Хімія. Профільний рівень. 11 клас. Григорович

Тема 3. Ферум. Залізо

§ 72. Ферум. Залізо

Пригадайте:

• збуджений стан атома (за § 3);
• взаємодію концентрованих сульфатної та нітратної кислот із металами (за § 23, 26).

Загальна характеристика хімічного елемента

Ферум — металічний елемент. Він має відносно невелику електронегативність 1,83 (за Полінґом), що характерно для більшості металічних елементів. За будовою електронної оболонки він є d-елементом, оскільки в його атомів заповнюється електронами d-підрівень:

У більшості сполук Ферум виявляє два ступені окиснення. Втрачаючи два електрони зовнішнього енергетичного рівня, його атоми набувають заряд +2:

У такому стані в йонах Fe²⁺ на 3d-підрівні міститься шість електронів, але більш стабільним є стан, коли 3d-підрівень буде заповнений наполовину. Для цього йону Fe²⁺ необхідно віддати один електрон. У такий спосіб утворюються йони Fe³⁺, які мають стабільнішу електронну конфігурацію:

Унаслідок цього ступінь окиснення +3 для Феруму стабільніший за +2.

Цікавий факт

У перекладі з шумерської «залізо» означає «те, що капнуло з неба». Можливо, назва цього металу пояснюється тим, що перше відоме людству залізо було метеоритного походження і дійсно падало з неба. Сьогодні в різних музеях зберігається близько 500 залізних метеоритів. Найбільший метеорит масою 60 тонн знайдено в Південно-Західній Африці на початку XX століття.

Як виняток, Ферум може віддавати шість електронів і виявляти ступінь окиснення +6. Однак сполуки, в яких містяться Fe⁺⁶, трапляються досить рідко. Сполук, у яких ступінь окиснення Феруму +8, ще не виявлено.

Ферум(ІІ) оксид і ферум(ІІ) гідроксид мають основний характер, а ферум(ІІІ) оксид і ферум(ІІІ) гідроксид — амфотерні речовини. Сполуки Феруму в ступені окиснення +3 виявляють окисні властивості.

Поширеність Феруму в природі

Ферум є одним з найпоширеніших металічних елементів на Землі. У земній корі на атоми Феруму припадає 5 % (за масою) — це друге місце серед металічних елементів (після Алюмінію) та четверте серед усіх елементів.

У самородному стані Ферум у природі не трапляється, але у вигляді простої речовини залізо міститься у складі деяких метеоритів, які іноді знаходять на поверхні Землі (мал. 72.1, с. 185). Уважають, що саме залізо становить більшу частину ядра Землі та планет земної групи.

Мал. 72.1. Залізо метеоритного походження

У природі Ферум трапляється лише у сполуках, найпоширенішими серед яких є оксиди: ферум(ІІ) оксид FeO, ферум(ІІІ) оксид Fe₂O₃ та змішаний оксид Fe₃O₄ (FeO • Fe₂O₃), який називають залізною окалиною. Сполуки тривалентного Феруму мають забарвлення від жовтого до бурого, залежно від складу. Саме вони надають жовтуватого кольору піску і бурого забарвлення багатьом ґрунтам.

Ферум міститься у складі великої кількості різних мінералів у вигляді оксидів, сульфідів та інших сполук. Зазвичай вони розсіяні в земній корі, але трапляються і скупчення мінералів. Такі мінерали, як бурий, магнітний і червоний залізняки, є джерелом залізної руди, з якої добувають залізо (мал. 72.2). Деякі мінерали Феруму мають красивий вигляд, тому їх використовують як виробне каміння — це сидерит, пірит і халькопірит (мал. 72.3).

Мал. 72.2. Поширені залізні руди: а — бурий залізняк (лимоніт) Fe₂O₃ • xH₂O; б — магнітний залізняк (магнетит) Fe₃O₄; в — червоний залізняк (гематит) Fe₂O₃

Мал. 72.3. Мінерали Феруму: а — сидерит FeCO₃; б — пірит FeS₂; в — халькопірит CuFeS₂

В Україні є великі поклади залізної руди — Криворізький, Кременчуцький, Придніпровський залізорудні басейни тощо. Ці запаси оцінюють у майже 30 млрд тонн, що має вистачити на 180 років промислової розробки.

Сполуки Феруму розчинені у водах деяких джерел мінеральних вод. Наявність у воді сполук двовалентного Феруму надає їй так званого «металічного» присмаку. Іноді у водопровідній воді, що тече старими залізними трубами, розчинені сполуки тривалентного Феруму, які надають воді «іржавого» кольору.

Фізичні властивості заліза

• Метал сірого кольору з металічним блиском;

• t_пл. = 1540 °С, t_кип. = 2860 °С;

• густина 7,87 г/см³;

• добре проводить електричний струм і теплоту;

• пластичний, добре піддається куванню; наявність домішок, зокрема вуглецю, підвищує твердість і крихкість заліза;

• притягується магнітом (парамагнетик).

Для заліза також характерне явище феромагнетизму — воно зберігає намагніченість після усунення дії зовнішнього магнітного поля. Завдяки цьому із заліза можна виготовляти магніти, а також матеріали для запису інформації.

Хімічні властивості заліза

Залізо досить активно вступає в хімічні взаємодії, його можна віднести до металів середньої активності.

• Реакції з неметалами. Залізо активно реагує з неметалами. Із киснем реакція повільно відбувається навіть за звичайних умов. За нагрівання заліза на повітрі його поверхня вкривається залізною окалиною:

3Fe + 2О₂ = Fe₃O₄

Розпечений залізний дріт у чистому кисні займеться, розкидаючи яскраві іскри.

Залізо може активно згоряти навіть на повітрі, якщо його подрібнити в дуже дрібний порошок (пірофорне залізо). Якщо такий порошок потрапляє в повітря, то він яскраво спалахує навіть за кімнатної температури.

Залізний дріт активно згоряє у хлорі з утворенням ферум(ІІІ) хлориду (мал. 72.4):

2Fe + 3Сl₂ = 2FeCl₃

Мал. 72.4. Взаємодія розпечених залізних ошурок із хлором

Під час нагрівання із сіркою утворюється ферум(II) сульфід:

• Взаємодія з водою. Залізо реагує з водою: під час пропускання перегрітої водяної пари крізь розпечені залізні ошурки залізо перетворюється на залізну окалину і виділяється водень:

• Взаємодія з кислотами. За звичайних умов залізо активно реагує з кислотами. Продуктами реакції є солі Феруму в ступені окиснення +2:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + Η₂↑

Із кислотами-окисниками (концентрованими сульфатною та нітратною) Ферум окиснюється до ступеня окиснення +3. Але холодні кислоти пасивують залізо, реакція відбувається лише за нагрівання:

• Взаємодія із солями. Залізо витісняє менш активні метали з їхніх солей (мал. 72.5):

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓

Мал. 72.5. Після занурення заліза в розчин купрум(IІ) сульфату поверхня заліза вкривається червоним нальотом міді

Застосування заліза та сполук Феруму

Залізо — один із семи металів, відомих людству з давніх-давен. Люди навчилися добувати залізо на початку першого тисячоліття до нашої ери. Від того часу розпочалася залізна доба розвитку нашої цивілізації. Хоча в археологічних розкопках іноді трапляються залізні вироби, що датуються другим і третім тисячоліттям до нашої ери, але це так зване космічне залізо — уламки залізних метеоритів, що впали на Землю.

Сьогодні на сплави заліза припадає 95 % світового металургійного виробництва. Найпоширенішими є сплави заліза з вуглецем — сталь (w(C) < 2,14 %) і чавун (w(C) > 2,14 %).

Сталь є головним сучасним конструкційним матеріалом. Зі сталі виготовляють каркаси будинків, труби, корпуси транспортних засобів тощо. Для конкретного застосування використовують певні марки сталі, створені з урахуванням особливостей майбутніх виробів. Наприклад, додаванням до заліза близько 1 % вуглецю одержують сталь, що має високу твердість, її використовують для виготовлення різальних інструментів. Додаванням хрому й нікелю одержують стійку до корозії сталь (нержавіюча сталь). Зі сплаву заліза з манганом виплавляють рейки для залізниці.

Чавун значно твердіший і крихкіший за сталь, він не піддається куванню, однак вироби з нього витримують великі механічні навантаження. Раніше з чавуну виплавляли пушки, ядра та посуд. Сьогодні виготовляють також станини для верстатів, ковані ґратки, вуличні лави й ліхтарі та інші вироби, для яких більш важлива механічна міцність, ніж пластичність. Але такі речі «бояться» ударів: від сильного удару чавун розбивається.

Магнетит завдяки його феромагнітним властивостям використовують для виготовлення носіїв інформації: магнітних плівок, жорстких магнітних дисків (вінчестерів) тощо. Через феромагнітну властивість та чорний колір із магнетиту виготовляють тонер для чорно-білих лазерних принтерів.

Залізний купорос (FeSO₄ • 7H₂O) разом із мідним купоросом застосовують у садівництві й будівництві для боротьби зі шкідливими грибками.

Хлориди або сульфати Феруму(ІІ) і Феруму(ІІІ) використовують для очищення природних вод на станціях водопідготовки.

Біологічне значення Феруму

Атоми Феруму містяться у складі багатьох живих організмів. Ферум — важливий мікроелемент: в організмі дорослої людини є близько 4-5 г атомів Феруму. Майже 75 % усього Феруму міститься у складі гемоглобіну, що надає крові червоного забарвлення, а 25 % — у складі деяких білків. Нестача Феруму призводить до анемії — недокрів’я.

Добова потреба людини у Ферумі становить: 4-18 мг — у дітей, 10 мг — у чоловіків і 18 мг — у жінок. В організм людини Ферум надходить з їжею, найбільш багаті на нього печінка, м’ясо, яйця, бобові, хліб, буряк тощо.

Ключова ідея

Ферум — поширений металічний елемент, важливий для живих організмів і людської цивілізації.

Запитання та завдання

426. Схарактеризуйте електронну будову атомів та поширеність Феруму в природі.

427. Порівняйте будову електронної оболонки атома Феруму, йона Fe²⁺ та йона Fe³⁺.

428. Схарактеризуйте хімічні й фізичні властивості та застосування заліза. На яких властивостях заліза ґрунтується його застосування?

429. Схарактеризуйте біологічне значення Феруму. Що загрожує здоров'ю людині в разі нестачі або надлишку Феруму в організмі?

430. Який зі ступенів окиснення Феруму є найстабільнішим? Поясніть чому.

431. Під час взаємодії заліза з якими речовинами утворюються сполуки Феруму(ІІ), а з якими — Феруму(III)?

432. Щоб виявити домішки заліза в платиновому посуді, наприклад у тиглі, його нагрівають до червоного розжарення. Поверхня металу покривається червоним нальотом. Із чим це пов'язано? Як видалити цей наліт, не пошкодивши виріб?

433. Обчисліть об'єм карбон(ІІ) оксиду (н. у.), необхідний для повного відновлення ферум(ІІІ) оксиду масою 320 г.

434. Обчисліть масу магнетиту, що містить 10 % домішок, який необхідний для добування заліза масою 3 т.