Химия железа

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Желемзо -- элемент восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо -- ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Собственно, железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре -- 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бомльшую часть земного ядра.

Железо, как инструментальный материал, известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся кдревнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), украшения из египетских гробниц (около 3800 года до н. э.) и кинжал из шумерского города Ура (около 3100 года до н. э.). От небесного происхождения метеоритного железа происходит, видимо, одно из названий железа в греческом и латинском языках: «сидер» (что значит «звёздный»).

Изделия из железа, полученного выплавкой, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию, острова Средиземного моря, и далее (конец 4-го и 3-е тысячелетие до н. э. Самые древние железные инструменты из известных -- стальные лезвия, найденные в каменной кладке пирамиды Хеопса в Египте (построена около 2530 года до н.э. Как показали раскопки в Нубийской пустыне, уже в те времена египтяне, стараясь отделить добываемое золото от тяжёлого магнетитового песка, прокаливали руду с отрубями и подобными веществами, содержащими углерод. В результате на поверхности расплава золота всплывал слой тестообразного железа, который обрабатывали отдельно. Из этого железа ковались орудия, в том числе найденные в пирамиде Хеопса.



Электронное строение железа

Железо - это d- элемент VIII группы; порядковый номер - 26; атомная масса Ar(Fe) = 56; состав атома: 26 протонов, 30 нейтронов, 26 электронов.

Электронная формула

1s22s22p63s23p63d64s2

Характерные степени окисления:

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Примечания
+2	FeO	Fe(OH)2	Слабоосновный
+3	Fe2O3	Fe(OH)3	Очень слабое основание, иногда -- амфотерный
+6	Не получен	<H2FeO4>*	Кислотный	Сильный окислитель

* Кислота в свободном виде не существует -- получены только её соли

Для железа характерны степени окисления -- +2 и +3.

Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH)2. Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) -- слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe2O3 и коричневый гидроксид Fe(OH)3. Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe3+ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH)3 растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe2O3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли несуществующей в свободном виде кислоты HFeO2):

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко переходят между собой при изменении окислительно-восстановительных условий.

Кроме того, существует оксид Fe3O4, формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe+2(Fe+3O2)2.

Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли -- ферраты (например, K2FeO4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Нахождение железа в природе

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

Основными железными рудами являются:

Магнетит (магнитный железняк) - Fe3O4 содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии.

Гематит (железный блеск, кровавик) - Fe2O3 содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе.

Лимонит (бурый железняк) - Fe2O3*nH2O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму.

Пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) - FeS2 содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.

Способы получения железа

В настоящее время основным промышленным способом переработки железных руд является производство чугуна доменным процессом. Чугун - это сплав железа, содержащий 2,2-4% углерода, кремний, марганец, фосфор, серу. В дальнейшем большая часть чугуна подвергается переделу на сталь. Сталь отличается от чугуна главным образом меньшим содержанием углерода (до 2%), фосфора и серы.

В последнее время большое внимание уделяется разработке методов прямого получения железа из руд без осуществления доменного процесса. Еще в 1899 г. Д. И. Менделеев писал: "Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способов прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун". Слова великого химика оказались пророческими: такие способы найдены и реализованы в промышленности.

Первоначально прямое восстановление железа проводили в слегка наклонных вращающихся печах, похожих на печи, в которых получают цемент. В печь непрерывно загружают руду и уголь, которые постепенно перемещаются к выходу, противотоком идет нагретый воздух. За время нахождения в печи руда постепенно подогревается (до температур ниже температуры давления железа) и восстанавливается. Продуктом такого производства является смесь кусков железа и шлака, которую легко разделить, так как железо до плавления не доводится.

Интерес к прямому восстановлению железа из руд возрос и последнее время в связи с тем, что, кроме экономии кокса, оно дает возможность получать железо высокой чистоты. Получение чистых металлов - одна из важнейших задач современной металлургии. Такие металлы необходимы многим отраслям промышленности.

Получить технически чистое железо прямым восстановлением можно, если руду подвергнуть обогащению: существенно повысить массовую долю железа, отделив пустую породу, и снизить содержание вредных примесей (таких, как сера и фосфор).

Упрощенно процесс подготовки железной руды к восстановлению можно представить так. Руду измельчают в дробильных устройствах и подают на магнитный сепаратор. Он представляет собой барабан с электромагнитами, на который при помощи транспортера подается измельченная руда. Пустая порода свободно проходит через магнитное поле и падает. Зерна руды, содержащие магнитные минералы железа, намагничиваются, притягиваются и отделяются от барабана позднее пустой породы. Такую магнитную сепарацию можно повторить несколько раз.

Лучше всего подвергаются магнитному обогащению руды, содержащие магнетит Fе3О4, который обладает сильными магнитными свойствами. Для слабомагнитных руд иногда перед обогащением применяют магнетизирующий обжиг - восстановление оксидов железа в руде до магнетита:

3Fe2O2 + H2 = 2Fe3O4 + H2O

или

ЗFе2О3 + CO = 2Fе3О4 + CO2

После магнитной сепарации руду обогащают методом флотации. Для этого руда помещается в емкость с водой, где растворяют флотационные реагенты - вещества, которые избирательно адсорбируются на поверхности полезного минерала и не адсорбируются на пустой породе. В результате адсорбции флотореагента частицы минерала не смачиваются водой и не тонут.

Через раствор пропускают воздух, пузырьки которого прикрепляются к кусочкам минерала и поднимают их на поверхность. Частицы пустой породы хорошо смачиваются водой и падают на дно. Обогащенную руду собирают с поверхности раствора вместе с пеной.

В результате полного процесса обогащения содержание железа в руде может быть повышено до 70-72%. Для сравнения отметим, что содержание железа в чистом оксиде Fе3О4 составляет 72,4%. Так что содержание примесей в обогащенной руде весьма незначительно. К настоящему времени предложено более семидесяти методов прямого получения железа из руд с использованием твердых и газообразных восстановителей. Рассмотрим принципиальную схему одного из них, который используется в нашей стране.

Процесс проводят в вертикальной печи, в которую сверху подают обогащенную руду, а снизу - газ, служащий восстановителем. Этот газ получают конверсией природного газа (т.е. сжиганием природного газа в недостатке кислорода). "Восстановительный" газ содержит 30% СО, 55% Н2 и 13% воды и углекислого газа. Следовательно, восстановителями оксидов железа служат оксид углерода (II) и водород:

Fe2O4 + 4H2 = 3Fe + 4H2O

Fe3O4 + 4CO = 3Fe + 4CO2

Восстановление ведется при температуре 850 - 900°С, что ниже температуры плавления железа (1539°). СО и Н2, которые не прореагировали с оксидами железа, вновь возвращаются в печь после удаления из них пыли, воды и углекислого газа. Эти "оборотные газы" служат и для охлаждения получаемого продукта. В результате процесса прямого восстановления руды получается железо в виде металлических "окатышей" или "губки", содержание металла в которых может достигать 98 - 99%. Если прямым восстановлением получают сырье для дальнейшей выплавки стали, то оно обычно содержит 90 - 93% железа.

Для многих современных отраслей техники требуется железо еще, более высокой степени чистоты. Очистку технического железа проводят карбонильным методом. Карбонилы - это соединения металлов с оксидом углерода (II) СО. Железо взаимодействует с СО при повышенном давлении и температуре 100-200°, образуя пентакарбонил:

Fе + 5СО = Fе(СО)5

Пентакарбонил железа - жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250° карбонил разлагается, образуя порошок железа:

Fе(СО)5 = Fе + 5СО

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98- 99,999% железа. Еще более глубокой степени очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.

Железо высокой чистоты нужно прежде всего для изучения его свойств, т.е. для научных целей. Если не удалось бы получить чистое железо, то не узнали бы, что железо - мягкий, легко обрабатываемый металл. Химически чистое железо намного более инертно, чем железо техническое.

Важной отраслью использования чистого железа является производство специальных ферросплавов, свойства которых ухудшаются в присутствии примесей

Физические свойства простого вещества железа

Железо -- типичный металл, в свободном состоянии -- серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности -- углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» -- группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:

· до 769 °C существует ?-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ? 1043 K -- точка Кюри для железа);

· в температурном интервале 769--917 °C существует ?-Fe, который отличается от ?-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;

· в температурном интервале 917--1394 °C существует ?-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;

· выше 1394 °C устойчиво ?-Fe с объёмноцентрированной кубической решёткой.

Металловедение не выделяет ?-Fe как отдельную фазу и рассматривает её как разновидность ?-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ? 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком -- происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

· от абсолютного нуля до 910 °C устойчива ?-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой;

· от 910 до 1400 °C устойчива ?-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;

· от 1400 до 1539 °C устойчива ?-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря ?--? переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления химически чистого железа равна 1539о С. Технически чистое железо, полученное путем окислительного рафинирования, плавится при температуре около 1530о С.

Теплота плавления железа составляет 15,2 кДж/моль или 271,7 кДж/кг. Кипение железа происходит при температуре 2735о С, хотя авторами некоторых исследований установлены значительно более высокие значения температуры кипения железа (3227 - 3230о С). Теплота испарения железа составляет 352,5 кДж/моль или 6300 кДж/кг.

Химические свойства простого вещества железа

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2O3·xH2O.

Взаимодействует с кислотами

С соляной кислотой:

С разбавленной серной кислотой:

Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо. C концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании:

Взаимодействие с кислородом:

Сгорание железа на воздухе:

Сгорание в чистом кислороде:

Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо:



Взаимодействие с порошком серы при нагревании:

Взаимодействие с галогенами при нагревании:

Горение в хлоре:

При повышенном давлении паров брома:

Взаимодействие с йодом:

Взаимодействие с неметаллами:

С азотом при нагревании:

С фосфором при нагревании:



С углеродом:

С кремнием:

Взаимодействие раскалённого железа с водяным паром:

Железо восстанавливает металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов солей:

Железо восстанавливает соединения железа(III):

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (?5-C5H5)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)2. Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора -- двойной сульфат аммония и железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2O.

Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe2+ и [Fe(CN)6]3?выпадает осадок гексацианоферрата (III) калия-железа (II) (берлинская лазурь):

который внутримолекулярно перегруппировывается в гексацианоферрат (II) калия-железа (III):

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen3 (максимум светопоглощения -- 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9).

Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)2, основание Fe(OH)3, которое реагирует с кислотами:

Соли Fe3+ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe3+ как правило окружен шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.

Ион Fe3+ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При pH>4 этот ион практически полностью осаждается в виде Fe(OH)3:

При частичном гидролизе иона Fe3+ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.

Основные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH)3 выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)3.

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe2O3 образует разнообразные ферриты:

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 -- железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 -- железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с неорганическими тиоцианатами SCN?. При этом образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа [Fe(SCN)]2+, [Fe(SCN)2]+, Fe(SCN)3, [Fe(SCN)4]-. Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4?выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата (II) калия-железа (III):

Количественно ионы Fe3+ определяют по образованию красных (в слабокислой среде) или жёлтых (в слабощелочной среде) комплексов с сульфосалициловой кислотой. Эта реакция требует грамотного подбора буферов, так как некоторые анионы (в частности, ацетат) образуют с железом и сульфосалициловой кислотой смешанные комплексы со своими оптическими характеристиками.



Соединения железа (VI)

Ферраты -- соли не существующей в свободном виде железной кислоты H2FeO4. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости -- сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)3 в щелочи:

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:

Ферраты -- сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода:

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.

Соединения железа (VII) и (VIII)

Имеются сообщения об электрохимическом получении соединений железа(VIII), однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.



Соединения железа, их физические и химические свойства

Соединения двухвалентного железа.

Оксид железа (II) FeO. Диамагнитный черный неустойчивый кристаллический порошок. Решетка типа NaCl. tпл=1368°С . Превращается в при нагревании на воздухе. Мало растворим в воде и щелочах. Растворяется в кислотах. Разлагает при нагревании воду. Получают окислением металлического железа, восстановлением оксида железа (III) СО или водородом, прокаливанием смеси Fe2O3 и порошка железа.

-265 кДж/моль;

-244 кДж/моль;

60,8 Дж/моль.K.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2. Образуется в виде хлопьевидного желтовато-белого осадка при обработке растворов солей железа (II) щелочами без доступа воздуха. Решетка типа CdCl2. Мало растворим в щелочах. Растворяется в кислотах. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 503,6 Cм.см2/моль. Проявляет основные свойства. В присутствии окислителей мгновенно превращается в Fe(ОН)3.

-562 кДж/моль;

-479,7 кДж/моль;

88 Дж/моль.K.

Фторид железа (II) FeF2. Белые (слегка желтоватые) тетрагональные кристаллы. Решетка типа рутила. tпл=1100°С, плотность равна 3,95-4,01 г/см3. Растворяется в воде. Восстанавливается до железа водородом при высокой температуре. Известны кристаллогидраты FeF2.nН2О (n=4, 8). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 217,8 Cм.см2/моль. Получают действием фтора на металлическое железо, действием газообразного HF на металлическое железо, а также дегидратацией кристаллогидратов FeF2.4Н2О и FeF2.4Н2О.

Хлорид железа (II) FeCl2. Парамагнитные бесцветные ромбоэдрические кристаллы. Решетка типа CdCl2. tпл=674°С, tкип=1012°С, плотность равна 2,988 г/см3. Растворяется в метаноле, ацетоне, ацетонитриле. Безводный FeCl2 мало растворим в воде. Известны кристаллогидраты FeCl2.nН2О (n=1, 2, 4, 6). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 259,7 Cм.см2/моль. Получают действием HCl на стружку железа или на карбид железа, а также дегидратацией кристаллогидратов FeCl2.nН2О (n=2, 4, 6).

-341,7 кДж/моль;

-303,4 кДж/моль;

118 Дж/моль.K.

Бромид железа (II) FeBr2. Желтые гексагональные кристаллы с кристаллической структурой типа CdI2 c плотностью 4,636 г/см3, tпл=684оС, tкип=927оС. Растворим в воде, спирте, эфире, уксусной кислоте и т.п., трудно растворим в феноле на холоду, неустойчив на воздухе и превращается в Fe2O3 и Br2 при нагревании до 300оС на воздухе. Известны кристаллогидраты FeBr2.nН2О (n=9, 6, 4, 2). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 263,2 Cм.см2/моль. Получают действием брома, HBr или NH4Br на тонкие железные пластинки.

Иодид железа (II) FeI2. Красновато-коричневая (часто черная) масса или парамагнитные желтые гексагональные кристаллы. tпл=592°С, tкип=827°С, плотность равна 5,315 г/см3. При нагревании на воздухе превращается в Fe2O3 и I2. Растворяется в воде. Известны кристаллогидраты FeI2.nН2О (n=2, 4, 6, 9). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 260,6 Cм.см2/моль. Получают нагреванием прямым взаимодействием элементов, взаимодействием железа с NaI, действием иода на сульфиды железа. Применяют для лечения анемии.

Сульфид железа (II) FeS. Встречается в природе в виде минерала пирротина, представляющего собой желтые гексагональные кристаллы с магнитными свойствами. Плотность равна 4,58-4,70 г/см3. FeS представляет собой темно-коричневые гексагональные кристаллы. Решетка типа NiAs. tпл=1193°С. Мало растворим в воде, растворяется в разбавленных кислотах. При нагревании взаимодействует с парами воды. Влажный FeS окисляется на воздухе до Fе(OH)3. Получают нагреванием железа с серой, пропусканием смеси H2S и H2 над нагретым до 750-1000°С Fe2O3, действием сульфида аммония на растворы солей железа (II).

-100,42 кДж/моль;

-100,78 кДж/моль;

60,29 Дж/моль.K.

Дисульфид железа (II) FeS2. Встречается в природе в виде минерала пирита или марказита. Пирит обладает блестящим желтым цветом, кристаллической структурой типа NaCl и является одним из самых распространенных минералов железа. tпл=1171°С. Получают нагреванием с серой порошкообразного железа или пропусканием H2S через суспензию гидроксида железа (III).



-177,40 кДж/моль;

-166,05 кДж/моль;

52,93 Дж/моль.K.

Сульфат железа (II) FeSO4. Токсичные, очень гигроскопичные парамагнитные орторомбические кристаллы белого цвета. Плотность равна 3,14 г/см3. Известны кристаллогидраты FeSО4.nН2О (n=1, 4, 7). При нагревании на воздухе превращается в Fe2O3. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 267 Cм.см2/моль. Получают прокаливанием пирита, нагреванием PbSO4 с железом, дегидратацией кристаллогидрата FeSО4.7Н2О.

-927,59 кДж/моль;

-819,77 кДж/моль;

107,53 Дж/моль.K.

Двойной сульфат железа (II) и аммония (соль Мора) (NH4)2SO4.FeSO4. Парамагнитные сине-зеленые моноклинные кристаллы. Растворяется в воде. Устойчив на воздухе. Применяют в объемной анализе для приготовления стандартных растворов железа (II) и калибровки веществ при магнитных измерениях.

Нитрат железа (II) Fe(NO3)2.6H2O. Выпадает в виде кристаллов из раствора, полученного либо растворением металлического железа в разбавленной азотной кислоте, либо обработкой раствора сульфата железа (II) раствором нитрата бария. tпл=60,5°С. Известен кристаллогидрат Fe(NО3)2.9Н2О.

Ортофосфат железа (II) Fe3(PO4)2.8H2O. Встречается в природе в виде минерала вивианита. Голубовато-белые моноклинные кристаллы. Плотность равна 2,58 г/см3. Мало растворим в воде и уксусной кислоте. Растворяется в минеральных кислотах. Вещество хранят в герметически закрытых склянках, так как оно легко окисляется на воздухе. Известны кристаллогидраты Fe3(PО4)2.nН2О (n=1, 6).

Карбонат железа (II) FeCO3. Встречается в природе в виде минерала сидерита или железного шпата. Парамагнитный блестящий белый порошок. Плотность равна 3,82-3,90 г/см3. Мало растворим в воде, растворяется в минеральных кислотах и растворах гидрокарбоната натрия. Окисляется во влажном воздухе. Разлагается при нагревании на FeO и CO2. Восстанавливается водородом при нагревании. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 245,6 Cм.см2/моль. Получают обработкой растворов солей железа (II) растворами карбоната или бикарбоната натрия.

-738,15 кДж/моль;

-665,09 кДж/моль;

95,40 Дж/моль.K.

Гексацианоферрат (II) железа K4[Fe(CN)6].3H2O. Диамагнитные желтые моноклинные кристаллы, нетоксичные, соленые и горькие на вкус. Плотность равна 1,94 г/см3. Растворяется в воде, этиламине, ацетоне. Получают действием КCN на Fe(CN)2. Применяют для изготовления фотобумаги, как химический реактив для определения железа, цинка, меди, урана, метиленовой сини и в производстве минеральных красителей.

Соединения трехвалентного железа

Оксид железа (III) Fe2O3. Самое устойчивое природное кислородсодержащее соединение железа, которое встречается в виде минералов гематита или красного железняка. Существует три модификации: a-Fe2О3 (парамагнитна), g-Fe2О3 (ферромагнитна), d-Fe2О3 (ферромагнитна). a-Fe2О3 представляет собой красный порошок. tпл=1562°С, плотность равна 5,24 г/см3. Мало растворим в воде. Растворимость в кислотах зависит от температуры и продолжительности прокаливания оксида перед растворением. Получают прокаливанием гидроксида или нитрата железа (III), карбоната, сульфата железа (II) или пирита на воздухе. Применяется как пигмент для изготовления красок под названием железный сурик, охра, мумия.

-822 кДж/моль;

-740 кДж/моль;

87 Дж/моль.K.

Оксид железа (II, III) Fe3O4. Встречается в виде минерала магнетита (структура шпинели). Ферромагнитные ломкие черные кубические кристаллы с металлическим блеском. tпл=1538°С. Мало растворим в воде и кислотах. Устойчив в сухом воздухе. Получают прокаливанием других оксидов железа или восстановлением водородом или СО. Применяют для изготовления электродов, поскольку хорошо проводит электрический ток и устойчив к действию химических реагентов.

-1117,13 кДж/моль;

-1014,17 кДж/моль;

146,19 Дж/моль.K.



Гидроксид железа (III) Fe(OH)3. Образуется в виде красно-коричневого осадка при обработке растворов солей железа (III) гидроксидами или карбонатами щелочных металлов. Мало растворим в воде. Легко образует коллоидные растворы. Является слабым основанием почти амфотерного характера. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 798,9 Cм.см2/моль. Применяют для очистки газов от сероводорода, а также в случае отравления соединениями мышьяка.

-827 кДж/моль;

-699,6 кДж/моль;

105 Дж/моль.K.

Фторид железа (III) FeF3. Зеленые триклинные кристаллы. Решетка типа ReO3. tпл=1027°С, tкип=1327°С, плотность равна 3,87 г/см3. Мало растворим в спирте, эфире. Гидролизуется водой. Восстанавливается водородом при нагревании. Известны кристаллогидраты FeF3.nН2О (n=3, 4,5, 6, 9). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 370,2 Cм.см2/моль. Получают действием фтора на порошкообразное железо, FeCl2 или Fe2Cl6, а также нагреванием Fe2O3 в атмосфере HF.

Хлорид железа (III) FeCl3. Парамагнитные гигроскопичные гексагональные темно-красные с зеленоватым оттенком кристаллы. tпл=308°С [1], tкип=317°С, плотность равна 2,898 г/см3. Гидролизуется водой. Растворяется в жидком SO2, жидком хлоре, AsCl3, PBr3, CS2. Превращается в Fe2O3 и Cl2 при нагревании на воздухе. Проявляет окислительные свойства. Известны кристаллогидраты FeCl3.nН2О (n=4, 5, 7, 12). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 433,05 Cм.см2/моль. Получают действием сухого хлора на металлическое железо или на смесь Fe2O3 с углем, на расплав FeCl2, на пирит или сульфид железа (II). Обладает кровоостанавливающим действием и применяется как катализатор в реакциях Фриделя-Крафтса, а также для лечения анемии и получения некоторых органических красителей.

-399,4 кДж/моль.

Бромид железа (III) FeBr3. Расплывающиеся на воздухе темно-красные гексагональные кристаллы. tпл=227°С [2], tкип=627°С. Растворяется в спирте, эфире, уксусной кислоте. Проявляет окислительные свойства. Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 438,3 Cм.см2/моль. Получают действием брома на железо или на FeBr2. Применяют в качестве бромирующего агента.

Сульфат железа (III) Fe2(SO4)3. Парамагнитный очень гигроскопичный желтовато-белый кристаллический порошок. Плотность равна 3,097 г/см3. Растворяется воде и разбавленной серной кислоте. Мало растворим в спирте. Разлагается при нагревании на Fe2O3 и SО2. Обладает окислительными свойствами. Известны кристаллогидраты Fe2(SО4)3.nН2О (n =1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12). Молярная электропроводность при бесконечном разведении при 25оС равна 888 Cм.см2/моль. Применяют как химический реактив при гидрометаллургической обработке медных руд, при коагуляции и осаждении загрязненной воды, как окислитель в различных реакциях и как катализатор в различных синтезах.

-2580 кДж/моль;

-2253 кДж/моль;

283 Дж/моль.K.

Нитрат железа (III) Fe(NO3)3.9H2O. Представляет собой фиолетовые кристаллы, растворимые в воде и в эфире. Получается при растворении железа в азотной кислоте (плотность равна 1,29 г/см3).

Ортофосфат железа (III) FePO4.2H2O. Выпадает в виде желтого осадка при действии на растворы солей железа (III) гидрофосфата натрия в присутствии ацетата аммония. Мало растворим в воде и уксусной кислоте. Взаимодействует с минеральными кислотами.

Гексацианоферрат (III) железа K3[Fe(CN)6].3H2O. Токсичные парамагнитные оранжево-красные (или желтые при -190оС) моноклинные призмы. Плотность равна 1,85 г/см3. Растворяется в воде и мало растворим в жидком SO2, гидразине и спирте. Проявляет окислительные свойства. Получают действием КCN на Fe(CN)3.

Тиоционат (роданид) железа (III) Fe(CSN)3. Парамагнитные красные с зеленым оттенком кубические кристаллы. Обладают металлическим вкусом, очень гигроскопичны. Растворяются в воде, эфире, спиртах и жидком SO2, мало растворим в CHCl3, CHBr3, CCl4, C2H5Br и C6H5CH3. Получают взаимодействием гидроксида железа (III) с HSCN или обработкой Ba(SCN)2 раствора сульфата железа (III).

Соединения шестивалентного железа

Феррат калия K2FeO4. Пурпурно-красного цвета. Образуется при действии хлора на суспензию гидроксида железа (III) в концентрированном растворе КОН, при сплавлении Fe2O3 с окислительно-щелочной смесью и при анодном окислении металлического железа в концентрированном растворе КОН. В водной среде неустойчив и разлагается с образованием гидроксида железа (III), гидроксида калия и выделением кислорода. Проявляет сильные окислительные свойства.



Соединения железа c валентностью 0

Пентакарбонил железа (VI) Fe(CO)5. Маслянистая светло-желтая диамагнитная жидкость, плотность равна 1,4664 г/см3, которая затвердевает при -20оС, кипит при 103оС. При нагревании разлагается на металлическое железо и СО. Растворяется в спирте, эфире, ацетоне, бензоле, уксусной кислоте. Разлагается водой. Проявляет восстановительные свойства. Получают действием СО на порошкообразное металлическое железо при давлении 200 атм. и температуре 150-200оС. Применяют для получения гранулированного металлического железа, а также для получения Fe2O3 - пигмента, применяемого для изготовления красок.

Биологическое значение

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине -- важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Неорганические соединения железа встречаются в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа -- был потерян «лишний» ноль после запятой).

Суточная потребность человека в железе следующая: дети -- от 4 до 18 мг, взрослые мужчины -- 10 мг, взрослые женщины -- 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности -- 33 мг. У женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс). Суточная потребность в железе мала и её легко удовлетворить. В организме легко восстанавливается равновесие между поступлением и выведением железа, и временный дефицит его легко восполняется за счет имеющихся запасов. Содержание железа в воде больше 1--2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз).

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Применение

Железо - важнейший металл современной техники. В чистом виде железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту "железными" часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов Железа приходится примерно 95% всей металлической продукции.

· Железо является основным компонентом сталей и чугунов -- важнейших конструкционных материалов.

· Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов например, никелевых.

· Магнитная окись железа (магнетит) -- важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.

· Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих черно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.

· Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.

· Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.

· Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.

· Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

· Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

моноклинный железо окисление электронный



Заключение

Железный век продолжается. Примерно 9/10 всех используемых человечеством металлов и сплавов - это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют в различных конструкциях самостоятельную роль, а если уж их в соответствии с традицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чаще они заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколько процентов потребляемых нами пластиков.

Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и в массе - дешевы. Сырьевая база этого металла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд хватило бы по меньшей мере на два века вперед. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.



Список использованной литературы

1. Химическая энциклопедия: в 5 тт. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). -- М.: Советская энциклопедия, 1990.

2. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. -- 4-е изд., стер. -- М.: Химия, 2000

3. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М., Химия, 1989.

4. Реми Г. Курс неорганической химии. т. 2. М., Мир, 1966

5. Р. Рипан, И. Четяну. Неорганическая химия // Химия неметаллов. -- М.: Мир, 1972.

Размещено на Allbest.ur