Сегодня 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, t_пл=1536^oС, 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 + 4HNO_3(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 K₂FeO₄ – соль 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