№26 Железо

История открытия:

Железо известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Латинское ferrum, скорее всего, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего из финикийского.

Нахождение в природе и получение:

Железо — один из самых распространённых элементов на Земле и вообще в Солнечной системе. Металлическое железо в образует ядро Земли, где его содержание, по оценкам, около 90%. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, тем не менее и здесь из металлов железо уступает по распространённости только алюминию. Из минералов наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe₂O₃), магнитный железняк (магнетит, Fe₃O₄), бурый железняк или лимонит (FeOOH и FeOOH·nH₂O). Пирит FeS₂ (серный или железный колчедан) используется в производстве серной кислоты.
Наиболее распространённым промышленным способом получения железа является доменный процесс, в основе которого восстановление оксидом углерода(II): Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂↑
При этом получается железо, содержащее до 7% углерода и другие примеси - чугун. Чугун в дальнейшем перерабатывают в более чистое железо - сталь, удаляя примеси окислением в мартеновских печах или конвертерах. Сталь может быть легирована добавками других металлов, для повышения ее прочности, корозионной стойкости и т.п.
Используется также прямой способ получения железа, в котором железные окатыши при 1000^oС восстанавливают водородом, получаемым при конверсии метана: Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O↑

Физические свойства:

Железо - типичный металл, в свободном состоянии - серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, ковок, различные примеси (в частности - углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Tпл=1812K, Tкип=3134K.

Химические свойства:

Железо относится к металлам средней активности, в ряду напряжений стоит до водорода и растворяется во многих кислотах, но концентрированной серной и азотной кислотами пассивируется и на холоду с ними не реагирует. Раскаленное железо реагирует с водяным паром: 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂↑ (раньше так получали водород для наполнения аэростатов).
При нагревании железо реагирует со многими неметаллами, часто образуя соединения нестехиометрического состава карбиды, бориды, силициды, нитриды и др.
Наиболее характерными для железа являются степени окисления +2 и +3, известны также соединения, где железо имеет степень окисления +6.

Важнейшие соединения:

Степень окисления +2 - основный оксид FeO (чёрный), гидроксид Fe(OH)₂ (зеленый). Соли железа(II) (бледно-зеленого цвета), образуют кристаллогидраты (напр. железный купорос, FeSO₄*7H₂O), легко окисляются кислородом до соединений железа(III).

Степень окисления +3 - наиболее устойчивая степень окисления железа, ей соответствуют: оксид Fe₂O₃ и гидроксид Fe(OH)₃ (оба - коричневого цвета), соли железа(III) - (образуют кристаллогидраты, в растворах сильно гидролизованы). Т.к. оксид железа(III) проявляет слабые основные свойства, он частично растворим в конц. щелочах, а при сплавлении со щелочами образует соотв. соли - ферриты: Fe₂O₃ + 2NaOH = 2NaFeO2 + H₂O↑
При растворении ферриты нацело гидролизуются.
Смешаный оксид, Fe₃O₄ или FeO*Fe₂O₃, ("железная окалина") можно рассматривать также как феррит железа(II): Fe(FeO₂)₂. При взаимодействии его с растворами кислот образуется смесь солей железа (II) и (III).

Для железа в степени окисления +2 и +3 характерно образование многочисленных комплексных соединений, например таких как гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] ("желтая кровяная соль") и гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] ("красная кровяная соль"). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)6]^4- выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата(II) калия-железа(III) (берлинская лазурь): FeCl₃ + K₄[Fe(CN)₆] = KFe[Fe(CN)₆]↓ + 3KCl. Это качественная реакция для обнаружения ионов Fe³⁺. Аналогичная реакция используется для открытия ионов железа(II): FeCl₂ + K₃[Fe(CN)₆] = KFe[Fe(CN)₆]↓ + 2KCl; ("турнбулева синь").

Степень окисления +6 - Ферраты - соли не существующей в свободном виде железной кислоты H₂FeO₄. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости - сульфаты. Ферраты - сильные окислители. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)₃ в щелочи: 2Fe(OH)₃ + 3Cl₂ + 10KOH = 2K₂FeO₄ + 6KCl + 8H₂O

Применение

- Железо является основным компонентом сталей и чугунов - важнейших конструкционных материалов.
- Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов - например, никелевых.
- Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Биологическая роль и физиологическое действие

Железо входит в состав гемоглобина крови, обеспечивая, за счет своих окислительно-восстановительных свойств, ее важнейшую функцию, транспорт кислорода в ткани организма. В крови взрослого человека содержится около 4 г железа, его недостаток приводит к заболеванию железодефицитной анемией. Восполнить недостаток железа можно за счет пищевых продуктов, содержащих железо в хорошо усвояемой форме (печень, мясо, бобовые) или медикаментов.

Избыточное накопление железа в организме оказывает токсическое действие. ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Аксенова Ирина, Пуртова Ксения, ТюмГУ, 502(1) группа, 2013 г.