Чому дорівнює ступінь окислення заліза. Велика енциклопедія нафти та газу

У земній корі залізо поширене досить широко на частку припадає близько 4,1 % маси. земної кори(4-е місце серед усіх елементів, 2-е серед металів). У мантії та земній корі залізо зосереджено головним чином у силікатах, при цьому його вміст значно в основних та ультраосновних породах, і мало в кислих та середніх породах. Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоний залізняк (гематит, Fe 2 O 3 ; містить до 70 % Fe), магнітний залізняк (магнетит, FeFe 2 O 4, Fe 3 O 4 ; містить 72,4 % Fe), бурий залізняк або лимоніт (гетит і гідрогетит, відповідно FeOOH та FeOOH·nH 2 O) гематит магнетит лимоніт гетит

Сидерит FeCO 3 містить приблизно 35% заліза. Має жовтувато - білий (з сірим або коричневим відтінком у разі забруднення) кольором. Сидерит Міспікель FeAsS містить 34,3% заліза. Міспікель Леллінгіт FeAs 2 містить 27,2 % заліза.

Основні ступені окислення заліза +2 та +3. При зберіганні на повітрі за температури до 200 °C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу та його руйнуванню. Іржа не має постійного хімічного складу, приблизно її хімічну формулуможна записати як Fe 2 O 3 ·xH 2 O. оксиду іржі

З киснем залізо реагує під час нагрівання. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe 3 O 4 при згорянні в чистому кисні оксид Fe 2 O 3. Якщо кисень або повітря пропускати через розплавлене залізо, то утворюється оксид FeO. При нагріванні порошку сірки та заліза утворюється сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS. киснемFe 3 O 4Fe 2 O 3 FeO сірки

Історія

Залізо, як інструментальний матеріал, відоме з найдавніших часів. Найдавніші вироби із заліза, знайдені при археологічних розкопках, датуються 4-м тисячоліттям до н. е. і відносяться до давньошумерської та давньоєгипетської цивілізацій. Це виготовлені з метеоритного заліза, тобто сплаву заліза та нікелю (зміст останнього коливається від 5 до 30 %), прикраси з єгипетських гробниць (близько 3800 до н. е.) та кинджал з шумерського міста Ура (близько 3100 до н.е.). е.). Від небесного походження метеоритного заліза походить, мабуть, одна з назв заліза в грецькому та латинською мовами: «сидер» (що означає «зірковий»)

Вироби із заліза, отриманого виплавкою, відомі з часу розселення арійських племен з Європи до Азії, острови. Середземного моря, І далі (кінець 4-го і 3-те тисячоліття до н. Е..). Найдавніші залізні інструменти з відомих - сталеві леза, знайдені в кам'яній кладці піраміди Хеопса в Єгипті (побудована близько 2530 до н.е.). Як показали розкопки в Нубійській пустелі, вже в ті часи єгиптяни, намагаючись відокремити золото, що видобувається від важкого магнетитового піску, прожарювали руду з висівками і подібними речовинами, що містять вуглець. В результаті на поверхні розплаву золота випливав шар тістоподібного заліза, який обробляли окремо. З цього заліза кувалися гармати, зокрема знайдені у піраміді Хеопса. Однак після онука Хеопса Менкаура (2471-2465 рік до н. е..) в Єгипті настала смута: знати на чолі зі жерцями бога Ра скинула правлячу династію, і почалася чехарда узурпаторів, яка закінчилася зацарюванням фараона наступної династії Усеркара, самого бога Ра (з того часу це стало офіційним статусом фараонів). У ході цієї смути культурні та технічні знання єгиптян занепали, і, так само як деградувало мистецтво будівництва пірамід, технологія виробництва заліза була втрачена, аж до того, що пізніше, освоюючи в пошуках мідної руди Синайський півострів, єгиптяни не звернули жодної уваги на які були там поклади залізняку, а отримували залізо від сусідніх хетів і мітаннійців.

Перші освоїли виробництва заліза хати , цього вказує найдавніше (2-е тисячоліття е.) згадка заліза у текстах хетів , які заснували свою імперію біля хаттів (сучасної Анатолії Туреччини). Так, у тексті хетського царя Анітти (близько 1800 року до н.е.(наша ера)) говориться:

Коли на місто Пурусханду в похід я пішов, людина з міста Пурусханди до мене вклонитися прийшла (…?) і вона мені 1 залізний трон і 1 залізний скіпетр (?) на знак покірності (?) підніс…

(джерело: Гіоргадзе Г. Г.// Вісник давньої історії. 1965. № 4.)

У давнину майстрами залізних виробів мали славу халіби. У легенді про аргонавтів (їх похід у Колхіду відбувся приблизно за 50 років до троянської війни) розповідається, що цар Колхіди Еєт дав Ясону залізний плуг, щоб він зорав поле Ареса, і описуються його піддані халібери:

Вони не орють землю, не садять плодові дерева, не пасуть череди на опасистих луках; вони видобувають руду та залізо з необробленої землі та вимінюють на них продукти харчування. День не починається для них без тяжкої праці, у темряві ночі та густому диму проводять вони, працюючи весь день.

Аристотель описав їх спосіб одержання сталі: «халіби кілька разів промивали річковий пісок їхньої країни - цим виділяючи чорний шліх (важка фракція що складається переважно з магнетиту і гематиту), і плавили печах; отриманий таким чином метал мав сріблястий колір і був нержавіючий».

В якості сировини для виплавки стали використовувалися магнетитові піски, які часто зустрічаються по всьому узбережжю Чорного моря: ці магнетитові піски складаються з суміші дрібних зерен магнетиту, титано-магнетиту або ільменіту, і уламків інших порід, так що сплав, що виплавляється халібами, була легованою, і мала чудові властивості. Такий своєрідний спосіб отримання заліза свідчить, що халіби лише поширили залізо як технологічний матеріал, та його спосіб було методом повсюдного промислового виробництва залізних виробів. Однак їх виробництво послужило поштовхом для подальшого розвиткузаліза металургії.

У найглибшої давнини залізо цінувалося дорожче золота, і за описом Страбона, в африканських племен за 1 фунт заліза давали 10 фунтів золота, а за дослідженнями історика Г. Арешяна вартості міді, срібла, золота та заліза у стародавніх хетів були у співвідношенні 1:1 : 1280: 6400. У ті часи залізо використовувалося як ювелірний метал, з нього робили трони та інші регалії царської влади: наприклад, у біблійній книзі Повторення Закону 3,11 описаний «одр залізний» рефаїмського царя Ога.

У гробниці Тутанхамона (близько 1350 року до зв. е.) було знайдено кинджалів із заліза у золотий оправі - можливо, подарований хетами з дипломатичних цілях. Але хети не прагнули широкого поширення заліза та його технологій, що видно і з листування, що до нас дойшло. єгипетського фараонаТутанхамона та його тестя Хаттусіля – царя хетів. Фараон просить надіслати більше заліза, а цар хетів ухильно відповідає, що запаси заліза вичерпалися, а ковалі зайняті на сільськогосподарських роботах, тому він не може виконати прохання царського зятя, і посилає лише один кинджал із «хорошого заліза» (тобто сталі). Як видно, хети намагалися використати свої знання для досягнення військових переваг, і не давали іншим можливості зрівнятися з ними. Мабуть, тому залізні вироби набули широкого поширення лише після Троянської війни та падіння держави хетів, коли завдяки торговій активності греків технологія заліза стала відомою багатьом, і було відкрито нові родовища заліза та рудники. Так на зміну «Бронзовому» віку настав вік «Залізний».

За описами Гомера, хоча під час Троянської війни (приблизно 1250 до н.е.(наша ера)) зброя була в основному з міді та бронзи, але залізо вже було добре відоме і користувалося великим попитом, хоча більше як дорогоцінний метал. Наприклад, у 23-й пісні «Іліади» Гомер розповідає, що Ахілл нагородив диском із залізного крику переможця у змаганні з метання диска. Це залізо ахейці добували у троянців та суміжних народів (Іліада 7,473), у тому числі у халібів, які воювали на боці троянців.

«Інші мужі ахейські міною вино купували,
Ті за дзвінку мідь, за сиве залізо міняли,
Ті за волові шкіри або волів круторігих,
Ті за своїх полонених. І бенкет приготовлений веселий ... »

Можливо, залізо було однією з причин, що спонукали греків-ахейців рушити в Малу Азіюде вони дізналися секрети його виробництва. А розкопки в Афінах показали, що вже близько 1100 до н. е. і пізніше вже були поширені залізні мечі, списи, сокири, і навіть залізні цвяхи. У біблійній книзі Ісуса Навина 17,16 (пор. Суддів 14,4) описується, що филистимляни (біблійні «PILISTIM», а це були протогрецькі племена, споріднені з пізніми еллінами, переважно пеласги) мали безліч залізних колісниць, тобто в це Залізо вже стало широко застосовуватися у великих кількостях.

Гомер в «Іліаді» та «Одіссеї» називає залізо «многотрудний метал», і описує загартування знарядь:

«Роспішний ковач, виготовивши сокиру чи сокиру,
У воду метал, розжаривши його, щоб подвійну
Він фортецю мав, занурює…»

Гомер називає залізо багатотрудним, тому що в давнину основним методом його отримання був сиродутний процес: шари залізної руди, що перемежовуються, і деревного вугілля прожарювалися в спеціальних печах (гірницях - від древнього «Horn» - ріг, труба, спочатку це була просто труба, вирита в землі зазвичай горизонтально в схилі яру). У горні окисли заліза відновлюються до металу розпеченим вугіллям, який відбирає кисень, окислюючись до окису вуглецю, і в результаті такого прожарювання руди з вугіллям виходило тістоподібне кричне залізо. Крицю очищали від шлаків куванням, видавлюючи домішки. сильними ударамимолота. Перші горни мали порівняно низьку температуру- помітно менше температуриплавлення чавуну, тому залізо виходило порівняно маловуглецевим. Щоб отримати міцну сталь, доводилося багато разів прожарювати і проковувати залізну крицю з вугіллям, при цьому поверхневий шар металу додатково насичувався вуглецем і зміцнювався. Так виходило гарне залізо» - і хоча це вимагало великих праць, вироби, отримані в такий спосіб, були значно міцнішими і твердішими, ніж бронзові.

Надалі навчилися робити більш ефективні печі (у російській - домна, домниця) для виробництва сталі, і застосували хутра для подачі повітря в горн. Вже римляни вміли доводити температуру печі до плавлення сталі (близько 1400 градусів, а чисте залізо плавиться при 1535 градусах). При цьому утворюється чавун з температурою плавлення 1100-1200 градусів, дуже тендітний в твердому стані (навіть не піддається ковці) і не має пружності сталі. Спочатку його вважали шкідливим побічним продуктом (англ. pig iron, російською, свинське залізо, чушки, звідки, власне, і походить слово чавун), але потім виявилося, що при повторній переплавці в печі з посиленим продуванням через нього повітря, чавун перетворюється на сталь. хорошої якості, оскільки зайвий вуглець вигоряє. Такий двостадійний процес виробництва сталі з чавуну виявився простішим і вигіднішим, ніж кричний, і цей принцип використовується без особливих змін багато століть, залишаючись і до наших днів основним способом виробництва залізних матеріалів.

Бібліографія: Карл Бакс.Багатства земних надр. М.: Прогрес, 1986, стор 244, глава «Залізо»

походження назви

Є кілька версій походження слов'янського слова «залізо» (білор. залізо, укр. залізо, ст.-слав. залізо, болг. залізо, сербохорв. Жезезо, польськ. żelazo, чеш. щоlezo, словенний. щоlezo).

Одна із етимологій пов'язує праслав. *žeліzo з грецьким словом χαλκός , що означало залізо та мідь, згідно з іншою версією *žeліzoспоріднений словами *žeли«черепаха» та *glazъ«скеля», із загальною симою «камінь». Третя версія передбачає давнє запозичення з невідомої мови.

Німецькі мови запозичили назву заліза (гот. eisarn, англ. ironнім. Eisenнідерл. ijzer, дат. jern, швед. järn) з кельтських.

Пракельтське слово *isarno-(> др.-ірл. iarn, др.-брет. hoiarn), ймовірно, сходить до пра-і. *h 1 esh 2 r-no- «кривавий» із семантичним розвитком «кривавий» > «червоний» > «залізо». Згідно з іншою гіпотезою дане словоперегукується з пра-и.е. *(H)ish 2 ro- «сильний, святий, що має надприродну силу» .

Давньогрецьке слово σίδηρος , можливо, було запозичено з того ж джерела, що й слов'янське, німецьке та балтійське слова для срібла.

Назва природного карбонату заліза (сидериту) походить від лат. sidereus- зірковий; дійсно, перше залізо, що потрапило до рук людей, було метеоритного походження. Можливо, цей збіг не випадковий. Зокрема давньогрецьке слово сидерос (σίδηρος)для заліза та латинське sidus, Що означає "зірка", ймовірно, мають загальне походження.

Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54 Fe (ізотопна поширеність 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) та 58 Fe (0,282%). Також відомо більше 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найбільш стійкі з яких - 60 Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даними становить 2,6 мільйона років), 55 Fe (2,737 року), 59 Fe ( 44,495 діб) та 52 Fe (8,275 години); інші ізотопи мають період напіврозпаду менше 10 хвилин.

Ізотоп заліза 56 Fe відноситься до найбільш стабільних ядра: всі наступні елементи можуть зменшити енергію зв'язку на нуклон шляхом розпаду, а всі попередні елементи, в принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон за рахунок синтезу. Вважають, що залізом закінчується ряд синтезу елементів у ядрах нормальних зірок (див. Залізна зірка), проте наступні елементи можуть утворитися лише результаті вибухів наднових .

Геохімія заліза

Гідротермальне джерело із залізистою водою. Оксиди заліза фарбують воду у бурий колір

Залізо - один з найпоширеніших елементів у Сонячної системиособливо на планетах земної групи, зокрема, на Землі. Значна частина заліза планет земної групи перебуває у ядрах планет, де його вміст, за оцінками, близько 90%. Вміст заліза у земній корі становить 5 %, а мантії близько 12 %. З металів залізо поступається за поширеністю в корі тільки алюмінію. При цьому в ядрі знаходиться близько 86% заліза, а в мантії 14%. Вміст заліза значно підвищується у вивержених породах основного складу, де він пов'язаний з піроксеном, амфіболом, олівіном та біотитом. У промислових концентраціях залізо накопичується протягом багатьох екзогенних і ендогенних процесів, що відбуваються в земній корі. У морській водізалізо міститься у дуже малих кількостях 0,002-0,02 мг/л. У річковій воді трохи вище – 2 мг/л.

Геохімічні властивості заліза

Найважливіша геохімічна особливість заліза - наявність у нього кількох ступенів окиснення. Залізо в нейтральній формі - металеве - складає ядро ​​землі, можливо, є в мантії і дуже рідко зустрічається в земній корі. Закисне залізо FeO - основна форма знаходження заліза в мантії та земній корі. Окисне залізо Fe 2 O 3 характерне для верхніх, найбільш окислених, частин земної кори, зокрема, осадових порід.

За кристалохімічними властивостями іон Fe 2+ близький до іонів Mg 2+ і Ca 2+ - інших основних елементів, що становлять значну частину всіх земних порід. В силу кристалохімічної подібності залізо заміняє магній і, частково, кальцій у багатьох силікатах. При цьому вміст заліза у мінералах змінного складу зазвичай збільшується із зменшенням температури.

Мінерали заліза

Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоний залізняк (гематит, Fe 2 O 3 ; містить до 70 % Fe), магнітний залізняк (магнетит , FeFe 2 O 4 , Fe 3 O 4 ; містить 72,4 % Fe), бурий залізняк або лимоніт (гетит і гідрогетит, відповідно FeOOH та FeOOH·nH 2 O). Гетит і гідрогетит найчастіше зустрічаються в корах вивітрювання, утворюючи так звані «залізні капелюхи», потужність яких сягає кількох сотень метрів. Також вони можуть мати осадове походження, випадаючи з колоїдних розчинів в озерах або прибережних зонах морів. При цьому утворюються оолітові або бобові, залізні руди. Вони часто зустрічається вівіаніт Fe 3 (PO 4) 2 · 8H 2 O, що утворює чорні подовжені кристали і радіально-променисті агрегати .

У природі також поширені сульфіди заліза - пірит FeS 2 (сірчаний чи залізний колчедан) і пирротин . Вони не є залізною рудою – пірит використовують для отримання сірчаної кислоти, а пірротин часто містить нікель та кобальт.

За запасами залізняку Росія посідає перше місце у світі. Вміст заліза у морській воді - 1·10 −5 -1·10 −8 %.

Інші мінерали заліза, що часто зустрічаються:

• Сидерит – FeCO 3 – містить приблизно 35 % заліза. Має жовтувато-білий (з сірим або коричневим відтінком у разі забруднення) кольором. Щільність дорівнює 3 г/см і твердість 3,5-4,5 за шкалою Моосу.
• Марказит – FeS 2 – містить 46,6 % заліза. Зустрічається у вигляді жовтих, як латунь, біпірамідальних ромбічних кристалів із щільністю 4,6-4,9 г/см³ та твердістю 5-6 за шкалою Моосу.
• Леллінгіт – FeAs 2 – містить 27,2 % заліза і зустрічається у вигляді сріблясто-білих біпірамідальних ромбічних кристалів. Щільність дорівнює 7-7,4 г/см3, твердість 5-5,5 за шкалою Моосу.
• Міспікель – FeAsS – містить 34,3 % заліза. Зустрічається у вигляді білих моноклинних призм із щільністю 5,6-6,2 г/см³ та твердістю 5,5-6 за шкалою Моосу.
• Мелантерит - FeSO 4 ·7H 2 O - рідше зустрічається в природі і являє собою зелені (або сірі через домішки) моноклінні кристали, що мають скляний блиск, крихкі. Щільність дорівнює 1,8-1,9 г/см3.
• Вівіаніт - Fe 3 (PO 4) 2 ·8H 2 O - зустрічається у вигляді синьо-сірих або зелено-сірих моноклинних кристалів із щільністю 2,95 г/см³ та твердістю 1,5-2 за шкалою Моосу.

Крім вищеописаних мінералів заліза існують, наприклад:

Основні родовища

За даними Геологічної служби США (оцінка 2011 р.), світові розвідані запаси залізняку становлять близько 178 млрд тонн. Основні родовища заліза знаходяться у Бразилії (1 місце), Австралії, США, Канаді, Швеції, Венесуелі, Ліберії, Україні, Франції, Індії. У Росії її залізо видобувається на Курській магнітної аномалії (КМА), Кольському півострові, в Карелії й у Сибіру. Значну роль у Останнім часомнабувають донні океанські родовища, у яких залізо разом із марганцем та інші цінними металами перебуває у конкреціях.

Отримання

У промисловості залізо отримують із залізної руди, в основному з гематиту (Fe 2 O 3) та магнетиту (FeO·Fe 2 O 3).

Існують різні способивилучення заліза із руд. Найбільш поширеним є доменний процес.

Перший етап виробництва – відновлення заліза вуглецем у доменній печі при температурі 2000 °C. У доменній печі вуглець у вигляді коксу, Залізна рудау вигляді агломерату або котунів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік гарячого повітря, що нагнітається.

У печі вуглець як коксу окислюється до монооксиду вуглецю . Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню:

У свою чергу монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб ця реакція йшла швидше, нагрітий чадний газпропускають через оксид заліза(III):

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак - метасилікат кальцію:

Шлак, на відміну діоксиду кремнію, плавиться в печі. Більш легкий, ніж залізо, шлак плаває лежить на поверхні - це властивість дозволяє розділяти шлак від металу. Шлак потім може використовуватися при будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий в доменній печі містить досить багато вуглецю (чавун). Крім таких випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він потребує подальшої переробки.

Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням у мартенівських печах або конвертерах. Електричні печі використовуються для виплавки легованих сталей.

Окрім доменного процесу, поширений процес прямого одержання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи котуни. Окатиші обпалюють і обробляють у шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:

при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками як сірка та фосфор, які є звичайними домішками в кам'яному куті. Залізо виходить у твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.

Хімічно чисте залізо виходить електролізом розчинів його солей.

Фізичні властивості

Явище поліморфізму надзвичайно важливе для металургії сталі. Саме завдяки α-γ переходам кристалічних ґрат відбувається термообробка сталі . Без цього явища залізо як основа стали не набуло б такого широкого застосування.

Залізо відноситься до помірно тугоплавкого металу. Серед стандартних електродних потенціалів залізо стоїть до водню і легко реагує з розведеними кислотами. Таким чином, залізо відноситься до металів середньої активності.

Температура плавлення заліза 1539 °C, температура кипіння – 2862 °C.

Хімічні властивості

Характерні ступені окислення

• Кислота у вільному вигляді не існує - отримані лише її солі.

Для заліза характерні ступені окислення заліза - +2 та +3.

Ступеня окислення +2 відповідає чорний оксид FeO і зелений гідроксид Fe(OH) 2 . Вони мають основний характер. У солях Fe(+2) є у вигляді катіону. Fe(+2) – слабкий відновник.

Ступені окислення +3 відповідають червоно-коричневий оксид Fe 2 O 3 і коричневий гідроксид Fe(OH) 3 . Вони мають амфотерний характер, хоч і кислотні, і основні властивості у них виражені слабо. Так, іони Fe 3+ націло гідролізуються навіть у кислому середовищі. Fe(OH) 3 розчиняється (і то не повністю), тільки в концентрованих лугах. Fe 2 O 3 реагує з лугами тільки при сплавленні, даючи ферити (формальні солі кислоти неіснуючої у вільному вигляді кислоти HFeO 2):

Залізо (+3) найчастіше виявляє слабкі окисні властивості.

Ступені окислення +2 і +3 легко переходять між собою за зміни окислювально-відновних умов.

Крім того, існує оксид Fe 3 O 4 формальний ступінь окислення заліза в якому +8/3. Однак цей оксид можна розглядати як ферит заліза (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2 .

Також існує ступінь окиснення +6. Відповідного оксиду та гідроксиду у вільному вигляді не існує, але отримані солі - ферати (наприклад, K 2 FeO 4). Залізо (+6) знаходиться у них у вигляді аніону. Феррат є сильними окислювачами.

Властивості простої речовини

При зберіганні повітря при температурі до 200 °C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду , що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу та його руйнуванню. Іржа не має постійного хімічного складу, приблизно її хімічну формулу можна записати як Fe 2 O 3 ·xH 2 O.

З'єднання заліза (II)

Оксид заліза(II) FeO має основні властивості, йому відповідає основа Fe(OH) 2 . Солі заліза (II) мають світло-зелений колір. При їх зберіганні, особливо у вологому повітрі, вони коричневіють за рахунок окиснення до заліза (III). Такий самий процес протікає при зберіганні водних розчинів солей заліза(II):

З солей заліза(II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 O.

Реактивом на іони Fe 2+ у розчині може служити гексаціаноферрат(III) калію K 3 (червона кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe 2+ та 3− випадає осад турнбулевої сині:

Для кількісного визначення заліза (II) у розчині використовують фенантролін Phen, що утворює із залізом (II) червоний комплекс FePhen 3 (максимум світлопоглинання - 520 нм) у широкому діапазоні рН (4-9).

З'єднання заліза (III)

З'єднання заліза(III) у розчинах відновлюються металевим залізом:

Залізо(III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO 4) 2 - залізокалієві галун, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - залізоамонійні галун і т. д.

Для якісного виявлення у розчині сполук заліза(III) використовують якісну реакцію іонів Fe 3+ з тіоціанат-іонами SCN − . При взаємодії іонів Fe 3+ з аніонами SCN − утворюється суміш яскраво-червоних роданідних комплексів заліза 2+ , + , Fe(SCN) 3 , - . Склад суміші (а отже, і інтенсивність її забарвлення) залежить від різних факторів, тому для точного якісного визначення заліза цей метод не застосовується.

Іншим якісним реактивом на іони Fe 3+ є гексаціаноферрат(II) калію K 4 (жовта кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe 3+ та 4− випадає яскраво-синій осад берлінської блакиті:

З'єднання заліза (VI)

Окислювальні властивостіферратів використовують для знезараження води.

З'єднання заліза VII та VIII

Є повідомлення про електрохімічне одержання сполук заліза(VIII). , , , однак незалежних робіт, що підтверджують ці результати, немає.

Застосування

Залізна руда

Залізо - один із найбільш використовуваних металів, на нього припадає до 95% світового металургійного виробництва.

• Залізо є основним компонентом сталей та чавунів – найважливіших конструкційних матеріалів.
• Залізо може входити до складу сплавів на основі інших металів – наприклад, нікелевих.
• Магнітний окис заліза (магнетит) – важливий матеріал у виробництві пристроїв довгострокової комп'ютерної пам'яті: жорстких дисків, дискет тощо.
• Ультрадисперсний порошок магнетиту використовується у багатьох чорно-білих лазерних принтерах у суміші з полімерними гранулами як тонер. Тут одночасно використовується чорний колір магнетиту та його здатність прилипати до намагніченого валика перенесення.
• Унікальні феромагнітні властивості ряду сплавів на основі заліза сприяють їх широкому застосуваннюв електротехніці для магнітопроводів трансформаторів та електродвигунів.
• Хлорид заліза (III) (хлорне залізо) використовується в радіоаматорській практиці для травлення друкованих плат.
• Семиводний сульфат заліза (залізний купорос) у суміші з мідним купоросом використовується для боротьби зі шкідливими грибками у садівництві та будівництві.
• Залізо застосовується як анод в залізо-нікелевих акумуляторах, залізо-повітряних акумуляторах.
• Водні розчини хлоридів двовалентного та тривалентного заліза, а також його сульфатів використовуються як коагулянти в процесах очищення природних і стічних водна водопідготовці промислових підприємств

Біологічне значення заліза

У живих організмах залізо є важливим мікроелементом, який каталізує процеси обміну киснем (дихання). В організмі дорослої людини міститься близько 3,5 г заліза (близько 0,02 %), з яких 78 % є головним діючим елементом гемоглобіну крові, решта входить до складу ферментів інших клітин, каталізуючи процеси дихання в клітинах. Нестача заліза проявляється як хвороба організму (хлороз у рослин та анемія у тварин).

Зазвичай залізо входить у ферменти як комплексу, званого гемом . Зокрема, цей комплекс присутній у гемоглобіні – найважливішому білку, що забезпечує транспорт кисню з кров'ю до всіх органів людини та тварин. І саме він забарвлює кров у характерний червоний колір.

Комплекси заліза, відмінні від гема, зустрічаються, наприклад, у ферменті метан-моноксигеназі, що окислює метан у метанол, у важливому ферменті рибонуклеотид-редуктазі, який бере участь у синтезі ДНК.

Неорганічні сполуки заліза зустрічаються в деяких бактеріях, іноді використовується для зв'язування азоту повітря.

В організм тварин і людини залізо надходить з їжею (найбагатші їм печінка, м'ясо, яйця, бобові, хліб, крупи, буряк). Цікаво, що колись шпинат помилково було внесено до цього списку (через друкарські помилки в результатах аналізу - було втрачено «зайвий» нуль після коми).

Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може чинити токсична дія. Передозування заліза пригнічує антиоксидантну систему організму, тому вживати препарати заліза здоровим людямне рекомендується.

Примітки

Джерела (до розділу Історія)

• Г. Г. Гіоргадзе.«Текст Анітти» та деякі питання ранньої історії хетів
• Р. М. Абрамішвілі.До питання про освоєння заліза біля Східної Грузії, ВГМГ, XXII-В, 1961.
• Хахутайшвілі Д. А.До історії давньоколхської металургії заліза. Питання стародавньої історії (Кавказько-близькосхідний збірник, вип. 4). Тбілісі, 1973.
• Геродот."Історія", 1:28.
• Гомер."Іліада", "Одіссея".
• Вергілій."Енеїда", 3:105.
• Арістотель.«Про неймовірні чутки», II, 48. ВДІ, 1947 № 2, стор 327.
• Ломоносов М. В.Перші основи металургії.

Див. також

• Категорія:З'єднання заліза

Посилання

• Хвороби, спричинені недоліком та надлишком заліза в організмі людини

13.ЕЛЕМЕНТИ ПІДГРУПИ ХРОМУ.

Атомний номер	Назва	Електронна конфігурація	ρ г/см 3	tпл. 0 C	tкіп. 0 C	ЕО	Атомний радіус, нм	Ступінь окислення
26	Залізо Fe	3d64s2	7,87	1535	2750	1,64	0,128	+2,+3
27	Кобальт Co	3d74s2	8,9	1495	2870	1,7	0,125	+2,+3
28	Нікель Ni	3d8 4s2	8,9	1453	2732	1,75	0,124	+1,+2,+3,+4

Отримання
металів підгрупи заліза

Відновленням з оксидів вугіллям або оксидом вуглецю (II)

FeO + C Fe + CO
Fe 2 O 3 + 3CO 2Fe + 3CO 2
NiO + C Ni + CO
Co 2 O 3 + 3C 2Co + 3CO

Fe
d-елемент VIII групи; порядковий номер – 26; атомна маса- 56; (26p; 30 n), 26e

Метал середньої активності, відновник.
Основні ступені окислення - +2, +3

Залізо та його сполуки

Хімічні властивості

На повітрі залізо легко окислюється у присутності вологи (іржавіння):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O 4Fe(OH) 3

Розжарений залізний дріт горить у кисні, утворюючи окалину - оксид заліза (II,III):

3Fe + 2O 2 Fe 3 O 4

При високій температурі(700-900 0 C) залізо реагує з парами води:

3Fe + 4H 2 O Fe 3 O 4 + 4H 2
Залізо реагує з неметалами при нагріванні:

2Fe + 3Br 2 2FeBr 3
Fe + S FeS
Залізо легко розчиняється в соляній та розведеній сірчаній кислотах:

Fe + 2HCl FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 (розб.) FeSO 4 + H 2

У концентрованих кислотах-окислювачах залізо розчиняється лише при нагріванні

2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(На холоді концентровані азотна та сірчана кислоти пасивують залізо).
Залізо витісняє метали, що стоять правіше його в ряді напруг із розчинів їх солей.

Fe + CuSO 4 FeSO 4 + Cu

З'єднання двовалентного заліза

Гідроксид заліза (ІІ)

Утворюється при дії лужних розчинів на солі заліза (II) без доступу повітря:

FeCl + 2KOH 2KCl + Fе(OH) 2

Fe(OH) 2 - слабка основа, розчинна в сильних кислотах:

Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 FeSO 4 + 2H 2 O

При прожарюванні Fe(OH)2 без доступу повітря утворюється оксид заліза (II) FeO:

Fe(OH) 2 FeO + H 2 O

У присутності кисню повітря білий осад Fe(OH) 2 , окислюючись, буріє – утворюючи гідроксид заліза (III) Fe(OH) 3:

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O 4Fe(OH) 3

З'єднання заліза (II) мають відновлювальні властивості, вони легко перетворюються на сполуки заліза (III) під дією окислювачів:

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 5Fe 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 8H 2 O
6FeSO 4 + 2HNO 3 + 3H 2 SO 4 3Fe 2 (SO 4) 3 + 2NO + 4H 2 O

З'єднання заліза схильні до комплексоутворення (координаційне число = 6):

FeCl 2 + 6NH 3 Cl 2
Fe(CN)2 + 4KCN K4(жовта кров'яна сіль)

Якісна реакція на Fe 2+

При дії гексаціаноферату (III) калію K 2 (червоної кров'яної солі) на розчини солей двовалентного заліза утворюється синій осад (турнбулева синь):

3FeSO 4 + 2K 3 Fe 3 + 3K 2 SO 4

З'єднання тривалентного заліза

Оксид заліза (III)

Утворюється при спалюванні сульфідів заліза, наприклад, при випаленні піриту:

4FeS 2 + 11O 2 2Fe 2 O 3 + 8SO 2

або при прожарюванні солей заліза:

2FeSO 4 Fe 2 O 3 + SO 2 + SO 3

Fe 2 O 3 - основний оксид, що незначною мірою виявляє амфотерні властивості

Fe 2 O 3 + 6HCl 2FeCl 3 + 3H 2 O

Fe 2 O 3 + 2NaOH + 3H 2 O 2Na

Гідроксид заліза (III)

Утворюється при дії розчинів лугів на солі тривалентного заліза: випадає у вигляді червоно-бурого осаду

Fe(NO 3) 3 + 3KOH Fe(OH) 3 + 3KNO 3

Fe(OH) 3 – слабша основа, ніж гідроксид заліза (II).
Це тим, що з Fe 2+ менше заряд іона і більше його радіус, ніж в Fe 3+ , тому, Fe 2+ слабше утримує гідроксид-іони, тобто. Fe(OH) 2 легше дисоціює.
У зв'язку з цим солі заліза (II) незначно гідролізуються, а солі заліза (III) - дуже сильно. Гідролізом пояснюється і колір розчинів солей Fe(III): незважаючи на те, що іон Fe3+ майже безбарвний, розчини, що містять його, пофарбовані в жовто-бурий колір, що пояснюється присутністю гідроксоїонів заліза або молекул Fe(OH)3, які утворюються завдяки гідролізу:

Fe 3+ + H 2 O 2 + + H +
2 + + H 2 O + + H +
+ + H2O Fe(OH) 3 + H +

При нагріванні забарвлення темніє, а при додаванні кислот стає світлішим внаслідок придушення гідролізу. Fe(OH)3 має слабо виражену амфотерність: він розчиняється в розведених кислотах і в концентрованих розчинах лугів:

Fe(OH) 3 + 3HCl FeCl 3 + 3H 2 O

Fe(OH) 3 + NaOH Na

З'єднання заліза (III) - слабкі окислювачі, що реагують із сильними відновниками:

2FeCl 3 + H2S S + 2FeCl 2 + 2HCl

Якісні реакціїна Fe3+

Сторінка 3

На рис. V.8 наведено кореляційну схему, яка дає уявлення про інтервали ізомерних зрушень 57Fe для сполук заліза. Ступінь окислення заліза може змінюватися від 0 до 6, і охарактеризувати її за ізомерним зсувом 57Fe не так просто.

Відновлювальна атмосфера викликає зниження ступеня окислення заліза в шлаку, тим часом як при окислювальній атмосфері під дією великих температурполум'я триває розпад вищих оксидів заліза. Підвищення ступеня окислення заліза в шлаку впливом окислювальної атмосфери можливе лише за температури полум'я нижче 1 200 З повагою та великої поверхні шлаку.

Досить різко у породах змінюється вміст А12Оз, лугів. Постійним зберігається ступінь окиснення заліза.

Зразок зі ступенем окислення 13% не має пластичної області, і шлак веде себе, як скло. З підвищенням ступеня окислення заліза до 30 або 56% у кривих в'язкості зразків В і А з'являється вигин, що свідчить про те, що шлак у місці вигину переходить у пластичний стан.

Але ступінь окислення сірки, що входить до складу цих іонів, є різною. У першому випадку ступінь окислення заліза збігається із зарядом простого іона Fe2 та з валентністю заліза. Таким чином, валентністю даного елемента в комплексному з'єднанні називають всю суму зв'язків, який має в даному з'єднанні центральний атом - комплексоутворювач.

Тенденція до комплексоутворення підтверджується і існуванням типових подвійних солей типу шенітів та галунів. У цьому поєднанні ступінь окислення заліза 2 стабілізується, в той час як сульфат FeSO4 водному розчинісхильний до окиснення киснем повітря. Нікель подібних сполук не утворює, оскільки ступінь окислення 3 цього елемента настільки малохарактерна, що навіть не стабілізується в подвійних солях.

Це збільшення ступеня окиснення заліза в шлаку триває до температури близько 1200 С. При подальшому підвищенні температури шлаку ступінь окиснення заліза значно падає.

Як зазначено, центральний атом заліза лежить у площині 16-членного пор-фірипового кільця, причому він пов'язаний з атомами азоту піррольних кілець чотирма із шести наявних валентностей, а тому для завершення октаедричного комплексу залишаються дві валентності; ці валентності знаходяться вище і нижче за площину креслення показаної моделі. Крім того, слід враховувати також ступінь окислення заліза; коли залізо перебуває у закисному стані, як показано малюнку, то протопорфірин зветься тема чи, чіткіше, феррогема. Якщо гем знаходиться у вільному стані в розчині і не пов'язаний з білком, то передбачається, що дві молекули води перебувають у координаційному зв'язку з п'ятим та шостим положеннями валентності заліза. Джордж позначає цей феррогем так: H2O - Fep-H. При окисленні він переходить у Н О Fep НаО з одним позитивним зарядом. Цей феригем може координувати хлор-іон з переходом у H2O - Fep-Cl і в цьому випадку називається геміном; при координованому гидроксилыюм іоні ферригем позначається як гематин Н2О - Рер-ОН, хоча ці терміни іноді вживаються менш специфічно, лише позначення наявності окисного заліза. Можлива координація та інших молекул, причому у першу чергу грає роль координація з перекисом водню. Феррогем легко координує азотисті основи, наприклад піридин, утворюючи гемохромогеї В-Рбр - В. Така ж сполука з феригемом B-Fep-B називається парагема-тином.

За допомогою магнітного методу встановлено наявність та дана кількісна оцінка валентних зв'язків між сусідніми позитивними іонами. Так, у Fe203 на носії А1203 ступінь окислення заліза дорівнює трьом, але одночасно сусідні атоми заліза утворюють між собою ковалентний зв'язок.

За допомогою магнітного методу встановлено наявність і дана кількісна оцінка валентних зв'язків між сусідніми позитивними іонами. Так, у Fe2O3 на носії А12О3 ступінь окислення заліза дорівнює трьом, але одночасно сусідні атоми заліза утворюють між собою ковалентний зв'язок.

Якщо розглянути гідроксиди Fe(OH) 2 і Fe(OH) 3, то з позиції схеми Косселя кислотні властивості другого гідроксиду повинні бути сильнішими, ніж першого. Це випливає з того, що чим вищий ступінь окислення заліза (навіть якщо прийняти, що радіуси іонів Fe2 і Fe3 однакові), тим вища відштовхування протона і тим сильніше виражені кислотні властивості відповідного гідроксиду. Якщо врахувати, що радіус іона Fe3 дещо менший, ніж іона Fe2, то більше відштовхування протона в з'єднанні Fe (OH) 3 порівняно з Fe (OH) 2 стає ще очевиднішим.

Частина оксидів заліза відновлюється до металевого заліза, інша частина - до [закис-окису]; крім того, на них виділяється вуглець. Кількість кисню, що ще міститься в руді, характеризує ступінь окислення заліза.

Якщо після попередніх випробувань залишається сумнів, чи є іон заліза, можна виконати перевірочні реакції. Але слід пам'ятати, що при цьому випробуванні вже не можна встановити початковий ступінь окислення заліза в пробі, що аналізується.

Лише у присутності сильних окислювачів вдається отримати досить неміцні похідні залізної кислоти H2FeO4 зі ступенем окислення заліза 6, проте відповідний оксид виділити не вдалося. Якщо RuO4 - малостійка речовина, яку одержують непрямим шляхом, то OsO4 - з'єднання цілком стійке, що утворюється при окисленні металу на повітрі.