Железо - Вся химия

Железо

Строение атома

Железо находится в побочной подгруппе VIII группы периодической системы.

Электронная конфигурация: 1s22s22p63s23p64s23d6.

На внешнем уровне — 2 электрона. При возбуждении может образовывать до 6 неспаренных электронов.

Степени окисления: +2, +3 (устойчивые), +6 (максимальная, в ферратах).

Нахождение в природе

Железо — второй по распространённости металл в земной коре.

Основные минералы:

  • FeS2 — пирит (серный колчедан)
  • Fe2O3 — гематит (красный железняк)
  • Fe2O3·nH2O — лимонит (бурый железняк)
  • Fe3O4 — магнетит (магнитный железняк)
  • FeOOH — гётит
  • FeCO3 — сидерит (железный шпат)

Получение железа

В лаборатории:

  • Восстановление Fe2O3 водородом: Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O
  • Алюмотермия: Fe2O3 + 2Al → 2Fe + Al2O3
  • Электролиз растворов солей Fe2+

В промышленности — доменный процесс:

  1. В доменную печь (20–35 м) загружают руду, кокс и флюсы (CaCO3, MgCO3).
  2. Снизу подают кислородогенерированный воздух.
  3. Восстановление происходит CO и C: Fe2O3 → Fe

Физические свойства

  • Серебристо-белый металл с сероватым оттенком
  • Пластичный, ковкий
  • Высокие температуры плавления (1539°C) и кипения
  • Ферромагнетик
  • Примеси (особенно углерод) повышают твёрдость и хрупкость

Химические свойства

Железо — металл средней активности (стоит перед водородом в ряду напряжений).

1. Взаимодействие с неметаллами (при нагревании)

3Fe + 2O2 → Fe3O4

2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3

Fe + S → FeS

Fe + I2 → FeI2

3Fe + 2P → Fe3P2

2. С водой

3Fe + 4H2O(пар) → Fe3O4 + 4H2↑

Во влажном воздухе — коррозия: 4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3

3. С кислотами

Концентрированные HNO3 и H2SO4 — пассивируют Fe при комнатной температуре.

С разбавленными кислотами-неокислителями (HCl, H2SO4):

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑

Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2↑

С окисляющими кислотами (при нагревании):

Fe + 4HNO3(конц) → Fe(NO3)3 + NO2↑ + 2H2O

Fe + 6HNO3(разб) → Fe(NO3)3 + NO↑ + 3H2O

Fe + 4HNO3(оч. разб) → Fe(NO3)3 + NH4NO3 + 3H2O

4. С солями

Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu

Вытесняет менее активные металлы (Cu, Ag, Hg и др.).

Оксиды железа

Оксид железа(II) — FeO

Получение:

Fe2O3 + H2 → 2FeO + H2O

Fe(OH)2 → FeO + H2O

Свойства: основный оксид.

FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O

FeO + SO3 → FeSO4

Легко окисляется: 6FeO + O2 → 2Fe3O4

Оксид железа(III) — Fe2O3

Получение:

4FeO + O2 → 2Fe2O3

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O

Свойства: амфотерный оксид.

Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O

Fe2O3 + 2NaOH → 2NaFeO2 + H2O (в расплаве)

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2

Fe2O3 + Na2CO3 → 2NaFeO2 + CO2↑

Оксид железа(II,III) — Fe3O4 (магнетит)

Получение:

3Fe + 2O2 → Fe3O4

3Fe + 4H2O(пар) → Fe3O4 + 4H2↑

Свойства: смешанный оксид (FeO·Fe2O3).

Fe3O4 + 8HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O

Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2

4Fe3O4 + O2 → 6Fe2O3

Гидроксиды железа

Гидроксид железа(II) — Fe(OH)2

Получение:

FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + 2NaCl

Свойства: основание, сильный восстановитель.

Fe(OH)2 + 2HCl → FeCl2 + 2H2O

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3

Fe(OH)2 → FeO + H2O (при нагревании)

Гидроксид железа(III) — Fe(OH)3

Получение:

FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3↓ + 3NaCl

2FeBr3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3↓ + 6NaBr + 3CO2↑

Свойства: слабо амфотерный гидроксид.

Fe(OH)3 + 3HNO3 → Fe(NO3)3 + 3H2O

Fe(OH)3 + NaOH → Na[Fe(OH)4] (в конц. растворе)

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O (при нагревании)

Соли железа

Гидролиз

Соли Fe3+ гидролизуются по катиону:

Fe3+ + H2O ⇌ FeOH2+ + H+

FeOH2+ + H2O ⇌ Fe(OH)2+ + H+

Карбонаты и сульфиты Fe3+ гидролизуются необратимо:

2FeCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3↓ + 6NaCl + 3CO2↑

Окислительные свойства Fe3+

2FeCl3 + 2KI → 2FeCl2 + I2 + 2KCl

2FeCl3 + H2S → 2FeCl2 + S↓ + 2HCl

2FeCl3 + 3Na2S → 2FeS↓ + S↓ + 6NaCl

Ферриты и ферраты

Ферриты — соли железистой кислоты HFeO2 (Fe+3):

Fe2O3 + Na2CO3 → 2NaFeO2 + CO2↑

Ферраты — соли железной кислоты H2FeO4 (Fe+6), сильные окислители:

Fe2O3 + 4KOH + 3KNO3 → 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O