Химия. Полный справочник для подготовки к ЕГЭ

По электроотрицательности (1,64) железо занимает промежуточное положение между типичными металлами (Na, Са) и типичными неметаллами (F, О, N). Проявляет амфотерные свойства, металлические (основные) свойства преобладают над неметаллическими (кислотными), в соединениях находится в составе катионов (чаще) и анионов (реже). Образует многочисленные соли и бинарные соединения.

В природе – седьмойпо химической распространенности элемент (четвертый среди металлов, первый тяжелый металл); находится в химически связанном виде. Жизненно важный элемент для всех организмов.

ЖелезоFe.Простое вещество. Серый мягкий, ковкий, тугоплавкий металл. Обычное железо медленно окисляется во влажном воздухе (ржавеет), чистое железо коррозии не подвергается. Не реагирует с водой, пассивируется в концентрированных серной и азотной кислотах.

Компактный металл покрывается при нагревании на воздухе оксидной пленкой (окалиной),а порошок сгорает; реагирует с хлором и серой:

Восстанавливает водяной пар (старый способ получения водорода в промышленности):

3Fe + 4Н ₂O (пар) = (Fe ^IIFe ₂ ^III)O ₄+ 4Н ₂(800 °C)

В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НCl и H ₂SO ₄, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:

Fe + 2Н ⁺= Fe ²⁺+ Н ₂^

(реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe ^IIпостепенно переводится кислородом в Fe ^III).

При действии на железо более сильного окислителя (здесь – азотная кислота) оно сразу переходит в катион Fe ³⁺:

Fe + 4HNO ₃(разб.) = Fe(NO ₃) ₃+ NO^ + 2H ₂O

Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:

Fe + 2NaOH (50 %) + 2Н ₂O = Na ₂[Fe(OH) ₄]V + Н ₂^

и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.

Железо вытесняет (по ряду напряжений) менее активные металлы из растворов их солей:

Fe + CuSO ₄= FeSO ₄+ CuV

Железо медленно окисляется во влажном воздухе (ржавеет), из-за рыхлости коричневой ржавчины(Fe ^IIFe ₂ ^III)O ₄защитный слой не создается. Процесс ржавления:

Техническое железо– сплавы железа с углеродом: чугунсодержит 2,06—6,67 % С, сталь0,02—2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Mn, Ni, Cr), что придает сплавам железа технически полезные свойства – твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.

Доменный процесс производства чугуна

Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:

а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд – перевод в оксидную руду:

б) сжигание кокса при горячем дутье:

в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно (см. рубрики соответствующих оксидов):

г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:

В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементитFe ₂C и графит.

Производство стали

Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700–2000 °C. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СO ₂, SO ₂), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Са ₃(РO ₄) ₂и CaSiO ₃. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Получениечистого железа в промышленности – электролиз раствора солей железа, например:

(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).

Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун – в производстве литья и стали, сталь – как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро– и коррозионно-стойкие.

Оксид железа(II)FeO.Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fe ²⁺O ^2-. При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:

Получениев лаборатории: термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:

Fe(OH) ₂= FeO+ H ₂O (150–200 °C)

FeCO ₃= FeO+ СO ₂(490–550 °C)