Підготовка до ЗНО з хімії

Ферум – представник перехідних елементів, знаходиться у VIIIB підгрупі Періодичної системи хімічних елементів.

Електронна будова атома Феруму 1s²2s²2р⁶3s²3р⁶3d⁶4s²:

На зовнішньому електронному рівні атом Феруму містить два s-електрони, заповнюється 3d-підрівень, тому Ферум – d-елемент. У хімічних реакціях він віддає 2 електрони з 4s-підрівня з утворенням іона Fe²⁺, який при відщепленні одного електрона з 3d-підрівня утворює іон Fe³⁺. Менш характерним є ступінь окиснення +6. За рахунок вільних d-орбіталей Ферум утворює комплексні сполуки з координаційними числами 4, 6 і 8.

Назва “Ферум” походить від лат. “firmus” – міцний. Залізо – один з металів, відомий людству ще з ІХ – VII ст. Першим джерелом заліза були метеорити, згодом люди навчились виплавляти його з руд. У ті часи вартість міді, срібла, золота і заліза відносились як 1:160:1280:6400. Це було зумовлено, з одного боку, рідкістю метеоритного заліза і поширеністю самородних міді, срібла і золота, а з іншого – практичним застосуванням заліза для виготовлення зброї, сільськогосподарських інструментів тощо. В “Одисеї” Гомер згадує, як переможця спортивних ігор Ахіллеса нагородили шматком заліза і шматком золота.

Поширення в природі. Ферум – другий (після Алюмінію) за поширенням метал та четвертий (після Оксигену, Силіцію та Алюмінію) у земній корі (5,2%) елемент. Зустрічається у вільному стані (метеоритне залізо) та у вигляді сполук (табл. 24.1), які використовують для промислового одержання заліза.

Велика кількість самородного заліза (30%) метеоритного походження знаходиться на поверхні Місяця. Через відсутність там атмосфери з окисниками (кисень, вода) усі елементи перебувають у нижчих ступенях окиснення. При виверженні вулканів на Місяці утворюється самородне залізо шляхом відновлення мінералів за високої температури та глибокого вакууму.

Таблиця 24.1

Деякі природні сполуки Феруму

Назва мінералу	Формула
Бурий залізняк (лимоніт)	2Fe2O3∙3H2O
Залізний колчедан (пірит)	FeS2
Магнітний залізняк (магнетит)	Fe3O4 (або FeO∙Fe2O3; Fe(FeO2)2)
Червоний залізняк (гематит)	Fe2O3
Залізний шпат (сидерит)	FeСO3

Пірит рідко використовують для добування заліза, він є основною сировиною для одержання сульфатної кислоти.

Одержання. Сучасні промислові способи переробки залізних руд описані в п. Чавун і сталь.

Залізо високої чистоти одержують прямим відновленням Fe₂O₃:

Fe₂O₃ + 3H₂ = Fe + 3H₂O,

або термічним розкладом (150 – 200 ⁰С, 10МПа) ферум пентакарбонілу:

[Fe(CO)₅] = Fe + 5CO.

Фізичні властивості. Чисте залізо – сріблясто-білий метал, з хорошою тепло- та електропровідністю, пластичний, ковкий (табл. 24.2).

Таблиця 24.2

Деякі властивості Феруму і заліза

Характеристика	Ферум і залізо
Порядковий номер	26
Атомна маса	56
Конфігурація зовнішнього електронного рівня	3d64s2
Атомний радіус, пм	126
Густина, г/см3	7,87
Температура плавлення, 0С	1539
Температура кипіння, 0С	2870

 

На вологому повітрі залізо тьмяніє, утворюючи пухку плівку гідроксиду, яка не перешкоджає подальшому окисненню металу. Залізо виявляє феромагнітні властивості (речовини, що притягуються магнітом – феромагнетики). Механічні властивості заліза визначаються наявністю домішок, зі зростанням їх кількості якість металу погіршується.

Залізо утворює кілька кристалічних модифікацій, стійких за певної температури (після 768 ⁰С залізо втрачає феромагнітні властивості):

При зниженні температури відбувається зворотній процес.

Хімічні властивості визначаються наявністю домішок. Чисте залізо – метал середньої активності. Біля м. Делі (Індія) стоїть залізна колона висотою 7 м і масою 6,5 т без жодних слідів корозії, хоча її вік – понад 2800 р. Колона виготовлена із заліза чистотою 99,72%, стійкого до корозії.

Для Феруму характерне утворення сполук Fe⁺² i Fe⁺³, що відповідають оксидам FeO і Fe₂O₃. Відомі солі фератної кислоти H₂FeO₄, у яких ступінь окиснення Феруму +6.

І. Взаємодія з простими речовинами.

Залізо при нагріванні реагує з киснем, сіркою, галогенами, вуглецем та азотом з утворенням відповідних бінарних сполук:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (або FeO + Fe₂O₃);                 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃;

Fe + S = FeS;                 3Fe + C = Fe₃C;             2Fe + N₂ = 2FeN

З воднем залізо безпосередньо не реагує.

ІІ. Взаємодія зі складними речовинами.

1. Залізо за нормальних умов реагує з водою і киснем:

4Fe + 3O₂ + 6H₂O = 4Fe(OH)₃

Цей процес – корозія заліза детально розглянуто у п. Корозія металів.

2. Взаємодія з кислотами-неокисниками (HСl або розведена сульфатна) відбувається за нормальних умов і веде до утворення відповідних солей та виділення водню:

Fe + 2НСl = FeCl₂ + Н₂­;                 Fe + Н₂SO₄ = FeSO₄ + Н₂­.

3. Взаємодія з кислотами-окисниками (концентрована сульфатна, розбавлена та концентрована нітратна кислоти) веде до утворення солей Fe³⁺:

Fe + 4HNO_3р. = Fe(NO₃)₃ + NO + H₂O;

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

Кислоти високих концентрацій пасивують метал, взаємодія не відбувається і тому концентровані HNO₃ і H₂SO₄ перевозять у залізних цистернах.

4. Розпечене до червона залізо реагує з водяною парою:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.

5. Залізо витісняє метали, які розташовані після нього у ряду стандартних електродних потенціалів з водних розчинів їх солей:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.