Железо физические и химические свойства – Урок №51. Железо. Положение железа в периодической системе и строение его атома. Нахождение в природе. Физические и химические свойства железа.

Содержание

Металлы. «Железо. Строение атома, физические и химические свойства»

Урок химии в 9-м классе.

Тема: «Металлы. Железо. Строение атома, физические и химические свойства»

Цель: на основании положения в периодической системе химических элементов, строения атома железа учащиеся должны составить представление о физических и химических свойствах железа.

Реактивы. На демонстрационном столе опилки железа, серная кислота (разбавленная), раствор сульфата меди (2), речной песок, вода дистиллированная. Штатив с пробирками, пипетки, пробка с газоотводной трубкой, стакан, лабораторный штатив, спиртовка.

На ученических столах — серная кислота (разбавленная), сульфат меди (2), опилки железные, штатив с пробирками, пипетки.

Оборудование: карта «Минеральные ресурсы» и таблица «План урока». Коллекция «Полезные ископаемые»; 3 конверта с заданиями.

Ход урока

1. Изучение нового материала.

УЧИТЕЛЬ. Ребята! Послушайте отрывок из «Поэмы о периодическом законе», В. Половняк.

Громоподобные раскаты
И в небе раскаленный след:
На землю новый камень падал
И ужасался человек
Но редким был подарок неба
Им лишь счастливец обладал:
Топор был выкован железный,
Сверкает лезвием кинжал.
Вот длинный ряд тысячелетний
Приходит в поисках, в борьбе,
И наступает век железный
Кровавый беспокойный век.

Проблемный вопрос: на каком древнем языке железо именуют «небесным камнем»?
(ученики выдвигают версии на поставленный вопрос).

Сообщение ученика. 30 июня 1908 году эвенка Чучанги рассказывал: тут я увидел страшное диво — лесины падают, хвоя горит. Жарко очень. Жарко сгореть можно. Вдруг над горой, где уже упал лес, стало сильно светло, будто второе солнце появилось. Эту местность эвенки стали называть «страной мертвого леса», площадь радиусом 25-30 км после падения метеорита.

При падении Тунгусского метеорита по всей Центральной Сибири был виден ослепительно-яркий свет. Установлено, что в земную атмосферу со скоростью 70 км/с влетело метеоритное тело массой 1000000 т. Удары огромной силы, подобные взрывам, были слышны, в тысяче километров от места падения! Куски «небесного тела», которые называют «метеоритами», бывают похожи на камни черно-бурого цвета. В свободном состоянии железо встречается только в метеоритах. Ежесуточно на Землю выпадают до 10 т метеоритного вещества.[3]

УЧИТЕЛЬ. Итак, запишите в свои тетради тему урока: Железо. Строение атома, физические и химические свойства.

Цель урока: на основании положения в периодической системе химических элементов, строение атома железа составить представление о физических и химических свойствах железа.

1. Строение и свойства атомов.

Что можно дополнительно сказать о железе на основании положения его в периодической системе химических элементов? (Ученики сообщают — 8 группа, побочная подгруппа, 4 большой период, d-элемент. Химическое знак – Fe. Порядковый номер – 26. Относительная атомная масса (Ar) – 56).

УЧИТЕЛЬ. А теперь я прошу вас написать строение атома, электронную и графическую формулы железа?( к доске приглашаются ученики).

Ученики составляют следующую запись:

Схема строения атома: Fe +26 )2 )8 )14 )2.

Электронная формула атома 1s2 2s2 p6 3s2 p6 4s2 3d6.

Графическая схема:

В соединениях железо проявляет степень окисления, в основном +2 и +3, реже +4 и +6. Как и всегда при изучении соединений, мы рассмотрим физические свойства железа:

2. Физические свойства железа.

Вашим помощником на этом уроке будет таблица «План урока», которая висит на доске ( см. приложение). Прошу вас использовать ее в работе на сегодняшнем уроке. (Учитель демонстрирует опилки железа). Начнем с физических свойств железа. Блестящий серебристо-белый металлический. Один из наиболее распространенных элементов в природе, по содержанию в земной коре (4,65% по массе) уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Оно входит в состав многих оксидных руд – гематита, или красного железняка Fe2O3, магнетита Fe3O4, пирита FeS2 и др.

Комментируя руды, учитель демонстрирует коллекцию «Полезные ископаемые» и просит учеников на карте «Минеральные ресурсы», найти основные месторождения и назвать их?

УЧИТЕЛЬ. Сравним атомный радиус железа 0,126 нм с атомным радиусом натрия 0,186 нм, магния 0,16 нм, алюминии 0,14 нм. Какое влияние на свойства железа оказывает такие размеры атома и возможность отдавать электроны c внешнего и предпоследнего слоя?

Железо, имеющее атомы небольших размеров и большое число электронов, участвующих в металлической связи, должно обладать высокой температурой плавления и значительной твердостью, но вместе с тем сравнительно небольшой электропроводностью. Железо тугоплавкое – tпл = 1539°С, относительно мягкое (по школе твердость его равна 4), способен сильно притягиваться магнитами.

У железа есть две аллотропные модификации: альфа-железа устойчивое до 910°С, имеет кубическую объемно-центрированную решетку; гамма-железо t=910 – 1400°С – кубическую гранецентрированную.

Железо может отдавать электроны, находящиеся на двух ( внешнем и предпоследнем) слоях. Проявляет восстановительные свойства. Степень железа зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Итак, химические свойства железа:

3. Химические свойства железа.

Познакомимся с химическими свойствами железа: искры, вырывающиеся при резке стального инструмента, представляет с собой раскаленные частички окалины. В кислороде железо сгорает, разбрасывая искры – частички железной окалины Fe3O4.

Свойства №1 Взаимодействия железа с кислородом:

промежуточный оксид

Свойства №2 Взаимодействие железа с водой:

Учитель пишет на доске уравнение реакции и просит уравнять его с помощью электронного баланса. Это задание выполняет ученик у доски, а остальные – на своих рабочих местах:

Затем учитель проводит демонстрацию опыта «Взаимодействия железа с водой» (см. приложение).

Свойство №3 Взаимодействие железа с разбавленными кислотами:

УЧИТЕЛЬ. Используя предложенные вам реактивы, проведите химическую реакцию, о которой идет речь. Напишите уравнение реакции в молекулярном и ионном виде. Докажите, что железо в данном процессе проявляет свойство восстановителя.

Учитель приглашает к доске ученика, который проводит эксперимент и записывает уравнение реакции, а остальные выполняют предложенное задание на своих рабочих местах:

В электрохимическом ряду напряжений металлов железо расположено до водорода. Поэтому оно растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах, вытесняя из них водород и образуя соответствующую соль, степень окисления +2.

Свойства №4 Взаимодействие с растворами солей:

УЧИТЕЛЬ. Используя предложенные вам реактивы, проведите химическую реакцию, о которой идет речь. Напишите уравнение реакции в молекулярном и ионном виде – это задание делают ученики первого варианта, а ученики второго варианта – докажите, что железо в данном процессе проявляет свойство восстановителя.

Учитель приглашает к доске ученика, который проводит эксперимент. А остальные выполняют предложенное задание на своих рабочих местах:

2. Подведем итоги урока по таблице «План урока»

3. Закрепление материала.

УЧИТЕЛЬ. Ребята! К нам на урок химии прислали три конверта, в них помещены задания для тех, кто хочет получить отметку «5» и «4». Приглашаю к доске желающих. Ученикам, работающим на своих местах, можно выполнить задание по своему усмотрению.

№1 конверт (за правильно выполненное задание – «5»).

Какой объем оксида углевода (2) потребуется для восстановления железа из 2,32 кг магнитного железа (), содержащего 5% пустой породы? Какое количество вещества железа при этом получится, если выход его составляет 80% от теоретически возможного?

№2 конверт (за правильное выполненное задания – «4»).

Напишите два уравнения реакции железа с концентрированной серной кислотой, в которой продуктом восстановления кислоты будет соответственно оксид серы(4), сера S. При уравнивании записей реакции используйте метод электронного баланса. Определите окислитель и восстановитель в этих реакциях.

УЧИТЕЛЬ. Ребята! У нас еще остался конверт (учитель показывает конверт). Что же здесь находится? (Учитель вскрываетконверт и читает). Домашнее задание (записывает на доске домашнее задание).

Учить §14 до статьи «Соединение железа», по рабочей тетради тема «Железо» №3-4 письменно.

Завершая знакомство со свойствами железа, хочу напомнить, насколько химия многолика. Она дает ученику огромные возможности, но при этом требует ответственного отношения и понимания химических реакций. Надеюсь, что полученные сведения окажутся вам полезными.

Комментирую отметки учащихся.

ЛИТЕРАТУРА:

Бусев А.И., Ефимов И.П., Определения, понятия, термины в химии. Просвещение 1981.
Габриелян О.С. Химия 9 класс Дрофа,2001.
Гонтарук Т.И. автор- составитель. Я познаю мир. Детская энциклопедия. АСП 1999, с. 294-297.
Полосин В.С. Школьный эксперимент по неорганической химии. Просвещение 1970.
ТретьяковЮ.Д. Справочные материалы. Просвещение 1988.

nsportal.ru

Конспект урока «Железо. Физические и химические свойства»

Урок 15(21)

20.11.14

Тема: Железо. Физические и химические свойства.

Цель: рассмотреть строение атома железа, как элемента побочной подгруппы, изучить свойства простого вещества железа, нахождение в природе и его биологическая роль.

Задачи:

-обучающие рассмотреть положение химического элемента железа в Периодической системе химических элементов Д. И Менделеева., строение атома. Изучить химические свойства простого вещества – железа; рассмотреть биологическую роль железа;

-развивающие развивать интеллектуальные умения: выделять главное, анализировать, сравнивать, делать выводы, использовать ранее накопленные знания по химии в контексте нового материала, расширить научную лексику путем введения в активный словарь новых терминов;

-воспитательные воспитывать коммуникативные навыки, формировать научное мировоззрение, интерес к предмету, поддерживать устойчивую мотивацию к изучению химии на основании положительного эмоционального восприятия предмета.

Тип урока Комбинированный урок

Организационные формы: беседа, самостоятельная работа.

Оборудование: периодическая система химических элементов; железные изделия.

Ход урока

I.Организационный момент.

Отбросим в сторону переживания и неудачи.
Не опуская рук, возьмемся за дела, мой друг,
И на уроке этом мы опять —
Все поработаем на пять.

II. Повторение.

Ответь на вопрос:

Каковы особенности строения атомов металлов?
Самый распространенный на Земле металл. (Алюминий.)
Какие металлы самые активные? (Щелочные)
Какая область промышленности занимается получением металлов? (Металлургия)
Какие способы получения металлов вам известны? (пиро-, гидро-, электрометаллургия)
Какие металлы реагируют с водой при комнатной температуре? (активные)

Самый твердый металл. (Хром)
Металл — жидкость. ( Ртуть)
Самый пластичный металл. (Золото).
Какой металл убивает бактерий? (Серебро).

Осуществить превращение:

Al – AlCl₃ – Al(OH)₃ – Al₂O₃ – NaAlO₂ – Al₂₍SO₄₎₃ — Al(OH)₃ — AlCl₃ — NaAlO₂

Напишите в ионном виде уравнения реакций между растворами сульфата алюминия и гидроксида калия при недостатке и избытке последнего.

Физминутка

III. Новая тема.

О каком химическом элементе мы сегодня будем говорить. Отгадайте загадку:

Среди металлов самый славный,

Важнейший древний элемент.

В тяжелой индустрии — главный,

Знаком с ним школьник и студент.

Родился в огненной стихии,

Расплав его течет рекой.

Важнее нет в металлургии,

Он нужен всей стране родной”. ( Железо)

Ребята, давайте составим план по которому мы будет изучать данный металл.

Учащиеся высказывают свои идеи и составляют план.

Положение в ПСХЭ
Физические свойства
Нахождение в природе
Биологическая роль
Химические свойства
Способы получения
Соединения железа
Применение железа и его соединений

6-8 пункт плана рассмотрим на следующем уроке.

1.Характеристика химического элемента

Работая в паре, определите местоположение элемента в Периодической системе, составьте электронную формулу атома. Сделайте записи в тетради.

Порядковый номер:

Период:

Группа:

Подгруппа:

Электронное строение атома:

Состав атома.

2.Физические свойства

Работа по учебнику: выбрать материал.

Цвет: Теплопроводность:

Запах: Электропроводность:

Металлический блеск: Плотность: 7,87 г/см. куб
Твердость: Температура плавления:

Пластичность:

3.Нахождение в природе

Содержание в земной коре.

Учитель: Железо – один из самых распространенных элементов в природе. В земной коре содержится 4,65% (по массе) железа. По распространенности железо занимает 4-е место после кислорода, кремния, алюминия. Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более. Чистое железо находится в космосе: метеориты.

4.Биологическая роль (учитель):

Железо — наиболее распространенный в организме d-элемент. В организме человека его содержится около 5 г. Суточная потребность в железе составляет 0,02 г.

Большая часть железа (около 70%) сосредоточена в гемоглобине крови.

Гемоглобин — красный пигмент эритроцитов.

В 100 мл крови в норме содержится около 15 г гемоглобина. Гемоглобин представляет собой сложный белок, молекула которого содержит 4 полипептидных цепи (глобин), каждая из которых связана с небелковой группой (гемом).

Железо содержится в составе сложных белков — ферритина и трансферрина. Трансферрин содержит два иона железа Fe³⁺, его молекулярная масса 90.000. Трансферрин является биологическим переносчиком железа по всему организму. Так, трансферрин переносит железо от ферритина в костный мозг, где образуется гемоглобин в новых эритроцитах. Железо участвует в процессах кроветворения и. его недостаток в организме приводит к болезни крови — железодефицитной анемии (малокровие). Избыток железа тоже вреден, так как железо, которое не связывается в биокомплексы, может вызвать нарушение деятельности сердечно-сосудистой системы, печени, легких.

5.Химические свойства

Учитель: Ребята, давайте, попробуем предположить, какими химическими свойствами может обладать железо?

Железо взаимодействует как с простыми, так и сложными веществами.

Задание: записать уравнение реакции и составить электронный баланс. Чем является железо в данных уравнениях реакций?

У доски работают 3 человека.

3 Fe +2O₂ = Fе ₃O ₄

При нагревании до 200-250 0С реагирует с хлором

2Fe+Cl₂=2FeCl

Fe+S=FeS

Действует ли вода на железо?

При обычных условиях вода не действует на железо, однако, в присутствии кислорода протекает следующая реакция:

Fe(OH)₃ — гидроксид железа (III) — основная часть ржавчины. Для протекания данной реакции необходимо одновременно присутствие воды и кислорода, в противном случае коррозия так и не наступит. Известно, что в течение многих столетий стоит знаменитая железная колонна в столице Индии Дели. Почему? (Там сухой воздух).

Может вытеснять железо водород из воды? Да, может, но только при сильном нагревании (запись на доске).

Fe + H₂O = FeO +H₂

Fe⁰ — 2e = Fe

+2 — восстановитель — окисление

2H⁺ + 2е = Н_{2 —}окислитель — восстановление

Рассмотреть взаимодействие железа с кислотами и солями. Записать уравнение реакции.

Fe + 2HCI = FeCI₂ + H₂

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Fe⁰ — 2e = Fe⁺² (восстановитель)

В концентрированных азотной и серной кислотах железо не растворяется, так как на поверхности металла возникает пленка, препятствующая реакции металла с кислотой, поэтому концентрированные серную и азотную кислоты можно перевозить в железной таре (происходит пассивация металла).

Сделайте вывод о химической активности простого вещества – железа.

IV.Закрепление.

Железо — основа всей металлургии, машиностроения, железнодорожного транспорта, судостроения, грандиозных инженерных сооружений — от башни Эйфеля до ажура железнодорожных мостов. Все, все — начиная от швейной иглы, гвоздя, топора и кончая паутиной железных дорог, плавающими крепостями — авианосцами и линкорами — и огнедышащими домнами, где рождается само железо, — состоит из железа. Железо — это металл созидания!

Итак, ребята, что сегодня мы с вами узнали на уроке?

V.Итог урока.

Выставление оценок за урок.

VI. Домашнее задание: параграф 14 страницы 76-78 читать, страница 82 вопрос 4

Самоанализ урока в 9 классе по химии

Аспекты самоанализа

Реализация основных этапов урока

1. Место урока в теме и в общем курсе предмета

Урок по теме: «Железо.Физические и химические свойства», по счету 21, в теме 15

2. Как урок связан с предыдущими, на что он опирается?

Урок систематизирует знания учащихся о химическом элементе железе в периодической системы химических элементов. Опирается на навыки, умения учащихся характеризовать положение в ПСХЭ, строение их атомов, свойствах, анализировать.

3. Как урок работает на последующие уроки, темы, разделы?

Данный урок систематизирует знания учащихся и обеспечивает формирование интереса к химической науке, которые будут необходимой базой при изучении последующих тем и предметов.

4. Какие особенности учащихся были учтены при подготовке к уроку?

— умения четко излагать свои мысли

— анализировать

— узнать новое

— применить на практике

5. Цели и задачи урока.

Задачи:

6. Разнообразие методов и приемов, применяемых на уроке.

Методы, применяемые на данном уроке:

1. Познавательный через самостоятельную деятельность

2. Частично-поисковый

3. Словесный (обсуждение)

Приемы:

Работа с учебником

Разминка

7. Актуализация опорных знаний.

Актуализация опорных знаний была осуществлена с помощью: заданий в разной форме.

8. Использование средств обучения (наглядных пособий, ТСО, личностных особенностей учащихся).

На уроке были использованы следующие средства:

Таблица ПСХЭ Д.И.Менделеева, ряд ЭО неметаллов, учебник, тетрадь.

9. Организация учителем самостоятельной работы учащихся (характер упражнений, степень сложности, вариативность, инструктаж и пр.)

На уроке присутствовала самостоятельная работа учащихся – как индивидуальная, так и парная. Задания были реподуктивного и развивающего характера.

10. Степень активности учащихся на уроке.

Учащиеся на уроке не все были активны, с удовольствием участвовали во всех видах учебной деятельности учащиеся, имеющие повышенный интерес к предмету.

11. Атмосфера на уроке.

Психологическая атмосфера на уроке была благоприятная, доброжелательная, располагающая к совместной работе.

12. Педагогическая техника учителя: (темп речи, дикция, эмоциональность изложения, точность использования специальной терминологии, приемы влияния на учащихся.)

— оптимальный темп речи и четкая дикция учителя

— ведение урока эмоционально окрашено

— точно и доступно излагалась и использовалась научная

терминология

— учет индивидуальных особенностей учащихся (личностно ориентированный подход)

13. Подача домашнего задания.

Параграф 14, страницы 76-78 читать, страница 82 вопрос 4

Учитель: Мартынова М.И.

infourok.ru

Железо и его характеристики

Общая характеристика железа

Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.

К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк 2Fe₂O₃×3H₂O и шпатовый железняк FeCO₃.

Железо – серебристый (рис. 1) 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.

Рис. 1. Железо. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса железа

Относительной молекулярная масса вещества (M_r) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A_r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.

Аллотропия и аллотропные модификации железа

Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая – кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912^oС и от 1394^oС до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5^oС. Между 912^oС и от 1394^oС устойчиво γ-железо.

Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912^oС и выше 1394^oС энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394^oС – больше.

Изотопы железа

Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов ⁵⁴Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe и ⁵⁷Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа ⁵⁴Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является ⁶⁰Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.

Ионы железа

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s².

В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Fe⁰ -2e → Fe²⁺;

Fe⁰ -3e → Fe³⁺.

Молекула и атом железа

В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:

Энергия ионизации атома, эВ	7,87
Относительная электроотрицательность	1,83
Радиус атома, нм	0,117

Сплавы железа

До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство – черной металлургией.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

Металлическое железо формула. Железо: его строение и свойства

Железо в чистом виде – это пластичный металл серого цвета, легко подвергаемый обработке. И всё же, для человека элемент Fe более практичен в сочетании с углеродом и другими примесями, которые позволяют образовывать металлические сплавы – стали и чугуны. 95% – именно столько всей производимой на планете металлической продукции содержит железо в качестве основного элемента.

Железо: история

Первые железные изделия, изготовленные человеком, датированы учёными IV тыс. до н. э., причем исследования показали, что для их производства использовалось метеоритное железо, для которого характерно 5-30-процентное содержание никеля. Интересно, но пока человечество не освоило добычу Fe путём его переплавки, железо ценилось дороже золота. Объяснялось это тем, что более крепкая и надежная сталь куда больше подходила для изготовления орудий труда и оружия, нежели медь и бронза.

Первый чугун научились получать древние римляне: их печи могли повышать температуру руды до 1400 о С, в то время как чугуну было достаточно 1100-1200 о С. Впоследствии они же получили и чистую сталь, температура плавления которой, как известно, составляет 1535 градуса по Цельсию.

Химические свойства Fe

С чем взаимодействует железо? Железо взаимодействует с кислородом, что сопровождается образованием оксидов; с водой в присутствии кислорода; с серной и соляной кислотами:

3Fe+2O 2 = Fe 3 O 4
4Fe+3O 2 +6H 2 O = 4Fe(OH) 3
Fe+H 2 SO 4 = FeSO 4 +H 2
Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2

Также железо реагирует на щелочи, только если они представляют собой расплавы сильных окислителей. Железо не реагирует с окислителями при обычной температуре, однако всегда начинает вступать в реакцию при её повышении.

Применение железа в строительстве

Применение железа строительной отраслью в наши дни нельзя переоценить, ведь металлоконструкции являются основой абсолютно любого современного строения. В этой сфере Fe используется в составе обычных сталей, литейного чугуна и сварочного железа. Данный элемент находится везде, начиная с ответственных конструкций и заканчивая анкерными болтами и гвоздями.

Возведение строительных конструкций из стали обходится гораздо дешевле, к тому же здесь можно говорить и о более высоких темпах строительства. Это заметно увеличивает использование железа в строительстве, в то время как сама отрасль осваивает применение новых, более эффективных и надежных сплавов на основе Fe.

Использование железа в промышленности

Использование железа и его сплавов – чугуна и стали – это основа современного машино-, станко-, авиа-, приборостроения и изготовления прочей техники. Благодаря цианидам и оксидам Fe функционирует лакокрасочная промышленность, сульфаты железа применяются при водоподготовке. Тяжелая промышленность и вовсе немыслима без использования сплавов на основе Fe+C. Словом, Железо – это незаменимый, но вместе с тем доступный и относительно недорогой метал

overmedic.ru

железо — это… Что такое железо?

ЖЕЛЕ́ЗО -а; ср.

1. Химический элемент (Fe), ковкий металл серебристого цвета, образующий в соединении с углеродом сталь и чугун.

2. Обиходное название малоуглеродистой стали, металла серебристого цвета. Ковать ж. Ветер стучит железом крыши.

3. О том, что является сильным, твёрдым, крепким (о внешних физических качествах). Руки у тебя — ж.! // О том, что является жёстким, непреклонным (о внутренних моральных качествах). Характер у него — ж.

4. Разг. О лекарстве, содержащем железистые вещества. Организму не хватает железа. Пить ж. Яблоки содержат ж.

◊ Выжечь калёным желе́зом. Искоренять, уничтожать что-л., прибегая к крайним, чрезвычайным мерам. Куй желе́зо, пока горячо (см. Кова́ть).

◁ Желе́зный; Желе́зистый; Желе́зка; Желе́зина (см.).

ЖЕЛЕ́ЗО (лат. Ferrum), Fe (читается «феррум»), химический элемент, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s²p⁶d⁶4s². Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.
В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт (см. КОБАЛЬТ) и никель (см. НИКЕЛЬ). Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.
Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe²⁺ — 0,080 нм, иона Fe³⁺ — 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.
Железо высокой чистоты — это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.
Нахождение в природе
В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит (см. ГЕМАТИТ), Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит (см. МАГНЕТИТ), Fe₃О₄; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит (см. СИДЕРИТ), карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита (см. ПИРИТ) FeS₂ (другие названия — серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10^-5—1·10^-8% железа.
История получения железа
Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9 по 7 в. до н. э., когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, (см. ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК) пришедшего на смену бронзовому веку (см. БРОНЗОВЫЙ ВЕК). Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи — домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс (см. КОКС). В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.
Физические и химические свойства
При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394—1535 °C существует a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917—1394 °C устойчиво b-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри (см. КЮРИ ТОЧКА)) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как g-модификацию железа, а b-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394—1535 °C), называют по традиции d-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа — a, b, g и d— возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7,87 г/см³. Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ –0,447В, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +0,771В.
При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe₂О₃·хН₂О.
С кислородом 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 и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.
Железо при нагревании реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ). Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200—300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl₃. Если взаимодействие железа и брома 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 образуется иодид Fe₃I₈.
При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, 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)₉и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена (см. ФЕРРОЦЕН) 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)Cl₂Из 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 или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия 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 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 K₃[Fe(CN)₆], ранее называвшийся 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 — 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 или воздух, обогащенный кислородом). 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 и стекает вниз.
Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие — летку — 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 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 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, никеля, молибдена, кобальта 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 в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод 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.
Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.
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.
Железо в организме
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ) то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии (см. ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИ), использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза (см. ХЕМОСИНТЕЗ), могут накапливать в своих клетках до 17—20% железа. Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов (см. ГЕМОПРОТЕИДЫ), простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем (см. ГЕМ). Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин (см. ГЕМОГЛОБИН) и миоглобин, (см. МИОГЛОБИН) универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, (см. ЦИТОХРОМЫ) ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина (см. ФЕРРИТИН), осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6—20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

dic.academic.ru