Ферум. Залізо

Учитель хімії Ракова Оксана Леонідівна

Загальна характеристика хімічного елемента

Ферум — металічний елемент. Він має відносно невелику електронегативність 1,83 (за Полінгом), що характерно для більшості металічних елементів. За будовою електронної оболонки атома він є d-елементом, оскільки в його атомів електронами заповнюється d-підрівень:

У більшості сполук Ферум виявляє два ступені окиснення. Втрачаючи два електрони зовнішнього енергетичного рівня, його атоми набувають заряд +2:

У такому стані в йонах Fe2+ на 3d-підрівні міститься шість електронів, але більш стабільним є стан, коли 3d-підрівень буде заповнений наполовину. Для цього йону Fe2+ необхідно віддати один електрон. У такий спосіб утворюються йони Fe3+, які мають стабільнішу електронну конфігурацію:

Унаслідок цього ступінь окиснення +3 для Феруму стабільніший за +2.

Як виняток, Ферум може віддавати шість електронів і виявляти ступінь окиснення +6. Однак сполуки, у яких містяться Fe+6, трапляються досить рідко. Сполук, у яких ступінь окиснення Феруму +8, ще не виявлено.

Ферум(ІІ) оксид і ферум(ІІ) гідроксид — основні речовини, а ферум(ІІІ) оксид і ферум(ІІІ) гідроксид — амфотерні. Сполуки Феруму в ступені окиснення +3 виявляють окисні властивості.

Поширеність Феруму в природі

Ферум є одним із найпоширеніших металічних елементів на Землі. У земній корі на атоми Феруму припадає 5 % (за масою) — це друге місце серед металічних елементів (після Алюмінію) та четверте серед усіх елементів.

У самородному стані Ферум не трапляється, але у вигляді простої речовини залізо міститься у складі деяких метеоритів, які іноді знаходять на поверхні Землі (мал. 36.1). Уважають, що саме залізо становить більшу частину ядра Землі та планет земної групи.

Мал. 36.1. Залізо метеоритного походження. У перекладі з шумерської «залізо» означає «те, що капнуло з неба». Можливо, назва цього металу пояснюється тим, що перше відоме людству залізо було метеоритного походження і дійсно падало з неба.

У природі Ферум трапляється виключно у сполуках, найпоширенішими серед яких є оксиди: ферум(ІІ) оксид FeO, ферум(ІІІ) оксид Fe2O3, а також змішаний оксид Fe3O4 (FeO • Fe2O3), який називають залізною окалиною. Сполуки тривалентного Феруму мають забарвлення від жовтого до бурого. Саме вони надають жовтуватого кольору піску та бурого забарвлення багатьом ґрунтам.

Також Ферум міститься у складі багатьох різних мінералів у вигляді оксидів, сульфідів та інших сполук. Зазвичай вони розсіяні в земній корі, але трапляються і скупчення мінералів. Такі мінерали, як бурий, магнітний і червоний залізняки, є джерелом залізної руди, з якої добувають залізо (мал. 36.2).

Мал. 36.2. Поширені залізні руди: а — бурий залізняк (лимоніт) Fe2O3 • xH2O; б — магнітний залізняк (магнетит) Fe3O4; в — червоний залізняк (гематит) Fe2O3

Деякі мінерали Феруму мають красивий вигляд, тому їх використовують як виробне каміння — це сидерит, пірит і халькопірит (мал. 36.3).

Мал. 36.3. Мінерали Феруму: а — сидерит FeCO3; б — пірит FeS2; в — халькопірит CuFeS2

В Україні є великі поклади залізної руди — Криворізький, Кременчуцький, Придніпровський залізорудні басейни тощо. Ці запаси оцінюють у майже 30 млрд тонн, чого має вистачити на 180 років промислової розробки. За обсягами виробництва залізної руди Україна посідає сьоме місце серед країн світу.

Сполуки Феруму розчинені у воді деяких джерел мінеральних вод. Наявність у воді сполук двовалентного Феруму надає їй так званого «металічного» присмаку. Іноді у водопровідній воді, що тече старими залізними трубами, розчинені сполуки тривалентного Феруму, які надають воді «іржавого» кольору.

Фізичні властивості заліза

• Метал сірого кольору з металічним блиском;

• добре проводить електричний струм і теплоту;

• пластичний, добре піддається куванню, наявність домішок, зокрема вуглецю, підвищує твердість і крихкість заліза;

• tпл. = 1540 °С, tкип. = 2860 °С;

• густина 7,87 г/см3;

• притягується магнітом (парамагнетик).

Для заліза також характерне явище феромагнетизму — воно зберігає намагніченість після усунення дії зовнішнього магнітного поля. Завдяки цьому із заліза можна виготовляти магніти, а також матеріали для запису інформації.

Хімічні властивості заліза

Залізо досить активно вступає в хімічні взаємодії, його можна віднести до металів середньої активності.

1. Реакції з неметалами. Залізо активно реагує з неметалами. Із киснем реакція повільно відбувається навіть за звичайних умов. За нагрівання заліза на повітрі його поверхня вкривається залізною окалиною:

3Fe + 2O2 = Fe3Cl4

Розпечений залізний дріт у чистому кисні займається, розкидаючи яскраві іскри.

Залізо може активно згоряти навіть на повітрі, якщо його подрібнити в тонкий порошок (пірофорне залізо). Якщо такий порошок потрапляє в повітря, то він яскраво спалахує навіть за кімнатної температури.

Залізний дріт активно згоряє у хлорі (мал. 36.4) з утворенням ферум(III) хлориду:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Під час нагрівання заліза із сіркою утворюється ферум(ІІ) сульфід:

Fe + S = FeS

2. Взаємодія з водою. Залізо реагує з водою: під час пропускання перегрітої водяної пари крізь розпечені залізні ошурки залізо перетворюється на залізну окалину, і виділяється водень:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑

3. Взаємодія з кислотами. За звичайних умов залізо активно реагує з кислотами. Продуктами реакції є солі Феруму в ступені окиснення +2:

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑

Із кислотами-окисниками (концентрованими сульфатною та нітратною кислотами) Ферум окиснюється до ступеня окиснення +3. Але холодні кислоти пасивують залізо, реакція відбувається лише за нагрівання:

2Fe + 6H2SO4 (конц.) = Fe2(SO4)3+ 3SO2↑ + 6H2О

Fe + 4HNO3 (конц.) = Fe(NO3)3+ NO↑ + 2H2О

4. Взаємодія із солями. Залізо витісняє менш активні метали з їхніх солей (мал. 36.5):

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu↓

Мал. 36.4. Взаємодія розпечених залізних ошурок із хлором

Мал. 36.5. Після занурення заліза в розчин купрум(ІІ) сульфату поверхня заліза вкривається червоним нальотом міді

Застосування заліза, його сплавів та сполук Феруму

На сплави заліза припадає 95 % світового металургійного виробництва. Найпоширенішими є сплави заліза з вуглецем — сталь (w(C) < 2,1 %) і чавун (w(C) > 2,1 %).

Сьогодні сталь є головним конструкційним матеріалом. Зі сталі виготовляють каркаси будинків, труби, корпуси транспортних засобів тощо (мал. 36.6). Для конкретного застосування використовують певні марки сталі, створені з урахуванням особливостей майбутніх виробів. Наприклад, додаванням до заліза близько 1 % вуглецю одержують сталь, що має високу твердість, її використовують для виготовлення різальних інструментів. Додаванням хрому й нікелю одержують стійку до корозії сталь (нержавіюча сталь). Зі сплаву заліза з манганом виплавляють рейки для залізниці.

Мал. 36.6. Вироби зі сталі: а — козацькі шаблі; б — стальні будівельні конструкції; в — обладнання з нержавіючої сталі на молочному комбінаті

Чавун значно твердіший і крихкіший за сталь, він не піддається куванню, однак вироби з нього витримують великі механічні навантаження (мал. 36.7). Раніше з чавуну виплавляли пушки, ядра та посуд. Сьогодні виготовляють також станини для верстатів, ковані ґратки, вуличні лави й ліхтарі та інші вироби, для яких більш важлива міцність, ніж пластичність. Але такі речі «бояться» ударів: від сильного удару чавун розбивається.

Мал. 36.7. Вироби з чавуну: а — козацька пушка (о. Хортиця); б — лава (м. Львів); в — посуд

Магнетит завдяки його феромагнітним властивостям використовують для створення носіїв інформації: магнітних плівок, жорстких магнітних дисків тощо. Через феромагнітну властивість та чорний колір із магнетиту виготовляють тонер для чорно-білих лазерних принтерів.

Залізний купорос (FeSO4 • 7H2O) разом із мідним купоросом застосовують у садівництві й будівництві для боротьби зі шкідливими грибками.

Хлориди або сульфати Феруму(ІІ) і Феруму(ІІІ) використовують для очищення природних вод на станціях водопідготовки.

Біологічне значення Феруму

Ферум — важливий мікроелемент. В організмі дорослої людини 25 % Феруму міститься у складі деяких вітамінів і білків, а 75 % — у складі гемоглобіну. Нестача Феруму призводить до анемії — недокрів'я.

Добова потреба Феруму становить: 4-18 мг — у дітей, 10 мг — у чоловіків і 18 мг — у жінок. В організм людини Ферум надходить з їжею, найбільш багаті на нього печінка, м'ясо, яйця, бобові, хліб, буряк тощо (мал. 36.8).

Мал. 36.8. Продукти — джерела Феруму для людини

У надмірній кількості Ферум може пригнічувати функціонування антиоксидантної системи організму, а також спричинити алергічні реакції та захворювання печінки й крові. Більша ймовірність уживання надлишкового Феруму є в мешканців будинків із центральним водогоном через можливість потрапляння його у воду з іржавих труб.

Контрольні запитання

1. Схарактеризуйте електронну будову атома та поширеність Феруму в природі.

2. Порівняйте будову електронної оболонки атомів Феруму, йонів Fe2+ та Fe3+.

3. Схарактеризуйте хімічні й фізичні властивості та застосування заліза. На яких властивостях заліза ґрунтується його застосування?

4. Чи трапляється в природі самородне залізо? Поясніть чому.

5. Схарактеризуйте біологічне значення Феруму. Що загрожує людині в разі нестачі або надлишку Феруму в організмі?

Завдання для засвоєння матеріалу

6. Який зі ступенів окиснення Феруму є найстабільнішим? Поясніть чому.

7. Під час взаємодії заліза з якими речовинами утворюються сполуки Феруму(ІІ), а з якими — Феруму(ІІІ)?

8. Щоб виявити домішки заліза в платиновому посуді, наприклад у тиглі, його нагрівають до червоного розжарення. Поверхня металу покривається червоним нальотом. із чим це пов'язано? Як видалити цей наліт, не пошкодивши виріб?

9. Випишіть із тексту параграфа рівняння реакцій, які характеризують окисно-відновні властивості заліза, і складіть для них електронний баланс.

Комплексні завдання

10. Ферумовмісні мінерали використовують як сировину для добування заліза. Обчисліть масову частку Феруму у відомих вам ферумовмісних мінералах. Який із цих мінералів вигідніше використовувати для добування заліза?

11. Обчисліть об'єм карбон(ІІ) оксиду (н. у.), необхідний для повного відновлення ферум(ІІІ) оксиду масою 320 г.

12. Обчисліть масу магнетиту, що містить 10 % домішок, який необхідний для добування заліза масою 3 тонни.

13. Обчисліть масу заліза, яка необхідна для одержання нітроген(ІІ) оксиду масою 224 мл взаємодією заліза з гарячою нітратною кислотою.

14. Змішали залізну окалину Fe3O4 масою 34,8 г із порошком алюмінію масою 12,8 г. Суміш нагріли. Обчисліть масу утвореного заліза.

Міні-проекти

15. Дослідіть корозію залізного виробу та вплив на цей процес різних чинників. Для проведення досліду вам потрібно приготувати розчин желатину: закип'ятіть 100-200 мл води і в гарячу воду всипте приблизно половину чайної ложки желатину. Залиште розчин до повного розчинення желатину, час від часу помішуючи його. Після того, як розчин охолоне, досипте в нього 0,1-0,2 г червоної кров'яної солі (K3[Fe(CN)6]) і ретельно перемішуйте, доки вона розчиниться. Потім на дно широкої склянки покладіть різні невеликі залізні предмети (цвях, дріт, пластинку тощо). Частину предметів обмотайте мідним дротом, а частину — цинковим. Один із предметів, приміром цвях, залиште без деформації, а один трохи погніть. Залийте всі предмети розчином желатину та залиште на добу. Поясніть зміни, що відбулися. Як впливає на корозію контакт заліза з іншими металами (цинком і міддю)?

Розгадай ребуси