Материал для учащихся Аннотация В предлагаемом дополнительном материале представлены сведения по

Материал для учащихся
9 класс по теме «Что ни век, то век железный»
Аннотация
В предлагаемом дополнительном материале представлены сведения по
строению атома железа, физическим и химическим свойствам железа,
качественным реакциям на ионы Fe2+ и Fe3+.
Железо известно с глубокой древности. Самые старые железные предметы
найденные археологами, относятся к 4 тысячелетию до н. э. и относятся к
древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для
стрел и украшения (рис.5). Считают, что материалом, из которого человек
изготовил первые железные изделия, было метеоритное железо (рис.1).
Железо находится в VIII группе побочной подгруппы периодической
системы химических элементов им. Д.И. Менделеева. Строение атома железа
представлено на рис.2.
Физические свойства железа
Железо - блестящий серебристо-белый металл. Оно обладает ярко
выраженными
магнитными
свойствами,
является
мягким
и
очень
пластично, легко куется как в холодном, так и в нагретом состоянии,
поддается прокатке, штамповке и волочению. Совокупность специфических
свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по значимости для
человека. Физические свойства железа, относящиеся в основном к металлу с
общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:
- плотность (20°C) 7,874 г/см3;
- tпл 1539°С;
- tкип около 3200°С;
- теплоемкость железа зависит от его структуры и сложным образом
изменяется с температурой; средняя удельная теплоемкость 460 Дж/кг·град.
Химические свойства
Железо обладает высокой химической реакционной способностью: в
чистом
кислороде
оно
горит,
а
в
мелкодисперсном
состоянии
самовозгорается на воздухе. При хранении на воздухе при температуре до
200°C
железо
постепенно
покрывается
плотной
пленкой
оксида,
препятствующей дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе
железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, которая не препятствует
доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. В результате
различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн железа
(рис.8). При нагревании железа в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается
тончайшей оксидной пленкой, которая защищает металл от коррозии при
обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты
железа - воронения. Ржавчина не имеет определенного химического состава,
приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe2О3·nН2О.
Очень чистое железо, содержащее менее 0,01% примесей серы, углерода
и фосфора, устойчиво к коррозии. Близ г. Дели в Индии стоит железная
колонна, изготовленная еще в 9 в. до н.э., на которой нет никаких признаков
ржавчины. Она сделана из очень чистого металла с содержанием железа
99,72% (рис.3).
Атом железа имеет 2 электрона на внешнем уровне и способен отдавать 2,3,6
электронов. Обычно железо образует соединения со степенями окисления +3
(валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения железа со
степенями окисления +4, +6.
Железо имеет оксиды FeO основного характера, Fe2O3 амфотерного
характера , FeO3 кислотного характера и гидроксиды Fe(OH)2 нерастворимое основание, Fe(OH)3 - амфотерного характера, H2FeO4
кислоту.
Взаимодействие с простыми веществами
Железо обладает ярко выраженными восстановительными свойствами.
а) Взаимодействие железа с галогенами.
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 (200 °С).
б) Взаимодействие железа с кислородом.
При сгорании железа в чистом кислороде образуется оксид Fe2О3:
4Fe + 3О2 = 2Fe2О3.
При сгорании на воздухе образуется оксид Fe3О4:
3Fe + 2О2 = Fe3О4 (150-600 °С).
Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то
образуется оксид FeО:
2Fe + О2 = 2FeО.
в) Взаимодействие железа с серой.
При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид FeS:
Fe + S = FeS (600-950 °С).
г) Взаимодействие железа c азотом, фосфором, кремнием.
При нагревании железо реагирует:
- с азотом (N2), образуя нитрид железа Fe3N:
6Fe + N2 = 2Fe3N.
- с фосфором (P), образует фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P:
nFe + mP = FeP (Fe2P, Fe3P)
(600-700 °С).
- с кремнием (Si), образуя несколько силицидов, например, FeSi:
Fe + Si = FeSi.
д) Взаимодействие железа с углеродом.
При температурах более 500°С железо взаимодействует с углеродом:
3Fe + C = Fe3C.
Карбид железа такого состава содержится в чугунах и сталях.
Карбиды железа - Fe3C (цементит) и Fe2C (е-карбид) - осаждаются из
твердых растворов углерода в железе при охлаждении. Fe3C выделяется
также из растворов углерода в жидком железе при высоких концентрациях
углерода.
е) С водородом железо не взаимодействует и гидрида не образует.
Взаимодействие со сложными веществами
Железо
имеет
отрицательный
электродный
потенциал,
в
электрохимическом ряду напряжений стоит до водорода и обладает
значительной химической активностью.
а) Взаимодействие железа с водой.
2Fe + 3H2O(пар) = Fe2O3 + 3H2↑
(800 °С).
Под действием атмосферной влаги и воздуха железо корродирует
(ржавеет):
4Fe + 2H2O + 3O2 = 4FeO(OH).
б) Взаимодействие железа с кислотами.
1. Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑
(без доступа воздуха);
2. Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑;
3. Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O (HNO3 разб., гор.).
- с концентрированными кислотами:
1. 2Fe + 8HClк= 2H [FeCl4] + 3H2↑.
В концентрированных серной и азотной кислотах железо на холоду
пассивируется, при нагревании протекают реакции:
2. 2Fe + 4H2SO4 = Fe2(SO4)3 + SO2 + 4H2O;
3. Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O.
в) С основаниями железо не реагирует.
г) Взаимодействие железа с солями.
Железо способно вытеснять другие металлы из растворов их солей.
CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu
Качественные реакции на ионы железа
Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют
качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами CNS–. При
взаимодействии ионов Fe3+ с анионами CNS– образуется ярко-красный
роданид железа Fe(CNS)3, что позволяет открывать присутствие 1 части Fe3+
примерно в 106 частях воды (рис.11).
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3KCl
Реактивом
на
ионы
Fe2+
в
растворе
может
служить
раствор
гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6]. При взаимодействии ионов Fe2+ и
[Fe(CN)6]3– выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае
взаимодействия ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4– (рис.12).
FeSO4 + K3[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6] + K2SO4
красная кровяная соль
турнбулева синь
FeCl3 + K4[Fe(CN)6] = KFe[Fe(CN)6] + 3KCl
желтая кровяная соль
берлинская лазурь