Соединения железа и степени окисления металла

Степень окисления железа является важным химическим параметром, который учитывается при поиске руды, технологии производства металла и формировании сплавов.

Оксиды железа
Окисление железа влияет на использование в производстве и формирование сплавов

Физические и химические свойства железа

  • Химический элемент №26 является самым распространенным в Солнечной системе, уступая место только алюминию. По данным исследований, его содержание в ядре Земли составляет 85,5%.
  • В чистом виде металл имеет белый цвет со свойственным серебристым оттенком и пластичностью. Он является ферромагнетиком со свойственным реагированием на магнит.
  • Для химического элемента характерен полиморфизм, то есть различное структурное строение. Металл имеет свою кристаллическую решетку, которая изменяется под влиянием внешних факторов, например при нагревании.
  • В природных условиях повышенная концентрация химического элемента сосредоточена в местах извержения пород. Промышленные месторождения формируются в результате внешних и внутренних процессов, происходящих в земной коре, в процессе разрушения и отложения пород, миграции химического элемента.

Содержание металла в речной воде — приблизительно 2 мг/л, а в морской воде его меньше в 100–1000 раз.

  • Химический элемент имеет несколько степеней окисления, определяющих его геохимическую особенность нахождения в определенной среде. В нейтральной форме металл находится в ядре Земли.
  • Соединение металла с кислородом является основной формой нахождения в природе. Степени окисления химического элемента характеризуют его месторасположения в верхней части земной коры. В зависимости от состава осадочных образований меняется валентность химического элемента.
  • С уменьшением температуры увеличивается содержание элемента в минералах. Металл обладает средней активностью, а основные степени окисления составляют +2, +3. При высоких температурах и повышенной влажности железо подвергается коррозии.

    Химические свойства железа
    При воздействии высоких температур железо подвергается коррозии
  • В состоянии тонкой дисперсии в чистом кислороде металл самовоспламеняется и горит в чистом кислороде. Температура плавления материала составляет 1538 °C, кипение происходит при нагревании до 2861 °C. Удельная теплота плавления составляет 247,1 КДж/кг.

Простые соединения металла

  1. В зависимости от воздействия внешней среды происходит окисление железа. Например, на воздухе в присутствии влаги металл ржавеет. Под влиянием воды и кислорода образуется гидроокись химического элемента со степенью окисления +3. В природе это соединение находится в минерале лимонит.
  2. Раскаленная проволока из чистого материала горит в кислороде. При этом образуется оксид металла с валентностью II и III. При температуре 700–900 °C химический элемент реагирует с парами воды с выделением водорода.
  3. В процессе нагревания химический элемент реагирует с неметаллами: бромом, серой, хлором. При воздействии разбавленных соляной и серной кислот образуются соли металла со степенью окисления +2 и выделяется водород.
  4. Реакции с кислотами проводятся без доступа воздуха из-за изменения степени окисления железа под влиянием кислорода. Окислительно-восстановительные реакции в концентрированных кислотах происходят при нагревании. При этом железо сразу переходит в катион Fe3+. На холоде под влиянием концентрированной серной и азотной кислоты образуется тонкая пленка, которая предотвращает реакцию.
  5. Химический элемент вытесняет из растворов другие металлы. Например, если погрузить в раствор медного купороса железный гвоздь, то он постепенно покроется чистой медью.
  6. Под воздействием концентрированных щелочей при нагревании химический элемент проявляет амфотерность, способность проявлять основные и кислотные свойства.

Практическое применение химических параметров материала

В естественных условиях образуются окисды железа. Ценный компонент извлекают из руды путем ее обогащения с использованием различных методов. Технический материал представляет собой сплавы, содержащие примеси и лигатурные добавки:

  • углерод;
  • серу;
  • свинец;
  • марганец;
  • никель;
  • хром;
  • кремний.

Их присутствие придает составам новые свойства, устойчивость к воздействию внешней среды, твердость, ковкость.

Для производства чугуна — сплава железа с углеродом, применяют доменный процесс производства, который включает такие стадии:

  • обжиг карбонатных и сульфидных руд, содержащих соединения железа;
  • сжигание кокса с использованием горячего продува;
  • восстановление оксида металла угарным газом;
  • соединение углерода с железом и расплавление чугуна.

В чугуне в виде зерен всегда находятся включения графита и соединения железа с углеродом (цементит). Из чугуна производят сталь путем переплавки в мартеновских, электрических печах.

Чугун
Чугун- сплав железа с углеродом

Для получения разных марок стали в состав материала вводятся лигатурные добавки других компонентов. Химически чистое железо в промышленности производят путем электролиза раствора солей металла или восстановлением оксидов водородом.

Состав материала определяет сферы его применения. Чистый металл используется в производстве особых сплавов, предназначенных для изготовления сердечников для электромагнитов. Из чугуна путем литья изготовляют посуду, его используют как материал для производства стали.

Оксиды металла и их нахождение в природе

Реакция окисления железа происходит в естественных условиях. В зависимости от степени окисления соединение приобретает свойства, определяющие его применение.

  • Простой оксид железа FeO является амфотерным соединением с преобладающими основными свойствами. Он не взаимодействует с водой, восстанавливается водородом и медленно окисляется на воздухе. Соединение применяют в качестве компонента минеральных красок и керамических изделий.
  • Двойной оксид металла в природе находится в магнетите. Соединение является термически устойчивым, его наносят на поверхности изделий из стали. Этот процесс обработки известен под названием воронение или чернение металла.
  • В оксиде металла Fe2O3 преобладают основные свойства, он медленно реагирует со щелочами и кислотами. Гематит является рудным сырьем, содержащим соединение металла. Его применяют при выплавке чугуна, в качестве катализатора при производстве аммиака, производстве красок, цемента, как полирующий материал для стекла и стали.


Adblock
detector