8.5. Ферум

Железо находится в побочной подгруппе VIII группы¹ четвертого периода периодической системы, относится к d-элементам. Химический символ - Fe. Порядковый номер - 26, заряд ядра +26. Относительная атомная масса - 56. Образует простое вещество железо. Природное Железо состоит из четырех стабильных изотопов: ⁵⁴Fe (5,85 %), ⁵⁶Fe (91,75 %), ⁵⁷Fe (2,12 %) и ⁵⁸Fe (0,28 %). Известно также более чем 20 нестабильных изотопов с массовыми числами от 45 до 72.

Электронная формула - ₂₆Fe [r] 3d⁶4s². Валентные электроны в атоме Железа размещаются во внешнем электронном слое (4s²) и предпоследнем (3d⁶). Атом легко теряет 4s²-электроны, образуя ионы Fe²⁺:

В возбужденном состоянии один электрон с 3d-подуровня может переходить на 4p-подуровень (такая электронная конфигурация также довольно стабильная) и становиться валентным:

Таким образом характерные валентности Железа - II и III, степени окисления - +2, +3 (иногда +6).

Электроотрицательности по Полингом - 1,83.

Распространение Железа в природе

Феррум - 4-й по распространенности элемент (и 2-й среди металлических элементов) земной коры (по массе). Образует значительное количество минералов, в основном силикатов. Наибольшее значение имеют: магнитный железняк (магнетит) Fe₃O₄², красный железняк (гематит) Fe₂O₃, бурый железняк (лимонит) 2Fe₂O₃ · 3Н₂O, сидерит (железный шпат) FeCO₃, железный, или серный, колчедан (пирит)FeS₂.

По современным представлениям ядро нашей планеты имеет средний радиус 3,5 тыс. км³, массу 1,932 · 10²⁴ кг и на 79-85 % состоит из Железа (в виде сплава с Силіцієм (6-7 %), Ніколом (4,9-5,2 %) и другими элементами).

В морской воде его мало - 0,002-0,02 мг/л. В пресной воде, в зависимости от источника, концентрация Железа может значительно колебаться - от 0 до 2 мг/л и более, что не только влияет на органолептические свойства воды, но и делает его токсичным и непригодным для питья⁴.

Встречается самородное железо (Гренландия) и чугун (Дальний Восток).

До поверхности нашей планеты⁵ долетает 5-6 т метеоритов в сутки (космической пыли - от 300 до 20 000 т). Они бывают железными (примерно один из шестнадцати), железо-каменные и каменные. Железные метеориты состоят из 91 % Железа, примерно 8,5 % Никеля и других элементов. Другие также содержат в своем составе Железо (от 1 до 50 %). По современным представлениям они являются производными астероидов.

Железо (в виде иона Fe²⁺) является составной частью гема - комплексного соединения порфирина, что входит в состав гемоглобина, миоглобина, пероксидазы, цитохромов и др.

Физические свойства железа

Чистое железо - серебристо-белый металл, имеет высокую пластичность, легко куется. Температура плавления - 1539 °С, температура кипения - 2861 °С. Имеет ферромагнитные свойства (притягивается магнитом), хорошо проводит теплоту и электрический ток, хотя и уступает таким металлам, как золото, серебро, медь, алюминий.

Химические свойства железа

Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений, а потому является металлическим элементом средней химической активности. Во время химических реакций проявляет восстановительные свойства. Железо реагирует:

1) с простыми веществами:

• во время нагревания железо окисляется большинством неметаллов:

Окалина образуется при окислении железа в атмосфере чистого кислорода, а на воздухе - феррум(ІІІ) оксид Fe₂О₃.

(образование соли Fe²⁺ характерно только для йода как слабого окисника)

2) со сложными веществами:

• взаимодействие с водой (коррозия) при стандартных условиях происходит только, если есть кислород:

• раскаленное железо реагирует с водяным паром:

• с кислотами:

а) с кислотами, которые являются слабыми окислителями (при отсутствии кислорода):

б) с нітратною кислотой:

в) при нагревании с концентрированными нітратною и сульфатной кислотами (на холоде они пассивируют железо):

• с растворами солей менее активных металлов:

Заметим, что образуются соли двухвалентного Железа.

Добывание железа

Химически чистое железо получают электролизом растворов его солей. Также железо добывают восстановлением природных оксидов водородом (с последующим переплавлянням в электрических печах):

___________________________________________________________

¹ По новой номенклатуре - в VIII группе.

² Формула Fe₃О₄, которую для удобства написания традиционно используют, является некорректной. Правильная формула этого вещества -

³ Средний радиус Земли составляет 6,37 тыс. км.

⁴ Предельно допустимая концентрация (ПДК) Железа в воде - 0,3 мг/л.

⁵ Интересно, что метеориты неравномерно покрывают площадь поверхности Земли. Существуют участки (например, зона Молчания в Мексике, расположенной в 6 км от техасского городка Эль-Пасо), которые будто притягивают метеориты, в частности благодаря аномальным показателям магнитного поля.

8.5.1. Соединения Железа (II)

Соединения Железа (II) проявляют восстановительные свойства, так как ион Fe²⁺ легко окисляется до Fe³⁺. Ферум(ІІ) оксид FeO - твердое кристаллическое вещество черного цвета с атомными кристаллическими решетками. В воде не растворяется. Это основной оксид, которому также присущи восстановительные свойства. Реагирует с кислотами, кислотными оксидами:

При взаимодействии с кислородом и нітратною кислотой ферум(ІІ) оксид проявляет восстановительные свойства:

Добыча феррум(II) оксида

Термическое разложение феррум(II) карбоната в атмосфере азота:

а также другими реакциями:

Термолиз ферум(ІІ) оксалата (соли щавелевой кислоты):

Феррум(II) гидроксид Fe(OH)₂ - порошок белого цвета, не растворяется в воде.

Имеет основной характер и проявляет восстановительные свойства:

• реагирует с кислотами:

• окислителями окисляется:

На воздухе окисляется до Fe(OH)₃ бурого цвета:

• при нагревании разлагается:

Добыча ферум(ІІ) гидроксида

Его получают при взаимодействии щелочей с растворимыми в воде солями Железа (II):

Свіжоосаджений ферум(ІІ) гидроксид имеет зеленоватый цвет, на воздухе быстро меняет свою окраску - буреет

Соли Железа (II)

Соединения Fe (II) неустойчивы, окисляются на воздухе:

Окисляются другими окислителями:

Ферум(ІІ) сульфат при нагревании разлагается:

Качественная реакция на ион Fe²⁺: реактив - калий гексаціаноферат(III) (красная кровяная соль). Образуется осадок турнбулевої синие: