Железо и его оксиды
Металлическое железо
Железо — четвёртый по распространённости элемент земной коры и главный элемент ядра Земли. Первое железо человек взял с неба: кинжал Тутанхамона выкован из метеоритного железа с 10 % никеля — это доказали рентгенофлуоресцентным анализом в 2016 году.
Железо (\(3d^64s^2\)) полиморфно:
| Форма | Решётка | Интервал | Особенность |
|---|---|---|---|
| \(\alpha\)-Fe | ОЦК | до 912 °C | ферромагнитно до 770 °C (точка Кюри) |
| \(\gamma\)-Fe | ГЦК | 912–1394 °C | растворяет до 2 % углерода (аустенит) |
| \(\delta\)-Fe | ОЦК | 1394–1538 °C |
scienceЖелезо-металл
- \(\ce{Fe + 2HCl -> FeCl2 + H2 ^}\); \(\ce{Fe + H2SO4(разб.) -> FeSO4 + H2 ^}\).
- \(\ce{2Fe + 6H2SO4(конц.) ->[t] Fe2(SO4)3 + 3SO2 ^ + 6H2O}\); на холоду — пассивация.
- \(\ce{Fe + 4HNO3(разб.) -> Fe(NO3)3 + NO ^ + 2H2O}\).
- \(\ce{2Fe + 3Cl2 ->[t] 2FeCl3}\); \(\ce{Fe + S ->[t] FeS}\); \(\ce{3Fe + 2O2 ->[t] Fe3O4}\).
- \(\ce{3Fe + 4H2O ->[t] Fe3O4 + 4H2}\) — Лавуазье (1783) разложил так воду и доказал, что она не элемент.
- \(\ce{Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu}\).
auto_awesomeКолонна, которая не ржавеет
Железная колонна в Дели стоит больше 1600 лет и почти не заржавела. Кузнецы Гуптской эпохи использовали железо с повышенным содержанием фосфора; на поверхности образовался плотный защитный слой фосфатов и оксигидроксидов железа, а сухой климат довершил дело.
Оксиды железа
FeO (вюстит) — чёрный, всегда с недостатком железа (\(\ce{Fe_{0{,}84-0{,}95}O}\)): вакансии компенсируются ионами \(\ce{Fe^3+}\). Ниже 570 °C неустойчив и диспропорционирует: \(\ce{4FeO -> Fe + Fe3O4}\). Основный оксид; на воздухе при нагревании окисляется, мелкий порошок пирофорен.
\(\ce{Fe3O4}\) (магнетит) — чёрный, самый магнитный природный минерал. Это обращённая шпинель: \(\ce{Fe^3+[Fe^2+Fe^3+]O4}\) — в тетраэдрических пустотах \(\ce{Fe^3+}\), в октаэдрических — поровну \(\ce{Fe^2+}\) и \(\ce{Fe^3+}\). Электрон «прыгает» между ними — магнетит проводит ток почти как металл. С кислотами даёт смесь солей Fe(II) и Fe(III).
\(\ce{Fe2O3}\) — \(\alpha\)-форма (гематит) красно-коричневая, пигмент «мумия», полировальный крокус; \(\gamma\)-форма (маггемит) — ферримагнитна, из неё делали магнитные ленты.
scienceОксиды железа
- \(\ce{Fe3O4 + 8HCl -> FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O}\).
- \(\ce{FeC2O4 ->[t, без воздуха] FeO + CO ^ + CO2 ^}\).
- \(\ce{4FeO ->[t < 570 °C] Fe + Fe3O4}\).
- \(\ce{2Fe(OH)3 ->[t] Fe2O3 + 3H2O}\); \(\ce{4FeS2 + 11O2 ->[t] 2Fe2O3 + 8SO2}\).
- \(\ce{Fe2O3 + 2NaOH ->[сплавление] 2NaFeO2 + H2O}\) — слабая амфотерность: феррит(III) натрия.
boltЭлектронный баланс в смешанном оксиде
Формулу \(\ce{Fe3O4}\) удобно читать как \(\ce{FeO*Fe2O3}\). При растворении в кислоте без окислителя сохраняются обе степени окисления: на \(\ce{Fe3O4}\) — один \(\ce{Fe^2+}\), который и определяют титрованием.
Коррозия железа
Ржавчина — не просто «окисление кислородом». Это электрохимический процесс: на поверхности металла работают микрогальванические элементы.
- Анод (участки, где металл растворяется): \(\ce{Fe -> Fe^2+ + 2e-}\).
- Катод (участки с доступом кислорода): \(\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}\).
- Далее \(\ce{Fe^2+}\) и \(\ce{OH-}\) встречаются, гидроксид окисляется: \(\ce{4Fe(OH)2 + O2 -> 4FeO(OH) + 2H2O}\) — ржавчина \(\ce{FeO(OH)}\) и \(\ce{Fe2O3*nH2O}\).
Коррозию ускоряют соли (растворы проводят ток — вот почему машины ржавеют от дорожной соли), контакт с менее активным металлом (медью, оловом) и кислая среда.
edit_noteКапля Эванса
На зачищенную сталь капают раствор NaCl с индикаторами (фенолфталеин и \(\ce{K3[Fe(CN)6]}\)). Через несколько минут центр капли синеет (там \(\ce{Fe^2+}\) — анод), а край розовеет (там \(\ce{OH-}\) — катод, где больше кислорода). Коррозия идёт под центром капли, куда кислород проникает хуже.
boltОцинковка против лужения
Цинк активнее железа: при царапине он сам становится анодом и растворяется, защищая сталь (протекторная защита). Олово менее активно: пока слой цел, оно барьер, а при царапине железо становится анодом и ржавеет даже быстрее, чем без покрытия. Поэтому консервная банка ржавеет в месте повреждения, а оцинкованное ведро — нет.
push_pinГлавное
Fe — \(3d^64s^2\); аллотропия: \(\alpha\) (ОЦК, до 912 °C, ферромагнетик до 770 °C), \(\gamma\) (ГЦК, 912–1394 °C), \(\delta\) (ОЦК, до 1538 °C). С разбавленными кислотами — \(\ce{Fe^2+}\) и \(\ce{H2}\); холодные концентрированные \(\ce{HNO3}\) и \(\ce{H2SO4}\) пассивируют; с хлором — \(\ce{FeCl3}\), с серой — FeS, горит в кислороде до \(\ce{Fe3O4}\); с паром: \(\ce{3Fe + 4H2O -> Fe3O4 + 4H2}\). FeO (вюстит, нестехиометрический \(\ce{Fe_{1-x}O}\), ниже 570 °C диспропорционирует), \(\ce{Fe3O4}\) (обращённая шпинель \(\ce{Fe^{III}[Fe^{II}Fe^{III}]O4}\), ферримагнетик, проводник), \(\ce{Fe2O3}\) (гематит; \(\gamma\)-форма магнитна). Коррозия — гальванический процесс: анод Fe → \(\ce{Fe^2+}\), катод \(\ce{O2 + 2H2O + 4e- -> 4OH-}\); защита: цинкование (протекторная), лужение (только барьер), катодная защита.
Закрепите теорию: 9 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.