ПІДРУЧНИКЗАДАЧНИКЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМНАУКОВІ РОЗПОВІДІ ДЛЯ ЧИТАННЯ
Продовження. Див. № 4-14, 16-28, 30-34, 37-44, 47, 48/2002;
1, 2, 3,
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22/2003
§ 5.3 Речовина
у кристалічному стані
(продовження)
ЛАБОРАТОРНІ ДОСЛІДЖЕННЯ
1. Визначення міжядерної відстані у кристалічному залізі.
У цій експериментальній роботі ви познайомитеся з визначенням щільності металу – дуже важливою характеристикою, завдяки якій можна судити, наприклад, про склад та час виготовлення металевого виробу.
Коли і від кого пішов вигук «Еврика!»? Давньогрецький учений Архімед народився Сиракузах (острів Сицилія) близько 287 р. до зв. е. і був убитий римським солдатом під час взяття міста під час 2-ї Пунічної війни. Останні слова Архімеда: «Не чіпай мої креслення». Архімеду приписують фразу: «Дай мені де стати, і я зрушу Землю». Архімед знайшов вирішення завдання про визначення кількості золота та срібла у жертовній короні сиракузького правителя Гієрона, коли приймав ванну. Він побіг голим додому з криком «Еврика!», що означає «Знайшов!». Спробуйте у найзагальнішому вигляді розповісти, як Архімед довів, що у короні було більше срібла, ніж потрібно.
Вам належить справжнє наукове дослідження!
Роботу виконують невеликою групою – 2–4 особи. Уважно прочитайте опис роботи, складіть докладний план експерименту (маючи в наявності зразок металу та мірний посуд) та попередньо розподіліть обов'язки (хто що робитиме).
Експеримент полягає у визначенні щільності металу, що дозволяє, скориставшись числом Авогадро, розрахувати міжядерну відстань, тобто відстань між ядрами атомів у кристалі або молекулі. Ця відстань є однією з постійних характеристик даної речовини.
Розміри атомів та молекул виражають різними одиницями: сантиметрами (см), нанометрами
(1 нм = 1 10 -9 м) та пікометрами (1 пм = 1 10 -12 м). Раніше широко використовували позасистемну одиницю довжини – ангстрем.
Візьміть шматок металу (заліза, міді, алюмінію, свинцю), наприклад, залізну кульку від великого підшипника. Можна скористатися товстим залізним цвяхом, попередньо відпиливши його капелюшок і вістря, щоб вийшов циліндр. Визначте зважуванням масу металу.
Визначте об'єм виміряної маси того ж металу. Якщо наявний метал має форму правильної геометричної фігури – куба, кулі, циліндра чи іншої, виміряйте її розміри лінійкою чи штангенциркулем. Скориставшись математичними знаннями, розрахуйте обсяг заготівлі.
Ви можете взяти велику автомобільну гайку або гвинт, шматок свинцевого обплетення від кабелю. Необов'язково брати метал у вигляді одного шматка, можна взяти жменю цвяхів, дрібних кульок, дробу тощо. Якщо ви маєте шматок металу неправильної форми або дрібні шматки (кульки, гвинтики, гайки, цвяхи, скріпки тощо) одного металу, а не сплаву), вам слід самим запропонувати спосіб визначення об'єму металу відомої маси (ви вже встигли зважити жменю чи купку шматочків металу, нічого не втративши?).
Можна зробити так. Заповніть вимірювальний циліндр приблизно наполовину водою та запишіть її об'єм (точніше!). Помістіть шматочки металу в циліндр із водою, щоб вода покривала метал, і запишіть отриманий об'єм води та металу. Чому дорівнює обсяг металу? Може статися, що води виявиться менше, і вона не покриє весь метал. Як зробити тоді? Подумайте.
В інший вимірювальний циліндр налийте точно відомий об'єм води та вилийте в циліндр із металом стільки води, щоб вона покривала метал. Запишіть положення рівнів води в обох циліндрах. Тепер ви можете розрахувати об'єм води в циліндрі з металом та об'єм, який займає вода і метал. Знайдіть об'єм металу і, знаючи його масу, визначте його густину.
Далі розрахуйте обсяг, який припадав на число Авогадро атомів металу. Визначте об'єм, що припадає на один атом, і обчисліть між'ядерну відстань, прирівнявши його до довжини ребра куба, що містить у собі атом.
Майте на увазі, що цей метод визначення міжядерних відстаней наближений. Тим не менш, обчислені цим методом між'ядерні відстані в кристалах металів добре збігаються з отриманими іншими методами.
Замість заліза можна взяти інші метали – мідь, свинець, навіть золото та срібло.
Як визначити розміри одного атома, наприклад заліза? Вам відомо, що 1 моль Fe має масу
55,845; щільність заліза було визначено раніше експериментально. (За довідковими даними кристалічне залізо має густину = 7,87 г/см 3). Обчислимо об'єм 1 моль заліза:55,845 (г)/7,87 (г/см 3) = 7,1 см 3 .
Визначимо обсяг, що припадає на частку одного атома в кристалічній структурі заліза. Для цього розділимо об'єм 1 моль атомів (мольний об'єм) на число Авогадро атомів:
7,1 (см 3)/6,02 1023 = 1,18 10 -23 см 3 .
Таким чином, діаметр атома заліза в кристалі приблизно дорівнює 0,000000023 см. Це і є міжядерна відстань. Отримане число – не діаметр ізольованого атома, тому що електронні оболонки атомів є чимось схожим на хмари з сильно розмитими краями. У суворій науковій літературі з хімії та фізики не користуються виразами «діаметр атома» або «радіус атома», а застосовують термін «між'ядерна відстань» та позначення l(«Ель»). Чому діаметр атома заліза Dта його міжядерна відстань lрівні, вам стане ясно з рис. 5.6. За довідковими даними радіус атома заліза дорівнює 124,1 пм = 1,24 10 -8 см, тому міжядерна відстань дорівнює 2,48 10 -8 см.
Виразіть міжядерну відстань у кристалічному залізі у різних одиницях виміру.
2. Вивчення міжядерних відстаней інших елементів
Простежимо зміну міжядерних відстаней з прикладу елементів 4-го періоду, що у кристалічному стані (при звичайній температурі):
| Елемент | Радіус, см | Міжядерне відстань, см |
|
|---|---|---|---|
| Калій | До | 2,27 10 –8 | 4,54 10 –8 |
| Кальцій | Са | 1,97 10 –8 | 3,94 10 –8 |
| Скандій | Sc | 1,61 10 –8 | 3,22 10 –8 |
| Титан | Ti | 1,44 10 –8 | 2,88 10 –8 |
| Ванадій | V | 1,32 10 –8 | 2,64 10 –8 |
| Хром | Cr | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Марганець | Mn | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Залізо | Fe | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Кобальт | Co | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Нікель | Ni | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Мідь | Cu | 1,28 10 –8 | 2,56 10 –8 |
| Цинк | Zn | 1,33 10 –8 | 2,66 10 –8 |
| Галій | Ga | 1,22 10 –8 | 2,44 10 –8 |
| Німеччина | Ge | 1,23 10 –8 | 2,46 10 –8 |
| Миш'як | As | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Селен | Se | 2,15 10 –8 | 4,30 10 –8 |
Намалюйте графік зміни міжядерних відстаней під час переходу від калію до селену. Якщо вам вдасться пояснити хід зміни між'ядерних відстаней, ви зрозумієте деякі особливості побудови періодичної таблиці елементів Д.И.Менделеева.
Якщо вам у майбутньому доведеться готувати сплави різних металів, то відомості про радіуси атомів допоможуть вам передбачити властивості сплавів.
Сплави металів – тверді системи, утворені з двох і більше металів (а також металів та неметалів). Сплави мають кращі властивості в порівнянні зі складовими їх металами. Одна з класифікацій сплавів заснована на числі фаз, що становлять сплав. Якщо сплаві лише одна фаза, це однофазная система, чи твердий розчин одного металу на іншому.
Декілька слів скажемо про тверді розчини. Повна взаємна розчинність металів у будь-яких співвідношеннях спостерігається рідко. Таке може бути у компонентів, близьких до властивостей. Наприклад, золото і срібло можуть розчинятися один в одному в будь-яких співвідношеннях, тому що вони знаходяться в одній підгрупі та розміри їх атомів близькі (1,442 10 -8 і 1,444 10 -8 см відповідно).
Твердий розчин
– фаза змінного складу, в якій атоми різних елементів розміщені у загальних кристалічних ґратах. Розрізняють тверді розчини заміщення
і впровадження
.
Твердий розчин заміщення утворюється при розташуванні атомів металу, що розчиняється в заселяються місцях (вузлах) решітки розчиняючого металу. Радіуси атомів у таких розчинах відрізняються один від одного не більше ніж на 15% (для сплавів заліза – не більше ніж на 8%). Передбачте, які тверді розчини можуть утворюватися наведеними вище металами.Інша важлива вимога для утворення твердих розчинів заміщення - метали повинні бути електрохімічно подібні, тобто знаходитися не надто далеко один від одного в ряді напруг (точніше, в ряді електродних потенціалів).
Твердий розчин впровадження утворюється в результаті того, що атоми металу, що розчиняється, розміщуються в порожнинах між заселяються місцями (вузлами) кристалічної решітки. Розмір атомів металу, що розчиняється, не повинен бути більше ніж на 63% розміру атома розчиняючого металу.
ВИЗНАЧЕННЯ
Залізо- 26-ий елемент Періодичної таблиці. Позначення – Fe від латинського «ferrum». Розташований у четвертому періоді, VIIIB групі. Належить до металів. Заряд ядра дорівнює 26.
Залізо – найпоширеніший після алюмінію метал на земній кулі: воно становить 4% (мас.) земної кори. Зустрічається залізо у вигляді різних сполук: оксидів, сульфідів, силікатів. У вільному стані залізо знаходять лише у метеоритах.
До найважливіших руд заліза відносяться магнітний залізняк Fe 3 O 4 , червоний залізняк Fe 2 O 3 , бурий залізняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O та шпатовий залізняк FeCO 3 .
Залізо – сріблястий (рис. 1) пластичний метал. Воно добре піддається ковці, прокатці та іншим видам механічної обробки. Механічні властивості заліза сильно залежать від його чистоти - від вмісту в ньому навіть дуже малої кількості інших елементів.
Мал. 1. Залізо. Зовнішній вигляд.
Атомна та молекулярна маса заліза
Відносна молекулярна маса речовини(M r) - це число, що показує, у скільки разів маса даної молекули більша за 1/12 маси атома вуглецю, а відносна атомна маса елемента(A r) — у скільки разів середня маса атомів хімічного елемента більша за 1/12 маси атома вуглецю.
Оскільки у вільному стані залізо існує у вигляді одноатомних молекул Fe значення його атомної та молекулярної мас збігаються. Вони дорівнюють 55,847.
Алотропія та алотропні модифікації заліза
Залізо утворює дві кристалічні модифікації: -залізо і -залізо. Перша з них має кубічні об'ємноцентровані грати, друга - кубічні гранецентровані. α-Залізо термодинамічно стійке у двох інтервалах температур: нижче 912 o З і від 1394 o З до температури плавлення. Температура плавлення заліза дорівнює 1539 ± 5 o С. Між 912 o З і від 1394 o З стійке γ-залізо.
Температурні інтервали стійкості α- та γ-заліза обумовлені характером зміни енергії Гіббса обох модифікацій при зміні температури. При температурах нижче 912 o З і вище 1394 o З енергія Гіббса -заліза менше енергії Гіббса -заліза, а в інтервалі 912 - 1394 o - більше.
Ізотопи заліза
Відомо, що в природі залізо може бути у вигляді чотирьох стабільних ізотопів 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe і 57 Fe. Їхні масові числа дорівнюють 54, 56, 57 і 58 відповідно. Ядро атома ізотопу заліза 54 Fe містить двадцять шість протонів і двадцять вісім нейтронів, інші ізотопи відрізняються від нього лише числом нейтронів.
Існують штучні ізотопи заліза з масовими числами від 45 до 72, а також 6 ізомерних станів ядер. Найбільш довгоживучим серед перелічених вище ізотопів є 60 Fe з періодом напіврозпаду рівним 2,6 млн. років.
Іони заліза
Електронна формула, що демонструє розподіл за орбіталями електронів заліза виглядає так:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
Через війну хімічної взаємодії залізо віддає свої валентні електрони, тобто. є їх донором, і перетворюється на позитивно заряджений іон:
Fe 0 -2e → Fe 2+;
Fe 0 -3e → Fe 3+.
Молекула та атом заліза
У вільному стані залізо існує як одноатомних молекул Fe. Наведемо деякі властивості, що характеризують атом та молекулу заліза:
Сплави заліза
До XIX століття зі сплавів заліза були відомі здебільшого його сплави з вуглецем, що отримали назви сталі та чавуну. Однак надалі були створені нові сплави на основі заліза, що містять хром, нікель та інші елементи. В даний час сплави заліза поділяють на вуглецеві сталі, чавуни, леговані сталі та сталі з особливими властивостями.
У техніці сплави заліза прийнято називати чорними металами, які виробництво - чорної металургією.
Приклади розв'язання задач
ПРИКЛАД 1
| Завдання | Елементарний склад речовини наступний: масова частка залізного елемента 0,7241 (або 72,41%), масова частка кисню 0,2759 (або 27,59%). Виведіть хімічну формулу. |
| Рішення | Масова частка елемента Х у молекулі складу НХ розраховується за такою формулою: ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Позначимо число атомів заліза у молекулі через «х», число атомів кисню через «у». Знайдемо відповідні відносні атомні маси елементів заліза та кисню (значення відносних атомних мас, взяті з Періодичної таблиці Д.І. Менделєєва, округлим до цілих чисел). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Відсотковий вміст елементів розділимо відповідні відносні атомні маси. Таким чином, ми знайдемо співвідношення між числом атомів у молекулі сполуки: x: y = ω(Fe)/Ar(Fe): ω(O)/Ar(O); x: y = 72,41/56: 27,59/16; x: y = 1,29: 1,84. Найменше число приймемо за одиницю (тобто всі числа розділимо на найменше число 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; Отже, найпростіша формула сполуки заліза з киснем має вигляд Fe 2 O 3 . |
| Відповідь | Fe 2 O 3 |
Рис 46. Частки, що стикаються, в кристалі
Застосування рентгенових променів до дослідження кристалів дає можливість не тільки встановлювати внутрішню будову останніх, а й визначати розміри частинокутворюють кристал, - атомів чи іонів.
Щоб зрозуміти, як виробляються такі обчислення, уявімо, що частинки, з яких побудований кристал, мають сферичну форму і стикаються одна з одною. У такому разі ми можемо вважати, що відстань між центрами двох сусідніх частинок дорівнює сумі їх радіусів (рис. 46). Якщо частинками є атоми простого і відстань з-поміж них виміряно, цим визначається і радіус атома, очевидно, рівний половині знайденого відстані. Наприклад, знаючи, що для кристалів металевого натрію константа решітки dдорівнює 3,84 ангстрема, знаходимо, що радіус rатома натрію дорівнює.
Дещо складніше виробляється визначення радіусів різних іонів. Тут не можна просто ділити відстань між іонами навпіл, оскільки розміри іонів неоднакові. Але якщо радіус одного з іонів r 1 відомий, радіус іншого r 2 легко перебуває простим відніманням:
r 2 = d - r 1
Звідси випливає, що з обчислення радіусів різних іонів за константами кристалічних ґрат потрібно знати радіус хоча б якогось одного іона. Тоді перебування радіусів всіх інших іонів вже не уявить труднощів.
За допомогою оптичних методів вдалося досить точно визначити радіуси іонів фтору F (1,33 А) та кисню O - (1,32 А); ці радіуси і є вихідними величинами при обчисленні радіусів інших іонів. Так, наприклад, визначення константи грат окису магнію MgO показало, що вона дорівнює 2,1 ангстрема. Віднімаючи звідси величину радіусу іона кисню, знаходимо радіус іона магнію:
2,1 - 1,32 = 0,78 Å
Константа грат фтористого натрію дорівнює 2,31 Å; так як радіус іона фтору 1,33 ангстрема, радіус іона натрію повинен дорівнювати:
2,31 -1,33 = 0,98 Å
Знаючи радіус іона натрію та константу грат хлористого натрію, легко розрахувати радіус іону хлору і т.д.
Таким шляхом визначено радіуси майже всіх атомів та іонів.
Загальне уявлення розміри цих величин дають дані, наведені в табл. 7.
Таблиця 7
Радіуси атомів та іонів деяких елементів
| Елемент | Радіус атома | Радіус іона | Символ іона |
| 1,92 | 0,98 | Na+ | |
| 2,38 | 1,33 | До + | |
| 2,51 | 1,49 | Rb+ | |
| 2,70 | 1,65 | Cs+ | |
| 1,60 | 0,78 | Mg++ | |
| 1,97 | 1,06 | Са++ | |
| 2,24 | 1,43 | ++ | |
| 0,67 | 1,33 | F- | |
| 1,07 | 1,81 | Сl- | |
| 1,19 | 1,96 | Вr- | |
| 1,36 | 2,20 | J- | |
| 1,04 | 1,74 | S- |
Як показують ці дані, у металів радіуси атомів більше, ніж радіуси іонів, у металоїдів, навпаки, радіуси іонів більше, ніж радіуси атомів.
Відносні розміри іонів, що утворюють кристал, впливають на структуру просторової решітки. Так, наприклад, два дуже подібні за своєю хімічною природою - CsCl і NaCl проте утворюють грати різного типу, причому в першому випадку кожен позитивний іон оточений вісьмома негативними іонами, а в другому - тільки шістьма. Ця відмінність пояснюється тим, що розміри іонів цезію
і натрію неоднакові. Ряд міркувань змушує прийняти, що іони повинні розташовуватися в кристалі так, щоб кожен менший іон по можливості повністю заповнював простір між навколишніми великими іонами і навпаки; Іншими словами, негативні іони, які майже завжди більші за позитивні, повинні можливо тісніше оточувати позитивні іони, інакше система буде нестійкою. Так як радіус іона Cs + дорівнює 1,65 Å, а іона Na + тільки 0,98 Å, то очевидно, що навколо першого може розміститися більше іонів Сl - ніж навколо другого.
Число негативних іонів, що оточують кожен позитивний іон у кристалі, називається координаційним числом цієї решітки. Вивчення структури різних кристалів показує, що найчастіше зустрічаються такі координаційні числа: 2, 3, 4, 6, 8 та 12.
Координаційне число залежить від ставлення радіусу позитивного іона до радіусу негативного іона: чим ближче це ставлення до одиниці, тим більше координаційне число. Розглядаючи іони як кулі, розташовані в кристалі за способом найбільш щільної упаковки, можна розрахувати, при якому співвідношенні між радіусом позитивного та негативного іонів має вийти те чи інше координаційне число.
Нижче наведені обчислені теоретично найбільші координаційні числа даного відношення радіусів.
Неважко переконатися, що координаційні числа для NaCl і CsCl, знайдені за цією таблицею, якраз відповідають дійсному розташуванню іонів у кристалах зазначених речовин.
Залізо(Лат. Ferrum), Fe, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 26, атомна маса 55,847. Походження як латинського, і російського назв елемента однозначно встановлено. Природне залізо є сумішшю чотирьох нуклідів з масовими числами 54 (вміст у природній суміші 5,82% за масою), 56 (91,66%), 57 (2,19%) і 58 (0,33%). Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів 3s 2 p 6 d 6 4s 2 . Зазвичай утворює сполуки у ступенях окиснення +3 (валентність III) та +2 (валентність II). Відомі також сполуки з атомами заліза в ступенях окиснення +4, +6 та деяких інших.
У періодичній системі Менделєєва залізо входить у групу VIIIВ. У четвертому періоді, до якого належить і залізо, до цієї групи входять, крім заліза, також кобальт (Co) і нікель (Ni). Ці три елементи утворюють тріаду і мають подібні властивості.
Радіус нейтрального атома заліза 0,126 нм, радіус іона Fe 2+ 0,080 нм, іона Fe 3+ 0,067 нм. Енергії послідовної іонізації атома заліза 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 еВ. Спорідненість до електрона 0,58 ев. За шкалою Полінга електронегативність заліза близько 1,8.
Залізо високої чистоти - це блискучий сріблясто-сірий, пластичний метал, що добре піддається різним способам механічної обробки.
Фізичні та хімічні властивості:при температурах від кімнатної і до 917°C, а також в інтервалі температур 1394-1535°C існує -Fe з об'ємно кубічною центрованою решіткою, при кімнатній температурі параметр решітки а= 0,286645 нм. При температурах 917-1394°C стійко -Fe з кубічними гранецентрованими гратами Т ( а= 0,36468 нм). При температурах від кімнатної до 769 ° C (так звана точка Кюрі) залізо має сильні магнітні властивості (воно, як кажуть, феромагнітно), при більш високих температурах залізо поводиться як парамагнетик. Іноді парамагнітне -Fe з об'ємно кубічною центрованою решіткою, стійке при температурах від 769 до 917°C, розглядають як модифікацію заліза, а -Fe, стійке при високих температурах (1394-1535°C), називають за традицією -Fe (уявлення про існування чотири модифікації заліза виникли тоді, коли ще не існував рентгеноструктурний аналіз і не було об'єктивної інформації про внутрішню будову заліза). Температура плавлення 1535 ° C, температура кипіння 2750 ° C, щільність 7,87 г/см 3 . Стандартний потенціал пари Fe 2+ /Fe 0 ¦0,447В, пари Fe 3+ /Fe 2+ +0,771В.
При зберіганні повітря при температурі до 200°C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу та його руйнуванню. Іржа немає постійного хімічного складу, приблизно її хімічну формулу можна записати як Fe 2 Про 3 ·xН 2 Про.
З киснем (O) залізо реагує під час нагрівання. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe 2 Про 3 , при згорянні в чистому кисні оксид Fe 3 Про 4 . Якщо кисень чи повітря пропускати через розплавлене залізо, утворюється оксид FeО. При нагріванні порошку сірки (S) та заліза утворюється сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS.
Залізо при нагріванні реагує з галогенами. Оскільки FeF 3 нелеткий, залізо стійке до дії фтору (F) до температури 200-300°C. При хлоруванні заліза (при температурі близько 200°C) утворюється леткий FeСl 3 . Якщо взаємодія заліза та брому (Br) протікає при кімнатній температурі або при нагріванні та підвищеному тиску парів брому, утворюється FeBr 3 . При нагріванні FeСl 3 і особливо FeBr 3 відщеплюють галоген і перетворюються на галогеніди заліза (II). При взаємодії заліза та йоду (I) утворюється йодид Fe 3 I 8 .
При нагріванні залізо реагує з азотом (N), утворюючи нітрид заліза Fe 3 N, з фосфором (P), утворюючи фосфіди FeP, Fe 2 P і Fe 3 P, з вуглецем (C), утворюючи карбід Fe 3 C, з кремнієм ( Si) , утворюючи кілька силіцидів, наприклад FeSi.
При підвищеному тиску металеве залізо реагує з монооксидом вуглецю ЗІ, причому утворюється рідкий, за звичайних умов легко леткий пентакарбоніл заліза Fe(CO) 5 . Відомі також карбоніли заліза складів Fe 2 (CO) 9 і Fe 3 (CO) 12 . Карбоніли заліза служать вихідними речовинами при синтезі залізоорганічних сполук, у тому числі ферроцену складу.
Чисте металеве залізо стійке у воді та у розведених розчинах лугів. У концентрованій сірчаній та азотній кислотах залізо не розчиняється, тому що міцна оксидна плівка пасивує його поверхню.
З соляною та розведеною (приблизно 20%-ю) сірчаною кислотами залізо реагує з утворенням солей заліза (II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
При взаємодії заліза з приблизно 70% сірчаною кислотою реакція протікає з утворенням сульфату заліза (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Оксид заліза (II) FeО має основні властивості, йому відповідає основа Fe(ОН) 2 . Оксид заліза (III) Fe 2 O 3 слабко амфотерен, йому відповідає ще слабкіше, ніж Fe(ОН) 2 , основа Fe(ОН) 3 , яка реагує з кислотами:
2Fe(ОН) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Гідроксид заліза (III) Fe(ОН) 3 виявляє слабко амфотерні властивості; він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:
Fe(ОН) 3 + КОН = К
Гідроксокомплекси заліза(III), що утворюються при цьому, стійкі в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому осад випадає гідроксид заліза (III) Fe(OH) 3 .
З'єднання заліза (III) у розчинах відновлюються металевим залізом:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
При зберіганні водних розчинів солей заліза (II) спостерігається окислення заліза (II) до заліза (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
З солей заліза (II) у водних розчинах стійка сіль Мора ¦ подвійний сульфат амонію та заліза (II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 О.
Залізо (III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO 4) 2 - залізокалієві галун, (NH 4) Fe (SO 4) 2 - залізоамонійні галун і т.д.
При дії газоподібного хлору (Cl) або озону на лужні розчини сполук заліза (III) утворюються сполуки заліза (VI) ферати, наприклад, феррат (VI) калію (K): K 2 FeO 4 . Є повідомлення про отримання під впливом сильних окислювачів сполук заліза (VIII).
Для виявлення в розчині сполук заліза (III) використовують якісну реакцію іонів Fe 3+ з тіоціанат-іонами CNS. При взаємодії іонів Fe 3+ з аніонами CNS утворюється яскраво-червоний роданід заліза Fe(CNS) 3 . Іншим реактивом на іони Fe 3+ служить гексаціаноферрат (II) калію (K) : K 4 (раніше цю речовину називали жовтою кров'яною сіллю). При взаємодії іонів Fe 3+ і 4 випадає яскраво-синій осад.
Реактивом на іони Fe 2+ в розчині може служити розчин гексаціаноферрат (III) калію (K) K 3 раніше називався червоною кров'яною сіллю. При взаємодії іонів Fe 3+ і 3 випадає яскраво-синій осад такого ж складу, як і у разі взаємодії іонів Fe 3+ і 4 .
Сплави заліза з вуглецем:залізо використовується головним чином у сплавах, насамперед у сплавах з вуглецем (C) різних чавунах і сталях. У чавуні вміст вуглецю вище 2,14% за масою (зазвичай на рівні 3,5-4%), у сталях вміст вуглецю нижчий (зазвичай на рівні 0.8-1%).
Чавун одержують у домнах. Домна являє собою гігантський (заввишки до 30-40 м) усічений конус, порожнистий усередині. Стінки домни зсередини викладені вогнетривкою цеглою, товщина кладки становить кілька метрів. Зверху в домну вагонетками завантажують збагачену (звільнену від порожньої породи) залізну руду, відновник кокс (кам'яне вугілля спеціальних сортів, підданий коксуванню ? нагрівання при температурі близько 1000 ° C без доступу повітря), а також плавильні матеріали (вапняк та інші) від металу, що виплавляється, домішок шлаку. Знизу в домну подають дуття (чистий кисень (O) або повітря, збагачене киснем (O)). У міру того, як завантажені в домну матеріали опускаються, температура їх піднімається до 1200-1300°C. В результаті реакцій відновлення, що протікають головним чином за участю коксу С та СО:
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
виникає металеве залізо, яке насичується вуглецем (C) та стікає вниз.
Цей розплав періодично випускають з домни через спеціальний отвір "клітинку" і дають розплаву застигнути в спеціальних формах. Чавун буває білий, так званий передільний (його використовують для отримання сталі) і сірий, або ливарний. Білий чавун - це твердий розчин вуглецю (C) в залозі. У мікроструктурі сірого чавуну можна розрізнити мікрокристаліки графіту. Через наявність графіту сірий чавун залишає слід на білому папері.
Чавун тендітний, при ударі він колеться, тому з нього не можна виготовляти пружини, ресори, будь-які вироби, які повинні працювати на вигин.
Твердий чавун легший за розплавлений, так що при його затвердінні відбувається не стиск (як зазвичай при затвердінні металів і сплавів), а розширення. Ця особливість дозволяє виготовляти з чавуну різноманітні виливки, у тому числі використовувати його як матеріал для художнього лиття.
Якщо вміст вуглецю (C) у чавуні знизити до 1,0-1,5%, то утворюється сталь. Сталі бувають вуглецевими (у таких сталях немає інших компонентів, крім Fe і C) і легованими (такі стали містять добавки хрому (Cr) , нікелю (Ni) , молібдену (Mo) , кобальту (Co) та інших металів, що покращують механічні та інші властивості стали).
Сталі одержують, переробляючи чавун і металевий брухт у кисневому конвертері, в електродуговій чи мартенівській печах. При такій переробці знижується вміст вуглецю (C) у сплаві до необхідного рівня, як кажуть, надлишковий вуглець (C) вигоряє.
Фізичні властивості стали суттєво відрізняються від властивостей чавуну: сталь пружна, її можна кувати, прокочувати. Так як сталь, на відміну від чавуну, при твердінні стискається, то отримані сталеві виливки піддають обтиску на прокатних станах. Після прокатки в обсязі металу зникають порожнечі та раковини, що з'явилися при затвердінні розплавів.
Виробництво сталей має у Росії давні глибокі традиції, і отримані нашими металургами стали вирізняються високою якістю.
Історія отримання заліза:залізо грало і відіграє виняткову роль матеріальної історії людства. Перше металеве залізо, що потрапило до рук людини, мало, мабуть, метеоритне походження. Руди заліза поширені часто зустрічаються навіть лежить на Землі, але самородне залізо лежить на поверхні вкрай рідко. Ймовірно, ще кілька тисяч років тому людина зауважила, що після горіння багаття в деяких випадках спостерігається утворення заліза з тих шматків руди, які випадково опинилися в багатті. При горінні багаття відновлення заліза з руди відбувається за рахунок реакції руди як безпосередньо з вугіллям, так і з оксидом вуглецю (II) СО, що утворюється при горінні. Можливість отримання заліза з руд суттєво полегшило виявлення того факту, що при нагріванні руди з вугіллям виникає метал, який можна додатково очистити при куванні. Отримання заліза з руди за допомогою сиродутного процесу було винайдено у Західній Азії у 2-му тисячолітті до нашої ери. Період з 9 7 століття до нашої ери, коли у багатьох племен Європи та Азії розвинулася металургія заліза, отримав назву залізного віку, що прийшов на зміну бронзовому віці. Удосконалення способів дуття (природну тягу змінили хутра) та збільшення висоти горна (з'явилися низькошахтні печі – домниці) призвело до отримання чавуну, який стали широко виплавляти у Західній Європі з 14 століття. Отриманий чавун переробляли на сталь. З середини 18 століття у доменному процесі замість деревного вугілля почали використовувати кам'яно-вугільний кокс. Надалі способи отримання заліза з руд були значно вдосконалені, і в даний час для цього використовують спеціальні пристрої домни, кисневі конвертери, електродугові печі.
Знаходження у природі:в земній корі залізо поширене досить широко - на його частку припадає близько 4,1% маси земної кори (4-е місце серед усіх елементів, 2-е серед металів). Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоні залізняки (руда гематит, Fe 2 O 3 ; містить до 70% Fe), магнітні залізняки (руда магнетит, Fe 3 Про 4 ; містить 72,4% Fe), бурі залізняки (руда гідрогетит НFeO 2 · n H 2 O), а також шпатові залізняки (руда сидерит, карбонат заліза, FeСО 3 містить близько 48% Fe). У природі зустрічаються також великі родовища піриту FeS 2 (інші назви сірчаний колчедан, залізний колчедан, дисульфід заліза та інші), але руди з високим вмістом сірки поки практичного значення не мають. За запасами залізняку Росія посідає перше місце у світі. У морській воді 1 · 10 - 5 - 1 · 10 - 8 % заліза.
Застосування заліза, його сплавів та сполук:чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів як каталізатор хімічних процесів для деяких інших цілей. Але сплави заліза - чавун і сталь - складають основу сучасної техніки. Знаходять широке застосування і багато сполук заліза. Так, сульфат заліза (III) використовують при водопідготовці, оксиди і ціанід заліза є пігментами при виготовленні барвників і так далі.
Біологічна роль:залізо присутнє в організмах всіх рослин і тварин як мікроелемент, тобто в дуже малих кількостях (в середньому близько 0,02%). Однак залізобактерії, що використовують енергію окислення заліза (II) у залізо (III) для хемосинтезу, можуть накопичувати у своїх клітинах до 17-20% заліза. Основна біологічна функція заліза - участь у транспорті кисню (O) та окислювальних процесах. Цю функцію заліза виконує у складі складних білків – гемопротеїдів, простетичною групою яких є залізопорфіриновий комплекс – гем. Серед найважливіших гемопротеїдів дихальні пігменти гемоглобін та міоглобін, універсальні переносники електронів у реакціях клітинного дихання, окислення та фотосинезу цитохроми, ферменти каталозу та пероксиду та інших. У деяких безхребетних залізовмісних дихальних пігментів гелоеритрин і хлорокруорин мають відмінну від гемоглобінів будову. При біосинтезі гемопротеїдів залізо переходить до них від білка феритину, що здійснює запас та транспортування заліза. Цей білок, одна молекула якого включає близько 4 500 атомів заліза, концентрується в печінці, селезінці, кістковому мозку та слизовій оболонці кишечника ссавців та людини. Добова потреба людини в залозі (6-20 мг) з надлишком покривається їжею (залізом багаті м'ясо, печінка, яйця, хліб, шпинат, буряк та інші). В організмі середньої людини (маса тіла 70 кг) міститься 4,2 г заліза, в 1 л крові близько 450 мг. При нестачі заліза в організмі розвивається залізиста анемія, яку лікують за допомогою препаратів, що містять залізо. Препарати заліза застосовують і як загальнозміцнюючі засоби. Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може чинити токсичну дію. Залізо також потрібне для нормального розвитку рослин, тому існують мікродобрива на основі препаратів заліза.
Розглянемо залежність деяких властивостей атомів від їх електронних оболонок. Зупинимося насамперед на закономірностях зміни атомних та іонних радіусів.
Електронні хмари немає різко окреслених кордонів. Тому поняття про розмір атома не є суворим. Але якщо уявити атоми в кристалах простої речовини у вигляді куль, що стикаються один з одним, то відстань між центрами сусідніх куль (тобто між ядрами сусідніх атомів) можна прийняти рівним подвоєному радіусу атома. Так, найменша між'ядерна відстань у кристалах міді дорівнює ; це дозволяє вважати, що радіус атома міді дорівнює половині цієї величини, тобто.
Залежність атомних радіусів від заряду ядра атома Z має періодичний характер. У межах одного періоду зі збільшенням Z проявляється тенденція до зменшення розмірів атома, що особливо чітко спостерігається у коротких періодах (радіуси атомів наведені в нм):
Це збільшується притягненням електронів зовнішнього шару до ядра у міру зростання його заряду.
З початком забудови нового електронного шару, віддаленішого від ядра, тобто при переході до наступного періоду, атомні радіуси зростають (порівняйте, наприклад, радіуси атомів фтору і натрію). В результаті в межах підгрупи із зростанням заряду ядра розміри атомів збільшуються. Наведемо як приклад значення атомних радіусів (в нм) елементів деяких головних підгруп:
Електрони зовнішнього шару, менш міцно пов'язані з ядром, можуть відриватися від атома і приєднуватися до інших атомів, входячи до складу зовнішнього шару останніх.
Атоми, що втратили одного або декількох електронів, стають зарядженими позитивно, так як заряд ядра атома перевищує суму зарядів електронів, що залишилися. Навпаки, атоми, які приєднали себе зайві електрони, заряджаються негативно. Заряджені частинки, що утворюються, називаються іонами.
Іони позначають тими самими символами, як і атоми, вказуючи праворуч угорі їх заряд: наприклад, позитивний тризарядний іон алюмінію позначають , негативний однозарядний іон хлору - .
Втрата атомів електронів призводить до зменшення його ефективних розмірів, а приєднання надлишкових електронів до збільшення. Тому радіус позитивно зарядженого іона (катіону) завжди менший, а радіус негативно зарядженого нона (аніону) завжди більший за радіус відповідного електронейтрального атома. Так, радіус атома калію становить , а радіус іона радіуси атома хлору та іона відповідно дорівнюють 0,099 і . При цьому радіус іона тим сильніше відрізняється від радіусу атома, чим більший заряд іона. Наприклад, радіуси атома хрому та іонів і становлять відповідно 0,127, 0,083 та .
У межах однієї підгрупи радіуси іонів однакового заряду зростають із збільшенням заряду ядра. Це ілюструється такими прикладами (радіуси іонів дано в нм):
Така закономірність пояснюється збільшенням числа електронних шарів і видаленням зовнішніх електронів від ядра, що зростає.
