Министерство образования и науки Российской Федерации

ГОУ ВПО Ижевский Государственный Технический Университет

Кафедра общей химии и химической технологии

Реферат

На тему: «Химия железа»

2007 г.

Нахождение в природе

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре; оно составляет около 5% земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном виде железо находят в метеоритах, изредка встречается самородное железо (феррит) в земной коре как продукт застывания магмы.

Железо входит в состав многих минералов, из которых слагаются месторождения железных руд.

Основные рудные минералы железа:

Гематит (железный блеск, красный железняк) - Fe₂O₃ (до 70% Fe);

Магнетит (магнитный железняк) - Fe₃O₄ (до 72,4% Fe);

Гетит - FeOOH

Гидрогетит - FeOOH*nH₂O (лимонит) - (около 62% Fe);

Сидерит - Fe(CO₃) (около 48,2% Fe);

Пирит - FeS₂

Месторождения железных руд образуются в различных геологических условиях; с этим связано разнообразие состава руд и условий их залегания. Железные руды разделяются на следующие промышленные типы:

Бурые железняки - руды водной окиси железа (главный минерал - гидрогетит), 30-55% железа.

Красные железняки, или гематитовые руды (главный минерал - гематит, иногда с магнетитом), 51-66% железа.

Магнитные железняки (главный минерал - магнетит), 50-65% железа.

Сидеритовые или карбонатные осадочные руды, 30-35% железа.

Силикатные осадочные железные руды, 25-40% железа.

Большие запасы железных руд находятся на Урале, где целые горы (например Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири, на дальнем Востоке. Богатые залежи имеются на Украине.

Железо является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, где среднее содержание его колеблется в интервале 0,01-26 мг/л.

Техногенные источники поступления железа в окружающую среду

В зонах металлургических комбинатов в твердых выбросах содержится от 22000 до 31000 мг/кг железа.

В прилегающие к комбинатам почвы поступает до 31-42 мг/кг железа. Вследствие этого железо накапливается в огородных культурах.

Много железа поступает в сточные воды и шламы от производств: металлургического, химического, машиностроительного, металлообрабатывающего, нефтехимического, химико-фармацевтического, лакокрасочного, текстильного.

Содержание железа в составе сырого осадка, выпадающего в первичных отстойниках крупного промышленного города, может достигать 1428 мг/кг.

Пыль, дым промышленных производств могут содержать большие количества железа в виде аэрозолей железа, его оксидов, руд.

Пыль железа или его оксидов образуется при заточке металлического инструмента, очистке деталей от ржавчины, прокате железных листов, электросварке и при других производственных процессах, в которых имеют место железо или его соединения.

Железо может накапливаться в почвах, водоемах, воздухе, живых организмах.

Основные минералы железа подвергаются в природе фотохимическому разрушению, комплексообразованию, микробиологическому выщелачиванию, в результате чего, железо из труднорастворимых минералов переходит в водные объекты.

Железосодержащие минералы окисляются бактериями типа Th. Ferrooxidans.

Химические свойства железа, его основные соединения

В периодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе VIII группы.

Химический знак - Fe (феррум). Порядковый номер - 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d6 4s2.

Валентные электроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s2) и предпоследнем (3d6). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.

В реакциях железо является восстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже с самыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но при нагревании становится активным и реагирует с ними:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III)

3Fe + 2O2 = Fe3O4 (FeO (Fe2O3) Оксид железа (II, III)

Fe + S = FeS Сульфид железа (II)

При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором:

3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит)

3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа

3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа (II)

Железо реагирует со сложными веществами. Во влажном воздухе железо быстро окисляется (корродирует):

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH) 3,

O

Fe(OH) 3 = Fe

O - H + H2O

Ржавчина

Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

При обычной температуре железо не взаимодействует с концент-рированной серной кислотой, так как пассивируется ею. При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо до сульфита железа (III):

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

Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III):

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

Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.

Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu, Fe0 + Cu2+ = Fe2+ + Cu0.

Соединения железа (II)

Оксид железа (II) FeO - черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа (II, III) оксидом углерода (II):

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

Оксид железа (II) - основной оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):

FeO + 2HCl = FeCl2 + H2O, FeO + 2H+ = Fe2+ + H2O.

Гидроксид железа (II) Fe(OH) 2 - порошок белого цвета, не растворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их со щелочами:

FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH) 2 (+ Na2SO4,

Fe2+ + 2OH- = Fe(OH) 2 (.

Гидроксид железа () Fe(OH) 2 проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:

Fe(OH) 2 + 2HCl = FeCl2 + 2H2O,

Fe(OH) 2 + 2H+ = Fe2+ + 2H2O.

При нагревании гидроксид железа (II) разлагается:

Fe(OH) 2 = FeO + H2O.

Соединения со степенью окисления железа +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe2+ легко окисляются до Fe+3:

Fe+2 - 1e = Fe+3

Так, свежеполученный зеленоватый осадок Fe(OH) 2 на воздухе очень быстро изменяет окраску - буреет. Изменение окраски объясняется окислением Fe(OH) 2 в Fe(OH) 3 кислородом воздуха:

4Fe+2 (OH) 2 + O2 + 2H2O = 4Fe+3 (OH) 3.

Восстановительные свойства проявляют и соли двухвалентного железа, особенно при действии окислителей в кислотной среде. Например, сульфат железа (II) восстанавливает перманганат калия в сернокислотной среде до сульфата марганца (II):

10Fe+2SO4 + 2KMn+7O4 + 8H2SO4 = 5Fe+32 (SO4) 3 + 2Mn+2SO4 + K2SO4 + 8H2O.

Качественная реакция на катион железа (II)

Реактивом для определения катиона железа Fe2+ является гексациано (III) феррат калия (красная кровяная соль) K3 [Fe(CN) 6]:

3FeSO4 + 2K3 [Fe(CN) 6] = Fe3 [Fe(CN) 6] 2 (+ 3K2SO4.

При взаимодействии ионов [Fe(CN) 6] 3- с катионами железа Fe2+ образуется темно-синий осадок - турнбулева синь:

3Fe2+ +2 [Fe(CN) 6] 3- = Fe3 [Fe(CN) 6] 2 (

Соединения железа (III)

Оксид железа (III) Fe2O3 - порошок бурого цвета, не растворяется в

воде. Оксид железа (III) получают:

А) разложением гидроксида железа (III):

2Fe(OH) 3 = Fe2O3 + 3H2O

Б) окислением пирита (FeS2):

4Fe+2S2-1 + 11O20 = 2Fe2+3O3 + 8S+4O2-2.

Fe+2 - 1e (Fe+3

2S-1 - 10e (2S+4

O20 + 4e (2O-2 11e

Оксид железа (III) проявляет амфотерные свойства

А) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH и с карбонатами

натрия и калия при высокой температуре:

Fe2O3 + 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O,

Fe2O3 + 2OH- = 2FeO2- + H2O,

Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2.

Феррит натрия

Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) при взаимодействии их со щелочами:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH) 3 (+ 3NaCl,

Fe3+ + 3OH- = Fe(OH) 3 (.

Гидроксид железа (III) является более слабым основанием, чем Fe(OH) 2, и проявляет амфотерные свойства (с преобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH) 3 легко образует

соответствующие соли:

Fe(OH) 3 + 3HCl (FeCl3 + H2O

2Fe(OH) 3 + 3H2SO4 (Fe2 (SO4) 3 + 6H2O

Fe(OH) 3 + 3H+ (Fe3+ + 3H2O

Реакции с концентрированными растворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании. При этом получаются устойчивые гидрокомплексы с координационным числом 4 или 6:

Fe(OH) 3 + NaOH = Na [Fe(OH) 4],

Fe(OH) 3 + OH- = [Fe(OH) 4]-,

Fe(OH) 3 + 3NaOH = Na3 [Fe(OH) 6],

Fe(OH) 3 + 3OH- = [Fe(OH) 6] 3 -.

Соединения со степенью окисления железа +3 проявляют окислительные свойства, так как под действием восстановителей Fe+3 превращается в Fe+2:

Fe+3 + 1e = Fe+2.

Так, например, хлорид железа (III) окисляет йодид калия до свободного йода:

2Fe+3Cl3 + 2KI = 2Fe+2Cl2 + 2KCl + I20

Качественные реакции на катион железа (III)

А) Реактивом для обнаружения катиона Fe3+ является гексациано (II) феррат калия (желтая кровяная соль) K2 [Fe(CN) 6].

При взаимодействии ионов [Fe(CN) 6] 4- с ионами Fe3+ образуется темно-синий осадок - берлинская лазурь:

4FeCl3 + 3K4 [Fe(CN) 6] (Fe4 [Fe(CN) 6] 3 (+12KCl,

4Fe3+ + 3 [Fe(CN) 6] 4- = Fe4 [Fe(CN) 6] 3 (.

Б) Катионы Fe3+ легко обнаруживаются с помощью роданида аммония (NH4CNS). В результате взаимодействия ионов CNS-1 с катионами железа (III) Fe3+ образуется малодиссоциирующий роданид железа (III) кроваво-красного цвета:

FeCl3 + 3NH4CNS (Fe(CNS) 3 + 3NH4Cl,

Fe3+ + 3CNS1 - (Fe(CNS) 3.

Получение железа

В промышленности железо получают восстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II) в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:

C + O2 = CO2,

CO2 + C = 2CO.

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2,

Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2,

FeO + CO = Fe + CO2.

Из всех добываемых металлов, железо имеет наибольшее значение. Вся современная техника связана с применением железа и его сплавов. Количество добываемого железа примерно в 15 раз превосходит добычу всех остальных металлов вместе взятых.

Основным промышленным способом получения железа служит производство его в виде различных сплавов с углеродом - чугунов и углеродистых сталей. Чугуны получают доменным процессом, а стали - мартеновским, конверторным и электроплавильным процессами.

В доменном процессе в качестве основных шихтовых материалов участвуют: железная руда, кокс и известняк, необходимые для восстановления окислов железа в руде углеродом и разведения расплавленных чугуна и шлака.

В домну подается воздух или, для ускорения процесса, кислород (кислородное дутье). Углерод кокса окисляется кислородом: C+O₂=CO₂; C+CO₂=2CO.

Образующийся при этом СО и углерод кокса восстанавливают окислом железа.

Поскольку указанные реакции протекают при избытке углерода, восстановленное железо сплавляется с углеродом и образуется чугун со значительно более низкой температурой плавления, чем чистое железо. Чугун (с 4,3% С) плавится при 1135^оC, а железо при 1539^оC.

Расплавленные низкоплавкие чугун и шлак собираются в горне доменной печи и периодически выпускаются через специальные отверстия.

Способы передела чугуна - мартеновский, конверторный и электроплавильный, - сводятся к удалению избыточного углерода и вредных примесей (S, P) путем их окисления и к доводке содержания легирующих элементов до заданного путем добавления их при плавке.

Предельно допустимое содержание вредных примесей и необходимое содержание легирующих элементов установлены для каждой марки стали.

Чистое железо получают в виде порошка восстановлением его оксидов водородом или термическим разложением карбонила Fe(CO)₅. Применение чистого железа ограничено, т. к. оно по своим механическим свойствам не удовлетворяет ряду требований к конструкционным материалам. Оно очень пластично.

Железо и его сплавы составляют основу современной техники. Значение железных сплавов для техники следует из того, что 95% всей металлической продукции составляет чугун и только 5% - сплавы остальных металлов.

Соединения железа

Железный купорос FeSO₄^.7H₂O получают путем растворения обрезков стали в 20-30%-ной серной кислоте:

Железный купорос - светло-зеленые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется для борьбы с вредителями растений, в производстве чернил и минеральных красок, при крашении тканей, для очистки сточных вод от цианидов.

При действии на железный купорос щелочи образуются гидроксиды железа - Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃.

Эти гидроксиды применяют в качестве пигментов. Природный гидроксид железа FeS₂ (пирит) служит сырьем для получения серной кислоты, серы и железа.

Нитрат железа Fe(NO₃)₃ получается при действии на железо азотной кислоты. Применяется как протрава при крашении хлопчатобумажных тканей и как утяжелитель шелка.

Хлорид железа FeCl₃ образуется при нагревании железа с хлором, хлорированием FeCl₂. Применяется как коагулянт при очистке воды, как протрава при крашении тканей, как катализатор в органическом синтезе.

Сульфат железа Fe₂(SO₄)₃ образует кристаллогидрат Fe₂(SO₄)₃^.9H₂O (желтые кристаллы). Получают растворением оксида Fe₂O₃ в серной кислоте. Применяется как коагулянт при очистке воды, для травления металлов, используется при получении меди.

Оксиды железа обычно получают при действии водяного пара на раскаленное железо. Природные оксиды железа служат основным сырьем для получения металлического железа (его сплавов).

Fe₂O₃ и его производные (ферриты) используют в радиоэлектронике как магнитные материалы, в том числе как активные вещества магнитофонных лент.

Fe₃O₄ служит материалом для изготовления анодов в ряде электрохимических производств.

Ферриты - при сплавлении оксида железа (III) с карбонатами натрия или калия образуются ферриты - соли не полученной в свободном состоянии железистой кислоты HFeO₂, например феррит натрия NaFeO₂:

В технике ферритами или ферритными материалами называют продукты спекания порошков Fe₂O₃ и оксидов некоторых двухвалентных металлов, например, Ni, Zn, Mn.

Ферриты обладают ценными магнитными свойствами и высоким электрическим сопротивлением.

Ферриты широко применяются в технике связи, счетно-решающих устройствах, в автоматике и телемеханике.

Соединения железа (VI)

Если нагревать стальные опилки или Fe₂O₃ с нитратом и гидроксидом калия, то образуется сплав, содержащий феррат калия K₂FeO₄ - соль железной кислоты H₂FeO₄, которая в свободном виде не получена.

При растворении сплава в воде получается красно-фиолетовый раствор, из которого действием хлорида бария можно осадить нерастворимый в воде феррат бария BaFeO₄.

Все ферраты - очень сильные окислители, более сильные, чем KMnO₄.

Карбонилы железа

Железо образует летучие соединения с окисью углерода, называемые карбонилами железа. Пентакарбонил железа Fe(CO)₅ - бледно-желтая жидкость, не растворимая в воде, но растворимая во многих органических растворителях. Fe(CO)₅ получают пропусканием CO над порошком железа при 150-200^oС и давлении 100 атм. При нагревании в вакууме Fe(CO)₅ разлагается на железо и CO. Это используется для получения высокочистого порошкового железа - карбонильного железа.

Сплавы железа - это металлические сплавы на основе железа. До начала XIX века к сплавам железа относили преимущественно Fe-C (с примесями Si, Mn, S, P), получившие название сталей и чугунов. Возрастающие требования техники к металлическим материалам, прежде всего в отношении их механических свойств, жаропрочности, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах привели к созданию новых сплавов железа содержащих Cr, Ni, Si, Mo, W и др.

В настоящее время к сплавам железа относят: углеродистые стали, чугуны, легированные стали, содержащие кроме углерода другие элементы, и стали с особыми физико-химическими и механическими свойствами.

Кроме того для введения в сталь легирующих элементов применяются особые сплавы железа, получившие название ферросплавов.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.

Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и своими свойствами. Он хрупок, но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали. Основная масса чугуна перерабатывается в сталь.

Элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной. К важнейшим легирующим элементам относятся Cr, Ni, Mn, W, Mo. Широко применяются жаростойкие сплавы на основе никеля (нихром, содержащий никель и хром и другие).

Из медно-никелевых сплавов (мельхиор и другие) изготавливают монеты, украшения, предметы домашнего обихода.

Кобальтсодержащие сплавы используются как вязкая составная часть металлорежущего инструмента, в которую вкраплены исключительно твердые карбиды MoC и WC.