ПОДГРУППА VIIIB. ТРИАДЫ ЖЕЛЕЗА И ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ

Индивидуальные триады VIIIB подгруппы имеют общий признак в том, что они занимают по одному положению в периодической таблице, что объясняется огромным сходством свойств элементов. Обозначение "B" для VIII группы не является необходимым, так как нет VIIIA подгруппы, однако химические и физические свойства элементов триад железа и платиновых металлов согласуются с общей классификацией их как переходных элементов.

ТРИАДА ЖЕЛЕЗА: ЖЕЛЕЗО, КОБАЛЬТ, НИКЕЛЬ

Тот факт, что члены триады железа более сходны друг с другом в своем переходном ряду, чем с элементами в столбцах периодической таблицы, не является необычным, так как во всех подгруппах первые члены подгруппы отличаются по своим свойствам. Температуры плавления элементов триады железа высокие, но ниже, чем у предшествующих элементов, находящихся в серединах серий переходных металлов. В табл. 15 приведены свойства, характеризующие сходство радиусов атомов, ионов и некоторых термических свойств.

Железо первый элемент в переходных рядах, имеющий спаренный электрон на внутренней d-орбитали. Спаренные электроны с такой орбитали труднее участвуют в образовании химической связи, чем неспаренные. Особенности внутреннего орбитального строения всех металлов этой триады проявляются в наличии у них сильных магнитных или ферромагнитных свойств. В магнитном поле атомы этих металлов ориентируются так, что металлы образуют постоянные магниты. Все металлы триады проявляют выраженное электроположительное поведение, металлическую связь, хорошую проводимость и металлический блеск. Они достаточно инертны в среде сильных окислителей и даже кислорода воздуха. В этих условиях на их поверхности образуются тонкие и инертные пленки оксидов, а также проявляется способность элемента предоставлять внутренние d-орбитали для образования связей с другими атомами по донорно-акцепторному механизму (например, от железа к хрому, вольфраму и другим металлам в процессах сплавления). Ни один элемент из триады железа не проявляет максимальной степени окисления VIII (в отличие от платиновых металлов). Все металлы триады железа образуют многообразные соединения, проявляя степени окисления II и III. Проявление высокой степени окисления и амфотерных свойств наиболее характерно для железа.

Железо. Железо второй (после алюминия) по распространенности металл, встречается в виде различных руд, пригодных для переработки (табл. 15). В США, например, богатая руда уже использована в сталелитейной промышленности. Железный рудник в районе Месаби-Рейндж (шт. Миннесота) теперь содержит только бедную железом гранитоподобную породу. Ее взрывают, извлекают, дробят и превращают в мелкий порошок. При обжиге образуется оксид железа, проявляющий магнитные свойства, благодаря чему из водной взвеси его отделяют от пустой породы магнитной сепарацией. Магнитный оксид брикетируют обкаткой в барабане, затем слегка спекают до получения окатышей, пригодных для доменного процесса. Таким способом из бедной руды (ЖЕЛЕЗА ТРИАДЫ И ПЛАТИНОВЫХ МЕТАЛЛОВ20% оксида железа) получают почти чистый Fe3O4, который совместно с известняком и коксом используется для выплавки чугуна в доменной печи.

Современная доменная печь это цилиндрическая башня высотой около 30 м и диаметром около 8 м. Через горн печи снизу вверх продувают подогретый воздух. Шихта в печи состоит из железной руды, известняка (CaCO3) и кокса. Подогретый воздух окисляет кокс c образованием СО и выделением тепла, которое вызывает плавление шихты, при этом силикаты переходят в CaSiO3, или шлам. Далее происходит ступенчатое восстановление оксида железа, разное в различных температурных зонах печи и зависящее от количества кислорода и концентрации СO. Получаемый чугун содержит только 93% Fe, остальное составляют C, Si, P и газовые включения азота, кислорода и других газов. Для удаления примесей C, S и P проводят обжиг в отражательных печах. Добавки определенных металлов сообщают сплаву твердость, вязкость, механическую прочность и другие физические свойства, необходимые для стали. Кроме того, полученный сплав обычно подвергают операциям отжига и закалки для создания хорошей кристаллической структуры и распределения фаз. Основная масса доменного чугуна передельный чугун (С > 4%) идет на переплавку в сталь в конвертерах, мартеновских или электрических дуговых печах; литейный чугун (С 2,43,8%) применяют в машиностроении для изготовления чугунного литья

(см. также ЖЕЛЕЗО; МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ).

Кобальт. Металлический кобальт выделяют из руд, которые содержат много мышьяка, а также серебро в количестве, достаточном для промышленной переработки. Руду плавят с флюсом для получения сырого серебряного слитка, загрязненного штейна или сплава Co-As-Fe. Дополнительным обжигом удаляют As и Fe. Оставшиеся металлы, в том числе значительное количество меди, переводят в хлориды с помощью NaCl. Присутствующее серебро осаждают в виде AgCl. Водной вытяжкой в раствор переводят соли Co и Ni, которые затем осаждают в виде гидроксидов. Кобальт и никель очень похожи по химическим свойствам, поэтому их трудно отделить друг от друга. Разделение достигается благодаря тому, что Ni легко образует карбонил из NiO и CO, а кобальт нет. CoO восстанавливают до металла алюминием.

Никель. Никелевая руда в основном содержит смесь сульфидов никеля, меди и железа. При обжиге с дутьем воздуха и с песком в качестве флюса образуется смесь NiO и NiS. Большая часть железа переходит в шлак в виде силиката железа. При плавлении NiO-NiS в шахтной печи получают сплав Ni-Cu (штейн, который все еще содержит много серы). Штейн прокаливают в конвертере Бессемера, увеличивая содержание сплава Ni-Cu до 80%. Такой состав, все еще содержащий 20% серы, пригоден для использования в металлургии. Из этого сплава получают монель-металл, сплав, содержащий 70% Ni c добавками Cu, Fe и Mn. Чистые металлы можно получать из штейна комплексной переработкой, включая образование сульфидов в расплаве при добавлении Na2S. При этом NiS осаждается из расплава, а сульфиды меди и железа остаются в жидкой фазе. Полученный NiS после прокаливания образует NiO, из которого при восстановлении углеродом получают металл. Для получения металла высокой чистоты его растворяют и выделяют вновь электролитически. При этом среди прочих примесей на никелевом электроде осаждаются и платиновые металлы, которые с анода переходят в раствор при электролизе. Известен также карбонильный метод очистки никеля (Монд-процесс), при котором никель окисляют до оксида, затем получают летучий карбонил Ni(CO)4, при разложении которого образуется высокочистый никель.

Около половины получаемого никеля расходуется в производстве стали для повышения ее коррозионной стойкости и твердости. Он используется также для создания прочных покрытий на стальных изделиях; хотя хромовые покрытия предпочтительнее, лучшие результаты получаются при нанесении их на никелевую основу. Никелевый сплав пермаллой (78% Ni и 21% Fe) обладает высокой магнитной проницаемостью, что делает его ценным для использования в радиотехнике и системах связи. Американский "никель" пятицентовая монета состоит из сплава 25% Ni и 75% Cu, а "немецкое серебро" (нейзильбер) это сплав Ni-Zn-Cu с соотношением 1:1:2; высококоррозионностойкий сплав, используемый для изготовления термопар и обмотки катушек, состоящий из 74% Ni, 12% Fe, 11% Cr и 2% Mn, называется нихромом. Мелкодисперсный никелевый порошок применяется как эффективный катализатор гидрогенизации (например, конверсии масел в жиры).

Реакции. Все металлы триады железа реагируют с кислородом только при нагревании. Оксиды в низшей степени окисления имеют состав MO. Однако железо не образует оксид такого стехиометрического состава. В структуре оксида железа имеется дефицит железа и оксид отвечает формуле Fe0,95O, являясь нестехиометрическим соединением. При окислении Fe0,95O происходит окисление Fe2+ в Fe3+ с образованием Fe2O3. При этом обычно образуется оксид промежуточного состава Fe3O4. При добавлении щелочи к раствору соединений Fe2+ выпадает белый осадок Fe(OH)2, который быстро окрашивается в результате окисления и образования красного гидроксида железа(III) Fe(OH)3. При нагревании в восстановительной среде Fe(OH)2 выделяет оксид состава, близкого к FeO, который легко возгорается на воздухе. Кобальт и никель образуют оксиды строго стехиометрического состава CoO и NiO. В отличие от никеля, при добавлении к раствору Co2+ щелочи образуется светлоголубой Co(OH)2, быстро меняющий окраску на розовую и окисляющийся до состояния гидратированного оксида кобальта(III). При прокаливании CoO образуется Co3O4. Оксиды никеля и кобальта (NiO и CoO) получаются при разложении карбонатов NiCO3 и CoCO3. Соединения Co(III) окисляют воду с выделением кислорода. Гидратированный диоксид никеля NiO2*xH2O, получаемый электролитическим окислением NiO или Ni(OH)2, применяют в технологии аккумуляторов он служит катодом в никель-кадмиевых батареях ("никад", или NiO2-Cd), а также в железо-никелевом аккумуляторе Эдисона. Железо не образует оксидов со степенью окисления больше 3, но Fe(OH)3 или Fe2O3 можно окислить мощными окислителями в щелочной среде с образованием оксоанионов, что иллюстрирует амфотерный характер железа. Из гидроксида Fe(III) действием хлора в среде NaOH получают феррат(VI)-ион (FeVIO4)2, а из [[Fe(OH)6]]3 действием кислорода в присутствии Ba(OH)2 получают феррат(IV)-ион (FeIVO3)2, и наконец, феррат(V)-ион (FeVO4)3образуется из соединений Fe(II) под действием KO2. Соединения Fe(V) необычны для железа. Известен феррат(III)-ион FeIIIO2, образующийся из Fe2O3 и щелочи при высокой температуре; очевидно, что Fe(III) не проявляет ярко выраженной амфотерности.

Галогениды. Галогениды всех металлов триады железа образуются при непосредственном взаимодействии металлов с галогенами. Железо образует тригалогениды FeF3, FeCl3 и FeBr3, но не FeI3, так как иодид-ион окисляется железом(III) до свободного иода. FeCl3 существует в виде димера Fe2Cl6 (даже при 750° С в парах мало молекул мономера FeCl3), в чем он сходен с Al2Cl6. Кобальт со фтором образует CoF2 и CoF3, причем трифторид хороший фторирующий агент. Дигалогениды всех металлов триады и тригалогениды железа легко образуют комплексные соединения, как и следовало ожидать для переходных металлов. FeF3, например, образует комплексные ионы FeF52и FeF63. Cродство Fe(III) к OHпроявляется в гидролизе с образованием основных солей Fe(OH)Cl2 и Fe(OH)2Cl. Кобальт(III) слишком сильный окислитель, чтобы образовывать простые галогениды, хотя известны CoF3 и некоторые твердые соли Co(III), например Co2(SO4)3.

Комплексообразование. Состояние Co(III) можно стабилизировать в виде комплексного иона с помощью молекул или ионов, являющихся донорами электронной пары. Количество комплексных соединений Co(III) огромно и уступает, вероятно, только соединениям хрома. Донорами электронов или лигандами могут быть галогениды, аммиак, амины, диамины (например, этилендиамин NH2CH2CH2NH2), цианиды, органические кислоты, альдегиды, кетоны и многие другие соединения. Железо образует с цианид-ионом и ионом K+ темносиние комплексные ионы, например берлинскую лазурь Kfe[[Fe(CN)6]]. Другим важным комплексным соединением железа является нитропруссид натрия, красная соль состава Na2[[Fe(CN)5NO]]*2H2O, один из редких примеров положительно заряженного лиганда в комплексе: NO+ связан с Fe. Большой интерес для химиков представляет ферроцен Fe(C5H5)2 комплексное соединение Fe(II) c органической молекулой С5H6 (циклопентадиен) в качестве лиганда, имеющее структуру из двух органических молекул, между плоскостями которых находится железо. Такие соединения называются сандвичевыми. Аналогичные соединения образуют Co (кобальтоцен) и Ni (никелоцен).

Карбонилы. Наиболее необычный класс соединений представляют карбонилы, в которых переходный металл с координированными карбонильными группами образует связь с ионом металла или водорода. Пентакарбонил кобальта [[Co(CO)5]] образует натриевую соль Na[[Co(CO)5]], в которой степень окисления кобальта равна I, так как степень окисления CO равна 0. Другие необычные соединения известны для Ni, например, K2[[NiI(CN)3]], K4[[Ni0(CN)4]]. В соединении H2[[Fe(CO)4]] степень окисления железа равна II.

Сульфиды. Сульфиды FeS, CoS и NiS встречаются в составе природных руд. Их получают осаждением сероводородом из растворов солей M(II). FeS можно получить также прямым синтезом из металла и серы при нагревании, а также взаимодействием сероводорода с Fe2S3 при высоких температурах (7501000° С) в атмосфере H2.

Стереохимия. Соединения металлов триады железа отличаются разнообразием строения. Двухвалентные Ni(II) и Co(II) могут образовывать ионы со структурой типа плоского квадрата, тетраэдра или октаэдра; комплексные соединения Co(III) и Fe(III), как правило, содержат по 6 лигандов и имеют октаэдрические ионы, например

Составить слова из слова железа триады и платиновых металлов

ЖЕЛЕ́ЗО -а; ср.

1. Химический элемент (Fe), ковкий металл серебристого цвета, образующий в соединении с углеродом сталь и чугун.

2. Обиходное название малоуглеродистой стали, металла серебристого цвета. Ковать ж. Ветер стучит железом крыши.

3. О том, что является сильным, твёрдым, крепким (о внешних физических качествах). Руки у тебя - ж.! // О том, что является жёстким, непреклонным (о внутренних моральных качествах). Характер у него - ж.

4. Разг. О лекарстве, содержащем железистые вещества. Организму не хватает железа. Пить ж. Яблоки содержат ж.

5. Разг. техн. Аппаратные средства компьютера (в отличие от программных средств). Купить недостающее железо.

◊ Выжечь калёным желе́зом. Искоренять, уничтожать что-л., прибегая к крайним, чрезвычайным мерам. Куй желе́зо, пока горячо (см. Кова́ть).

◁ Желе́зный; Желе́зистый; Желе́зка; Желе́зина (см.).

* * *

желе́зо (лат. Ferrum), химический элемент VIII группы периодической системы. Блестящий серебристо-белый металл. Образует полиморфные модификации; при обычной температуре устойчиво α-Fe (кристаллическая решётка - кубическая объёмно-центрированная) с плотностью 7,874 г/см³. α-Fe вплоть до 769°C (точка Кюри) ферромагнитно; t_пл 1535°C. На воздухе окисляется - покрывается рыхлой ржавчиной. По распространённости элементов в природе железо находится на 4-м месте; образует около 300 минералов. На долю сплавов железа с углеродом и другими элементами приходится около 95% всей металлической продукции (чугун, сталь, ферросплавы). В чистом виде практически не используется (в быту железными часто называют стальные или чугунные изделия). Необходимо для жизнедеятельности животных организмов; входит в состав гемоглобина.

* * *

ЖЕЛЕЗО - ЖЕЛЕ́ЗО (лат. Ferrum), Fe (читается «феррум»), химический элемент, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s²p⁶d⁶4s². Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.

В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт (см. КОБАЛЬТ) и никель (см. НИКЕЛЬ). Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.

Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe²⁺ - 0,080 нм, иона Fe³⁺ - 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.

Железо высокой чистоты - это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.

Нахождение в природе

В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит (см. ГЕМАТИТ), Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит (см. МАГНЕТИТ), Fe₃О₄; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит (см. СИДЕРИТ), карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита (см. ПИРИТ) FeS₂ (другие названия - серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10^-5-1·10^-8% железа.

История получения железа

Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9 по 7 в. до н. э., когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, (см. ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК) пришедшего на смену бронзовому веку (см. БРОНЗОВЫЙ ВЕК). Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи - домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс (см. КОКС). В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства - домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

Физические и химические свойства

При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво b-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри (см. КЮРИ ТОЧКА)) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как g-модификацию железа, а b-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции d-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа - a, b, g и d- возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7,87 г/см³. Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ -0,447В, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +0,771В.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe₂О₃·хН₂О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂О₃, при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe₃О₄. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ). Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeСl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена (см. ФЕРРОЦЕН) состава [Fe(-C₅H₅)₂].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)₂. Оксид железа (III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)₂, основание Fe(ОН)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)₃ проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)₃ + КОН = К[Fe(ОН)₄]

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)_3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)Cl₂

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа (II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ - железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ - железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) - ферраты, например, феррат (VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами CNS^-. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами CNS^- образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4- выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4-.

Сплавы железа с углеродом

Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом - различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно - на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию - нагреванию при температуре около 1000 °C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей - шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300 °C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe₂O₃ + 3CО = 2Fe + 3CO₂

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие - летку - и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун - это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

Применение железа, его сплавов и соединений

Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа - чугун и сталь - составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.

Железо в организме

Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ) то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии (см. ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИ), использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза (см. ХЕМОСИНТЕЗ), могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа - участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков - гемопротеидов (см. ГЕМОПРОТЕИДЫ), простетической группой которых является железопорфириновый комплекс - гем (см. ГЕМ). Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин (см. ГЕМОГЛОБИН) и миоглобин, (см. МИОГЛОБИН) универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, (см. ЦИТОХРОМЫ) ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина (см. ФЕРРИТИН), осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови - около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

Составить слова из слова железо