Файл: 1. Электронная структура атома хрома Физические и химические свойства.pdf

ЖЕЛЕЗО
ПЛАН
1. Электронная структура атома хрома
2. Физические и химические свойства
2.1. Физические свойства
2.2. Химические свойства
2.2.1.
Взаимодействие с неметаллами и водой
2.2.2.
Взаимодействие с кислотами
2.2.3.
Взаимодействие со щелочами
2.2.4. Восстановление металлов из оксидов и солей
3. История открытия
4. Содержание в земной коре
5. Особенности технологии получения железа из полезных ископаемых
6. Практическое применение

1. Электронная структура атома железа.
Железо располагается в четвертом периоде VIII группе побочной (В) подгруппе периодической системы элементов Д.И. Менделеева.
Относится к элементам d-семейства. Металл. Обозначение – Fe.
Порядковый номер – 26. Относительная атомная масса – 55,847 а.е.м.
Атом железа состоит из положительно заряженного ядра (+26), внутри которого находятся 26 протонов и 30 нейтронов, а вокруг ядра на четырех электронных уровнях движутся 26 электронов. Атомный радиус составляет
126 пм.
Электронная формула:
26
Fe1s
2 2s
2 2p
6 3s
2 3p
6 3d
6 4s
2
↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑
4s 3d
В возбужденном состоянии:
26
Fe
*
↑ ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
Железо образует соединения преимущественно в степенях окисления +2 и +3. Железо также встречается в более высоких степенях окисления, например, в ферратах (солях железной кислоты Н
2
FeO
4
, которая в свободном виде не получена) железо проявляет степень окисления +6.
2.
Физические и химические свойства
2.1. Физические свойства
Железо – типичный металл, в свободном состоянии серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности, углерод) повышают его твердость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами.
Для чистого железа при нормальном давлении существуют следующие устойчивые модификации:
- от абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объемноцентрированной кубической кристаллической решёткой;
- от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической кристаллической решеткой;

- от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объемноцентрированной кубической кристаллической решеткой.
Полиморфные модификации железа.
Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали.
Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решетки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.
Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения 2862 °C.
2.2. Химические свойства
Железо – металл средней активности. При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной оксидной пленкой, препятствующего дальнейшему окислению металла.
2.2.1 Взаимодействие с неметаллами и водой.
При нагревании железо реагирует с кислородом. При сгорании в кислороде образуется оксид железа (III):
4Fe+ 3O
2
= 2Fe
2
O
3
Если кислород пропускать через расплавленное железо, образуется оксид железа (II):
2Fe + O
2
= 2FeO
При горении на воздухе образуется смешанный оксид Fe
3
O
4
:
3Fe + 2O
2
= Fe
3
O
4

При нагревании железо реагирует с галогенами: с фтором при 300°С, с хлором
– при 200°С, с бромом – при более низких температурах, образуя галогениды железа (III):
2Fe + 3Cl
2
= 2FeCl
3
С азотом реагирует с образованием нитридов:
2Fe + N
2
= 2FeN или 6Fe + N
2
= 2Fe
3
N.
При нагревании с серой железо образует сульфид железа (II):
Fe + S = FeS.
2.2.2.
Взаимодействие с кислотами
В электрохимическом ряду напряжений металлов железо находится левее водорода, поэтому вытесняет водород из растворов неокисляющих кислот:
Fe+ 2HCl = FeCl
2
+ H
2
;
Концентрированная азотная и серная кислоты пассивируют железо. Железо может реагировать с разбавленной азотной кислотой при нагревании:
Fe + 4HNO
3(
разб. гор.)
= Fe(NO
3
)
3
+ NO + 2H
2
O
2.2.3.
Взаимодействие со щелочами
Железо реагирует с концентрированными растворами щелочей с выделением водорода:
Fe + 2 NaOH
(50%)
+ 2H
2
O = Na
2
[Fe(OH)
4
] + H
2
2.2.4. Восстановление металлов из оксидов и солей.
Железо способно вытеснять менее активные металлы из растворов их солей и при нагревании – из их оксидов:
Fe + CuCl
2
= FeCl
2
+ Cu
Fe + CuO = Cu + FeO
3. История открытия

Железо – один из семи металлов, известных с глубокой древности.
Человек, вероятно, познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к IV – V тыс. до н.э., в Египте и Месопотамии.
Способ получения железа из руд был открыт, по-видимому, во втором тысячелетии до н.э. в западной части Азии, а вслед за тем распространился в
Вавилоне, Египте, Греции.
Происхождение латинского названия железа – Ferrum, которое является международным, различные авторы трактуют по-разному. Вероятно, оно связанно с греко-латинским «fars» – быть твердым. Возможно сопоставление и с «ferrus», которое означает «нечувствительный, крепкий, непреклонный».
Русское название «железо» не вполне ясно, однако предполагают, что оно произошло от южнославянского «зализо» или «лезо», т.е. лезвие.
4. Содержание в земной коре
Железо по распространенности в земной коре находится на четвертом месте среди элементов (на втором после алюминия среди металлов), в земном шаре – на первом месте: ядро Земли – сидеросфера – состоит в основном из железа.
Геохимия железа очень сложна. Железо входит в состав чрезвычайно большого числа первичных и вторичных минералов, горных и осадочных пород. Наиболее практически важными (для получения металлического железа) являются: Fe
2
O
3
(
гематит), Fe
3
O
4
(
магнетит), FeS
2
(
пирит), FeCO
3
(
сидерит), α FeOOH (гетит), γ-FeOOH (лепидокрокит), HFeO
2
∙nH
2
O (
лимонит).
Первые три минерала относятся к первичным, остальные – к вторичным.
Однако они далеко не исчерпывают всего многообразия соединений железа, встречающихся в природе. Например, на дне океанов сосредоточены железо- марганцевые конкреции, содержащие более 200 млрд. тонн железа, разработка которых – дело будущего. Как правило, большинство горных и осадочных пород в том или ином количестве содержат примесь железосодержащих минералов. При переработке практически любой руды с целью выделения в индивидуальном состоянии тех или иных элементов периодической системы в технологическую схему входит стадия отделения железа.
5. Особенности технологии получения железа из полезных ископаемых
Получение железа из железной руды производится в две стадии. Оно начинается с подготовки руды - измельчения и нагревания. Руду измельчают на куски диаметром не более 10 см. Затем измельченную руду прокаливают для удаления воды и летучих примесей.

На второй стадии железную руду восстанавливают до железа с помощью оксида углерода в доменной печи. Восстановление проводится при температурах порядка 700 °С:
Fe
2
O
3(
тв.)
+ 3СО
(г)
↔ 2Fe
(
ж)
+ 3СО
2(г)
Для повышения выхода железа этот процесс проводится в условиях избытка диоксида углерода СО
2
Моноксид углерода СО образуется в доменной печи из кокса и воздуха.
Воздух сначала нагревают приблизительно до 600 °С и нагнетают в печь через особую трубу - фурму. Кокс сгорает в горячем сжатом воздухе, образуя диоксид углерода. Эта реакция экзотермическая и вызывает повышение температуры выше 1700°С:
С
(тв.)
+ О
2(г)
→ СО
2(г)
Диоксид углерода поднимается вверх в печи и реагирует с новыми порциями кокса, образуя моноксид углерода. Эта реакция эндотермическая:
СО
2(г)
+ С
(тв)
→ 2СО
(г)
Железо, образующееся при восстановлении руды, загрязнено примесями песка и глинозема. Для их удаления в печь добавляют известняк. При температурах, существующих в печи, известняк подвергается термическому разложению с образованием оксида кальция и диоксида углерода:
СаСО
3(тв.)
→ СаО
(тв.)
+ СО
2(г)
Оксид кальция соединяется с примесями, образуя шлак. Шлак содержит силикат кальция и алюминат кальция:
СаО + SiO
2
→ CaSiO
3
CaO + Al
2
O
3
→ CaAl
2
O
4
Железо плавится при 1540 °С. Расплавленное железо вместе с расплавленным шлаком стекают в нижнюю часть печи. Расплавленный шлак плавает на поверхности расплавленного железа. Периодически из печи выпускают на соответствующем уровне каждый из этих слоев.
Доменная печь работает круглосуточно, в непрерывном режиме. Сырьем для доменного процесса служат железная руда, кокс и известняк. Их постоянно загружают в печь через верхнюю часть. Железо выпускают из печи четыре раза в сутки, через равные промежутки времени. Оно выливается из

печи огненным потоком при температуре порядка 1500°С. Доменные печи бывают разной величины и производительности (1000-3000 т в сутки).
Железо, выплавленное в доменной печи, разливают в песочные изложницы. Такое железо называется чугун. Содержание железа в чугуне составляет около 95%. Чугун представляет собой твердое, но хрупкое вещество с температурой плавления около 1200°С.
Литое железо получают, сплавляя смесь чугуна, металлолома и стали с коксом. Расплавленное железо разливают в формы и охлаждают.
Сварочное железо представляет собой наиболее чистую форму технического железа. Его получают, нагревая неочищенное железо с гематитом и известняком в плавильной печи. Это повышает чистоту железа приблизительно до 99,5%. Его температура плавления повышается до 1400 °С.
Сварочное железо имеет большую прочность, ковкость и тягучесть.
6. Практическое применение
Железо – один из самых используемых металлов, на него приходится до
95 % мирового металлургического производства. Железо является основным компонентом сталей и чугунов – важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов, например, никелевых. Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа (III) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трехвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.