Железа. Сплавы и химические соединения железа.

. d-элементы (их свойства на примере элементов IIIВ-группы): IIIB группа (Sc, Y, La, Ac). Электронная конфигурация:

Очень активные металлы. Их получают электролизом расплавов хлоридов или металлотермической обработкой фторидов и оксидов.

2Э

По химической активности уступают они только щелочным и щелочноземельным металлам. С кислотами реагируют даже на холоде. Медленно окисляются на воздухе и резко увеличивают свою активность при нагревании. Образуют соединения:

Э +

+

Оксиды этих элементов плохо растворяются в щелочах и в воде, хорошо – в разбавленных кислотах. Из всех гидроксидов только – амфотерный. Применение: Sc, Y, La используются как легирующие добавки при получении сплавов, стойких к высокой температуре и коррозии. Оксиды используются в производстве огнеупорной керамики в качестве катализаторов. Все соединения актиния – ядовиты, работа с ними опасна, т. к. он является -излучателем.

Химические свойства железа:

1) взаимодействует с кислородом при высоких температурах;

2) оксиды в низшей степени окисления MO;

3) при взаимодействии с галогенами образует галогениды, дигалогениды;

4) образует комплексные соединения;

5) образует карбонилы – соединения, в которых переходный металл образует связь с ионом металла или водорода и координированными карбониловыми группами (пентакарбонил кобальта [Co(CO)5]);

6) взаимодействуют с серой и сероводородом при нагревании, образуя сульфиды.

Железо – второй (после алюминия) по распространенности металл, встречается в виде различных руд, пригодных для переработки. Из них получают почти чистый Fe3O4, который вместе с известняком и коксом используется для выплавки чугуна в доменной печи.

Кобальт выделяют из руд, содержащих много мышьяка и некоторой доли серебра, достаточной для промышленной переработки.

Никель – в руде много примесей: сульфиды никеля, меди и железа. Половина получаемого никеля расходуется в производстве стали для повышения ее коррозионной стойкости и твердости. Он используется также для создания прочных покрытий на стальных изделиях.

С кислородом (O) железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe2О3, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe3О4. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы (S) и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора (F) до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl3. Если взаимодействие железа и брома (Br) протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeСl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода (I) образуется иодид Fe3I8.

При нагревании железо реагирует с азотом (N), образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором (P), образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом (C), образуя карбид Fe3C, с кремнием (Si), образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C5H5)2].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H2SO4 = Fe2 (SO4)3 + SO2 + 4H2O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2. Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)3 + КОН = К[Fe(ОН)4]

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)Cl2

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — железоаммонийные квасцы и т.д.

При действии газообразного хлора (Cl) или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия (K): K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами CNS–. При взаимодействии ионов Fe3+ с анионами CNS– образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)3. Другим реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат (II) калия (K): K4[Fe(CN)6] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4– выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия (K) K3[Fe(CN)6], ранее называвшегося красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]3– выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4–.

Сплавы железа с углеродом: железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом (C) — различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно — на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0.8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию — нагреванию при температуре около 1000°C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей — шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород (O) или воздух, обогащенный кислородом (O)). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe2O3 + 3CО = 2Fe + 3CO2

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом (C) и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие — клетку — и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун — это твердый раствор углерода (C) в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода (C) в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома (Cr), никеля (Ni), молибдена (Mo), кобальта (Co) и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода (C) в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод (C) выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Применение железа, его сплавов и соединений: чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.