Общий (клинический) анализ крови
08.11.2018

Химические свойства оксида железа 3. Свойства оксида железа

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ЖЕЛЕЗА ОКСИДЫ . Оксид FeO (в технике - вюстит). В кристаллич. решетке вюстита имеются вакантные узлы, и его состав отвечает формуле Fe x O, где х = 0,89-0,95; уравение температурной зависимости давления разложения: lg p(O 2 , в мм рт. ст.) = - 26730/T+ 6,43 (T > 1813 К); см. также табл. В воде практически не раств., хорошо растворим в кислотах, растворах щелочей. Легко окисляется; пирофорeн. После прокаливания химический активность и пирофорность FeO снижаются. В природе - чрезвычайно редкий минерал иоцит. Получают восстановлением Fe 2 O 3 водородом либо СО или при прокаливании в атмосфере N 2 2FeC 2 O 4 * 3H 2 O. Сесквиоксид Fe 2 O 3 существует в трех полиморфных модификациях: наиболее устойчивая а (минерал гематит), g (маггемит, оксимагнетит) и d (с тригональной кристаллич. решеткой); температуры перехода a : g 677°С, g : d 777°С; D H 0 перехода a : g 0,67 кДж/моль. Для модификации a -Fe 2 O 3 уравение температурной зависимости давления разложения: lg p(O 2 , в мм рт. ст.) = - 10291/T+ 5,751gT - 1,09 * 10 - 3 Т -0,75 * 10 5 Т - 2 - 12,33; растворим в соляной и серной кислотах, слабо - в HNO 3 ; парамагнетик, точка Нееля 953 К. Модификации g - и d -Fe 2 O 3 ферримагнитны; g -Fе 2 О 3 образуется при низкотемпературном окислении Fe 3 O 4 и Fe, d -Fe 2 O 3 может быть получен при гидролизе и окислении растворов солей Fe(II). Оксид Fe(II,III) - соединение формулы Fe 3 O 4 , или FeO * Fe 2 O 3 , Fe II (Fe III O 2) 2 (минерал магнетит), при нагревании разлагается; при 627 °С a -форма переходит в b ; уравение температурной зависимости давления разложения: lgp(O 2 , в мм рт. ст.) = = - 33265/Т+ 13,37 (Т > 843 К); ферримагнетик, точка Кюри 900 К; отличается высокой электрич. проводимостью. Растворим в кислотах с образованием солей Fe(II) и Fe(III), прокаленный при 1200-1300 °С природные магнетит практически не растворим в кислотах и их смесях. При нагревании на воздухе окисляется до Fe 2 O 3 . Получают действием водяного пара на раскаленное железо, восстановлением Fe 2 O 3 , окислением FeO. ЖЕЛЕЗА ОКСИДЫ о. соответствует ряд гидроксидов. Гидроксид Fe(OH) 2 образуется при действии щелочи на водные растворы солей Fe(II); быстро окисляется до FeO(OH). Растворимость в воде 0,00015 г в 100 г (18°С), растворим в кислотах, растворах щелочей с образованием гидроксоферратов(II), например Na 2 , и растворах NH 4 Cl. Гидроксиды Fe(III) образуют в природе ряд бурых железняков: гидрогематит Fe 2 O 3 * 0,1H 2 O (твердый раствор воды в гематите), турьит 2Fe 2 O 3 * Н 2 О (тонкая механические смесь гётита и гидрогематита), гётит a -FeO(OH), или Fe 2 O 3 * H 2 O, лепидокрокит g -FeO(OH), гидрогётит 3Fe 2 O 3 * 4H 2 O, лимонит 2Fe 2 O 3 * 3H 2 O, ксантосидерит Fe 2 O 3 * 2H 2 O и лимнит Fe 2 O 3 *3H 2 O (твердые растворы воды в гётите).



Лимнит совпадает по составу с искусств. гидрогелем Fe(OH) 3 , получаемым осаждением щелочью из растворов солей Fe(III). При прокаливании гидроксиды Fe превращаются в a -Fe 2 O 3 . Гидроксид Fe(OH) 3 - очень слабое основание; амфотерен, при оглавлении со щелочами или основными оксидами образуют соли не выделенной в свободный состоянии железистой кислоты НFеО 2 - ферраты(Ш), или ферриты, например NaFeO 2 . При окислении Fe(OH) 3 в щелочной среде сильными окислителями образуются соли не существующей железной кислоты H 2 FeO 4 (триоксид FeO 3 также неизвестен) - ферраты(VI), например K 2 FeO 4 , - красно-фиолетовые кристаллы; при 120-200 °С разлагаются на Fe 2 O 3 , M 2 O и О 2 ; более сильные окислители, чем КМnО 4 . Прир. оксиды и гидроксиды Fe - сырье в производстве Fe, природные и синтетические - минеральных пигменты (см. Железная слюдка, Железооксидные пигменты, Железный сурик, Мумия, Охры, Умбра); FeO - промежуточные продукт в производстве Fe и ферритов, компонент керамики и термостойких эмалей; a -Fe 2 O 3 - компонент футеровочной керамики, цемента, термита, поглотит. массы для очистки газов, полирующего материала (крокуса), используют для получения ферритов; g -Fe 2 O 3 - рабочий слой магнитных лент; Fe 3 O 4 - материал для электродов при электролизе хлоридов щелочных металлов, компонент активной массы щелочных аккумуляторов, цветного цемента, футеровочной керамики, термита; Fe(OH) 2 -промежуточные продукт при получении ЖЕЛЕЗА ОКСИДЫ о. и активной массы железоникелевых аккумуляторов; Fe(OH) 3 - компонент поглотительной массы для очистки газов, катализатор в органическое синтезе.

Химическая энциклопедия. Том 2 >>

– химический элемент 18 группы Периодической системы элементов.

Железо известно с глубокой древности. Самые старые железные предметы найденные археологами, относятся к 4 тыс. до н. э. Считают, что материалом, из которого человек изготовил первые железные изделия, было метеоритное железо.

Не случайно на многих языках железо называли «небесный металл», «капающий с неба» и т.п. Первое научное доказательство того, что «железные камни падают с неба», предоставил в 1775 петербургский академик географ и путешественник Петр Симон Паллас (1741–1811), который привез в Петербург глыбу железного метеорита массой 600 кг. Самым крупным из железных метеоритов, найденных на Земле, является метеорит «Гобэ» массой около 60 т, который был обнаружен в 1920 в Юго-Западной Африке. Крупнейший железный метеорит, который наблюдали при падении, находится в Москве в музее Российской академии наук. При падении (18 октября 1816, Дальний Восток), метеорит разбился и было найдено два осколка массой 256 кг.

Метеоритное железо – не чистое. Обычно железные метеориты содержат никель (до 30%) и другие элементы. Метеоритное железо хорошо куется в холодном состоянии, а при нагревании становится хрупким, поэтому железные изделия древнейших мастеров невозможно перековать горячим способом.

Вкрапления металлического железа нередко содержатся в базальтовых и других изверженных породах. В 1905 на острове. Русский в Японском море вблизи Владивостока был обнаружен самородный чугун, содержащий 3,2% углерода.

Предполагают, что твердое ядро Земли, начиная с глубины 2900 км (экваториальный радиус Земли 6377 км), состоит из сплава железа (91–92%) и никеля (8–9%).

По распространенности в земной коре железо уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Соединения железа входят в состав многих минералов, горных пород, почв, живых организмов, однако руды железа немногочисленны. Наиболее ценными являются оксидные руды.

Пирит (железный колчедан) FeS 2 непосредственно для выплавки железа не используется, однако для выплавки применяют продукты его обжига при производстве серной кислоты. Название пирита происходит от греческого слова «пюр» – огонь. Этот минерал латунно-желтого цвета, с ярким металлическим блеском, является самым твердым природным сульфидом. Если по пириту ударить кремнем, то от минерала отскакивают искры, которыми можно поджечь трут или другой легко воспламеняющийся материал.

Железо из руд начали выплавлять в Африке в

 I тысячелетии до н.э. Здесь железные руды выходят на поверхность земли. Возможно, их находили в речных наносах. В бассейне р. Замбези археологи обнаружили глиняные домны, заброшенные железорудные шахты, груды шлака. Местные племена перешли из каменного века сразу в железный, минуя бронзовый.

Со временем железо повсеместно потеснило другие металлы и стало главным материалом для изготовления инструментов, оружия, механизмов и прочих изделий. Начавшийся в те далекие времена «железный век» продолжается до сих пор. На долю железа и его сплавов приходится около 95% всей производимой в мире металлопродукции. Сейчас основную массу железа выплавляют в виде чугуна и стали.

На протяжении почти трех тысячелетий металлургия железа не претерпевала принципиальных изменений. Сначала человек научился восстанавливать железные руды нагреванием с древесным углем, получая так называемое сыродутное железо, почти не содержащее углерода (ковкое и пластичное). В 6 в. до н. э. в Китае был получен первый чугун. Он был известен и античным металлургам. Производство чугуна в Европе начало развиваться в 17 в. В нашей стране промышленное получение чугуна началось в 17 в., а при Петре

 I Россия по выпуску чугуна уже превзошла все страны. Древние мастера знали также способ производства литой стали путем тигельной плавки. В 19 в. были изобретены новые процессы производства стали (бессемеровский, мартеновский и томасовский), которые используются до сих пор.

Чугун получают в вертикальных печах – домнах (рис. 1).

Чугун выплавляют из шихты, содержащей куски обогащенной руды, в присутствии восстановителя (кокса) и флюсов (обычно доломита

 CaCO 3 MgCO 3). Снизу в доменную печь вдувают воздух, обогащенный кислородом. Содержащийся в коксе углерод сгорает, а полученный диоксид углерода восстанавливается избытком углерода до монооксида. Образующийся в печи монооксид углерода последовательно восстанавливает содержащийся в руде оксид железа( III ) до железа: Fe 2 O 3 + 3 CO = 4 Fe + 3 CO 2

Температура в горне (нижней части) печи, где скапливается жидкий чугун, превышает 1500

° С. В условиях доменной печи происходит интенсивное насыщение железа углеродом (науглероживание), поэтому доменный чугун обычно содержит от 2 до 4,6% углерода. Флюсы взаимодействуют с компонентами руды, образуя шлак, в который уходят вредные примеси (сера, фосфор), пустая порода, излишки марганца и некоторые цветные металлы. Доменные газы выпускаются через колошники в верхней части печи.

Производство стали основано на переплавке чугуна в присутствии окислителей. В ходе выплавки стали содержание углерода снижается до 1,5–2%. Образующийся в окислительных условиях

 FeO реагирует с углеродом и примесями, окисляя их и восстанавливаясь до Fe .

В кислородно-конверторном (бессемеровском) способе используют специальную емкость для выплавки стали – конвертер, представляющий собой ретортообразный резервуар (рис. 2).

В конвертер заливают жидкий чугун, который продувается смесью кислорода с воздухом и углеводородами, и шихту, содержащую чугун, руду, стальной лом и флюсы, а затем подается чистый кислород.

Мартеновскую плавку проводят в специальных (мартеновских) печах. При плавлении шихты происходит окисление железа и примесей. Чтобы повысить эффективность процесса, воздушное дутье обогащают кислородом. Аналогичные процессы протекают и при выплавке стали электросталеплавильным методом. Он удобен тем, что позволяет более точно регулировать условия процесса, а также проводить плавку в вакууме или под давлением.

Железо особой степени чистоты, содержащее менее 0,001% примесей, получают через карбонильный комплекс. Для этого исходный технический металл обрабатывают при 150–200

° С под давлением монооксидом углерода. Образующийся при этом жидкий карбонил [ Fe (CO ) 5 ] очищают перегонкой, а затем разлагают при более высокой температуре до металла. Полученный порошок называют карбонильным железом.

Чистое железо – твердый, серебристо-белый, тугоплавкий металл. При обычном давлении железо существует в виде четырех кристаллических модификаций. До температуры 917

° С устойчиво a - Fe , которое ниже 769 ° С обладает ферромагнитными свойствами. Другие модификации образуются при более высоких температурах. В жидкое состояние металл переходит при 1535 ° С. При резком охлаждении высокотемпературные модификации железа не успевают полностью перейти в a -модификацию. На этом основаны методы закалки стали.

Железо проявляет умеренную химическую активность. Оно горит в атмосфере кислорода, образуя оксид

 Fe 2 O 3 . В мелкораздробленном состоянии металл пирофорен, т.е. способен самовозгораться на воздухе. Тонкий порошок железа можно получить при термическом разложении оксалата железа в атмосфере водорода.

Железо реагирует с расплавленной серой, образуя сульфид, активно взаимодействует с хлором, бромом и иодом с образованием трихлорида, трибромида и дииодида. С фтором железо реагирует слабо из-за образования на поверхности плотной мало летучей пленки трифторида. При температурах более 500

° С металл обратимо взаимодействует с углеродом: Fe + C Fe 3 C

Карбид железа такого состава называют цементитом. Он содержится в чугунах и сталях.

Металлическое железо на холод

 e быстро реагирует с кислотами-«неокислителями», образуя соли железа( II ). В холодных концентрированных серной и азотной кислотах металл пассивируется, что позволяет транспортировать концентрированную серную кислоту в железных цистернах. В разбавленной азотной кислоте образуется нитрат железа( III ): Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O При температуре 600 ° С железо окисляется водой: 3Fe + 4H 2 O (Fe II ,Fe III 2) О 4 + 4H 2 При более высокой температуре равновесие смещается влево.

Под действием атмосферной влаги и воздуха железо коррозирует (ржавеет):

4Fe + 2H 2 O + 3O 2 = 4FeO(OH) За счет коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого железа (см . КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ ).

Очень чистое железо, содержащее менее 0,01% примесей серы, углерода и фосфора, устойчиво к коррозии. Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна, поставленная еще в 9 в. до н.э., на которой нет никаких признаков ржавчины. Она сделана из очень чистого металла с содержанием железа 99,72%. Не последнюю роль в коррозионной устойчивости материала знаменитой колонны могут играть климатические особенности этой местности.

Металлическое железо взаимодействует при нагревании с концентрированными (более 30%) растворами щелочей, образуя гидроксокомплексы. Под действием сильных окислителей при нагревании железо может образовывать соединения в степени окисления (+

 VI ) – ферраты: Fe + 2 KNO 3 = K 2 FeO 4 + 2 NO

Для железа известны оксиды и гидроксиды в степенях окисления (

 II ) и (III ).

Монооксид железа получают прокаливанием карбоната или оксалата железа(

 II ) в инертной атмосфере: Fe (C 2 O 4) = FeO + CO 2 + CO

Это темноокрашенное твердое, тугоплавкое вещество. С водой монооксид железа не взаимодействует, но легко реагирует с кислотами:

 FeO + 2 H + = Fe 2+ + H 2 O

Белый гидроксид железа(

 II ) Fe (OH ) 2 образуется при действии растворов щелочей на водные растворы солей железа. На воздухе он быстро темнеет в результате окисления: 4Fe(OH) 2 + O 2 = 4FeO(OH) + H 2 O Буро-красный оксид железа( III ) Fe 2 O 3 получают термическим разложением гидроксида или нитрата железа( III ). Он разлагается при плавлении (1565 ° С) на FeO и O 2 . Оксид Fe 2 O 3 , полученный при не слишком высоких температурах, реагирует с кислотами: Fe 2 O 3 + 3 H + = 2 Fe 3+ + 3 H 2 O

После сильного прокаливания

 Fe 2 O 3 становится инертным, и с кислотами не взаимодействует.

Двойной оксид железа (

 Fe II , Fe III 2)О 4 образуется при действии водяного пара на раскаленное железо,при восстановлении Fe 2 O 3 , окислении FeO . Он растворяется в кислотах с образованием солей железа( II ) и железа(III ), при нагревании на воздухе окисляется до Fe 2 O 3 .

Гидроксид железа(

 III ) образуется при подщелачивании водных растворов солей: FeCl 3 + 3(NH 3 ·H 2 O) = FeO(OH) – + 3NH 4 Cl + H 2 O Он устойчив и не проявляет заметных окислительных свойств.

Железо образует простые соли почти со всеми анионами. Растворимы в воде нитраты, сульфаты, галогениды (кроме фторидов), ацетаты и др. Катион железа(

 II ) может быть окислен многими окислителями до катиона железа( III ). Растворы солей железа( II ) и его твердые соли постепенно окисляются даже просто при хранении на воздухе: 4FeCO 3 + 2H 2 O + O 2 = 4FeO(OH) + 2CO 2

4FeS + 6H 2 O + O 2 = 4FeO(OH) + 4H 2 S

Наиболее устойчивой твердой солью железа( II ) является гексагидрат сульфата железа( II )-аммония (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 . 6 H 2 O (соль Мора).

При нагревании сульфаты, нитраты, карбонаты и оксалаты железа разлагаются. При этом железо(

 II ) обычно окисляется до железа( III ), например: FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 3 + SO 2

Соли железа(

 III ) подвергаются сильному гидролизу. Fe 3+ проявляет умеренные окислительные свойства. Из-за протекания окислительно-восстановительных реакций не удается получить соли железа( III ) с анионами, обладающими восстановительными свойствами: FeCl 3 + H 2 S = 2 FeCl 2 + S + 2 HCl

Железо в степени окисления (+

 VI ) образует феррат-ион FeO 4 2– , для которого известны соли со многими катионами металлов. По строению и растворимости в воде ферраты подобны сульфатам и хроматам. Так, ферраты бария и стронция мало растворимы в воде, а ферраты щелочных элементов образуют растворы малиново-красного цвета. В сильнощелочной среде феррат-ион довольно устойчив, но при подкислении раствора он разрушается: FeO 4 2– + 20 H + = 4 Fe 3+ + 3 O 2 + 10H 2 O

В щелочной среде окислительные свойства ферратов выражены слабо. В этих условиях их несложно синтезировать:

2FeO(OH) + 3Cl 2 + 10 KOH = 2K 2 FeO 4 + 6KCl + 6H 2 O

Fe 2 O 3 + KClO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + KCl + 2H 2 O (

сплавление ) Железо является хорошим комплексообразователем.

В присутствии некоторых лигандов стабилизируются аномально низкие степени окисления железа, например, степень окисления (0).

В 1916 на Баденской анилиново-содовой фабрике (

 BASF ) в Германии обнаружили забытый стальной баллон со сжатым монооксидом углерода. Когда баллон вскрыли, на дне его было около 500 мл желтой маслянистой жидкости с характерным запахом. Была установлена его химическая формула [ Fe (CO ) 5 ]. При нагревании в инертной атмосфере этот карбонильный комплекс вполне устойчив (закипает при 103° С), однако легко сгорает на воздухе. Группы СО могут замещаться на другие лиганды – амины, непредельные органические соединения (например, бутадиен С 4 Н 6) и др.: + C 4 H 6 = + 2CO Известны комплексы железа, содержащие в качестве лиганда группу NO , например, [ Fe (CN ) 5 NO ] 2– , [ Fe (NO ) 4 ]. Установлено, что в этих соединениях группа NO несет отрицательный заряд. Образование нитрозильного комплекса железа используется для обнаружения монооксида азота: SO 4 + NO SO 4 + H 2 O В результате этой реакции появляется характерное бурое окрашивание.

Качественной реакцией на катион железа(

 III ) является взаимодействие с тиоцианат-ионом: 3+ + nNCS – 3–n + nH 2 O Образуется смесь тиоциантных комплексов ( n = 3–6), имеющих ярко-красный цвет.

Малоустойчивые тиоцианатные комплексы железа(

 III ) легко разрушаются в присутствии лигандов, образующих более прочные комплексы, например, фторид ионов.

Большое практическое значение имеют комплексы железа с анионами ортофосфорной кислоты, которые образуются, когда ржавчина с поверхности металлического железа удаляется водным раствором кислоты. Появившиеся в кислотной среде аквакатионы железа вступают во взаимодействие с имеющимися в растворе анионами

 H 2 PO 4 – , HPO 4 2– и PO 4 3– , в результате образуется ряд комплексов, среди которых преобладает [ Fe (H 2 PO 4) 4 ] – . В его состав входят два бидентатных и два монодентатных лиганда H 2 PO 4 – . В меньшей степени образуются [ Fe (HPO 4) 4 ] 3– и [ Fe (PO 4) 4 ] 6– .

Особой устойчивостью отличаются цианокомплексы железа. Комплексы железа

 K 4 [ Fe (CN ) 6 ]·3 H 2 O и K 3 [ Fe (CN ) 6 ] имеют тривиальные названия «желтая» и «красная кровяные соли». Желтую кровяную соль, видимо, обнаружили случайно в начале 18 в. Это соединение получали из животных отбросов (в том числе крови), которые нагревали вместе с карбонатом калия и железными опилками. При действии раствора желтой кровяной соли на соли железа( III ) они окрашивались в синий цвет. Извлеченная из раствора краска оказалась очень яркой, относительно дешевой, неядовитой (в отличие от самой желтой кровяной соли), устойчивой к действию слабых кислот. У нее было много названий, но закрепилось одно – берлинская лазурь, наверное, потому, что первым стал использовать эту краску берлинский красильный мастер Дизбах. Способ получения берлинской лазури долго держали в секрете, но спустя несколько десятилетий химики разных стран, в том числе и первый русский ученый-естествоиспытатель Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765), открыли тайну синтеза этого вещества. Похожую краску научились получать и другим способом. В 1822 немецкий химик Леопольд Гмелин (1788–1853) выделил красную соль K 3 [ Fe (CN ) 6 ], окисляя хлором желтую K 4 [ Fe (CN ) 6 ] · 3 H 2 O . Соль Гмелина реагировала с растворами солей железа( II ) с образованием синего продукта, который назвали турнбулевой синью в честь одного из компаньонов фирмы «Артур и Турнбуль», вторым хозяином которой был дедушка знаменитого английского химика и физика Уильяма Рамзая (1852–1916). Сам Рамзай считал, что именно его дед, потомственный красильщик, открыл эту красивую краску. Позднее образование берлинской лазури и турнбулевой сини стали использовать для определения ионов железа в растворе: синяя окраска появляется только при действии гексацианоферрата( II ) калия (желтой кровяной соли) на катион железа( III ) или гексацианоферрата( III ) (красной кровяной соли) на катион железа( II ), но не наоборот.

Химический состав берлинской лазури и турнбулевой сини, несмотря на некоторое непостоянство, практически одинаков. Долгое время считали, что они различаются степенями окисления железа во внешней и внутренней сфере образующихся комплексных соединений. Полагали, что берлинской лазури соответствует формула

 KFe III [ Fe II (CN ) 6 ], а турнбулевой сини – KFe II [ Fe III (CN ) 6 ], но последующие исследования показали, что берлинская лазурь и турнбулева синь – это одно и то же вещество. Удалось установить, что катионы железа( II ) окружены шестью атомами углерода, а катионы железа( III ) – атомами азота. Это комплексное соединение можно схематически представить в таком виде

Цианидные лиганды являются мостиковыми. А в полостях этой структуры находятся катионы калия.

Железо в степени окисления (+

 II ) может присоединять ненасыщенные углеводороды, заполняя свои вакантные атомные орбитали p -электронами кратных связей.

На нефтеперерабатывающих заводах давно замечали образование красноватого кристаллического налета в железных трубопроводах, когда по ним при высокой температуре пропускали продукты перегонки нефти, содержащие циклопентадиен. Анализ этих кристаллов показал, что они представляют собой новое химическое соединение, которому дали название ферроцен. В состав ферроцена [

 Fe (C 5 H 5) 2 ] входят циклопентадиенил-ионы – анионы циклопентадиена, который можно рассматривать как очень слабую кислоту. Ферроцен можно получить в растворе тетерагидрофурана по реакции: 2Na(C 5 H 5) + FeCl 2 = + 2NaCl Атом железа расположен между плоскими циклопентадианильными циклами. За сходство со знаменитым бутербродом такие комплексы стали называть «сэндвичевыми» (рис. 3). Рис. 3. СТРОЕНИЕ ФЕРРОЦЕНА

Железо и его сплавы (чугуны и стали) – основа современной индустрии. Хотя в некоторых областях техники сплавы на основе железа несколько потеснены цветными металлами, полимерами и керамикой, они до сих пор остаются важнейшими конструкционными материалами. Из всех веществ, производимых химическими методами, железо по-прежнему находится на первом месте.

Широко используются и уникальные магнитные свойства железа. Оно – основной металл для сердечников электромагнитов и якорей электромашин. Эффективным материалом для изготовления магнитных носителей является оксид железа(

 III ).

Каталитические свойства железа используют в синтезе аммиака.

Многие соединения железа применяются в качестве пигментов. Наиболее известными являются желто-коричневая охра (смесь гидроксидов железа с глиной) и ее разновидности – светло-коричневая сиена и коричневая умбра, красно-коричневый железный сурик (

 Fe 2 O 3), желтый железооксидный пигмент (метагидроксид железа).

Ферроцен предложено использовать в качестве термостойкого теплоносителя и присадки к минеральным маслам и топливу.

В организме человека содержится около 5 г железа. Из них 57% приходится на гемоглобин крови, 7% – на миоглобин мышц, 16% связаны с тканевыми ферментами, а 20% – это запас, отложенный в печени, селезёнке, костном мозге и почках.

Гемоглобин – сложный по составу белок, содержащий и небелковую гем -группу, на долю которого приходится около 4% массы гемоглобина. Гем представляет собой комплекс железа (II) с макроциклическим лигандом – порфирином и имеет плоское строение. В этом комплексе атом железа связан с четырьмя донорными атомами азота макрокольца так, что атом железа находится в центре этого порфиринового кольца. Пятую связь атом железа образует с атомом азота имидазольной группы гистидина – аминокислотного остатка глобина (рис. 4).

Шестое координационное место атома железа используется для связывания кислорода. Физиологическая функция гемоглобина заключается в способности обратимо связывать кислород и переносить его от лёгких к тканям. Гемоглобин снабжает организм кислородом и выводит из него диоксид углерода.

С оксидом углерода («угарный газ») гемоглобин способен образовать более прочные связи, чем с кислородом. Если это происходит в организме, гемоглобин теряет способность переносить кислород клеткам и выводить из организма диоксид углерода. Так происходит отравление организма оксидом углерода.

От избытка железа организм оберегает специальный фермент апоферритин. Дефицит железа в организме встречается довольно часто, в результате этого развиваются болезни крови, появляется упадок сил, общее ухудшение состояния, неестественная бледность кожи. В период формирования мозга дефицит железа вызывает нарушения в его развитии.

Суточная норма потребности человека составляет около 15 мг железа. Много железа в сливовом соке, кураге, изюме, орехах, тыквенных и подсолнечных семечках. В 10 г проросшей пшеницы содержится 1 мг железа. Черный хлеб, отруби, хлеб грубого помола также богаты железом. Следует учесть, что организмом усваивается всего лишь 10% от всего железа, получаемого с пищей. Витамины и пищевые продукты растительного происхождения способствуют усвоению железа, а в присутствии щавелевой и фитиновой кислот железо не всасывается.

При недостаточном поступлении железа в организм используют содержащие его лекарственные препараты. Для этих целей когда-то применяли даже обычные железные опилки. Из истории известно, что граф А.П.Бестужев-Рюмин (1693–1766) предложил в качестве укрепляющего и возбуждающего средства капли (они получили название «бестужевские»), представлявшие собой раствор трихлорида железа в смеси этанола и этилового эфира. Сейчас для устранения дефицита железа обычно используют порошкообразное железо в таблетках или капсулах и препараты на основе ферроцена.

Елена Савинкина

ЛИТЕРАТУРА Хьюи Дж. Неорганическая химия. Строение вещества и реакционная способность . Пер. с англ. М., Химия, 1987
Степин Б.Д., Аликберова Л.Ю. Книга по химии для домашнего чтения . М., Химия, 1994 серной : FeO + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 O азотной : 3FeO + 10HNO 3 = 3Fe(NO 3) 3 + NO + 5H 2 O Fe 2 O 3 + CO = 2FeO + CO 2

Применяются при производстве магнитных носителей информации (магнитных лент для аудио-, видео- и компьютерной техники, дискет , накопителей на жёстких магнитных дисках).


Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Железа оксиды" в других словарях:

    ЖЕЛЕЗА ОКСИДЫ: FeO Fe2O3 и Fe3O4. Природные оксиды железа (гематит и магнетит) сырье для получения железа. Применяются в производстве магнитных материалов, в качестве пигментов, компонентов футеровочной керамики … Большой Энциклопедический словарь

    ЖЕЛЕЗА ОКСИДЫ: FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Природные оксиды железа (гематит и магнетит) сырье для получения железа. Применяются в производстве магнитных материалов, в качестве пигментов, компонентов футеровочной керамики … Энциклопедический словарь

    ЖЕЛЕЗА ОКСИДЫ - не растворимые в воде соединения FeO, Fe203 и их смесь Fe304 (в природе минерал магнетит), которые применяют для производства чугуна, стали, ферритов и др … Большая политехническая энциклопедия

    FeO, Fe2O3 и Fe3О4. Природные оксиды железа (гематит и магнетит) сырьё для получения железа. Применяются в производстве магнитных материалов, в качестве пигментов, компонентов футеровочной керамики … Энциклопедический словарь

    Не растворимые в воде соединения железа: чёрный FeO (устар. закись железа), tnл 1368 °С; чёрный Fе2О3 (устар. закись окись железа, в природе минерал магнетит), tnл 1538 °С; жёлтый, коричневый или тёмно красный Fe3O4 (в природе минерал гематит или … Большой энциклопедический политехнический словарь

    Оксид FeO (в технике вюстит). В кристаллич. решетке вюстита имеются вакантные узлы, и его состав отвечает ф ле FexO, где х= 0,89 0,95; ур ние температурной зависимости давления разложения: lg p(O2, в мм рт. ст.) = 26730/T+ 6,43 (T > 1813 К);… … Химическая энциклопедия

    FeO, Fe2O3 и Fe3O4. Природные Ж. о. (гематит и магнетит) сырьё для получения железа. Применяются в произ ве маги, материалов, в качестве пигментов, компонентов футеровочиой керамики … Естествознание. Энциклопедический словарь

    ОКСИДЫ: FeO (черный, tпл 1369шC); Fe2O3 (от темно красного до черно фиолетового или коричневого цвета, tпл 1565шC; минерал гематит и др.); Fe3O4 (черный, tпл 1594шC; минерал магнетит). Природные железа оксиды сырье в производстве железа,… … Современная энциклопедия

    См. Железа оксиды … Химическая энциклопедия

    ОКСИДЫ ЖЕЛЕЗА, одно из трех соединений, существующих в трех состояниях: окись железа (II) (закись железа, FeO); окись железа (III) (окись железа, Fe2O3), которая встречается в природе как ГЕМАТИТ; и закисно окисное железо (Fе3О4), которое… … Научно-технический энциклопедический словарь

ВВЕДЕНИЕ


Данная работа посвящена изучению свойств оксида железа (III) Fe2O3, также известного как минералы: гематит (?-Fe2O3), лимонит (Fe2O3H2O), входит в состав магнетита (FeOFe2O3).

Тема курсовой работы представляет практический и теоретический интерес. Проект будет полезен предприятиям, синтезирующим вещество Fe2O3 в промышленных масштабах.

Также проект полезен как сборник информации о железе, некоторых его оксидах, оксиде железа (III) в частности, и минералах, в состав которых он входит.

Цели, выполнение которых необходимо достичь по окончании работы над проектом: собрать наиболее полную информацию об оксиде железа (III), изучить его свойства и способы синтеза.

Задачи проекта:

Собрать полноценную и актуальную информацию по теме.

Изучить свойства железа и его оксида (III) Fe2O3, на основе чего узнать о применении этих веществ.

Рассмотреть все возможные способы синтеза и выделить наиболее выгодный из них.

По окончании данного проекта следует сделать заключение по проделанной работе, указать какие задачи были выполнены, а какие нет.



Железо было известно еще до нашей эры. Люди древнего Египта и Северной Америки пользовались предметами, сделанными из метеоритного железа. В те времена железо было самым распространенным материалом после бронзы.

Считается, что народы Кавказа и Туркестана первыми получили железо из минералов. Позже железо распространилось в Вавилон, Египет, Грецию и Рим. Железо, полученное примитивным способом (который состоял в нагревании железной руды с древесным углем в ямах или печах из глины), было загрязнено шлаком и очищалось долгой ковкой.

На древнем Востоке при выплавке железа использовались печи, оснащенные мехами для подачи воздуха. В XV в. за счет увеличения потока подаваемого воздуха была увеличена температура выплавки. Благодаря этому удалось получить чугун, который был очень хрупок и ломался от удара молотка. Позже было получено ковкое железо путем нагревания чугуна с древесным углем в горне в токе воздуха.

Огромным скачком в металлургии железа является замена древесного угля коксом - восстановителем, источником углерода и одновременно горючим материалом. Уже в XIX в. были разработаны технологические процессы получения стали.


1.1 Нахождение в природе


В природе железо практически не встречается в свободном состоянии. Обычно оно входит в состав минералов в виде различных соединений. Его содержание в земной коре составляет 4,7 вес. %.

Наиболее типичными минералами железа являются: Сидерит, Лимонит, Гематит, Магнетит. Также существуют и другие минералы: Вюстит, Пирит, Марказит, Лёллингит, Миспикель, Мелантерит, Вивианит и пр.

Залежи полезных ископаемых, содержащих минералы железа, находятся в разных странах: России, Швеции, Норвегии, Франции, Греции, Италии, Кубе, Турции и пр.

Процентное содержание железа в минералах колеблется от 25 до 70%. Руды, содержащие менее 45% железа, относятся к бедным и в промышленности не используются. Обогащают руды магнитным способом. Гематит или лимонит превращают в магнетит термической обработкой и пропускают через магнитное поле для отделения от пустой природы.

Железо входит в состав гемоглобина - компонента эритроцитов крови живых организмов. У некоторых видов вместо железа в молекуле гемоглобина присутствует медь.


1.2 Получение и применение


Чистое мало окисляемое металлическое железо может быть получено восстановлением оксида железа (III) Fe2O3 водородом при нагревании:


Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O


Восстанавливая Fe2O3 водородом при 278-340°С, получают пирофорное железо, при 550-650°С - железо, свыше 700°С - спекшуюся массу губчатого металлического железа.

Чисто железо можно получить путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)5 без доступа кислорода и при температуре свыше 140°С, а также электролизом водного раствора FeCl2·4H2O с добавлением NH4Cl при 30°С.

Загрязненное металлическое железо может быть получено алюмо- или кремнетермическим восстановлением оксида железа (III) Fe2O3 и оксидов железа (II, III) Fe3O4.

Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3

Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3


Для получения различных ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама, ферромолибдена и др.) применяются алюмо- или кремнетермическое восстановление смеси Fe2O3 с оксидами соответствующих металлов (Cr2O3, WO3, MoO3 и т.д.). При кремнетермическом восстановлении используют элементарный кремний или ферросилиций.

Для получения сверхчистого железа (10-6% примесей) используют метод зонной плавки.

Для получения чугуна или сырого железа (сплавы железа с углеродом) используются минералы, не содержащие серу, мышьяк и фосфор: гематит, лимонит, магнетит, сидерит.

Получение чугуна путем восстановления железных руд осуществляется в доменных печах. Процесс превращения чугуна (сырого железа) в ковкое железо проходит путем окисления и частичного удаления примесей (S, P, As, Si и пр.), т.е. путем аффинажа по процессу Пудделя, Бессемера, Томаса или Мартена.

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, которые соединены основаниями. Ее высота - 65 м, диаметр 5-11м. Рабочий объем печи - 200-2000 м3, производительность - около 2000 т чугуна в сутки. Верхний конус печи называется шахтой. Он сделан из огнеупорных кирпичей и имеет в верхней части так называемый «колошник» - автоматическое устройство для удаления доменных газов. Нижний конус сделан из огнеупорного силикатного кирпича. В его нижней части находится горн, имеющий цилиндрическую форму. Сама печь поддерживается металлическими конструкциями, так как имеет достаточной большой вес.

Процесс выплавки чугуна проходит так: сверху в доменную печь загружают измельченную железную руду, которую послойно перемешивают с коксом; снизу под давлением поступает предварительно нагретый воздух, в котором сгорает кокс. Образующийся при горении оксид углерода восстанавливает железо из его оксидов:


CO+Fe2O3=2Fe+3CO2?


Так как реакция обратима, в соответствии с принципом Ле-Шателье, равновесие смещается влево при повышенной температуре. Поэтому реакция осуществляется, в основном, в верхней части печи, где температура ниже. Часть Fe2O3 восстанавливается только до FeO:


Fe2O3+CO=2FeO+CO2?


В нижней части печи, где температура очень высокая, восстановителем является непосредственно углерод:



Вследствие очень высокой температуры в нижней части печи железо плавится и стекается вниз. Пространство, освобожденное в связи с этим, заполняют сверху новыми слоями руды и кокса.

Железо и его сплавы активно применяются во всех отраслях промышленности в связи с его возможностью сохранять механические и физико-химические свойства при температурах до 900 °C. Сплавы железа бывают нескольких типов: магнитные, немагнитные, кислотостойкие, твердые, нержавеющие, жаропрочные и др.

Стали используются в производстве электровозов, вагонов, железно-дорожных рельсов, тракторов, буровых установок, подъемных кранов и применяются во многих других отраслях.

Помимо стали и чугуна известны сплавы, содержащие 4-6,5% железа, такие как латунь и бронза. В них железо служит добавкой для модификации прочности, пластичности, твердости, ковкости, скорости старения и др. свойств.

Железо и его сплавы для современной техники имеют огромное значение. Расход железа превышает 100 млн. тонн в год во всем мире.


3Физические свойства и химические свойства


Чистое железо в компактном состоянии представляет собой серебристо-серый металл с синеватым отливом, имеющий плотность 7,867 г/см3, твердость 4-5 по шкале Мооса, т. пл. 1536°C и т. кип. 3250°C. Железа существует в виде четырех аллотропных модификаций, а именно: ?-Fe, устойчивое до 768°C, ?-Fe, устойчивое в интервале 768-906°C, ?-Fe, устойчивое в интервале 906-1401°C, и ?-Fe, устойчивое в интервале 1401-1536°С.

Модификация ?, ?, ? имеют кубическую объёмноцентрированную кристаллическую структуру, а модификация ?-гранецентрированную кубическую структуру решетки. Модификация ? и ? - ферромагнитны, а ? и ? - диамагнитны. Ферромагнетизм исчезает, когда железо нагрето до точки Кюри 768°C.

В тонко измельченном состоянии металлическое железо обладает пирофорными свойствами и образуется в результате перегонки амальгамы железа или восстановления Fe2O3 водородом примерно при 270°.

Горячее пирофорное железо самопроизвольно загорается на воздухе, поскольку, будучи тонкоизмельченным и имея водород включения, энергично взаимодействует с кислородом воздуха.

Известно очень большое число сплавов (чугуны, стали и др.), образуемых железом с различными металлами (Со, Ni, Мn, Сr, Мо, W, V, Nb, Zr, Sb, Ti, Sn, Pb, Al, Be, Mg, Zn и Cu), а также с неметаллами - углеродом, кремнием, азотом, фосфором, серой, водородом.

Было замечено, что железо в легированных сталях образует твердые растворы, эвтектические твердые сплавы и интерметаллические соединения с многочисленными элементами. Примеры интерметаллических соединений: Fe3Mo2, Fe5Nb3, FeCr, FeZn7, Fe5Zn21, Fe2Sn, FeSn, FeSn2, Fe2W, Fe3W2, Fe3Zr2, Fe3Ti, FeAl3, Fe2N, Fe4N, Fe3P, Fe3C, Fe2C, Fe3Si2, FeSi, FeSi2 и Fe2Si.

Основным легирующим элементом железа является углерод. Введенный в относительно небольших количествах углерод существенно изменяет характер и свойства железа. Уже говорилось о том, что сплавы железа с другими элементами, содержащие 0-1,7% углерода, относятся к сталям, а содержащие 1,7-6,7% углерода,- к чугунам. Углерод может находиться в железе в виде графита (элементный углерод) или в форме цементита.

Системы железо - углерод с содержанием углерода более 6,67% не рассматриваются, поскольку в технике используются только сплавы, содержащие примерно до 5% углерода. Углерод способствует увеличению прочности, твердости, сопротивления и уменьшению пластичности.

Механические свойства железа зависят от степени его чистоты. В чистом состоянии железо достаточно мягко, ковко, тягуче, вязко, оно хорошо проводит тепло и электричество. При загрязнении железа различными неметаллами или металлами механические свойства его в значительной степени меняются.

В компактном состоянии чистое железо устойчиво в сухом воздухе и ржавеет во влажном воздухе, превращаясь в Fe2O3 · n Н2O (где n имеет значение, близкое к единице) - ржавчину; последняя образует пористую, рыхлую пленку, которая не предохраняет железо от действия кислорода.



Когда загрязненное железо соприкасается с влагой и двуокисью углерода из атмосферы, на поверхности металла образуются гальванические пары, в которых железо, являясь отрицательным элементом, разрушается. Из-за электрохимической коррозии поверхность загрязненного железа во влажном воздухе за короткое время покрывается ржавчиной. Ионы Fe2+ с анионами ОН- (из воды) или СО32- (образовавшимися при растворении СO2 в воде) образуют Fe(OH)2 или FeCO3, которые в водной среде и в присутствии кислорода превращаются в Fe(OH)3 (или в Fe2O3·3H2O).

Для предохранения железа от действия коррозионных агентов его покрывают слоем масляной краски, эмали или другого металла: Zn (цинкование), Sn (лужение), Сr (хромирование), Ni (никелирование), Cd (кадмирование), РЬ (свинцевание) - либо проводят поверхностное окисление расплавленным NaNO3 или KNO3.

Пары воды разлагаются нагретым докрасна железом выше 700° по обратимому уравнению:


Fe+4H2O=Fe3O4+4H2?


При комнатной температуре железо растворяет примерно 0,005% водорода. При этом образуется гидрид включения FeH, который способствует увеличению твердости железа:


Fe+4H2O=2FeH


Один грамм железа растворяет при 1530°C 0,272 см3 водорода, при 1550°-0,279 см3 водорода и при 1650°-0,310 см3 водорода.

Насыщенное водородом железо при нагревании на воздухе до 900° теряет значительную часть этого газа.

При обычной температуре сухой кислород не взаимодействует с железом. При нагревании полированной железной пластинки в кислороде выше 150° наблюдается потемнение ее поверхности, а при нагревании до белого каления образуется магнетит:


Fe+2O2=Fe3O4


При 1900° в присутствии кислорода железо полностью превращается в оксиды.

При? 900° растворимость кислорода в ?-Fe равна 0,18%, а в ?-Fe и ?-Fe она больше. Железо с небольшим содержанием кислорода образует твердые и хрупкие сплавы.

При нагревании железо взаимодействует с газообразным хлором, превращаясь в Fe2Cl6, но не вступает в реакцию с жидким хлором. При действии паров брома или йода на порошкообразное кристаллическое железо получают Fe3Br8 (или 2FeBr3 · FeBr2) и Fe3I8 (или 2FeI3·FeI2):


Fe+3Cl2=Fe2Cl6

Fe+4Br2=Fe3Br8


Нагреванием порошкообразного металлического железа в парах брома при 190° получают Fe2Br6:


Fe+3Br2=Fe2Br6


Тонко измельченное железо взаимодействует при нагревании с серой, образуя сульфиды FeS, FeS2:

Fe+S (ромбич.) = FeS Fe+2S (ромбич.) = FeS2


Сера плохо растворима в железе, но сульфид железа FeS (из сплавов системы железо - сера) образует с железом эвтектику, которая содержит 30% серы, плавится при 985°, обладает ломкостью при красном калении и ухудшает качество железа (чугуна или стали).

При нагревании железного порошка в токе аммиака образуются нитриды Fe2N, Fe4N:

Фосфор, мышьяк и кремний образуют с железом при нагревании интерметаллические соединения, например Fe3P, Fe2P,FeP, Fe3As2, Fe2As, Fe3As4, Fe3Si2, FeSi, FeSi2, Fe2Si.

Поскольку нормальный потенциал системы Fe/Fe2+ равен -0,44 в, железо относится к легко окисляемым металлам. Под действием разбавленных неорганических кислот (НСl, H2SO4 и др.) оно превращается в соответствующие соли железа (II) с выделением водорода:


Fe+2HCl - FeCl2 +H2 Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2


Разбавленная азотная кислота, взятая в избытке, взаимодействует с железом по уравнению:


4Fe+10HNO3= 4Fe(NO3)2+NH4NO3+3H2O


Концентрированные кислоты, такие, как HNO3 и H2SO4, взаимодействуют с железом при нагревании по уравнениям:


Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O


Нормальный потенциал системы Fe/Fe3+ равен -0,036 в.

Под действием концентрированных кислот HNO3, H2SO4, Н2СгO4 железо становится пассивным благодаря образованию плотной защитной пленки на поверхности металла, меняющей значение электрохимического потенциала.

Железо подвергается действию концентрированных растворов щелочей. Разбавленные растворы щелочей действуют на железо только в присутствии двуокиси углерода.

Железо вытесняет металлы Bi, Sb, Pb, Sn, Cu, Ag, Hg, и Au из растворов их солей.

С физиологической точки зрения железо имеет особое значение для организма человека и животных, поскольку является катализатором процесса дыхания. Как уже упоминалось, железо входит в состав молекулы гемоглобина. Молекула гемоглобина состоит из интерциклического соединения гема, которое содержит двухвалентное железо, и белка глобина. В легких человека гемоглобин присоединяет кислород, превращаясь в оксигемоглобин, который разносится кровью, снабжая кислородом все клетки организма.


2. МИНЕРАЛЫ


Магнетит, Fe3O4, содержит до 72% железа и представляет собой черные кубические кристаллы со слабым металлическим блеском, плотностью 4,9-5,2 г/см3, твердостью 5,6-6 по шкале Мооса и магнитными свойствами.

Гематит, ?-Fe2O3 (от греческого слова hematikos, что означает «кровавый»), содержит до 65% железа и представляет собой красно-черные ромбоэдрические кристаллы с плотностью 5-5,3 г/см3, твердостью 5,5-6 по шкале Мооса. ?-Fe2O3 легко восстанавливается при нагревании под действием Н2, С, СО, А1, Si и др.

Лимонит (гетит), Fe2O3H2O или HFeO2, содержит до 60% железа и представляет собой кристаллы, гранулы, оолиты или конкреции черно-коричневого цвета. Плотность лимонита 3,3-4 г/см3, твердость 1-4 по шкале Мооса. Плотность гетита 4-4,4г/см3, твердость 4,5-5,5 по шкале Мооса. В отличие от других железосодержащих руд лимонит и гетит легче всех восстанавливаются до металлического железа.

Сидерит, FeCO3, содержит примерно 35% железа, обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом, плотностью 3,9 г/см3 и твердостью 3,5-4,5 по шкале Мооса.

Пирит, FeS2, содержит 46,6% железа и встречается в виде кубических кристаллов, желтых, как латунь, с металлическим блеском (желтовато-коричневым оттенком), плотностью 4,9-5,2 г/см3, твердостью 6-6,5 по шкале Мооса. Он содержит в небольшом количестве Со, Ni, As, Sb и иногда Сu, Ag, Аu.

Марказит, FeS2, также содержит 46,6% железа, но встречается в виде желтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6-4,9 г/см3 и твердостью 5-6 по шкале Мооса. При температуре 450° он превращается в пирит.

Лёллингит, FeAs2, содержит 27,2% железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 7,0 - 7,40 г/см3 и твердостью 5 - 5,5 по шкале Мооса.

Миспикель, FeAsS, содержит 34,3% железа и встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6-6,2 г/см3 и твердостью 5,5-6 по шкале Мооса.

Мелантерит, FeSO47H2O, реже встречается в природе и представляет собой зеленые (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие, с плотностью 1,8-1,9 г/см3.

Вивианит, Fe3(PO4)28Н2O, встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см3 и твердостью 1,5-2 по шкале Мооса.

Помимо описанных, известны и другие минералы, например: ильменит FeTiO3, магномагнетит (Fe, Mg), фиброферрит FeSO4(OH)4,5Н2O, ярозит KFe3(SO4)2(OH)6, кокимбит Fe2(SO4)39Н2O, рёмерит Fe2+Fe3/2+(SO4)414H2O, графтонит (Fe, Мn)3(РO4)2, скородит Fe3+AsO42Н2O, штренгит FePO42H2O, фаялит Fe2SiO4, альмандит Fe3Al23, андрадит Ca3Fe23, гиперстен (Fe, Mg)2, геденбергит (Са, Fe), эгирин (Na, Fe) , шамозит Fe42+Al(OH)2nH2O.

Кроме этих минералов, многие алюмосиликаты, какими являются глины, загрязнены соединениями железа.


3. ОКСИДЫ ЖЕЛЕЗА


Оксид железа (II), FeO, получают окислением металлического железа, термическим разложением FeC2O4·2H2O без доступа воздуха, восстановлением оксида железа (III) Fe2O3 оксидом углерода при 500° или водородом при 700-800°, прокаливанием (650-700° в отсутствие воздуха) смеси стехиометрически необходимых количеств Fe2O3 и порошка металлического железа, нагреванием FeCO3 при 490-581°:

Соединение FeO представляет собой диамагнитный черный неустойчивый кристаллический порошок (структура типа NaCl). Оно превращается в Fe2O3 при нагревании до 200-250° на воздухе, диспропорционирует на Fe3O4 и металлическое железо при 570°, плавится примерно при 1360°; трудно растворимо в воде и щелочах, легко растворяется в кислотах с образованием солей железа (II); восстанавливается до металлического железа под действием H2 или CO при нагревании; разлагает при нагревании воду с образованием Fe2O3 и выделением H2:


FeO+H2O=Fe2O3+H2?


Оксид железа (II) образует с многочисленными оксидами металлов соединения типа шпинелей Fe2+ или перовскита Fe2+Me4+O3.

Оксид железа (III), Fe2O3, является самым устойчивым природным кислородсодержащим соединением железа, которое встречается в форме минералов гематита или красного железняка.

Известны три модификации оксида железа (III), а именно: ?-Fe2O3, ?-Fe2O3 и ?-Fe2O3. Модификация ?-Fe2O3 (соответствующая гематиту) парамагнитна и образуется окислением железа на воздухе при температуре выше 200°, а также нагреванием ?-Fe2O3 в течение 3 часов при 110° или сжиганием пирофорного железа на воздухе при комнатной температуре и давлении меньше 760 мм рт. ст. Модификация ?-Fe2O3 ферромагнитна и образуется окислением железа на воздухе при температуре ниже 200°, а также окислением Fe3O4 или нагреванием ?-Fe2O3 при 300°. Модификация ?-Fe2O3 ферромагнитна и образуется окислением растворов солей железа (II) в щелочах.

Модификации оксида железа(III) могут также быть получены прокаливанием гидроксида железа (III), Fe(OH)3 при 700°, нитрата Fe(NO3)36Н2O при 600-800°, карбоната FeCO3 при 500° на воздухе, сульфата FeSO4 или пирита FeS2 на воздухе:

Нагревание порошкообразного железа или трихлорида железа в водном паре также дает Fe2O3.

Соединение ?-Fe2O3 представляет собой красный порошок с плотностью 5,24 г/см3, который плавится примерно при 1550°,трудно растворим в воде и может быть восстановлен до Fe3O4, FeO или металлического железа водородом, углеродом, оксидом углерода, металлическим алюминием или элементным кремнием. При восстановлении ?-, ?-, ?-Fe2O3 водородом (280-340°) образуется пирофорное металлическое железо, а при алюмо- или кремнетермическом восстановлении модификаций ?-, ?-, ?-Fe2O3 образуется загрязненное металлическое железо.

Растворимость ?-, ?-, ?-Fe2O3 модификаций в кислотах зависит от температуры и продолжительности прокаливания окиси перед растворением. Если оксид железа был слегка прокален, он растворяется в кислотах.

Окись железа под названием железный сурик, охра, мумия, применяется как пигмент приготовления для красок.

Оксид железа(II, III), Fe3O4, со структурой шпинели Fe2+ встречается в природе в виде минерала магнетита.

Соединение Fe3O4 можно получить прокаливанием других оксидов железа или восстановлением Fe2O3 (400-500°) водородом, насыщенным парами воды, или оксидом углерода (800°).3O4 представляет собой ферромагнитные ломкие (твердость 5,6-6,5 по шкале Мооса) черные кубические кристаллы с металлическим блеском; они трудно растворимы в воде и кислотах, имеют т. пл. 1538° и разлагаются при 1787°.

Оксид железа(II, III) устойчив в сухом воздухе и служит для изготовления электродов, поскольку является хорошим проводником электрического тока и устойчив к действию химических реагентов.


4. ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)


1 Применение


Применяется как сырьё при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель аналоговой и цифровой информации (напр. звука и изображения) на магнитных лентах (ферромагнитный ?-Fe2O3), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла.

В пищевой промышленности используется в качестве пищевого красителя (E172).

В ракетомоделизме применяется для получения катализированого карамельного топлива, которое имеет скорость горения на 80% выше, чем обычное топливо.

Является основным компонентом железного сурика (колькотара).


2 Колькотар


Колькотар - коричневая минеральная краска. Другие названия: парижская или английская красная краска, caput mortuum vitrioli, крокус, железный сурик; в алхимии - красный лев.

По составу колькотар представляет более или менее чистую безводную окись железа. Хотя безводная окись железа и встречается в природе в очень больших количествах (красный железняк, железный блеск), но ценные сорта этой краски вырабатываются искусственно или получаются как побочный продукт при добывании нордгаузенской кислоты из железного купороса, а также при прокаливании основных серножелезных солей, выделяющихся из раствора при приготовлении железного купороса из купоросного камня.


4.3 Получение и синтез


Fe2O3 образуется при прокаливании на воздухе всех гидратов и кислородных соединений железа, а также Fe(NO3)3 и FeSO4. Так, например, прокаливают в течение 2 час. на полном пламени бунзеновской горелки Fe(OH)3, полученный по методу Г. Гюттига и Г. Гарсайда.


Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O


По указанию Д. Н. Финкельштейна 100 г Fe(NO3)3 9H2O нагревают в большом фарфоровом тигле на электрической плитке. Вначале соль спокойно плавится, образуя бурую жидкость, постепенно испаряющуюся. При 121° жидкость начинает кипеть, выделяя постоянно кипящую 68%-ную HNO3.

Постепенно жидкость начинает загустевать и необходимо частое перемешивание, чтобы избежать толчков и разбрызгивания. Начиная со 130°, непрерывно перемешивают жидкость фарфоровым шпателем, причем она загустевает, образуя пасту (без перемешивания жидкость внезапно затвердевает в сплошную массу). При 132° паста сразу рассыпается в порошок, продолжая выделять пары HNO3.

Не переставая перемешивать, продолжают нагревание до полного высушивания; весь процесс занимает 20-25 мин. Сухую массу растирают, переносят в тигель и прокаливают в муфеле при 600-700° в течение 8-10 час. При достаточной чистоте исходного нитрата железа полученный продукт отвечает квалификации х. ч. Выход 95-98% теоретического, т. е. около 19 г.

Для приготовления чистого препарата к нагретому до кипения раствору закисной соли железа прибавляют вычисленное количество горячего раствора щавелевой кислоты, причем выпадает закисное щавелевокислое железо. Его отфильтровывают, тщательно промывают водой, высушивают и прокаливают при доступе воздуха, непрерывно перемешивая. Выход 90-93% теоретического. Получаемый препарат содержит 99,79-99,96% Fe2O3.

В фарфоровый котелок емкостью 4 л, снабженный крышкой, помещают раствор 500 г Fe(NO3)3 9Н2О в 2 л воды. Через трубку, проходящую до дна котелка, пропускают не слишком сильный ток NH3, промытого щелочью и водой. Время от времени перемешивают жидкость газоотводящей трубкой.

По окончании осаждения жидкости дают отстояться, раствор декантируют и промывают осадок горячей водой до удаления NO3 в промывных водах. Отмытый Fe(OH)3 просушивают в фарфоровых чашках, после чего прокаливают в течение 5-6 час. при 550-600°. Выход 96 г (96-97% теоретического).

При получении Fe2O3, служащего сырьем для приготовления Fe высокой чистоты, исходный нитрат железа должен быть исключительно чист. Путем многократной перекристаллизации Fe(NO3)3 9Н2О Кливс и Томпсон получили препарат, содержащий всего 0,005% Si и менее 0,001% других примесей.

По Брандту целесообразнее всего исходить из химически чистого железа. Последнее растворяют в НСl, раствор при нагревании обрабатывают сероводородом, фильтруют и в фильтрате двухвалентное железо окисляют в трехвалентное кипячением с небольшим количеством HNO3. Смесь дважды выпаривают с концентрированной HCl и, растворив остаток в избытке разбавленной НСl, несколько раз взбалтывают раствор с эфиром в большой делительной воронке.

Если исходный материал содержал Со, то содержимому воронки дают отстояться, спускают через кран нижний (водный) слой и к оставшейся в воронке эфирной вытяжке прибавляют часть по объему смеси, полученной встряхиванием НСl (уд. в. 1,104) с эфиром. Сильно встряхивают, снова сливают нижний слой и операцию повторяют.

Очищенную эфирную вытяжку фильтруют, эфир отгоняют (или просто удаляют нагреванием на водяной бане), и оставшийся раствор FeCl3 несколько раз выпаривают с НNО3. Последнее выпаривание ведут с добавлением NH4NO3.

Выпаривание целесообразно проводить в плоской фарфоровой чашке.

После выпаривания остается хрупкая соляная масса, легко отделяющаяся от чашки. Ее истирают в ступке и порциями по 40-50 г умеренно прокаливают в платиновой чашке. Остаток несколько раз смешивают с сухим углекислым аммонием и вновь прокаливают при слабом красном калении, часто перемешивая.

Эту операцию повторяют до приблизительно постоянного веса (точно постоянный вес не может быть достигнут, так как незначительное количество Fe2O3 уносится парами (NH4)2СО3).

железо металл оксид минерал


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Цели, поставленные в начале исследовательской работы, были полностью выполнены:

)Собрана информация о железе, его оксидах и минералах:

Железо - ковкий, серебристо-белый металл с высокой реакционной способностью. В соединения проявляет степени окисления +2, +3, +6. Имеет оксиды: Fe+2O, Fe2+3O3, Fe3O4 (Fe+2O·Fe+32O3). Оксид железа (III) Fe2O3 помимо получения синтетическим путем, можно обнаружить в залежах природных руд. Он входит в состав некоторых минералов таких как: гематит, лимонит, магнетит.

)Изучены свойства Fe2O3 и сделаны выводы о его применении:

Вещество Fe2O3 используется для получения чистого мало окисляемого железа путем восстановления водородом, а так же в электронных носителях информации (вследствие магнитности), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла, в пищевой промышленности и является основным компонентом колькотара (так как соединение является красящим).

)Изучены несколько способов синтеза вещества. Наибольший выход продукта равняется 98% от теоретического. Добиться этого результата можно по методу Д.Н. Финкельштейна, путем нагревания Fe(NO3)3 9H2O в большом фарфоровом тигле на электрической плитке при постоянном помешивании.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1)Рипан Р. Неорганическая химия: В 2-х т./Р. Рипан, И. Четяну; Перев. с рум. Д.Г. Батыра, Х.М. Харитона; Под ред. В.И. Спицына, И.Д. Колли. - М.: Издательство «Мир» 1972. - 2 т.

)Кнунянц И.Л. Краткая химическая энциклопедия: В 5-ти т. / Ред. кол. И.Л. Кнунянц (отв. ред.) и др. - М.: Издательство «Советская Энциклопедия», 1967 - 5 т.

)Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ: учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, Молочко, Л.Л Андреева. Под ред. Р.А. Лидина.- М.: Химия, 2000 - 480 с.

)Некрасов Б.В. Основы общей химии Т. I. изд. 3-е, испр. и доп. Издательство «Химия», 1973 - 656 с.

)Реми Г. Курс неорганической химии в 2-х т. / Г. Реми; А.П. Григорьева, А.Г. Рыков; Под ред. А.В. Новоселовой. - М.: Издательство «Мир»,1966 - 2 т.

)Паффенгольц К.Н. Геологический словарь: в 2-х т./ Ред. ком. К.Н. Паффенгольц (отв.ред.), Л.И. Боровиков, А.И. Жамайда, И.И. Краснов и др.-М.: Издательство «Недра», 1978 - 2 т.

)Эфимов А.И. Свойства неорганических соединений. Справочник / А.И. Ефимов и др. - Л.: Химия, 1983 - 392 с.

)Брауэр Г. Руководство по неорганическому синтезу: в 6 т. Пер. с нем./ Под ред. Г Брауэр. - М.: Издательство «Мир», 1985 - 6 т.

)Карякин Ю.В. Чистые химические реактивы / Ю.В. Карякин, И.И. Ангелов. - М.: Государственная научно-техническое издательство химической литературы, 1955 - 585 с.

)Ключников Н.Г. Практикум по неорганическому синтезу. - М.: Издательство «Просвещение» , 1979 - 271 с.

)Терентьева Е.А. Неорганические синтезы: В 2-х т. / Пер. с англ. Е.А. Терентьевой, под ред. Д.И. Рябчикова, - М.: Издательство иностранной литературы, 1951 - 2т.

)Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 23-е изд., испр./ Под ред. В.А. Робиновича. - Л.: Химия 1983-704 с.: ил.

)Захаров Л.Н. Начала техники лабораторных работ. - Л.: Химия, 1981 - 192 с.

)Спицын В.И. Неорганическая химия. Ч. I: Учебник - М.: Издательство МГУ, 1991 - 480 с.: ил.

)Рабинович В.А. Краткий химический справочник. - Л.: Химия, 1977.

)Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 2004.

)Карапетянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. - М.: Химия, 1981.

)Практикум по общей и неорганической химии / Под ред. Воробьева А.А., Дракина С.И. - М.: Химия, 1984.

)Жарский И.М., Новиков Г.И. Физические методы исследования в неорганической химии. - М.: Высшая школа, 1988.

)Краснов К.С. Молекулы и химическая связь. - М.: Высшая школа, 1974.

)Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии. - М.: Издательство «Мир», 1979.

)Исидоров В.А. Экологическая химия. - СПб.: Химиздат, 2001.

)Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. Ч. 1 M.: Мир, 1969.

)Ливер Э. Электронная спектроскопия неорганических соединений, М.: Мир, 1987, 2 т.

)Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ. - 3-е изд., испр. - М.: Химия, 2000 - 480 с.

)Трифонов Д.Н., Трифонов В.Д. Как были открыты химические элементы - М.: Просвещение, 1980.

)Химия: Справ. изд. / В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. 2-е изд., стереотип. - М.: Химия, 2000.
Случайные статьи

Вверх