49. Железо и его соединения

Железо как химический элемент

Железо — элемент, расположенный в 4-м периоде, VIIIB-группе периодической системы. Электронная схема, формула электронной конфигурации и электронно-графическая схема его атома имеют вид:

или 26Fe 2е–, 8е–, 14е–, 2е–;

26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2 или 26Fe [Ar]3d64s2;

26Fe

Железо относится к d-элементам. Наиболее устойчивыми степенями окисления атомов железа являются +2 и +3.

Железо — второй по распространенности после алюминия металл в земной коре (массовая доля — около 5 %). В неокисленном состоянии железо изредка встречается в метеоритах в составе сплава с кобальтом и никелем. В природе железо находится в виде соединений. Наиболее распространенными минералами, включающими железо, являются Fe2O3 (гематит), Fe3O4 (магнетит), FeO(OH) (гетит), FeS2 (пирит), FeCO3 (сидерит).

В Республике Беларусь открыто два месторождения железных руд — Новоселковское (Кореличский район Гродненской области) и Околовское (Столбцовский район Минской области). Они рассматриваются в качестве возможной сырьевой базы для металлургической промышленности нашей страны. Главный рудный минерал этих месторождений — магнетит.

Коррозия железа

Изделия из железа в технике, быту, природе подвергаются коррозии. Коррозия — разрушение металла в результате взаимодействия с веществами из окружающей среды.

Причины коррозии. Условно процесс коррозии железа во влажной атмосфере можно представить уравнением:

.

Образующийся Fe(OH)3 подвергается частичной дегидратации — удалению воды — и поэтому состав ржавчины выражают формулой Fe2O3 · xH2O.

При высоких температурах может происходить окисление сухим кислородом с образованием Fe3O4:

.

В окружающей среде в присутствии иных окислителей, например кислот и кислотных оксидов, образуются соли железа.

Во всех этих процессах железо окисляется и разрушается, компоненты окружающей среды восстанавливаются. Продукты окисления железа образуются в виде рыхлых слоев, не защищающих металл от дальнейшей коррозии (§ 20, рис. 47, б).

Скорость коррозии, как и в случае других окислительно-восстановительных процессов, зависит от химической природы и площади соприкосновения реагентов, их концентрации, температуры. Коррозию ускоряют растворы солей и кислот (рис. 113). Коррозию замедляют, полируя поверхность металла, сохраняя металл в сухом воздухе. Коррозия железа замедлена в растворах щелочей или при контакте с более активным, чем железо, металлом (рис. 114).

Рис. 113. Коррозия железа в средах различного состава

Рис. 114. Коррозия железа при контакте: а — с цинком, б — медью

Из курса химии 9-го класса вам известно, что скорость коррозии увеличивается при контакте железа с менее активным металлом (рис. 114).

Знание факторов, влияющих на скорость коррозии, позволило предложить ряд способов защиты от коррозии.

1. Защитные покрытия. В качестве материалов для металлических покрытий применяют цинк, никель, медь, хром, серебро, бронзу, латунь и др. (рис. 115). Так, оцинкованное железо используют в качестве кровельного материала, в изготовлении кузовов автомобилей, шурупов. В этом случае железо не будет разрушаться до тех пор, пока не прореагирует все покрытие из цинка. Покрытия из менее активных металлов, чем железо, защищают его от коррозии лишь в случае, если в них отсутствуют поры, трещины, царапины.

Рис. 115. Защитно-декоративные покрытия на изделиях из стали

К неметаллическим покрытиям относят лакокрасочные и полимерные материалы, смазочные масла.

Защитные покрытия также получают путем оксидирования (создание слоя окалины Fe3O4) и фосфатирования (нанесение слоя фосфатов) поверхности металла.

Рис. 116. Защита от коррозии подземного стального трубопровода

2. Электрохимическая защита осуществляется подключением защищаемой конструкции к отрицательному полюсу внешнего источника постоянного тока (катодная защита) или приведением защищаемого металла в контакт с более активным металлом (рис. 116).

3. Легирование металлов. В расплав металла при его производстве добавляют легирующие добавки — хром, никель, молибден и др., снижающие активность металла. Таким образом получают, например, нержавеющую сталь.

4. Изменение состава и свойств коррозионной среды. Коррозионную среду можно изменить добавлением в нее ингибиторов (веществ, которые значительно уменьшают скорость коррозии металла, например нитрита, фосфата или хромата натрия и ряда других).

Рис. 117. Изделия из чугуна

Применение железа и его сплавов. До 95 % всего добываемого железа производится в виде его сплавов — чугуна и сталей. С составом, свойствами и сферами применения этих сплавов вы уже ознакомились, изучая материал § 43, а с методами получения — в § 45. Напомним, что содержание углерода в сталях ниже 2 %, то есть гораздо меньше, чем в чугуне, поэтому сталь — более ковкий, прочный и менее хрупкий сплав по сравнению с чугуном. Она легко подвергается механической обработке (режется, шлифуется, прокатывается, куется).

Чугун — более дешевый сплав с хорошими литейными свойствами, но более хрупкий. Изделия из чугуна более коррозионноустойчивы, чем из нелегированной стали (рис. 117). Различие в свойствах определило и разные области использования сплавов железа.

Чистое железо используется как катализатор, например в синтезе аммиака, бромировании бензола.

Вопросы, задания, задачи

1. Составьте формулу электронной конфигурации и электронно-графическую схему железа. Укажите число неспаренных электронов в основном состоянии атома железа.

2. Консервные банки из железа часто покрывают оловом. Этот процесс называют лужением. При появлении царапин на олове коррозия железной банки протекает быстрее, чем оцинкованного железа. Как это можно объяснить, используя положение металлов в ряду активности?

3. Какие заклепки — медные или алюминиевые — предпочтительнее использовать для скрепления двух железных деталей?

4. Почему нельзя готовить раствор медного купороса в железном ведре?

5. Три железные пластинки полностью погрузили в разбавленные растворы гидроксида калия, хлорида калия, уксусной кислоты, а четвертую — в дистиллированную воду. Опишите, что будет наблюдать экспериментатор через сутки.

6. Определите массу средней соли, образовавшейся при взаимодействии железа массой 11,2 г с достаточным количеством разбавленной серной кислоты.

7. Составьте уравнения реакций оксидов железа FeО, Fe2О3 и Fe3О4 с водородом, разбавленными серной и соляной кислотами.

8. Укажите направление смещения равновесия в системе

:

• а) при повышении давления;
• б) повышении температуры;
• в) увеличении концентрации угарного газа.

9. Железную пластинку массой 10 г выдержали в растворе медного купороса, содержащего cульфат меди(II) массой 2,4 г. Определите массу пластинки по окончании реакции.

10. Из каждой тонны железной руды, в которой массовая доля Fe3O4 равна 82 %, получен чугун массой 575 кг с массовой долей железа 95,5 %. Определите выход железа.

*Самоконтроль

1. В атоме железа в основном состоянии имеется(-ются):

• а) четыре неспаренных электрона;
• б) заполненная 4s-орбиталь;
• в) шесть р-электронов;
• г) вакантные 4р-орбитали.

2. Коррозия железа усиливается:

• а) при контакте с цинком;
• б) в растворах солей;
• в) при фосфатировании его поверхности;
• г) с увеличением влажности воздуха.

3. При комнатной температуре железо реагирует с:

• а) HNO3(разб);
• б) HСl(конц);
• в) H2SO4(разб);
• г) H2SO4(конц);

4. В реакции железа с водяным паром основным продуктом является:

• а) FeO;
• б) Fe2O3;
• в) Fe3O4;
• г) Fe(OH)3.

5. Железо при взаимодействии с хлором и соляной кислотой образует соответственно:

• а) FeCl2 и FeCl3;
• б) FeCl3 и FeCl3;
• в) FeCl3 и FeCl2;
• г) FeCl2 и FeCl2.