3 Распространение в природе

Из всех элементов триады железа к числу наиболее распространённых элементов относится лишь само железо. По распространенности в природе железо находится на четвертом месте после кислорода, кремния и алюминия. На долю железа приходится около 1,5% от общего числа атомов земной коры. Встречается оно, однако, в земной коре почти исключительно в виде соединений.

Большая часть железа верхних слоев Земли находится в виде кислородных соединений, из которых наиболее важны промышленные руды этого металла – красный железняк Fe₂O₃, магнитный железняк Fe₃O₄ (Fe₂O₃*FeO), бурый железняк Fe₂O₃*H₂O, а также его карбонат – железный шпат (FeCO₃). Встречающийся в больших количествах пирит, или железный колчедан, FeS₂ редко применяется в металлургии, так как чугун из него получается очень низкого качества из-за большего содержания серы. Тем не менее, железный колчедан имеет важнейшее применение – он служит исходным сырьем для получения серной кислоты.

Железо содержится в природных водах. Изредка встречается самородное железо космического (метеорного) или земного происхождения. Метеорное железо обычно содержит значительные примеси кобальта и никеля.

Соединения железа входят в состав живых организмов.

4 Основные физические свойства

Железо – серебристый пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке, и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты – от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов. Плотность железа 7,87 г/см³, температура плавления 1539 ⁰С.

Рисунок 1. Полиморфные превращения железа

Железо имеет несколько модификаций (рис. 1). До 769 ⁰С устойчиво α-железо с объемно центрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами. При 769 ⁰С α-Fe переходит в β-Fe; исчезают ферромагнитные свойства и железо становится парамагнитным, но кристаллическая структура его существенно не изменяется. При 910⁰С происходит полиморфное превращение, при котором изменяется структура – образуется гранецентрированная кристаллическая решетка γ-Fe, но металл остается парамагнитным. При 1400 ⁰С происходит новый полиморфный переход и образуется δ-Fe с объемно центрированной кубической решеткой, существующее вплоть до температуры плавления железа (1539 ⁰С).

5 Химические свойства железа

Железо – металл средней химической активности. В отсутствии влаги в обычных условиях пассивируется на воздухе, но во влажном воздухе легко окисляется и покрывается ржавчиной, то есть бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно корродирует; при обильном доступе кислорода образуются гидратные формы оксида железа (III):

2Fe + 3/2 O₂ + nH₂O = Fe₂O₃* nH₂O

При недостатке кислорода или при его затрудненном доступе образуется смешанный оксид Fe₃O₄(FeO*Fe₂O₃):

3Fe + 2O₂ + nH₂O = Fe₃O₄* nH₂O

Для защиты железных предметов от ржавления применяют покрытия из других металлов (например, цинка, олова, хрома, никеля) или окраску (суриком). Особенно эффективна защита железа путем превращения его поверхности в фосфат железа (II) («фосфатирование»). Это достигается применением водных растворов кислых фосфатов марганца или цинка (Mn(H₂PO₄)₂ или Zn(H₂PO₄)₂, метод Паркера). Соответствующие присадки ускоряют фосфатирование.

Еще меньше чем чистая вода, разъедает железо разбавленный раствор едкого натра (в отсутствии воздуха). Это происходит главным образом потому, что ионы ОН^- понижают растворимость Fe(OH)₂. Однако концентрированные растворы едкого натра довольно сильно разъедают железо даже без доступа воздуха, так как с повышением концентрации ионов OH^- Fe(OH)₂ переходит в раствор с образованием гидроксо-солей. Образование гидроксильных ионов сопровождается падением до минимума концентрации ионов Fe⁺² , поэтому потенциал железа в концентрированном (40%-ном) растворе едкого натра сильно отрицателен. При известных условиях потенциал даже в таком растворе может резко меняться за счет пассивирования и приобретать положительное значение. Поскольку это явление имеет место, железо само по себе не реагирует в данном случае с выделением водорода и образованием гидроксоферрат (II)-ионов, реакция протекает лишь под действием приложенного напряжения и тогда в ра створ переходят феррат(VI)-ионы.

При нагревании (в особенности в мелкораздробленном состоянии) железо взаимодействует почти со всеми металлами. При этом в зависимости от условий и активности металла образуются твердые растворы (с С, Si, N, B, P, H), металлоподобные соединения (Fe₃C, Fe₃Si, Fe₃P, Fe₄N, Fe₂N) или соли и солеподобные соединения (FeF₃, FeCl₃, FeS).

2 Fe + 3Cl₂ ^нагрев 2FeCl₃

3 Fe + 2O₂ ^нагрев Fe₃O₄(FeO*Fe₂O₃)

F e + S ^нагрев FeS

При очень высокий температуре железо реагирует с углеродом, кремнием и фосфором.

3 Fe + C ^нагрев Fe₃C

3 Fe + Si ^нагрев Fe₃Si

3 Fe + P ^нагрев Fe₃P

В соответствии с положением в электрохимическом ряду напряжений в разбавленных кислотах железо растворяется, вытесняя из кислот водород и образуя соли двухвалентного железа

Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂↑

Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂↑

В концентрированных растворах серной кислоты железо окисляется до железа (III):

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

Однако в серной кислоте, концентрация которой близка к 100%, железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит.

В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O

При высоких концентрациях HNO₃ растворение замедляется и железо становится пассивным.

Из растворов солей железо вытесняют металлы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных и щелочноземельных металлов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой:

3 Fe + 4H₂O ^нагрев Fe₃O₄ + 4H₂↑

Для железа характерны два ряда соединений: соединения железа (II) и соединения железа (III).