Первые изделия из железа и его сплавов были найдены при раскопках и датируются примерно 4 тысячелетием до нашей эры. То есть еще древние египтяне и шумеры использовали метеоритные месторождения данного вещества, чтобы изготовлять украшения и предметы быта, а также оружие.
Сегодня соединения железа различного рода, а также чистый металл - это самые распространенные и применяемые вещества. Не зря XX век считался железным. Ведь до появления и широкого распространения пластика и сопутствующих материалов именно это соединение имело для человека решающее значение. Что представляет собой данный элемент и какие вещества образует, рассмотрим в данной статье.
Если рассматривать строение атома, то в первую очередь следует указать его местоположения в периодической системе.
Химический элемент железо имеет также около 20 различных изотопов, которые не отличаются стабильностью. Возможные степени окисления, которые может проявлять данный атом:
Важное значение имеет не только сам элемент, но и его различные соединения и сплавы.
Как простое вещество, железо имеет с ярко выраженным металлизмом. То есть это серебристо-белый с серым оттенком металл, обладающий высокой степенью ковкости и пластичности и высокой температурой плавления и кипения. Если рассматривать характеристики более подробно, то:
В зависимости от условий и различных температур, существует несколько модификаций, которые образует железо. Физические свойства их различаются от того, что разнятся кристаллические решетки.
Все модификации имеют различные типы строения кристаллических решеток, а также отличаются магнитными свойствами.
Как уже упоминалось выше, простое вещество железо проявляет среднюю химическую активность. Однако в мелкодисперсном состоянии способно самовоспламеняться на воздухе, а в чистом кислороде сгорает сам металл.
Коррозионная способность высокая, поэтому сплавы данного вещества покрываются легирующими соединениями. Железо способно взаимодействовать с:
Очевидно, что, проявляя такую активность, металл способен образовывать различные соединения, многообразные и полярные по свойствам. Так и происходит. Железо и его соединения чрезвычайно разнообразны и находят применение в самых разных отраслях науки, техники, промышленной деятельности человека.
Природные соединения железа встречаются довольно часто, ведь это второй по распространенности элемент на нашей планете после алюминия. При этом в чистом виде металл встречается крайне редко, в составе метеоритов, что говорит о больших его скоплениях именно в космосе. Основная же масса содержится в составе руд, горных пород и минералов.
Если говорить о процентном содержании рассматриваемого элемента в природе, то можно привести следующие цифры.
Самые распространенные соединения железа формируют следующие минералы:
Это еще далеко список, ведь их действительно очень много. Кроме того, широко распространены различные сплавы, которые создаются человеком. Это тоже такие соединения железа, без которых сложно представить современную жизнь людей. К ним относятся два основных типа:
Также именно железо является ценной добавкой в составе многих никелевых сплавов.
К таковым относятся такие, в которых степень окисления образующего элемента равна +2. Они достаточно многочисленны, ведь к ним можно отнести:
Формулы химических соединений, в которых железо проявляет указанную степень окисления, для каждого класса индивидуальны. Рассмотрим наиболее важные и распространенные из них.
Практическое значение среди обозначенных веществ имеют несколько соединений. Во-первых, (II). Это главный поставщик ионов в организм человека, больного анемией. Когда такой недуг диагностируется у пациента, то ему прописывают комплексные препараты, в основе которых лежит рассматриваемое соединение. Так происходит восполнение дефицита железа в организме.
Во-вторых, то есть сульфат железа (II), вместе с медным используется для уничтожения сельскохозяйственных вредителей на посевах. Метод доказывает свою эффективность уже не первый десяток лет, поэтому очень ценится садоводами и огородниками.
Это соединение, которое представляет собой кристаллогидрат сульфата железа и аммония. Формула его записывается, как FeSO 4 *(NH 4) 2 SO 4 *6H 2 O. Одно из соединений железа (II), которое получило широкое применение на практике. Основные области использования человеком следующие.
Есть и другие области, в которых находит применение это вещество. Название свое оно получило в честь немецкого химика, впервые обнаружившего проявляемые свойства.
Свойства соединений железа, в которых оно проявляет степень окисления +3, несколько отличны от рассмотренных выше. Так, характер соответствующего оксида и гидроксида уже не основный, а выраженный амфотерный. Дадим описание основным веществам.
Среди приведенных примеров с практической точки зрения важное значение имеет такой кристаллогидрат, как FeCL 3* 6H 2 O, или шестиводный хлорид железа (III). Его применяют в медицине для остановки кровотечений и восполнения ионов железа в организме при анемии.
Девятиводный сульфат железа (III) используется для очистки питьевой воды, так как ведет себя как коагулянт.
Формулы химических соединений железа, где оно проявляет особую степень окисления +6, можно записать следующим образом:
Все они имеют общее название - ферраты - и обладают схожими свойствами (сильные восстановители). Также они способны обеззараживать и обладают бактерицидным действием. Это позволяет использовать их для обработки питьевой воды в промышленных масштабах.
Очень важными в аналитической химии и не только являются особые вещества. Такие, которые образуются в водных растворах солей. Это комплексные соединения железа. Наиболее популярные и хорошо изученные из них следующие.
Железо и его соединения, как мы уже убедились, имеют большое практическое значение в хозяйственной жизни человека. Однако, помимо этого, его биологическая роль в организме не менее велика, даже наоборот.
Существует одно очень важное белок, в состав которого входит данный элемент. Это гемоглобин. Именно благодаря ему происходит транспорт кислорода и осуществляется равномерный и своевременный газообмен. Поэтому роль железа в жизненно важном процессе - дыхании - просто огромна.
Всего внутри организма человека содержится около 4 грамм железа, которое постоянно должно пополняться за счет потребляемых продуктов питания.
Цели урока:
Оборудование: железо (порошок, булавка, пластина), сера, колба с кислородом, соляная кислота, сульфат железы(II), хлорид железы(III),гидроксид натрия, красная и желтая кровяные соли.
ХОД УРОКА
I. Органиционный момент
II. Проверка домашнего задания
III. Изучение нового материала
1. Вступление учителя.
– Значение железа в жизни, его роль в истории
цивилизации. Одним из самых распространенных
металлов в земной коре является железо.
Применять его начали гораздо позже других
металлов (меди, золота, цинка, свинца, олова), что,
скорее всего, объясняется малым сходством руды
железа с металлом. Первобытным людям было очень
трудно догадаться, что из руды можно получить
металл, который успешно можно использовать при
изготовлении различных предметов, сказалось
отсутствие инструментов и необходимых
приспособлений для организации такого процесса.
До того времени, когда человек научился получать
из руды железо и изготавливать из него сталь и
чугун, прошло довольно длительное время.
На данный момент железные руды являются
необходимым сырьем для черной металлургии, теми
полезными ископаемыми, обходиться без которых не
сможет ни одна развитая промышленная страна. За
год мировая добыча железных руд составляет
приблизительно 350 000 000 тонн. Используются они для
выплавки железа (содержание углерода 0,2-0,4 %),
чугуна (2,5-4% углерода), стали (2,5-1,5 % углерода) Сталь
имеет наиболее широкое применение в
промышленности, чем железо и чугун, поэтому и
больше спрос на ее выплавку.
Для выплавки чугуна из железных руд используются
домны, которые работают на каменном угле или
коксе, переплавка стали и железа из чугуна
происходит в отражательных мартеновских печах,
бессемеровских конверторах или способом Томаса.
Черные металлы и их сплавы имеют огромное
значение в жизни и развитии человеческого
общества. Всевозможные предметы быта и широкого
потребления изготавливаются из железа. Для
строительства кораблей, самолетов,
железнодорожного транспорта, автомобилей,
мостов, железных дорог, различных зданий,
оборудования и прочего, используются сотни
миллионов тонн стали и чугуна. Не существует
такой отрасли сельского хозяйства и
промышленности, в которой бы не применялись
железо и его различные сплавы.
Немногие часто встречающиеся в природе минералы,
имеющие в своем составе железо, являются именно
железной рудой. К таким минералам можно отнести:
бурый железняк, гематит, магнетит, другие,
образующие крупные месторождения и занимающие
огромные площади.
Химическое отношение магнетита или магнитного
железняка, имеющего железо – черный цвет и
уникальное свойство – магнитность, представляет
собой соединение, состоящее из окиси и закиси
железа. В природной среде его можно встретить как
в виде зернистых или сплошных масс, так и в виде
хорошо сформированных кристаллов. Железная руда
наиболее богата содержанием металлического
железа магнетита (до 72%).
Самые крупные в нашей стране месторождения
магнетитовых руд находятся на Урале, в горах
Высокая, Благодать, Магнитная, в некоторых
районах Сибири – бассейне реки Ангара, Горной
Шории, на территории Кольского полуострова.
2. Работа с классом. Характеристика железа как химического элемента
а) Положение в периодической системе:
Задание 1. Определить положение железа в Периодической системе?
Ответ: Железо расположено в 4-м большом периоде, четном ряду, 8-й группе, побочной группе.
б) строение атома:
Задание 2. Зарисовать состав и строение атома железа, электронные формулу и ячейки.
Ответ: Fe +3 2) 8) 14) 2)металл
р = 26
е = 26
n = (56 – 26) = 301s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
Вопрос. На каких слоях у железа расположены валентные электроны? Почему?
Ответ. Валентные электроны расположены на последнем и предпоследнем слоях, так как это элемент побочной подгруппы.
Железо относят к d-элементам, оно входит в состав триады элементов – металлов (Fe-Co-Ni);
в) окислительно-восстановительные свойства железа:
Вопрос. Чем является железо-окислителем или восстановителем? Какие степени окисления и валентность проявляет?
Ответ:
Fe 0 – 2e = Fe +3 }восстановитель
Fe 0 – 3e = Fe +3
с.о.+ 2,+ 3; валентность = II и III, валентность 7 – не проявляет;
г) соединения железа:
FeO – основный оксид
Fe(OH) 2 – нерастворимое основание
Fe 2 O 3 – оксид признаками амфотерности
Fe(OH) 3 – основание с признаки амфотерности
Летучие водородные соединения – нет.
д) нахождение в природе.
Железо является вторым по распространенности металлом в природе(после алюминия).В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах.Наиболее важные природные соединения:
FeO*3HO – бурый железняк,
FeO – красный железняк,
FeO (FeO*FeO) – магнитный железняк,
FeS – железный колчедан (пирит)
Соединения железа входят в состав живых организмов.
3. Характеристика простого вещества железа
а) строение молекулы, тип связи, тип кристаллической решетки;(самостоятельно)
б) физические свойства железа
Железо – серебристо-серый металл, обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами. Плотность железа – 7,87г/см 3 , температура плавления 1539 t о С.
в) химические свойства железа:
Атомы железа в реакциях отдают электроны и
проявляют степени окисления + 2,+ 3 и иногда + 6.
В реакциях железо является восстановителем.
Однако при обычной температуре оно не
взаимодействует даже с самыми октивными
окислителями(галогенами,кислородом,серой) но при
нагревании становится активными и реагирует с
ними:
2Fe +3Cl 2 = 2FeCl 3 Хлорид железа(III)
3Fe + 2O 2 = Fe 2 O 3 (FeO*Fe O) Оксид железа(III)
Fe +S = FeS Сульфид железа(II)
При очень высокой температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором.
3Fe + C = Fe 3 C Карбид железа(цементит)
3Fe + Si = Fe 3 Si Силицид железа
3Fe + 2P = Fe 3 P 2 Фосфид железа
Железо реагирует со сложными веществами.
Во влажном воздухе железо быстро
скисляется(корродирует):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3
Fe(OH) 3 ––> FeOOH + H 2 O
Ржавчина
Железо находится в середине электрохимического ряда напряжений металлов,поэтому является металлом средней активности. Восстановительная способность у железаменьше, чем у щелочных, щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:
3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2
Железо реагирует с разбавленными серной и соляной кислотами,вытесняя из них водород:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
Fe 0 + 2H + = Fe 2+ + H 2 0
При обычной температуре железо не взаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею.При нагревании концентрированная серная кислота окисляет железо до сульфата железа(III):
2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа(III):
Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O
Концентрированная азотная кислота пассивирует железо.
Из растворов солей железо вытесняет металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu,
г) применение железа (самостоятельно)
д) получение (вместе с учащимися)
В промышленности железо получают
восстановлением его из железных руд углеродом
(коксом) и оксидом углерода (II) в доменных печах.
Химизм доменного процесса следующий:
C + O = CO
CO + C = 2CO
3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2
Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2
FeO + CO = Fe + CO 2
4. Соединения железа
Химические свойства данных соединений.
Дополнение. Соединения железа(II) неустойчивы, они могут они могут окисляться и переходить в соединения железа(III)
Fe +2 Cl 2 + Cl 2 = Fe +3 Cl 3 составить дома окислительно-восстановительные
Fe +2 (OH) + H 2 O + O 2 = Fe +3 (OH) 3 схемы, уравнять.
Химические свойства данных соединений
Также качественной реакцией на Fe +2 служит реакция солей железа(II) с веществом,называемым красный кровяной солью K 3 – это комплексное соединение.
3FeCl + 2K 3 = Fe 3 }
Тематические материалы:Обновлено: 15.10.2023103583Если заметили ошибку, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter
