60 °С)

Отримання: осадження з розчину лугами або гідратом аміаку в інертній атмосфері:

Fе 2+ + 2OH (розб.) = Fе(ОН) 2 ↓

Fе 2+ + 2(NH 3 Н 2 O) = Fе(ОН) 2 ↓+ 2NH 4

Метагідроксід заліза F еО(ВІН). Амфотерний гідроксид з величезним переважанням основних властивостей. Світло-коричневий, зв'язки Fе - Про і Fе - ВІН переважно ковалентні. Під час нагрівання розкладається без плавлення. Нерозчинний у воді. Осідає з розчину у вигляді бурого аморфного полігідрату Fе 2 O 3 nН 2 O, який при витримуванні під розведеним лужним розчином або при висушуванні переходить у FеО(ОН). Реагує із кислотами, твердими лугами. Слабкий окислювач та відновник. Спікається з Fе(ОН) 2 . Проміжний продукт при іржавінні заліза. Застосовується як основа жовтих мінеральних фарб і емалей, поглинач газів, що відходять, каталізатор в органічному синтезі.

З'єднання складу Fе(ОН) 3 не відоме (не отримано).

Рівняння найважливіших реакцій:

Fе 2 O 3 . nН 2 O→( 200-250 ° С, -H 2 O) FеО(ОН)→( 560-700 ° С на повітрі, -H2O)→Fе 2 Про 3

FеО(ОН) + ЗНС1 (розб.) = FеС1 3 + 2Н 2 O

FeO(OH)→ Fe 2 O 3 . nH 2 O-колоїд(NаОН (конц.))

FеО(ОН)→ Nа 3 [Fе(ВІН) 6 ]білий, Nа 5 і 4 відповідно; в обох випадках випадає синій продукт однакового складу та будови, КFе III. У лабораторії цей осад називають берлінська блакить, або турнбульова синь:

Fе 2+ + К + + 3- = КFе III ↓

Fе 3+ + К + + 4- = КFе III ↓

Хімічні назви вихідних реактивів та продукту реакцій:

До 3 Fе III - гексаціаноферрат (III) калію

До 4 Fе III - гексаціаноферрат (II) калію

КFе III - гексаціаноферрат (II) заліза (Ш) калію

Крім того, хорошим реактивом на іони Fе 3+ є тіоціанат-іон NСS - , залізо (III) з'єднується з ним, і з'являється яскраво-червоне («криваве») забарвлення:

Fе 3+ + 6NСS - = 3-

Цим реактивом (наприклад, у вигляді солі КNСS) можна виявити навіть сліди заліза (III) у водопровідній воді, якщо вона проходить через залізні труби, вкриті зсередини іржею.

Залізо – середній за хімічною активністю метал. Входить до складу багатьох мінералів: магнетиту, гематиту, лимоніту, сидериту, піриту.

Зразок лимоніту

Хімічні та фізичні властивості заліза

За нормальних умов та в чистому вигляді залізо – тверда речовина сріблясто-сірого кольору з яскравим металевим блиском. Залізо - хороший електро- та теплопровідник. Це можна відчути, доторкнувшись у холодному приміщенні до залізного предмета. Так як метал швидко проводить тепло, за короткий відрізок часу забирає більшу частину тепла з людської шкіри, тому під час дотику до нього відчувається холод.

Чисте залізо

Температура плавлення заліза – 1538 °С, температура кипіння – 2862 °С. Характерні властивості заліза - хороша пластичність та легкоплавкість.

Реагує з простими речовинами: киснем, галогенами (бромом, йодом, фтором), фосфором, сіркою. При спалюванні заліза утворюються оксиди металу. Залежно від умов проведення реакції та пропорцій між двома учасниками, оксиди заліза можуть бути різноманітними. Рівняння реакцій:

2Fe + O₂ = 2FeO;

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃;

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Подібні реакції йдуть за високих температур. Ви дізнаєтесь, які досліди на вивчення властивостей заліза можна провести вдома.

Реакція заліза із киснем

Для реакції заліза з киснем необхідне попереднє нагрівання. Залізо згоряє сліпучим полум'ям, розкидаючи – розпечені частинки залізної окалини Fe₃O₄. Така ж реакція заліза та кисню відбувається і на повітрі, коли при механічній обробці сильно нагрівається від тертя.

При згорянні заліза в кисні (або повітря) утворюється залізна окалина. Рівняння реакції:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

3Fe + 2O₂ = FeO Fe₂O₃.

Залізна окалина - з'єднання, у якому залізо має різні значення валентності.

Одержання оксидів заліза

Оксиди заліза – це продукти взаємодії заліза з киснем. Найбільш відомі з них - FeO, Fe₂O₃ та Fe₃O₄.

Оксид заліза (III) Fe₂O₃ - оранжево-червоний порошок, що утворюється при окисленні заліза на повітрі.

Речовина утворюється при розкладанні солі тривалентного заліза повітря при високій температурі. У порцеляновий тигель насипається трохи сульфату заліза (III), а потім прожарюється на вогні газового пальника. При термічному розкладанні сульфат заліза розпадеться на оксид сірки та оксид заліза.

Оксид заліза (II, III) Fe₃O₄ утворюється при спалюванні порошкоподібного заліза в кисні або на повітрі. Для отримання оксиду фарфоровий тигель насипається трохи змішаного з нітратом натрію або калію тонкого залізного порошку. Суміш підпалюється газовим пальником. При нагріванні нітрати калію та натрію розкладаються із виділенням кисню. Залізо в кисні горить, утворюючи оксид Fe₃O₄. Після закінчення горіння одержаний оксид залишається на дні порцелянової чашки у вигляді залізної окалини.

Увага! Не намагайтеся повторити ці досліди самостійно!

Оксид заліза (II) FeO – це чорний порошок, який утворюється при розкладанні оксалату заліза в інертній атмосфері.