Физические и химические свойства железа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Железо — элемент восьмой группы четвёртого периода Периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева.

А томный номер — 26. Символ – Fe (лат. «ferrum»). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Физические свойства железа

Железо – металл серого цвета. В чистом виде оно довольно мягкое, ковкое и тягучее. Электронная конфигурация внешнего энергетического уровня – [Ar]3d⁶4s². В своих соединениях железо проявляет степени окисления «+2» и «+3». Температура плавления железа – 1539 $^{\circ}$ С. Железо образует две кристаллические модификации: α- и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая – кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 и от 1394 $^{\circ}$ С до температуры плавления. Между 912 и 1394 $^{\circ}$ С устойчиво γ-железо.

Механические свойства железа зависят от его чистоты – содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов. Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы.

Химические свойства железа

Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т.е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно корродирует; при обильном доступе кислорода образуются гидратные формы оксида железа (III):

2Fe + 3/2O₂ + nH₂O = Fe₂O₃×H₂O.

При недостатке кислорода или при затрудненном доступе образуется смешанный оксид (II, III) Fe₃O₄:

3Fe + 4H₂O₍_v₎ ↔ Fe₃O₄ + 4H₂↑.

Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑.

Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑.

В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до железа (III):

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O.

Однако, в серной кислоте, концентрация которой близка к 100%, железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит. В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO↑ +2H₂O.

При высоких концентрациях азотной кислоты растворение замедляется и железо становится пассивным.

Как и другие металлы железо вступает в реакции с простыми веществами. Реакции взаимодействия железа с галогенами (вне зависимости от типа галогена) протекают при нагревании. Взаимодействие железа с бромом протекает при повышенном давлении паров последнего:

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃;

2Fe + Br₂ = 2FeBr₃;

3Fe + 4I₂ = Fe₃I₈.

Взаимодействие железа с серой (порошок), азотом и фосфором также происходит при нагревании:

Fe + S = FeS;

6Fe + N₂ = 2Fe₃N;

Fe + P = FeP;

2Fe + P = Fe₂P;

3Fe + P = Fe₃P.

Железо способно реагировать с такими неметаллами, как углерод и кремний:

3Fe + C = Fe₃C;

Fe + Si = FeSi.

Среди реакций взаимодействия железа со сложными веществами особую роль играют следующие реакции — железо способно восстанавливать металлы, стоящие в ряду активности правее него, из растворов солей (1), восстанавливать соединения железа (III) (2):

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu (1);

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂ (2).

Железо, при повышенном давлении, реагирует с несолеобразующим оксидом – СО с образованием веществ сложного состава – карбонилов — Fe(CO)₅, Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂.

Железо при отсутствии примесей устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей.

Получение железа

Основной способ получения железа – из железной руды (гематит, магнетит) или электролиз растворов его солей (в этом случае получают «чистое» железо, т.е. железо без примесей).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Железная окалина Fe₃O₄ массой 10 г была сначала обработана 150 мл раствора соляной кислоты (плотность 1,1 г/мл) с массовой долей хлороводорода 20%, а затем в полученный раствор добавили избыток железа. Определите состав раствора (в % по массе).

Решение

Запишем уравнения реакций согласно условию задачи:

8HCl + Fe₃O₄ = FeCl₂ +2FeCl₃ + 4H₂O (1);

2FeCl₃ + Fe = 3FeCl₂ (2).

Зная плотность и объем раствора соляной кислоты, можно найти его массу:

m_sol(HCl) = V(HCl) × ρ (HCl);

m_sol(HCl) = 150×1,1 = 165 г.

Рассчитаем массу хлороводорода:

m(HCl) = m_sol(HCl) ×ω(HCl)/100%;

m(HCl) = 165×20%/100% = 33 г.

Молярная масса (масса одного моль) соляной кислоты, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 36,5 г/моль. Найдем количество вещества хлороводорода:

v(HCl) = m(HCl)/M(HCl);

v(HCl) = 33/36,5 = 0,904 моль.

Молярная масса (масса одного моль) окалины, рассчитанная с помощью таблицы химических элементов Д.И. Менделеева – 232 г/моль. Найдем количество вещества окалины:

v(Fe₃O₄) = 10/232 = 0,043 моль.

Согласно уравнению 1, v(HCl): v(Fe₃O₄) = 1:8, следовательно, v(HCl) = 8 v(Fe₃O₄) = 0,344 моль. Тогда, количество вещества хлородорода, рассчитанное по уравнению (0,344 моль) будет меньше, чем указанное в условии задачи (0,904 моль). Следовательно, соляная кислота находится в избытке и будет протекать еще одна реакция:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂ (3).

Определим количество вещества хлоридов железа, образующихся в результате первой реакции (индексами обозначим конкретную реакцию):

v₁(FeCl₂):v(Fe₂O₃) = 1:1 = 0,043 моль;

v₁(FeCl₃):v(Fe₂O₃) = 2:1;

v₁(FeCl₃) = 2×v(Fe₂O₃) = 0,086 моль.

Определим количество хлороводорода, которое не прореагировало в реакции 1 и количество вещества хлорида железа (II), образовавшееся в ходе реакции 3:

v_rem(HCl) = v(HCl) – v₁(HCl) = 0,904 – 0,344 = 0,56 моль;

v₃(FeCl₂): v_rem(HCl) = 1:2;

v₃(FeCl₂) = 1/2×v_rem(HCl) = 0,28 моль.

Определим количество вещества FeCl₂, образовавшегося в ходе реакции 2, общее количество вещества FeCl₂ и его массу:

v₂(FeCl₃) = v₁(FeCl₃) = 0,086 моль;

v₂(FeCl₂): v₂(FeCl₃) = 3:2;

v₂(FeCl₂) = 3/2× v₂ (FeCl₃) = 0,129 моль;

v_sum(FeCl₂) = v₁(FeCl₂) + v₂(FeCl₂) + v₃(FeCl₂) = 0,043+0,129+0,28 = 0,452 моль;

m(FeCl₂) = v_sum(FeCl₂) ×M(FeCl₂) = 0,452×127 = 57,404 г.

Определим количество вещества и массу железа, вступившего в реакции 2 и 3:

v₂(Fe): v₂(FeCl₃) = 1:2;

v₂(Fe) = 1/2× v₂(FeCl₃) = 0,043 моль;

v₃(Fe): v_rem(HCl) = 1:2;

v₃(Fe) = 1/2×v_rem(HCl) = 0,28 моль;

v_sum(Fe) = v₂(Fe) + v₃(Fe) = 0,043+0,28 = 0,323 моль;

m(Fe) = v_sum(Fe) ×M(Fe) = 0,323 ×56 = 18,088 г.

Вычислим количество вещества и массу водорода, выделившегося в реакции 3:

v(H₂) = 1/2×v_rem(HCl) = 0,28 моль;

m(H₂) = v(H₂) ×M(H₂) = 0,28 ×2 = 0,56 г.

Определяем массу полученного раствора m’_sol и массовую долю FeCl₂ в нём:

m’_sol = m_sol(HCl) + m(Fe₃O₄) + m(Fe) – m(H₂);

m’_sol = 165 + 10 + 18,088 – 0,56 = 192,528 г;

ω(FeCl₂) = m(FeCl₂)/ m’_sol×100% = 57,404/192,528×100% = 29,82%.

Ответ

Массовая доля хлорида железа (II) в растворе — 29,82%.

ПРИМЕР 2

Задание

Какие процессу будут протекать при погружении цинковой пластинки в раствор хлорида железа (II)? Как изменится масса хлорида железа (II) в растворе?

Решение

Хлорид железа (II) в растворе подвергается гидролизу:

FeCl₂ + HOH ↔FeOHCl +HCl;

Fe²⁺ + HOH ↔ FeOH⁺ + H⁺.

Цинк будет взаимодействовать с кислотой:

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂↑;

Zn $^{\circ}$ + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂↑.

Так как цинк более активный металл, чем железо (расположен в ряду напряжений левее железа), то он вытесняет железо из соли:

Zn + FeCl₂ = ZnCl₂ + Fe;

Zn $^{\circ}$ + Fe²⁺ = Zn²⁺ + Fe $^{\circ}$ .

В результате, масса хлорида железа (II) в растворе уменьшится.

Понравился сайт? Расскажи друзьям!

Советуем прочитать:

Физические и химические свойства железа

Физические свойства железа

Химические свойства железа

Получение железа

Примеры решения задач