З'єднання заліза. Залізо: фізичні і хімічні властивості

Перші вироби із заліза і його сплавів були знайдені при розкопках і датуються приблизно 4 тисячоліттям до нашої ери. Тобто ще давні єгиптяни і шумери використовували метеоритні родовища даної речовини, щоб виготовляти прикраси і предмети побуту, а також зброю.

Сьогодні сполуки заліза різного роду, а також чистий метал - це найпоширеніші і приємним речовини. Не дарма XX століття вважалося залізним. Адже до появи і широкого розповсюдження пластика і супутніх матеріалів саме це з`єднання мало для людини вирішальне значення. Що являє собою даний елемент і які речовини утворює, розглянемо в цій статті.

Хімічний елемент залізо

Якщо розглядати будову атома, то в першу чергу слід вказати його місцеположення в періодичній системі.

1. Порядковий номер - 26.
2. Період - четвертий великий.
3. Група восьма, підгрупа побічна.
4. Атомний вага - 55,847.
5. Будова зовнішньої електронної оболонки позначається формулою 3d⁶4s².
6. Символ хімічного елемента - Fe.
7. Назва - залізо, читання у формулі - "феррум".
8. У природі існує чотири стабільних ізотопу розглянутого елемента з масовими числами 54, 56, 57, 58.

Хімічний елемент залізо має також близько 20 різних ізотопів, які не відрізняються стабільністю. Можливі ступені окислення, які може проявляти даний атом:

• 0;
• +2;
• +3;
• +6.

Важливе значення має не тільки сам елемент, але і його різні сполуки і сплави.

Фізичні властивості

Як проста речовина, залізо фізичні властивості має з яскраво вираженим металлизма. Тобто це сріблясто-білий з сірим відтінком метал, що володіє високим ступенем ковкості і пластичності і високою температурою плавлення і кипіння. Якщо розглядати характеристики більш докладно, то:

• температура плавлення - 1539 ⁰С;
• кипіння - 2 862 ⁰С;
• активність - середня;
• тугоплавкість - висока;
• проявляє яскраво виражені магнітні властивості.

Залежно від умов і різних температур, існує кілька модифікацій, які утворює залізо. Фізичні властивості їх розрізняються від того, що різняться кристалічні решітки.

1. Альфа-форма, або ферит, існує до температури в 769 ⁰С.
2. Від 769 до 917 ⁰С - бета-форма.
3. 917-1394 ⁰С - гамма-форма, або аустеніт.
4. Понад тисячі триста дев`яносто чотири ⁰С - сигма-залізо.

   

Всі модифікації мають різні типи будови кристалічних граток, а також відрізняються магнітними властивостями.

Хімічні властивості

Як уже згадувалося вище, проста речовина залізо проявляє середню хімічну активність. Однак у дрібнодисперсному стані здатне самозайматися на повітрі, а в чистому кисні згоряє сам метал.

Корозійна здатність висока, тому сплави даної речовини покриваються легуючими сполуками. Залізо здатне взаємодіяти з:

• кислотами;
• киснем (у тому числі повітрям);
• сірої;
• галогенами;
• при нагріванні - з азотом, фосфором, вуглецем і кремнієм;
• з солями менш активних металів, відновлюючи їх до простих речовин;
• з гострим водяною парою;
• з солями заліза в ступені окислення +3.

Очевидно, що, проявляючи таку активність, метал здатний утворювати різні сполуки, різноманітні і полярні за властивостями. Так і відбувається. Залізо та його сполуки надзвичайно різноманітні і знаходять застосування в самих різних галузях науки, техніки, промислової діяльності людини.

Поширення в природі

Природні сполуки заліза зустрічаються досить часто, адже це другий за поширеністю елемент на нашій планеті після алюмінію. При цьому в чистому вигляді метал зустрічається вкрай рідко, у складі метеоритів, що говорить про великі його скупченнях саме в космосі. Основна ж маса міститься у складі руд, гірських порід та мінералів.

Якщо говорити про процентний вміст розглянутого елемента в природі, то можна навести такі цифри.

1. Ядра планет земної групи - 90%.
2. У земній корі - 5%.
3. У мантії Землі - 12%.
4. У земному ядрі - 86%.
5. У річковій воді - 2 мг / л.
6. У морській і океанської - 0,02 мг / л.

Найпоширеніші сполуки заліза формують наступні мінерали:

• магнетит;
• лимонит або бурий залізняк;
• вівіаніт;
• пірротін;
• пірит;
• сидерит;
• марказит;
• леллінгіт;
• міспікель;
• мілантеріт та інші.

Це ще далеко не повний список, адже їх дійсно дуже багато. Крім того, широко поширені різні сплави, які створюються людиною. Це теж такі сполуки заліза, без яких складно уявити сучасне життя людей. До них відносяться два основних типи:

• чавуни;
• сталі.

Також саме залізо є цінною добавкою в складі багатьох нікелевих сплавів.

З`єднання заліза (II)

До таких належать такі, в яких ступінь окислення утворить елемента дорівнює +2. Вони досить численні, адже до них можна віднести:

• оксид;
• гідроксид;
• бінарні сполуки;
• складні солі;
• комплексні сполуки.

Формули хімічних сполук, в яких залізо проявляє зазначену ступінь окислення, для кожного класу індивідуальні. Розглянемо найбільш важливі і найпоширеніші з них.

1. Оксид заліза (II). Порошок чорного кольору, у воді не розчиняється. Характер з`єднання - основний. Здатний швидко окислюватися, однак і відновлюватися до простої речовини може також легко. Розчиняється в кислотах, утворюючи відповідні солі. Формула - FeO.
2. Гідроксид заліза (II). Являє собою білий аморфний осад. Утворюється при реакції солей з підставами (лугами). Проявляє слабкі основні властивості, здатний швидко окислюватися на повітрі до сполук заліза +3. Формула - Fe (OH)₂.
3. Солі елемента у зазначеній ступеня окислення. Мають, як правило, блідо-зелене забарвлення розчину, добре окислюються навіть на повітрі, набуваючи темно-бурий колір і переходячи в солі заліза 3. Розчиняються у воді. Приклади сполук: FeCL₂, FeSO₄, Fe (NO₃)₂.

   

Практичне значення серед позначених речовин мають кілька з`єднань. По-перше, хлорид заліза (II). Це головний постачальник іонів в організм людини, хворої анемією. Коли така недуга діагностується у пацієнта, то йому прописують комплексні препарати, в основі яких лежить розглядається з`єднання. Так відбувається заповнення дефіциту заліза в організмі.

По-друге, залізний купорос, тобто сульфат заліза (II), разом з мідним використовується для знищення сільськогосподарських шкідників на посівах. Метод доводить свою ефективність вже не перший десяток років, тому дуже цінується садівниками і городниками.

Сіль Мора

Це з`єднання, яке являє собою кристалогідрат сульфату заліза та амонію. Формула його записується, як FeSO₄* (NH₄)₂SO₄* 6H₂O. Одне з сполук заліза (II), яке отримало широке застосування на практиці. Основні галузі використання людиною наступні.

1. Фармацевтика.
2. Наукові дослідження та лабораторні тітріметріческіе аналізи (для визначення вмісту хрому, перманганату калію, ванадію).
3. Медицина - як добавка в їжу при нестачі заліза в організмі пацієнта.
4. Для просочення дерев`яних виробів, так як сіль Мора захищає від процесів гниття.

Є й інші області, в яких знаходить застосування цю речовину. Назву свою воно одержало на честь німецького хіміка, вперше виявив притаманні властивості.

Речовини зі ступенем окислення заліза (III)

Властивості сполук заліза, в яких воно виявляє ступінь окислення +3, дещо відмінні від розглянутих вище. Так, характер відповідного оксиду та гідроксиду вже не основний, а виражений амфотерний. Дамо опис основних речовин.

1. Оксид заліза (III). Порошок дрібнокристалічний, червоно-бурого кольору. У воді не розчиняється, проявляє властивості слабо кислотні, більше амфотерні. Формула: Fe₂O₃.
2. Гідроксид заліза (III). Речовина, що випадає в осад при дії лугами на відповідні солі заліза. Характер його виражений амфотерний, колір буро-коричневий. Формула: Fe (OH)₃.
3. Солі, до складу яких входить катіон Fe³⁺. Таких виділено безліч, за винятком карбонату, так як відбувається гідроліз і виділяється вуглекислий газ. Приклади формул деяких солей: Fe (NO₃)₃, Fe₂(SO₄)₃, FeCL_3, FeBr₃ та інші.

   

Серед наведених прикладів з практичної точки зору важливе значення має такий кристаллогидрат, як FeCL_{3 *}6H₂O, або шестіводний хлорид заліза (III). Його застосовують у медицині для зупинки кровотеч і заповнення іонів заліза в організмі при анемії.

Девятіводний сульфат заліза (III) використовується для очищення питної води, так як веде себе як коагулянт.

З`єднання заліза (VI)

Формули хімічних сполук заліза, де воно виявляє особливу ступінь окислення +6, можна записати наступним чином:

• K₂FeO₄;
• Na₂FeO₄;
• MgFeO₄ та інші.

Всі вони мають загальну назву - ферати - і володіють схожими властивостями (сильні відновники). Також вони здатні знезаражувати і мають бактерицидну дію. Це дозволяє використовувати їх для обробки питної води у промислових масштабах.

Комплексні сполуки

Дуже важливими в аналітичній хімії і не тільки є особливі речовини. Такі, які утворюються у водних розчинах солей. Це комплексні сполуки заліза. Найбільш популярні і добре вивчені з них наступні.

1. Гексаціаноферрат (II) калію K₄[Fe (CN)₆]. Інша назва сполуки - жовта кров`яна сіль. Використовується для якісного визначення в розчині іона заліза Fe³⁺. У результаті впливу розчин набуває красиву яскраво-синє забарвлення, так як формується інший комплекс - берлінська лазур KFe³⁺[Fe²⁺(CN)₆]. Здавна використовувалася як барвник для тканини.
2. Гексаціаноферрат (III) калію K₃[Fe (CN)₆]. Інша назва - червона кров`яна сіль. Використовується як якісний реагент на визначення іона заліза Fe²⁺. У результаті утворюється синій осад, що має назву турнбулевої синь. Також використовувалася, як барвник для тканини.

Залізо в складі органічних речовин

Залізо та його сполуки, як ми вже переконалися, мають велике практичне значення в господарському житті людини. Проте, крім цього, його біологічна роль в організмі не менш велика, навіть навпаки.

Існує одне дуже важливе органічне поєднання, білок, до складу якого входить цей елемент. Це гемоглобін. Саме завдяки йому відбувається транспорт кисню і здійснюється рівномірний і своєчасний газообмін. Тому роль заліза в життєво важливому процесі - диханні - просто величезна.

Всього всередині організму людини міститься близько 4 грам заліза, яке постійно повинно поповнюватися за рахунок споживаних продуктів харчування.