Уравнения важнейших реакций:
6.3. Железо
Шкала степеней окисления железа:
По электроотрицательности (1,64) железо занимает промежуточное положение между типичными металлами (Na, Са) и типичными неметаллами (F, О, N). Проявляет амфотерные свойства, металлические (основные) свойства преобладают над неметаллическими (кислотными), в соединениях находится в составе катионов (чаще) и анионов (реже). Образует многочисленные соли и бинарные соединения.
В природе – седьмой по химической распространенности элемент (четвертый среди металлов, первый тяжелый металл); находится в химически связанном виде. Жизненно важный элемент для всех организмов.
Компактный металл покрывается при нагревании на воздухе оксидной пленкой
Восстанавливает водяной пар (старый способ получения водорода в промышленности):
3Fe + 4Н2O (пар) = (FeIIFe2III)O4+ 4Н2 (800 °C)
В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НCl и H2SO4, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2Н+ = Fe2+ + Н2^
(реакции проводятся без доступа воздуха, иначе FeII постепенно переводится кислородом в FeIII).
При действии на железо более сильного окислителя (здесь – азотная кислота) оно сразу переходит в катион Fe3+:
Fe + 4HNO3 (разб.) = Fe(NO3)3 + NO^ + 2H2O
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
Fe + 2NaOH (50 %) + 2Н2O = Na2[Fe(OH)4]v + Н2^
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Железо вытесняет (по ряду напряжений) менее активные металлы из растворов их солей:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cuv
Железо медленно окисляется во влажном воздухе
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд – перевод в оксидную руду:
б) сжигание кокса при горячем дутье:
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно (см. рубрики соответствующих оксидов):
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700–2000 °C. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СO2, SO2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Са3(РO4)2 и CaSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун – в производстве литья и стали, сталь – как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро– и коррозионно-стойкие.
Fe(OH)2 = FeO + H2O (150–200 °C)
FeCO3 = FeO + СO2 (490–550 °C)
В природе – оксидная руда железа
