Металлы побочных подгрупп. Железо и его соединения. Сплавы железа – чугун и сталь

металлы побочных подгруппСегодня урок химии 14 — Металлы побочных подгрупп. Железо и его соединения. Сплавы железа – чугун и сталь.

Они являются d-элементами. Особенность строения их атомов заключается в том, что на внешнем электронном слое, как правило, содержатся два s-электрона (иногда один – Cr, Cu, у палладия в его невозбужденном состоянии нет s-электронов) и во втором снаружи электронном слое их атомов имеется не полностью занятый электронами d-подуровень. Для образования химических связей атомы элементов могут использовать не только внешний электронный слой, но также d-электроны и свободные d-орбитали предшествующего слоя. Этим и объясняются их отличительные свойства.
Возрастание порядкового номера не сопровождается существенным изменением структура внешнего электронного слоя; поэтому химические свойства этих элементов изменяются не так резко, как у элементов главных подгрупп. Закономерности изменения химической активности у элементов побочных подгрупп сверху вниз иные, чем у главных подгрупп, химическая активность (за некоторым исключением) уменьшается. Так, например, золото химически менее активно по сравнению с медью. В побочных подгруппах с возрастанием порядкового номера элемента окислительные свойства понижаются. Так, соединения хрома (VI) – сильные окислители, а для соединений молибдена (VI) и вольфрама – не характерны. Можно отметить отдельные общие закономерности общих подгрупп. Максимальная положительная степень окисления совпадает с номером группы (исключения составляют  железо – +6; кобальт, никель, медь – +3). С увеличением степени окисления  атомов металлов побочных подгрупп основные свойства их  оксидов и гидроксидов уменьшаются, а кислотные – усиливаются. Из металлов побочных подгрупп наибольшее практическое значение имеют медь, цинк, титан, хром, железо. Свойства соединений железа  рассмотрим подробнее.

Электронная формула железа:  1s22s22p63s23p63d64s2.

Возможные степени окисления: 0, +2, +3, +6.

Нахождение в природе: магнитный железняк, магнетит Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк 2Fe2O3∙3H2O; шпатовый железняк, железный шпат, сидерит FeСO3, железный колчедан, пирит FeS2.

Физические свойства. Серебристый пластичный металл, ρ=7,9 г/см3, tпл=1536oС, легко намагничивается и размагничивается.

Химические свойства.  Реагирует с неметаллами:

3Fe + 2O2 → Fe3O4                     2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3

Fe + S →FeS

с водой:

3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2

с кислотами:

Fe + 2HCl → FeCl2 + H2

Fe + 4HNO3(разб) → Fe(NO3)3 + NO↑+ 2H2O

с солями:

Fe + CuCl2 → Cu + FeCl2

Соединения железа

+2                                              +3                                   +6

FeO                                          Fe2O3                            FeO3

Fe(OH)2                               Fe(OH)3                      H2FeO4

Соединения железа (II). Оксид и гидроксид проявляют основной характер:

FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O

Fe(OH)2 + 2HCl → FeCl2 + H2

Гидроксид и соли легко окисляются:

4Fe(OH)2 + O2+ 2H2O → 4Fe(OH)3

2FeCl2 + Cl2 → 2 FeCl3

2FeSO4 → Fe2O3 + SO2↑+ SO3

Феррит натрия  NaFeO2 —  соль несуществующей железистой кислоты ( в свободном виде не получена).

При сплавлении  Fe2O3 с оксидами  NiO, ZnO, MnO  получают ферриты Fe2O3 ∙ MeO, обладающие магнитными свойствами.

Соли подвергаются гидролизу:

FeCl3 + H2O ↔ FeOHCl2 + HCl

Соединения железа (VI)

Fe2O3 + 4KOH + 3KNO3 → 2K2FeO4 + 3KNO2 + 2H2O

Феррат калия K2FeO4соль несуществующей железной кислоты.

Сплавы железа.

Чугун – сплав железа, содержащий углерод (2 – 6% по массе), кремний, марганец, фосфор, серу и другие компоненты. Это твердый и хрупкий материал. Сталь отличается от железа меньшим содержанием углерода (до 2%).

Чугун выплавляют в доменных печах, изготовленных из огнеупорных материалов.

Перед выплавкой чугуна железную руду обогащают.

В печи кокс сгорает, соединяясь с кислородом, получающийся оксид углерода (IV) реагирует с избытком углерода (коксом) с образованием оксида углерода (II).

Под действием оксида углерода (II) оксиды железа, содержащиеся в концентрате, постепенно восстанавливаются до металла.

Сказанное иллюстрируются реакциями:

При горении кокса образуется диоксид углерода

C + O2 → CO2

CO2 , проходя через раскаленный кокс, превращается в СО:

CO2 + C → 2CO↑

При температуре 450-500 оС оксид углерода (II) восстанавливает оксид железа (III) до Fe3O4:

3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2

При более высокой температуре (600 oС) Fe3O4 восстанавливается до оксида железа (II):

Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2

Далее при температуре 70 oС оксид железа(II) восстанавливается до металлического железа:

FeO + CO → Fe + CO2

Некоторое количество оксидов железа восстанавливается также углеродом кокса.

Оксиды алюминия, кремния и другие оксиды, содержащиеся в шихте, взаимодействуют с оксидом кальция, который образуется при разложении известняка. В результате образуются шлаки, поскольку имеют меньшую плотность.

Сталь. Сталь – ковкий сплав железа с углеродом и другими веществами (металлами и неметаллами). Массовая доля углерода в стали не превышает  2%.

Сталь производят из чугуна (передел чугуна) и металлического лома. В процессе передела чугуна на сталь уменьшается содержание различных веществ в сплаве: углерода, кремния, фосфора, серы, марганца. Удаление этих примесей основано на реакциях их окисления кислородом или оксидами железа в расплаве (выплавка стали).

При выплавке сталей в них вводят легирующие добавки, в качестве которых используют кремний, марганец, кобальт, никель, ванадий, хром, вольфрам, молибден, титан, алюминий и другие металлы. Изменяя состав, получают стали, обладающие повышенной прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью.

При конверторном способе кислород продувают через расплавленный чугун в специальных аппаратах – конверторах. Это способ, позволяющий получать сталь высокого качества.

При мартеновском способе получения стали кислород или воздух пропускается над расплавленным чугуном. При этом железо окисляется в поверхностном слое. Мартеновский способ хуже конверторного, сталь получается худшего качества.

При превращении чугуна в сталь протекают следующие реакции:

Si + O2→ SiO2 ;    Mn + O2 → MnO2 ; C +O2 → CO2

и незначительно:    2Fe + O2 → 2FeO

Полученные оксиды SiO2, MnO2 и CO2 удаляются в виде шлака  или газов (СО2):

SiO2 + MnO → MnSiO3

SiO2 + MgO → MgSiO3

 SiO2 + FeO → FeSiO3

Стали классифицируют по их назначению — инструментальные, строительные и специальные; по химическому составу — углеродистые, специальные.

Это был урок химии 14 — Металлы побочных подгрупп. Железо и его соединения. Сплавы железа – чугун и сталь

 

{lang: 'ru'}

Расскажите об этой статье друзьям:

Friend me:

Вы можете оставить комментарий, к нашему сайту.

Оставить отзыв