Железо и его соединения

Железо встречается в строительных конструкциях, инструментах и машинах, но свойства стального предмета нельзя полностью приписывать чистому металлу. Сталь — сплав, а железная руда, ржавчина и раствор хлорида железа содержат соединения элемента Fe. Чтобы объяснить их превращения, нужно различать металлическое железо, соединения железа(II) и соединения железа(III).

Положение элемента и свойства металла

Порядковый номер железа — 26; оно находится в четвёртом периоде и группе 8. Электронная конфигурация атома — [Ar]3d⁶4s². В школьных задачах чаще всего встречаются степени окисления +2 и +3. Это не номера двух разных элементов, а разные состояния одного элемента в соединениях.

Чистое железо — серебристо-серый пластичный металл, проводящий электрический ток и притягивающийся магнитом при комнатной температуре. Углерод и другие добавки меняют свойства сплавов на его основе. Поэтому химически чистое железо, сталь и чугун различаются по твёрдости, хрупкости и устойчивости к коррозии.

В формулах соединений железа необходимо учитывать его степень окисления: FeCl₂ — хлорид железа(II), FeCl₃ — хлорид железа(III). Заменить одну формулу другой без изменения условий реакции нельзя.

Реакции металлического железа

Железо расположено в ряду активности до водорода и меди. В разбавленной соляной кислоте без дополнительных окислителей оно образует соль железа(II), выделяя водород:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑.

В растворе сульфата меди(II) железо восстанавливает ионы меди до металла. Само оно переходит в раствор:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu.

Продукт зависит от окислителя. Например, при взаимодействии железа с хлором образуется хлорид железа(III):

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃.

Холодные концентрированные азотная и серная кислоты могут пассивировать железо: на поверхности формируется защитный слой, замедляющий дальнейшее взаимодействие. Поэтому правило «металл до водорода выделяет водород из любой кислоты» неверно. Для кислот-окислителей нужно отдельно определять продукты восстановления и учитывать температуру и концентрацию.

Оксиды и гидроксиды

Дробная средняя степень окисления +8/3 в Fe₃O₄ не означает, что все атомы железа имеют такое состояние. Формальная запись FeO · Fe₂O₃ помогает подсчитать Fe(II) и Fe(III), но магнетит является отдельным кристаллическим веществом, а не механической смесью двух порошков.

При реакции оксида железа(III) с соляной кислотой степень окисления железа сохраняется:

Fe₂O₃ + 6HCl → 2FeCl₃ + 3H₂O.

Осаждение гидроксидов из растворов описывают сокращёнными ионными уравнениями:

Fe²⁺ + 2OH⁻ → Fe(OH)₂↓.

Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓.

Осадок Fe(OH)₂ в обычных условиях быстро приобретает зеленоватую окраску и затем буреет при окислении. Цвет зависит от чистоты и состояния образца. Условная школьная схема дальнейшего превращения:

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)₃.

Осаждение гидроксида и его последующее окисление — разные процессы. В первой реакции меняется состав частиц, во второй — степень окисления железа.

Получение железа и коррозия

В металлургии железо получают восстановлением его соединений. Суммарная схема восстановления оксида железа(III) монооксидом углерода при высокой температуре:

Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂.

Реальное производство включает несколько стадий и образование сплава, поэтому уравнение не описывает всю работу доменной печи. При коррозии во влажном воздухе происходит обратное по смыслу изменение: металлическое железо окисляется. Ржавчина содержит различные гидратированные оксиды и оксигидроксиды; считать её единственным чистым веществом Fe₂O₃ неточно.

Три разобранных примера

1. Как определить состав смешанного оксида?

Четыре атома кислорода в Fe₃O₄ дают суммарную степень окисления −8. Если один из трёх атомов Fe имеет +2, двум оставшимся соответствует +6, то есть по +3. Проверка:

(+2) + 2 · (+3) + 4 · (−2) = 0.

Таким образом, соотношение количества Fe(II) и Fe(III) равно 1 : 2.

2. Сколько водорода соответствует железу?

Для 5,6 г Fe, полностью реагирующего с избытком разбавленной HCl, используем M(Fe) ≈ 56 г/моль. По уравнению одному молю железа соответствует один моль водорода:

n(Fe) = 5,6 / 56 = 0,10 моль; n(H₂) = 0,10 моль.

Объём газа без указания температуры и давления из этого условия не определён однозначно.

3. Как найти теоретическую массу продукта?

Из 16 г чистого Fe₂O₃ при полном восстановлении получается железо. При M(Fe₂O₃) ≈ 160 г/моль:

n(Fe₂O₃) = 16 / 160 = 0,10 моль.

n(Fe) = 2 · 0,10 = 0,20 моль; m(Fe) = 0,20 · 56 = 11,2 г.

Это теоретический результат; примеси и неполный выход уменьшают массу полученного металла.

Частые ошибки

• Записывать FeCl₃ в реакции железа с разбавленной HCl без окислителя.
• Считать любой бурый продукт чистым оксидом с точно известным содержанием воды.
• Приписывать свойство одного сплава всем материалам на основе железа.
• Объяснять образование Fe(OH)₃ из Fe(OH)₂ одним добавлением воды, забывая окислитель.

Пять заданий

1. Составьте формулы сульфатов железа(II) и железа(III).
2. Запишите реакцию FeCl₃ с NaOH при осаждении гидроксида.
3. Какое количество OH⁻ соответствует осаждению 0,20 моль Fe²⁺?
4. Руда массой 40 г содержит 70% Fe₂O₃. Найдите теоретическую массу железа; остальные компоненты железа не содержат.
5. Почему холодная концентрированная HNO₃ не подчиняется обычной схеме реакции Fe с HCl?

Ответы с объяснениями

1. FeSO₄ и Fe₂(SO₄)₃: заряды Fe²⁺ или Fe³⁺ компенсируются зарядами SO₄²⁻.
2. На один катион Fe³⁺ нужны три гидроксид-иона:

   FeCl₃ + 3NaOH → Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.

3. По соотношению 1 : 2 требуется 0,40 моль OH⁻. Это стехиометрический расчёт по уравнению осаждения.
4. Масса оксида равна 28 г. Массовая доля железа в нём — 112/160:

   m(Fe) = 40 · 0,70 · 112 / 160 = 19,6 г.

5. Азотная кислота — окислитель; кроме того, в указанных условиях она пассивирует железо. Положение металла до водорода само по себе не определяет результат.

Связанные темы и источники

Повторите ряд активности металлов, получение металлов и сплавы и коррозию. Формулы гидроксидов связаны с темой оснований.

Для проверки фактов: Royal Society of Chemistry: железо; OpenStax: металлы и их соединения.