At opnå kemisk rent jern. Jerns kemiske og fysiske egenskaber, anvendelse

Kendt af folk siden oldtiden: videnskabsmænd tilskriver gamle husholdningsartikler lavet af dette materiale til det 4. årtusinde f.Kr.

Det er umuligt at forestille sig menneskeliv uden jern. Det menes, at jern bruges til industrielle formål oftere end andre metaller. De vigtigste strukturer er lavet af det. Jern findes også i små mængder i blodet. Det er indholdet af det seksogtyvende element, der farver blodet rødt.

Jerns fysiske egenskaber

Jern brænder i ilt og danner et oxid:

3Fe + 202 = Fe304.

Når det opvarmes, kan jern reagere med ikke-metaller:

Også ved en temperatur på 700-900 °C reagerer den med vanddamp:

3Fe + 4H20 = Fe304 + 4H2.

Jernforbindelser

Jernoxider har som bekendt ioner med to oxidationstilstande: +2 og + 3. At vide dette er ekstremt vigtigt, fordi der vil blive udført helt forskellige kvalitative reaktioner for forskellige grundstoffer.

Kvalitative reaktioner på jern

En kvalitativ reaktion er nødvendig, så man nemt kan bestemme tilstedeværelsen af ioner af et stof i opløsninger eller urenheder af et andet. Lad os overveje de kvalitative reaktioner af divalent og trivalent jern.

Kvalitative reaktioner på jern (III)

Indholdet af ferriioner i en opløsning kan bestemmes ved hjælp af alkali. Hvis resultatet er positivt, dannes en base - jern(III)hydroxid Fe(OH)3.

Jern(III)hydroxid Fe(OH)3

Det resulterende stof er uopløseligt i vand og har en brun farve. Det er det brune bundfald, der kan indikere tilstedeværelsen af ferri-ioner i opløsningen:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓+ 3NaCl.

Fe(III)-ioner kan også bestemmes ved anvendelse af K3.

En opløsning af ferrichlorid blandes med en gullig opløsning af blodsalt. Som et resultat kan du se et smukt blåligt bundfald, som vil indikere, at der er ferriioner til stede i opløsningen. Du vil finde spektakulære eksperimenter til at studere jerns egenskaber.

Kvalitative reaktioner på jern (II)

Fe²⁺-ioner reagerer med rødt blodsalt K4. Hvis der dannes et blåligt bundfald, når salt tilsættes, er disse ioner til stede i opløsningen.

(såkaldt meteoritjern, som indeholder mere end 90 % Fe). I forbindelser med ilt og andre grundstoffer er det udbredt i mange mineraler og malme. Det er det tredje mest udbredte grundstof i jordskorpen (5,00%) (efter silicium og aluminium); Man mener, at jordens kerne hovedsageligt består af jern. De vigtigste mineraler er hæmatit (rød jernmalm) Fe 2 O 3; limonit Fe 2 O 3 ·nH 2 O (n = 1 - 4), indeholdt f.eks. i mosemalm; magnetit (magnetisk jernmalm) Fe 3 O 4 og siderit FeCO 3 . Det mest almindelige jernmineral, selv om det ikke er kilden til dets produktion, er pyrit (svovlkis, jernkis) FeS 2, som nogle gange kaldes fjolsguld eller katteguld for dets gule glans, selvom det i virkeligheden ofte indeholder små urenheder af kobber , guld, kobolt og andre metaller.

EGENSKABER AF JERN
Atom nummer	26
Atommasse	55,847
Isotoper:
stabil	54, 56, 57, 58
ustabil	52, 53, 55, 59
Smeltepunkt, °C	1535
Kogepunkt, °C	3000
Massefylde, g/cm3	7,87
Hårdhed (Mohs)	4,0-5,0
Indhold i jordskorpen, % (masse)	5,00
Oxidationstilstand:
egenskab	+2, +3
andre betydninger	+1, +4, +6

Historie

Jern (elementært) har været kendt og brugt siden forhistorisk tid. De første jerngenstande blev sandsynligvis lavet af meteoritjern i form af amuletter, smykker og arbejdsredskaber. For omkring 3.500 år siden opdagede mennesket en måde at reducere rød jord indeholdende jernoxid til metal. Siden da er der lavet en lang række forskellige produkter af jern. Det spillede en vigtig rolle i udviklingen af menneskehedens materielle kultur. I dag smeltes jern hovedsageligt (95%) af malme i form af støbejern og stål og opnås i relativt små mængder ved reduktion af metalliserede pellets, og rent jern opnås ved termisk nedbrydning af dets forbindelser eller elektrolyse af salte .

Ejendomme

Metallisk jern er et gråhvidt, skinnende, hårdt plastisk stof. Jern krystalliserer i tre modifikationer (α, γ, δ). α-Fe har et kropscentreret kubisk krystalgitter, kemisk stabilt op til 910°C. Ved 910°C omdannes a-Fe til y-Fe, som er stabilt i området 910-1400°C; γ-Fe krystalliserer i et ansigtscentreret kubisk krystalgitter. Ved temperaturer over 1400°C dannes δ-Fe med et gitter, der i det væsentlige ligner α-Fe. Jern er ferromagnetisk; det magnetiseres let, men mister sine magnetiske egenskaber, når magnetfeltet fjernes. Med stigende temperatur forringes jernets magnetiske egenskaber, og over 769°C er det praktisk talt umuligt at magnetisere (nogle gange kaldes jern i området 769-910°C -Fe); γ-Fe er ikke et magnetisk materiale.

Brug

Jern- et af de mest brugbare metaller i en legering med kulstof (stål, støbejern) - et højstyrkegrundlag for strukturelle materialer. Som et materiale med magnetiske egenskaber bruges jern til kernerne i elektromagneter og armaturer i elektriske maskiner, samt som lag og film på magnetbånd. Rent jern er en katalysator i kemiske processer og en del af medicin inden for medicin.

Jern som en kemisk komponent i kroppen

Jern er en væsentlig kemisk komponent i mange hvirveldyr, hvirvelløse dyr og nogle planter. Det er en del af hæm (erythrocytpigment - røde blodlegemer) hæmoglobin i blodet, muskelvæv, knoglemarv, lever og milt. Hvert hæmoglobinmolekyle indeholder 4 jernatomer, som er i stand til at skabe en reversibel og svag binding med oxygen, der danner oxyhæmoglobin. Blod indeholdende oxyhæmoglobin cirkulerer i hele kroppen og leverer ilt til væv til cellulær respiration. Derfor er jern nødvendigt for åndedrættet og dannelsen af røde blodlegemer. Myoglobin (eller muskelhæmoglobin) leverer ilt til musklerne. Den samlede mængde jern i menneskekroppen (gennemsnitsvægt 70 kg) er 3-5 g. Af denne mængde er 65% Fe i hæmoglobin. 10 til 20 mg Fe dagligt er påkrævet for at understøtte det normale stofskifte hos den gennemsnitlige voksen. Rødt kød, æg, æggeblomme, gulerødder, frugter, enhver hvede og grønne grøntsager forsyner hovedsageligt kroppen med jern i en normal kost; For anæmi forbundet med mangel på jern i kroppen, tag jerntilskud.

Jern som kemikalie element

Fra et kemisk synspunkt er jern et ret aktivt metal, der udviser karakteristiske oxidationstilstande på +2, +3, sjældnere +1, +4, +6. Det kombineres direkte med nogle grundstoffer, med S danner det FeS - jern(III)sulfid, med halogener, undtagen jod, -jern(III)halogenider, såsom FeCl 3. Let oxideret; med oxygen producerer oxider FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 (FeO + Fe 2 O 3), korroderer let (ruster). Fortrænger brint fra vanddamp ved høje temperaturer. Det opløses i fortyndede syrer (f.eks. HCl, H 2 SO 4, HNO 3), og fortrænger hydrogen og danner Fe(II)-salte (henholdsvis FeCl 2, FeSO 4, Fe(NO 3) 2). I moderat koncentreret H 2 SO 4 og HNO 3 opløses jern og danner Fe(III)-salte, og i stærkt koncentrerede passiveres det og reagerer ikke. Jernets passivitet forklares tilsyneladende ved dannelsen af en jernoxidfilm på dets overflade, som dog let ødelægges ved simpel skrabning.

Jernkorrosion

Rustning af jern (atmosfærisk korrosion af jern)- dette er dets oxidation af atmosfærisk oxygen. Reaktionen sker i nærvær af saltioner opløst i vand og ioner dannet under dissociationen af kulsyre, et produkt af interaktionen mellem atmosfærisk kuldioxid og fugt. Som følge heraf dannes løs rød rust eller hydreret oxid med sammensætningen Fe 2 O 3 nH 2 O.

Forbindelser

Komplekse forbindelser

Kemiske grundstoffer og materialer
Kemiske grundstoffer

Brazhnikova Alla Mikhailovna,

GBOU gymnasiet nr. 332

Nevsky-distriktet i St. Petersborg

Denne manual undersøger spørgsmål om emnet "jernkemi". Ud over traditionelle teoretiske problemstillinger, overvejes problemstillinger, der rækker ud over det grundlæggende niveau. Indeholder spørgsmål til selvkontrol, som gør det muligt for eleverne at kontrollere deres beherskelsesniveau af det relevante undervisningsmateriale som forberedelse til Unified State-eksamenen.

KAPITEL 1. JERN - ET ENKELT STOF.

Jernatomets opbygning .

Jern er et d-element, placeret i en sekundær undergruppe af gruppe VIII i det periodiske system. Det mest almindelige metal i naturen efter aluminium Det er en del af mange mineraler: brun jernmalm (hæmatit) Fe 2 O 3, magnetisk jernmalm (magnetit) Fe 3 O 4, pyrit FeS 2.

Elektronisk struktur : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Valence : II, III, (IV).

Oxidationstilstande: 0, +2, +3, +6 (kun i ferrater K 2 FeO 4).

Fysiske egenskaber.

Jern er et skinnende, sølvhvidt metal, smp. - 1539 0 C.

Kvittering.

Rent jern kan opnås ved at reducere oxider med brint, når de opvarmes, såvel som ved elektrolyse af opløsninger af dets salte. Højovnsproces - fremstilling af jern i form af legeringer med kulstof (støbejern og stål):

1) 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO → 3FeO + CO 2

3) FeO + CO → Fe + CO 2

Kemiske egenskaber.

I. Interaktion med simple stoffer - ikke-metaller

1) Med klor og svovl (ved opvarmning). Det stærkere oxidationsmiddel chlor oxiderer jern til Fe 3+, og det svagere oxidationsmiddel chlor oxiderer det til Fe 2+:

2Fe2 + 3Cl → 2FeCl3

2) Med kul, silicium og fosfor (ved høj temperatur).

3) I tør luft oxideres det af oxygen og danner kalksten - en blanding af jern (II) og (III) oxider:

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3)

II. Interaktion med komplekse stoffer.

1) Korrosion (rustning) af jern forekommer i fugtig luft:

4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH)3

Ved høje temperaturer (700 - 900 0 C) i fravær af ilt reagerer jern med vanddamp og fortrænger brint fra det:

3Fe+ 4H2O→ Fe3O4 + 4H2

2) Fortrænger brint fra fortyndet saltsyre og svovlsyre:

Fe+ 2HCl= FeCl2 + H2

Fe + H 2 SO 4 (fortyndet) = FeSO 4 + H 2

Højkoncentrerede svovl- og salpetersyrer reagerer ikke med jern ved almindelige temperaturer på grund af dets passivering.

Med fortyndet salpetersyre oxideres jern til Fe 3+, reduktionsprodukterne af HNO 3 afhænger af dets koncentration og temperatur:

8Fe + 30HNO 3(ultra dil.) →8Fe(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O

Fe + 4HNO3(fortyndet) → Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

Fe + 6HNO 3(konc.) → (temperatur) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

3) Reaktion med opløsninger af metalsalte placeret til højre for jern i den elektrokemiske serie af metalspændinger:

Fe + CuSO4 → Fe SO4 + Cu

KAPITEL2. JERN (II) FORBINDELSER.

Jernoxid(II) .

FeO-oxid er et sort pulver, uopløseligt i vand.

Kvittering.

Reduktion fra jernoxid (III) ved 500 0 C ved påvirkning af carbonmonoxid (II):

Fe 2 O 3 + CO→ 2FeO+ CO 2

Kemiske egenskaber.

Basisk oxid, det svarer til Fe(OH) 2-hydroxid: opløses i syrer og danner jern(II)-salte:

FeO+ 2HCl→ FeCl2 + H2O

Jernhydroxid (II).

Jernhydroxid Fe(OH) 2 er en vanduopløselig base.

Kvittering.

Virkningen af alkalier på jernsalte () uden luftadgang:

FeSO 4 + NaOH → Fe(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4

Kemiske egenskaber.

Fe(OH)2-hydroxid udviser grundlæggende egenskaber og er meget opløseligt i mineralsyrer og danner salte.

Fe(OH)2 + H2SO4 →FeSO4 + 2H2O

Når det opvarmes, nedbrydes det:

Fe(OH) 2 → (temperatur) FeO+ H 2 O

Redox egenskaber.

Jern (II) forbindelser udviser ret stærke reducerende egenskaber og er kun stabile i en inert atmosfære; i luft (langsomt) eller i en vandig opløsning under påvirkning af oxidationsmidler (hurtigt) omdannes de til jern (III) forbindelser:

4 Fe(OH) 2 (præcipiteret)+ O 2 + 2H 2 O→ 4 Fe(OH) 3 ↓

2FeCl2 + Cl2 → 2FeCl3

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 → 5 Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O

Jern (II) forbindelser kan også fungere som oxidationsmidler:

FeO+ CO→ (temperatur) Fe+ CO

KAPITEL 3. JERNFORBINDELSER (III).

Jernoxid(III)

Fe 2 O 3 oxid er den mest stabile naturlige iltholdige jernforbindelse. Det er et amfotert oxid, uopløseligt i vand. Det dannes, når FeS 2 pyrit ristes (se 20.4 "Opnåelse af SO 2".

Kemiske egenskaber.

1) Opløses i syrer og danner jern (III) salte:

Fe2O3 + 6HCl→ 2FeCl3 + 3H2O

2) Når det smeltes sammen med kaliumcarbonat, danner det kaliumferrit:

Fe 2 O 3 + K 2 CO 3 → (temperatur) 2KFeO 2 + CO 2

3) Under påvirkning af reduktionsmidler virker det som et oxidationsmiddel:

Fe 2 O 3 + 3H 2 → (temperatur) 2Fe+ 3H 2 O

Jernhydroxid (III)

Jernhydroxid Fe(OH) 3 er et rødbrunt stof, uopløseligt i vand.

Kvittering.

Fe 2 (SO 4) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

Kemiske egenskaber.

Fe(OH)3-hydroxid er en svagere base end jern(II)hydroxid og har svag amfotericitet.

1) Opløses i svage syrer:

2Fe(OH)3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 6H2O

2) Når det koges i en 50% NaOH-opløsning, dannes det

Fe(OH)3 + 3NaOH → Na3

Jernsalte (III).

Udsat for kraftig hydrolyse i vandig opløsning:

Fe3+ + H2O ↔ Fe(OH)2+ + H+

Fe 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O ↔ Fe(OH)SO 4 + H 2 SO 4

Når de udsættes for stærke reduktionsmidler i en vandig opløsning, udviser de oxiderende egenskaber, der omdannes til jern(II)salte:

2FeCl3 + 2KI → 2FeCl2 + I2 + 2KCl

Fe 2 (SO 4) 3 + Fe → 3 Fe

KAPITEL4. KVALITATIVE REAKTIONER.

Kvalitative reaktioner på Fe 2+ og Fe 3+ ioner.

Reagenset for Fe 2+ ionen er kaliumhexacyanoferrat (III) (rødt blodsalt), som med sig giver et intenst blåt bundfald af et blandet salt - kaliumjern (II) hexacyanoferrat (III) eller Turnbull blå:

FeCl2 + K3 → KFe2+ ↓ + 2KCl

Reagenset for Fe 3+ ionen er thiocyanation (rodanid ion) CNS -, hvis interaktion med jern (III) salte producerer et blodrødt stof - jern (III) thiocyanat:

FeCl3 + 3KCNS→ Fe(CNS)3 + 3KC1

3) Fe 3+ ioner kan også påvises ved hjælp af kaliumhexacyanoferrat (II) (gult blodsalt). I dette tilfælde dannes et vanduopløseligt stof med intens blå farve - kaliumjern (III) hexacyanoferrat (II) eller Preussisk blå:

FeCl3 + K4 → KFe3+ ↓ + 3KCl

KAPITEL 5. JERNS MEDICINSK OG BIOLOGISK BETYDNING.

Jernets rolle i kroppen.

Jern deltager i dannelsen af hæmoglobin i blodet, i syntesen af skjoldbruskkirtelhormoner og i at beskytte kroppen mod bakterier. Det er nødvendigt for dannelsen af immunbeskyttelsesceller og er nødvendigt for "arbejdet" af B-vitaminer.

Jern er en del af mere end 70 forskellige enzymer, herunder respiratoriske, som sikrer respirationsprocesser i celler og væv og deltager i neutraliseringen af fremmede stoffer, der trænger ind i menneskekroppen.

Hæmatopoiesis. Hæmoglobin.

Gasudveksling i lunger og væv.

Jernmangelanæmi.

Mangel på jern i kroppen fører til sygdomme som anæmi og anæmi.

Jernmangelanæmi (IDA) er et hæmatologisk syndrom karakteriseret ved nedsat hæmoglobinsyntese på grund af jernmangel og manifesteret ved anæmi og sideropeni. Hovedårsagerne til IDA er blodtab og mangel på hæmrig mad og drikke.

Patienten kan opleve træthed, åndenød og hjertebanken, især efter fysisk aktivitet, ofte svimmelhed og hovedpine, støj i ørerne, og endda besvimelse er mulig. Personen bliver irritabel, søvnen forstyrres, og koncentrationen falder. Fordi blodgennemstrømningen til huden er nedsat, kan der udvikles øget følsomhed over for kulde. Symptomer opstår også fra mave-tarmkanalen - et kraftigt fald i appetit, dyspeptiske lidelser (kvalme, ændringer i arten og hyppigheden af afføring).

Jern er en integreret del af vitale biologiske komplekser, såsom hæmoglobin (transport af ilt og kuldioxid), myoglobin (opbevaring af ilt i muskler), cytochromer (enzymer). Den voksne krop indeholder 4-5 g jern.

LISTE OVER BRUGTE REFERENCER:

K.N. Zelenin, V.P. Sergutin, O.V. Malt "Vi består kemieksamenen perfekt." Elbl-SPb LLC, 2001.
K.A. Makarov "Medicinsk kemi". Forlag ved St. Petersburg State Medical University of St. Petersburg, 1996.
N.L. Glinka "Generel Kemi". Leningrad "Kemi", 1985.
V.N. Doronkin, A.G. Berezhnaya, T.V. Sazhneva, V.A. Februaryev "Kemi. Tematiske tests til forberedelse til Unified State Exam." Forlaget "Legion", Rostov ved Don, 2012.

Den menneskelige krop indeholder omkring 5 g jern, det meste af det (70%) er en del af blodhæmoglobin.

Fysiske egenskaber

I sin frie tilstand er jern et sølvhvidt metal med en grålig nuance. Rent jern er duktilt og har ferromagnetiske egenskaber. I praksis anvendes normalt jernlegeringer - støbejern og stål.

Fe er det vigtigste og mest rigelige element af de ni d-metaller i gruppe VIII-undergruppen. Sammen med kobolt og nikkel danner det "jernfamilien".

Når man danner forbindelser med andre grundstoffer, bruger den ofte 2 eller 3 elektroner (B = II, III).

Jern, som næsten alle d-elementer i gruppe VIII, udviser ikke en højere valens svarende til gruppetallet. Dens maksimale valens når VI og optræder ekstremt sjældent.

De mest typiske forbindelser er dem, hvor Fe-atomerne er i oxidationstilstande +2 og +3.

Metoder til at opnå jern

1. Teknisk jern (legeret med kulstof og andre urenheder) opnås ved carbotermisk reduktion af dets naturlige forbindelser i henhold til følgende skema:

Genopretning sker gradvist i 3 faser:

1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2

3) FeO + CO = Fe + CO 2

Støbejernet fra denne proces indeholder mere end 2 % kulstof. Efterfølgende bruges støbejern til fremstilling af stål - jernlegeringer indeholdende mindre end 1,5 % kulstof.

2. Meget rent jern opnås på en af følgende måder:

a) nedbrydning af Fe pentacarbonyl

Fe(CO)5 = Fe + 5СО

b) reduktion af ren FeO med brint

FeO + H2 = Fe + H2O

c) elektrolyse af vandige opløsninger af Fe+2-salte

FeC 2 O 4 = Fe + 2CO 2

jern(II)oxalat

Kemiske egenskaber

Fe er et metal med middel aktivitet og udviser generelle egenskaber, der er karakteristiske for metaller.

En unik egenskab er evnen til at "ruste" i fugtig luft:

I fravær af fugt med tør luft begynder jern kun at reagere mærkbart ved T > 150°C; ved kalcinering dannes "jernbelægning" Fe 3 O 4:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

Jern opløses ikke i vand i fravær af ilt. Ved meget høje temperaturer reagerer Fe med vanddamp og fortrænger brint fra vandmolekyler:

3Fe + 4H20(g) = 4H2

Mekanismen for rust er elektrokemisk korrosion. Rustproduktet præsenteres i en forenklet form. Faktisk dannes et løst lag af en blanding af oxider og hydroxider med variabel sammensætning. I modsætning til Al 2 O 3-filmen beskytter dette lag ikke jern mod yderligere ødelæggelse.

Typer af korrosion

Beskytter jern mod korrosion

1. Interaktion med halogener og svovl ved høje temperaturer.

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

2Fe + 3F 2 = 2FeF 3

Fe + I2 = FeI2

Der dannes forbindelser, hvori den ioniske type binding dominerer.

2. Interaktion med phosphor, kulstof, silicium (jern forenes ikke direkte med N2 og H2, men opløser dem).

Fe + P = Fe x P y

Fe + C = Fe x C y

Fe + Si = Fe x Si y

Der dannes stoffer med variabel sammensætning, såsom berthollider (bindingens kovalente natur dominerer i forbindelserne)

3. Interaktion med "ikke-oxiderende" syrer (HCl, H 2 SO 4 dil.)

Fe 0 + 2H+ → Fe2+ + H2

Da Fe er placeret i aktivitetsrækken til venstre for brint (E° Fe/Fe 2+ = -0,44 V), er det i stand til at fortrænge H 2 fra almindelige syrer.

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

4. Interaktion med "oxiderende" syrer (HNO 3, H 2 SO 4 konc.)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+

Koncentreret HNO 3 og H 2 SO 4 "passiverer" jern, så ved almindelige temperaturer opløses metallet ikke i dem. Ved kraftig opvarmning sker langsom opløsning (uden at frigive H 2).

I afsnittet HNO 3 jern opløses, går i opløsning i form af Fe 3+ kationer og syreanionen reduceres til NO*:

Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O

Meget opløselig i en blanding af HCl og HNO3

5. Relation til alkalier

Fe opløses ikke i vandige opløsninger af alkalier. Det reagerer kun med smeltede alkalier ved meget høje temperaturer.

6. Interaktion med salte af mindre aktive metaller

Fe + CuS04 = FeSO4 + Cu

Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. Reaktion med gasformig carbonmonoxid (t = 200°C, P)

Fe (pulver) + 5CO (g) = Fe 0 (CO) 5 jernpentacarbonyl

Fe(III) forbindelser

Fe 2 O 3 - jern(III)oxid.

rødbrunt pulver, n. R. i H 2 O. I naturen - "rød jernmalm".

Metoder til at opnå:

1) nedbrydning af jern(III)hydroxid

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

2) pyritbrænding

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

3) nitratnedbrydning

Kemiske egenskaber

Fe 2 O 3 er et basisk oxid med tegn på amfotericitet.

I. Hovedegenskaberne manifesteres i evnen til at reagere med syrer:

Fe2O3 + 6H+ = 2Fe3+ + ZH2O

Fe2O3 + 6HCI = 2FeCl3 + 3H2O

Fe 2 O 3 + 6HNO 3 = 2Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O

II. Svage syreegenskaber. Fe 2 O 3 opløses ikke i vandige opløsninger af alkalier, men ved sammensmeltning med faste oxider, alkalier og karbonater dannes ferriter:

Fe 2 O 3 + CaO = Ca(FeO 2) 2

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

Fe 2 O 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2

III. Fe 2 O 3 - råmateriale til fremstilling af jern i metallurgi:

Fe 2 O 3 + ZS = 2Fe + ZSO eller Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2

Fe(OH)3 - jern(III)hydroxid

Metoder til at opnå:

Opnået ved indvirkning af alkalier på opløselige Fe 3+ salte:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl

På fremstillingstidspunktet er Fe(OH) 3 et rødbrunt slim-amorft sediment.

Fe(III)-hydroxid dannes også under oxidationen af Fe og Fe(OH) 2 i fugtig luft:

4Fe + 6H2O + 3O2 = 4Fe(OH) 3

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3

Fe(III)hydroxid er slutproduktet af hydrolysen af Fe 3+ salte.

Kemiske egenskaber

Fe(OH) 3 er en meget svag base (meget svagere end Fe(OH) 2). Viser mærkbare sure egenskaber. Fe(OH)3 har således en amfoter karakter:

1) reaktioner med syrer opstår let:

2) frisk bundfald af Fe(OH)3 opløses i varm konc. opløsninger af KOH eller NaOH med dannelse af hydroxokomplekser:

Fe(OH)3 + 3KOH = K3

I en alkalisk opløsning kan Fe(OH) 3 oxideres til ferrater (salte af jernsyre H 2 FeO 4 frigives ikke i fri tilstand):

2Fe(OH)3 + 10KOH + 3Br2 = 2K2FeO4 + 6KBr + 8H2O

Fe 3+ salte

De mest praktisk vigtige er: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe(NO 3) 3, Fe(SCN) 3, K 3 4 - gult blodsalt = Fe 4 3 Preussisk blåt (mørkeblåt bundfald)

b) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 thiocyanat Fe(III) (blodrød opløsning)

Definition. Historie. Geokemi. Egenskaber af jern. Fødselssted. Fysiske og kemiske egenskaber. Forbindelser. Brug af jern.

Jern

Jern er et element i den ottende gruppe (ifølge den gamle klassifikation, en sekundær undergruppe af den ottende gruppe) i den fjerde periode af det periodiske system af kemiske elementer. I. Mendeleev med atomnummer 26. Angivet med symbolet Fe(lat. Ferrum). Et af de mest almindelige metaller i jordskorpen (andenplads efter aluminium).
Det simple stof jern (CAS-nummer: 7439-89-6) er et formbart sølv-hvidt metal med høj kemisk reaktivitet: jern korroderer hurtigt ved høje temperaturer eller høj luftfugtighed. Jern brænder i ren ilt, og i en fint spredt tilstand antændes det spontant i luft.
Faktisk kaldes jern normalt dets legeringer med et lavt indhold af urenheder (op til 0,8%), som bevarer blødheden og duktiliteten af rent metal. Men i praksis bruges legeringer af jern med kulstof oftere: stål (op til 2,14 vægtprocent kulstof) og støbejern (mere end 2,14 vægtprocent kulstof), samt rustfrit (legeret) stål med tilsætning af legeringsmetaller (krom, mangan, nikkel osv.). Kombinationen af specifikke egenskaber ved jern og dets legeringer gør det "metal nr. 1" i betydning for mennesker.
I naturen findes jern sjældent i sin rene form; oftest findes det i jern-nikkel-meteoritter. Forekomsten af jern i jordskorpen er 4,65 % (4. pladsen efter O, Si, Al). Jern menes også at udgøre det meste af jordens kerne.

Historie. Jern, som værktøjsmateriale, har været kendt siden oldtiden. De ældste jerngenstande fundet under arkæologiske udgravninger går tilbage til det 4. årtusinde f.Kr. e. og tilhører de gamle sumeriske og gamle egyptiske civilisationer. Disse er lavet af meteoritjern, det vil sige en legering af jern og nikkel (indholdet af sidstnævnte varierer fra 5 til 30%), smykker fra egyptiske grave (ca. 3800 f.Kr.) og en dolk fra den sumeriske by Ur (ca. 3100 f.Kr.). e.). Tilsyneladende kommer et af navnene på jern på græsk og latin fra den himmelske oprindelse af meteoritjern: "sider" (som betyder "stjerne").

Produkter fremstillet af jern opnået ved smeltning har været kendt siden bosættelsen af de ariske stammer fra Europa til Asien, øerne i Middelhavet og videre (slutningen af det 4. og 3. årtusinde f.Kr.. De ældste kendte jernværktøjer er stålklinger fundet i stenværket af Cheops-pyramiden i Egypten (bygget omkring 2530 f.Kr.). Som udgravninger i den nubiske ørken viste, kalcinerede egypterne allerede på det tidspunkt malmen med klid og lignende stoffer, der indeholdt det udvundne guld fra tungt magnetitsand. kulstof. Som følge heraf flød et lag dejjern på overfladen af det smeltede guld, som blev behandlet separat. Værktøjer blev smedet af dette jern, inklusive dem, der blev fundet i Cheops-pyramiden. Men efter Cheops' barnebarn Menkaure (2471) -2465 f.Kr.) i Egypten, uro: adelen, ledet af guden Ra's præster, væltede det herskende dynasti, og et spring af usurpere begyndte, og endte med tiltrædelsen af faraoen fra det næste dynasti, Userkar, som præsterne erklæret at være søn og inkarnation af guden Ra selv (siden da er dette blevet faraoernes officielle status). Under denne uro faldt egypternes kulturelle og tekniske viden i tilbagegang, og ligesom kunsten at bygge pyramider blev forringet, gik jernproduktionsteknologien tabt, til det punkt, at senere, da de udforskede Sinai-halvøen på jagt efter kobber malm lagde egypterne ingen opmærksomhed på de forekomster af jernmalm, der fandtes der, og modtog jern fra de nærliggende hittitter og mitannere.
Den første til at mestre Hatti-metoden til at smelte jern, dette indikeres af den ældste (2. årtusinde f.Kr.) omtale af jern i teksterne fra hittitterne, som grundlagde deres imperium på Hutts territorium (det moderne Anatolien i Tyrkiet). Således siger teksten fra den hetitiske kong Anitta (ca. 1800 f.Kr.):
I oldtiden var Khaliberne kendt som mestre af jernprodukter. Legenden om Argonauterne (deres felttog i Colchis fandt sted omkring 50 år før den trojanske krig) fortæller, at kongen af Colchis, Eet, gav Jason en jernplov, så han kunne pløje marken Ares, og hans undersåtter, Calibers , er beskrevet:
De pløjer ikke jorden, planter ikke frugttræer, græsser ikke flokke på rige enge; de udvinder malm og jern fra udyrket jord og bytter mad til det. Dagen begynder ikke for dem uden hårdt arbejde; de tilbringer hele dagen i nattens mørke og tyk røg...
Aristoteles beskrev deres metode til at fremstille stål: "Khaliberne vaskede flodsandet i deres land adskillige gange og frigav derved sort koncentrat (en tung fraktion bestående hovedsageligt af magnetit og hæmatit) og smeltede det i ovne; Det således opnåede metal havde en sølvskinnende farve og var rustfrit."
Som råmateriale til stålsmeltning brugte man magnetitsand, som ofte findes langs hele Sortehavskysten: Disse magnetitsand består af en blanding af små korn af magnetit, titanium-magnetit eller ilmenit og fragmenter af andre bjergarter, så stålet smeltet af Khalibs var legeret og havde fremragende egenskaber. Denne unikke metode til at opnå jern antyder, at Khalibs kun spreder jern som et teknologisk materiale, men deres metode kunne ikke være en metode til udbredt industriel produktion af jernprodukter. Imidlertid tjente deres produktion som en fremdrift for den videre udvikling af jernmetallurgi.
Clement of Alexandria nævner i sit encyklopædiske værk "Stromata", at ifølge græske legender blev jern (tilsyneladende smeltet fra malm) opdaget på Mount Ida - det var navnet på bjergkæden nær Troja (i Iliaden nævnes det som Mount Ida , hvorfra Zeus så kampen mellem grækerne og trojanerne). Dette skete 73 år efter Deucalion-floden, og denne oversvømmelse fandt ifølge Parian Chronicle sted i 1528 f.Kr. dvs. metoden til at smelte jern af malm blev opdaget omkring 1455 f.Kr. e. Af Clements beskrivelse fremgår det dog ikke, om han taler om netop dette bjerg i det vestlige Asien (Ida af Frygien i Vergil), eller om bjerget Ida på øen Kreta, som den romerske digter Vergil skriver i Æneiden som forfædres. trojanernes hjemsted:
"Øen Jupiter, Kreta, ligger midt i et bredt hav,
Vores stamme har sin vugge dér, hvor Ida rejser sig..."
Det er mere sandsynligt, at Clement af Alexandria taler specifikt om den frygiske Ida nær Troja, da der blev fundet gamle jernminer og centre for jernproduktion. Det første skriftlige vidnesbyrd om jern findes i lertavler fra de egyptiske faraoer Amenhotep III og Akhenatens arkiver og dateres tilbage til samme tid (1450-1400 f.Kr.). Den nævner produktionen af jern i det sydlige Transkaukasien, som grækerne kaldte Colchis (og det er muligt, at ordet "kolhidos" kan være en modifikation af ordet "halibos") - nemlig hvad kongen af landet Mitanni og herskeren over Armenien og Sydtranskaukasien sendte til den egyptiske farao Amenhotep II "sammen med 318 medhustruer, dolke og ringe lavet af godt jern." Hetitterne gav også de samme gaver til faraoerne.
I meget gammel tid blev jern værdsat mere end guld, og ifølge Strabos beskrivelse gav afrikanske stammer 10 pund guld for 1 pund jern, og ifølge historikeren G. Areshyans forskning, prisen på kobber, sølv, guld og jern blandt de gamle hetitter var i forholdet 1: 160 : 1280: 6400. I de dage blev jern brugt som et smykkemetal, troner og andre kongemagts regalier blev fremstillet af det: for eksempel den bibelske bog Femte Mosebog 3.11 beskriver Refaim-kongen Ogs "jernseng".
I Tutankhamons grav (ca. 1350 f.Kr.) blev der fundet en jerndolk med guldramme, muligvis en gave fra hettitterne til diplomatiske formål. Men hetitterne stræbte ikke efter den udbredte udbredelse af jern og dets teknologier, som det kan ses af den korrespondance, der er kommet ned til os mellem den egyptiske farao Tutankhamon og hans svigerfar Hattusil, hetitternes konge. Faraoen beder om at sende mere jern, og hetitternes konge svarer undvigende, at jernreserverne er udtørret, og smedene har travlt med landbrugsarbejde, så han kan ikke opfylde den kongelige svigersøns anmodning, og sender kun en dolk lavet af "godt jern" (det vil sige stål). Som du kan se, forsøgte hetitterne at bruge deres viden til at opnå militære fordele, og de gav ikke andre mulighed for at indhente dem. Det er tilsyneladende grunden til, at jernprodukter først blev udbredt efter den trojanske krig og den hittitiske magts fald, da jernteknologien, takket være grækernes handelsaktivitet, blev kendt for mange, og nye jernforekomster og miner blev opdaget. Så "Bronze"-alderen blev erstattet af "jern"-alderen.
Ifølge Homers beskrivelser, selvom våben under den trojanske krig (ca. 1250 f.Kr.) hovedsageligt blev lavet af kobber og bronze, var jern allerede velkendt og efterspurgt, dog mere som et ædelmetal. For eksempel siger Homer i den 23. sang af Iliaden, at Achilleus tildelte en diskos lavet af jern til vinderen i en diskoskastkonkurrence. Achaeerne udvindede dette jern fra trojanerne og nabofolkene (Iliaden 7.473), inklusive Khaliberne.
Måske var jern en af grundene, der fik de akaiske grækere til at flytte til Lilleasien, hvor de lærte hemmelighederne bag produktionen. Og udgravninger i Athen viste, at allerede omkring 1100 f.Kr. e. og senere var jernsværd, spyd, økser og endda jernsøm allerede udbredt. Den bibelske bog Josva 17:16 (jf. Dommer 14:4) beskriver, at filisterne (bibelske "PILISTIM", og disse var proto-græske stammer i familie med de senere hellenere, hovedsagelig pelasgiere) havde mange jernvogne, dvs. i denne På det tidspunkt var jern allerede blevet meget brugt i store mængder.
Homer kalder jern svært, fordi den vigtigste metode til fremstilling af det i oldtiden var osteblæsningsprocessen: skiftende lag af jernmalm og trækul blev brændt i specielle ovne (ovne - fra det gamle "Horn" - horn, rør, oprindeligt var det blot et rør gravet i jorden, normalt vandret i en kløfts skråning). I smedjen reduceres jernoxider til metal af varmt kul, som optager ilt, oxiderer til kulilte, og som følge af en sådan kalcinering af malm med kul opnåedes dejlignende krichin (svamp)jern. Kritsa blev renset for slagger ved at smede, presse urenheder ud med kraftige hammerslag. De første smedjer havde en relativt lav temperatur - mærkbart lavere end smeltepunktet for støbejern, så jernet viste sig at være relativt lavt kulstofindhold. For at opnå stærkt stål var det nødvendigt at kalcinere og smede jernkernen med kul mange gange, mens metallets overfladelag yderligere blev mættet med kulstof og forstærket. Sådan blev "godt jern" opnået - og selvom det krævede meget arbejde, var produkterne opnået på denne måde betydeligt stærkere og hårdere end bronze.
Senere lærte de at lave mere effektive ovne (på russisk - højovn, domnitsa) til fremstilling af stål og brugte bælge til at tilføre luft til ovnen. Allerede romerne vidste, hvordan man bringer temperaturen i ovnen til smeltende stål (ca. 1400 grader, og rent jern smelter ved 1535 grader). Dette giver støbejern med et smeltepunkt på 1100-1200 grader, som er meget skørt i fast tilstand (ikke engang smedbart) og ikke har stålets elasticitet. I starten blev det betragtet som et skadeligt biprodukt, men så blev det opdaget, at når det gensmeltes i en ovn med øget luft, der blæser igennem det, bliver støbejern til stål af god kvalitet, da det overskydende kulstof brænder ud. Denne to-trins proces til fremstilling af stål fra støbejern viste sig at være enklere og mere rentabel end den kritiske, og dette princip er blevet brugt uden megen ændring i mange århundreder, forbliver den dag i dag den vigtigste metode til fremstilling af jernmaterialer.

Isotoper

Naturligt jern består af fire stabile isotoper: 54Fe (isotopisk overflod 5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) og 58Fe (0,282%). Der kendes også mere end 20 ustabile isotoper af jern med massetal fra 45 til 72, hvoraf de mest stabile er 60Fe (halveringstid ifølge data opdateret i 2009 er 2,6 millioner år), 55Fe (2,737 år), 59Fe (44,495) dage) og 52Fe (8,275 timer); andre isotoper har halveringstider på mindre end 10 minutter.
Jernisotopen 56Fe er en af de mest stabile kerner: alle de følgende grundstoffer kan reducere bindingsenergien pr. nukleon gennem henfald, og alle tidligere elementer kunne i princippet reducere bindingsenergien pr. nukleon gennem fusion. Det menes, at jern afslutter rækken af syntese af grundstoffer i kernerne af normale stjerner, og alle efterfølgende grundstoffer kan kun dannes som et resultat af supernovaeksplosioner.

Geokemi af jern

Jern er et af de mest almindelige grundstoffer i solsystemet, især på de terrestriske planeter, især på Jorden. En væsentlig del af jordplaneternes jern befinder sig i planeternes kerner, hvor dets indhold skønnes at være omkring 90 %. Jernindholdet i jordskorpen er 5 %, og i kappen omkring 12 %. Af metaller er jern næst efter aluminium i overflod i barken. Samtidig findes omkring 86 % af alt jern i kernen og 14 % i kappen. Jernindholdet stiger markant i mafiske magmatiske bjergarter, hvor det er forbundet med pyroxen, amfibol, olivin og biotit. Jern ophobes i industrielle koncentrationer under næsten alle eksogene og endogene processer, der forekommer i jordskorpen. Havvand indeholder jern i meget små mængder, 0,002-0,02 mg/l. I flodvand er det lidt højere - 2 mg/l.

Jerns geokemiske egenskaber

Det vigtigste geokemiske træk ved jern er tilstedeværelsen af flere oxidationstilstande. Jern i neutral form - metallisk - udgør jordens kerne, findes muligvis i kappen og findes meget sjældent i jordskorpen. Jernholdigt jern FeO er den vigtigste form for jern, der findes i kappen og skorpen. Jernoxid Fe2O3 er karakteristisk for de øverste, mest oxiderede dele af jordskorpen, især sedimentære bjergarter.
Med hensyn til krystalkemiske egenskaber ligger Fe2+-ionen tæt på Mg2+- og Ca2+-ionerne - andre hovedelementer, der udgør en væsentlig del af alle jordiske bjergarter. På grund af krystalkemisk lighed erstatter jern magnesium og delvist calcium i mange silikater. I dette tilfælde stiger jernindholdet i mineraler med variabel sammensætning normalt med faldende temperatur.
Jernmineraler. Jern er ret udbredt i jordskorpen - det tegner sig for omkring 4,1% af massen af jordskorpen (4. plads blandt alle grundstoffer, 2. blandt metaller). I kappen og jordskorpen er jern hovedsageligt koncentreret i silikater, mens dets indhold er betydeligt i basiske og ultrabasiske bjergarter og lavt i sure og mellemliggende bjergarter.
Der kendes et stort antal malme og mineraler indeholdende jern. Af størst praktisk betydning er rød jernmalm (hæmatit, Fe2O3; indeholder op til 70 % Fe), magnetisk jernmalm (magnetit, FeFe2O4, Fe3O4; indeholder 72,4 % Fe), brun jernmalm eller limonit (goethite og hydrogoethite, henholdsvis FeOOH og FeOOH nH2O). Goethite og hydrogoethite findes oftest i forvitrende skorper, der danner såkaldte "jernhatte", hvis tykkelse når flere hundrede meter. De kan også være af sedimentær oprindelse og falde ud af kolloide opløsninger i søer eller kystområder i havene. I dette tilfælde dannes oolitiske eller bælgfrugter jernmalm. Vivianite Fe3(PO4)2·8H2O findes ofte i dem og danner sorte aflange krystaller og radiale aggregater.
Jernsulfider er også udbredt i naturen - pyrit FeS2 (svovl eller jernkis) og pyrrhotit. De er ikke jernmalm - pyrit bruges til at lave svovlsyre, og pyrrhotite indeholder ofte nikkel og kobolt.
Rusland rangerer først i verden med hensyn til jernmalmreserver.
Jernindholdet i havvand er 1·10−5—1·10−8%.
Andre almindeligt forekommende jernmineraler:

Siderite - FeCO3 - indeholder cirka 35% jern. Den har en gullig-hvid (med en grå eller brun nuance, hvis den er snavset) farve. Densiteten er 3 g/cm³ og hårdheden er 3,5-4,5 på Mohs skalaen.
Marcasite - FeS2 - indeholder 46,6% jern. Det forekommer i form af gule, messinglignende, bipyramidale rombiske krystaller med en densitet på 4,6-4,9 g/cm³ og en hårdhed på 5-6 på Mohs-skalaen.
Löllingit - FeAs2 - indeholder 27,2% jern og forekommer i form af sølvhvide bipyramidale rombekrystaller. Massefylde er 7-7,4 g/cm³, hårdhed 5-5,5 på Mohs-skalaen.
Mispickel - FeAsS - indeholder 34,3% jern. Det forekommer i form af hvide monokliniske prismer med en densitet på 5,6-6,2 g/cm³ og en hårdhed på 5,5-6 på Mohs-skalaen.
Melantherit - FeSO4 7H2O - er mindre almindelig i naturen og er grønne (eller grå på grund af urenheder) monokliniske krystaller med en glasagtig glans og skrøbelig. Densiteten er 1,8-1,9 g/cm³.
Vivianit - Fe3(PO4)2 8H2O - forekommer i form af blågrå eller grøngrå monokliniske krystaller med en densitet på 2,95 g/cm³ og en hårdhed på 1,5-2 på Mohs skalaen.

Hovedindskud

Ifølge US Geological Survey (2011 skøn) er verdens påviste reserver af jernmalm omkring 178 milliarder tons. De vigtigste jernforekomster er placeret i Brasilien (1. plads), Australien, USA, Canada, Sverige, Venezuela, Liberia, Ukraine, Frankrig, Indien. I Rusland udvindes jern i Kursk Magnetic Anomaly (KMA), Kola-halvøen, Karelen og Sibirien, i Ukraine - Krivbass, Poltava-regionen, Kerch-halvøen. Bundhavsaflejringer, hvor jern sammen med mangan og andre værdifulde metaller findes i knuder, har for nylig fået en væsentlig rolle.

Kvittering. Industrielt fremstilles jern fra jernmalm, hovedsageligt hæmatit (Fe2O3) og magnetit (FeO Fe2O3).

Der er forskellige måder at udvinde jern fra malme på. Den mest almindelige er domæneprocessen.
Det første produktionstrin er reduktion af jern med kulstof i en højovn ved en temperatur på 2000 °C. I en højovn tilføres kulstof i form af koks, jernmalm i form af agglomerater eller pellets og flusmiddel (såsom kalksten) fra oven og mødes af en strøm af tvungen varm luft nedefra.
I ovnen oxideres kulstof i form af koks til kulilte. Dette oxid dannes under forbrænding i mangel på ilt:

Til gengæld reducerer kulilte jern fra malmen. For at få denne reaktion til at gå hurtigere, ledes opvarmet kulilte gennem jern(III)oxid:

Flux tilsættes for at slippe af med uønskede urenheder (primært silikater; f.eks. kvarts) i den udvundne malm. Et typisk flusmiddel indeholder kalksten (calciumcarbonat) og dolomit (magnesiumcarbonat). For at fjerne andre urenheder bruges andre flusmidler.
Effekten af flux (i dette tilfælde calciumcarbonat) er, at når det opvarmes, nedbrydes det til dets oxid:

Calciumoxid kombineres med siliciumdioxid og danner slagge - calciummetasilikat:

Slagge, i modsætning til siliciumdioxid, smeltes i en ovn. Slagge, lettere end jern, flyder på overfladen - denne egenskab giver dig mulighed for at adskille slaggen fra metallet. Slaggen kan så bruges i byggeri og landbrug. Det smeltede jern produceret i en højovn indeholder ret meget kulstof (støbejern). Bortset fra de tilfælde, hvor støbejern anvendes direkte, kræver det yderligere forarbejdning.
Overskydende kulstof og andre urenheder (svovl, fosfor) fjernes fra støbejern ved oxidation i ovne med åben ild eller omformere. Elektriske ovne bruges også til smeltning af legeret stål.
Ud over højovnsprocessen er processen med direkte jernproduktion almindelig. I dette tilfælde blandes forknust malm med speciel ler, der danner pellets. Pellets brændes og behandles i en skaktovn med varme metanomdannelsesprodukter, som indeholder brint. Brint reducerer let jern:
,
i dette tilfælde bliver jernet ikke forurenet med sådanne urenheder som svovl og phosphor, som er almindelige urenheder i kul. Jern fås i fast form og smeltes efterfølgende i elektriske ovne.
Kemisk rent jern opnås ved elektrolyse af opløsninger af dets salte.

Fysiske egenskaber

Jern er et typisk metal; i sin frie tilstand er det sølvhvidt i farven med en grålig nuance. Rent metal er duktilt; forskellige urenheder (især kulstof) øger dets hårdhed og skørhed. Det har udtalte magnetiske egenskaber. Den såkaldte "jerntriade" skelnes ofte - en gruppe på tre metaller (jern Fe, kobolt Co, nikkel Ni) med lignende fysiske egenskaber, atomradius og elektronegativitetsværdier.
Jern er karakteriseret ved polymorfi; det har fire krystallinske modifikationer:

op til 769 °C er der α-Fe (ferrit) med et kropscentreret kubisk gitter og ferromagnetiske egenskaber (769 °C ≈ 1043 K - Curie-punktet for jern);
i temperaturområdet 769–917 °C er der β-Fe, som kun adskiller sig fra α-Fe i parametrene for det kropscentrerede kubiske gitter og paramagnetens magnetiske egenskaber;
i temperaturområdet 917–1394 °C er der γ-Fe (austenit) med et ansigtscentreret kubisk gitter;
over 1394 °C δ-Fe med et kropscentreret kubisk gitter er stabilt.

Metallurgi skelner ikke β-Fe som en separat fase og betragter det som en variation af α-Fe. Når jern eller stål opvarmes over Curie-punktet (769 °C ≈ 1043 K), forstyrrer den termiske bevægelse af ioner orienteringen af elektronernes spinmagnetiske momenter, ferromagneten bliver paramagnetisk - en andenordens faseovergang sker, men en førsteordens faseovergang med en ændring i de grundlæggende fysiske parametre for krystallerne forekommer ikke.
For rent jern ved normalt tryk, fra et metallurgisynspunkt, er der følgende stabile modifikationer:

fra absolut nul til 910 °C er α-modifikationen med et kropscentreret kubisk (bcc) krystalgitter stabil;
fra 910 til 1400 °C er y-modifikationen med et fladecentreret kubisk (fcc) krystalgitter stabil;
fra 1400 til 1539 °C er δ-modifikationen med et kropscentreret kubisk (bcc) krystalgitter stabil.

Tilstedeværelsen af kulstof og legeringselementer i stål ændrer temperaturerne for faseovergange betydeligt (se jern-kulstof fasediagram) En fast opløsning af kulstof i α- og δ-jern kaldes ferrit. Nogle gange skelnes der mellem højtemperatur δ-ferrit og lavtemperatur α-ferrit (eller blot ferrit), selvom deres atomare strukturer er de samme. En fast opløsning af kulstof i γ-jern kaldes austenit.

I området med høje tryk (over 13 GPa, 128,3 tusinde atm.) vises en modifikation af ε-jern med et sekskantet tætpakket (hcp) gitter.

Fænomenet polymorfi er ekstremt vigtigt for stålmetallurgi. Det er takket være α-γ-overgange i krystalgitteret, at der sker varmebehandling af stål. Uden dette fænomen ville jern som basis for stål ikke have fået så udbredt brug.
Jern er et moderat ildfast metal. I rækken af standardelektrodepotentialer er jern rangeret før brint og reagerer let med fortyndede syrer. Jern tilhører således metallerne med mellemaktivitet.
Smeltepunktet for jern er 1539 °C, kogepunktet er 2862 °C.

Kemiske egenskaber

Karakteristiske oxidationstilstande

Jern er karakteriseret ved jernoxidationstilstande - +2 og +3.
Oxidationstilstanden +2 svarer til sort oxid FeO og grøn hydroxid Fe(OH)2. De er grundlæggende af natur. I salte er Fe(+2) til stede som en kation. Fe(+2) er et svagt reduktionsmiddel.
Oxidationstilstanden +3 svarer til det rødbrune oxid Fe2O3 og det brune hydroxid Fe(OH)3. De er amfotere af natur, selvom de er sure, og deres grundlæggende egenskaber er svagt udtrykt. Således er Fe3+ ioner fuldstændig hydrolyseret selv i et surt miljø. Fe(OH)3 opløses (og selv da ikke fuldstændigt) kun i koncentrerede alkalier. Fe2O3 reagerer kun med alkalier ved fusion, hvilket giver ferriter (formelle salte af syren HFeO2, som ikke findes i fri form):

Jern (+3) udviser oftest svage oxiderende egenskaber.
Oxidationstilstande +2 og +3 skifter let mellem hinanden, når redoxforholdene ændres.
Derudover er der oxidet Fe3O4, hvor den formelle oxidationstilstand for jern er +8/3. Dette oxid kan dog også betragtes som jern(II)ferrit Fe+2(Fe+3O2)2.
Der er også en oxidationstilstand på +6. Det tilsvarende oxid og hydroxid findes ikke i fri form, men der opnås salte - ferrater (for eksempel K2FeO4). Jern (+6) er til stede i dem i form af en anion. Ferrater er stærke oxidationsmidler.

Jern(II)-forbindelser

Jern(II)oxid FeO har grundlæggende egenskaber; basen Fe(OH)2 svarer til det. Jern (II) salte har en lysegrøn farve. Ved opbevaring, især i fugtig luft, bliver de brune på grund af oxidation til jern (III). Den samme proces sker ved opbevaring af vandige opløsninger af jern(II)salte:

Af jern(II)saltene er det mest stabile i vandige opløsninger Mohrs salt - dobbelt ammonium og jern(II)sulfat (NH4)2Fe(SO4)2 6H2O.
Kaliumhexacyanoferrat(III) K3 (rødt blodsalt) kan tjene som reagens for Fe2+-ioner i opløsning. Når Fe2+ og 3− ioner interagerer, udfældes et bundfald af kaliumjern (II) hexacyanoferrat (III) (preussisk blå):

som omarrangeres intramolekylært til kaliumjern(III)hexacyanoferrat(II):

Til den kvantitative bestemmelse af jern (II) i opløsning anvendes phenanthrolin Phen, som danner et rødt kompleks FePhen3 med jern (II) (maksimal lysabsorption - 520 nm) i et bredt pH-område (4-9).

Jern(III) forbindelser

Jern(III)oxid Fe2O3 er svagt amfotert; det matches af en endnu svagere base end Fe(OH)2, Fe(OH)3, som reagerer med syrer:

Fe3+ salte er tilbøjelige til at danne krystallinske hydrater. I dem er Fe3+ ionen normalt omgivet af seks vandmolekyler. Disse salte er lyserøde eller lilla i farven.
Fe3+ ionen er fuldstændig hydrolyseret selv i et surt miljø. Ved pH>4 udfældes denne ion næsten fuldstændigt i form af Fe(OH)3:

Ved delvis hydrolyse af Fe3+ ionen dannes polynukleære oxo- og hydroxokationer, hvorfor opløsningerne bliver brune.
De grundlæggende egenskaber af jern(III)hydroxid Fe(OH)3 er meget svagt udtrykt. Det er kun i stand til at reagere med koncentrerede opløsninger af alkalier:

De resulterende hydroxokomplekser af jern(III) er kun stabile i stærkt alkaliske opløsninger. Når opløsninger fortyndes med vand, ødelægges de, og Fe(OH)3 udfældes.
Når det er legeret med alkalier og oxider af andre metaller, danner Fe2O3 en række ferriter:

Jern(III)-forbindelser i opløsninger reduceres med metallisk jern:

Jern(III) er i stand til at danne dobbeltsulfater med enkeltladede kationer såsom alun, for eksempel KFe(SO4)2 - jern-kalium alun, (NH4)Fe(SO4)2 - jern-ammonium alun, etc.
Til kvalitativ påvisning af jern(III)-forbindelser i opløsning anvendes en kvalitativ reaktion af Fe3+-ioner med uorganiske thiocyanater SCN−. I dette tilfælde dannes en blanding af lysrøde thiocyanatjernkomplekser 2+, +, Fe(SCN)3, -. Sammensætningen af blandingen (og derfor intensiteten af dens farve) afhænger af forskellige faktorer, derfor er denne metode ikke anvendelig til nøjagtig kvalitativ bestemmelse af jern.
Et andet højkvalitetsreagens til Fe3+-ioner er kaliumhexacyanoferrat(II) K4 (gult blodsalt). Når Fe3+ og 4− ioner interagerer, dannes et lyseblåt bundfald af kaliumjern (III) hexacyanoferrat (II):

Fe3+ ioner bestemmes kvantitativt ved dannelsen af røde (i et let surt miljø) eller gule (i et let alkalisk miljø) komplekser med sulfosalicylsyre. Denne reaktion kræver korrekt valg af buffere, da nogle anioner (især acetat) danner blandede komplekser med jern og sulfosalicylsyre med deres egne optiske egenskaber.

Jern(VI) forbindelser

Ferrater er salte af jernsyre H2FeO4, som ikke findes i fri form. Disse er violetfarvede forbindelser, der minder om permanganater i oxidative egenskaber og sulfater i opløselighed. Ferrater opnås ved indvirkning af gasformig klor eller ozon på en suspension af Fe(OH)3 i alkali:

Ferrater kan også opnås ved elektrolyse af en 30% alkaliopløsning på en jernanode:

Ferrater er stærke oxidationsmidler. I et surt miljø nedbrydes de med frigivelse af ilt:

De oxiderende egenskaber af ferrater bruges til at desinficere vand.

Ansøgning

Jern er et af de mest brugte metaller, der tegner sig for op til 95% af den globale metallurgiske produktion.

Jern er hovedbestanddelen af stål og støbejern - de vigtigste strukturelle materialer.
Jern kan indgå i legeringer baseret på andre metaller - for eksempel nikkel.
Magnetisk jernoxid (magnetit) er et vigtigt materiale i produktionen af langsigtede computerhukommelsesenheder: harddiske, disketter osv.
Ultrafint magnetitpulver bruges i mange sort/hvid laserprintere blandet med polymergranulat som toner. Dette bruger både magnetittens sorte farve og dens evne til at klæbe til den magnetiserede overføringsvalse.
De unikke ferromagnetiske egenskaber af en række jernbaserede legeringer bidrager til deres udbredte anvendelse i elektroteknik til magnetiske kerner i transformere og elektriske motorer.
Jern(III)chlorid (jern(III)chlorid) bruges i amatørradiopraksis til ætsning af printplader.
Jernsulfatheptat (jernsulfat) blandet med kobbersulfat bruges til at bekæmpe skadelige svampe i havearbejde og byggeri.
Jern bruges som anode i jern-nikkel-batterier og jern-luft-batterier.
Vandige opløsninger af jernholdige og jernholdige chlorider såvel som dets sulfater bruges som koagulanter i rensningsprocesser af naturligt og spildevand i vandbehandling af industrielle virksomheder.