✅Залізо – хімія

Залізо Fe – елемент побічної підгрупи VIII групи 4-го періоду періодичної системи Д. І. Менделєєва.

Будова електронної оболонки атомів заліза дещо відрізняється від будови електронних оболонок атомів елементів головних підгруп.

Як і належить елементу 4-го періоду, атоми заліза мають чотири енергетичних рівні, але заповнюється у них не останній, а передостанній, третій від ядра, рівень.

На останньому ж рівні атоми заліза містять два електрони. На передостанньому рівні, який може вмістити 18 електронів, у атома заліза знаходяться 14 електронів. Отже, розподіл електронів за рівнями в атомах заліза таке.

Подібно всім металам, атоми заліза проявляють відновні властивості, віддаючи при хімічних взаємодіях не тільки два електрони з останнього рівня і набуваючи ступінь окислення +2, але часто і електрон з передостаннього рівня, при цьому ступінь окислення атома підвищується до +3.

Залізо – проста речовина. Це сріблясто-білий блискучий метал з температурою плавлення +1539 ° С. Дуже пластичний, тому легко обробляється, кується, прокатується, штампується.

Залізо має здатність намагнічуватися і розмагнічуватися, тому застосовується як осердя електромагнітів в різних електричних машинах і апаратах. Йому можна додати велику міцність і твердість методами термічного і механічного впливу, наприклад за допомогою гарту і прокатки.

Розрізняють технічно чисте і хімічно чисте залізо. Технічно чисте залізо являє собою низьковуглецеву сталь, воно містить 0,02-0,04% вуглецю, а кисню, сірки, азоту та фосфору – ще менше.

Хімічно чисте залізо містить менше 0,01% домішок.

З технічно чистого заліза зроблені, наприклад, канцелярські скріпки і кнопки. Таке залізо легко кородує, в той час, як хімічно чисте залізо майже не піддається корозії. Очевидно, знаменита Делійська колона зроблена з чистого заліза.

Перші зразки заліза, що потрапив у руки людини, мабуть, були метеоритного походження. Про знайомство людини в давнину з залізом космічного походження говорить факт наявності у жителів Гренландії, які не мали ніякого поняття про залізну руду, виробів із заліза.

Алхіміки позначали залізо у вигляді списа і щита – характерних атрибутів бога війни Марса.

В даний час залізо – це основа сучасної техніки і сільськогосподарського машинобудування, транспорту та засобів зв’язку, космічних кораблів і взагалі всієї сучасної цивілізації. Більшість виробів, починаючи від швейної голки і кінчаючи космічними апаратами, не може бути виготовлене без застосування заліза.

Переходячи до опису хімічних властивостей заліза, повторимо, що воно може проявляти ступені окиснення +2 і +3, відповідно залізо дає два ряди сполук.

Число електронів, яке атом заліза віддає при хімічних взаємодіях, залежить від окислювальної здатності реагують з ним речовин. Наприклад, з галогенами (крім йоду) залізо утворює галогеніди, в яких воно має ступінь окислення +3.

Розчиняється залізо і в розведеній азотній кислоті, при цьому утворюються нітрат заліза (III), вода і продукт відновлення азотної кислоти – азот N₂, оксид азоту (II) NO або аміак NH₃ (нітрат амонію NH₄NO₃) залежно від концентрації кислоти.

Концентровані сірчана і азотна кислоти пасивують залізо, утворюючи на поверхні металу щільну, міцну оксидну плівку.

З’єднання заліза

За поширеністю в земній корі залізо займає четверте місце серед всіх елементів (після кисню, кремнію і алюмінію).

У природі залізо утворює ряд мінералів. Це магнітний залізняк (магнетит) Fe₃O₄, червоний залізняк (гематит) Fe2O3, бурий залізняк (лимонит) 2Fe₂O₃ • ЗН₂O. Всі вони використовуються в чорній металургії для виробництва чавуну і сталі.

Ще одне природне з’єднання заліза – залізний, або сірчаний, колчедан (пірит) FeS2 – не служи залізною рудою для отримання металу, але застосовується для виробництва сірчаної кислоти.

Як вже було сказано вище, для заліза характерні два ряди сполук: сполуки заліза (II) і заліза (III).

Кристалогідрат сульфату заліза (II) FeSO4 • 7Н2O, відомий під назвою залізний купорос, застосовують для боротьби зі шкідниками рослин, для приготування мінеральних фарб, для обробки деревини і в інших цілях.

Хлорид заліза (III) FeCl3 використовують при очищенні води, як протравлення при фарбуванні тканин.

Сульфат заліза (III) Fe2 (SO4) 3 • 9Н2O застосовують при очищенні води, як розчинник в гідрометалургії і в інших цілях.

Для розпізнавання сполук заліза (II) і (III) проводять якісні реакції на іони Fe2 + і Fe3 +. Якісною реакцією на іони заліза (II) Fe2 + служить реакція солей заліза (II) із з’єднанням, формула якого, званим червоної кров’яної сіллю. Зі сполуками такого типу вам ще належить познайомитися в старшій школі.

Залізо: будова атома, схема і приклади. Електронна будова атома заліза

Розглянемо електронну будову атома заліза, а також його розташування в таблиці Менделєєва. Виявимо основні фізичні та хімічні властивості даного елемента, області використання.

• Положення ПС
• Особливості будови атома
• Перебування в природі
• Значення для рослин і тварин
• Фізичні властивості
• Різновиди заліза
• Варіанти отримання
• Особливості хімічних властивостей
• Області застосування

Положення ПС

Залізо є д-елементом 8 групи (побічної підгрупи). Має 26 порядковий номер, відносну атомну масу – 56, в його атомі міститься 26 протонів, 26 електронів, а також 30 нейтронів. Даний метал має середню хімічну активність, проявляє відновлювальні властивості. Характерні ступені окислення: +2, +3.

Особливості будови атома

Що собою являє електронна схема будови атома заліза? Якщо розглядати розподіл електронів за енергетичними рівнями, отримаємо наступний варіант:

2є; 8е; 14 е; 2є. Така будова електронної оболонки атома заліза свідчить про його розташування в побічній підгрупі, підтверджує приналежність до д-сімейству елементів.

Перебування в природі

Залізо є одним з найбільш поширених у природі хімічних елементів. У земній корі його відсоткове утримання становить близько 5,1%. У більшій кількості в надрах нашої планети присутні тільки три елементи: кремній, алюміній, кисень.

Залізні руди зустрічаються в різних регіонах Землі. Алхіміками були виявлені сполуки даного металу в грунтах. При виробництві заліза вибирають руди, в яких його вміст перевищує 30 відсотків.

Магнітний залізняк містить приблизно сімдесят двох відсотків металу. Основні родовища магнетиту розташовуються в Курській магнітній аномалії, а також на Південному Уралі. У кривавику кількість заліза сягає 65 відсотків. Гематит було виявлено в Криворізькому районі.

Значення для рослин і тварин

Яку роль у живих організмах виконує залізо? Будова атома пояснює його відновлювальні властивості. Цей хімічний елемент входить до складу гемоглобіну, надаючи йому характерне червоне забарвлення. Близько трьох грамів чистого заліза, велика частина якого включена в гемоглобін, виявлена в організмі дорослої людини. Основним призначенням є перенесення до тканин з легких активного кисню, а також виведення вуглекислого газу, що утворюється.

Необхідний цей метал і рослинам. Входячи до складу цитоплазми, він бере активну участь у процесах фотосинтезу. Якщо у рослині недостатньо заліза, його листя має біле забарвлення. При мінімальних підживленнях солями заліза листя рослин набувають зеленого кольору.

Фізичні властивості

Ми розглянули будову атома заліза. Схема підтверджує наявність у даного елемента металевого блиску (є валентні електрони). У сріблясто-білого металу досить висока температура плавлення (1539 градусів за Цельсієм). Завдяки хорошій пластичності цей метал легко піддається прокатці, штампуванню, ковці.

Здатність до намагання і розмагнічування, характерна для заліза, зробила його відмінним матеріалом для виробництва серцевиків потужних електромагнітів в різних апаратах і електричних машинах.

Наскільки активно залізо? Будова атома показує наявність на зовнішньому рівні двох електронів, які будуть віддані в ході хімічної реакції. Для збільшення його твердості і міцності здійснюють додаткову прокатку і загартування металу. Такі процеси не супроводжуються зміною будови атома.

Різновиди заліза

Електронна будова атома заліза, схема якого була розглянута вище, пояснює його хімічні характеристики. У технічно чистому металі, що є низьковуглецевою сталлю, основним компонентом є залізо. Як домішки виявлено близько 0,04 відсотка вуглецю, також присутні фосфор, азот, сірка.

Хімічно чисте залізо за своїми зовнішніми параметрами аналогічно платині. Воно має підвищену стійкість до процесів корозії, стійке до дії кислот. При найменшому введенні домішок у чистий метал його унікальні характеристики зникають.

Варіанти отримання

Будова атомів алюмінію і заліза свідчить про приналежність амфотерного алюмінію до головної підгрупи, можливості використання його в процесі виділення заліза з його оксидів. Алюмотермія, здійснювана при підвищеній температурі, дозволяє виділяти чистий метал з природних руд. Крім алюмінію в якості сильних відновлювачів вибирають водень, оксид вуглецю (2), вугілля.

Особливості хімічних властивостей

Які хімічні властивості має залізо? Будова атома пояснює його відновлювальну активність. Для заліза характерне утворення двох рядів сполук, що мають ступені окислення + 2, + 3.

У вологому повітрі відбувається процес іржавлення (корозії) металу, в результаті утворюється гідроксид заліза (3). З киснем нагрітий залізний дріт реагує з появою чорного порошку оксиду заліза (2,3), званого залізною окаліною.

При високій температурі метал здатний взаємодіяти з парами води, утворюючи при цьому змішаний оксид. Процес супроводжується виділенням водню.

Реакція з неметаллами відбувається тільки при попередньому нагріванні вихідних компонентів.

Залізо можна розчинити в розбавленій сірчаній або соляній кислотах без попереднього підігріву суміші. Концентровані сірчана і соляна кислоти пасивують цей метал.

Які ще хімічні властивості має залізо? Будова атома цього елемента свідчить про його середню активність. Це підтверджується розташуванням заліза до водню (N2) в ряду напружень. Отже, воно може витісняти з солей всі метали, що розташовуються правіше в ряду Бекетова. Так, у реакції з хлоридом міді (2), що здійснюється при нагріванні, відбувається виділення чистої міді та отримання розчину хлориду заліза (2).

Області застосування

Основну частину всього заліза використовують у виробництві чавуну і сталі. У чавуні відсотковий вміст вуглецю становить 3-4 відсотки, в сталі – не більше 1,4 відсотків. Цей неметал виконує функцію елемента, що підвищує міцність з’єднання. Крім того, він позитивно впливає на корозійні властивості сплавів, підвищує стійкість матеріалу до підвищеної температури.

Додатки ванадію необхідні для підвищення механічної міцності сталі. Хром збільшує стійкість до дії агресивних хімічних речовин.

Ферромагнітні властивості цього хімічного елемента зробили його затребуваним у промислових установках, що включають до складу електромагніти. Крім того, залізо знайшло своє використання і в сувенірній промисловості. На його основі виготовляють різні сувеніри, наприклад барвисті магнітики на холодильник.

Міцність і ковкість дозволяють застосовувати метал для створення броні, різних видів зброї.

Хлорид заліза (3) застосовують для очищення води від домішок. У медицині 26 елемент періодичної системи Менделєєва застосовують при лікуванні такого захворювання, як анемія. У разі нестачі червоних кров’яних тілець виникає швидка стомлюваність, шкіра набуває неприродного блідого кольору. Препарати заліза допомагають усувати подібну проблему, повертати організм до повноцінної діяльності. Особливе значення залізо має для діяльності щитовидної залози, печінки. Щоб в організмі людини не виникало серйозних проблем, достатньо вживати в день близько 20 мг цього металу.

§ 13. Кількість речовини. Число Авогадро

Для розрахунків за хімічними реакціями починаючи з XIX століття хіміки використовували масові співвідношення реагентів. Такі співвідношення були дуже зручні: вимірюючи масу речовин у грамах, учені ніби оперували молекулами. У ті часи вважали, що молекула — це така кулька, що має певну відносну молекулярну масу. Порцію речовини, що дорівнює відносній молекулярній (або атомній) масі, виражену в грамах, назвали грам-молекулою, або молем.

Поняття «моль»

У хімічних реакціях беруть участь молекули (атоми або йони), і правильніше було б ураховувати не масу речовин, які беруть участь у реакції, а число реагуючих частинок. Наприклад, у рівнянні утворення води:

ми бачимо, що з 2 молекулами водню реагує 1 молекула кисню й утворюються 2 молекули води. Цифри перед хімічними формулами — коефіцієнти — указують на число молекул, які реагують одна з одною. Окремі атоми й молекули можна порахувати в штуках. Але атоми й молекули дуже малі, і майже неможливо провести реакцію з 1 або 2 молекулами. Оскільки в речовині величезна кількість молекул (кількість речовини), для зручності підрахунку використовують спеціальну величину — моль.

• Кількість речовини — це визначене число будь-яких частинок, атомів, молекул, йонів тощо. Одиниця вимірювання кількості речовини — моль.

Вирішено було за 1 моль прийняти стільки атомів Карбону, скільки міститься у 12 г (або 0,012 кг) 12 С. Скільки ж там атомів? Давайте порахуємо.

Маса одного атома Карбону становить 1,993 · 10 -23 г. Тоді у 12 г (1 моль) міститься

Частинки (атоми, молекули, йони, а також електрони, протони тощо) називають іще структурними одиницями.

Звідси таке визначення моль:

• Моль — це кількість речовини, в якій число частинок дорівнює 6,02 · 10 23 , що відповідає кількості атомів у 0,012 кг Карбону 12 С. Моль позначають латинською буквою n.

Число частинок в 1 моль називають числом, або сталою Авогадро — на честь знаменитого італійського хіміка Амедео Авогадро й позначають N_A.

Як слідує з визначення:

N_A = 6,02 · 10 23 1/моль

Точне значення N_A =(6,02245 ± 0,000031) · 10 23 1/ моль.

Стала Авогадро універсальна. Вона вказує число частинок у 1 моль речовини в будь-якому агрегатному стані: твердому, рідкому, газуватому.

Якщо взяти масу якої-небудь речовини, що дорівнює її відносній молекулярній (атомній, формульній) масі, то в ній обов’язково буде 6,02 · 10 -23 атомів, молекул або йонів (залежно від будови речовини), тобто 1 моль.

Є безліч прикладів, які показують наскільки великим є число Авогадро. Підраховано, наприклад, що, якщо взяти таку кількість однодоларових банкнот, то ними можна встелити всю земну кулю шаром 2 метри.

На письмі термін «моль», якщо він використаний при числі, не відмінюється. Так, 1 л води (1 кг або 1000 г) містить приблизно 55,5 моль води. Якщо ж термін «моль» використовується сам по собі, то він відмінюється. Наприклад, правильно записати питання потрібно так: «Знайдіть, яка кількість речовини (в молях) міститься в 1 л води». Відмінюється термін «моль» і в усному мовленні.

1971 р. рішенням 14-ї Генеральної конференції щодо мір і вагів моль був уведений у Міжнародну систему одиниць (СІ) як сьома основна одиниця.

Зверніть увагу, що число частинок у молі однакове, але маса й об’єм 1 моль різних речовин будуть різними, оскільки є різними частинки, які входять до складу моля.

Приклад. Одна молекула H₂SO₄ має значно більшу масу й об’єм, ніж 1 молекула Н₂, тому маса й об’єм 1 моль H₂SO₄ теж будуть більші.

Для кращого розуміння наведемо декілька прикладів:

ДЕ І ЯК ЗАСТОСОВУВАТИ ПОНЯТТЯ «МОЛЬ»

• Оскільки моль — це, власне, певна кількість штук частинок, то коефіцієнти в рівняннях показують не тільки кількість реагуючих молекул, але й число молів (кількість речовини) молекул.

Повернемося до рівняння синтезу води. Ми не могли працювати з 1 або 2 молекулами, але, якщо збільшити число частинок, узятих для реакції, у 6,02 · 10 23 рази, одержимо величини, з якими можна реально проводити хімічні реакції. Тоді ми можемо написати:

Зверніть увагу! З точки зору математики, переходячи від числа окремих атомів або молекул до числа молів, ми завжди використовуємо один і той самий множник — 6,02 · 10 23 . Математичне співвідношення залишається тим же. Отже, поняття «моль» ми можемо використовувати під час хімічних розрахунків за хімічними реакціями або хімічними формулами. У хімічних формулах індекси — співвідношення чисел атомів кожного сорту в молекулах — показують також число молів атомів кожного елемента.

Приклад

В 1 моль HNO₃ 1 моль атомів Н, 1 моль атомів N і 3 моль атомів О — відповідно до індексів.

Запис 4HNO₃ показує, що взято 4 моль молекул нітратної кислоти. У 4 моль молекул HNO₃ міститься 4 моль атомів Гідрогену, 4 моль атомів Нітрогену й 12 моль атомів Оксигену. Усього 20 моль атомів.

Тут ключові слова «моль молекул» і «моль атомів». Тому будьте уважні, коли читаєте питання задачі.

— Можна сказати, що в 1 моль пеналів (Н₂О) міститься 1 моль кулькових ручок (О) і 2 моль олівців (2Н).

— Я слово «моль» співвідношу зі словом «штука».

Зверніть увагу: якщо в задачі запитують про кількість речовини, то потрібно рахувати число молів.

Розрахунки, пов’язані з кількістю речовини

Визначити кількість речовини, якщо відомо число структурних одиниць, можна за формулою:

де n — кількість речовини (моль);

N — загальне число частинок;

N_А — число Авогадро.

Виходячи з цієї формули, загальне число частинок дорівнює:

N = n · Ν_А

— Це зрозуміло! От, наприклад, у нас є 12 яблук (це загальне число). Кошичок уміщує 6 яблук. Тоді, мабуть, потрібне число кошичків дорівнюватиме

Так само і з молями.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

• 1. Що таке кількість речовини?
• 2. В яких одиницях виражають кількість речовини?
• 3. Що показує стала Авогадро?

ВИКОНАЙТЕ ЗАВДАННЯ

1. Установіть відповідність.

Кількість речовини

Число частинок

3 моль йонів S 2-

0,25 моль молекул СО₂

1,2 моль атомів Cu

2. Яка кількість речовини атомів кожного елемента необхідна для утворення 1 моль:

3. Яка кількість речовини кожного елемента міститься у 2 моль H₃PO₄, PH₃, Fe₂O₃, Ca(OH)₂, NaOH?

4. Укажіть число молів реагентів і продуктів реакції в рівнянні:

5. Яка кількість речовини атомів кожного елемента міститься:

6. Яка кількість речовини йонів Ca 2+ і NO – ₃ міститься:

• а) в 1 моль речовини Ca(NO₃)₂;
• б) у 0,5 моль;
• в) у 5 моль цієї речовини?

7. В якій кількості речовини SiO₂ міститься 0,5 моль О? 4 моль Si?

8. Заповніть таблицю:

n(О)

n(Р)

N(O)

N(P)

Підказка: спочатку знайдіть n(P₂O₅).

РОЗВ’ЯЗАННЯ ЗАДАЧ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ПОНЯТТЯ «МОЛЬ»

Задачі, в яких відомо або кількість речовини, або загальне число частинок (молекул, атомів, йонів)

Розв’яжіть задачі, користуючись прикладами.

Приклад 1. Скільки молекул міститься в 0,25 моль кисню?

Пояснення до розв’язання:

За формулою N = n · N_A знаходимо число молекул кисню:

N(O₂) = 0,25 моль · 6,02 · 10 23 1/моль = 1,505 · 10 23 .

Відповідь: у 0,25 моль кисню міститься 1,505 · 10 23 молекул цього газу.

1. Визначте число молекул, які містяться в 3 моль H₂O.

Відповідь: 1,806 · 10 24 .

2. Визначте число молекул, які містяться у 8 моль карбон(ІІ) оксиду.

Відповідь: 4,816 · 10 24 .

3. Визначте число атомів, які містяться в 0,7 моль Карбону (алмаза).

Відповідь: 4,214 · 10 23 .

4. Скільки молекул міститься:

• а) в 1 моль амоніаку (NH₃);
• б) у 6 моль амоніаку;
• в) у 0,5 моль амоніаку?

Відповідь: а) 6,02 · 10 23 ; б) 3,612 · 10 24 ; в) 3,01 · 10 23 .

Приклад 2. Яку кількість речовини становить 3,612 · 10 23 атомів Фосфору?

Пояснення до розв’язання:

Відповідь: кількість речовини атомів Фосфору = 0,6 моль.

5. Яка кількість речовини становить:

• 6,02 · 10 23 атомів Магнію;
• 3,01 · 10 23 молекул води;
• 1,204 · 10 24 молекул хлору?

Відповідь: 1 моль; 0,5 моль; 2 моль.

6. Яка кількість речовини становить 4 · 10 25 молекул нітроген(ІІ) оксиду?

Відповідь: 66 моль.

Зверніть увагу на ступінь числа 10! За необхідністю слід згадати обчислення зі ступенями з курсу математики.

7. Більшу кількість речовини становить 24 · 10 22 або 2 · 10 24 атомів Алюмінію?

Відповідь: більшу кількість речовини алюмінію становить 2 · 10 24 атомів Алюмінію.

8. Установіть відповідність.

• а) 6 · 10 23
• б) 1,505 · 10 24
• в) 1,505 · 10 23
• 1) 2,5 моль
• 2) 0,25 моль
• 3) 1 моль

Відповідь: а) 3; б) 1; в) 2.

9. Скільки атомів Оксигену міститься у 2 моль води?

Тут потрібно звернути увагу на питання задачі: атомів Оксигену! В 1 моль молекул H₂O 1 моль атомів Оксигену, у 2 моль — 2H₂O — 2 моль атомів Оксигену. (Коефіцієнт 2, який стоїть перед H₂O, має відношення до всієї формули, отже, у 2 моль молекул H₂O 4 моль атомів Гідрогену й 2 моль атомів Оксигену. Ключові слова «молекула» й «атом».)

Відповідь: 1,204 · 10 24 .

10. Скільки атомів Гідрогену міститься у воді кількістю речовини 2 моль?

Відповідь: 2,408 · 10 24 .