Хімія. Комплексна підготовка до ЗНО і ДПА

8.5. Ферум

Ферум розміщується у побічній підгрупі VIII групи¹ 4 періоду періодичної таблиці, зараховують до d-елементів. Хімічний символ — Fe. Порядковий номер — 26, заряд ядра — +26. Відносна атомна маса — 56. Утворює просту речовину залізо. Природний Ферум складається із чотирьох стабільних ізотопів: ⁵⁴Fe (5,85 %), ⁵⁶Fe (91,75 %), ⁵⁷Fe (2,12 %) і ⁵⁸Fe (0,28 %). Відомо також більш ніж 20 нестабільних ізотопів з масовими числами від 45 до 72.

¹ За новою номенклатурою — у VIII групі.

Електронна формула — ₂₆Fe [Ar] 3d⁶4s². Валентні електрони в атомі Феруму розміщуються у зовнішньому електронному шарі (4s²) та передостанньому (3d⁶). Атом легко втрачає 4s²-електрони, утворюючи йони Fe²⁺:

Fe⁰ - 2е → Fe²⁺

У збудженому стані один електрон з 3d-підрівня може переходити на 4р-підрівень (така електронна конфігурація також доволі стабільна) і ставати валентним:

₂₆Fe [Аr] 3d⁶4s² → ₂₆Fe* [Аr] 3d⁵4s²4р¹

Таким чином найхарактерніші валентності Феруму — II і III, ступені окиснення — +2, +3 (інколи +6).

Ступені окиснення	+2	+3	+6
Приклади сполук	FeO, FeCl2, Fe(OH)2	Fe2O3, FeCl3, Fe(OH)3	K2FeO4

Електронегативність за Полінгом — 1,83.

Поширення Феруму в природі

Ферум — 4-й за поширеністю елемент (і 2-й серед металічних елементів) земної кори (за масою). Утворює значну кількість мінералів, переважно силікатів. Найбільше значення мають: магнітний залізняк (магнетит) Fe₃О₄¹, червоний залізняк (гематит) Fe₂O₃, бурий залізняк (лимоніт) 2Fe₂O₃ · 3Н₂О, сидерит (залізний шпат) FeCO_3, залізний, або сірчаний, колчедан (пірит) FeS₂.

За сучасними уявленнями ядро нашої планети має середній радіус 3,5 тис. км², масу 1,932 x 10²⁴ кг і на 79-85 % складається із Феруму (у вигляді сплаву з Силіцієм (6-7 %), Ніколом (4,9-5,2 %) та іншими елементами).

² Середній радіус Землі становить 6,37 тис. км.

У морській воді його мало — 0,002-0,02 мг/л. У прісній воді, залежно від джерела, концентрація Феруму може значно коливатися — від 0 до 2 мг/л і більше, що не лише впливає на органолептичні властивості води, а й робить її токсичною і непридатною для пиття³.

³ Гранично допустима концентрація (ГДК) Феруму у воді — 0,3 мг/л.

Трапляється самородне залізо (Гренландія) і чавун (Далекий Схід).

До поверхні нашої планети⁴ долітає 5-6 т метеоритів на добу (космічного пилу — від 300 до 20 000 т). Вони бувають залізними (приблизно один із шістнадцяти), залізокам’яними та кам’яними. Залізні метеорити складаються з 91 % Феруму, приблизно 8,5 % Ніколу та інших елементів. Інші також містять у своєму складі Ферум (від 1 до 50 %). За сучасними уявленнями вони є похідними астероїдів.

⁴ Цікаво, що метеорити нерівномірно вкривають площу поверхні Землі. Існують ділянки (наприклад, зона Мовчання в Мексиці, що розташована за 6 км від техаського містечка Ель-Пасо), які ніби притягують метеорити, зокрема завдяки аномальним показникам магнітного поля.

Ферум (у вигляді йона Fe²⁺) є складовою частиною гему — комплексної сполуки порфірину, що входить до складу гемоглобіну, міоглобіну, пероксидази, цитохромів тощо.

Фізичні властивості заліза

Чисте залізо — сріблясто-білий метал, має високу пластичність, легко кується. Температура плавлення — 1539 °С, температура кипіння — 2861 °С. Має феромагнітні властивості (притягується магнітом), добре проводить теплоту та електричний струм, хоча й поступається таким металам, як золото, срібло, мідь, алюміній.

Хімічні властивості заліза

Залізо розміщується в середині Електрохімічного ряду напруг і є металічним елементом середньої хімічної активності. Унаслідок хімічних реакцій виявляє відновні властивості. Залізо реагує:

1) з простими речовинами:

• унаслідок нагрівання залізо окиснюється більшістю неметалів:

Ферум(II, ІІІ) оксид також утворюється унаслідок окиснення заліза на повітрі, а в атмосфері чистого кисню — ферум(ІІІ) оксид Fe₂O₃.

Утворення солі Fe²⁺ характерно лише для йоду як слабкого окисника.

2) зі складними речовинами:

• з водою (корозія) за стандартних умов відбувається лише, якщо за наявності кисню:

4Fe + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe(OH)₃

• з водяною парою (розпечене залізо):

• з кислотами:

а) з кислотами, що є слабкими окисниками (за відсутності кисню):

Fe + 2НСl = FeCl₂+ H₂↑

Fe + H₂SO₄(розв.) = FeSO₄ + H₂↑

б) з нітратною кислотою:

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

8Fe + 30HNO₃(розв.) = 8Fe(NO₃)₃ + 3N₂O + 15H₂O

10Fe + 36HNO₃ (розв.) = 10Fe(NO₃)₃ + 3N₂↑ + 18H₂O (може утворитись також і NH₄NO₃)

в) з концентрованими нітратною або сульфатною кислотами за умов нагрівання (на холоді вони пасивують залізо):

• з розчинами солей, які містять металічний елемент менш активного металу:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu↓

Зауважимо, що утворюються солі двовалентного Феруму.

Отримання заліза

Хімічно чисте залізо отримують електролізом розчинів його солей. Також залізо отримують відновленням природних оксидів воднем (з подальшим переплавлянням в електричних печах):

8.5.1. Сполуки Феруму (II)

Сполуки Феруму (II) виявляють відновні властивості, оскільки йон Fe²⁺ легко окиснюється до Fe³⁺.

Ферум(ІІ) оксид FeO — тверда кристалічна речовина чорного кольору з атомною кристалічною ґраткою. У воді не розчиняється. Це основний оксид, якому також притаманні відновні властивості. Реагує з кислотами, кислотними оксидами:

FeO + 2НСl = FeCl₂ + Н₂О

FeO + SO₃ = FeSO₄

Унаслідок взаємодії з киснем та нітратною кислотою ферум(ІІ) оксид виявляє відновні властивості:

Отримання ферум(ІІ) оксиду

Термічний розклад ферум(ІІ) карбонату в атмосфері азоту:

а також унаслідок інших реакцій:

Термоліз ферум(ІІ) оксалату (солі щавлевої кислоти):

Ферум(ІІ) гідроксид Fe(OH)₂ — порошок білого кольору, не розчиняється у воді.

Має основний характер і виявляє відновні властивості:

• реагує з кислотами:

Fe(OH)₂ + 2НСl = FeCl₂ + 2Н₂О

• окиснюється окисниками:

Fe(OH)₂ + 4HNO₃ (конц.) = Fe(NO₃)₃ + NO₂↑ + 3H₂O

На повітрі окиснюється до Fe(OH)₃бурого кольору:

4Fe(OH)₂ + 2Н₂О + О₂ = 4Fe(OH)₃

• унаслідок нагрівання розкладається:

Одержання ферум(ІІ) гідроксиду

Його одержують унаслідок взаємодії лугів з розчинними у воді солями Феруму (II):

FeSO₄ + 2КОН = Fe(OH)₂↓ + K₂SO₄

Свіжоосаджений ферум(ІІ) гідроксид має зеленкуватий колір, на повітрі швидко змінює своє забарвлення — буріє (Fe²⁺ → Fe³⁺).

Солі Феруму (II)

Сполуки Fe (II) нестійкі, окиснюються на повітрі:

4FeCO₃ + О₂ + 6Н₂О = 4Fe(OH)₃ + 4СО₂↑

Окиснюються іншими окисниками:

2FeCl₂ + Сl₂ = 2FeCl₃

4FeSO₄ + О₂ + 2H₂SO₄ = 2Fe₂(SO₄)₃ + 2Н₂О

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ = 5Fe₂(SO₄)₃ + 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 8H₂O

Ферум(ІІ) сульфат унаслідок нагрівання розкладається:

Якісна реакція для виявлення йонів Fe²⁺: реактив — калій гексаціаноферат (III) (червона кров’яна сіль). Утворюється осад турнбулевої сині:

3FeCl₂ + 2K₃[Fe(CN)₆] = Fe₃[Fe(CN)₆]₂↓ + 6КСl

8.5.2. Сполуки Феруму (III)

Ферум(ІІІ) оксид Fe₂O₃ — найстійкіша природна сполука Феруму, порошок бурого кольору, має атомну кристалічну ґратку, у воді не розчиняється. Ферум(ІІІ) оксид виявляє слабкі амфотерні властивості (з переважанням основних) — легко реагує з кислотами:

Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃+ 3Н₂О

За умов сплавляння з лугами і карбонатами лужних металічних елементів виявляє слабкі кислотні властивості:

Натрій ферит, що утворився, у водному розчині повністю розкладається водою (гідролізує):

2NaFeO₂ + Н₂О = Fe₂O₃ + 2NaOH

Відновники відновлюють ферум(ІII) оксид до заліза:

Fe₂O₃ +3СО = 2Fe + 3СО₂↑

Fe₂O₃ + 2Аl = Аl₂О₃ + 2Fe

Змішаний оксид Fe₃O₄ також взаємодіє з кислотами:

Fe₃O₄ + 8НСl = FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4Н₂О

Отримання ферум(ІІІ) оксиду

Ферум(ІІІ) оксид одержують термічним розкладом ферум(ІІІ) гідроксиду або ферум(ІІІ) нітрату:

Його також одержують унаслідок випалювання піриту FeS₂:

Ферум(ІІI) гідроксид Fe(OH)₃ ¹ — нерозчинна у воді речовина бурого кольору зі слабкими амфотерними властивостями (з переважанням основних):

Fe(OH)₃ + 3НСl = FeCl₃ + 3Н₂О

¹ Як і у випадку з Fe₃O₄, речовини з формулою Fe(OH)₃ не існує. За спроби її отримання утворюється Fe₂O₃ · nН₂О або FeO(OH) — ферум(ІІІ) метагідроксид.

Взаємодія з концентрованими розчинами лугів відбувається лише унаслідок тривалого нагрівання. Утворюється стійкий гідроксокомплекс K₃[Fe(OH)₆]:

Отримання ферум(ІІІ) гідроксиду

Ферум(ІІІ) гідроксид одержують з розчинних у воді солей Феруму (III) унаслідок їхньої взаємодії з лугами:

FeCl₃ + 3КОН = Fe(OH)₃↓ + КСl

Солі Феруму (III), які утворені сильними кислотами, добре розчиняються у воді, можуть утворювати кристалогідрати: Fe(NO₃)₃ · 9Н₂О, Fe₂(SO₄)₃ · 9Н₂О, FeCl₃ · 6Н₂О. Солі Fe³⁺ гідролізують по катіону:

FeCl₃ + НОН = FeOHCl₂ + НСl

Сполуки Феруму (III) виявляють окисні властивості, а тому унаслідок взаємодії з відновниками Fe³⁺ перетворюється на Fe²⁺:

2FeCl₃ + 6КI = 2FeI₂ + І₂ + 6КСl або 2FeCl₃ + 2КІ = 2FeCl₂ + I₂ + 2КСl

2FeCl₃ + H₂S = 2FeCl₂ + S↓ + 2HCl

Якісні реакції для виявлення йонів Fe³⁺:

1. Реактив — калій гексаціаноферат (II) (жовта кров’яна сіль). Утворюється темно-синій осад берлінської лазурі:

4FeCl₃ + 3K₄[Fe(CN)₆] = Fe₄[Fe(CN)₆]₃↓ + 12КСl

2. Реактив — калій (або амоній) тіоціанат. Утворюється ферум(ІІІ) тіоціанат криваво-червоного кольору:

FeCl₃ + 3KCNS = Fe(CNS)₃+ 3КСl

Використання заліза та сполук Феруму

Чорна металургія (виробництво заліза та його сплавів) становить 90 % світової металургії. Чорна металургія є основою розвитку багатьох галузей виробництва: на машинобудування йде третина чорного металу, на будівництво (як конструкційний матеріал, для виготовлення залізобетону) — чверть; значну частину використовують також у транспорті.

Сплави на основі заліза (феромагнітні) застосовують в електротехніці у виробництві трансформаторів і електродвигунів.

Ферум(ІІ) оксид FeO є одним з компонентів кераміки, пігментом для фарб і термостійкої емалі.

Ферум(ІІІ) оксид Fe₂O₃ використовують як мінеральну фарбу охру.

Магнетит Fe₃O₄ застосовують у виробництві жорстких дисків, а ультрадисперсний порошок — як тонер у чорно-білих лазерних принтерах.

Залізний купорос (ферум(ІІ) сульфат гептагідрат) FeSO₄ · 7Н₂О використовують для боротьби зі шкідниками рослин, у виробництві мінеральних фарб, у будівництві.

Ферум(ІІІ) хлорид застосовують для очистки води, як протраву у фарбуванні тканин, у радіотехніці для протравлення друкованих плат, в органічному синтезі — як каталізатор.

Водні розчини FeCl₂, FeCl₃, FeSO₄ використовують як коагулянти, щоб очистити воду для промислових підприємств.

Ферум(ІІІ) нітрат нонагідрат Fe(NO₃)₃ · 9Н₂О застосовують як протраву в процесі фарбування тканин.