Железо

Сургутский Государственный Университет

Кафедра химии

РЕФЕРАТ

по теме:

ЖЕЛЕЗО

Выполнил:

Бондаренко М.А.

596/2 гр.

Проверил:

Щербакова Л.П.

Сургут, 2000

В периодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе VIII группы.

Химический знак – Fe (феррум). Порядковый номер – 26, электронная формула 1s² 2s² 2p⁶ 3d⁶ 4s².

Электронно-графическая формула

Валентные электроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s²) и предпоследнем (3d⁶). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.

Нахождение в природе.

Железо является вторым по распространенности металлом в природе (после алюминия). В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах, падающих на землю. Наиболее важные природные соединения:

Fe₂O_{3 } 3H₂O – бурый железняк;

Fe₂O₃ – красный железняк;

Fe₃O₄(FeO  Fe₂O₃) – магнитный железняк;

FeS₂ - железный колчедан (пирит).

Соединения железа входят в состав живых организмов.

Получение железа.

В промышленности железо получают восстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II) в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:

C + O₂ = CO₂,

CO₂ + C = 2CO.

3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂,

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂,

FeO + CO = Fe + CO₂.

Физические свойства.

Железо – серебристо серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Плотность железа – 7,87 г/см³, температура плавления 1539С.

Химические свойства.

В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но при нагревании становится активным и реагирует с ними:

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃ Хлорид железа (III)

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄(FeO  Fe₂O₃) Оксид железа (II,III)

Fe + S = FeS Сульфид железа (II)

При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором:

3Fe + C = Fe₃C Карбид железа (цементит)

3Fe + Si = Fe₃Si Силицид железа

3Fe + 2P = Fe₃P₂ Фосфид железа (II)

Железо реагирует со сложными веществами.

Во влажном воздухе железо быстро окисляется (корродирует):

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃,

O

Fe(OH)₃ = Fe

O – H + H₂O

Ржавчина

Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H_2

Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H_2

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H_2

При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею. При нагревании концентрированная H₂SO₄ окисляет железо до сульфита железа (III):

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO_2 + 6H₂O.

Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III):

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O.

Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.

Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu, Fe⁰ + Cu²⁺ = Fe²⁺ + Cu⁰.

Соединения железа (II)

Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа(II,III) оксидом углерода (II):

Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO_2.

Оксид железа (II) – основной оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):

FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O, FeO + 2H⁺ = Fe²⁺ + H₂O.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их со щелочами:

FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)_2 + Na₂SO₄,

Fe²⁺ + 2OH^- = Fe(OH)_2.

Гидроксид железа () Fe(OH)2 проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:

Fe(OH)₂ + 2HCl = FeCl₂ + 2H₂O,

Fe(OH)₂ + 2H⁺ = Fe²⁺ + 2H₂O.

При нагревании гидроксид железа (II) разлагается:

Fe(OH)₂ = FeO + H₂O.

Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe²⁺ легко окисляются до Fe⁺³:

Fe⁺² – 1e = Fe⁺³

Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH)₂ в Fe(OH)₃ кислородом воздуха:

4Fe⁺²(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe⁺³(OH)₃.

Восстановительные свойства проявляют и соли двухвалентного железа, особенно при действии окислителей в кислотной среде. Например, сульфат железа (II) восстанавливает перманганат калия в сернокислотной среде до сульфата марганца (II):

10Fe⁺²SO₄ + 2KMn⁺⁷O₄ + 8H₂SO₄ = 5Fe⁺³₂(SO₄)₃ + 2Mn⁺²SO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O.

Качественная реакция на катион железа (II).

Реактивом для определения катиона железа Fe2+ является гексациано (III) феррат калия (красная кровяная соль) K3[Fe(CN)₆]:

3FeSO₄ + 2K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]_2 + 3K₂SO₄.

При взаимодействии ионов [Fe(CN)₆]₃- с катионами железа Fe²⁺ образуется темно-синий осадок – турнбулева синь:

3Fe²⁺ +2[Fe(CN)₆]^3- = Fe₃[Fe(CN)₆]_2

Соединения железа (III)

Оксид железа (III) Fe₂O₃ – порошок бурого цвета, не растворяется в воде. Оксид железа (III) получают:

А) разложением гидроксида железа (III):

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

Б) окислением пирита (FeS₂):

4Fe⁺²S₂^-1 + 11O₂⁰ = 2Fe₂⁺³O₃ + 8S⁺⁴O₂^-2.

Fe⁺² – 1e  Fe⁺³

4e

11e

2S^-1 – 10e  2S⁺⁴

4e

O₂⁰ + 4e  2O^-2 11e

Оксид железа (III) проявляет амфотерные свойства:

А) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:

Fe₂O₃ + 2NaOH = 2NaFeO2 + H₂O,

Fe₂O₃ + 2OH^- = 2FeO^2- + H₂O,

Fe₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaFeO₂ + CO₂.

Феррит натрия

Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии их со щелочами:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)_3 + 3NaCl,

Fe³⁺ + 3OH^- = Fe(OH)^3.

Гидроксид железа (III) является более слабым основанием, чем Fe(OH)₂, и проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)₃ легко образует соответствующие соли:

Fe(OH)₃ + 3HCl  FeCl₃ + H₂O

2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄  Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Fe(OH)₃ + 3H⁺  Fe³⁺ + 3H₂O

Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании. При этом получаются устойчивые гидрокомплексы с координационным числом 4 или 6:

Fe(OH)₃ + NaOH = Na[Fe(OH)₄],

Fe(OH)₃ + OH^- = [Fe(OH)4]^-,

Fe(OH)₃ + 3NaOH = Na₃[Fe(OH)₆],

Fe(OH)₃ + 3OH^- = [Fe(OH)₆]^3-.

Соединения со степенью окисления железа +3 проявляют окислительные свойства, так как под действием восстановителей Fe⁺³ превращается в Fe⁺²:

Fe+3 + 1e = Fe+2.

Так, например, хлорид железа (III) окисляет йодид калия до свободного йода:

2Fe⁺³Cl₃ + 2KI = 2Fe⁺²Cl₂ + 2KCl + I₂⁰

Качественные реакции на катион железа (III)

А) Реактивом для обнаружения катиона Fe³⁺ является гексациано (II) феррат калия (желтая кровяная соль) K₂[Fe(CN)₆].

При взаимодействии ионов [Fe(CN)₆]^4- с ионами Fe³⁺ образуется темно-синий осадок – берлинская лазурь:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆]  Fe₄[Fe(CN)₆]_3 +12KCl,

4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4- = Fe₄[Fe(CN)₆]_3.

Б) Катионы Fe³⁺ легко обнаруживаются с помощью роданида аммония (NH₄CNS). В результате взаимодействия ионов CNS-1 с катионами железа (III) Fe3+ образуется малодиссоциирующий роданид железа (III) кроваво-красного цвета:

FeCl₃ + 3NH₄CNS  Fe(CNS)₃ + 3NH₄Cl,

Fe³⁺ + 3CNS^1-  Fe(CNS)₃.

Применение и биологическая роль железа и его соединений.

Важнейшие сплавы железа – чугуны и стали – являются основными конструкционными материалами практически во всех отраслях современного производства.

Хлорид железа (III) FeCl₃ применяется для очистки воды. В органическом синтезе FeCl₃ применяется как катализатор. Нитрат железа Fe(NO₃)₃  9H₂O используют при окраске тканей.

Железо является одним из важнейших микроэлементов в организме человека и животных (в организме взрослого человека содержится в виде соединений около 4 г Fe). Оно входит в состав гемоглобина, миоглобина, различных ферментов и других сложных железобелковых комплексов, которые находятся в печени и селезенке. Железо стимулирует функцию кроветворных органов.

Список использованной литературы:

1. «Химия. Пособие репетитор». Ростов-на-Дону. «Феникс». 1997 год.

2. «Справочник для поступающих в вузы». Москва. «Высшая школа», 1995 год.

3. Э.Т. Оганесян. «Руководство по химии поступающим в вузы». Москва. 1994 год.