Железо — простое вещество. Это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
Различают технически чистое и химически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02—0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора — еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Из технически чистого железа сделаны, например, канцелярские скрепки и кнопки. Такое железо легко корродирует, в то время как химически чистое железо почти не подвергается коррозии.
Первые образцы железа, попавшего в руки человека, очевидно, были метеоритного происхождения. О знакомстве человека в древности с железом космического происхождения говорит факт наличия у жителей Гренландии, не имевших никакого понятия о железной руде, изделий из железа. Алхимики обозначали железо в виде копья и щита — характерных атрибутов бога войны Марса.
В настоящее время железо — это основа современной техники и сельскохозяйственного машиностроения, транспорта и средств связи, космических кораблей и вообще всей современной цивилизации. Большинство изделий, начиная от швейной иглы и кончая космическими аппаратами, не может быть изготовлено без применения железа.
Переходя к описанию химических свойств железа, повторим, что оно может проявлять степени окисления +2 и +3, соответственно железо дает два ряда соединений. Число электронов, которое атом железа отдает при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, с галогенами железо образует галоге-ниды, в которых оно имеет степень окисления +3:
Железо всюду
Железо – один из самых важных металлов. В таблице Менделеева трудно найти другой металл, с которым была бы так неразрывно связанна история цивилизации. В древности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота. Лишь представители знати могли украшать себя изделиями из этого металла, причём нередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготовляли даже обручальные кольца.
По мере развития металлургии этот металл становился доступнее и нужнее. Тем не менее, ещё сравнительно недавно многие отсталые народы не имели о железе ни малейшего представления.
Первое железо, попавшее ещё в глубокой древности в руки человека, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения. Этот металл входит в состав метеоритов, падающих на нашу планету. Метеорное вещество выпадает ежегодно тысячами тонн на Землю, и содержит до 90% железа. Самый крупный железный метеорит найден в 1920 году в юго-западной части Африки. Он весит около 60 тонн.
Железо – один из самых распространённых элементов: в земной коре его содержится около 5%. Однако лишь примерно сороковая часть запасов этого металла сконцентрирована в виде месторождений, пригодных для разработок. Основные рудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк, сидерит. Магнетит содержит до 72% железа, как показывает его название, обладает магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк, содержит до 70% железа. Название этого минерала произошло от греческого слова «гемма» — кровь. Само же слово «железо» произошло, как полагают одни учёные, от санкритского слова «джальжа» — металл, руда. Другие считают, что в основе русского названия элемента лежит санкритский корень «жель», означающий «блистать», «пылать».
Железо содержится в морской воде и на дне океанов. Если извлечь всё железо, растворённое в воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты, причём за всё существование человечества произведено около 6 тонн на каждого человека. Железо образуется на дне океанов в виде железомарганцевых отложений. Они находятся в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях, и даже озёрах. В центре этих образований обычно располагается какой-либо предмет, например зуб акулы, а вокруг него образуется железо путём нарастания концентрированных колец осадков.
Без железа невозможна жизнь животных, растений и человека. Оно содержится в живых организмах, и без него не осуществимы жизненно важные процессы, без протекания которых всё живое обречено на гибель.
В растительном мире роль железа очень важна. За исключением железобактерий, все живые организмы – от растений до человека — связывают вдыхаемый кислород в сложные соединения. В центре их молекул находится атом металла. Для растений – это атом магния, для животных – атом железа. Железо необходимо для образования хлорофилла, который обуславливает усвоение растениями углекислоты при помощи поглощаемой ими энергии солнечного света. Хотя железо не входит в состав хлорофилла, без него этот пигмент не образуется.
Недостаток железа в почве вызывает железное голодание растений и заболевание – хлороз. Наиболее чувствительны к недостатку железа плодовые деревья – яблоня, груша, слива, персик, цитрусовые, а так же малина и виноград. Применение комплексных препаратов, содержащих железо, помогло увеличить урожай яблок и других культур.
В конце XIX века немецкий учёный Лидге опубликовал исследование о зависимости произрастания различных пород деревьев от содержания в почве различных минералов. Он заметил, что в Прирейнских провинциях залежи железа покрыты преимущественно берёзовым лесом, тогда как в окрестности их, не имеющих железных руд, растут дуб, бук и другие породы деревьев. Учёный установил зависимость роста известных пород деревьев от наличия тех или иных минеральных солей в почве. Благодаря этому было открыто месторождение меди в центре Казахстана.
Существует наука, занимающаяся поисками руд по растениям – биогеохимия. Таких растений — «геологов» известно более 40 видов. К ним относят соссюрею или горькушу, многолетнее травянистое растение, произрастающее в Средней Азии, Сибири, на Дальнем Востоке. Учёные так же установили, что зола из листьев берёзы имеет бурый цвет, если она росла на железорудном месторождении. Способность некоторых растений и живых существ накапливать химические элементы из окружающей среды иногда поразительна. Так биологи обнаружили у морского огурца «умение» синтезировать обыкновенное железо в виде круглых шариков не превышает 0.002мм. Этот феномен – новое свидетельство того, что живые организмы способны осуществлять процессы, для нормального протекания которых нужны большие температуры и высокое давление. Это наводит ученых на мысль о возможности существования биометаллургии. Железо и его свойства
Железо Fe – элемент побочной подгруппы VIII группы и 4-го периода Периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер этого элемента – 26, а массовое число равно 56,847. Атомы железа устроены несколько отличительно от атомов главных подгрупп: он имеет 4 энергетических уровня, но заполняется у них не последний, а предпоследний, третий от ядра, уровень. На последнем уровне атомы железа содержат два электрона. На предпоследнем уровне, который может вместить 18 электронов, у атома железа находятся 14. Следовательно, распределение электронов по уровням в атомах железа таково: 2е, 8е, 14е, 2е.
Ценным его свойством является способность легко окисляться и восстанавливаться, образовывать сложные соединения со значительно отличающимися биохимическими свойствами. При химических взаимодействиях атом железа может отдать не только два электрона последнего уровня, но и электрон предпоследнего. Таким образом, основными степенями окисления атома железа могут быть +2 и +3.
Если рассматривать железо как простое вещество, то это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, кусается, прокатывается и штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, ему можно подарить прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
При химическом взаимодействии атом железа будет образовывать два ряда соединений, так как он может проявлять две различные степени окисления. Число электронов, которое атом железа отдаёт при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, в реакциях с галогенами железо образует галогеноиды, в которых оно имеет степень окисления +3:
2Fe + 3CI2 = 2FeCI3
а с серой – сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
Раскалённое железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины:
3Fe + 2O2 = Fe3O4
При высокой температуре (700 — 900°С) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2^
В соответствии с положением железа в электрохимическом ряду напряжений оно может вытеснять металлы, стоящие правее него, из водных растворов их солей, например:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
В разбавленной соляной и серной кислотах железо растворяется, т. е. окисляется ионами водорода:
Fe + 2HCI = FeCI2 + H2^
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2^
Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, при этом образуются нитрат железа (III), вода и продукт восстановления азотной кислоты – N2 ,NO или NH3(NH4NO3) в зависимости от концентрации кислоты. Сплавы железа
В природе чистое железо не существует. Оно входит в состав ряда минералов. К ним относятся магнитный железняк (магнетит) Fe3O4, красный железняк (гематит) Fe2O3, бурый железняк (лимонит) 2Fe2O3*3H2O. Все эти минералы используются в чёрной металлургии для производства чугуна и стали.
Чугун – это сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4% углерода, а так же марганец, кремний, фосфор, и серу. Чугун Значительно твёрже железа, но обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Различают два вида чугуна, к которым относятся серый и белый сплавы.
Серый чугун содержит 1,7-4,3% углерода, 1,25-4,0% кремния и до 1,5% марганца. Это сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Углерод находится в этом сплаве в свободном состоянии и придаёт ему мягкость. Серый чугун используется для производства литых деталей.
Белый чугун содержит в себе 1,7-4,3% углерода, более 4% марганца, но очень мало кремния. Углерод в этом сплаве содержится в основном в виде цементита – карбида железа Fe3Cl, который твердость и хрупкость. Белый чугун используется для переработке стали.
Сталь – сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на углеродистую и легированную.
Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие, средние и твёрдые, причём, чем больше в сплаве углерода, тем она твёрже. Из мягкой и средней твёрдости сталей делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой – различные инструменты.
Легированная сталь – это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены ещё специальные добавки, такие как хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др. Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии. Такие стали применяются в строительстве, а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах и служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.
Чугун и сталь – более прочные материалы, чем само железо. Эти сплавы – основа развития техники и важнейший материал искусства.
Существует ещё одно природное соединение железа – железный, или серный, колчедан (пирит) FeS2. Он не служит железной рудой для получения металла, но применяется для производства серной кислоты. Соединения железа
Как уже было сказано выше, для железа характерны два ряда соединений: соединения железа(II) и железа(III).
Оксид железа(II) FeO и соответствующий ему гидроксид железа(II) Fe(OH)2 получают косвенно, в частности по следующей цепи превращений:
Fe > FeCI2 > Fe(OH)2 > FeO
Оба соединения имеют ярко выраженные основные свойства.
Катионы железа(II) Fe2+ легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями до катионов железа(III) Fe3+. Поэтому белый осадок гидроксида железа(II) Fe(OH)2 на воздухе сначала приобретает зелёную окраску, а затем становится бурым, превращаясь в гидроксид железа(III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3
Оксид железа(III) Fe2O3 и соответствующий ему гидроксид железа(III) Fe(OH)3 также получают косвенно, например по цепочке:
Fe > FeCI3 > Fe(OH)3 > Fe2O3
Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфиды и хлориды.
Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO*7H2O, известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.
Хлорид железа(III) FeCI3 используют в качестве протравы при крашении тканей.
Сульфат железа(III) Fe2(SO4)3*9H2O применяется при очистке воды и в других целях. Для распознавания соединений железа(II) и (III) проводят качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+. Такой реакцией служит реакция солей железа с соединением K3(Fe(CN)6), называемым красной кровяной солью. В растворе она диссоциирует:
K3(Fe(CN)6) = 3K+ + (Fe(CN)6)3-
Реактивом на ионы является другое комплексное соединение – желтая кровяная соль – K4(Fe(CN)6), которая в растворе диссоциирует аналогично:
K4(Fe(CN)6) = 4K+ + (Fe(CN)6)4-
Если к растворам, содержащим ионы Fe2+ или Fe3+, прилить, соответственно, растворы красной кровяной соли (реактив на Fe2+ ) и желтой кровяной соли (реактив на Fe3+ ), то в обоих случаях выпадает одинаковый синий осадок:
FeCI2 + K3 (Fe(CN)6 ) 3+ 2+
> KFe(Fe(CN)6 )v + KCI
FeCI3 + K4 (Fe(CN)6 )
Для обнаружения ионов Fe3= ещё используют взаимодействие солей железа(III) с роданидом калия KNCS или аммония NH4 NCS. При этом образуется ярко окрашенный ион FeNCS2+, в результате чего весь раствор приобретает интенсивно-красный цвет:
Fe3+ + NCS – FeNCS2+
Роль железа в организме человека и других живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кослорода от органов дыхания к другим органам и биологическим тканям.
Впервые железо в организме человека учёные обнаружили в XIII веке. Биологическая роль железа
Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на две класса. Один из них – макроэлементы, а другой – микроэлементы.
Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах (порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем одну функцию.
Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют независимые микроэлементы, суточная потребность в которых не превышает нескольких миллиграммов, то есть, сопоставима с потребностью в витаминах.
Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15 микроэлементов, большинство из которых выполняет, по меньшей мере, какую-нибудь одну из трёх возможных функций. Во-первых, незаменимый микроэлемент сам по себе может обладать каталитической активностью по отношению к той или иной химической реакции, скорость которой значительно возрастает в присутствии ферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. Во-вторых, ион металла может образовывать комплекс одновременно с активным центром фермента, в результате чего происходит их сближение и переход в активную форму. И, в-третьих, ион металла может играть роль мощного акцептора электронов на определённой стадии.
Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которых изучены наиболее полно. Значение железа для организма человека трудно переоценить. Подтверждением этому может быть не только большая его распространенность в природе, но и важная роль в сложных процессах, происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа определяется многократностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложных биохимических процессах, активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающем нормальное функционирование тканей и организма человека. Дефицит железа в организме человека
В истории медицины известен такой печальный случай. Один студент-химик решил подарить своей возлюбленной кольцо, сделанное из железа собственной крови. Выпуская время от времени кровь, он получал соединение, из которого химическим путём он выделял железо. Юноша погиб от наступившего малокровия. Он так и не собрал нужного количества железа для изготовления кольца. Бедняга не знал, что общее содержание железа в крови взрослого человека составляет в среднем 3-4 грамма, чего хватит разве что на два сапожных гвоздика
При нехватке железа в организме человека возникает его дефицит. В общем виде дефицит железа развивается при нарушении баланса между поступлением и потерями железа из организма. Его выделение ограничено.
При недостатке железа человек начинает быстро утомляться, возникают головные боли, появляется плохое настроение. Ещё в старину были известны рецепты различных «железных» лекарств. В 1783 году «Экономический журнал» писал: «В некоторых случаях и самое железо составляет весьма хорошее лекарство, и применяются с пользой наимельчайшие оного опилки, либо просто, либо обсахаренные». В той же статье рекомендуются и другие лекарства: «железный снег», «железная вода», «стальное вино» («виноградное кислое вино, как, например, рейнвейн, настоять с железными опилками»).
Общее содержание железа в пище и его усвоение, зависящее преимущественно от соотношения продуктов животного и растительного происхождения, веществ, уступающих или тормозящих всасывание, определяет поступление железа в организм. Потребности в железе определяются его затратами. Оно выделяется с кровью, отшелушивающимися клетками кожи и при неправильной работе кишечного тракта. Большое количество железа надо употреблять беременным женщинам и детям, в связи с их ростом.
Итак, основными причинами дефицита железа могут быть:
Различные по объёму кровопотери, недостаточное поступление и усвоение железа из пищи, его повышенные затраты при занятиях физической культурой, интенсивном росте и беременности. Определенную роль в происхождении обеднения организма железом могут играть нарушения пищеварения в связи с заболеваниями желудка и кишечника. Некоторые инфекционно-воспалительные заболевания могут привести к перераспределению железа в организме, но истинного дефицита в этих случаях не наблюдается. То же самое можно сказать и об опухолях различных организмов и систем.
Категория Возраст (годы) Вес (кг.) Рост (см.) Fe (мг.) Новорожденные 0.0-0.5
0.5-1.0
6
9
60
71
10
15
Дети 1-3
4-6
7-10
13
20
28
90
112
132
15
10
10
Мужчины 11-18
15-18
19-22
23-50
51+
45
66
70
70
70
157
176
177
178
178
18
18
10
10
10
Женщины 11-14
15-18
19-22
23-50
51+
46
55
55
55
55
157
163
163
163
163
18
18
18
18
10
Беременные – – – 30-60 Кормящие матери – – – 30-60 Общая масса железа у взрослого мужчины составляет около 4,5 г., а у женщины около 3-4 г. Основная масса (около 75%) железа, составляющая 2,25-3 г., сосредоточена в гемоглобине. Вне гемоглобина в эритроцитах содержится ничтожное, не учитываемое количество железа, входящее в состав клеток. Кроме того, при некоторых состояниях, обнаруживаются гранулы трехвалентного железа (FeIII), дающего при окраске по Перльсу положительную реакцию на берлинскую лазурь.
При нормальном содержании гемоглобина, составляемом 15%, в 100 мл крови содержится 3 г железа. Остальную его часть составляет железо мышечного гемоглобина от 300 до 600 мг и железо дыхательных ферментов – всего около 1 г. Железо, находящееся в органах, главным образом в печени, составляет около 0.5 г.
Суточная потребность взрослого человека в железе определяется масштабами физиологических процессов кроветворения и кроверазрушения. Роль питания
Распространенность дефицита железа свидетельствует о том, что количество железа, взятого организмом из пищи, часто недостаточно для покрытия потребности в нем практически здорового населения. Однако довольно трудно установить истинную роль диет в различных районах земного шара в происхождении этой патологии.
Железодефицитные состояния могут развиваться при длительном употреблении питания с недостаточным общим содержанием железа, несмотря на нормальную калорийность, или с достаточным или высоким его содержанием, но преобладанием продуктов растительного происхождения, содержащие тормозящие усвоение железа вещества. Длительное вынужденное применение однообразного по составу питания при некоторых внутренних заболеваниях или соблюдение больничных диет в ряде случаев может способствовать обеднению организма.
Даже при высоком содержании железа в пище его всасывание в организм может быть незначительным и не удовлетворять его потребности в железе. Железо может всасываться только в виде ионов Fe., его всасывание и выведение протекают очень медленно и зависят от многих сложных факторов. Усваивается лишь незначительная часть присутствующих в пищевых продуктах железа. Более того, способность железа усваиваться сильно варьирует для разных пищевых продуктов. Лучше всего железо усваивается из мяса, значительно хуже из зерновых злаков. Молоко содержит очень мало железа.
Продукты, содержащие Fe
Продукт Количество Fe (в мг на 100 г.) Продукт Количество Fe (в мг на 100 г.) Фасоль 12.4 Яблоки 2.2 Соль поваренная 10.0 Хлеб пшеничный 2.8-0.9 Печень (говяжья) 9.8 Рис 1.8 Горох 9.4 Морковь 1.4-1.2 Крупа гречневая 8.0 Помидоры 1.4-0.5 Язык (говяжий) 5.0 Картофель 0.9 Крупа овсяная 3.9 Лимоны 0.6 Мясо (говядина) 2.8-2.6 Творог 0.4 Шоколад 2.7 Масло сливочное 0.2 Хлеб ржаной 2.6-2.0 Молоко коровье 0.1 Богаты железом и некоторые минеральные воды. История рассказывает о том, как был открыт первый в России источник железистых вод. В 1714 году рабочий Кончезёрского медеплавильного завода в Карелии Иван Ребоев, «болевший сердечной болью, едва волочивший ноги», увидел однажды на железистом болоте неподалёку от Ладожского озера источник и стал пить из него воду. «Пил три дня к ряду и исцелился». Об этом стало известно Петру I, и вскоре по его указанию были обнародованы «Объявления о Марциальных водах, на Олонце», названных так в честь Марса – бога войны и железа. Царь вместе с семьёй не раз приезжал в эти края и пил целительную воду.
У жителей Северной Америки дефицит железа в организме – одно из наиболее распространённых последствий неправильного питания. Особенно он характерен для детей, девочек-подростков и женщин детородного возраста.
Железо необходимо для синтеза железопорфириновых белков гемоглобина и других составляющих крови. В крови оно переносится в форме комплекса с плазменным белком трансферрином, а в тканях оно накапливается в виде белкового комплекса, содержащего гидроксид и фосфат железа. Белки в больших количествах содержатся в печени, селезёнке и костном мозгу. Железо не выводится из организма с мочой. Оно выделяется с желчью и калом, а так же при кровотечениях. Из-за удвоенных или утроенных потерь во время менструаций женщинам необходимы большие количества железа, чем мужчинам. В хлеб и другие злаковые продукты добавляют дополнительное количество железа, однако это далеко не всегда является решением проблемы недостаточности железа, что приводит к железодефицитной анемии, при которой число эритроцитов в крови остаётся нормальным, а содержание гемоглобина в них уменьшается. Обмен железа в организме человека
Механизмом, регулирующим обмен железа в организме человека, является всасывание железа в желудочно-кишечном тракте. Выделение его из организма кишечником, с кожей, потом с мочой, являющееся пассивным процессом, лимитировано. В последние 30 лет большое количество исследований в нашей стране и за рубежом посвящено изучению различных этапов всасывания железа. Однако этот механизм и особая роль слизистой оболочки кишечника в регуляции запасов железа и его превращений неизвестно.
При среднем поступлении с пищей 10-20 мг железа в сутки у здорового человека не более 1-2 мг всасывается в желудочно-кишечный тракт. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в двенадцатиперстной кишке и начальных отделах тощей кишки. Желудок играет лишь незначительную роль в усвоении: из него поступает в организм не более 1-2% от общего количества поступающего в желудочно-кишечный тракт. Соотношение в пище продуктов животного и растительного происхождения, веществ, усиливающих и тормозящих усвоение, состояние эпителия желудочно-кишечного тракта – всё это оказывает влияние на величину усвоения железа. Этапы обмена железа в организме
Процесс усвоения железа состоит из ряда последовательных этапов:
1) начальный захват железа щеточной каймой клеток слизистой оболочки кишечника.
2) внутриклеточный транспорт, образование запасов железа в клетке.
3) освобождение железа из слизистой оболочки кишечника в кровь.
В экспериментальных исследованиях выяснилось, что клетки эпителия слизистой оболочки кишечника чрезвычайно быстро забирают железо из его полости. А ультразвуковые исследования показали, что первый этап обеспечивает достаточную концентрацию железа на поверхности слизистой оболочки клеток для последующего его усвоения организмом. При этом железо концентрируется щёточной кайме, превращения происходят на мембране микроворсинок.
Второй этап – это поступление железа в богатую рибосомами цитоплазму и межклеточное пространство. И, наконец, третий этап – перенос железа в кровеносные сосуды.
Комплекс трансферрин-железо, образовавшийся в результате захвата железа из клетки слизистой оболочкой кишечника, поступает главным образом в костный мозг, небольшая его часть – в запасный фонд, преимущественно в печень, и ещё меньшее количество железа забирается тканями для образования миоглобина, некоторых ферментов тканевого дыхания и нестойких комплексов железа с аминокислотами и белками.
Костный мозг, печень и тонкий кишечник являются тремя основными органами обмена железа. Клетки костного мозга, так же как и клетки эпителия слизистой оболочки кишечника, имеют повышенную способностьзахватывать железо из насыщенного трансферрина. Таким образом ненасыщенный трансферрин лучше связывает, а насыщенный – лучше отдаёт железо.
Основным источником плазменного железа являются его поступления из внутренних органов, таких как печень, селезёнка, костный мозг, где происходит разрушение гемоглобина эритроцитов. Небольшое количество железа поступает в плазму из запасного фонда и при взятии его из пищи в желудочно-кишечном тракте. Преобладающим циклом в обмене железа в организме человека является образование и разрушение гемоглобина эритроцитов, что составляет 25 мг железа в сутки. Фермент сыворотки крови, вероятно, осуществляет транспортировку железа к клеткам печени, однако его роль в общем обмене железа в организме человека представляется минимальной.
Обмен железа между транспортным и тканевым его фондами изучен недостаточно, так как пути и движения железа из тканей в плазму крови и наоборот изучены мало. Расчётные данные, однако, свидетельствуют о том, что величина плазменно-тканевого обмена железа составляет приблизительно 6 мг в сутки. Содержание железа в организме человека
Железо, находящееся в организме человека, можно разделить на 2 большие группы: клеточное и внеклеточное. Соединения железа в клетке отличаются различным строением и обладают характерной только для них функциональной активностью и биологической ролью для организма. Ко второй группе внеклеточных соединений железа относятся железо-связывающие белки, содержащиеся во внеклеточных жидкостях. Клеточное железо
Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, выполняет важную газотранспортную функцию – переносит кислород и углекислый газ. Эритроцит по отношению к гемоглобину играет роль системы, способной регулировать общую величину газотранспортной функции. В гемоглобине одного здорового эритроцита содержится приблизительно 0,34% железа.
Миоглобин – дыхательный белок сердечной и скелетной мускулатуры. Основной функцией миоглобина является транспортировка кислорода и регуляция его содержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих в основе клеточного дыхания. Он содержит 0,34% железа.
Некоторым ферментам железо необходимо только для реакций переноса.
Существуют так же запасные соединения железа, находящиеся главным образом в печени, селезёнке и костном мозге. Приблизительно одна треть резервного железа организма человека, преимущественно в виде белка, попадает на долю печени. Запасы железа могут быть при необходимости мобилизованы для нужд организма, и предохранять его от токсичного действия свободно циркулирующего железа.
Известно, что клетки печени участвуют в создании резервного железа, причём большая часть его обнаружена в виде белка ферритина, который в конце жизнедеятельности эритроцитов, освобождаясь, оседает в печени или возвращается в плазму крови и захватывается в клетках печени и мышц, а также в селезёнке и костном мозге.
Гемосидерин является вторым запасным соединением железа в клетке и содержит значительно больше, чем белок, в отличие от которого гемосидерин не растворим в воде.
Не вызывает сомнений точно установленный факт, что концентрация сывороточного ферритина отражает состояние запасного фонда железа в организме человека. Хорошая зависимость отмечена между уровнем сывороточного белка и мобилизуемыми запасами железа в организме, изученных методом количественных кровопусканий, а также между белком и концентрацией железа в клетках печени. Средняя концентрация его в сыворотке крови у мужчин выше, чем у женщин, с колебаниями от 12 до 300 мкг/ л. Внеклеточное железо
Во внеклеточных жидкостях железо находится в связанном состоянии – в виде железо — белковых комплексов. Концентрация его в плазме широко варьирует у здорового человека, составляет 10,8 – 28,8 мкмоль/л, с достаточно большими суточными колебаниями, достигающими 7,2 мкмоль/л.
Общее содержание железа во всём объёме циркулирующей плазмы у взрослого человека составляет 3 – 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от ряда факторов: взаимоотношения процессов разрушения и образования эритроцитов, состояния запасного фонда железа в желудочно-кишечном тракте. Однако наиболее важной причиной, определяющей уровень железа, является взаимодействие процессов синтеза и распада эритроцитов.
Железо-связывающий белок трансферрин, открытый шведским учёным, содержится в небольшом количестве в плазме крови. В плазме здорового человека этот белок может находиться в четырёх различных формах, а синтезируется преимущественно в клетках печени.
Функции трансферрина в организме представляют значительный интерес. Он не только переносит железо в различные ткани и органы, но и «узнаёт» нуждающиеся в железе клетки. Белок отдаёт железо им только в том случае, если имеют специальные рецепторы, связывающие железо. Таким образом, этот железо-связывающий белок трансферрин функционирует как транспортное средство для железа, обмен которого в организме человека зависит как от общего поступления железа в плазму крови, так и от его количества, захваченного различными тканями, соответственно количеству в них рецепторов для железа. Кроме того, трансферрин предохраняет ткани организма от токсичного действия железа, выполняя тем самым ещё и защитную функцию.
Этот белок способен регулировать транспорт железа из его запасов в эпителии клеток желудочно-кишечного тракта в плазму крови. Из плазмы железо захватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина и эритроцитов, в меньшей степени – клетками одной из систем и откладывается там в виде запасного железа, некоторое количество которого используется для образования миоглобина и ферментов тканевого дыхания. Все эти процессы являются сложными и до конца не изучены, но некоторые этапы наиболее важного процесса передачи железа клеткам головного мозга можно представить следующим образом:
1) нахождение трансферрина рецепторными участками клеток.
2) образование прочного соединения между трансферрином и клеткой, возможно проникновение белка в клетку.
3) перенос железа от железо-связывающего белка к синтезирующему гемоглобин – аппарату клетки.
4) освобождение трансферрина в кровь.
Железо-связывающий белок лактоферрин обнаружен во многих биологических жидкостях: молоке, слезах, желчи, и др. Подобно трансферрину, лактоферрин способен связывать 2 атома железа специфическими пространствами. В физиологических условиях лактоферрин насыщен железом до 20%, в ничтожных количествах он содержится в плазме, освобождаясь в неё из лейкоцитов.
Железосодержащие ферменты – это ещё один важный класс элементов, участвующих в переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий. Железосерные ферменты не содержат гемогрупп, они характеризуются тем, что в их молекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся в особой форме, расщепляющейся под действием кислот. К железосерным ферментам относится, например, вещество, осуществляющее перенос электронов от возбуждённого светом хлорофилла на разнообразные точки электронов. Диагностическое и лечебное применение железа
Кровь содержит железо, и оно определяет её цвет. Содержание железа в плазме крови подвержено суточным колебаниям – оно снижается во второй половине дня.
При таких заболеваниях, как анемия, цирроз печени, злокачественные новообразования, многих видах желтухи., при таких состояниях, как беременность, острые и хронические кровопотери и острые инфекционные заболевания часто наблюдается изменения количества железа в организме человека.
Обмен железа во многом зависит от нормального функционирования печени, поэтому определение содержания железа в сыворотке крови может быть использовано в качестве функциональной печеночной пробы. При некоторых видах поражения печени нарушается её функция по накоплению железа, т. к. пораженная или погибающая клетка отдаёт железо в кровь. В связи с этим происходит его накопление в сыворотке крови. Это очень важно учитывать, т. к. при вирусных инфекциях содержание железа в сыворотке крови снижается.
В отличие от многих других видов желтухи, механическая желтуха протекает при нормальном или несколько пониженном содержании железа в сыворотке крови. Диагностическое применение железа
Радиоактивное железо применяют в радиоизотопной диагностике для изучения обмена и всасывания железа, главным образом в виде цитрата и хлорида. Наиболее широкое применение находят препараты меченые железом. В клинической практике они применяются редко из-за длительного периода выведения из организма и его излучения.
В ряде случаев, например сканирование головного мозга, предпочтительнее использовать короткоживущий изотоп Fe, который создаёт значительно меньшую дозу облучения организма. При определении усвояемости железа эритроцитами радиоактивное железо вводят в кровоток. В последующие 15 – 20 дней с промежутками в 2-3 дня берут пробы крови, и путём изменения Fe- активности эритроцитов определяют степень поглощения железа эритроцитами. Лечебное применение железа
При анемических состояниях лечебное применение железа обусловлено его участием в процессе гемоглобинообразования, совершающемся специальных клетках костного мозга. Показаниями к применению железа являются железодефицитные анемии различного происхождения, протекающие с пониженным содержанием железа в крови и истощением тканевых резервов железа, а так же бессимптомного дефицита железа, встречающегося у 20-30% практически здоровых женщин. Назначение железа показано и при других состояниях недостаточности железа.
При назначении препаратов внутрь следует учитывать анатомно-функциональное состояние желудочно-кишечного тракта, особенности его верхних отделов желудка, двенадцатиперстной кишки и начального отдела тощей кишки, являющихся наиболее активными участками всасывания железа. После кровопусканий, всасывание железа возрастает и осуществляется на протяжении всего кишечника, включая слепую кишку.
Лечебное применение железа обусловлено необходимостью восстановления нормальной концентрацией не только гемоглобина, но и железа в тканях. Недостаточное лечение, в результате которого резервы тканевого железа не восполняются, способствует сохранению дефицита железа и быстрому развитию малокровия. Критериями эффективности лечения препаратами железа являются:
1) повышение цветового показателя крови.
2) повышение числа эритроцитов
3) нормализация величины концентрации сывороточного железа.
4) снижение общей железосвязывающей способности сыворотки крови.
5) повышение насыщенности трансферрина железом.
6) пополнение тканевых резервов железа, определяемых при помощи пробы.
Показателем эффективности лечения препаратами железа является также обратное развитие трофических нарушений эпителия и эндотелия, связанных с дефицитом железа. Список литературы
1. О.С. Габриелян Химия. 9 класс.
2. Н.А. Мезенин «Занимательное железо».
3. С.И. Венецкий «Рассказы о металлах»
4. Б.Д. Стёпин, Л.Ю. Аликберова. «Книга по химии для домашнего чтения».
5. М. Беккерт «Железо. Факты и легенды».
6.Сайт «BestReferat.ru»
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают, Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н. э. Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н. э. Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их – железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У “небесного” железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из “небесного” металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным. Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии. Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия
Реферат на тему: Железо (Fe) Ученика 11 «А» класса 812 школы Амелькина Алексея
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают, Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н.э. Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н.э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их — железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У «небесного» железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из «небесного» металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным.
Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнего учёного Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота… Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации. Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространённости соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них. Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.
По запасам в земной коре Fe занимает 4 место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям учёных, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником Fe остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит Fe3O4, гидрогетит FeO2nH2Oгематит Fe2O сидерит FeCO3.Они составляют основу железных руд – магнитного, бурого, красного и шпантового железняка.
Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах Fe, нужно, прежде всего, говорить, о каком железе идёт речь – о техническом чистом Feили о Feвысшей чистоты. Разница в их свойствах – и физических, и химических – достаточно велика.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2, +3, +6, редко +1 ,+4 и даже 0 (в карбониле Fe(Co)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO(2), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe образуются при растворении Feв разбавленных кислотах – азотной и серной – Feне растворяется: благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной плёнки. Практически не растворяется Feи в щелочах (кроме горячих концентрированных растворах).
Соли трёхвалентного железа обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fe2+ светло-зелёная окраска изменяется на бурую. Соли трёхвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная H2FeO4 железистая HFeO2 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их – дирраты и дерриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трёхвалентного железа Fe2O3, Оксид состава Fe3O4 рассматривают как соединение FeOи Fe2O3. Гидроксиды двух и трёхвалентного железа Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в воде растворяется плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений Fe, но и как важнейшие сырьё для чёрной металлургии. Подобно другим переходным металлам, Feобразует также множество комплексных соединений.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина Feв нашем организме есть ещё и в моимобине – белке. Запасающим кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты и ферритин.
Меня зовут Железо и сегодня я буду перед вами красоваться. Я хочу, чтобы вы представили меня немного иначе, чем обычно, хочу разрушить и поменять имеющиеся у вас представления обо мне.
Итак, я очень и очень старый, мне больше 5000 лет. Я необходим для развития всех живых организмов: растения используют железо в процессе фотосинтеза. Железо содержится в молекулах крови, обеспечивает перенос кислорода в ткани. Даже Солнце и многие звезды содержат значительное количество железа. Среди самых распространенных элементов во Вселенной я занимаю почетное шестое место.
Я очень красивый, но при длительном контакте с воздухом и водой становлюсь слабым и беспомощным: моя благородная серебристая седина окисляется, ко мне подкрадывается болезнь с ужасным названием – ржавчина. Она настолько опасна, что может погубить меня.
Несмотря на расхожее мнение о моей твердости и несгибаемости, по своей природе я довольно мягок, болезненный процесс плавления делает меня более твердым и более устойчивым к трудностям.
У меня есть 4 изотопа, самый распространенный среди них – Fe-56.
Изделия из железа упоминаются в Библии, но сейчас железо чаще всего используется для производства стали – более прочного сплава железа и углерода. Большинство приборов на вашей кухне изготовлены именно из этого материала: это кастрюли, сковородки, вилки, ножи, ложки.
Я даже не гость, я обитатель почти каждого дома.
Существует мнение, что поверхность Марса красная из-за большого количества оксида железа (ржавчины) на его поверхности.
Реферат: Железо и его роль
Введение Железо –
(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 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 3 s2p 2d64s2. 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, кроме железа, также кобальт и
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.
1.
Нахождение в природе
В
земной коре железо распространено достаточно широко – на его долю приходится
около 5,1% 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, Fe2O3; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит,
Fe3О4; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда
гидрогетит НFeO2· nH2O), а также шпатовые железняки
(руда сидерит, карбонат железа, FeСО3;
содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения
пирита FeS2 (другие названия –
серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с
высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. В свободном
состоянии железо находят только в падающих на землю метеоритах. По запасам
железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10-5-1·10-8% железа. 2.
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 тысячелетии до нашей эры. Период с 9-7 века до нашей эры,
когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил
название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку.
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. В дальнейшем способы получения
железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого
используют специальные устройства – домны, кислородные конвертеры,
электродуговые печи. 3.Физические
и химические свойства
При
температурах от комнатной и до 917°C, а также в интервале температур
1394-1535°C существует ?-Fe с кубической объемно центрированной решеткой,
при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При
температурах 917-1394°C устойчиво ?-Fe с кубической гранецентрированной
решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769°C (так
называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как
говорят, ферримагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как
парамагнетик. Иногда парамагнитное -Fe с кубической объемно
центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917°C,
рассматривают как ?-модификацию железа, а ?-Fe, устойчивое при
высоких температурах (1394-1535°C), называют по традиции ?-Fe
(представления о существовании четырех модификаций железа – ?,?,?
и ?- 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. 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 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):
Реферат на тему:
Железо (Fe)
Ученика 11 «А» класса
812 школы
Амелькина Алексея
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают,
Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н.э.
Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории
Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н.э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их – железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У «небесного» железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из
«небесного» металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным.
Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнего учёного Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота… Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации.
Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространённости соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них. Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.
По запасам в земной коре Fe занимает 4 место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям учёных, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником Fe остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит
Fe3O4, гидрогетит FeO2 nH2O гематит Fe2O сидерит FeCO3.Они составляют основу железных руд – магнитного, бурого, красного и шпантового железняка.
Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах Fe, нужно, прежде всего, говорить, о каком железе идёт речь – о техническом чистом Fe или о Fe высшей чистоты.
Разница в их свойствах – и физических, и химических – достаточно велика.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2,
+3, +6, редко +1 ,+4 и даже 0 (в карбониле Fe(Co)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO(2), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe образуются при растворении Fe в разбавленных кислотах – азотной и серной – Fe не растворяется: благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной плёнки. Практически не растворяется Fe и в щелочах (кроме горячих концентрированных растворах).
Соли трёхвалентного железа обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fe2+ светло-зелёная окраска изменяется на бурую. Соли трёхвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная
H2FeO4 железистая HFeO2 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их – дирраты и дерриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трёхвалентного железа Fe2O3, Оксид состава Fe3O4 рассматривают как соединение FeO и Fe2O3. Гидроксиды двух и трёхвалентного железа
Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в воде растворяется плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений Fe, но и как важнейшие сырьё для чёрной металлургии. Подобно другим переходным металлам, Fe образует также множество комплексных соединений.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина Fe в нашем организме есть ещё и в моимобине – белке. Запасающим кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты и ферритин.
Металлы – этоэлементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степениокисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическаякристаллическая решетка — решетка, образованная нейтральными атомами и ионами металлов, связанными междусобой свободными электронами./> У металловв узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы.Электроны, отданные атомами, находятся в общем владении атомов и положительныхионов. Такая связь называется металлической. Для металлов наиболее характерны следующие физические свойства: металлическийблеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла иэлектричества. Теплопроводность и электропроводность уменьшается в рядуметаллов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg.
Многие металлы широкораспространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной кореследующее: алюминия — 8,2%; железа — 4,1%; кальция — 4,1%; натрия — 2,3%;магния — 2,3%; калия — 2,1%; титана — 0,56%.
С внешней стороны металлы, какизвестно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, которыйобусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блескнаблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошнуюкомпактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучипревращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном видеимеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокойтепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и токрасполагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь,худшие — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает,при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Оченьважным свойством металлов является их сравнительно легкая механическаядеформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются впроволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерныефизические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутреннейструктуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят изположительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся отсоответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в видепространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках междуионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят отодних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Таккак электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшойразности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е.возникает электрический ток.
Наличиемсвободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясьв непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами иобмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в даннойчасти металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, отних — следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; всямасса металла принимает одинаковую температуру.
Поплотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы,плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы — всеостальные.
Частицыметаллов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типомхимической связи — так называемой металлической связью. Она определяетсяодновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами икулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом,металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.
/> /> /> /> /> /> /> /> /> Методы получения металлов
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> пирометаллургические
гидрометаллургические
электрометаллургические
/> /> /> /> /> /> /> /> Восстановление металлов из соединений при высокой температуре
/> Восстановление металлов из водных растворов их соединений
/> Восстановление металлов из расплавов соединений под действием электрического тока
/> Химическиесвойства металлов Взаимодействие с простыми веществами:
1. с галогенами:
Na + Cl2 > 2NaCl
2. с кислородом:
4Al + 3O2 > 2Al2O3
В реакциях с галогенами и кислородомметаллы наиболее энергично проявляют восстановительные способности.
3. с серой:
2Na + S> Na2S
4. с азотом:
3Mg + N2 >Mg3N2
5. с фосфором:
3Ca + 2P> Ca3P2
6. с водородом:
Ca + H2 >CaH2
Наиболее активные металлы главных подгруппявляются сильными восстановителями, поэтому восстанавливают водород до степениокисления -1 и образуют гидриды. Взаимодействиесо сложными веществами:
1. с кислотами:
2Al+3H2SO4 > Al2(SO4)3+ 3H2
2Al+ 6H + 3SO4 > 2Al + 3SO4 + 3H2
2Al + 6H> 2Al + 3H2
Металлы, которые в электрохимическом рядунапряжений металлов находятся до водорода, восстанавливают ионы водорода изразбавленных кислот, а те, которые находятся после водорода, восстанавливаютатом основного элемента, образующего данную кислоту.
2. с водными растворами солей:
Zn+ Pb(NO3)2 > Zn(NO3)2 + Pb
Zn+ Pb + 2NO3 = Zn + 2NO3 + Pb
Zn + Pb = Zn + Pb
При взаимодействии с водными растворамисолей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее,восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них. Однако металлыс сильными восстановительными свойствами (Li, Na, K, Ca) в этихусловиях будут восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.
3. с водой:
Самые активные металлы реагируют с водой при обычныхусловиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания ивыделяется водород.
2Na + 2HOH> 2NaOH + H2
Менее активные металлы реагируют с водой при повышеннойтемпературе с выделением водорода и образованием оксида соответствующегометалла.
Zn + H2O> ZnO +H2 Характеристика металлов главной подгруппы Iгруппы.
Главную подгруппу I группыпериодической системы составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.
Все щелочные металлы имеют один s-электрон на внешнемэлектронном слое, который при химических реакциях легко теряют, проявляястепень окисления +1. Поэтому щелочные металлы являются сильнымивосстановителями. Радиусы их атомов возрастают от лития к францию. Электронвнешнего слоя с возрастанием радиуса атома находится все дальше от ядра, силыпритяжения ослабевают и, следовательно, увеличивается способность к отдачеэтого электрона, т.е. химическая активность. В электрохимическом рядунапряжений металлов все щелочные металлы стоят левее водорода. Все щелочныеметаллы в твердом состоянии хорошо проводят электрический ток. Они легкоплавки,быстро окисляются на воздухе, поэтому их хранят без доступа воздуха и влаги,чаще всего под керосином. Щелочные металлы образуют соединения спреимущественно ионной связью. Оксиды щелочных металлов – твердыегигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуютсягидроксиды – твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочныхметаллов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.
Всещелочные металлы — очень сильные восстановители, в соединениях проявляютединственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличиваетсяв ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.
Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.
Практически все соли растворимы в воде.
1. Активно взаимодействуют с водой:
2Na + 2H2O> 2NaOH + H2
2Li + 2H2O > 2LiOH + H2
2. Реакция с кислотами:
2Na + 2HCl >2NaCl + H2
3. Реакция с кислородом:
4Li + O2> 2Li2O(оксид лития)
2Na + O2 > Na2O2(пероксид натрия)
K + O2 > KO2(надпероксид калия)
На воздухе щелочные металлымгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей(керосин и др.).
4.В реакциях с другими неметаллами образуются бинарные соединения:
2Li + Cl2> 2LiCl(галогениды)
2Na + S > Na2S(сульфиды)
2Na + H2 > 2NaH(гидриды)
6Li + N2 > 2Li3N(нитриды)
2Li + 2C > 2Li2C2(карбиды)
Реагируют со спиртами и галогенопроизводными углеводородов (смотри«Органическую химию»)
5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов — окрашивание пламени вследующие цвета:
Li+– карминово-красный
Na+ – желтый
K+, Rb+ и Cs+ – фиолетовый Характеристикаэлементов главной подгруппы IIгруппы.
Главнуюподгруппу II группы Периодической системы элементовсоставляют бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.
Атомы этихэлементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона:ns2. В хим. реакциях атомы элементовподгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуютсоединения, в которых степень окисления элемента равна +2.
Всеэлементы этой подгруппы относятся к металлам. Кальций, стронций, барий и радийназываются щелочноземельными металлами.
В свободномсостоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболеераспространенных элементов относятся кальций и магний. Основнымикальцийсодержащими минералами являются кальцит CaCO3 (егоразновидности – известняк, мел, мрамор), ангидрит CaSO4, гипс CaSO4 • 2H2O,флюорит CaF2 ифторапатит Ca5(PO4)3F. Магнийвходит в состав минералов магнезита MgCO3, доломита MgCO3 • CaCo3,карналлита KCl • MgCl2 • 6H2O.Соединения магния в больших количествах содержатся в морской воде.
Свойства.Бериллий, магний, кальций, барий и радий – металлы серебристо-белого цвета.Стронций имеет золотистый цвет. Эти металлы легкие, особенно низкие плотностиимеют кальций, магний, бериллий.
Радийявляется радиоактивным химическим элементом.
Бериллий,магний и особенно щелочноземельные элементы – химически активные металлы. Ониявляются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менееактивен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металлазащитной оксидной пленки.
1. Взаимодействиес простыми веществами. Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуяоксиды и сульфаты:
2Be+ O2 = 2BeO
Ca+ S = CaS
Бериллий имагний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы – приобычных условиях.
Все металлыэтой группы легко реагируют с галогенами:
Mg + Cl2 = MgCl2
Принагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другиминеметаллами:
Ca + H2 = CaH2 (гидридкальция)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитридмагния)
Ca + 2C = CaC2 (карбидкальция)
Карибиткальция – бесцветное кристаллическое вещество. Технический карбит, содержащийразличные примеси, может иметь цвет серый, коричневый и даже черный. Карбиткальция разлагается водой с образованием газа ацетилена C2H2 – важногопродукта хим. промышленности:
CaC2 + 2H2O = CaOH)2+ C2H2
Расплавленныеметаллы могут соединяться с другими металлами, образуя интерметаллическиесоединения, например CaSn3, Ca2Sn.
2. Взаимодействуютс водой. Бериллий с водой не взаимодействует, т.к. реакции препятствуетзащитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой принагревании:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2
Остальныеметаллы активно взаимодействуют с водой при обычных условиях:
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
3. Взаимодействиес кислотами. Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной сернойкислотами с выделением водорода:
Be + 2HCl = BeCl2 + H2
Разбавленнуюазотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитратааммония:
2Ca + 10HNO3(разб.)= 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Вконцентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллийпассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.
4.Взаимодействие с щелочами. Бериллий взаимодействует с водными растворамищелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:
Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4]+ H2
Магний ищелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.
5.Взаимодействие с оксидами и солями металлов. Магний и щелочноземельные металлымогут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
V2O5 + 5Ca = 2V + 5CaO
Бериллий,магний и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их хлоридовили термическим восстановлением их соединений:
BeF2 + Mg = Be + MgF2
MgO + C = Mg + CO
3CaO + 2Al = 2Ca + Al2O3
3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3
Радийполучают в виде сплава с ртутью электролизом водного раствора RaCl2 с ртутнымкатодом.
Получение:
1) Окисление металлов (кроме Ba, которыйобразует пероксид)
2)Термическое разложение нитратов или карбонатов
CaCO3 –t°>CaO + CO2
2Mg(NO3)2 –t°> 2MgO + 4NO2 + O2 Характеристикаэлементов главной подгруппы IIIгруппы. Алюминий.
Алюминий находится в главной подгруппе III группыпериодической системы. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеютсясвободные р-орбитали, что позволяет ему переходить в возбужденное состояние. Ввозбужденном состоянии атом алюминия образует три ковалентные связи илиполностью отдает три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.
Алюминий является самым распространенным металлом на Земле:его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природногоалюминия входит в состав алюмосиликатов – веществ, главными компонентамикоторых являются оксиды кремния и алюминия.
Алюминий – легкий металл серебристо-белогоцвета, плавится при 600°C, очень пластичен, легковытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. Поэлектропроводности алюминий устпает лишь серебру и меди.
Взаимодействие с простымивеществами:
1. с галогенами:
2Al + 3Cl2 > 2AlCl3
2. с кислородом:
4Al + 3O2 > 2Al2O3
3. с серой:
2Al+ 3S > Al2S3
4. с азотом:
2Al + N2 >AlN
С водородом алюминий непосредственно не реагирует, но егогидрид AlH3 полученкосвенным путем.
Взаимодействиесо сложными веществами:
1. с кислотами:
2Al+ 6HCl > 2AlCl3 + 3H2
2. со щелочами:
2Al + 2NaOH + 6H2O > 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Если NaOH в твердом состоянии:
2Al+ 2NaOH + 6H2O > 2NaAlO2 + 3H2
3. с водой:
2Al + 6H2O>2Al(OH)3 + 3H2 Свойстваоксида и гидроксида алюминия:
Оксидалюминия, или глинозем, Al2O3 представляетсобой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл илипрокаливая гидроксид алюминия:
2Al(OH)3> Al2O3 + 3H2O
Оксид алюминия практически не растворяется в воде.Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH)3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых внедостатке, на растворы солей алюминия:
AlCl3+ 3NH3 • H2O > Al(OH)3 v + 3NH4Cl
Оксид и гидроксид этого металлаявляются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства. Основные свойства:
Al2O3 + 6HCl>2AlCl3 + 3H2O
2Al(OH)3 + 3H2SO4 > Al2(SO4)3 + 6H2O Кислотныесвойства:
Al2O3 + 6KOH +3H2O >2K3[Al(OH)6]
2Al(OH)3+ 6KOH > K3[Al(OH)6]
Al2O3 + 2NaOH>2NaAlO2 + H2O
Алюминий получают электролитическим методом. Он не можетбыть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом.Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминияявляется электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.
Металлический алюминий широко используется впромышленности, по объему производства занимает второе место после железа.Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:
Дуралюмин – сплав алюминия, содержащий медь и небольшоеколичество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины – легкие прочные икоррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.
Магналин – сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- имашиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому егоприменяют в судостроении. Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергаетсялитью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении,производстве точных приборов. Алюминий – пластичный металл, поэтому из негоизготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехническихизделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «подсеребро». Переходные металлы. Железо.
Впериодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочнойподгруппе VIII группы.
Порядковыйномер – 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d64s2.
Валентныеэлектроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s2)и предпоследнем (3d6). В химических реакциях железо может отдаватьэти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.
Железо является вторым пораспространенности металлом в природе (после алюминия).Наиболее важныеприродные соединения: Fe2O3 · 3H2O – бурый железняк;Fe2O3– красный железняк;Fe3O4(FeO · Fe2O3) –магнитный железняк;FeS2 — железный колчедан (пирит).Соединенияжелеза входят в состав живых организмов.
Железо – серебристо серый металл,обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами.Плотность железа – 7,87 г/см3, температура плавления 1539°С.
В промышленности железо получаютвосстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II)в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:
C + O2 = CO2,
CO2 + C = 2CO.
3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4 + CO2,
Fe3O4+ CO = 3FeO + CO2,
FeO + CO = Fe + CO2.
В реакциях железо являетсявосстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже ссамыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но принагревании становится активным и реагирует с ними:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III)
3Fe + 2O2 = Fe3O4(FeO· Fe2O3) Оксид железа (II,III)
Fe + S = FeS Сульфид железа (II)
При очень высокой температуре железореагирует с углеродом, кремнием и фосфором:
3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит)
3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа
3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа (II)
Во влажном воздухе железо быстроокисляется (корродирует):
4Fe + 3O2 + 6H2O= 4Fe(OH)3,
Железо находится в середине электрохимическогоряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности.Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельныхметаллов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железореагирует с водой:
3Fe + 4H2O = Fe3O4+ 4H2
Железо реагирует с разбавленнымисерной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:
Fe + 2HCl = FeCl2+ H2
Fe + H2SO4= FeSO4 + H2
При обычной температуре железо невзаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею.При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо досульфита железа (III):
2Fe + 6H2SO4= Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
Разбавленная азотная кислота окисляетжелезо до нитрата железа (III):
Fe + 4HNO3 =Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.
Концентрированная азотная кислотапассивирует железо.
Из растворов солей железо вытесняетметаллы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:
Fe + CuSO4 =FeSO4 + Cu, Fe0+ Cu2+ = Fe2+ + Cu0. Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество,нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксидажелеза(II,III) оксидом углерода (II):
Fe3O4 + CO =3FeO + CO2.
Оксид железа (II) – основной оксид,легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):
FeO + 2HCl = FeCl2+ H2O, FeO + 2H+ = Fe2+ + H2O. Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – порошок белого цвета, нерастворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их сощелочами:
FeSO4 + 2NaOH =Fe(OH)2? + Na2SO4,
Fe2+ + 2OH- =Fe(OH)2?.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:
Fe(OH)2 + 2HCl= FeCl2 + 2H2O,
Fe(OH)2 + 2H+ =Fe2+ + 2H2O.
При нагревании гидроксид железа (II)разлагается:
Fe(OH)2 = FeO + H2O.
Соединения со степенью окисленияжелеза +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe2+ легкоокисляются до Fe+3:
Fe+2 – 1e = Fe+3
Так, свежеполученный зеленоватыйосадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменениеокраски объясняется окислением Fe(OH)2 в Fe(OH)3 кислородомвоздуха:
4Fe+2(OH)2+ O2 + 2H2O = 4Fe+3(OH)3. Оксид железа (III) Fe2O3 – порошок бурого цвета, нерастворяется в воде. Оксид железа (III) получают:
А) разложением гидроксида железа(III):
2Fe(OH)3 = Fe2O3+ 3H2O
Б) окислением пирита (FeS2):
4Fe+2S2-1+ 11O20= 2Fe2+3O3 + 8S+4O2-2.
Оксид железа (III) проявляетамфотерные свойства:
А) взаимодействует с твердымищелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:
Fe2O3+ 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O,
Fe2O3+ 2OH- = 2FeO2- + H2O,
Fe2O3+ Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2.
Феррит натрия Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) привзаимодействии их со щелочами:
FeCl3 + 3NaOH =Fe(OH)3? + 3NaCl,
Fe3+ + 3OH- =Fe(OH)3?.
Гидроксид железа (III) является болееслабым основанием, чем Fe(OH)2, и проявляет амфотерные свойства (спреобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)3легко образует соответствующие соли:
Fe(OH)3 + 3HCl « FeCl3 + H2O
2Fe(OH)3 + 3H2SO4« Fe2(SO4)3+ 6H2O
Fe(OH)3 + 3H+ « Fe3+ + 3H2O
Реакции с концентрированнымирастворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании.
Соединения со степенью окисленияжелеза +3 проявляют окислительные свойства, так как под действиемвосстановителей Fe+3 превращается в Fe+2:
Fe+3 + 1e = Fe+2.
Так, например, хлорид железа (III)окисляет йодид калия до свободного йода:
2Fe+3Cl3+ 2KI = 2Fe+2Cl2 + 2KCl + I20 Хром.
Хром находится в побочной подгруппе VI группы Периодическойсистемы. Строение электронной оболочки хрома: Cr3d54s1.
Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02%.Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит, илихромистый железняк, и его разновидности, в которых железо частично заменено намагний, а хром – на алюминий.
Хром – серебристо серый металл. Чистый хромдостаточно пластичный, а технический самый твердый из всех металлов.
Хромхимически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только с фтором (изнеметаллов), образуя смесь фторидов. При высокихтемпературах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом,галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором:
4Cr + 3O2 –t°> 2Cr2O3
2Cr + 3Cl2 –t°> 2CrCl3
2Cr + N2 –t°> 2CrN
2Cr + 3S –t°> Cr2S3
В азотной и концентрированной серной кислотах онпассивирует, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной иразбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностьюосвобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекаетна воздухе – соли хрома (III):
Cr + 2HCl > CrCl2 + H2
2Cr + 6HCl + O2 > 2CrCl3 + 2H2O + H2
Оксидхрома (II) и гидроксид хрома (II) имеют основной характер.
Cr(OH)2 + 2HCl > CrCl2 + 2H2O
Соединенияхрома (II) — сильные восстановители;переходят в соединения хрома (III) под действием кислорода воздуха.
2CrCl2 + 2HCl > 2CrCl3 + H2
4Cr(OH)2 + O2 + 2H2O > 4Cr(OH)3 Соединения трёхвалентного хрома
Оксидхрома (III) Cr2O3 – зелёный, нерастворимый вводе порошок. Может быть получен при прокаливании гидроксида хрома (III) или дихроматов калия иаммония:
2Cr(OH)3 –t°> Cr2O3 + 3H2O
4K2Cr2O7 –t°> 2Cr2O3 + 4K2CrO4 + 3O2
(NH4)2Cr2O7 –t°> Cr2O3 + N2+ 4H2O
Амфотерныйоксид. При сплавлении Cr2O3 со щелочами, содой и кислыми солями получаютсясоединения хрома со степенью окисления (+3):
Cr2O3+ 2NaOH > 2NaCrO2 + H2O
Cr2O3+ Na2CO3 > 2NaCrO2 + CO2
Cr2O3+ 6KHSO4 > Cr2(SO4)3 + 3K2SO4+ 3H2O
Присплавлении со смесью щёлочи и окислителя получают соединения хрома в степениокисления (+6):
2Cr2O3 + 4KOH + KClO3 > 2K2Cr2O7(дихромат калия) + KCl + 2H2O
Гидроксидхрома (III) Cr(OH)3 — нерастворимое в воде вещество зелёного цвета.
Cr2(SO4)3+ 6NaOH >2Cr(OH)3? + 3Na2SO4
Обладаетамфотерными свойствами — растворяется как в кислотах, так и в щелочах:
2Cr(OH)3 + 3H2SO4> Cr2(SO4)3 + 6H2O
Cr(OH)3 + KOH >K[Cr(OH)4]
Оксидхрома (VI) CrO3 — ярко-красные кристаллы,растворимые в воде.
Получаютиз хромата (или дихромата) калия и H2SO4(конц.).
K2CrO4+ H2SO4 > CrO3 + K2SO4+ H2O
K2Cr2O7+ H2SO4 > 2CrO3 + K2SO4+ H2O
CrO3 — кислотный оксид, сощелочами образует жёлтые хроматы CrO42-:
CrO3 + 2KOH > K2CrO4 + H2O
Вкислой среде хроматы превращаются в оранжевые дихроматы Cr2O72-:
2K2CrO4 + H2SO4 > K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O
В щелочной среде эта реакцияпротекает в обратном направлении:
K2Cr2O7+ 2KOH > 2K2CrO4+ H2O
Всесоединения хрома (VI)- сильные окислители.
4CrO3 + 3S > 3SO2+ 2Cr2O3 Медь.
Медьнаходится в побочной подгруппе I группы Периодическойсистемы. Строение электронных оболочек атомов элементов этой подгруппывыражается формулой (n-1)d10ns1. Навнешнем энергетическом уровне атома находится один электрон, однако вобразовании хим. связей могут принимать участие и электроны с d-подуровняпредпоследнего уровня. Поэтому они могут проявлять степени окисления +1, +2,+3, для меди наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.
Медь –мягкий пластичный металл, имеет розово-красную окраску. Обладает высокойэлектрической проводимостью.
Медь –химически малоактивный металл. С кислородом реагирует только при нагревании:
2Cu + O2 = 2CuO
Нереагирует с водой, растворами щелочей, хлороводородной и разбавленной сернойкислотами. Медь растворяется в кислотах, являющихся сильными окислителями:
3Cu + 8HNO3 (разб.) =3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Cu + 2H2SO4 (конц.)=CuSO4 + SO2 +2H2O
Во влажнойатмосфере, содержащей диоксид углерода, поверхность меди обычно покрываетсязеленоватым налетом основного карбоната меди:
2Cu + O2 + CO2 +H2O= Cu(OH)2 • CuCO3
Оксид меди(II) CuO – черное вещество, можетбыть получен из простых веществ или путем нагревания гидроксида меди (II):
Cu(OH)2 = CuO + H2O
Гидроксидмеди (II) представляет собой малорастворимое в водесоединение голубого цвета. Легко растворяется в кислотах и при нагревании вконцентрированных растворах щелочей, т.е. проявляет свойства амфотерногогидроксида:
Cu(OH)2 + H2SO4 =CuSO4 + 2H2O
Cu(OH)2 + 2KOH = K2[Cu(OH)4]
Основнаямасса производимой меди используется в электротехнической промышленности. Вбольших количествах медь идет на производство сплавов. Цинк.
Цинкнаходится в побочной подгруппе II группы. Атомы элементовэтой подгруппы имеют следующую электронную оболочку: (n-1)s2p6d10ns2. Проявляютв соединениях степень окисления +2.
Цинк –серебристо-белый металл. Обладает хорошей электро- и теплопроводимостью. Навоздухе цинк покрывается защитной пленкой оксидов и гидроксидов, котораяослабляет его металлический блеск.
Цинк –химически активный металл. При нагревании легко взаимодействует с неметаллами(серой, хлором, кислородом):
2Zn + O2 = 2ZnO
Растворяетсяв разбавленных и концентрированных кислотах HCl, H2SO4, HNO3 и в водныхрастворах щелочей:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2+ NH4NO3 + 3H2O
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4]+ H2
Оксид цинка– белое вещество, практически нерастворимое в воде. Оксид и гидроксид цинкаявляются амфотерными соединениями; они реагируют с кислотами и щелочами:
ZnO +2HCl = ZnCl2 + H2O
ZnO + 2KOH + H2O = K2[Zn(OH)4]
Гидроксидцинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексное соединение:
Zn(OH)2 + 6NH3 = [Zn(NH3)6](OH)2
Приполучение цинка его руды подвергают обжигу:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnCO3 = ZnO + CO2
Далее оксидцинка восстанавливают углем:
ZnO + C = Zn + CO
Дляполучения более чистого металла оксид цинка растворяют в серной кислоте ивыделяют электролизом.
Цинкиспользуют для производства сплавов. Цинком покрывают стальные и чугунныеизделия для защиты их от коррозии. Понятие о сплавах.
Характернойособенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или снеметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергаютплавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяетсяприродой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости оттемпературы. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, неприбегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы — это продуктыхимического взаимодействия металлов.
Кристаллическаяструктура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуядруг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а)химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в)механическую смесь кристаллов компонентов.
Тот илииной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействияразнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергийвзаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.
Современнаятехника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаевони состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов.Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойствиндивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50%висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственнотемпературы плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловяннойбронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициентлинейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистыхкомпонентов.
Однаконекоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, чточугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которыехарактерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы ифосфора, увеличивающие ее хрупкость.
Средисвойств сплавов наиболее важными для практического применения являютсяжаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиациибольшое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, дляметаллообрабатывающей промышленности — специальные сплавы, содержащие вольфрам,кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентомкоторых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продуктывзаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, асверхпроводящие при низких температурах сплавы — на основе интерметаллидов,образуемых ниобием с оловом и др.
Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфаты и хлориды.
Кристаллогидрат сульфата железа (II) FeSO4 • 7Н2O, известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок, для обработки древесины и в других целях.
Хлорид железа (III) FeCl3 используют при очистке воды, в качестве протравы при крашении тканей.
Сульфат железа (III) Fe2(SO4)3 • 9Н2O применяют при очистке воды, в качестве растворителя в гидрометаллургии и в других целях.
Для распознавания соединений железа (II) и (III) проводят качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+. Качественной реакцией на ионы железа (II) Fe2+ служит реакция солей железа (II) с соединением, формула которого K3[Fe(CN)6], называемым красной кровяной солью. С соединениями такого типа вам ещё предстоит познакомиться в старшей школе. Это особая группа солей, которые, как вы знаете, называют комплексными. Пока же вам нужно усвоить, как диссоциируют такие соли:
Реактивом на ионы железа (III) Fe3+ является другое комплексное соединение — жёлтая кровяная соль — K4[Fe(CN)6], которая в растворе диссоциирует аналогично:
Если к растворам, содержащим ионы Fe2+ или Fe3+, прилить соответственно растворы красной кровяной соли (реактив на Fe2+) и жёлтой кровяной соли (реактив на Fe3+), то в обоих случаях выпадет одинаковый синий осадок (рис. 69): Рис. 69.
Качественная реакция на ионы Fe2+ и Fe3+
Для обнаружения ионов Fe3+ также используют взаимодействие солей железа (III) с роданидом калия KSCN или роданидом аммония NH4SCN. При этом образуется ярко окрашенный ион FeSCN2+, а раствор приобретает интенсивно-красный цвет (рис. 70): Рис. 70.
Качественная реакция на ион Fe3+
Роль химического элемента железа в жизнедеятельности живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кислорода от органов дыхания к другим органам и тканям.
Соединения железа издавна применяют для лечения малокровия, при истощении, упадке сил.
Для человека и животных источником железа служит пища. В зелёных овощах, таких как шпинат, салат, капуста, много железа. Розовая черешня содержит наполовину меньше железа, чем чёрная. Светло-зелёный капустный лист в шесть раз беднее железом, чем зелёный. В говядине железа больше, чем в телятине.
Новые слова и понятия
Строение атома железа. Степени окисления железа: +2, +3.
Физические и химические свойства железа. Образование хлоридов железа (II) и (III), взаимодействие с серой, кислородом, водой, кислотами, солями.
Железо в природе, минералы железа (магнитный, бурый и красный железняк).
Соединения катионов железа Fe2+ и Fe3+.
Качественные реакции на Fe2+ и Fe3+ и реактивы: жёлтая и красная кровяная соли, роданид калия.
Задания для самостоятельной работы
Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих генетические ряды соединений Fe2+ и Fe3+. Первые реакции каждого ряда охарактеризуйте с позиций окисления-восстановления, а реакции с участием электролитов запишите также в ионном виде.
Напишите по два молекулярных уравнения, соответствующих следующим сокращённым ионным уравнениям:
Как называют эти реакции? Напишите названия реактивов.
Используя дополнительную литературу (словари русского языка, химические словари и др.), подготовьте рассказ о происхождении названий реактивов и продуктов качественных реакций на Fe2+ и Fe3+.
Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Рассмотрите два превращения (по выбору) с позиций окисления-восстановления. Реакции с участием электролитов напишите в молекулярной и ионных формах.
Напишите три уравнения реакций железа с разбавленной азотной кислотой, в которых продуктом восстановления кислоты будет соответственно N2, NO, NH4NO3. Для расстановки коэффициентов в уравнениях химических реакций используйте метод электронного баланса. Определите окислитель и восстановитель в этих реакциях.
Вычислите объём оксида углерода (II) (н. у.), который потребуется для восстановления железа из 2,32 т магнитного железняка, содержащего 5% пустой породы. Вычислите количество вещества железа, которое при этом получится, если выход его составляет 80% от теоретически возможного.
Используя свои знания по химии железа, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или химического процесса».
Железо — простое вещество. Это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
Различают технически чистое и химически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02—0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора — еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Из технически чистого железа сделаны, например, канцелярские скрепки и кнопки. Такое железо легко корродирует, в то время как химически чистое железо почти не подвергается коррозии.
Первые образцы железа, попавшего в руки человека, очевидно, были метеоритного происхождения. О знакомстве человека в древности с железом космического происхождения говорит факт наличия у жителей Гренландии, не имевших никакого понятия о железной руде, изделий из железа. Алхимики обозначали железо в виде копья и щита — характерных атрибутов бога войны Марса.
В настоящее время железо — это основа современной техники и сельскохозяйственного машиностроения, транспорта и средств связи, космических кораблей и вообще всей современной цивилизации. Большинство изделий, начиная от швейной иглы и кончая космическими аппаратами, не может быть изготовлено без применения железа.
Переходя к описанию химических свойств железа, повторим, что оно может проявлять степени окисления +2 и +3, соответственно железо дает два ряда соединений. Число электронов, которое атом железа отдает при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, с галогенами железо образует галоге-ниды, в которых оно имеет степень окисления +3:
Железо всюду
Железо – один из самых важных металлов. В таблице Менделеева трудно найти другой металл, с которым была бы так неразрывно связанна история цивилизации. В древности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота. Лишь представители знати могли украшать себя изделиями из этого металла, причём нередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготовляли даже обручальные кольца.
По мере развития металлургии этот металл становился доступнее и нужнее. Тем не менее, ещё сравнительно недавно многие отсталые народы не имели о железе ни малейшего представления.
Первое железо, попавшее ещё в глубокой древности в руки человека, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения. Этот металл входит в состав метеоритов, падающих на нашу планету. Метеорное вещество выпадает ежегодно тысячами тонн на Землю, и содержит до 90% железа. Самый крупный железный метеорит найден в 1920 году в юго-западной части Африки. Он весит около 60 тонн.
Железо – один из самых распространённых элементов: в земной коре его содержится около 5%. Однако лишь примерно сороковая часть запасов этого металла сконцентрирована в виде месторождений, пригодных для разработок. Основные рудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк, сидерит. Магнетит содержит до 72% железа, как показывает его название, обладает магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк, содержит до 70% железа. Название этого минерала произошло от греческого слова «гемма» — кровь. Само же слово «железо» произошло, как полагают одни учёные, от санкритского слова «джальжа» — металл, руда. Другие считают, что в основе русского названия элемента лежит санкритский корень «жель», означающий «блистать», «пылать».
Железо содержится в морской воде и на дне океанов. Если извлечь всё железо, растворённое в воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты, причём за всё существование человечества произведено около 6 тонн на каждого человека. Железо образуется на дне океанов в виде железомарганцевых отложений. Они находятся в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях, и даже озёрах. В центре этих образований обычно располагается какой-либо предмет, например зуб акулы, а вокруг него образуется железо путём нарастания концентрированных колец осадков.
Без железа невозможна жизнь животных, растений и человека. Оно содержится в живых организмах, и без него не осуществимы жизненно важные процессы, без протекания которых всё живое обречено на гибель.
В растительном мире роль железа очень важна. За исключением железобактерий, все живые организмы – от растений до человека — связывают вдыхаемый кислород в сложные соединения. В центре их молекул находится атом металла. Для растений – это атом магния, для животных – атом железа. Железо необходимо для образования хлорофилла, который обуславливает усвоение растениями углекислоты при помощи поглощаемой ими энергии солнечного света. Хотя железо не входит в состав хлорофилла, без него этот пигмент не образуется.
Недостаток железа в почве вызывает железное голодание растений и заболевание – хлороз. Наиболее чувствительны к недостатку железа плодовые деревья – яблоня, груша, слива, персик, цитрусовые, а так же малина и виноград. Применение комплексных препаратов, содержащих железо, помогло увеличить урожай яблок и других культур.
В конце XIX века немецкий учёный Лидге опубликовал исследование о зависимости произрастания различных пород деревьев от содержания в почве различных минералов. Он заметил, что в Прирейнских провинциях залежи железа покрыты преимущественно берёзовым лесом, тогда как в окрестности их, не имеющих железных руд, растут дуб, бук и другие породы деревьев. Учёный установил зависимость роста известных пород деревьев от наличия тех или иных минеральных солей в почве. Благодаря этому было открыто месторождение меди в центре Казахстана.
Существует наука, занимающаяся поисками руд по растениям – биогеохимия. Таких растений — «геологов» известно более 40 видов. К ним относят соссюрею или горькушу, многолетнее травянистое растение, произрастающее в Средней Азии, Сибири, на Дальнем Востоке. Учёные так же установили, что зола из листьев берёзы имеет бурый цвет, если она росла на железорудном месторождении. Способность некоторых растений и живых существ накапливать химические элементы из окружающей среды иногда поразительна. Так биологи обнаружили у морского огурца «умение» синтезировать обыкновенное железо в виде круглых шариков не превышает 0.002мм. Этот феномен – новое свидетельство того, что живые организмы способны осуществлять процессы, для нормального протекания которых нужны большие температуры и высокое давление. Это наводит ученых на мысль о возможности существования биометаллургии.
Железо и его свойства
Железо Fe – элемент побочной подгруппы VIII группы и 4-го периода Периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер этого элемента – 26, а массовое число равно 56,847. Атомы железа устроены несколько отличительно от атомов главных подгрупп: он имеет 4 энергетических уровня, но заполняется у них не последний, а предпоследний, третий от ядра, уровень. На последнем уровне атомы железа содержат два электрона. На предпоследнем уровне, который может вместить 18 электронов, у атома железа находятся 14. Следовательно, распределение электронов по уровням в атомах железа таково: 2е, 8е, 14е, 2е.
Ценным его свойством является способность легко окисляться и восстанавливаться, образовывать сложные соединения со значительно отличающимися биохимическими свойствами. При химических взаимодействиях атом железа может отдать не только два электрона последнего уровня, но и электрон предпоследнего. Таким образом, основными степенями окисления атома железа могут быть +2 и +3.
Если рассматривать железо как простое вещество, то это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, кусается, прокатывается и штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, ему можно подарить прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
При химическом взаимодействии атом железа будет образовывать два ряда соединений, так как он может проявлять две различные степени окисления. Число электронов, которое атом железа отдаёт при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, в реакциях с галогенами железо образует галогеноиды, в которых оно имеет степень окисления +3:
2Fe + 3CI2 = 2FeCI3
а с серой – сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
Раскалённое железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины:
3Fe + 2O2 = Fe3O4
При высокой температуре (700 — 900°С) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2^
В соответствии с положением железа в электрохимическом ряду напряжений оно может вытеснять металлы, стоящие правее него, из водных растворов их солей, например:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
В разбавленной соляной и серной кислотах железо растворяется, т. е. окисляется ионами водорода:
Fe + 2HCI = FeCI2 + H2^
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2^
Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, при этом образуются нитрат железа (III), вода и продукт восстановления азотной кислоты – N2 ,NO или NH3(NH4NO3) в зависимости от концентрации кислоты.
Сплавы железа
В природе чистое железо не существует. Оно входит в состав ряда минералов. К ним относятся магнитный железняк (магнетит) Fe3O4, красный железняк (гематит) Fe2O3, бурый железняк (лимонит) 2Fe2O3*3H2O. Все эти минералы используются в чёрной металлургии для производства чугуна и стали.
Чугун – это сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4% углерода, а так же марганец, кремний, фосфор, и серу. Чугун Значительно твёрже железа, но обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Различают два вида чугуна, к которым относятся серый и белый сплавы.
Серый чугун содержит 1,7-4,3% углерода, 1,25-4,0% кремния и до 1,5% марганца. Это сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Углерод находится в этом сплаве в свободном состоянии и придаёт ему мягкость. Серый чугун используется для производства литых деталей.
Белый чугун содержит в себе 1,7-4,3% углерода, более 4% марганца, но очень мало кремния. Углерод в этом сплаве содержится в основном в виде цементита – карбида железа Fe3Cl, который твердость и хрупкость. Белый чугун используется для переработке стали.
Сталь – сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на углеродистую и легированную.
Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие, средние и твёрдые, причём, чем больше в сплаве углерода, тем она твёрже. Из мягкой и средней твёрдости сталей делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой – различные инструменты.
Легированная сталь – это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены ещё специальные добавки, такие как хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др. Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии. Такие стали применяются в строительстве, а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах и служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.
Чугун и сталь – более прочные материалы, чем само железо. Эти сплавы – основа развития техники и важнейший материал искусства.
Существует ещё одно природное соединение железа – железный, или серный, колчедан (пирит) FeS2. Он не служит железной рудой для получения металла, но применяется для производства серной кислоты.
Соединения железа
Как уже было сказано выше, для железа характерны два ряда соединений: соединения железа(II) и железа(III).
Оксид железа(II) FeO и соответствующий ему гидроксид железа(II) Fe(OH)2 получают косвенно, в частности по следующей цепи превращений:
Fe > FeCI2 > Fe(OH)2 > FeO
Оба соединения имеют ярко выраженные основные свойства.
Катионы железа(II) Fe2+ легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями до катионов железа(III) Fe3+. Поэтому белый осадок гидроксида железа(II) Fe(OH)2 на воздухе сначала приобретает зелёную окраску, а затем становится бурым, превращаясь в гидроксид железа(III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3
Оксид железа(III) Fe2O3 и соответствующий ему гидроксид железа(III) Fe(OH)3 также получают косвенно, например по цепочке:
Fe > FeCI3 > Fe(OH)3 > Fe2O3
Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфиды и хлориды.
Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO*7H2O, известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.
Хлорид железа(III) FeCI3 используют в качестве протравы при крашении тканей.
Сульфат железа(III) Fe2(SO4)3*9H2O применяется при очистке воды и в других целях. Для распознавания соединений железа(II) и (III) проводят качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+. Такой реакцией служит реакция солей железа с соединением K3(Fe(CN)6), называемым красной кровяной солью. В растворе она диссоциирует:
K3(Fe(CN)6) = 3K+ + (Fe(CN)6)3-
Реактивом на ионы является другое комплексное соединение – желтая кровяная соль – K4(Fe(CN)6), которая в растворе диссоциирует аналогично:
K4(Fe(CN)6) = 4K+ + (Fe(CN)6)4-
Если к растворам, содержащим ионы Fe2+ или Fe3+, прилить, соответственно, растворы красной кровяной соли (реактив на Fe2+ ) и желтой кровяной соли (реактив на Fe3+ ), то в обоих случаях выпадает одинаковый синий осадок:
FeCI2 + K3 (Fe(CN)6 ) 3+ 2+
> KFe(Fe(CN)6 )v + KCI
FeCI3 + K4 (Fe(CN)6 )
Для обнаружения ионов Fe3= ещё используют взаимодействие солей железа(III) с роданидом калия KNCS или аммония NH4 NCS. При этом образуется ярко окрашенный ион FeNCS2+, в результате чего весь раствор приобретает интенсивно-красный цвет:
Fe3+ + NCS – FeNCS2+
Роль железа в организме человека и других живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кослорода от органов дыхания к другим органам и биологическим тканям.
Впервые железо в организме человека учёные обнаружили в XIII веке.
Биологическая роль железа
Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на две класса. Один из них – макроэлементы, а другой – микроэлементы.
Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах (порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем одну функцию.
Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют независимые микроэлементы, суточная потребность в которых не превышает нескольких миллиграммов, то есть, сопоставима с потребностью в витаминах.
Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15 микроэлементов, большинство из которых выполняет, по меньшей мере, какую-нибудь одну из трёх возможных функций. Во-первых, незаменимый микроэлемент сам по себе может обладать каталитической активностью по отношению к той или иной химической реакции, скорость которой значительно возрастает в присутствии ферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. Во-вторых, ион металла может образовывать комплекс одновременно с активным центром фермента, в результате чего происходит их сближение и переход в активную форму. И, в-третьих, ион металла может играть роль мощного акцептора электронов на определённой стадии.
Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которых изучены наиболее полно. Значение железа для организма человека трудно переоценить. Подтверждением этому может быть не только большая его распространенность в природе, но и важная роль в сложных процессах, происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа определяется многократностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложных биохимических процессах, активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающем нормальное функционирование тканей и организма человека.
Дефицит железа в организме человека
В истории медицины известен такой печальный случай. Один студент-химик решил подарить своей возлюбленной кольцо, сделанное из железа собственной крови. Выпуская время от времени кровь, он получал соединение, из которого химическим путём он выделял железо. Юноша погиб от наступившего малокровия. Он так и не собрал нужного количества железа для изготовления кольца. Бедняга не знал, что общее содержание железа в крови взрослого человека составляет в среднем 3-4 грамма, чего хватит разве что на два сапожных гвоздика
При нехватке железа в организме человека возникает его дефицит. В общем виде дефицит железа развивается при нарушении баланса между поступлением и потерями железа из организма. Его выделение ограничено.
При недостатке железа человек начинает быстро утомляться, возникают головные боли, появляется плохое настроение. Ещё в старину были известны рецепты различных «железных» лекарств. В 1783 году «Экономический журнал» писал: «В некоторых случаях и самое железо составляет весьма хорошее лекарство, и применяются с пользой наимельчайшие оного опилки, либо просто, либо обсахаренные». В той же статье рекомендуются и другие лекарства: «железный снег», «железная вода», «стальное вино» («виноградное кислое вино, как, например, рейнвейн, настоять с железными опилками»).
Общее содержание железа в пище и его усвоение, зависящее преимущественно от соотношения продуктов животного и растительного происхождения, веществ, уступающих или тормозящих всасывание, определяет поступление железа в организм. Потребности в железе определяются его затратами. Оно выделяется с кровью, отшелушивающимися клетками кожи и при неправильной работе кишечного тракта. Большое количество железа надо употреблять беременным женщинам и детям, в связи с их ростом.
Итак, основными причинами дефицита железа могут быть:
Различные по объёму кровопотери, недостаточное поступление и усвоение железа из пищи, его повышенные затраты при занятиях физической культурой, интенсивном росте и беременности. Определенную роль в происхождении обеднения организма железом могут играть нарушения пищеварения в связи с заболеваниями желудка и кишечника. Некоторые инфекционно-воспалительные заболевания могут привести к перераспределению железа в организме, но истинного дефицита в этих случаях не наблюдается. То же самое можно сказать и об опухолях различных организмов и систем.
Категория Возраст (годы) Вес (кг.) Рост (см.) Fe (мг.) Новорожденные 0.0-0.5
0.5-1.0
6
9
60
71
10
15
Дети 1-3
4-6
7-10
13
20
28
90
112
132
15
10
10
Мужчины 11-18
15-18
19-22
23-50
51+
45
66
70
70
70
157
176
177
178
178
18
18
10
10
10
Женщины 11-14
15-18
19-22
23-50
51+
46
55
55
55
55
157
163
163
163
163
18
18
18
18
10
Беременные – – – 30-60 Кормящие матери – – – 30-60 Общая масса железа у взрослого мужчины составляет около 4,5 г., а у женщины около 3-4 г. Основная масса (около 75%) железа, составляющая 2,25-3 г., сосредоточена в гемоглобине. Вне гемоглобина в эритроцитах содержится ничтожное, не учитываемое количество железа, входящее в состав клеток. Кроме того, при некоторых состояниях, обнаруживаются гранулы трехвалентного железа (FeIII), дающего при окраске по Перльсу положительную реакцию на берлинскую лазурь.
При нормальном содержании гемоглобина, составляемом 15%, в 100 мл крови содержится 3 г железа. Остальную его часть составляет железо мышечного гемоглобина от 300 до 600 мг и железо дыхательных ферментов – всего около 1 г. Железо, находящееся в органах, главным образом в печени, составляет около 0.5 г.
Суточная потребность взрослого человека в железе определяется масштабами физиологических процессов кроветворения и кроверазрушения.
Роль питания
Распространенность дефицита железа свидетельствует о том, что количество железа, взятого организмом из пищи, часто недостаточно для покрытия потребности в нем практически здорового населения. Однако довольно трудно установить истинную роль диет в различных районах земного шара в происхождении этой патологии.
Железодефицитные состояния могут развиваться при длительном употреблении питания с недостаточным общим содержанием железа, несмотря на нормальную калорийность, или с достаточным или высоким его содержанием, но преобладанием продуктов растительного происхождения, содержащие тормозящие усвоение железа вещества. Длительное вынужденное применение однообразного по составу питания при некоторых внутренних заболеваниях или соблюдение больничных диет в ряде случаев может способствовать обеднению организма.
Даже при высоком содержании железа в пище его всасывание в организм может быть незначительным и не удовлетворять его потребности в железе. Железо может всасываться только в виде ионов Fe., его всасывание и выведение протекают очень медленно и зависят от многих сложных факторов. Усваивается лишь незначительная часть присутствующих в пищевых продуктах железа. Более того, способность железа усваиваться сильно варьирует для разных пищевых продуктов. Лучше всего железо усваивается из мяса, значительно хуже из зерновых злаков. Молоко содержит очень мало железа.
Продукты, содержащие Fe
Продукт Количество Fe (в мг на 100 г.) Продукт Количество Fe (в мг на 100 г.) Фасоль 12.4 Яблоки 2.2 Соль поваренная 10.0 Хлеб пшеничный 2.8-0.9 Печень (говяжья) 9.8 Рис 1.8 Горох 9.4 Морковь 1.4-1.2 Крупа гречневая 8.0 Помидоры 1.4-0.5 Язык (говяжий) 5.0 Картофель 0.9 Крупа овсяная 3.9 Лимоны 0.6 Мясо (говядина) 2.8-2.6 Творог 0.4 Шоколад 2.7 Масло сливочное 0.2 Хлеб ржаной 2.6-2.0 Молоко коровье 0.1 Богаты железом и некоторые минеральные воды. История рассказывает о том, как был открыт первый в России источник железистых вод. В 1714 году рабочий Кончезёрского медеплавильного завода в Карелии Иван Ребоев, «болевший сердечной болью, едва волочивший ноги», увидел однажды на железистом болоте неподалёку от Ладожского озера источник и стал пить из него воду. «Пил три дня к ряду и исцелился». Об этом стало известно Петру I, и вскоре по его указанию были обнародованы «Объявления о Марциальных водах, на Олонце», названных так в честь Марса – бога войны и железа. Царь вместе с семьёй не раз приезжал в эти края и пил целительную воду.
У жителей Северной Америки дефицит железа в организме – одно из наиболее распространённых последствий неправильного питания. Особенно он характерен для детей, девочек-подростков и женщин детородного возраста.
Железо необходимо для синтеза железопорфириновых белков гемоглобина и других составляющих крови. В крови оно переносится в форме комплекса с плазменным белком трансферрином, а в тканях оно накапливается в виде белкового комплекса, содержащего гидроксид и фосфат железа. Белки в больших количествах содержатся в печени, селезёнке и костном мозгу. Железо не выводится из организма с мочой. Оно выделяется с желчью и калом, а так же при кровотечениях. Из-за удвоенных или утроенных потерь во время менструаций женщинам необходимы большие количества железа, чем мужчинам. В хлеб и другие злаковые продукты добавляют дополнительное количество железа, однако это далеко не всегда является решением проблемы недостаточности железа, что приводит к железодефицитной анемии, при которой число эритроцитов в крови остаётся нормальным, а содержание гемоглобина в них уменьшается.
Обмен железа в организме человека
Механизмом, регулирующим обмен железа в организме человека, является всасывание железа в желудочно-кишечном тракте. Выделение его из организма кишечником, с кожей, потом с мочой, являющееся пассивным процессом, лимитировано. В последние 30 лет большое количество исследований в нашей стране и за рубежом посвящено изучению различных этапов всасывания железа. Однако этот механизм и особая роль слизистой оболочки кишечника в регуляции запасов железа и его превращений неизвестно.
При среднем поступлении с пищей 10-20 мг железа в сутки у здорового человека не более 1-2 мг всасывается в желудочно-кишечный тракт. Наиболее интенсивно этот процесс происходит в двенадцатиперстной кишке и начальных отделах тощей кишки. Желудок играет лишь незначительную роль в усвоении: из него поступает в организм не более 1-2% от общего количества поступающего в желудочно-кишечный тракт. Соотношение в пище продуктов животного и растительного происхождения, веществ, усиливающих и тормозящих усвоение, состояние эпителия желудочно-кишечного тракта – всё это оказывает влияние на величину усвоения железа.
Этапы обмена железа в организме
Процесс усвоения железа состоит из ряда последовательных этапов:
1) начальный захват железа щеточной каймой клеток слизистой оболочки кишечника.
2) внутриклеточный транспорт, образование запасов железа в клетке.
3) освобождение железа из слизистой оболочки кишечника в кровь.
В экспериментальных исследованиях выяснилось, что клетки эпителия слизистой оболочки кишечника чрезвычайно быстро забирают железо из его полости. А ультразвуковые исследования показали, что первый этап обеспечивает достаточную концентрацию железа на поверхности слизистой оболочки клеток для последующего его усвоения организмом. При этом железо концентрируется щёточной кайме, превращения происходят на мембране микроворсинок.
Второй этап – это поступление железа в богатую рибосомами цитоплазму и межклеточное пространство. И, наконец, третий этап – перенос железа в кровеносные сосуды.
Комплекс трансферрин-железо, образовавшийся в результате захвата железа из клетки слизистой оболочкой кишечника, поступает главным образом в костный мозг, небольшая его часть – в запасный фонд, преимущественно в печень, и ещё меньшее количество железа забирается тканями для образования миоглобина, некоторых ферментов тканевого дыхания и нестойких комплексов железа с аминокислотами и белками.
Костный мозг, печень и тонкий кишечник являются тремя основными органами обмена железа. Клетки костного мозга, так же как и клетки эпителия слизистой оболочки кишечника, имеют повышенную способностьзахватывать железо из насыщенного трансферрина. Таким образом ненасыщенный трансферрин лучше связывает, а насыщенный – лучше отдаёт железо.
Основным источником плазменного железа являются его поступления из внутренних органов, таких как печень, селезёнка, костный мозг, где происходит разрушение гемоглобина эритроцитов. Небольшое количество железа поступает в плазму из запасного фонда и при взятии его из пищи в желудочно-кишечном тракте. Преобладающим циклом в обмене железа в организме человека является образование и разрушение гемоглобина эритроцитов, что составляет 25 мг железа в сутки. Фермент сыворотки крови, вероятно, осуществляет транспортировку железа к клеткам печени, однако его роль в общем обмене железа в организме человека представляется минимальной.
Обмен железа между транспортным и тканевым его фондами изучен недостаточно, так как пути и движения железа из тканей в плазму крови и наоборот изучены мало. Расчётные данные, однако, свидетельствуют о том, что величина плазменно-тканевого обмена железа составляет приблизительно 6 мг в сутки.
Содержание железа в организме человека
Железо, находящееся в организме человека, можно разделить на 2 большие группы: клеточное и внеклеточное. Соединения железа в клетке отличаются различным строением и обладают характерной только для них функциональной активностью и биологической ролью для организма. Ко второй группе внеклеточных соединений железа относятся железо-связывающие белки, содержащиеся во внеклеточных жидкостях.
Клеточное железо
Гемоглобин, содержащийся в эритроцитах, выполняет важную газотранспортную функцию – переносит кислород и углекислый газ. Эритроцит по отношению к гемоглобину играет роль системы, способной регулировать общую величину газотранспортной функции. В гемоглобине одного здорового эритроцита содержится приблизительно 0,34% железа.
Миоглобин – дыхательный белок сердечной и скелетной мускулатуры. Основной функцией миоглобина является транспортировка кислорода и регуляция его содержания в мышце для осуществления сложных биохимических процессов, лежащих в основе клеточного дыхания. Он содержит 0,34% железа.
Некоторым ферментам железо необходимо только для реакций переноса.
Существуют так же запасные соединения железа, находящиеся главным образом в печени, селезёнке и костном мозге. Приблизительно одна треть резервного железа организма человека, преимущественно в виде белка, попадает на долю печени. Запасы железа могут быть при необходимости мобилизованы для нужд организма, и предохранять его от токсичного действия свободно циркулирующего железа.
Известно, что клетки печени участвуют в создании резервного железа, причём большая часть его обнаружена в виде белка ферритина, который в конце жизнедеятельности эритроцитов, освобождаясь, оседает в печени или возвращается в плазму крови и захватывается в клетках печени и мышц, а также в селезёнке и костном мозге.
Гемосидерин является вторым запасным соединением железа в клетке и содержит значительно больше, чем белок, в отличие от которого гемосидерин не растворим в воде.
Не вызывает сомнений точно установленный факт, что концентрация сывороточного ферритина отражает состояние запасного фонда железа в организме человека. Хорошая зависимость отмечена между уровнем сывороточного белка и мобилизуемыми запасами железа в организме, изученных методом количественных кровопусканий, а также между белком и концентрацией железа в клетках печени. Средняя концентрация его в сыворотке крови у мужчин выше, чем у женщин, с колебаниями от 12 до 300 мкг/ л.
Внеклеточное железо
Во внеклеточных жидкостях железо находится в связанном состоянии – в виде железо — белковых комплексов. Концентрация его в плазме широко варьирует у здорового человека, составляет 10,8 – 28,8 мкмоль/л, с достаточно большими суточными колебаниями, достигающими 7,2 мкмоль/л.
Общее содержание железа во всём объёме циркулирующей плазмы у взрослого человека составляет 3 – 4 мг. Уровень железа в плазме крови зависит от ряда факторов: взаимоотношения процессов разрушения и образования эритроцитов, состояния запасного фонда железа в желудочно-кишечном тракте. Однако наиболее важной причиной, определяющей уровень железа, является взаимодействие процессов синтеза и распада эритроцитов.
Железо-связывающий белок трансферрин, открытый шведским учёным, содержится в небольшом количестве в плазме крови. В плазме здорового человека этот белок может находиться в четырёх различных формах, а синтезируется преимущественно в клетках печени.
Функции трансферрина в организме представляют значительный интерес. Он не только переносит железо в различные ткани и органы, но и «узнаёт» нуждающиеся в железе клетки. Белок отдаёт железо им только в том случае, если имеют специальные рецепторы, связывающие железо. Таким образом, этот железо-связывающий белок трансферрин функционирует как транспортное средство для железа, обмен которого в организме человека зависит как от общего поступления железа в плазму крови, так и от его количества, захваченного различными тканями, соответственно количеству в них рецепторов для железа. Кроме того, трансферрин предохраняет ткани организма от токсичного действия железа, выполняя тем самым ещё и защитную функцию.
Этот белок способен регулировать транспорт железа из его запасов в эпителии клеток желудочно-кишечного тракта в плазму крови. Из плазмы железо захватывается преимущественно костным мозгом для синтеза гемоглобина и эритроцитов, в меньшей степени – клетками одной из систем и откладывается там в виде запасного железа, некоторое количество которого используется для образования миоглобина и ферментов тканевого дыхания. Все эти процессы являются сложными и до конца не изучены, но некоторые этапы наиболее важного процесса передачи железа клеткам головного мозга можно представить следующим образом:
1) нахождение трансферрина рецепторными участками клеток.
2) образование прочного соединения между трансферрином и клеткой, возможно проникновение белка в клетку.
3) перенос железа от железо-связывающего белка к синтезирующему гемоглобин – аппарату клетки.
4) освобождение трансферрина в кровь.
Железо-связывающий белок лактоферрин обнаружен во многих биологических жидкостях: молоке, слезах, желчи, и др. Подобно трансферрину, лактоферрин способен связывать 2 атома железа специфическими пространствами. В физиологических условиях лактоферрин насыщен железом до 20%, в ничтожных количествах он содержится в плазме, освобождаясь в неё из лейкоцитов.
Железосодержащие ферменты – это ещё один важный класс элементов, участвующих в переносе электронов в клетках животных, растений и бактерий. Железосерные ферменты не содержат гемогрупп, они характеризуются тем, что в их молекулах присутствует равное число атомов железа и серы, которые находятся в особой форме, расщепляющейся под действием кислот. К железосерным ферментам относится, например, вещество, осуществляющее перенос электронов от возбуждённого светом хлорофилла на разнообразные точки электронов.
Диагностическое и лечебное применение железа
Кровь содержит железо, и оно определяет её цвет. Содержание железа в плазме крови подвержено суточным колебаниям – оно снижается во второй половине дня.
При таких заболеваниях, как анемия, цирроз печени, злокачественные новообразования, многих видах желтухи., при таких состояниях, как беременность, острые и хронические кровопотери и острые инфекционные заболевания часто наблюдается изменения количества железа в организме человека.
Обмен железа во многом зависит от нормального функционирования печени, поэтому определение содержания железа в сыворотке крови может быть использовано в качестве функциональной печеночной пробы. При некоторых видах поражения печени нарушается её функция по накоплению железа, т. к. пораженная или погибающая клетка отдаёт железо в кровь. В связи с этим происходит его накопление в сыворотке крови. Это очень важно учитывать, т. к. при вирусных инфекциях содержание железа в сыворотке крови снижается.
В отличие от многих других видов желтухи, механическая желтуха протекает при нормальном или несколько пониженном содержании железа в сыворотке крови.
Диагностическое применение железа
Радиоактивное железо применяют в радиоизотопной диагностике для изучения обмена и всасывания железа, главным образом в виде цитрата и хлорида. Наиболее широкое применение находят препараты меченые железом. В клинической практике они применяются редко из-за длительного периода выведения из организма и его излучения.
В ряде случаев, например сканирование головного мозга, предпочтительнее использовать короткоживущий изотоп Fe, который создаёт значительно меньшую дозу облучения организма. При определении усвояемости железа эритроцитами радиоактивное железо вводят в кровоток. В последующие 15 – 20 дней с промежутками в 2-3 дня берут пробы крови, и путём изменения Fe- активности эритроцитов определяют степень поглощения железа эритроцитами.
Лечебное применение железа
При анемических состояниях лечебное применение железа обусловлено его участием в процессе гемоглобинообразования, совершающемся специальных клетках костного мозга. Показаниями к применению железа являются железодефицитные анемии различного происхождения, протекающие с пониженным содержанием железа в крови и истощением тканевых резервов железа, а так же бессимптомного дефицита железа, встречающегося у 20-30% практически здоровых женщин. Назначение железа показано и при других состояниях недостаточности железа.
При назначении препаратов внутрь следует учитывать анатомно-функциональное состояние желудочно-кишечного тракта, особенности его верхних отделов желудка, двенадцатиперстной кишки и начального отдела тощей кишки, являющихся наиболее активными участками всасывания железа. После кровопусканий, всасывание железа возрастает и осуществляется на протяжении всего кишечника, включая слепую кишку.
Лечебное применение железа обусловлено необходимостью восстановления нормальной концентрацией не только гемоглобина, но и железа в тканях. Недостаточное лечение, в результате которого резервы тканевого железа не восполняются, способствует сохранению дефицита железа и быстрому развитию малокровия. Критериями эффективности лечения препаратами железа являются:
1) повышение цветового показателя крови.
2) повышение числа эритроцитов
3) нормализация величины концентрации сывороточного железа.
4) снижение общей железосвязывающей способности сыворотки крови.
5) повышение насыщенности трансферрина железом.
6) пополнение тканевых резервов железа, определяемых при помощи пробы.
Показателем эффективности лечения препаратами железа является также обратное развитие трофических нарушений эпителия и эндотелия, связанных с дефицитом железа.
Список литературы
1. О.С. Габриелян Химия. 9 класс.
2. Н.А. Мезенин «Занимательное железо».
3. С.И. Венецкий «Рассказы о металлах»
4. Б.Д. Стёпин, Л.Ю. Аликберова. «Книга по химии для домашнего чтения».
5. М. Беккерт «Железо. Факты и легенды».
6.Сайт «BestReferat.ru»
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают, Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н. э. Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н. э. Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их – железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У “небесного” железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из “небесного” металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным. Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии. Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия
Реферат на тему:
Железо ( Fe )
Ученика 11 «А» класса
812 школы
Амелькина Алексея
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают, Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н.э. Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н.э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их — железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У «небесного» железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из «небесного» металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным.
Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнего учёного Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота… Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации. Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространённости соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них. Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.
По запасам в земной коре Fe занимает 4 место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям учёных, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником Fe остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит Fe3O4, гидрогетит FeO2nH2Oгематит Fe2O сидерит FeCO3.Они составляют основу железных руд – магнитного, бурого, красного и шпантового железняка.
Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах Fe, нужно, прежде всего, говорить, о каком железе идёт речь – о техническом чистом Feили о Feвысшей чистоты. Разница в их свойствах – и физических, и химических – достаточно велика.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2, +3, +6, редко +1 ,+4 и даже 0 (в карбониле Fe(Co)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO(2), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe образуются при растворении Feв разбавленных кислотах – азотной и серной – Feне растворяется: благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной плёнки. Практически не растворяется Feи в щелочах (кроме горячих концентрированных растворах).
Соли трёхвалентного железа обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fe2+ светло-зелёная окраска изменяется на бурую. Соли трёхвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная H2FeO4 железистая HFeO2 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их – дирраты и дерриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трёхвалентного железа Fe2O3, Оксид состава Fe3O4 рассматривают как соединение FeOи Fe2O3. Гидроксиды двух и трёхвалентного железа Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в воде растворяется плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений Fe, но и как важнейшие сырьё для чёрной металлургии. Подобно другим переходным металлам, Feобразует также множество комплексных соединений.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина Feв нашем организме есть ещё и в моимобине – белке. Запасающим кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты и ферритин.
Меня зовут Железо и сегодня я буду перед вами красоваться. Я хочу, чтобы вы представили меня немного иначе, чем обычно, хочу разрушить и поменять имеющиеся у вас представления обо мне.
Итак, я очень и очень старый, мне больше 5000 лет. Я необходим для развития всех живых организмов: растения используют железо в процессе фотосинтеза. Железо содержится в молекулах крови, обеспечивает перенос кислорода в ткани. Даже Солнце и многие звезды содержат значительное количество железа. Среди самых распространенных элементов во Вселенной я занимаю почетное шестое место.
Я очень красивый, но при длительном контакте с воздухом и водой становлюсь слабым и беспомощным: моя благородная серебристая седина окисляется, ко мне подкрадывается болезнь с ужасным названием – ржавчина. Она настолько опасна, что может погубить меня.
Несмотря на расхожее мнение о моей твердости и несгибаемости, по своей природе я довольно мягок, болезненный процесс плавления делает меня более твердым и более устойчивым к трудностям.
У меня есть 4 изотопа, самый распространенный среди них – Fe-56.
Изделия из железа упоминаются в Библии, но сейчас железо чаще всего используется для производства стали – более прочного сплава железа и углерода. Большинство приборов на вашей кухне изготовлены именно из этого материала: это кастрюли, сковородки, вилки, ножи, ложки.
Я даже не гость, я обитатель почти каждого дома.
Существует мнение, что поверхность Марса красная из-за большого количества оксида железа (ржавчины) на его поверхности.
Реферат:
Железо и его роль
Введение
Железо –
(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 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 3 s 2p
2 d 64s2. 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, кроме железа, также кобальт и
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.
1.
Нахождение в природе
В
земной коре железо распространено достаточно широко – на его долю приходится
около 5,1% 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, Fe2O3; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит,
Fe3О4; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда
гидрогетит НFeO2· nH2O), а также шпатовые железняки
(руда сидерит, карбонат железа, FeСО3;
содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения
пирита FeS2 (другие названия –
серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с
высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. В свободном
состоянии железо находят только в падающих на землю метеоритах. По запасам
железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10-5-1·10-8% железа.
2.
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 тысячелетии до нашей эры. Период с 9-7 века до нашей эры,
когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил
название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку.
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. В дальнейшем способы получения
железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого
используют специальные устройства – домны, кислородные конвертеры,
электродуговые печи.
3.Физические
и химические свойства
При
температурах от комнатной и до 917°C, а также в интервале температур
1394-1535°C существует ?-Fe с кубической объемно центрированной решеткой,
при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При
температурах 917-1394°C устойчиво ?-Fe с кубической гранецентрированной
решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769°C (так
называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как
говорят, ферримагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как
парамагнетик. Иногда парамагнитное -Fe с кубической объемно
центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917°C,
рассматривают как ?-модификацию железа, а ?-Fe, устойчивое при
высоких температурах (1394-1535°C), называют по традиции ?-Fe
(представления о существовании четырех модификаций железа – ?,?,?
и ?- 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. 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 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):
Реферат на тему:
Железо (Fe)
Ученика 11 «А» класса
812 школы
Амелькина Алексея
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее, учёные не знают,
Когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек стал использовать уже в начале 1 тысячелетия до н.э.
Когда на смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия на территории
Европы и Азии начала развиваться ещё в 9 – 7 веке до н.э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Поскольку ежегодно на Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их – железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных метеоритов весит около 60 тон. Он найден в 1920 году в юго-западной части Африки. У «небесного» железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддаётся ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное тело. Оружие из
«небесного» металла долгие века оставались чрезвычайно редким и драгоценным.
Железо обнаружено также и на Луне, В лунном грунте, оно присутствует в самородном, не окислённом состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы. Хотя на Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнего учёного Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота… Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации.
Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространённости соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них. Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.
По запасам в земной коре Fe занимает 4 место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям учёных, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником Fe остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит
Fe3O4, гидрогетит FeO2 nH2O гематит Fe2O сидерит FeCO3.Они составляют основу железных руд – магнитного, бурого, красного и шпантового железняка.
Железо – серый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах Fe, нужно, прежде всего, говорить, о каком железе идёт речь – о техническом чистом Fe или о Fe высшей чистоты.
Разница в их свойствах – и физических, и химических – достаточно велика.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2,
+3, +6, редко +1 ,+4 и даже 0 (в карбониле Fe(Co)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO(2), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe образуются при растворении Fe в разбавленных кислотах – азотной и серной – Fe не растворяется: благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной плёнки. Практически не растворяется Fe и в щелочах (кроме горячих концентрированных растворах).
Соли трёхвалентного железа обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fe2+ светло-зелёная окраска изменяется на бурую. Соли трёхвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная
H2FeO4 железистая HFeO2 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их – дирраты и дерриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трёхвалентного железа Fe2O3, Оксид состава Fe3O4 рассматривают как соединение FeO и Fe2O3. Гидроксиды двух и трёхвалентного железа
Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в воде растворяется плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений Fe, но и как важнейшие сырьё для чёрной металлургии. Подобно другим переходным металлам, Fe образует также множество комплексных соединений.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина Fe в нашем организме есть ещё и в моимобине – белке. Запасающим кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты и ферритин.
Металлы – этоэлементы, проявляющие в своих соединениях только положительные степениокисления, и в простых веществах которые имеют металлические связи. Металлическаякристаллическая решетка — решетка, образованная нейтральными атомами и ионами металлов, связанными междусобой свободными электронами./> У металловв узлах кристаллической решетки находятся атомы и положительные ионы.Электроны, отданные атомами, находятся в общем владении атомов и положительныхионов. Такая связь называется металлической. Для металлов наиболее характерны следующие физические свойства: металлическийблеск, твердость, пластичность, ковкость и хорошая проводимость тепла иэлектричества. Теплопроводность и электропроводность уменьшается в рядуметаллов: Аg Сu Аu Аl Мg Zn Fе РЬ Hg.
Многие металлы широкораспространены в природе. Так, содержание некоторых металлов в земной кореследующее: алюминия — 8,2%; железа — 4,1%; кальция — 4,1%; натрия — 2,3%;магния — 2,3%; калия — 2,1%; титана — 0,56%.
С внешней стороны металлы, какизвестно, характеризуются прежде всего особым “металлическим” блеском, которыйобусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блескнаблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошнуюкомпактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучипревращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном видеимеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокойтепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и токрасполагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь,худшие — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает,при понижении температуры, наоборот, увеличивается.
Оченьважным свойством металлов является их сравнительно легкая механическаядеформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются впроволоку, прокатываются в листы и т.п.
Характерныефизические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутреннейструктуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят изположительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся отсоответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в видепространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках междуионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят отодних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Таккак электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшойразности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е.возникает электрический ток.
Наличиемсвободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясьв непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами иобмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в даннойчасти металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, отних — следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; всямасса металла принимает одинаковую температуру.
Поплотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы,плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы — всеостальные.
Частицыметаллов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типомхимической связи — так называемой металлической связью. Она определяетсяодновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами икулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом,металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.
/> /> /> /> /> /> /> /> /> Методы получения металлов
/> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> пирометаллургические
гидрометаллургические
электрометаллургические
/> /> /> /> /> /> /> /> Восстановление металлов из соединений при высокой температуре
/> Восстановление металлов из водных растворов их соединений
/> Восстановление металлов из расплавов соединений под действием электрического тока
/>
Химическиесвойства металлов
Взаимодействие с простыми веществами:
1. с галогенами:
Na + Cl2 > 2NaCl
2. с кислородом:
4Al + 3O2 > 2Al2O3
В реакциях с галогенами и кислородомметаллы наиболее энергично проявляют восстановительные способности.
3. с серой:
2Na + S> Na2S
4. с азотом:
3Mg + N2 >Mg3N2
5. с фосфором:
3Ca + 2P> Ca3P2
6. с водородом:
Ca + H2 >CaH2
Наиболее активные металлы главных подгруппявляются сильными восстановителями, поэтому восстанавливают водород до степениокисления -1 и образуют гидриды.
Взаимодействиесо сложными веществами:
1. с кислотами:
2Al+3H2SO4 > Al2(SO4)3+ 3H2
2Al+ 6H + 3SO4 > 2Al + 3SO4 + 3H2
2Al + 6H> 2Al + 3H2
Металлы, которые в электрохимическом рядунапряжений металлов находятся до водорода, восстанавливают ионы водорода изразбавленных кислот, а те, которые находятся после водорода, восстанавливаютатом основного элемента, образующего данную кислоту.
2. с водными растворами солей:
Zn+ Pb(NO3)2 > Zn(NO3)2 + Pb
Zn+ Pb + 2NO3 = Zn + 2NO3 + Pb
Zn + Pb = Zn + Pb
При взаимодействии с водными растворамисолей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений металлов левее,восстанавливают металлы, находящиеся в этом ряду правее от них. Однако металлыс сильными восстановительными свойствами (Li, Na, K, Ca) в этихусловиях будут восстанавливать водород воды, а не металл соответствующей соли.
3. с водой:
Самые активные металлы реагируют с водой при обычныхусловиях, и в результате этих реакций образуются растворимые в воде основания ивыделяется водород.
2Na + 2HOH> 2NaOH + H2
Менее активные металлы реагируют с водой при повышеннойтемпературе с выделением водорода и образованием оксида соответствующегометалла.
Zn + H2O> ZnO +H2
Характеристика металлов главной подгруппы Iгруппы.
Главную подгруппу I группыпериодической системы составляют литий Li, натрий Na, калий K, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr.
Все щелочные металлы имеют один s-электрон на внешнемэлектронном слое, который при химических реакциях легко теряют, проявляястепень окисления +1. Поэтому щелочные металлы являются сильнымивосстановителями. Радиусы их атомов возрастают от лития к францию. Электронвнешнего слоя с возрастанием радиуса атома находится все дальше от ядра, силыпритяжения ослабевают и, следовательно, увеличивается способность к отдачеэтого электрона, т.е. химическая активность. В электрохимическом рядунапряжений металлов все щелочные металлы стоят левее водорода. Все щелочныеметаллы в твердом состоянии хорошо проводят электрический ток. Они легкоплавки,быстро окисляются на воздухе, поэтому их хранят без доступа воздуха и влаги,чаще всего под керосином. Щелочные металлы образуют соединения спреимущественно ионной связью. Оксиды щелочных металлов – твердыегигроскопичные вещества, легко взаимодействующие с водой. При этом образуютсягидроксиды – твердые вещества, хорошо растворимые в воде. Соли щелочныхметаллов, как правило, тоже хорошо растворяются в воде.
Всещелочные металлы — очень сильные восстановители, в соединениях проявляютединственную степень окисления +1. Восстановительная способность увеличиваетсяв ряду ––Li–Na–K–Rb–Cs.
Все соединения щелочных металлов имеют ионный характер.
Практически все соли растворимы в воде.
1. Активно взаимодействуют с водой:
2Na + 2H2O> 2NaOH + H2
2Li + 2H2O > 2LiOH + H2
2. Реакция с кислотами:
2Na + 2HCl >2NaCl + H2
3. Реакция с кислородом:
4Li + O2> 2Li2O(оксид лития)
2Na + O2 > Na2O2(пероксид натрия)
K + O2 > KO2(надпероксид калия)
На воздухе щелочные металлымгновенно окисляются. Поэтому их хранят под слоем органических растворителей(керосин и др.).
4.В реакциях с другими неметаллами образуются бинарные соединения:
2Li + Cl2> 2LiCl(галогениды)
2Na + S > Na2S(сульфиды)
2Na + H2 > 2NaH(гидриды)
6Li + N2 > 2Li3N(нитриды)
2Li + 2C > 2Li2C2(карбиды)
Реагируют со спиртами и галогенопроизводными углеводородов (смотри«Органическую химию»)
5. Качественная реакция на катионы щелочных металлов — окрашивание пламени вследующие цвета:
Li+– карминово-красный
Na+ – желтый
K+, Rb+ и Cs+ – фиолетовый
Характеристикаэлементов главной подгруппы IIгруппы.
Главнуюподгруппу II группы Периодической системы элементовсоставляют бериллий Be, магний Mg, кальций Ca, стронций Sr, барий Ba и радий Ra.
Атомы этихэлементов имеют на внешнем электронном уровне два s-электрона:ns2. В хим. реакциях атомы элементовподгруппы легко отдают оба электрона внешнего энергетического уровня и образуютсоединения, в которых степень окисления элемента равна +2.
Всеэлементы этой подгруппы относятся к металлам. Кальций, стронций, барий и радийназываются щелочноземельными металлами.
В свободномсостоянии эти металлы в природе не встречаются. К числу наиболеераспространенных элементов относятся кальций и магний. Основнымикальцийсодержащими минералами являются кальцит CaCO3 (егоразновидности – известняк, мел, мрамор), ангидрит CaSO4, гипс CaSO4 • 2H2O,флюорит CaF2 ифторапатит Ca5(PO4)3F. Магнийвходит в состав минералов магнезита MgCO3, доломита MgCO3 • CaCo3,карналлита KCl • MgCl2 • 6H2O.Соединения магния в больших количествах содержатся в морской воде.
Свойства.Бериллий, магний, кальций, барий и радий – металлы серебристо-белого цвета.Стронций имеет золотистый цвет. Эти металлы легкие, особенно низкие плотностиимеют кальций, магний, бериллий.
Радийявляется радиоактивным химическим элементом.
Бериллий,магний и особенно щелочноземельные элементы – химически активные металлы. Ониявляются сильными восстановителями. Из металлов этой подгруппы несколько менееактивен бериллий, что обусловлено образованием на поверхности этого металлазащитной оксидной пленки.
1. Взаимодействиес простыми веществами. Все легко взаимодействуют с кислородом и серой, образуяоксиды и сульфаты:
2Be+ O2 = 2BeO
Ca+ S = CaS
Бериллий имагний реагируют с кислородом и серой при нагревании, остальные металлы – приобычных условиях.
Все металлыэтой группы легко реагируют с галогенами:
Mg + Cl2 = MgCl2
Принагревании все реагируют с водородом, азотом, углеродом, кремнием и другиминеметаллами:
Ca + H2 = CaH2 (гидридкальция)
3Mg + N2 = Mg3N2 (нитридмагния)
Ca + 2C = CaC2 (карбидкальция)
Карибиткальция – бесцветное кристаллическое вещество. Технический карбит, содержащийразличные примеси, может иметь цвет серый, коричневый и даже черный. Карбиткальция разлагается водой с образованием газа ацетилена C2H2 – важногопродукта хим. промышленности:
CaC2 + 2H2O = CaOH)2+ C2H2
Расплавленныеметаллы могут соединяться с другими металлами, образуя интерметаллическиесоединения, например CaSn3, Ca2Sn.
2. Взаимодействуютс водой. Бериллий с водой не взаимодействует, т.к. реакции препятствуетзащитная пленка оксида на поверхности металла. Магний реагирует с водой принагревании:
Mg + 2H2O = Mg(OH)2 + H2
Остальныеметаллы активно взаимодействуют с водой при обычных условиях:
Ca + 2H2O = Ca(OH)2 + H2
3. Взаимодействиес кислотами. Все взаимодействуют с хлороводородной и разбавленной сернойкислотами с выделением водорода:
Be + 2HCl = BeCl2 + H2
Разбавленнуюазотную кислоту металлы восстанавливают главным образом до аммиака или нитратааммония:
2Ca + 10HNO3(разб.)= 4Ca(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
Вконцентрированных азотной и серной кислотах (без нагревания) бериллийпассивирует, остальные металлы реагируют с этими кислотами.
4.Взаимодействие с щелочами. Бериллий взаимодействует с водными растворамищелочей с образованием комплексной соли и выделением водорода:
Be + 2NaOH + 2H2O = Na2[Be(OH)4]+ H2
Магний ищелочноземельные металлы с щелочами не реагируют.
5.Взаимодействие с оксидами и солями металлов. Магний и щелочноземельные металлымогут восстанавливать многие металлы из их оксидов и солей:
TiCl4 + 2Mg = Ti + 2MgCl2
V2O5 + 5Ca = 2V + 5CaO
Бериллий,магний и щелочноземельные металлы получают электролизом расплавов их хлоридовили термическим восстановлением их соединений:
BeF2 + Mg = Be + MgF2
MgO + C = Mg + CO
3CaO + 2Al = 2Ca + Al2O3
3BaO + 2Al = 3Ba + Al2O3
Радийполучают в виде сплава с ртутью электролизом водного раствора RaCl2 с ртутнымкатодом.
Получение:
1) Окисление металлов (кроме Ba, которыйобразует пероксид)
2)Термическое разложение нитратов или карбонатов
CaCO3 –t°>CaO + CO2
2Mg(NO3)2 –t°> 2MgO + 4NO2 + O2
Характеристикаэлементов главной подгруппы IIIгруппы. Алюминий.
Алюминий находится в главной подгруппе III группыпериодической системы. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия имеютсясвободные р-орбитали, что позволяет ему переходить в возбужденное состояние. Ввозбужденном состоянии атом алюминия образует три ковалентные связи илиполностью отдает три валентных электрона, проявляя степень окисления +3.
Алюминий является самым распространенным металлом на Земле:его массовая доля в земной коре составляет 8,8%. Основная масса природногоалюминия входит в состав алюмосиликатов – веществ, главными компонентамикоторых являются оксиды кремния и алюминия.
Алюминий – легкий металл серебристо-белогоцвета, плавится при 600°C, очень пластичен, легковытягивается в проволоку и прокатывается в листы и фольгу. Поэлектропроводности алюминий устпает лишь серебру и меди.
Взаимодействие с простымивеществами:
1. с галогенами:
2Al + 3Cl2 > 2AlCl3
2. с кислородом:
4Al + 3O2 > 2Al2O3
3. с серой:
2Al+ 3S > Al2S3
4. с азотом:
2Al + N2 >AlN
С водородом алюминий непосредственно не реагирует, но егогидрид AlH3 полученкосвенным путем.
Взаимодействиесо сложными веществами:
1. с кислотами:
2Al+ 6HCl > 2AlCl3 + 3H2
2. со щелочами:
2Al + 2NaOH + 6H2O > 2Na[Al(OH)4] + 3H2
Если NaOH в твердом состоянии:
2Al+ 2NaOH + 6H2O > 2NaAlO2 + 3H2
3. с водой:
2Al + 6H2O>2Al(OH)3 + 3H2
Свойстваоксида и гидроксида алюминия:
Оксидалюминия, или глинозем, Al2O3 представляетсобой белый порошок. Оксид алюминия можно получить, сжигая металл илипрокаливая гидроксид алюминия:
2Al(OH)3> Al2O3 + 3H2O
Оксид алюминия практически не растворяется в воде.Соответствующий этому оксиду гидроксид Al(OH)3 получают действием гидроксида аммония или растворов щелочей, взятых внедостатке, на растворы солей алюминия:
AlCl3+ 3NH3 • H2O > Al(OH)3 v + 3NH4Cl
Оксид и гидроксид этого металлаявляются амфотерными, т.е. проявляют как основные, так и кислотные свойства.
Основные свойства:
Al2O3 + 6HCl>2AlCl3 + 3H2O
2Al(OH)3 + 3H2SO4 > Al2(SO4)3 + 6H2O
Кислотныесвойства:
Al2O3 + 6KOH +3H2O >2K3[Al(OH)6]
2Al(OH)3+ 6KOH > K3[Al(OH)6]
Al2O3 + 2NaOH>2NaAlO2 + H2O
Алюминий получают электролитическим методом. Он не можетбыть выделен из водных растворов солей, т.к. является очень активным металлом.Поэтому основным промышленным методом получения металлического алюминияявляется электролиз расплава, содержащего оксид алюминия и криолит.
Металлический алюминий широко используется впромышленности, по объему производства занимает второе место после железа.Основная масса алюминия идет на изготовление сплавов:
Дуралюмин – сплав алюминия, содержащий медь и небольшоеколичество магния, марганца и других компонентов. Дуралюмины – легкие прочные икоррозионностойкие сплавы. Используют в авиа- и машиностроении.
Магналин – сплав алюминия с магнием. Используют в авиа- имашиностроении, в строительстве. Стоек к коррозии в морской воде, поэтому егоприменяют в судостроении. Силумин – сплав алюминия, содержащий кремний. Хорошо подвергаетсялитью. Этот сплав используют в автомобиле-, авиа- и машиностроении,производстве точных приборов. Алюминий – пластичный металл, поэтому из негоизготавливают тонкую фольгу, используемую в производстве радиотехническихизделий и для упаковки товаров. Из алюминия делают провода, краски «подсеребро».
Переходные металлы.
Железо.
Впериодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочнойподгруппе VIII группы.
Порядковыйномер – 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d64s2.
Валентныеэлектроны у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s2)и предпоследнем (3d6). В химических реакциях железо может отдаватьэти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и, иногда, +6.
Железо является вторым пораспространенности металлом в природе (после алюминия).Наиболее важныеприродные соединения: Fe2O3 · 3H2O – бурый железняк;Fe2O3– красный железняк;Fe3O4(FeO · Fe2O3) –магнитный железняк;FeS2 — железный колчедан (пирит).Соединенияжелеза входят в состав живых организмов.
Железо – серебристо серый металл,обладает большой ковкостью, пластичностью и сильными магнитными свойствами.Плотность железа – 7,87 г/см3, температура плавления 1539°С.
В промышленности железо получаютвосстановлением его из железных руд углеродом (коксом) и оксидом углерода (II)в доменных печах. Химизм доменного процесса следующий:
C + O2 = CO2,
CO2 + C = 2CO.
3Fe2O3+ CO = 2Fe3O4 + CO2,
Fe3O4+ CO = 3FeO + CO2,
FeO + CO = Fe + CO2.
В реакциях железо являетсявосстановителем. Однако при обычной температуре оно не взаимодействует даже ссамыми активными окислителями (галогенами, кислородом, серой), но принагревании становится активным и реагирует с ними:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III)
3Fe + 2O2 = Fe3O4(FeO· Fe2O3) Оксид железа (II,III)
Fe + S = FeS Сульфид железа (II)
При очень высокой температуре железореагирует с углеродом, кремнием и фосфором:
3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит)
3Fe + Si = Fe3Si Силицид железа
3Fe + 2P = Fe3P2 Фосфид железа (II)
Во влажном воздухе железо быстроокисляется (корродирует):
4Fe + 3O2 + 6H2O= 4Fe(OH)3,
Железо находится в середине электрохимическогоряда напряжений металлов, поэтому является металлом средней активности.Восстановительная способность у железа меньше, чем у щелочных, щелочноземельныхметаллов и у алюминия. Только при высокой температуре раскаленное железореагирует с водой:
3Fe + 4H2O = Fe3O4+ 4H2
Железо реагирует с разбавленнымисерной и соляной кислотами, вытесняя из кислот водород:
Fe + 2HCl = FeCl2+ H2
Fe + H2SO4= FeSO4 + H2
При обычной температуре железо невзаимодействует с концентрированной серной кислотой, так как пассивируется ею.При нагревании концентрированная H2SO4 окисляет железо досульфита железа (III):
2Fe + 6H2SO4= Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O.
Разбавленная азотная кислота окисляетжелезо до нитрата железа (III):
Fe + 4HNO3 =Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.
Концентрированная азотная кислотапассивирует железо.
Из растворов солей железо вытесняетметаллы, которые расположены правее его в электрохимическом ряду напряжений:
Fe + CuSO4 =FeSO4 + Cu, Fe0+ Cu2+ = Fe2+ + Cu0.
Оксид железа (II) FeO – черное кристаллическое вещество,нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксидажелеза(II,III) оксидом углерода (II):
Fe3O4 + CO =3FeO + CO2.
Оксид железа (II) – основной оксид,легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II):
FeO + 2HCl = FeCl2+ H2O, FeO + 2H+ = Fe2+ + H2O.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 – порошок белого цвета, нерастворяется в воде. Получают его из солей железа (II) при взаимодействии их сощелочами:
FeSO4 + 2NaOH =Fe(OH)2? + Na2SO4,
Fe2+ + 2OH- =Fe(OH)2?.
Гидроксид железа (II) Fe(OH)2проявляет свойства основания, легко реагирует с кислотами:
Fe(OH)2 + 2HCl= FeCl2 + 2H2O,
Fe(OH)2 + 2H+ =Fe2+ + 2H2O.
При нагревании гидроксид железа (II)разлагается:
Fe(OH)2 = FeO + H2O.
Соединения со степенью окисленияжелеза +2 проявляют восстановительные свойства, так как Fe2+ легкоокисляются до Fe+3:
Fe+2 – 1e = Fe+3
Так, свежеполученный зеленоватыйосадок Fe(OH)2 на воздухе очень быстро изменяет окраску – буреет. Изменениеокраски объясняется окислением Fe(OH)2 в Fe(OH)3 кислородомвоздуха:
4Fe+2(OH)2+ O2 + 2H2O = 4Fe+3(OH)3.
Оксид железа (III) Fe2O3 – порошок бурого цвета, нерастворяется в воде. Оксид железа (III) получают:
А) разложением гидроксида железа(III):
2Fe(OH)3 = Fe2O3+ 3H2O
Б) окислением пирита (FeS2):
4Fe+2S2-1+ 11O20= 2Fe2+3O3 + 8S+4O2-2.
Оксид железа (III) проявляетамфотерные свойства:
А) взаимодействует с твердымищелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре:
Fe2O3+ 2NaOH = 2NaFeO2 + H2O,
Fe2O3+ 2OH- = 2FeO2- + H2O,
Fe2O3+ Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2.
Феррит натрия
Гидроксид железа (III) получают из солей железа (III) привзаимодействии их со щелочами:
FeCl3 + 3NaOH =Fe(OH)3? + 3NaCl,
Fe3+ + 3OH- =Fe(OH)3?.
Гидроксид железа (III) является болееслабым основанием, чем Fe(OH)2, и проявляет амфотерные свойства (спреобладанием основных). При взаимодействии с разбавленными кислотами Fe(OH)3легко образует соответствующие соли:
Fe(OH)3 + 3HCl « FeCl3 + H2O
2Fe(OH)3 + 3H2SO4« Fe2(SO4)3+ 6H2O
Fe(OH)3 + 3H+ « Fe3+ + 3H2O
Реакции с концентрированнымирастворами щелочей протекают лишь при длительном нагревании.
Соединения со степенью окисленияжелеза +3 проявляют окислительные свойства, так как под действиемвосстановителей Fe+3 превращается в Fe+2:
Fe+3 + 1e = Fe+2.
Так, например, хлорид железа (III)окисляет йодид калия до свободного йода:
2Fe+3Cl3+ 2KI = 2Fe+2Cl2 + 2KCl + I20
Хром.
Хром находится в побочной подгруппе VI группы Периодическойсистемы. Строение электронной оболочки хрома: Cr3d54s1.
Массовая доля хрома в земной коре составляет 0,02%.Важнейшими минералами, входящими в состав хромовых руд, являются хромит, илихромистый железняк, и его разновидности, в которых железо частично заменено намагний, а хром – на алюминий.
Хром – серебристо серый металл. Чистый хромдостаточно пластичный, а технический самый твердый из всех металлов.
Хромхимически малоактивен. В обычных условиях он реагирует только с фтором (изнеметаллов), образуя смесь фторидов. При высокихтемпературах (выше 600°C) взаимодействует с кислородом,галогенами, азотом, кремнием, бором, серой, фосфором:
4Cr + 3O2 –t°> 2Cr2O3
2Cr + 3Cl2 –t°> 2CrCl3
2Cr + N2 –t°> 2CrN
2Cr + 3S –t°> Cr2S3
В азотной и концентрированной серной кислотах онпассивирует, покрываясь защитной оксидной пленкой. В хлороводородной иразбавленной серной кислотах растворяется, при этом, если кислота полностьюосвобождена от растворенного кислорода, получаются соли хрома(II), а если реакция протекаетна воздухе – соли хрома (III):
Cr + 2HCl > CrCl2 + H2
2Cr + 6HCl + O2 > 2CrCl3 + 2H2O + H2
Оксидхрома (II) и гидроксид хрома (II) имеют основной характер.
Cr(OH)2 + 2HCl > CrCl2 + 2H2O
Соединенияхрома (II) — сильные восстановители;переходят в соединения хрома (III) под действием кислорода воздуха.
2CrCl2 + 2HCl > 2CrCl3 + H2
4Cr(OH)2 + O2 + 2H2O > 4Cr(OH)3
Соединения трёхвалентного хрома
Оксидхрома (III) Cr2O3 – зелёный, нерастворимый вводе порошок. Может быть получен при прокаливании гидроксида хрома (III) или дихроматов калия иаммония:
2Cr(OH)3 –t°> Cr2O3 + 3H2O
4K2Cr2O7 –t°> 2Cr2O3 + 4K2CrO4 + 3O2
(NH4)2Cr2O7 –t°> Cr2O3 + N2+ 4H2O
Амфотерныйоксид. При сплавлении Cr2O3 со щелочами, содой и кислыми солями получаютсясоединения хрома со степенью окисления (+3):
Cr2O3+ 2NaOH > 2NaCrO2 + H2O
Cr2O3+ Na2CO3 > 2NaCrO2 + CO2
Cr2O3+ 6KHSO4 > Cr2(SO4)3 + 3K2SO4+ 3H2O
Присплавлении со смесью щёлочи и окислителя получают соединения хрома в степениокисления (+6):
2Cr2O3 + 4KOH + KClO3 > 2K2Cr2O7(дихромат калия) + KCl + 2H2O
Гидроксидхрома (III) Cr(OH)3 — нерастворимое в воде вещество зелёного цвета.
Cr2(SO4)3+ 6NaOH >2Cr(OH)3? + 3Na2SO4
Обладаетамфотерными свойствами — растворяется как в кислотах, так и в щелочах:
2Cr(OH)3 + 3H2SO4> Cr2(SO4)3 + 6H2O
Cr(OH)3 + KOH >K[Cr(OH)4]
Оксидхрома (VI) CrO3 — ярко-красные кристаллы,растворимые в воде.
Получаютиз хромата (или дихромата) калия и H2SO4(конц.).
K2CrO4+ H2SO4 > CrO3 + K2SO4+ H2O
K2Cr2O7+ H2SO4 > 2CrO3 + K2SO4+ H2O
CrO3 — кислотный оксид, сощелочами образует жёлтые хроматы CrO42-:
CrO3 + 2KOH > K2CrO4 + H2O
Вкислой среде хроматы превращаются в оранжевые дихроматы Cr2O72-:
2K2CrO4 + H2SO4 > K2Cr2O7 + K2SO4 + H2O
В щелочной среде эта реакцияпротекает в обратном направлении:
K2Cr2O7+ 2KOH > 2K2CrO4+ H2O
Всесоединения хрома (VI)- сильные окислители.
4CrO3 + 3S > 3SO2+ 2Cr2O3
Медь.
Медьнаходится в побочной подгруппе I группы Периодическойсистемы. Строение электронных оболочек атомов элементов этой подгруппывыражается формулой (n-1)d10ns1. Навнешнем энергетическом уровне атома находится один электрон, однако вобразовании хим. связей могут принимать участие и электроны с d-подуровняпредпоследнего уровня. Поэтому они могут проявлять степени окисления +1, +2,+3, для меди наиболее устойчивы соединения со степенью окисления +2.
Медь –мягкий пластичный металл, имеет розово-красную окраску. Обладает высокойэлектрической проводимостью.
Медь –химически малоактивный металл. С кислородом реагирует только при нагревании:
2Cu + O2 = 2CuO
Нереагирует с водой, растворами щелочей, хлороводородной и разбавленной сернойкислотами. Медь растворяется в кислотах, являющихся сильными окислителями:
3Cu + 8HNO3 (разб.) =3Cu(NO3)2 + 2NO + 4H2O
Cu + 2H2SO4 (конц.)=CuSO4 + SO2 +2H2O
Во влажнойатмосфере, содержащей диоксид углерода, поверхность меди обычно покрываетсязеленоватым налетом основного карбоната меди:
2Cu + O2 + CO2 +H2O= Cu(OH)2 • CuCO3
Оксид меди(II) CuO – черное вещество, можетбыть получен из простых веществ или путем нагревания гидроксида меди (II):
Cu(OH)2 = CuO + H2O
Гидроксидмеди (II) представляет собой малорастворимое в водесоединение голубого цвета. Легко растворяется в кислотах и при нагревании вконцентрированных растворах щелочей, т.е. проявляет свойства амфотерногогидроксида:
Cu(OH)2 + H2SO4 =CuSO4 + 2H2O
Cu(OH)2 + 2KOH = K2[Cu(OH)4]
Основнаямасса производимой меди используется в электротехнической промышленности. Вбольших количествах медь идет на производство сплавов.
Цинк.
Цинкнаходится в побочной подгруппе II группы. Атомы элементовэтой подгруппы имеют следующую электронную оболочку: (n-1)s2p6d10ns2. Проявляютв соединениях степень окисления +2.
Цинк –серебристо-белый металл. Обладает хорошей электро- и теплопроводимостью. Навоздухе цинк покрывается защитной пленкой оксидов и гидроксидов, котораяослабляет его металлический блеск.
Цинк –химически активный металл. При нагревании легко взаимодействует с неметаллами(серой, хлором, кислородом):
2Zn + O2 = 2ZnO
Растворяетсяв разбавленных и концентрированных кислотах HCl, H2SO4, HNO3 и в водныхрастворах щелочей:
Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2
4Zn + 10HNO3 = 4Zn(NO3)2+ NH4NO3 + 3H2O
Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2[Zn(OH)4]+ H2
Оксид цинка– белое вещество, практически нерастворимое в воде. Оксид и гидроксид цинкаявляются амфотерными соединениями; они реагируют с кислотами и щелочами:
ZnO +2HCl = ZnCl2 + H2O
ZnO + 2KOH + H2O = K2[Zn(OH)4]
Гидроксидцинка растворяется в водном растворе аммиака, образуя комплексное соединение:
Zn(OH)2 + 6NH3 = [Zn(NH3)6](OH)2
Приполучение цинка его руды подвергают обжигу:
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
ZnCO3 = ZnO + CO2
Далее оксидцинка восстанавливают углем:
ZnO + C = Zn + CO
Дляполучения более чистого металла оксид цинка растворяют в серной кислоте ивыделяют электролизом.
Цинкиспользуют для производства сплавов. Цинком покрывают стальные и чугунныеизделия для защиты их от коррозии.
Понятие о сплавах.
Характернойособенностью металлов является их способность образовывать друг с другом или снеметаллами сплавы. Чтобы получить сплав, смесь металлов обычно подвергаютплавлению, а затем охлаждают с различной скоростью, которая определяетсяприродой компонентов и изменением характера их взаимодействия в зависимости оттемпературы. Иногда сплавы получают спеканием тонких порошков металлов, неприбегая к плавлению (порошковая металлургия). Итак сплавы — это продуктыхимического взаимодействия металлов.
Кристаллическаяструктура сплавов во многом подобна чистым металлам, которые, взаимодействуядруг с другом при плавлении и последующей кристаллизации, образуют: а)химические соединения, называемые интерметаллидами; б) твердые растворы; в)механическую смесь кристаллов компонентов.
Тот илииной тип взаимодействия определяется соотношением энергии взаимодействияразнородных и однородных частиц системы, то есть соотношением энергийвзаимодействия атомов в чистых металлах и сплавах.
Современнаятехника использует огромное число сплавов, причем в подавляющем большинстве случаевони состоят не из двух, а из трех, четырех и большего числа металлов.Интересно, что свойства сплавов часто резко отличаются от свойствиндивидуальных металлов, которыми они образованы. Так, сплав, содержащий 50%висмута, 25% свинца, 12,5% олова и 12,5% кадмия, плавится всего при 60,5градусах Цельсия, в то время как компоненты сплава имеют соответственнотемпературы плавления 271, 327, 232 и 321 градус Цельсия. Твердость оловяннойбронзы (90% меди и 10% олова) втрое больше, чем у чистой меди, а коэффициентлинейного расширения сплавов железа и никеля в 10 раз меньше, чем у чистыхкомпонентов.
Однаконекоторые примеси ухудшают качество металлов и сплавов. Известно, например, чточугун (сплав железа и углерода) не обладает той прочностью и твердостью, которыехарактерны для стали. Помимо углерода, на свойства стали влияют добавки серы ифосфора, увеличивающие ее хрупкость.
Средисвойств сплавов наиболее важными для практического применения являютсяжаропрочность, коррозионная стойкость, механическая прочность и др. Для авиациибольшое значение имеют легкие сплавы на основе магния, титана или алюминия, дляметаллообрабатывающей промышленности — специальные сплавы, содержащие вольфрам,кобальт, никель. В электронной технике применяют сплавы, основным компонентомкоторых является медь. Сверхмощные магниты удалось получить, используя продуктывзаимодействия кобальта, самария и других редкоземельных элементов, асверхпроводящие при низких температурах сплавы — на основе интерметаллидов,образуемых ниобием с оловом и др.
Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфаты и хлориды.
Кристаллогидрат сульфата железа (II) FeSO4 • 7Н2O, известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок, для обработки древесины и в других целях.
Хлорид железа (III) FeCl3 используют при очистке воды, в качестве протравы при крашении тканей.
Сульфат железа (III) Fe2(SO4)3 • 9Н2O применяют при очистке воды, в качестве растворителя в гидрометаллургии и в других целях.
Для распознавания соединений железа (II) и (III) проводят качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+. Качественной реакцией на ионы железа (II) Fe2+ служит реакция солей железа (II) с соединением, формула которого K3[Fe(CN)6], называемым красной кровяной солью. С соединениями такого типа вам ещё предстоит познакомиться в старшей школе. Это особая группа солей, которые, как вы знаете, называют комплексными. Пока же вам нужно усвоить, как диссоциируют такие соли:
Реактивом на ионы железа (III) Fe3+ является другое комплексное соединение — жёлтая кровяная соль — K4[Fe(CN)6], которая в растворе диссоциирует аналогично:
Если к растворам, содержащим ионы Fe2+ или Fe3+, прилить соответственно растворы красной кровяной соли (реактив на Fe2+) и жёлтой кровяной соли (реактив на Fe3+), то в обоих случаях выпадет одинаковый синий осадок (рис. 69):
Рис. 69.
Качественная реакция на ионы Fe2+ и Fe3+
Для обнаружения ионов Fe3+ также используют взаимодействие солей железа (III) с роданидом калия KSCN или роданидом аммония NH4SCN. При этом образуется ярко окрашенный ион FeSCN2+, а раствор приобретает интенсивно-красный цвет (рис. 70):
Рис. 70.
Качественная реакция на ион Fe3+
Роль химического элемента железа в жизнедеятельности живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кислорода от органов дыхания к другим органам и тканям.
Соединения железа издавна применяют для лечения малокровия, при истощении, упадке сил.
Для человека и животных источником железа служит пища. В зелёных овощах, таких как шпинат, салат, капуста, много железа. Розовая черешня содержит наполовину меньше железа, чем чёрная. Светло-зелёный капустный лист в шесть раз беднее железом, чем зелёный. В говядине железа больше, чем в телятине.
Новые слова и понятия
Строение атома железа. Степени окисления железа: +2, +3.
Физические и химические свойства железа. Образование хлоридов железа (II) и (III), взаимодействие с серой, кислородом, водой, кислотами, солями.
Железо в природе, минералы железа (магнитный, бурый и красный железняк).
Соединения катионов железа Fe2+ и Fe3+.
Качественные реакции на Fe2+ и Fe3+ и реактивы: жёлтая и красная кровяная соли, роданид калия.
Задания для самостоятельной работы
Напишите уравнения реакций, иллюстрирующих генетические ряды соединений Fe2+ и Fe3+. Первые реакции каждого ряда охарактеризуйте с позиций окисления-восстановления, а реакции с участием электролитов запишите также в ионном виде.
Напишите по два молекулярных уравнения, соответствующих следующим сокращённым ионным уравнениям:
Как называют эти реакции? Напишите названия реактивов.
Используя дополнительную литературу (словари русского языка, химические словари и др.), подготовьте рассказ о происхождении названий реактивов и продуктов качественных реакций на Fe2+ и Fe3+.
Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Рассмотрите два превращения (по выбору) с позиций окисления-восстановления. Реакции с участием электролитов напишите в молекулярной и ионных формах.
Напишите три уравнения реакций железа с разбавленной азотной кислотой, в которых продуктом восстановления кислоты будет соответственно N2, NO, NH4NO3. Для расстановки коэффициентов в уравнениях химических реакций используйте метод электронного баланса. Определите окислитель и восстановитель в этих реакциях.
Вычислите объём оксида углерода (II) (н. у.), который потребуется для восстановления железа из 2,32 т магнитного железняка, содержащего 5% пустой породы. Вычислите количество вещества железа, которое при этом получится, если выход его составляет 80% от теоретически возможного.
Используя свои знания по химии железа, напишите сочинение на тему «Художественный образ вещества или химического процесса».