1. Железо: строение атома, получение, физические и химические свойства

Железо — химический элемент $№$ $26$, расположенный в побочной подгруппе $VIII$ группы, в четвёртом периоде.

Это $d$-элемент. В его атоме на $d$-орбиталях третьего электронного слоя находится $6$ электронов, а на $s$-орбитали четвёртого слоя — $2$ электрона:

{1 s}^{2} {2 s}^{2} {2 p}^{6} {3 s}^{2} {3 p}^{6} {3 d}^{6} {4 s}^{2}

Электронно-графическая схема атома железа выглядит следующим образом:

В образовании химических связей участвуют электроны внешнего и предвнешнего уровней, поэтому у железа переменные степени окисления. Наиболее устойчивы соединения со степенями окисления $+2$, $+3$.

Нахождение в природе и получение

По содержанию в природе железо занимает второе место среди всех металлов (после алюминия) и первое — среди металлов $B$-групп. Важнейшие железные руды: красный железняк (гематит)

{Fe}_{2} O_{3}

, магнитный железняк (магнетит)

{Fe}_{3} O_{4}

, бурый железняк (лимонит)

{Fe}_{2} O_{3} \cdot H_{2} O

, железный колчедан (пирит)

{FeS}_{2}


Рис. $1$. Гематит	Рис. $2$. Магнетит	Рис. $3$. Лимонит	Рис. $4$. Пирит

Для получения железа используют пирометаллургию, его восстанавливают коксом и угарным газом:

{Fe}_{2} O_{3} + 3 CO \overset{t}{=} 2 Fe + {3 CO}_{2} .

Из железной руды в доменных печах получают чугун, который затем перерабатывают в сталь.


Рис. $5$. Чугун	Рис. $6$. Сталь

В качестве восстановителя также используется водород:

{Fe}_{2} O_{3} + {3 H}_{2} \overset{t}{=} 2 Fe + {3 H}_{2} O .

Физические свойства железа

Чистое железо — пластичный серебристо-серый металл, обладающий магнитными свойствами. Железо относится к тяжёлым тугоплавким металлам; его плотность составляет $7,874$ г/см³, а температура плавления — $1539 °C$.

Химические свойства

В ряду активности железо располагается до водорода, относится к металлам средней активности. Во влажном воздухе оно реагирует с кислородом и водой и постепенно покрывается ржавчиной:

{Fe + O}_{2} {+ H}_{2} {O \to Fe}_{2} O_{3} {\cdot n H}_{2} O .

Железо вступает в реакции с неметаллами.

Реагенты	Характеристика реакций	Уравнения реакций
Галогены	Реакции идут при нагревании с образованием галогенидов железа($III$)	$2 Fe + 3 {Cl}_{2} \overset{t}{=} {2 FeCl}_{3}$
Кислород	При нагревании в кислороде железо сгорает с образованием оксида железа($II$, $III$) (железной окалины)	$3 Fe + 2 O_{2} \overset{t}{=} {Fe}_{3} O_{4}$
Сера	Реакция идёт при нагревании; образуется сульфид железа($II$)	$Fe + S \overset{t}{=} FeS$

Железо реагирует с водой и вытесняет водород из кислот, реагирует с растворами некоторых солей, а также восстанавливает ионы

{Fe}^{3 +}

до

{Fe}^{2 +}

Железо пассивируется концентрированными азотной и серной кислотами, но при нагревании окисляется ими до соединений железа $+3$.

Реагенты	Характеристика реакций	Уравнения реакций
Вода	Реагирует при нагревании с водяным паром, образуется оксид	$2 Fe + 3 H_{2} O \overset{t}{=} {Fe}_{2} O_{3} + 3 H_{2} ↑^{}$
Кислоты-неокислители	Выделяется водород, образуются соли железа($II$)	$Fe + 2 HCl = {FeCl}_{2} + H_{2} {↑;}^{}$ $Fe + H_{2} {SO}_{4 (р)} = {FeSO}_{4} + H_{2} ↑^{}$
Серная концентрированная кислота	Образуются сульфат железа($III$), сернистый газ и вода	${2 Fe + 6 H}_{2} {SO}_{4 (к)} {{\overset{t}{=} {Fe}_{2} (SO}_{4})}_{3} {+ 3 SO}_{2} {↑ + 6 H}_{2} O$
Азотная кислота	Образуются нитрат, вода и соединение азота	${Fe + 4 HNO}_{3 (р)} {= Fe ({NO}_{3})}_{3} {+ NO ↑ + 2 H}_{2} O$
Растворы солей	Вытесняет из растворов солей менее активные металлы	$Fe + {Cu ({NO}_{3})}_{2} = {Fe ({NO}_{3})}_{2} + Cu ↓^{}$
Соли железа($III$)	Образуются соли железа($II$)	${Fe + 2 FeCl}_{3} {= 3 FeCl}_{2}$

Источники:

Рис. 1. Гематит. https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/heap-natural-iron-ore-isolated-on-131632697. (Дата обращения: 20.01.2021).

Рис. 2. Магнетит. https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/iron-ore-rocks-which-metallic-can-2205029847. (Дата обращения: 05.04.2023).

Рис. 3. Лимонит. https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/macro-photography-natural-mineral-geological-collection-1274440675. (Дата обращения: 05.04.2023).

Рис. 4. Пирит. https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/pyrite-mineral-sulfide-group-1734246830. (Дата обращения: 10.02.2020).

Рис. 5. Чугун. https://www.shutterstock.com/ru/image-photo/old-cast-iron-plumbing-fittings-1689109489. (Дата обращения: 05.04.2023).

Рис. 6. Сталь. https://www.shutterstock.com/ru/image-illustration/stack-stainless-steel-flat-bar-3d-2034297092. (Дата обращения: 04.03.2021).

Вернуться в тему

Следующая теория

Отправить отзыв

Нашёл ошибку?

Сообщи нам!


Рис. \(1\). Гематит	Рис. \(2\). Магнетит	Рис. \(3\). Лимонит	Рис. \(4\). Пирит

1. Железо: строение атома, получение, физические и химические свойства

Теория: