Dobijanje gvožđa na dva načina. Crni metal: osnovne karakteristike, proizvodnja i upotreba gvožđa. Oksidacijsko stanje željeza u spojevima

Gvožđe je osmi element četvrtog perioda u periodnom sistemu. Njegov broj u tabeli (koji se naziva i atomski) je 26, što odgovara broju protona u jezgru i elektrona u elektronskom omotaču. Označen je sa prva dva slova njegovog latinskog ekvivalenta - Fe (latinski Ferrum - čita se kao "ferrum"). Gvožđe je drugi najčešći element u zemljinoj kori, sa procentom od 4,65% (najčešći je aluminijum, Al). U svom izvornom obliku, ovaj metal je prilično rijedak, češće se vadi iz miješane rude s niklom.

U kontaktu sa

Kakva je priroda ove veze? Gvožđe kao atom sastoji se od metalne kristalne rešetke, zbog čega se osigurava tvrdoća spojeva koji sadrže ovaj element i molekularna stabilnost. S tim u vezi ovaj metal je tipičan solidan za razliku od, na primjer, žive.

Gvožđe kao jednostavna supstanca- metal srebrne boje sa svojstvima tipičnim za ovu grupu elemenata: savitljivost, metalni sjaj i duktilnost. Osim toga, željezo je vrlo reaktivno. O ovom posljednjem svojstvu svjedoči činjenica da željezo vrlo brzo korodira u prisustvu visoke temperature i odgovarajuće vlage. U čistom kiseoniku, ovaj metal dobro gori, a ako ga izmrvite na vrlo male čestice, onda će one ne samo da izgore, već će se i spontano zapaliti.

Često željezo nazivamo ne čistim metalom, već njegovim legurama koje sadrže ugljik ©, na primjer, čelik (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Od velikog industrijskog značaja su i legure u koje se dodaju legirajući metali (nikl, mangan, hrom i drugi), zbog čega čelik postaje nerđajući, odnosno legiran. Dakle, na osnovu ovoga postaje jasno koliko je opsežna industrijska primjena ima ovaj metal.

Fe karakteristika

Hemijska svojstva gvožđa

Pogledajmo bliže karakteristike ovog elementa.

Svojstva jednostavne supstance

  • Oksidacija u zraku pri visokoj vlažnosti (korozivni proces):

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe (OH) 3 - željezo (III) hidroksid (hidroksid)

  • Sagorijevanje željezne žice u kisiku s stvaranjem miješanog oksida (sadrži element s oksidacijskim stanjem +2 i oksidacijskim stanjem +3):

3Fe + 2O2 = Fe3O4 (gvozdeni kamenac). Reakcija je moguća kada se zagrije na 160 ⁰C.

  • Interakcija s vodom na visokim temperaturama (600-700 ⁰C):

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2

  • Reakcije sa nemetalima:

a) Reakcija sa halogenima (Važno! U ovoj interakciji poprima oksidaciono stanje elementa +3)

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 - željezni hlorid

b) Reakcija sa sumporom (Važno! U ovoj interakciji element ima oksidaciono stanje +2)

Gvožđe (III) sulfid - Fe2S3 može se dobiti u toku druge reakcije:

Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O

c) Formiranje pirita

Fe + 2S = FeS2 - pirit. Obratite pažnju na oksidaciono stanje elemenata koji čine ovo jedinjenje: Fe (+2), S (-1).

  • Interakcija sa solima metala, koje se nalaze u elektrohemijskom nizu aktivnosti metala desno od Fe:

Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu - željezo (II) hlorid

  • Interakcija s razrijeđenim kiselinama (na primjer, klorovodičnom i sumpornom):

Fe + HBr = FeBr2 + H2

Fe + HCl = FeCl2 + H2

Imajte na umu da ove reakcije proizvode željezo u +2 oksidacijskom stanju.

  • U nerazrijeđenim kiselinama, koje su najjači oksidanti, reakcija je moguća samo pri zagrijavanju, u hladnim kiselinama metal se pasivizira:

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

Fe + 6HNO3 = Fe (NO3) 3 + 3NO2 + 3H2O

  • Amfoterna svojstva željeza pojavljuju se samo u interakciji s koncentriranim alkalijama:

Fe + 2KOH + 2H2O = K2 + H2 - precipitat kalijum tetrahidroksiferata (II).

Proces proizvodnje sirovog gvožđa u visokim pećima

  • Pečenje i naknadna razgradnja sulfidnih i karbonatnih ruda (oslobađanje metalnih oksida):

FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Ova reakcija je ujedno i prva faza u industrijskoj sintezi sumporne kiseline.

FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550-600 ⁰C, -CO2).

  • Spaljivanje koksa (u višku):

S (koks) + O2 (vazduh) -> CO2 (600-700 ⁰C)

CO2 + C (koks) -> 2CO (750-1000 ⁰C)

  • Redukcija ugljičnog monoksida u rudi koja sadrži oksid:

Fe2O3 -> Fe3O4 (CO, -CO2)

Fe3O4 -> FeO (CO, -CO2)

FeO -> Fe (CO, -CO2)

  • Karburizacija gvožđa (do 6,7%) i topljenje livenog gvožđa (temperatura topljenja - 1145 ⁰C)

Fe (čvrsto) + C (koks) -> liveno gvožđe. Temperatura reakcije je 900-1200 ⁰C.

U livenom gvožđu cementit (Fe2C) i grafit su uvek prisutni u obliku zrna.

Karakterizacija spojeva koji sadrže Fe

Proučimo karakteristike svakog spoja posebno.

Fe3O4

Mješoviti ili dvostruki željezni oksid, koji sadrži element s oksidacijskim stanjem i +2 i +3. Naziva se i Fe3O4 gvožđe oksid... Ovo jedinjenje je otporno na visoke temperature. Ne reaguje sa vodom, vodenom parom. Razloženo mineralnim kiselinama. Može se reducirati vodonikom ili željezom na visokim temperaturama. Kao što možete razumjeti iz gornjih informacija, to je međuproizvod u lancu reakcije industrijska proizvodnja liveno gvožde.

Direktno ista željezna ljestvica se koristi u proizvodnji boja na mineralnoj osnovi, obojenog cementa i keramike. Fe3O4 je ono što se dobija crnjenjem i plavljenjem čelika. Mešani oksid se dobija sagorevanjem gvožđa u vazduhu (reakcija je data gore). Ruda koja sadrži oksid je magnetit.

Fe2O3

Gvožđe (III) oksid, trivijalno ime - hematit, spoj je crveno-braon. Otporan na visoke temperature. U svom čistom obliku, ne nastaje tokom oksidacije gvožđa atmosferskim kiseonikom. Ne reaguje sa vodom, stvara hidrate koji talože. Slabo reaguje sa razrijeđenim alkalijama i kiselinama. Može se spojiti sa oksidima drugih metala, formirajući spinele - dvostruke okside.

Crvena željezna ruda se koristi kao sirovina u industrijskoj proizvodnji sirovog željeza metodom visoke peći. Takođe ubrzava reakciju, odnosno katalizator je u industriji amonijaka. Koristi se u istim područjima kao i željezna šljaka. Osim toga, korišten je kao nosač zvuka i slike na magnetnim trakama.

FeOH2

Gvožđe (II) hidroksid, spoj sa kiselim i baznim svojstvima, potonji preovlađuju, odnosno amfoterni su. Supstanca bijela, koji brzo oksidira na zraku, "posmeđi" u željezo (III) hidroksid. Podložan raspadanju kada je izložen temperaturi. Reaguje i sa rastvorima slabih kiselina i sa alkalijama. Nerastvorljivo u vodi. U reakciji djeluje kao redukcijski agens. To je međuproizvod u reakciji korozije.

Detekcija Fe2+ i Fe3+ jona ("kvalitativne" reakcije)

Prepoznavanje Fe2+ i Fe3+ jona u vodenim rastvorima vrši se pomoću kompleksa kompleksna jedinjenja- K3, crvena krvna so, i K4, žuta krvna so, respektivno. U obje reakcije nastaje zasićeni plavi talog istog kvantitativnog sastava, ali različite pozicije željeza s valentnošću +2 i +3. Ovaj sediment se također često naziva pruska plava ili Turnbull plava.

Jonska reakcija

Fe2 ++ K ++ 3-  K + 1Fe + 2

Fe3 ++ K ++ 4-  K + 1Fe + 3

Dobar reagens za detekciju Fe3 + - tiocijanat jona (NCS-)

Fe3 ++ NCS-  3- - ova jedinjenja imaju jarko crvenu ("krvavu") boju.

Ovaj reagens, na primjer, kalijev tiocijanat (formula - KNCS), omogućava vam da odredite čak i zanemarljivu koncentraciju željeza u otopinama. Dakle, on je sposoban da istražuje voda iz česme utvrditi jesu li cijevi zahrđale.

Gvožđe je element bočne podgrupe osme grupe četvrtog perioda periodnog sistema hemijskih elemenata D. I. Mendeljejeva sa atomski broj 26. Označen je simbolom Fe (latinski Ferrum). Jedan od najrasprostranjenijih metala u zemljinoj kori (drugi nakon aluminijuma). Metal srednje aktivnosti, redukciono sredstvo.

Glavna oksidaciona stanja - +2, +3

Jednostavna supstanca gvožđe je savitljiv metal srebrno-bele boje sa visokom hemikalijom reaktivnost: Gvožđe brzo korodira na visokim temperaturama ili visokoj vlažnosti u vazduhu. U čistom kiseoniku, gvožđe gori, au fino raspršenom stanju se spontano zapali u vazduhu.

Hemijska svojstva jednostavne supstance - gvožđa:

Rđanje i gorenje u kiseoniku

1) Na vazduhu, gvožđe se lako oksidira u prisustvu vlage (rđanje):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe (OH) 3

Vruća željezna žica gori u kisiku, stvarajući kamenac - željezni oksid (II, III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

3Fe + 2O 2 → (Fe II Fe 2 III) O 4 (160 ° C)

2) Na visokim temperaturama (700-900 ° C), gvožđe reaguje sa vodenom parom:

3Fe + 4H 2 O - t ° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) Gvožđe reaguje sa nemetalima kada se zagreje:

2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3 (200 ° C)

Fe + S - t ° → FeS (600 ° C)

Fe + 2S → Fe +2 (S 2 -1) (700 °C)

4) U nizu napona stoji lijevo od vodonika, reagira sa razrijeđenim kiselinama HCl i H 2 SO 4, pri čemu nastaju soli željeza (II) i oslobađa se vodonik:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reakcije se odvijaju bez pristupa vazduhu, inače se Fe +2 postepeno prenosi kiseonikom u Fe +3)

Fe + H 2 SO 4 (razd.) → FeSO 4 + H 2

U koncentriranim oksidirajućim kiselinama željezo se otapa tek kada se zagrije, odmah prelazi u Fe 3+ kation:

2Fe + 6H 2 SO 4 (konc.) - t ° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (konc.) - t ° → Fe (NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(na hladnom, koncentrovani azot i sumporna kiselina pasivirati

Gvozdeni nokat, uronjen u plavkastu otopinu bakrenog sulfata, postupno se prekriva cvatom crvenog metalnog bakra.

5) Gvožđe istiskuje metale, koji stoje desno od njega, iz rastvora njihovih soli.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

Amfoternost gvožđa se manifestuje samo u koncentrisanim alkalijama tokom ključanja:

Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O = Na 2 ↓ + H 2

i formira se talog natrijum tetrahidroksoferata (II).

Tehničko gvožđe- legure gvožđa sa ugljenikom: liveno gvožđe sadrži 2,06-6,67% C, čelikaČesto su prisutni 0,02-2,06% C, druge prirodne nečistoće (S, P, Si) i umjetno uneseni specijalni aditivi (Mn, Ni, Cr), što tehnički daje legure željeza korisne karakteristike- tvrdoća, termička i otpornost na koroziju, duktilnost itd. .

Proizvodnja sirovog gvožđa u visokim pećima

Proces visoke peći za proizvodnju sirovog željeza sastoji se od sljedećih faza:

a) priprema (prženje) sulfidnih i karbonatnih ruda - prelazak u oksidnu rudu:

FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2, 800 ° C, -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2, 500-600 ° C, -CO 2)

b) sagorevanje koksa tokom vrelog eksplozije:

S (koks) + O 2 (vazduh) → SO 2 (600-700 ° C) SO 2 + S (koks) ⇌ 2SO (700-1000 ° C)

c) redukcija oksidne rude ugljičnim monoksidom CO uzastopno:

Fe 2 O 3 → (CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 → (CO) FeO → (CO) Fe

d) karburizacija gvožđa (do 6,67% C) i topljenje livenog gvožđa:

Fe (t ) →(C(koka-kola)900-1200 °C) Fe (w) (lijevano željezo, tačka topljenja 1145 °C)

U livenom gvožđu cementit Fe 2 C i grafit su uvek prisutni u obliku zrna.

Proizvodnja čelika

Pretvorba lijevanog željeza u čelik vrši se u posebnim pećima (konverterske, ložište, električne), koje se razlikuju po načinu grijanja; temperatura procesa 1700-2000°C. Puhanje zraka obogaćenog kisikom dovodi do sagorijevanja viška ugljika iz lijevanog željeza, kao i sumpora, fosfora i silicija u obliku oksida. U ovom slučaju, oksidi se ili hvataju u obliku otpadnih plinova (CO 2, SO 2), ili se vezuju u šljaku koja se lako odvaja - mješavinu Ca 3 (PO 4) 2 i CaSiO 3. Za dobivanje posebnih čelika, u peć se unose legirajući aditivi drugih metala.

Primanječisto željezo u industriji - elektroliza otopine željeznih soli, na primjer:

FeSl 2 → Fe ↓ + Sl 2 (90 ° C) (elektroliza)

(postoje i druge posebne metode, uključujući redukciju željeznih oksida vodonikom).

Čisto željezo se koristi u proizvodnji specijalnih legura, u proizvodnji jezgara elektromagneta i transformatora, liveno gvožđe - u proizvodnji odlivaka i čelika, čelik - kao konstrukcijski i alatni materijali, uključujući habanje, toplotu i koroziju otporan.

Gvožđe (II) oksid F eO ... Amfoterni oksid sa velikom dominacijom osnovnih svojstava. Crna, ima jonsku strukturu Fe 2+ O 2-. Kada se zagrije, prvo se raspada, a zatim se ponovo formira. Ne nastaje kada se gvožđe sagoreva na vazduhu. Ne reaguje sa vodom. Razložen kiselinama, spojen sa alkalijama. Polako oksidira na vlažnom vazduhu. Redukovano vodonikom, koksom. Učestvuje u visokopećnom procesu topljenja gvožđa. Koristi se kao komponenta keramike i mineralnih boja. Jednačine najvažnijih reakcija:

4FeO ⇌ (Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 ° C, 900-1000 ° C)

FeO + 2HC1 (razd.) = FeC1 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 (konc.) = Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O

FeO + 4NaON = 2N 2 O + Na 4FeO3 (crveno.) trioksoferat (II)(400-500°C)

FeO + H 2 = H 2 O + Fe (ekstra čist) (350 °C)

FeO + C (koks) = Fe + CO (iznad 1000 °C)

FeO + CO = Fe + CO 2 (900 °C)

4FeO + 2N 2 O (vlaga) + O 2 (vazduh) → 4FeO (ON) (t)

6FeO + O 2 = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 ° C)

Primanje v laboratorije: termička razgradnja jedinjenja željeza (II) bez pristupa zraka:

Fe (OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)

FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 °C)

Digvožđe (III) oksid - gvožđe ( II ) ( Fe II Fe 2 III) O 4 ... Dvostruki oksid. Crna, ima jonsku strukturu Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Termički stabilan do visokih temperatura. Ne reaguje sa vodom. Razloženo kiselinama. Redukovano vodonikom, vrućim gvožđem. Učestvuje u visokopećnom procesu proizvodnje sirovog gvožđa. Koristi se kao komponenta mineralnih boja ( gvozdeno olovo), keramika, obojeni cement. Proizvod specijalne oksidacije površine čeličnih proizvoda ( crnjenje, plavilo). Sastav odgovara smeđoj rđi i tamnoj ljusci na željezu. Ne preporučuje se upotreba bruto formule Fe 3 O 4. Jednačine najvažnijih reakcija:

2 (Fe II Fe 2 III) O 4 = 6FeO + O 2 (iznad 1538 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8HC1 (razd.) = FeC1 2 + 2FeC1 3 + 4H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 10NNO 3 (konc.) = 3Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 5N 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (vazduh) = 6Fe 2 O 3 (450-600 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (ekstra čist, 1000 °C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = ZFeO + CO 2 (500-800 °C)

(Fe II Fe 2 III) O4 + Fe ⇌4FeO (900-1000 ° C, 560-700 ° C)

Primanje: sagorevanje gvožđa (vidi) u vazduhu.

magnetit.

Gvožđe (III) oksid F e 2 O 3 ... Amfoterni oksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Crveno-braon, ima jonsku strukturu (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Termički stabilan do visokih temperatura. Ne nastaje kada se gvožđe sagoreva na vazduhu. Ne reaguje sa vodom, smeđi amorfni hidrat Fe 2 O 3 nH 2 O ispada iz rastvora.Sporo reaguje sa kiselinama i alkalijama. Redukovano ugljičnim monoksidom, rastopljenim željezom. Legira sa oksidima drugih metala i formira dvostruke okside - spineli(tehnički proizvodi se nazivaju feriti). Koristi se kao sirovina u taljenju sirovog gvožđa u visokom peći, kao katalizator u proizvodnji amonijaka, komponente keramike, obojenih cementa i mineralnih boja, u termitnom zavarivanju čeličnih konstrukcija, kao nosilac zvuka i slike na magnetnim trakama, kao sredstvo za poliranje čelika i stakla.

Jednačine najvažnijih reakcija:

6Fe 2 O 3 = 4 (Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (1200-1300 °C)

Fe 2 O 3 + 6HC1 (razd.) → 2FeC1 3 + ZN 2 O (t) (600 ° C, p)

Fe 2 O 3 + 2NaOH (konc.) → H 2 O + 2 NaFeO 2 (crveno)dioksoferat (III)

Fe 2 O 3 + MO = (M II Fe 2 II I) O 4 (M = Cu, Mn, Fe, Ni, Zn)

Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O + 2Fe (ekstra čist, 1050-1100 °C)

Fe 2 O 3 + Fe = ZFeO (900 °C)

3Fe 2 O 3 + CO = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 + CO 2 (400-600 °C)

Primanje u laboratoriju - termička razgradnja soli željeza (III) u zraku:

Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °C)

4 (Fe (NO 3) 3 9 N 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36N 2 O (600-700 °S)

U prirodi - rude željeznog oksida hematit Fe 2 O 3 i limonit Fe 2 O 3 nN 2 O

Gvožđe (II) hidroksid F e (OH) 2. Amfoterni hidroksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Bijele (ponekad sa zelenkastom nijansom), Fe - OH veze su pretežno kovalentne. Termički nestabilan. Lako oksidira na zraku, posebno kada je mokar (potamni). Nerastvorljivo u vodi. Reaguje sa razrijeđenim kiselinama, koncentriranim alkalijama. Tipično redukciono sredstvo. Srednji u rđenju željeza. Koristi se u proizvodnji aktivne mase željezo-nikl baterija.

Jednačine najvažnijih reakcija:

Fe (OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, u atm. N 2)

Fe (OH) 2 + 2HC1 (razd.) = FeC1 2 + 2H 2 O

Fe (OH) 2 + 2NaON (> 50%) = Na 2 ↓ (plavo-zeleno) (ključanje)

4Fe (ON) 2 (suspenzija) + O 2 (vazduh) → 4FeO (ON) ↓ + 2N 2 O (t)

2Fe (ON) 2 (suspenzija) + N 2 O 2 (razd.) = 2FeO (ON) ↓ + 2N 2 O

Fe (OH) 2 + KNO 3 (konc.) = FeO (OH) ↓ + NO + KOH (60 °C)

Primanje: taloženje iz rastvora sa alkalijama ili amonijačnim hidratom u inertnoj atmosferi:

Fe 2+ + 2OH (ekspandirani) = Fe (OH) 2 ↓

Fe 2+ + 2 (NH 3 H 2 O) = Fe (OH) 2 ↓+ 2NH 4

Gvožđe metahidroksid F eO (OH). Amfoterni hidroksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Svijetlo smeđe, Fe - O i Fe - OH veze su pretežno kovalentne. Raspada se pri zagrevanju bez topljenja. Nerastvorljivo u vodi. Precipitira iz rastvora u obliku amorfnog smeđeg polihidrata Fe 2 O 3 nH 2 O, koji se, čuvajući u razblaženom alkalnom rastvoru ili nakon sušenja, pretvara u FeO (OH). Reaguje sa kiselinama, čvrstim alkalijama. Slabo oksidaciono i redukciono sredstvo. Sinterovano sa Fe (OH) 2. Srednji u rđenju željeza. Koristi se kao osnova za žute mineralne boje i emajle, apsorber izduvnih gasova, katalizator u organskoj sintezi.

Jedinjenje sastava Fe (OH) 3 nije poznato (nije dobijeno).

Jednačine najvažnijih reakcija:

Fe 2 O 3. nN 2 O → ( 200-250 °C, -H 2 O) FeO (OH) → ( 560-700 °C na zraku, -H2O)→ Fe 2 O 3

FeO (OH) + ZNS1 (razd.) = FeC1 3 + 2H 2 O

FeO (OH) → Fe 2 O 3 . nH 2 O-koloid(NaOH (konc.))

FeO (OH) → Na 3 [Fe (OH) 6]Bijelo, Na 5 i K 4, respektivno; u oba slučaja se istaloži plavi proizvod istog sastava i strukture, KFe III. U laboratoriji se ovaj sediment naziva pruska plava, ili turnbull je plava:

Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓

Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓

Hemijski nazivi početnih reagensa i produkta reakcije:

K 3 Fe III - kalijum heksacijanoferat (III)

K 4 Fe III - kalijum heksacijanoferat (II)

KFe III - gvožđe (III) kalijum heksacijanoferat (II)

Osim toga, dobar reagens za Fe 3+ ione je tiocijanatni jon NSS -, s njim se spaja željezo (III) i pojavljuje se jarko crvena ("krvava") boja:

Fe 3+ + 6NSS - = 3-

Ovaj reagens (na primjer, u obliku KNCS soli) može čak otkriti tragove željeza (III) u voda iz česme ako prolazi kroz željezne cijevi prekrivene rđom iznutra.

  • Oznaka - Fe (gvožđe);
  • Period - IV;
  • Grupa - 8 (VIII);
  • Atomska masa - 55.845;
  • Atomski broj - 26;
  • Radijus atoma = 126 pm;
  • Kovalentni radijus = 117 pm;
  • Raspodjela elektrona - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2;
  • tačka topljenja = 1535°C;
  • tačka ključanja = 2750°C;
  • Elektronegativnost (Pauling / Alpred i Rohov) = 1,83 / 1,64;
  • Oksidacijsko stanje: +8, +6, +4, +3, +2, +1, 0;
  • Gustina (n. At.) = 7,874 g/cm 3;
  • Molarni volumen = 7,1 cm 3 / mol.

Jedinjenja gvožđa:

Gvožđe je najzastupljeniji metal u zemljinoj kori (5,1% mase) nakon aluminijuma.

Na Zemlji se gvožđe u slobodnom stanju nalazi u malim količinama u obliku grumenova, kao i u palim meteoritima.

Gvožđe se industrijski kopa na nalazištima željezne rude, od minerala koji sadrže željezo: magnetne, crvene, smeđe željezne rude.

Treba reći da je željezo dio mnogih prirodnih minerala, što uzrokuje njihovu prirodnu boju. Boja minerala zavisi od koncentracije i odnosa iona gvožđa Fe 2+/Fe 3+, kao i od atoma koji okružuju ove jone. Na primjer, prisustvo nečistoća iona željeza utječe na boju mnogih dragocjenih i poludragog kamenja: topaz (od blijedožute do crvene), safiri (od plave do tamnoplave), akvamarine (od svijetloplave do zelenkastoplave) itd.

Gvožđe se nalazi u tkivima životinja i biljaka, na primjer, u tijelu odrasle osobe ima oko 5 g željeza. Gvožđe je vitalni element, deo je proteina hemoglobina, učestvuje u transportu kiseonika iz pluća do tkiva i ćelija. Sa nedostatkom gvožđa u ljudskom organizmu, razvija se anemija (anemija deficijencije gvožđa).


Rice. Struktura atoma gvožđa.

Elektronska konfiguracija atoma željeza je 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (vidi Elektronska struktura atoma). U obrazovanju hemijske veze 2 elektrona smještena na vanjskom 4s-nivou + 6 elektrona 3d-podnivoa (ukupno 8 elektrona) mogu sudjelovati s drugim elementima, stoga u jedinjenjima željezo može poprimiti oksidaciona stanja +8, +6, +4, + 3, +2, +1, (najčešći su +3, +2). Gvožđe ima prosečnu hemijsku aktivnost.


Rice. Stanja oksidacije gvožđa: +2, +3.

Fizička svojstva gvožđa:

  • srebrno-bijeli metal;
  • u svom čistom obliku, prilično je mekan i plastičan;
  • ima dobru toplotnu i električnu provodljivost.

Gvožđe postoji u obliku četiri modifikacije (razlikuju se u strukturi kristalne rešetke): α-gvožđe; β-gvožđe; γ-gvožđe; δ-gvožđe.

Hemijska svojstva gvožđa

  • reagira s kisikom, ovisno o temperaturi i koncentraciji kisika, mogu nastati različiti produkti ili mješavina produkata oksidacije željeza (FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4):
    3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4;
  • oksidacija gvožđa na niskim temperaturama:
    4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3;
  • reaguje sa vodenom parom:
    3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2;
  • fino usitnjeno željezo reagira kada se zagrije sa sumporom i hlorom (željezni sulfid i hlorid):
    Fe + S = FeS; 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3;
  • na visokim temperaturama reaguje sa silicijumom, ugljenikom, fosforom:
    3Fe + C = Fe 3 C;
  • sa drugim metalima i sa nemetalima, gvožđe može da formira legure;
  • željezo istiskuje manje aktivne metale iz njihovih soli:
    Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu;
  • s razrijeđenim kiselinama željezo djeluje kao redukcijsko sredstvo, formirajući soli:
    Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2;
  • sa razblaženom azotnom kiselinom, gvožđe stvara različite produkte redukcije kiseline u zavisnosti od koncentracije (N 2, N 2 O, NO 2).

Dobijanje i korišćenje gvožđa

Dobija se industrijsko željezo topljenje livenog gvožđa i čelika.

Liveno gvožđe je legura gvožđa sa primesama silicijuma, mangana, sumpora, fosfora, ugljenika. Sadržaj ugljika u livenom gvožđu prelazi 2% (u čeliku manje od 2%).

Čisto gvožđe se dobija:

  • u pretvaračima kisika od lijevanog željeza;
  • redukcija željeznih oksida vodonikom i dvovalentnim ugljičnim monoksidom;
  • elektroliza odgovarajućih soli.

Sirovo željezo se dobiva iz željeznih ruda redukcijom željeznih oksida. Sirovo željezo se topi u visokim pećima. Visoka peć koristi koks kao izvor topline.

Visoka peć je vrlo složena tehnička konstrukcija visine nekoliko desetina metara. Obložena je vatrostalnim ciglama i zaštićena vanjskim čeličnim kućištem. Od 2013. godine izgrađena je najveća visoka peć sjeverna korejačeličana POSCO u metalurškoj fabrici u gradu Gwangyang (zapremina peći nakon modernizacije bila je 6.000 kubnih metara sa godišnjim kapacitetom od 5.700.000 tona).


Rice. Visoka peć.

Proces topljenja sirovog gvožđa u visokoj peći traje neprekidno nekoliko decenija sve dok peć ne dođe do kraja životnog veka.


Rice. Proces topljenja sirovog gvožđa u visokoj peći.

  • kroz vrh, koji se nalazi na samom vrhu visoke peći, sipaju se beneficirane rude (magnetna, crvena, smeđa željezna ruda) i koks;
  • procesi redukcije željeza iz rude pod utjecajem ugljičnog monoksida (II) odvijaju se u srednjem dijelu visoke peći (rudnika) na temperaturi od 450-1100°C (oksidi željeza se redukuju u metal):
    • 450-500 °C - 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2;
    • 600 °C - Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2;
    • 800 °C - FeO + CO = Fe + CO 2;
    • dio dvovalentnog željeznog oksida reducira se koksom: FeO + C = Fe + CO.
  • paralelno se odvija proces redukcije oksida silicija i mangana (uključenih u željeznu rudu u obliku nečistoća), silicij i mangan su dio lijevanog željeza:
    • SiO 2 + 2C = Si + 2CO;
    • Mn 2 O 3 + 3C = 2Mn + 3CO.
  • prilikom termičke razgradnje krečnjaka (unesenog u visoku peć) nastaje kalcijum oksid koji reaguje sa oksidima silicijuma i aluminijuma sadržanim u rudi:
    • CaCO 3 = CaO + CO 2;
    • CaO + SiO 2 = CaSiO 3;
    • CaO + Al 2 O 3 = Ca (AlO 2) 2.
  • na 1100 ° C, proces redukcije željeza se zaustavlja;
  • ispod okna je parni, najširi dio visoke peći, ispod kojeg slijedi ramena u kojoj koks izgara i nastaju tekući proizvodi topljenja - sirovo željezo i šljaka, koji se nakupljaju na samom dnu peći - ognjište;
  • u gornjem dijelu ložišta na temperaturi od 1500°C u struji upuhanog zraka dolazi do intenzivnog sagorijevanja koksa: C + O 2 = CO 2;
  • prolazeći kroz usijani koks, ugljen monoksid (IV) se pretvara u ugljen monoksid (II), koji je redukciono sredstvo za gvožđe (vidi gore): CO 2 + C = 2CO;
  • šljake nastale od kalcijevih silikata i aluminosilikata nalaze se iznad lijevanog željeza, štiteći ga od djelovanja kisika;
  • kroz posebne rupe koje se nalaze na različitim nivoima ognjišta, lijevano željezo i šljaka se ispuštaju van;
  • Većina sirovog gvožđa ide na dalju preradu - topljenje čelika.

Čelik se topi od lijevanog željeza i otpadnog metala konverterskom metodom (otvoreno ložište je već zastarjelo, iako se još uvijek koristi) ili električnim topljenjem (u električnim pećima, indukcijskim pećima). Suština procesa (preraspodjela lijevanog željeza) je smanjenje koncentracije ugljika i drugih nečistoća oksidacijom kisikom.

Kao što je već spomenuto, koncentracija ugljika u čeliku ne prelazi 2%. Zbog toga je čelik, za razliku od lijevanog željeza, prilično lako kovan i valjan, što omogućava proizvodnju različitih proizvoda od njega visoke tvrdoće i čvrstoće.

Tvrdoća čelika ovisi o sadržaju ugljika (što je više ugljika, to je čelik tvrđi) u određenom tipu čelika i uvjetima toplinske obrade. Kada se temperira (sporo hlađenje), čelik postaje mekan; kada je kaljen (brzo hlađen), čelik je vrlo tvrd.

Da bi čelik dobio željena specifična svojstva, dodaju mu se aditivi za ligiranje: hrom, nikal, silicijum, molibden, vanadijum, mangan itd.

Liveno gvožđe i čelik su najvažniji konstruktivni materijali u ogromnoj većini sektora nacionalne privrede.

Biološka uloga gvožđa:

  • tijelo odrasle osobe sadrži oko 5 g željeza;
  • gvožđe igra važnu ulogu u radu hematopoetskih organa;
  • gvožđe je deo mnogih kompleksnih proteinskih kompleksa (hemoglobin, mioglobin, razni enzimi).

Jedinjenja gvožđa (II).

Jedinjenja gvožđa sa stepenom oksidacije gvožđa +2 su nestabilna i lako oksidiraju u derivate gvožđa (III).

Fe 2 O 3 + CO = 2FeO + CO 2.

Gvožđe (II) hidroksid Fe (OH) 2 svježe istaloženo ima sivkasto-zelenu boju, ne otapa se u vodi, raspada se na temperaturama iznad 150 ° C, brzo potamni uslijed oksidacije:

4Fe (OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe (OH) 3.

Pokazuje blage amfoterne osobine sa prevlašću bazičnih, lako reagira s neoksidirajućim kiselinama:

Fe (OH) 2 + 2HCl = FeCl 2 + 2H 2 O.

Interagira s koncentriranim otopinama alkalija kada se zagrije u tetrahidroksoferat (II):

Fe (OH) 2 + 2NaOH = Na 2.

Pokazuje redukciona svojstva, pri interakciji s dušičnom ili koncentriranom sumpornom kiselinom nastaju soli željeza (III):

2Fe (OH) 2 + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 6H 2 O.

Dobiva se interakcijom soli željeza (II) sa alkalnom otopinom u odsustvu atmosferskog kisika:

FeSO 4 + 2NaOH = Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.

Soli gvožđa (II). Gvožđe (II) formira soli sa skoro svim anjonima. Obično soli kristališu u obliku zelenih kristalnih hidrata: Fe (NO 3) 2 6H 2 O, FeSO 4 7H 2 O, FeBr 2 6H 2 O, (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O (sol Mora ), itd. Rastvori soli imaju blijedo zelenu boju i, zbog hidrolize, kiselu sredinu:

Fe 2+ + H 2 O = FeOH + + H +.

Pokažite sva svojstva soli.

Kada stoje na zraku, polako se oksidiraju otopljenim kisikom u soli željeza (III):

4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4FeOHCl 2.

Kvalitativna reakcija za kation Fe 2+ - interakcija sa kalijum heksacijanoferatom (III) (crvena krvna so):

FeSO 4 + K 3 = KFe ↓ + K 2 SO 4

Fe 2+ + K + + 3- = KFe ↓

kao rezultat reakcije nastaje plavi talog - gvožđe (III) - kalijum heksacijanoferat (II).

Oksidacijsko stanje +3 je tipično za željezo.

Gvožđe (III) oksid Fe 2 O 3 - smeđe supstance, postoji u tri polimorfne modifikacije.


Pokazuje blage amfoterne osobine sa dominacijom glavnih. Lako reaguje sa kiselinama:

Fe 2 O 3 + 6HCl = 2FeCl 3 + 3H 2 O.

Ne reaguje sa alkalnim rastvorima, ali fuzijom stvara ferite:

Fe 2 O 3 + 2NaOH = 2NaFeO 2 + H 2 O.

Pokazuje svojstva oksidacije i redukcije. Kada se zagrije, reducira se vodikom ili ugljičnim monoksidom (II), pokazujući oksidirajuća svojstva:

Fe 2 O 3 + H 2 = 2FeO + H 2 O,

Fe 2 O 3 + CO = 2FeO + CO 2.

U prisustvu jakih oksidansa u alkalno okruženje pokazuje redukciona svojstva i oksidira se u derivate željeza (VI):

Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O.

Na temperaturama iznad 1400°C, razlaže se:

6Fe 2 O 3 = 4Fe 3 O 4 + O 2.

Dobija se termičkom razgradnjom željezovog (III) hidroksida:

2Fe (OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O

ili oksidacijom pirita:

4FeS 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO 2.

FeCl 3 + 3KCNS = Fe (CNS) 3 + 3KCl,

To je jedan od najzastupljenijih elemenata u zemljinoj kori.

Fizička svojstva gvožđa.

Iron- savitljivi metal srebrno-bijele boje visoke hemijske otpornosti. Dobro podnosi visoke temperature i vlagu. Brzo blijedi (rđa) na zraku i vodi. Veoma fleksibilan, dobar za kovanje i valjanje. Posjeduje dobru toplinsku i električnu provodljivost, odličan feromagnet.

Hemijska svojstva gvožđa.

Iron prelazni metal. Može imati oksidacijsko stanje od +2 i +3. Reaguje sa parom:

3 Fe + 4 H 2 O = Fe 3 O 4 + 4 H 2 .

Ali u prisustvu vlage, željezo hrđa:

4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Fe(OH) 3 .

2 Fe + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3 .

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .

Koncentrovane kiseline pasiviziraju željezo na hladnom, ali se rastvaraju kada se zagrijavaju:

2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

Gvožđe hidroksid (II) dobiva se djelovanjem alkalija na soli željeza (II) bez pristupa kisiku:

F 2 SO 4 + 2NaOH = Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.

Formira se bijeli talog koji brzo oksidira na zraku:

4Fe (OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe (OH) 3.

Ovaj hidroksid je amfoteričan; kada se zagrije, otapa se u lužinama da nastane heksahidroferat:

Fe (OH) 3 + 3KOH = K 3.

Gvozdeni oblici dve kompleksne soli gvožđa:

  • Žuta krvna sol K 4 [ Fe(CN) 6 ];
  • Crvena krvna sol K 3 [ Fe(CN) 6 ].

Ova jedinjenja su kvalitativna za određivanje jona gvožđa. Compound pruska plava:

K 4 + Fe 2+ = KFe III + 2K +.

Upotreba gvožđa.

Gvožđe je bitna komponenta procesa disanja. Dio je hemoglobina krvi, uključen je u prijenos kisika iz pluća u tkiva. U prirodi se željezo nalazi u rudama i mineralima.



Preporučeno za čitanje