Відомий людям ще з давніх-давен: старовинні предмети побуту, виконані з цього матеріалу, вчені приписують до IV тисячоліття до нашої ери.

Життя людини неможливо уявити без заліза. Вважається, що залізо використовується для промислових потреб частіше за інші метали. З нього виготовляють найважливіші конструкції. Також залізо у невеликих кількостях міститься у крові. Саме зміст двадцять шостого елемента забарвлює кров у червоний колір.

Фізичні властивості заліза

У кисні залізо горить, утворюючи оксид:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

При нагріванні залізо може реагувати з неметалами:

Також при температурі 700-900 ° С вступає в реакцію з водяною парою:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.

З'єднання заліза

Як відомо, оксиди заліза мають іони з двома ступенями окислення: +2 і + 3. Знати це вкрай важливо, адже для різних елементів будуть проводитися абсолютно різні якісні реакції.

Якісні реакції на залізо

Якісна реакція потрібна для того, щоб легко можна було визначити присутність іонів однієї речовини в розчинах або домішках іншої. Розглянемо якісні реакції двовалентного та тривалентного заліза.

Якісні реакції на залізо (III)

Визначити вміст іонів тривалентного заліза у розчині можна за допомогою лугу. При позитивному результаті утворюється основа – гідроксид заліза (III) Fe(OH)₃.

Гідроксид заліза (III) Fe(OH)₃

Отримана речовина нерозчинна у воді та має буре забарвлення. Саме бурий осад може свідчити про наявність іонів тривалентного заліза у розчині:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Також визначити іони Fe(III) можна за допомогою K₃.

Розчин хлориду заліза змішують із жовтуватим розчином кров'яної солі. В результаті можна побачити гарний синюватий осад, який і свідчитиме про те, що в розчині присутні іони тривалентного заліза. ви знайдете видовищні досліди вивчення властивостей заліза.

Якісні реакції на залізо (II)

Іони Fe²⁺ вступають у реакцію з червоною кров'яною сіллю K₄. Якщо при додаванні солі утворюється синюватий осад, ці іони присутні в розчині.

(т.зв. метеоритне залізо, яке містить понад 90% Fe). У з'єднаннях з киснем та іншими елементами поширене у складі багатьох мінералів і руд. За поширеністю у земній корі (5,00%) це третій (після кремнію та алюмінію) елемент; вважається, що земне ядро ​​складається в основному із заліза. Основні мінерали - гематит (червоний залізняк) Fe 2 O 3 ; лимонит Fe 2 O 3 ·nH 2 O (n = 1 - 4), що міститься, наприклад, у болотяній руді; магнетит (магнітний залізняк) Fe 3 O 4 і сидерит FeCO 3 . Найбільш поширеним мінералом заліза, що не є, однак, джерелом його отримання, є пірит (сірчаний колчедан, залізний колчедан) FeS 2 , який іноді називають за його жовтий блиск золотом дурнів або котячим золотом , хоча він часто містить невеликі домішки міді , золота , кобальту та інших металів.

ВЛАСТИВОСТІ ЗАЛІЗУ
Атомний номер	26
Атомна маса	55,847
Ізотопи:
стабільні	54, 56, 57, 58
нестабільні	52, 53, 55, 59
Температура плавлення, °С	1535
Температура кипіння, °С	3000
Щільність , г/см3	7,87
Твердість (за Моосом)	4,0-5,0
Зміст у земній корі, % (мас.)	5,00
Ступінь окислення:
характерна	+2, +3
інші значення	+1, +4, +6

Історія

Залізо (елементне) відоме та використовується з доісторичних часів. Перші вироби із заліза, ймовірно, були виготовлені із метеоритного заліза у вигляді амулетів, коштовностей та робочого інструменту. Близько 3500 років тому людина відкрила спосіб відновлення червоної землі, що містить оксид заліза, в метал. З того часу із заліза було виготовлено величезну кількість різних виробів. Воно зіграло значної ролі у розвитку матеріальної культури людства. У наші дні залізо в основному (95%) виплавляють з руд у вигляді чавунів і сталей і в порівняно невеликих кількостях одержують відновленням металізованих окатишів, а чисте залізо-термічним розкладанням його сполук або електролізом солей.

Властивості

Металеве залізо є сірувато-білою блискучою твердою пластичною речовиною. Залізо кристалізується у трьох модифікаціях (α, γ, δ). α-Fe має об'ємноцентровану кубічну кристалічну решітку, хімічно стійку до 910°С. При 910°С -Fe переходить в -Fe, стабільне в інтервалі 910-1400°С; γ-Fe кристалізується в гранецентрованій кубічній кристалічній решітці . При температурі вище 1400°С утворюється δ-Fe з решіткою, переважно аналогічною решітці α-Fe. Залізо - феромагнетик, воно легко намагнічується, але втрачає магнітні властивості при знятті магнітного поля. З підвищенням температури магнітні властивості заліза погіршуються і вище 769 ° С воно практично не піддається намагнічування (іноді залізо в інтервалі 769-910 ° С називають-Fe); γ-Fe не є магнітним матеріалом.

Використання

Залізо- один із найпридатніших до експлуатації металів у сплаві з вуглецем (сталь, чавун) – високоміцна основа конструкційних матеріалів. Як матеріал, що володіє магнітними властивостями, залізо використовується для сердечників електромагнітів і якорів електромашин, а також шарів і плівок на магнітних стрічках. Чисте залізо – каталізатор у хімічних процесах, компонент лікарських засобів у медицині.

Залізо як хімічний компонент організму

Залізо є суттєвим хімічним компонентом організмів багатьох хребетних, безхребетних та деяких рослин. Воно входить до складу гему (пігменту еритроцитів – червоних кров'яних клітин) гемоглобіну крові, м'язових тканин, кісткового мозку, печінки та селезінки. Кожна молекула гемоглобіну містить 4 атоми заліза, які здатні створювати оборотний і неміцний зв'язок з киснем, утворюючи оксигемоглобін. Кров, що містить оксигемоглобін, циркулює по тілу, поставляючи кисень до тканин для клітинного дихання. Тому залізо необхідне для дихання та утворення червоних кров'яних клітин. Міоглобін (або м'язовий гемоглобін) забезпечує киснем м'язи. Загальна кількість заліза в тілі людини (середньої маси 70 кг) становить 3-5 г. З цієї кількості 65% Fe знаходиться в гемоглобіні. Від 10 до 20 мг Fe щодня потрібно для забезпечення нормального метаболізму середнього дорослого. Червоне м'ясо, яйця, жовток, морква, фрукти, будь-яка пшениця та зелені овочі в основному забезпечують організм залізом при нормальному харчуванні; при анемії, пов'язаній із нестачею заліза в організмі, приймають лікарські препарати заліза.

Залізо як хім. елемент

З хімічної точки зору залізо - досить активний метал, що виявляє характерні ступені окислення +2, +3, рідше +1, +4, +6. Безпосередньо з'єднується з деякими елементами, S утворює FeS - сульфід заліза(III), з галогенами , крім йоду , - галогеніди заліза(III), такі, як FeCl 3 . Легко окислюється; з киснем дає оксиди FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 (FeO + Fe 2 O 3), легко кородує (іржавіє). Витісняє водень з водяної пари при високій температурі . Розчиняється в розведених кислотах (наприклад, HCl, H 2 SO 4 HNO 3), витісняючи водень і утворюючи солі Fe(II) (відповідно FeCl 2 , FeSO 4 , Fe(NO 3) 2). У помірно концентрованих H 2 SO 4 і HNO 3 залізо розчиняється з утворенням солей Fe(III), а сильноконцентрованих - пасивується і не реагує. Пасивність заліза, мабуть, пояснюється утворенням на поверхні плівки оксиду заліза, яка, проте, легко руйнується при простому зіскоблюванні.

Корозія заліза

Іржавіння заліза (атмосферна корозія заліза)- це окислення його киснем повітря. Реакція відбувається у присутності іонів солей, розчинених у воді, та іонів, що утворюються при дисоціації вугільної кислоти-продукту взаємодії атмосферного вуглекислого газу та вологи. В результаті утворюється пухка іржа червоного кольору, або гідратований оксид складу Fe 2 O 3 ·nH 2 O.

З'єднання

Комплексні з'єднання

Хімічні елементи та матеріали
Хімічні елементи

Бражнікова Алла Михайлівна,

ДБОУ ЗОШ №332

Невського району Санкт-Петербурга

Цей посібник розглядає питання на тему «Хімія заліза». Крім традиційних теоретичних питань розглядаються питання, що виходять за межі базового рівня. Містяться питання для самоконтролю, які дають можливість учням перевірити рівень засвоєння ними відповідного навчального матеріалу під час підготовки до ЄДІ.

РОЗДІЛ 1. ЗАЛІЗ - ПРОСТА РЕЧОВИНА.

Будова атома заліза .

Залізо - d-елемент, що знаходиться в побічній підгрупі VIII групи періодичної системи. Найпоширеніший у природі метал післяалюмінію. Входить до складу багатьох мінералів: бурий залізняк (гематит) Fe 2 O 3 магнітний залізняк (магнетит) Fe 3 O 4 пірит FeS 2 .

Електронна будова : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Валентність : II, III (IV).

Ступені окиснення: 0, +2, +3, +6 (тільки у ферратах K 2 FeO 4).

Фізичні властивості.

Залізо – блискучий, сріблясто-білий метал, т. пл. - 1539 0 С.

Отримання.

Чисте залізо можна отримати відновленням оксидів воднем при нагріванні, і навіть електролізом розчинів його солей. Доменний процес - отримання заліза у вигляді сплавів з вуглецем (чавун та сталь):

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

Хімічні властивості.

I. Взаємодія з простими речовинами – неметалами

1) З хлором та сіркою (при нагріванні). Більш сильним окислювачем хлором залізо окислюється до Fe 3+ , слабшим - сірої - до Fe 2+ :

2Fe 2 + 3Cl → 2FeCl 3

2) З вугіллям, кремнієм та фосфором (за високої температури).

3) У сухому повітрі окислюється киснем, утворюючи окалину - суміш оксидів заліза (II) та (III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3)

ІІ. Взаємодія із складними речовинами.

1) У вологому повітрі протікає корозія (іржавіння) заліза:

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

При високій температурі (700 - 900 0 С) відсутність кисню залізо реагує з парами води, витісняючи з неї водень:

3Fe+ 4H 2 O→ Fe 3 O 4 + 4H 2

2) Витіснює водень з розведеної соляної та сірчаної кислот:

Fe+ 2HCl= FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4(розб.) = FeSO 4 + H 2

Висококонцентровані сірчана та азотна кислоти при звичайній температурі із залізом не реагують внаслідок його пасивації.

Розведеною азотною кислотою залізо окислюється до Fe 3+ , продукти відновлення HNO 3 залежать від її концентрації та температури:

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

Fe + 4HNO 3(розб.) → Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Fe + 6HNO 3(конц.) → (температура) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

3) Реакція з розчинами солей металів, що стоять правіше заліза в електрохімічному ряду напруг металів:

Fe + CuSO 4 → Fe SO 4 + Cu

РОЗДІЛ2. З'ЄДНАННЯ ЗАЛІЗУ (II).

Оксид заліза(II) .

Оксид FeO-чорний порошок, нерозчинний у воді.

Отримання.

Відновлення з оксиду заліза (III) при 500 0 З дією оксиду вуглецю (II):

Fe 2 O 3 + CO→2FeO+ CO 2

Хімічні властивості.

Основний оксид йому відповідає гідрокосид Fe(OH) 2: розчиняється в кислотах, утворюючи солі заліза (II):

FeO+ 2HCl→ FeCl 2 + H 2 O

Гідроксид заліза (II).

Гідроксид заліза Fe(OH) 2 - нерозчинна у воді основа.

Отримання.

Дія лугів на солі заліза () без доступу повітря:

FeSO 4 + NaOH → Fe(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4

Хімічні властивості.

Гідроксид Fe(OH) 2 виявляє основні властивості, добре розчиняється у мінеральних кислотах, утворюючи солі.

Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 →FeSO 4 + 2H 2 O

При нагріванні розкладається:

Fe(OH) 2 → (температура) FeO+ H 2 O

Окисно-відновні властивості.

Сполуки заліза (II) виявляють досить сильні відновлювальні властивості, стійкі лише в інертній атмосфері; на повітрі (повільно) або у водному розчині при дії окислювачів (швидко) переходять у сполуки заліза (III):

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

2FeCl 2 + Cl 2 → 2FeCl 3

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

З'єднання заліза (II) можуть виступати і в ролі окислювачів:

FeO+ CO→ (температура) Fe+ CO

ГЛАВА 3. З'ЄДНАННЯ ЗАЛІЗУ (III).

Оксид заліза(III)

Оксид Fe 2 O 3 - найстійкіша природна кисневмісна сполука заліза. Це амфотерний оксид нерозчинний у воді. Утворюється при випалюванні піриту FeS 2 (див. 20.4 «Отримання SO 2»).

Хімічні властивості.

1) Розчиняючись у кислотах, утворює солі заліза (III):

Fe 2 O 3 + 6HCl→ 2FeCl 3 + 3H 2 O

2) При сплавленні з карбонатом калію утворює ферит калію:

Fe 2 O 3 + K 2 С 3 → (температура) 2KFeO 2 + CO 2

3) При дії відновників постає як окислювач:

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

Гідроксид заліза (III)

Гідроксид заліза Fe(OH) 3 - червоно-бура речовина, нерозчинна у воді.

Отримання.

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

Хімічні властивості.

Гідроксид Fe(OH) 3 - слабша основа, ніж гідроксид заліза (II), має слабо виражену амфотерність.

1) Розчиняється у слабких кислотах:

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

2) При кип'ятінні в 50% розчині NaOHутворює

Fe(OH) 3 + 3NaOH → Na 3

Солі заліза (III).

Піддаються сильному гідролізу у водному розчині:

Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2+ + H +

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

При дії сильних відновників у водному розчині виявляють окисні властивості, переходячи в солі заліза (II):

2FeCl 3 + 2KI → 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl

Fe 2 (SO 4) 3 + Fe → 3 Fe

РОЗДІЛ4. ЯКІСНІ РЕАКЦІЇ.

Якісні реакції на іони Fe2+ та Fe3+.

1. Реактивом на іон Fe 2+ є гексаціаноферрат (III) калію (червона кривава сіль), який дає з ним інтенсивно синій осад змішаної солі - гексаціаноферрат (III) калію-заліза (II) або турнбулева синь:

FeCl 2 + K 3 → KFe 2+ ↓ + 2KCl

1. Реактивом на іон Fe 3+ є тіоціанат-іон (роданід-іон) CNS-, при взаємодії якого з солями заліза (III) утворюється речовина криваво-червоного кольору - роданід заліза (III):

FeCl 3 + 3KCNS→ Fe(CNS) 3 + 3KCl

3) Іони Fe 3+ можна виявити також за допомогою гексаціаноферату (II) калію (жовта кров'яна сіль). При цьому утворюється нерозчинна у воді речовина інтенсивного синього кольору - гексаціаноферрат (II) калію-заліза (III) або берлінська блакить:

FeCl 3 + K 4 → KFe 3+ ↓ + 3KCl

ГЛАВА 5. МЕДИКО-БІОЛОГІЧНЕ ЗНАЧЕННЯ ЗАЛІЗУ.

Роль заліза у організмі.

Залізобере участь у освіті гемоглобіну в крові, у синтезі гормонів щитовидної залози, у захисті організму від бактерій. Воно необхідне освіти імунних захисних клітин, потрібно для " роботи " вітамінів групи У.

Залізовходить до складу більш ніж 70 різних ферментів, у тому числі дихальних, що забезпечують процеси дихання в клітинах і тканинах, і які беруть участь у знешкодженні чужорідних речовин, що надходять до організму людини.

Кровотворення. Гемоглобін.

Газообмін у легенях та тканинах.

Залозодефіцитна анемія.

Нестача заліза в організмі призводить до таких захворювань, як анемія, недокрів'я.

Залізодефіцитна анемія (ЖДА) - гематологічний синдром, що характеризується порушенням синтезу гемоглобіну внаслідок дефіциту заліза і проявляється анемією та сидеропенією. Основними причинами ЖДА є крововтрати та нестача багатої гемом їжі та пиття.

Хворого може турбувати втома, задишка і серцебиття, особливо після фізичного навантаження, часто - запаморочення і головний біль, шум у вушах, можливий навіть непритомність. Людина стає дратівливою, порушується сон, знижується концентрація уваги. Оскільки кровотік у шкірі знижений, може розвиватися підвищена чутливість до холоду. Виникає симптоматика і з боку шлунково-кишкового тракту – різке зниження апетиту, диспепсичні розлади (нудота, зміна характеру та частоти випорожнень).

Залізо - складова частина життєво важливих біологічних комплексів, таких як гемоглобін (транспорт кисню та вуглекислого газу), міоглобін (запасання кисню в м'язах), цитохроми (ферменти). В організмі дорослої людини міститься 4-5 г заліза.

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ:

1. К.М. Зеленін, В.П. Сергутін, О.В. Солод «Здаємо іспит з хімії відмінно». ТОВ "Елбль-СПб", 2001 рік.
2. К.А.Макаров «Медична хімія». Видавництво СПбДМУ Санкт-Петербурга, 1996 рік.
3. Н.Л. Глінка "Загальна хімія". Ленінград "Хімія", 1985 рік.
4. В.М. Доронькін, А.Г. Бережна, Т.В. Сажнєва, В.А. Лютогова «Хімія. Тематичні тести для підготовки до ЄДІ». Видавництво "Легіон", Ростов-на-Дону, 2012 рік.

В організмі людини міститься близько 5 г заліза, більшість його (70%) входить до складу гемоглобіну крові.

Фізичні властивості

У вільному стані залізо – сріблясто-білий метал із сіруватим відтінком. Чисте залізо пластично, має феромагнітні властивості. На практиці зазвичай використовуються сплави заліза – чавуни та сталі.

Fe - найголовніший і найпоширеніший елемент дев'яти d-металів побічної підгрупи VIII групи. Разом із кобальтом та нікелем утворює «родина заліза».

При утворенні з'єднань з іншими елементами частіше використовує 2 або 3 електрони (В = II, III).

Залізо, як і багато d-елементи VIII групи, не виявляє вищу валентність, рівну номеру групи. Його максимальна валентність досягає VI і виявляється вкрай рідко.

Найбільш характерними є сполуки, в яких атоми Fe знаходяться в ступенях окислення +2 і +3.

Способи отримання заліза

1. Технічне залізо (у сплаві з вуглецем та іншими домішками) отримують карботермічним відновленням його природних сполук за схемою:

Відновлення відбувається поступово, у 3 стадії:

1) 3Fe 2 O 3 + СО = 2Fe 3 O 4 + СО 2

2) Fe 3 O 4 + СО = 3FeO + СО 2

3) FeO + СО = Fe + СО 2

Чавун, що утворюється в результаті цього процесу, містить більше 2% вуглецю. Надалі з чавуну одержують сталі - сплави заліза, що містять менше 1,5% вуглецю.

2. Дуже чисте залізо одержують одним із способів:

а) розкладання пентакарбонілу Fe

Fe(CO) 5 = Fe + 5СО

б) відновлення воднем чистого FeO

FeO + Н 2 = Fe + Н 2 O

в) електроліз водних розчинів солей Fe+2

FeC 2 O 4 = Fe + 2С 2

оксалат заліза (II)

Хімічні властивості

Fe – метал середньої активності, виявляє загальні властивості, характерні для металів.

Унікальною особливістю є здатність до «іржавіння» у вологому повітрі:

За відсутності вологи із сухим повітрям залізо починає помітно реагувати лише за Т > 150°С; при прожарюванні утворюється «залізна окалина» Fe 3 O 4:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

У воді без кисню залізо не розчиняється. За дуже високої температури Fe реагує з водяною парою, витісняючи з молекул води водень:

3 Fe + 4Н2O(г) = 4H2

Процес іржавлення за своїм механізмом є електрохімічною корозією. Продукт іржавлення представлений у спрощеному вигляді. Насправді утворюється пухкий шар суміші оксидів та гідроксидів змінного складу. На відміну від плівки Аl 2 Про 3 цей шар не оберігає залізо від подальшого руйнування.

Види корозії

Захист заліза від корозії

1. Взаємодія з галогенами та сіркою за високої температури.

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

2Fe + 3F 2 = 2FeF 3

Fe + I 2 = FeI 2

Утворюються сполуки, у яких переважає іонний тип зв'язку.

2. Взаємодія з фосфором, вуглецем, кремнієм (з N 2 і Н 2 залізо безпосередньо не з'єднується, але розчиняє їх).

Fe + Р = Fe x P y

Fe + C = Fe x C y

Fe + Si = Fe x Si y

Утворюються речовини змінного складу, тому що бертоліди (у сполуках переважає ковалентний характер зв'язку)

3. Взаємодія з «неокислюючими» кислотами (HCl, H 2 SO 4 розб.)

Fe 0 + 2Н + → Fe 2+ + Н 2

Оскільки Fe розташовується в ряду активності лівіше водню (Е° Fe/Fe 2+ = -0,44В), воно здатне витісняти Н 2 із звичайних кислот.

Fe + 2HCl = FeCl 2 + Н 2

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + Н 2

4. Взаємодія з «окисними» кислотами (HNO 3 , H 2 SO 4 конц.)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+

Концентровані HNO 3 і H 2 SO 4 пасивують залізо, тому при звичайній температурі метал в них не розчиняється. При сильному нагріванні відбувається повільне розчинення (без виділення Н2).

У розб. HNO 3 залізо розчиняється, переходить у розчин у вигляді катіонів Fe 3+ а аніон кислоти відновлюється до NO*:

Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2Н 2 O

Дуже добре розчиняється в суміші НСl та HNO 3

5. Ставлення до луг

У водних розчинах лугів Fe не розчиняється. З розплавленими лугами реагує лише за дуже високих температур.

6. Взаємодія із солями менш активних металів

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu

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

7. Взаємодія з газоподібним монооксидом вуглецю (t = 200°C, P)

Fe(порошок) + 5CO(г) = Fe 0(CO) 5 пентакарбоніл заліза

З'єднання Fe(III)

Fe 2 O 3 – оксид заліза (III).

Червоно-бурий порошок, н. нар. в Н 2 O. У природі – «червоний залізняк».

Способи отримання:

1) розкладання гідроксиду заліза (III)

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

2) випал піриту

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

3) розкладання нітрату

Хімічні властивості

Fe 2 O 3 – основний оксид з ознаками амфотерності.

I. Основні властивості проявляються у здатності реагувати з кислотами:

Fe 2 Про 3 + 6Н + = 2Fe 3+ + ДТ 2 Про

Fe 2 Про 3 + 6HCI = 2FeCI 3 + 3H 2 O

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

ІІ. Слабокислотні властивості. У водних розчинах лугів Fe 2 O 3 не розчиняється, але при сплавленні з твердими оксидами, лугами та карбонатами відбувається утворення феритів:

Fe 2 Про 3 + СаО = Ca(FeО 2) 2

Fe 2 Про 3 + 2NaOH = 2NaFeО 2 + H 2 O

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

ІІІ. Fe 2 Про 3 - вихідна сировина для отримання заліза в металургії:

Fe 2 Про 3 + ЗС = 2Fe + ЗСО або Fe 2 Про 3 + ЗСО = 2Fe + ЗСО 2

Fe(OH) 3 - гідроксид заліза (III)

Способи отримання:

Отримують при дії лугів на розчинні солі Fe3+:

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

У момент одержання Fe(OH) 3 - червоно-бурий слизово-аморфний осад.

Гідроксид Fe(III) утворюється також при окисленні на вологому повітрі Fe та Fe(OH) 2:

4Fe + 6Н 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3

4Fe(OH) 2 + 2Н 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3

Гідроксид Fe(III) є кінцевим продуктом гідролізу солей Fe3+.

Хімічні властивості

Fe(OH) 3 - дуже слабка основа (набагато слабша, ніж Fe(OH) 2). Виявляє помітні кислотні властивості. Таким чином, Fe(OH) 3 має амфотерний характер:

1) реакції з кислотами протікають легко:

2) свіжий осад Fe(OH) 3 розчиняється у гарячих конц. розчинах КОН або NaOH з утворенням гідроксокомплексів:

Fe(OH) 3 + 3КОН = K 3

У лужному розчині Fe(OH) 3 може бути окислений до ферратів (солей не виділеної у вільному стані залізної кислоти H 2 FeO 4):

2Fe(OH) 3 + 10КОН + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6КВr + 8Н 2 O

Солі Fe 3+

Найбільш практично важливими є: Fe 2 (SO 4) 3 , FeCl 3 , Fe(NO 3) 3 , Fe(SCN) 3 , K 3 4- жовта кров'яна сіль = Fe 4 3 берлінська блакит (темно-синій осад)

б) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 роданід Fe(III) (р-р криваво-червоного кольору)

Визначення. Історія. Геохімія. Властивості заліза. Місце народження. Фізичні та хімічні властивості. З'єднання. Застосування заліза.

Залізо

Залізо - елемент восьмої групи (за старою класифікацією - побічної підгрупи восьмої групи) четвертого періоду періодичної системи хімічних елементівД. І. Менделєєва з атомним номером 26. Позначається символом Fe(Лат. Ferrum). Один із найпоширеніших у земній корі металів (друге місце після алюмінію).
Проста речовина залізо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий метал сріблясто-білого кольору з високою хімічною реакційною здатністю: залізо швидко корродує при високих температурах або при високій вологості на повітрі. У чистому кисні залізо горить, а в дрібнодисперсному стані самозаймається і на повітрі.
Власне залізом зазвичай називають його сплави з малим вмістом домішок (до 0,8 %), які зберігають м'якість і пластичність чистого металу. Але на практиці частіше застосовуються сплави заліза з вуглецем: сталь (до 2,14 вага. % вуглецю) і чавун (понад 2,14 вага. % вуглецю), а також нержавіюча (легована) сталь з добавками легуючих металів (хром, марганець, нікель та ін). Сукупність специфічних властивостей заліза та її сплавів роблять його «металом № 1» за важливістю людини.
У природі залізо рідко зустрічається у чистому вигляді, найчастіше воно зустрічається у складі залізо-нікелевих метеоритів. Поширеність заліза в земній корі - 4,65% (4-е місце після O, Si, Al). Вважається також, що залізо становить більшу частину земного ядра.

Історія.Залізо, як інструментальний матеріал, відоме з найдавніших часів. Найдавніші вироби із заліза, знайдені при археологічних розкопках, датуються 4-м тисячоліттям до н. е. і відносяться до давньошумерської та давньоєгипетської цивілізацій. Це виготовлені з метеоритного заліза, тобто сплаву заліза та нікелю (зміст останнього коливається від 5 до 30 %), прикраси з єгипетських гробниць (близько 3800 до н. е.) та кинджал з шумерського міста Ура (близько 3100 до н.е.). е.). Від небесного походження метеоритного заліза походить, мабуть, одна з назв заліза в грецькій та латинській мовах: «сидер» (що означає «зірковий»).

Вироби із заліза, отриманого виплавкою, відомі з часу розселення арійських племен з Європи в Азію, острови Середземного моря, і далі (кінець 4-го і 3-го тисячоліття до н.е. в кам'яній кладці піраміди Хеопса в Єгипті (побудована близько 2530 до н. е..) Як показали розкопки в Нубійській пустелі, вже в ті часи єгиптяни, намагаючись відокремити золото, що видобувається, від важкого магнетитового піску, проколювали руду з висівками і руду з висівками. вуглець У результаті на поверхні розплаву золота випливав шар тістоподібного заліза, який обробляли окремо, з цього заліза кувалися гармати, у тому числі знайдені в піраміді Хеопса, проте після онука Хеопса Менкаура (2471—2465 р. до н.е.) в Єгипті настала смута: знати на чолі зі жерцями бога Ра скинула правлячу династію, і почалася чехарда узурпаторів, що закінчилася царювання фараона наступної династії Усеркара, якого жерці оголосили сином і втіленням самого бога Ра (з того часу це стало офіційним статусом фараонів). У ході цієї смути культурні та технічні знання єгиптян занепали, і, так само як деградувало мистецтво будівництва пірамід, технологія виробництва заліза була втрачена, аж до того, що пізніше, освоюючи в пошуках мідної руди Синайський півострів, єгиптяни не звернули жодної уваги на які були там поклади залізняку, а отримували залізо від сусідніх хетів і мітаннійців.
Перші освоїли метод виплавки заліза хати, це вказує найдавніше (2-е тисячоліття е.) згадка заліза у текстах хетів, які заснували свою імперію біля хаттів (сучасної Анатолії Туреччини). Так, у тексті хетського царя Анітти (близько 1800 року до н.е.(наша ера)) говориться:
У давнину майстрами залізних виробів мали славу халіби. У легенді про аргонавтів (їх похід у Колхіду відбувся приблизно за 50 років до троянської війни) розповідається, що цар Колхіди Еєт дав Ясону залізний плуг, щоб він зорав поле Ареса, і описуються його піддані халібери:
Вони не орють землю, не садять плодові дерева, не пасуть череди на опасистих луках; вони видобувають руду та залізо з необробленої землі та вимінюють на них продукти харчування. День не починається для них без тяжкої праці, у темряві ночі та густому диму проводять вони, працюючи весь день.
Аристотель описав їх спосіб одержання сталі: «халіби кілька разів промивали річковий пісок їхньої країни — цим виділяючи чорний шліх (важка фракція що складається переважно з магнетиту і гематиту), і плавили печах; отриманий таким чином метал мав сріблястий колір і був нержавіючий».
В якості сировини для виплавки стали використовувалися магнетитові піски, які часто зустрічаються по всьому узбережжю Чорного моря: ці магнетитові піски складаються з суміші дрібних зерен магнетиту, титано-магнетиту або ільменіту, і уламків інших порід, так що сплав, що виплавляється халібами, була легованою, і мала Чудові якості. Такий своєрідний спосіб отримання заліза свідчить, що халіби лише поширили залізо як технологічний матеріал, та його спосіб було методом повсюдного промислового виробництва залізних виробів. Проте їхнє виробництво послужило поштовхом для подальшого розвитку металургії заліза.
Климент Олександрійський у своїй енциклопедичній праці «Стромати» згадує, що за грецькими переказами залізо (мабуть, виплавка його з руди) було відкрито на горі Іді — так називався гірський ланцюг біля Трої (в Іліаді він згадується як гора Іда, з якою Зевс спостерігав за битвою греків з троянцями). Сталося це через 73 роки після Девкаліонового потопу, а цей потоп, згідно з Параською хронікою, був у 1528 році до н. е., тобто метод виплавки заліза з руди було відкрито приблизно 1455 року до зв. е. Однак з опису Климента не ясно, чи говорить він саме про цю гору в Передній Азії (Іда Фригійська у Вергілія), або про гору Іда на острові Крит, про яку римський поет Вергілій в Енеїді пише як про прабатьківщину троянців:
«Острів Юпітера, Крета, лежить серед широкого моря,
Нашого племені там колиска, де височіє Іда…»
Більш ймовірно, що Климент Олександрійський говорить саме про фригійську Іду біля Трої, оскільки там було знайдено стародавні залізні копальні та осередки залізоробного виробництва. Перше письмове свідоцтво про залозу є в глиняних табличках архіву єгипетських фараонів Аменхотепа III і Ехнатона, і відноситься до того ж часу (1450-1400 до н. Е..). Там згадується про вироблення заліза на півдні Закавказзя, яке греки називали Колхідою (і можливо, що слово "kolhidos" може бути модифікацією слова "halibos") - а саме, що цар країни Мітанні і володар Вірменії та Південного Закавказзя послав єгипетському фараону Аменхотепу разом із 318 наложницями кинджали та кільця з гарного заліза». Такі подарунки фараонам дарували і хети.
У найглибшої давнини залізо цінувалося дорожче золота, і за описом Страбона, у африканських племен за 1 фунт заліза давали 10 фунтів золота, а, за дослідженнями історика Г. Арешяна, вартості міді, срібла, золота і заліза у древніх хетів були у співвідношенні 1: 160 : 1280: 6400. У ті часи залізо використовувалося як ювелірний метал, з нього робили трони та інші регалії царської влади: наприклад, у біблійній книзі Повторення Закону 3,11 описаний «одр залізний» рефаїмського царя Ога.
У гробниці Тутанхамона (близько 1350 року до н. е.) було знайдено кинджал із заліза в золотій оправі — можливо, подарований хетами з дипломатичною метою. Але хети не прагнули широкого поширення заліза та його технологій, що видно і з листування єгипетського фараона Тутанхамона і його тестя Хаттусиля — царя хетів, що дійшло до нас. Фараон просить надіслати більше заліза, а цар хетів ухильно відповідає, що запаси заліза вичерпалися, а ковалі зайняті на сільськогосподарських роботах, тому він не може виконати прохання царственого зятя, і посилає лише один кинджал з «хорошого заліза» (тобто стали). Як видно, хети намагалися використати свої знання для досягнення військових переваг, і не давали іншим можливості зрівнятися з ними. Мабуть, тому залізні вироби набули широкого поширення лише після Троянської війни та падіння держави хетів, коли завдяки торговій активності греків технологія заліза стала відомою багатьом, і було відкрито нові родовища заліза та рудники. Так на зміну «Бронзовому» віку настав вік «Залізний».
За описами Гомера, хоча під час Троянської війни (приблизно 1250 до н.е.(наша ера)) зброя була в основному з міді та бронзи, але залізо вже було добре відоме і користувалося великим попитом, хоча більше як дорогоцінний метал. Наприклад, у 23-й пісні «Іліади» Гомер розповідає, що Ахілл нагородив диском із залізної криці переможця у змаганні з метання диска. Це залізо ахейці добували у троянців та суміжних народів (Іліада 7,473), у тому числі у халібо.
Можливо, залізо було однією з причин, що спонукали греків-ахейців рушити до Малої Азії, де вони дізналися секрети його виробництва. А розкопки в Афінах показали, що вже близько 1100 до н. е. і пізніше вже були поширені залізні мечі, списи, сокири, і навіть залізні цвяхи. У біблійній книзі Ісуса Навина 17,16 (пор. Суддів 14,4) описується, що филистимляни (біблійні «PILISTIM», а це були протогрецькі племена, споріднені з пізніми еллінами, переважно пеласги) мали безліч залізних колісниць, тобто в це Залізо вже стало широко застосовуватися у великих кількостях.
Гомер називає залізо багатотрудним, тому що в давнину основним методом його отримання був сиродутний процес: шари, що перемежуються, >залізної руди і деревного вугілля прожарювалися в спеціальних печах (гірницях — від древнього «Horn» — ріг, труба, спочатку це була просто труба, вирита в землі, зазвичай горизонтально у схилі яру). У горні окисли заліза відновлюються до металу розпеченим вугіллям, який відбирає кисень, окислюючись до окису вуглецю, і в результаті такого прожарювання руди з вугіллям виходило тістоподібне кричне залізо. Крицю очищали від шлаків куванням, вичавлюючи домішки сильними ударами молота. Перші горни мали порівняно низьку температуру - помітно менше температури плавлення чавуну, тому залізо виходило порівняно маловуглецевим. Щоб отримати міцну сталь, доводилося багато разів прожарювати і проковувати залізну крицю з вугіллям, при цьому поверхневий шар металу додатково насичувався вуглецем і зміцнювався. Так виходило «хороше залізо» — і це вимагало великих праць, вироби, отримані в такий спосіб, були значно міцнішими і твердішими, ніж бронзові.
Надалі навчилися робити більш ефективні печі (російською мовою — домна, домниця) для виробництва сталі, і застосували хутра для подачі повітря в горн. Вже римляни вміли доводити температуру печі до плавлення сталі (близько 1400 градусів, а чисте залізо плавиться при 1535 градусах). При цьому утворюється чавун з температурою плавлення 1100-1200 градусів, дуже тендітний в твердому стані (навіть не піддається ковці) і не має пружності сталі. Спочатку його вважали шкідливим побічним продуктом, але потім виявилося, що при повторному переплавленні в печі з посиленим продуванням через нього повітря, чавун перетворюється на сталь гарної якості, оскільки зайвий вуглець вигоряє. Такий двостадійний процес виробництва сталі з чавуну виявився простішим і вигіднішим, ніж кричний, і цей принцип використовується без особливих змін багато століть, залишаючись і до наших днів основним способом виробництва залізних матеріалів.

Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54Fe (ізотопна поширеність 5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) та 58Fe (0,282%). Також відомо більше 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найбільш стійкі з яких — 60Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даними становить 2,6 мільйона років), 55Fe (2,737 року), 59Fe (44,49) та 52Fe (8,275 години); решта ізотопів мають період напіврозпаду менше 10 хвилин.
Ізотоп заліза 56Fe відноситься до найбільш стабільних ядра: всі наступні елементи можуть зменшити енергію зв'язку на нуклон шляхом розпаду, а всі попередні елементи, в принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон за рахунок синтезу. Вважають, що залізом закінчується ряд синтезу елементів у ядрах нормальних зірок, проте наступні елементи можуть утворитися лише результаті вибухів наднових.

Геохімія заліза

Залізо — один із найпоширеніших елементів у Сонячній системі, особливо на планетах земної групи, зокрема на Землі. Значна частина заліза планет земної групи перебуває у ядрах планет, де його вміст, за оцінками, близько 90%. Вміст заліза у земній корі становить 5 %, а мантії близько 12 %. З металів залізо поступається за поширеністю в корі лише алюмінію. При цьому в ядрі знаходиться близько 86% заліза, а в мантії 14%. Вміст заліза значно підвищується у вивержених породах основного складу, де він пов'язаний з піроксеном, амфіболом, олівіном та біотитом. У промислових концентраціях залізо накопичується протягом багатьох екзогенних і ендогенних процесів, що відбуваються в земній корі. У морській воді залізо міститься у дуже малих кількостях 0,002-0,02 мг/л. У річковій воді трохи вище – 2 мг/л.

Геохімічні властивості заліза

Найважливіша геохімічна особливість заліза — наявність у нього кількох ступенів окиснення. Залізо в нейтральній формі - металеве - складає ядро ​​землі, можливо, є в мантії і дуже рідко зустрічається в земній корі. Закисне залізо FeO - основна форма знаходження заліза в мантії та земній корі. Окисне залізо Fe2O3 характерне для верхніх, найбільш окислених, частин земної кори, зокрема, осадових порід.
За кристалохімічними властивостями іон Fe2+ близький до іонів Mg2+ і Ca2+ — інших основних елементів, що становлять значну частину всіх земних порід. В силу кристалохімічної подібності залізо заміняє магній і, частково, кальцій у багатьох силікатах. При цьому вміст заліза у мінералах змінного складу зазвичай збільшується із зменшенням температури.
Мінерали заліза. У земній корі залізо поширене досить широко — на його частку припадає близько 4,1 % маси земної кори (4 місце серед усіх елементів, 2 серед металів). У мантії та земній корі залізо зосереджено головним чином у силікатах, при цьому його вміст значно в основних та ультраосновних породах, і мало – у кислих та середніх породах.
Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоний залізняк (гематит, Fe2O3; містить до 70% Fe), магнітний залізняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; містить 72,4% Fe), бурий залізняк або лимоніт (гетит та гідрогетит, відповідно FeOOH та FeOOH·nH2 ). Гетит і гідрогетит найчастіше зустрічаються в корах вивітрювання, утворюючи так звані «залізні капелюхи», потужність яких сягає кількох сотень метрів. Також вони можуть мати осадове походження, випадаючи з колоїдних розчинів в озерах або прибережних зонах морів. У цьому утворюються оолітові, чи бобові, залізні руди. Вони часто зустрічається вівіаніт Fe3(PO4)2·8H2O, що утворює чорні подовжені кристали і радіально-променисті агрегати.
У природі також поширені сульфіди заліза — пірит FeS2 (сірчаний чи залізний колчедан) і пирротин. Вони не є залізною рудою – пірит використовують для отримання сірчаної кислоти, а пірротин часто містить нікель та кобальт.
За запасами залізняку Росія посідає перше місце у світі.
Вміст заліза в морській воді - 1 · 10-5-1 · 10-8%.
Інші мінерали заліза, що часто зустрічаються:

• Сидерит - FeCO3 - містить приблизно 35% заліза. Має жовтувато-білий (з сірим або коричневим відтінком у разі забруднення) кольором. Щільність дорівнює 3 г/см і твердість 3,5-4,5 за шкалою Моосу.
• Марказит – FeS2 – містить 46,6 % заліза. Зустрічається у вигляді жовтих, як латунь, біпірамідальних ромбічних кристалів із щільністю 4,6—4,9 г/см³ та твердістю 5—6 за шкалою Моосу.
• Леллінгіт - FeAs2 - містить 27,2% заліза і зустрічається у вигляді сріблясто-білих біпірамідальних ромбічних кристалів. Щільність дорівнює 7-7,4 г/см3, твердість 5-5,5 за шкалою Моосу.
• Міспікель - FeAsS - містить 34,3% заліза. Зустрічається у вигляді білих моноклинних призм із щільністю 5,6—6,2 г/см³ та твердістю 5,5—6 за шкалою Моосу.
• Мелантерит - FeSO4 · 7H2O - рідше зустрічається в природі і являє собою зелені (або сірі через домішки) моноклінні кристали, що мають скляний блиск, крихкі. Щільність дорівнює 1,8-1,9 г/см3.
• Вівіаніт - Fe3(PO4)2 · 8H2O - зустрічається у вигляді синьо-сірих або зелено-сірих моноклинних кристалів із щільністю 2,95 г/см³ і твердістю 1,5-2 за шкалою Моосу.

Основні родовища

За даними Геологічної служби США (оцінка 2011 р.), світові розвідані запаси залізняку становлять близько 178 млрд тонн. Основні родовища заліза знаходяться у Бразилії (1 місце), Австралії, США, Канаді, Швеції, Венесуелі, Ліберії, Україні, Франції, Індії. У Росії залізо видобувається на Курській магнітній аномалії (КМА), Кольському півострові, Карелії та Сибіру, ​​в Україні - Кривбас, Полтавська область, Керченський півострів. Значну роль останнім часом набувають донні океанські родовища, у яких залізо разом із марганцем та інші цінними металами перебуває у конкреціях.

Отримання. У промисловості залізо одержують із залізної руди, в основному з гематиту (Fe2O3) та магнетиту (FeO·Fe2O3).

Існують різні способи вилучення заліза із руд. Найбільш поширеним є доменний процес.
Перший етап виробництва – відновлення заліза вуглецем у доменній печі за температури 2000 °C. У доменній печі вуглець у вигляді коксу, залізна руда у вигляді агломерату або котунів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік гарячого повітря, що нагнітається.
У печі вуглець як коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню:

У свою чергу монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб ця реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза(III):

Флюс додається для позбавлення від небажаних домішок (в першу чергу від cілікатів; наприклад, кварц) у руді, що добувається. Типовий флюс містить вапняк (карбонат кальцію) та доломіт (карбонат магнію). Для усунення інших домішок використовують інші флюси.
Дія флюсу (в даному випадку карбонат кальцію) полягає в тому, що при нагріванні він розкладається до його оксиду:

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак - метасилікат кальцію:

Шлак, на відміну діоксиду кремнію, плавиться в печі. Більш легкий, ніж залізо, шлак плаває лежить на поверхні — це властивість дозволяє розділяти шлак від металу. Шлак потім може використовуватися при будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий доменної печі, містить досить багато вуглецю (чавун). Крім таких випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він потребує подальшої переробки.
Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням у мартенівських печах чи конвертерах. Електричні печі використовуються для виплавки легованих сталей.
Окрім доменного процесу, поширений процес прямого одержання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи котуни. Окатиші обпалюють і обробляють у шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:
,
при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками як сірка та фосфор, які є звичайними домішками в кам'яному куті. Залізо виходить у твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.
Хімічно чисте залізо виходить електроліз розчинів його солей.

Фізичні властивості

Залізо – типовий метал, у вільному стані – сріблясто-білого кольору з сіруватим відтінком. Чистий метал пластичний, різні домішки (зокрема вуглець) підвищують його твердість і крихкість. Має яскраво виражені магнітні властивості. Часто виділяють так звану «тріаду заліза» - групу трьох металів (залізо Fe, кобальт Co, нікель Ni), що мають схожі фізичні властивості, атомні радіуси і значення електронегативності.
Для заліза характерний поліморфізм, він має чотири кристалічні модифікації:

• до 769 °C існує α-Fe (ферит) з об'ємноцентрованими кубічними гратами та властивостями феромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюрі для заліза);
• у температурному інтервалі 769-917 °C існує β-Fe, який відрізняється від α-Fe тільки параметрами об'ємноцентрованих кубічних ґрат і магнітними властивостями парамагнетика;
• у температурному інтервалі 917—1394 °C існує γ-Fe (аустеніт) з гранецентрованими кубічними гратами;
• вище 1394 °C стійко δ-Fe з об'ємоцентрованими кубічними гратами.

Металознавство не виділяє β-Fe як окрему фазу і розглядає її як різновид α-Fe. При нагріванні заліза або сталі вище точки Кюрі (769 °C ≈ 1043 K) тепловий рух іонів засмучує орієнтацію спінових магнітних моментів електронів, феромагнетик стає парамагнетиком - відбувається фазовий перехід другого роду, але фазового переходу першого роду зі зміною основних фізичних параметрів кристалів не відбувається.
Для чистого заліза за нормального тиску, з погляду металознавства, існують такі стійкі модифікації:

• від абсолютного нуля до 910 °C стійка α-модифікація з об'ємноцентрованими кубічними (ОЦК) кристалічними гратами;
• від 910 до 1400 °C стійка γ-модифікація з гранецентрованою кубічною (ГЦК) кристалічною решіткою;
• від 1400 до 1539 °C стійка δ-модифікація з об'ємноцентрованими кубічними (ОЦК) кристалічними гратами.

Наявність у сталі вуглецю і легуючих елементів істотно змінює температури фазових переходів (див. фазову діаграму залізо-вуглець). Твердий розчин вуглецю в α- і δ-залізі називається феритом. Іноді розрізняють високотемпературний -ферит і низькотемпературний -ферит (або просто ферит), хоча їх атомні структури однакові. Твердий розчин вуглецю в γ-залізі називається аустенітом.

• В області високих тисків (понад 13 ГПа, 128,3 тис. атм.) виникає модифікація ε-заліза з гексагональним щільноупакованим (ГПУ) ґратами.

Явище поліморфізму надзвичайно важливе для металургії сталі. Саме завдяки α-γ переходам кристалічних ґрат відбувається термообробка сталі. Без цього явища залізо як основа стали не набуло б такого широкого застосування.
Залізо відноситься до помірно тугоплавких металів. Серед стандартних електродних потенціалів залізо стоїть до водню і легко реагує з розведеними кислотами. Таким чином, залізо відноситься до металів середньої активності.
Температура плавлення заліза 1539 °C, температура кипіння - 2862 °C.

Хімічні властивості

Характерні ступені окислення

Для заліза характерні ступені окислення заліза - +2 та +3.
Ступеня окислення +2 відповідає чорний оксид FeO і зелений гідроксид Fe(OH)2. Вони мають основний характер. У солях Fe(+2) є у вигляді катіону. Fe(+2) – слабкий відновник.
Ступені окислення +3 відповідають червоно-коричневий оксид Fe2O3 та коричневий гідроксид Fe(OH)3. Вони мають амфотерний характер, хоч і кислотні, і основні властивості у них виражені слабо. Так, іони Fe3+ повністю гідролізуються навіть у кислому середовищі. Fe(OH)3 розчиняється (і то не повністю), тільки в концентрованих лугах. Fe2O3 реагує з лугами тільки при сплавленні, даючи ферити (формальні солі неіснуючої у вільному вигляді кислоти HFeO2):

Залізо (+3) найчастіше виявляє слабкі окисні властивості.
Ступені окислення +2 і +3 легко переходять між собою за зміни окислювально-відновних умов.
Крім того, існує оксид Fe3O4, формальний ступінь окислення заліза в якому +8/3. Однак цей оксид можна розглядати як ферит заліза (II) Fe+2(Fe+3O2)2.
Також існує ступінь окиснення +6. Відповідного оксиду та гідроксиду у вільному вигляді не існує, але отримані солі – ферати (наприклад, K2FeO4). Залізо (+6) знаходиться у них у вигляді аніону. Феррат є сильними окислювачами.

З'єднання заліза (II)

Оксид заліза(II) FeO має основні властивості, йому відповідає основа Fe(OH)2. Солі заліза (II) мають світло-зелений колір. При їх зберіганні, особливо у вологому повітрі, вони коричневіють за рахунок окиснення до заліза (III). Такий самий процес протікає при зберіганні водних розчинів солей заліза(II):

З солей заліза(II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2O.
Реактивом на іони Fe2+ у розчині може бути гексаціаноферрат(III) калію K3 (червона кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe2+ і 3-випадає осад гексаціаноферрата (III) калію-заліза (II) (берлінська блакить):

який внутрішньомолекулярно перегрупується в гексаціаноферрат (II) калію-заліза (III):

Для кількісного визначення заліза (II) у розчині використовують фенантролін Phen, що утворює із залізом (II) червоний комплекс FePhen3 (максимум світлопоглинання – 520 нм) у широкому діапазоні рН (4-9).

З'єднання заліза (III)

Оксид заліза(III) Fe2O3 слабо амфотерен, йому відповідає ще слабша, ніж Fe(OH)2, основа Fe(OH)3, яка реагує з кислотами:

Солі Fe3+ схильні до утворення кристалогідратів. Вони іон Fe3+ зазвичай оточений шістьма молекулами води. Такі солі мають рожевий чи фіолетовий колір.
Іон Fe3+ повністю гідролізується навіть у кислому середовищі. При рН>4 цей іон практично повністю осаджується у вигляді Fe(OH)3:

При частковому гідролізі іона Fe3+ утворюються багатоядерні оксо- і гідроксокатіони, через що розчини набувають коричневого кольору.
Основні властивості гідроксиду заліза(III) Fe(OH)3 виражені дуже слабко. Він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:

Гідроксокомплекси заліза(III), що утворюються при цьому, стійкі тільки в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому осад випадає Fe(OH)3.
При сплавленні з лугами та оксидами інших металів Fe2O3 утворює різноманітні ферити:

З'єднання заліза(III) у розчинах відновлюються металевим залізом:

Залізо(III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO4)2 - залізокалієві галун, (NH4)Fe(SO4)2 - залізоамонійні галун і т. д.
Для якісного виявлення у розчині сполук заліза(III) використовують якісну реакцію іонів Fe3+ з неорганічними тіоціанатами SCN−. При цьому утворюється суміш яскраво-червоних роданідних комплексів заліза 2+, +, Fe(SCN)3, -. Склад суміші (а отже, і інтенсивність її забарвлення) залежить від різних факторів, тому для точного якісного визначення заліза цей метод не застосовується.
Іншим якісним реактивом на іони Fe3+ є гексаціаноферрат(II) калію K4 (жовта кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe3+ та 4−випадає яскраво-синій осад гексаціаноферату (II) калію-заліза (III):

Кількісно іони Fe3+ визначають за утворенням червоних (у слабокислому середовищі) або жовтих (у слаболужному середовищі) комплексів із сульфосаліциловою кислотою. Ця реакція вимагає грамотного підбору буферів, оскільки деякі аніони (зокрема, ацетат) утворюють із залізом та сульфосаліцилової кислотою змішані комплекси зі своїми оптичними характеристиками.

З'єднання заліза (VI)

Феррати - солі не існує у вільному вигляді залізної кислоти H2FeO4. Це з'єднання фіолетового кольору, що за окисними властивостями нагадують перманганати, а по розчинності - сульфати. Отримують ферати при дії газоподібного хлору або озону на суспензію Fe(OH)3 у лугу:

Ферати також можна отримати електролізом 30%-ного розчину лугу на залізному аноді:

Феррати - сильні окислювачі. У кислому середовищі розкладаються з виділенням кисню:

Окисні властивості ферратів використовують для знезараження води.

Застосування

Залізо — один із найбільш застосовуваних металів, на нього припадає до 95 % світового металургійного виробництва.

• Залізо є основним компонентом сталей та чавунів - найважливіших конструкційних матеріалів.
• Залізо може входити до складу сплавів на основі інших металів, наприклад, нікелевих.
• Магнітний окис заліза (магнетит) - важливий матеріал у виробництві пристроїв довгострокової комп'ютерної пам'яті: жорстких дисків, дискет тощо.
• Ультрадисперсний порошок магнетиту використовується у багатьох чорно-білих лазерних принтерах у суміші з полімерними гранулами як тонер. Тут одночасно використовується чорний колір магнетиту та його здатність прилипати до намагніченого валика перенесення.
• Унікальні феромагнітні властивості ряду сплавів на основі заліза сприяють їх широкому застосуванню в електротехніці для магнітопроводів трансформаторів та електродвигунів.
• Хлорид заліза (III) (хлорне залізо) використовується в радіоаматорській практиці для травлення друкованих плат.
• Семиводний сульфат заліза (залізний купорос) у суміші з мідним купоросом використовується для боротьби зі шкідливими грибками у садівництві та будівництві.
• Залізо застосовується як анод в залізо-нікелевих акумуляторах, залізо-повітряних акумуляторах.
• Водні розчини хлоридів двовалентного та тривалентного заліза, а також його сульфатів використовуються як коагулянти в процесах очищення природних та стічних вод на водопідготовці промислових підприємств.