Порядковый номер железа. Соединения одновалентной меди. Железо в трудах ученых
Железо, его положение в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева.
В периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева железо Fe расположено в 4-м периоде VIII группы побочной подгруппы.
Распределение электронов по электронным слоям в атоме железа выглядит так:
В основном состоянии.
В возбужденном состоянии.
В атоме железа четыре электронных слоя. Электронами заполняется d–подуровень третьего слоя, на нём находится 6 электронов, а на четвёртом слое s–подуровне находится 2 электрона. В соединениях железо проявляет степени окисления +2 и +3.
Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.
Физические свойства.
Железо - типичный металл, блестящий серебристо-белый металл, его плотность 7,87 г\см3, т.пл. 1539 С. Обладает хорошей пластичностью. Железо легко намагничивается и размагничивается, а потому применяется в качестве сердечников динамомашин и электромоторов. Железо состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 54,56,57 и 58. Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами.
Далее целесообразно отметить, что железо - после алюминия - самый распространенный в природе металл (общее содержание в земной коре - 4,65% по массе). Известно большое число минералов, в состав которых входит железо: магнетит (магнитный железняк) - Fe3O4, гематит (красный железняк) - Fe2O3, железный шпат (сидерит) - FeCO3, железный колчедан - FeS2 и др.
Химические свойства.
Для железа характерны степени окисления - +2 и +3.
Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH) 2 . Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) - слабый восстановитель.
Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe 2 O 3 и коричневый гидроксид Fe(OH) 3 . Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe 3+ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH) 3 растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe 2 O 3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли несуществующей в свободном виде кислоты HFeO 2):
Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.
Степени окисления +2 и +3 легко переходят между собой при изменении окислительно-восстановительных условий.
Кроме того, существует оксид Fe 3 O 4 , формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2 .
Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли - ферраты (например, K 2 FeO 4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.
Свойства простого вещества.
При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой 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, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe 2 O 3 ·xH 2 O.
Взаимодействует с кислотами.
· С соляной кислотой:
· С разбавленной серной кислотой:
· Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо. C концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании:
· Взаимодействие с кислородом:
· Сгорание железа на воздухе:
· Сгорание в чистом кислороде:
· Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо:
· Взаимодействие с порошком серы при нагревании:
· Взаимодействие с галогенами при нагревании:
· Горение в хлоре:
· При повышенном давлении паров брома:
· Взаимодействие с йодом:
· Взаимодействие с неметаллами:
· С азотом при нагревании:
· С фосфором при нагревании:
· С углеродом:
· С кремнием:
· Взаимодействие раскалённого железа с водяным паром:
· Железо восстанавливает металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов солей:
· Железо восстанавливает соединения железа(III):
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём 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 (η5-C5H5)2Fe.
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.
Соединения железа (II) .
Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH) 2 . Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):
Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 O.
Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K 3 (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe 2+ и 3− выпадает осадок гексацианоферрата (III) калия-железа (II) (берлинская лазурь):
который внутримолекулярно перегруппировывается в гексацианоферрат (II) калия-железа (III):
Соединения железа (III) .
Оксид железа(III) Fe2O3 – самое устойчивое природное кислородсодержащее соединение железа.
Оксид железа(III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe (OH)2, основание Fe(OH)3, которое реагирует с кислотами:
Соли Fe3+ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe3+ как правило окружен шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.
Ион Fe3+ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При рН>4 этот ион практически полностью осаждается в виде Fe(OH)3:
При частичном гидролизе иона Fe3+ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.
Основные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH)3 выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)3.
При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe2O3 образует разнообразные ферриты:
Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 - железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 - железоаммонийные квасцы и т. д.
Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с неорганическими тиоцианатами SCN−. При этом образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа 2+, +, Fe(SCN)3, -. Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.
Другим качественным реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат (II) калия K4 (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и 4− выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата (II) калия-железа (III):
Количественно ионы Fe3+ определяют по образованию красных (в слабокислой среде) или жёлтых (в слабощелочной среде) комплексов с сульфосалициловой кислотой. Эта реакция требует грамотного подбора буферов, так как некоторые анионы (в частности, ацетат) образуют с железом и сульфосалициловой кислотой смешанные комплексы со своими оптическими характеристиками.
Соединения железа (VI) .
Ферраты - соли не существующей в свободном виде железной кислоты H2FeO4. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости - сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)3 в щелочи:
Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:
Ферраты - сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода:
Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.
Нахождение в природе: в земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1% 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. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10–5 - 1·10–8% железа.
Биологическая роль.
Железо - незаменимый компонент гемоглобина, миоглобина, цитохромов, пероксидаз и каталаз. Комплекс железа и трансферрина связывается со специфическими рецепторами на мембранах пролифе-рирующих эритроидных клеток, и железо поступает внутрь клетки. При дефиците железа в организме образуются эритроциты с недостаточным содержанием гемоглобина, поэтому основное проявление недостатка железа - гипохромная анемия. Лечение препаратами железа приводит к постепенной регрессии клинических (например, слабости, быстрой утомляемости, головокружения, тахикардии, болезненности и сухости кожных покровов) и лабораторных симптомов.
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа - участие в транспорте кислорода (O) и окислительных процессах. Эту функцию железа выполняет в составе сложных белков - гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс - гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови - около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.
Препара́ты желе́за - группа лекарственных средств, содержащих соли или комплексы двух- и трёхвалентного железа, а также их комбинации с другими препаратами. В основном используются для лечения и профилактики железодефицитной анемии.
Препараты железа показаны при:
· железодефицитных состояниях (основное показание);
· при непереносимости коровьего молока;
· детям перенесшим острые или длительно текущие инфекционные заболевания.
Дефицит железа может быть вызван:
· недостаточным поступлением железа в организм плода (при фето-фетальной и фето-материнской трансфузии), ребёнка или взрослого человека;
· нарушением всасывания из просвета кишечника (синдром мальабсорбции, воспалительные процессы в кишечнике, на фоне приёма антибиотиков тетрациклинового ряда и других препаратов);
· острые массивные или хронические кровопотери (кровотечения, глистные инвазии, носовые геморрагии, ювенильные маточные кровотечения, длительная гематурия и другие);
· результат повышенного расходования железа (период интенсивного роста, инфекционные заболевания и другие).
Побочные эффекты.
При приёме препаратов железа внутрь могут возникнуть диспепсические эффекты (тошнота, рвота, диарея). Степень их выраженности тем выше, чем больше остаётся невсосавшегося препарата в просвете кишечника. Хуже всего (самая низкая биодоступность) усваивается из ЖКТ восстановленное железо (всего 0,5 %), именно эти препараты чаще всего приводят к нарушении функции кишечника (не следует применять у детей).
Активируя свободнорадикальные реакции, препараты железа способны повредить клеточные мембраны (в том числе, увеличить степень гемолизаэритроцитов).
После парентерального введения препаратов железа могут возникать нежелательные эффекты: из-за увеличения концентрации свободного железа в крови происходит снижение тонуса мелких сосудов - артериол и венул - повышается их проницаемость. Наблюдают покраснение кожи лица, шеи, прилив крови к голове, грудной клетке. Дальнейшее введение препарата в этом случае противопоказано. Если введение препарата не прекращают, в дальнейшем развивается гемосидероз внутренних органов и тканей.
При передозировке принимаемого внутрь препарата железа развиваются кровавые понос и рвота. При передозировке любого препарата железа снижается периферическое сопротивление сосудов, возрастает транссудация жидкости, снижается объём циркулирующей крови. В результате падает АД, возникает тахикардия.
В целом данную категорию лекарственных средств можно разделить на несколько основных групп: препараты на основе солей двухвалентного и трехвалентного железа, различных комплексных соединений железа и комбинированные средства. Препараты из солей железа назначаются только перорально.
Соли двухвалентного железа.
Поглощение железа клетками слизистой оболочки ЖКТ из солевых соединений в основном происходит в двухвалентной форме, так как апоферритин в энтероцитах может связываться только с ионами Fe 2 . Поэтому препараты на основе различных солей железа (II) (сульфата, фумарата, глюконата, сукцината, глутамата, лактата и т. п.) обладают большей биодоступностью, и в общем случае более предпочтительны, чем препараты, содержащие соли железа(III). Кроме того, они являются наиболее дешёвыми лекарственными средствами на фоне других препаратов железа.
Несмотря на указанные преимущества, солевые препараты железа имеют и существенные недостатки, в частности, высокий уровень желудочно-кишечных побочных эффектов (около 23 %)при использовании высоких дозировок. Биодоступность солей железа(II) может снижаться при взаимодействии с различными компонентами пищи и другими лекарственными препаратами (фитинами, оксалатами, танинами, антацидами и др.), в связи с чем их назначают натощак, хотя при этом усиливается их негативное воздействие на слизистую кишечника. Любая передозировка данных препаратов легко приводит к острому отравлению (в США в период с 1986 по 1996 год было зафиксировано 100 тыс. сообщений об отравлениях детей младше 6 лет солями железа), что также несколько ограничивает их широкое использование у детей.
Основными представителями препаратов из солей двухвалентного железа являются средства на основе гептагидрата сульфата железа FeSO 4 ·7H 2 O (содержание элементарного железа - 20 % от массы соли). Сульфат железа хорошо растворим в воде и, как и другие водорастворимые соли, имеет сравнительно высокую биодоступность. При этом следует заметить, что сульфат железа(II) во влажной среде постепенно окисляется до сульфата железа(III), что налагает некоторые ограничения на его хранение и использование (не может применяться в виде растворов, сиропов и других жидких форм). В России зарегистрировано несколько торговых наименований лекарственных средств, содержащих сульфат железа: «Тардиферон», «Гемофер пролонгатум», «Фенюльс» . Также сульфат железа иногда применяют в сочетании со стабилизирующими агентами, например, аскорбиновой кислотой, которая выступает в качестве антиоксиданта (торговые марки «Сорбифер Дурулес», «Ферроплекс» ).
Препараты на основе тетрагидрата хлорида железа FeCl 2 ·4H 2 O (содержание железа 28 %), в отличие от сульфата железа, в водных растворах не окисляются, поэтому производятся в форме капель для приёма внутрь (зарегистрированная в России торговая марка - «Гемофер») . При приёме таких препаратов следует учитывать, что растворы солей железа могут вызывать потемнение зубов, связанное с осаждением на их поверхности нерастворимого сульфида железа, образующегося при взаимодействии ионов Fe 2+ c сероводородом, который может содержаться в полости рта (например, при кариесе зубов).
Фумарат железа FeC 4 H 2 O 4 (содержание элементарного железа 33 % от массы соли), в отличие от предыдущих солей, менее растворим в воде, однако хорошо растворяется в разбавленных растворах кислот, таких, как желудочный сок. Поэтому препараты на основе фумарата железа более стабильны, не имеют характерного железного привкуса, не связываются с белками в верхних отделах ЖКТ, но в то же время хорошо растворяются непосредственно в желудке и поэтому по биодоступности не уступают водорастворимым солям. Фумарат железа зарегистрирован в России как лекарственное средство, однако на данный момент распространения не получил.
Соли трёхвалентного железа.
Препараты из солей трёхвалентного железа традиционно менее предпочтительны в сравнении с солями железа(II), так как для поглощения организмом ионы Fe 3+ должны предварительно восстановиться до Fe 2+ , что является причиной их меньшей биодоступности. Кроме этого, соли железа(III) в верхних отделах тонкой кишки легко гидролизуются с образованием малорастворимых гидроксидов, что также снижает их усвояемость.
Марганец.
Ма́рганец - элемент побочной подгруппы седьмой группы четвёртого периодапериодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 25.
Электронная формула марганца имеет вид:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5
Валентные электроны находятся на 4s и 3d подуровнях. На валентных орбиталях атома марганца находится 7 электронов.
Распространение Марганца в природе. Среднее содержание Марганец в земной коре 0,1%, в большинстве изверженных пород 0,06-0,2% по массе, где он находится в рассеянном состоянии в форме Мn 2+ (аналог Fe 2+). На земной поверхности Мn 2+ легко окисляется, здесь известны также минералы Мn 3+ и Мn 4+ . В биосфере Марганец энергично мигрирует в восстановительных условиях и малоподвижен в окислительной среде. Наиболее подвижен Марганец в кислых водах тундры и лесных ландшафтов, где он находится в форме Мn 2+ . Содержание Марганца здесь часто повышено и культурные растения местами страдают от избытка Марганца; в почвах, озерах, болотах образуются железо-марганцевые конкреции, озерные и болотные руды. В сухих степях и пустынях в условиях щелочной окислительной среды Марганец малоподвижен, организмы бедны Марганцем, культурные растения часто нуждаются в марганцевых микроудобрениях. Речные воды бедны Марганцем (10 -6 -10 -5 г/л), однако суммарный вынос этого элемента реками огромен, причем основная его масса осаждается в прибрежной зоне. Еще меньше Марганца в воде озер, морей и океанов; во многих местах океанического дна распространены железо-марганцевые конкреции, образовавшиеся в прошлые геологические периоды.
Минералы марганца .
· пиролюзит MnO 2 ·x H 2 O, самый распространённый минерал (содержит 63,2 % марганца);
· манганит (бурая марганцевая руда) MnO(OH) (62,5 % марганца);
· браунит 3Mn 2 O 3 ·MnSiO 3 (69,5 % марганца);
· гаусманит (Mn II Mn 2 III)O 4 ;
· родохрозит (марганцевый шпат, малиновый шпат) MnCO 3 (47,8 % марганца);
· псиломелан m MnO MnO 2 n H 2 O (45-60 % марганца);
· пурпурит Mn 3+ , (36,65 % марганца).
Химические свойства.
Химически Марганец достаточно активен, при нагревании энергично взаимодействует с неметаллами - кислородом (образуется смесь оксидов Марганца разной валентности), азотом, серой, углеродом, фосфором и другими. При комнатной температуре Марганец на воздухе не изменяется: очень медленно реагирует с водой. В кислотах (соляной, разбавленной серной) легко растворяется, образуя соли двухвалентного Марганца. При нагревании в вакууме Марганец легко испаряется даже из сплавов.
Марганец образует сплавы со многими химическими элементами; большинство металлов растворяется в отдельных его модификациях и стабилизирует их. Так, Cu, Fe, Co, Ni и другие стабилизируют γ-модификацию. Al, Ag и другие расширяют области β- и σ-Mn в двойных сплавах. Это имеет важное значение для получения сплавов на основе Марганца, поддающихся пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке).
В соединениях Марганец обычно проявляет валентность от 2 до 7 (наиболее устойчивы степени окисления +2, +4 и +7). С увеличением степени окисления возрастают окислительные и кислотные свойства соединений Марганца.
Соединения Mn(+2) - восстановители.
Оксид MnO - порошок серо-зеленого цвета; обладает основными свойствами. нерастворим в воде и щелочах, хорошо растворим в кислотах. Гидрооксид Mn(OH)3 - белое вещество, нерастворимое в воде. Соединения Mn(+4) могут выступать и как окислители (а) и как восстановители (б):
MnO 2 + 4HCl = MnCl 2 + Cl 2 + 2H 2 O (а)
(по этой редакции в лабораториях получают хлор)
MnO 2 + KClO 3 + 6KOH = 3K 2 MnO 4 + KCl + 3H 2 O (б)
(реакция идет при сплавлении).
Оксид Марганца (II) MnO2 - черно-бурого цвета, соответствующий гидрооксид Мп(ОН)4 - темно-бурого цвета. Оба соединения в воде нерастворимы, оба амфотсрны с небольшим преобладанием кислотной функции. Соли типа K2MnO4 называются манганитами.
Из соединений Mn(+6) наиболее характерны марганцовистая кислота и ее соли манганаты. Весьма важны соединения Mn(+7) - марганцовая кислота, марганцовый ангидрид и перманганаты.
Характерные степени окисления марганца:0, +2, +3, +4, +6, +7 (+1, +5 мало характерны).
При окислении на воздухе пассивируется. Порошкообразный марганец сгорает в кислороде (Mn + O2 → MnO2). Марганец при нагревании разлагает воду, вытесняя водород (Mn + 2H2O →(t) Mn(OH)2 + H2), образующийся гидроксид марганца замедляет реакцию.
Марганец поглощает водород, с повышением температуры его растворимость в марганце увеличивается. При температуре выше 1200 °C взаимодействует с азотом, образуя различные по составу нитриды.
Углерод реагирует с расплавленным марганцем, образуя карбиды Mn3C и другие. Образует также силициды, бориды, фосфиды.
C соляной и серной кислотами реагирует по уравнению:
С концентрированной серной кислотой реакция идёт по уравнению:
С разбавленной азотной кислотой реакция идёт по уравнению:
В щелочном растворе марганец устойчив.
Марганец образует следующие оксиды: MnO, Mn2O3, MnO2, MnO3 (не выделен в свободном состоянии) и марганцевый ангидрид Mn2O7.
Mn2O7 в обычных условиях жидкое маслянистое вещество тёмно-зелёного цвета, очень неустойчивое; в смеси с концентрированной серной кислотой воспламеняет органические вещества. При 90 °C Mn2O7 разлагается со взрывом. Наиболее устойчивы оксиды Mn2O3 и MnO2, а также комбинированный оксид Mn3O4 (2MnO·MnO2, или соль Mn2MnO4).
При сплавлении оксида марганца (IV) (пиролюзит) со щелочами в присутствии кислорода образуются манганаты:
Раствор манганата имеет тёмно-зелёный цвет. При подкислении протекает реакция:
Раствор окрашивается в малиновый цвет из-за появления аниона MnO4−, и из него выпадает коричневый осадок оксида-гидроксида марганца (IV).
Марганцевая кислота очень сильная, но неустойчивая, её невозможно сконцентрировать более, чем до 20 %. Сама кислота и её соли (перманганаты) - сильные окислители. Например, перманганат калия в зависимости от pH раствора окисляет различные вещества, восстанавливаясь до соединений марганца разной степени окисления. В кислой среде - до соединений марганца (II), в нейтральной - до соединений марганца (IV), в сильно щелочной - до соединений марганца (VI).
При прокаливании перманганаты разлагаются с выделением кислорода (один из лабораторных способов получения чистого кислорода). Реакция идёт по уравнению (на примере перманганата калия):
Под действием сильных окислителей ион Mn2+ переходит в ион MnO4−:
Эта реакция используется для качественного определения Mn2+.
При подщелачивании растворов солей Mn (II) из них выпадает осадок гидроксида марганца (II), быстро буреющий на воздухе в результате окисления.
Соли MnCl3, Mn2(SO4)3 неустойчивы. Гидроксиды Mn(OH)2 и Mn(OH)3 имеют основной характер, MnO(OH)2 - амфотерный. Хлорид марганца (IV) MnCl4очень неустойчив, разлагается при нагревании, чем пользуются для получения хлора:
Нулевая степень окисления у марганца проявляется в соединениях с σ-донорными и π-акцепторными лигандами. Так, для марганца и известен карбонил состава Mn2(CO)10.
Известны и другие соединения марганца с σ-донорными и π-акцепторными лигандами (PF3, NO, N2, P(C5H5)3).
Биологическая роль.
Марганец в организме. Марганец широко распространен в природе, являясь постоянной составной частью растительных и животных организмов. Содержание Марганца в растениях составляет десятитысячные-сотые, а в животных - стотысячные-тысячные доли процента. Беспозвоночные животные богаче Марганцем, чем позвоночные. Среди растений значительное количество Марганца накапливают некоторые ржавчинные грибы, водяной орех, ряска, бактерии родов Leptothrix, Crenothrix и некоторые диатомовые водоросли (Cocconeis) (до нескольких процентов в золе), среди животных - рыжие муравьи, некоторые моллюски и ракообразные (до сотых долей процента). Марганец - активатор ряда ферментов, участвует в процессах дыхания, фотосинтезе, биосинтезе нуклеиновых кислот и других, усиливает действие инсулина и других гормонов, влияет на кроветворение и минеральный обмен. Недостаток Марганца у растений вызывает некрозы, хлороз яблони и цитрусовых, пятнистость злаков, ожоги у картофеля, ячменя и т. п. Марганец обнаружен во всех органах и тканях человека (наиболее богаты им печень, скелет и щитовидная железа). Суточная потребность животных и человека в Марганце - несколько мг (ежедневно с пищей человек получает 3-8 мг Марганца). Потребность в Марганце повышается при физической нагрузке, при недостатке солнечного света; дети нуждаются в большем количестве Марганца, чем взрослые. Показано, что недостаток Марганца в пище животных отрицательно влияет на их рост и развитие, вызывает анемию, так называемых лактационную тетанию, нарушение минерального обмена костной ткани. Для предотвращения указанных заболеваний в корм вводят соли Марганца.
Биологическое действие марганца:
● антиоксидантное
● регулирующее уровень глюкозы в крови
● нормализирующее уровень холестерина и липидный состав крови
● противоанемическое
● противоаллергическое
● способствующее созреванию половых клеток, развитию плода и донашиванию беременности
● восстанавливающее структуру костной и хрящевой ткани
● противосудорожное, предупреждающее ПМС (предменструальный синдром) и др.
Признаки дефицита марганца:
● Утомляемость, слабость, головокружение, шум в ушах
● Ухудшение мозговой активности, снижение памяти
рвота
● Спазмы и судороги
● Боли в мышцах и суставах, двигательные расстройства, склонность к растяжениям и вывихам, артрит, неправильный рост и развитие скелетной системы
● Нарушение зрения
● Витилиго, нарушения пигментации кожи
● Задержка роста ногтей и волос
● Диабет, снижение толерантности к глюкозе, избыточный вес, высокий уровень холестерина, проблемы метаболизма
● Риск бесплодия, репродуктивные проблемы, ранний климакс, дисфункция яичников, остеопороз в климактерическом периоде
● Снижение иммунитета, преждевременное старение
● Аллергии
● Риск раковых заболеваний
● Задержка развития у детей, появление детей с патологиям
Признаки токсичности марганца:
Избыток марганца токсичен: он нарушает всасывание железа и конкурирует с медью в процессе кроветворения, вызывая анемию, а также обуславливает другие патологические изменения.
● Слабый аппетит, апатия, депрессия
● Общая слабость, бессилие
● Нарушенный сон
● Временное безумие, слабоумие
● Неврологические проблемы
● Паркинсонизм или болезнь Паркинсона (мышечная регидность, тремор, монотонный голос, "замороженное" подобное маске лицо).
Кобальт
Со, химический элемент с атомным номером 27. Его атомная масса 58,9332. Природный кобальт состоит из двух стабильных нуклидов: 59 Со (99,83% по массе) и 57 Со (0,17%). В периодической системе элементов Д. И. Менделеева кобальт входит в группу VIII и вместе с железом и никелем образует в 4-м периоде в этой группе триаду близких по свойствам переходных металлов. Конфигурация двух внешних электронных слоев атома кобальта 3s 2 p 6 d 7 4s 2 . Образует соединения чаще всего в степени окисления +2, реже - в степени окисления +3 и очень редко в степенях окисления +1, +4 и +5.
Кобальт - минеральное вещество, который является частью витамина B12. Обычно измеряется в микрограммах (мкг). Кобальт - необходим для красных кровяных клеток. Должен быть получен из пищевых источников. Дневная норма кобальта не установлена, и лишь очень малые количества этого минерального вещества нужны в рационе(обычно не более 8 мкг).
Нахождение в природе.
В земной коре содержание кобальта равно 4·10 -3 % по массе. Кобальт входит в состав более 30 минералов. К ним относятся каролит CuCo 2 S 4 , линнеит Co 3 S 4 , кобальтинCoAsS, сферокобальтит CoCO 3 , смальтит СоAs 2 и другие. Как правило, кобальту в природе сопутствуют его соседи по 4-му периоду - никель, железо, медьи марганец. В морской воде приблизительно (1-7)·10 -10 % кобальта.
Кобальт - относительно редкий металл, и богатые им месторождения в настоящее время практически исчерпаны. Поэтому кобальтсодержащее сырье (часто это никелевые руды, содержащие кобальт как примесь) сначала обогащают, получают из него концентрат. Далее для извлечения кобальта концентрат или обрабатывают растворами серной кислоты или аммиака, или методами пирометаллургии перерабатывают в сульфидный или металлический сплав. Этот сплав затем выщелачивают серной кислотой. Иногда для извлечения кобальта проводят сернокислотное «кучное» выщелачивание исходной руды (измельченную руду размещают в высоких кучах на специальных бетонных площадках и сверху поливают эти кучи выщелачивающим раствором).
Физические свойства.
Кобальт - твердый металл, существующий в двух модификациях. При температурах от комнатной до 427 °C устойчива α-модификация. При температурах от 427 °C до температуры плавления (1494 °C) устойчива β-модификация кобальта (решётка кубическая гранецентрированная). Кобальт - ферромагнетик, точка Кюри 1121 °C. Желтоватый оттенок ему придает тонкий слой оксидов.
Химические свойства.
Оксиды.
· На воздухе кобальт окисляется при температуре выше 300 °C.
· Устойчивый при комнатной температуре оксид кобальта представляет собой сложный оксид Co 3 O 4 , имеющий структуру шпинели, в кристаллической структуре которого одна часть узлов занята ионами Co 2+ , а другая - ионами Co 3+ ; разлагается с образованием CoO выше 900 °C.
· При высоких температурах можно получить α-форму или β-форму оксида CoO.
· Все оксиды кобальта восстанавливаются водородом:
Оксид кобальта (III) можно получить, прокаливая соединения кобальта (II), например:
Другие соединения.
· При нагревании, кобальт реагирует с галогенами, причём соединения кобальта (III) образуются только с фтором.
· С серой кобальт образует 2 различных модификации CoS. Серебристо-серую α-форму (при сплавлении порошков) и чёрную β-форму (выпадает в осадок из растворов).
· При нагревании CoS в
в таблице Менделеева оно под №26
Альтернативные описанияГлавный металл промышленности
Его куют, пока горячо и не отходя от кассы
Значение имени Тимур
Химический элемент, серебристо-белый металл, главная составная часть чугуна и стали
Металл для Феликса
Химический элемент, металл
Чтобы избежать накопления денег, в древней Спарте деньги чеканились из этого материала
Так у компьютерщиков именуется сам компьютер, без программного обеспечения
Самым устойчивым элементом Периодической системы является именно этот элемент
Металл, из которого может быть «сделана» логика
. «иду в воду - красно, выйду - черно» (загадка)
Переведите с латинского слово «феррум»
Материал, из которого должен быть сделан подарок, преподнесенный к шестой годовщине свадьбы
Жертва ржавчины
Куй его, пока горячо!
Химический элемент, Fe
Металл, из которого сделан Феликс
Металлические части уздечки
Куется только сгоряча
Металл гвоздей
Ржавое, метеоритное
Куют, пока горячо
Куй..., пока горячо
В таблице он после марганца
. «куй..., не отходя от кассы!»
Следом за марганцем в таблице
Металл номер двадцать шесть
Хим. элемент 26
Идущий следом за марганцем в таблице
Между марганцем и кобальтом
Предшественник кобальта в таблице
Металл для логики
Куй его, пока горячо (посл.)
Химический элемент 26
Вслед за марганцем в таблице
Основной компонент стали
Двадцать шестой в таблице Менделеева
До кобальта в таблице
Принимают на металлолом
Материал для одной маски
Металл, чье содержание в организме женщины в пять раз больше, чем у мужчины
Перед кобальтом в таблице
Последователь марганца в таблице
Между марганцем и кобальтом в таблице
Предтеча кобальта в таблице
Основной компонент чугуна
После марганца в таблице
Металл для леди Маргарет Тэтчер
Последыш марганца в таблице
Следом за марганцем
Химический элемент, серебристо-белый металл, главная составная часть чугуна и стали
Главная составная часть стали
Изделия из такого металла
Лекарство, содержащее препараты такого химического элемента
Наименование химического элемента
Тип минерала, относящийся к самородным элементам
. "Куй..., не отходя от кассы!"
. "иду в воду - красно, выйду - черно" (загадка)
Куй его, пока горячо
Металл, из которого может быть "сделана" логика
Переведите с латинского слово "феррум"
Ср. зале(и)зо южн. зап. металл, крушец, выплавляемый из руды в виде чугуна, и выковываемый из сего последнего под кричным молотом. соединении с углеродом, оно образует сталь. продажу железо идет в виде: полосового или сортового; первое прямо из под кричного молота; оно бывает: широкое, узкое, круглое, брусковое и пр. второе перековано: шинное, резное, листовое и пр. Ржа железо ест. Моль одежду, ржа железо, а худое братство нравы тлит. Деньги железо, а платье тлен. При рати железо дороже золота. Железом и золота добуду. Ржавое железо не блестит. Заруби деревом на железе. Что ощерился, аль железо увидал? огне и железо плавко. горну и железо надсядется. На то дорогу золотом устлали, чтоб она железо ела. Куй железо, пока кипит (пока горячо). Лезу я, лезу по железу на мясную гору? садиться на лошадь. Железо или мн. железа, вязи, оковы, кандалы, ножные, ручные цепи; железные конские путы. Железко, железце ср. железный обломок; мелкая железная, стальная вещь, вставляемая в какое-либо орудие или колодку, напр. копьецо стрелы, резец рубанка, железная часть долота и пр. Железный, из железа сделанный, почему-либо к железу относящийся; подобный железу по крепости, жесткости, цвету и пр. Железная руда, из которой добывается железо; железный завод, заведение, где оно выплавляется, выковывается; железный ряд, где оно продается железными торговцами. Железный сок, заводск. брызги и отломки от крицы, кричный сок. Железная лошадь, серо-железная, железного цвета, масти. Устюжна железная, а люди в ней каменные, за осаду ее при самозванцах. Железная дорога, железянка, чугунка. Железное колесо, тул. арктический пояс. Железные руки, сильные, но грубые и неуклюжие. Железный человек, стойкий, твердый; терпеливый, спорый; немилосердый, бездушный. Железное здоровье, крепкое. Либо железную цепь, либо золотую, добуду. Ссуды пишут на железной доске, а долги на песке. Железное дерево, бакаут, гваяк; назыв. так и др. весьма твердые тропической породы дерева. Железный корень, растен. Centaurea scabiosa. Железный урок или железное ср. стар. пеня, пошлина с виновного, в пользу властей, за наложение оков. Железовая лошадь, см. масть. Железистый прилаг. содержащий в себе железо. Железина, окал, окалина, гарь, огарки; железная, горелая блестка, осыпающаяся во время ковки. Кусок, полоса железа. Железня, железняга ж. арх. железная плиточка в ладонь, для игры в бабки, в козны; биток, битка. Железник м. дерево Caragana frutescens, дереза, чапыжник, ошибочно чилижник, сибирек? кустовая акация. Ракитник, дереза, Cytisus biflorus. Equisetum, хвощ столярный. Potentilla argentea, червичник, горлянка, забируха. Железница, рыба Clupea alosa, из рода сельдей, бешенка или верховодка. Железняк м. торговец железом. Общее название руд, содержащих окисленное железо и похожих видом на камень, а не на железо: бол. известны: бурый и магнитный железняк, магнитный камень. Самый твердый, лучший кирпич, несколько сплавившийся. Растен. Verbena offic. Растен. Phlomis pungens, качим, перекати-поле. Растен. Sarrothamnus scoparius, жерновец, дереза, бобровик. Сказочная разрывили спрыг-трава, от которой железные замки и запоры рассыпаются; ею же добывают и клады. Железнянка, см. железнянка, железа, желвь. Железоделательный, железодельный завод, железный, выделывающий железо из руды. Железоковательный, железоковный, относящийся до выковки железа в полосах и самых крупных вещах. Железоплавиленный, железоплавильный, железоплавный, относящийся к выплавке железа; завод, печь. Железорезный, служащий к резке железа;-завод, -стан
Химический элемент Fe
Химический элемент с позывным Fe
Трудно переоценить роль железа для человеческого организма, ведь именно оно способствует «творению» крови, его содержание влияет на уровень гемоглобина и миоглобина, железо нормализует работу ферментной системы. Но что это за элемент с точки зрения химии? Какая валентность железа? Об этом будет рассказано в данной статье.
Немного истории
Человечество знало об этом химическом элементе и даже владело изделиями из него еще в IV веке до нашей эры. Это были народы Древнего Египта и Шумеры. Именно они первые начали изготавливать украшения, оружие из сплава железа и никеля, которые были найдены при археологических раскопках и тщательно исследованы химиками.
Немного позже, племена арийцев, переселившиеся в Азию, научилось добывать твердое железо из руды. Оно было настолько ценным для людей того времени, что изделия покрывали золотом!
Характеристика железа
Железо (Fe) стоит на четвертом месте по содержанию его в недрах земной коры. Оно занимает место в 7 группе 4 периода и имеет номер 26 в химической таблице элементов Менделеева. Валентность железа имеет прямую зависимость от своего положения в таблице. Но об этом позже.
Данный металл наиболее всего распространен в природе в виде руды, встречается в воде как минерал, а также в различных соединениях.
Наибольшее количество запасов железа в виде руды, находится в России, Австралии, Украине, Бразилии, США, Индии, Канаде.
Физические свойства
Прежде чем переходить к валентности железа, необходимо подробнее рассмотреть его физические свойства, так сказать, приглядеться к нему поближе.
Этот металл имеет достаточно пластичный, но способен к увеличению твердости путем его взаимодействия с другими элементами (например, с углеродом). Также он обладает магнитными свойствами.
Во влажной среде железо может корродировать, то есть ржаветь. Хотя абсолютно чистый металл устойчивее к влаге, но если в нем есть примеси, именно они провоцируют коррозию.
Железо хорошо взаимодействует с кислотной средой, даже может образовывать соли железной кислоты (при условии сильного окислителя).
В воздушной среде быстро покрывается оксидной пленкой, которая защищает его от взаимодействий.
Химические свойства
Также этот элемент обладает рядом химических свойств. Железо, как и остальные элементы таблицы Менделеева, имеет заряд атомного ядра, который соответствует порядковому номеру +26. А возле ядра вращается 26 электронов.
А вообще, если рассматривать свойства железа - химического элемента, то он является металлом с невысокой активной способностью.
Взаимодействуя с окислителями более слабыми, железо образует соединения, где оно двухвалентно (то есть его степень окисления +2). А если с сильными окислителями, то степень окисления железа достигает +3 (то есть валентность его становится равной 3).
При взаимодействии с химическими элементами, которые не являются металлами, Fe выступает по отношению к ним восстановителем, при этом степень окисления его становиться, кроме +2 и +3, даже +4, +5, +6. Такие соединения имеют очень сильные окислительные свойства.
Как уже отмечалось выше, железо в воздушной среде покрывается оксидной пленкой. А при нагревании скорость реакции повышается и может образоваться оксид железа с валентностью 2 (температура менее 570 градусов по Цельсию) или оксид с валентностью 3 (температурный показатель более 570 градусов).
Взаимодействие Fe с галогенами, приводит к образованию солей. Элементы фтор и хлор окисляют его до +3. Бром же - до +2 или +3 (все зависит от того, какие условия осуществления химического превращения при взаимодействии с железом).
Вступая во взаимодействия с йодом, элемент окисляется до +2.
Нагревая железо и серу, получается сульфид железа с валентностью 2.
Если феррум расплавить и соединить его с углеродом, фосфором, кремнием, бором, азотом, то получатся соединения называемые сплавами.
Железо является металлом, поэтому оно вступает во взаимодействие и с кислотами (об этом кратко также говорилось чуть выше). Например, кислоты серная и азотная, имеющие высокую концентрацию, в среде с пониженной температурой, на железо не оказывают воздействия. Но стоит ей повысится, как происходит реакция, в результате которой железо окисляется до +3.
Чем выше концентрация кислоты, тем большую температуру необходимо дать.
Нагревая 2-х валентное железо в воде, получим его оксид и водород.
Также Fe обладает способностью вытеснять из водных растворов солей металлы, которые имеют пониженную активность. При этом он окисляется до +2.
При повышении температуры, железо восстанавливает металлы из оксидов.
Что такое валентность
Уже в предыдущем разделе немного встречалось понятие валентности, а также степени окисления. Пришло время рассмотреть валентность железа.
Но для начала необходимо понять, что это вообще за такое свойство химических элементов.
Химические вещества почти всегда постоянны в своем составе. Например, в формуле воды Н2О - 1 атом кислорода и 2 атома водорода. То же самое и с другими соединениями, в которых задействованы два химических элемента, один из которых водород: к 1 атому химического элемента может добавиться 1-4 атома водорода. Но никак не наоборот! А потому, видно, что водород присоединяет к себе всего 1 атом другого вещества. И именно это явление называют валентностью - способностью атомов химического элемента присоединять конкретное количество атомов других элементов.
Значение валентности и графическая формула
Есть элементы таблицы Менделеева, которые обладают постоянной валентностью - это кислород и водород.
А есть такие химические элементы, у которых она изменяется. Например, железо чаще 2-х и 3-х валентно, сера 2, 4, 6-ти, углерод 2 и 4-х. Это элементы с переменной валентностью.
Также, зная валентность одного из элементов в соединении, можно определить валентность другого.
Валентность железа
Как было отмечено, железо относится к элементам с переменной валентностью. И она может колебаться не только между показателями 2 и 3, но и достигать 4, 5 и даже 6.
Конечно, более подробно изучает валентность железа Рассмотрим этот механизм кратко на уровне простейших частиц.
Железо является д-элементом, к которому причисляется еще 31 элемент таблицы Менделеева (это 4-7 периоды). С возрастанием порядкового номера, свойства д-элементов приобретают небольшие изменения. Атомный радиус у этих веществ также медленно возрастает. Они обладают переменной валентностью, которая зависит от того, что предвнешний д-электронный подуровень является незавершенным.
Потому для железа валентными есть не только с-электроны, находящиеся во внешнем слое, но и неспаренные 3д-электроны предвнешнего слоя. И, как следствие, валентность Fe в химических соединениях может равнятся 2, 3, 4, 5, 6. В основном, она равна 2 и 3 - это более устойчивые с другими веществами. В менее устойчивых - он проявляет валентность 4, 5, 6. Но, такие соединения встречаются реже.
Двухвалентный феррум
При взаимодействии 2 валентного железа с водой получается оксид железа (2). Такое соединение обладает черным цветом. Достаточно легко взаимодействует с соляной (малой концентрации) и азотной (высокой концентрации) кислотами.
Если такому оксиду 2-х валентного железа провзаимодействовать или с водородом (температура 350 градусов по Цельсию), или с углеродом (коксом) при 1000 градусов, то оно восстанавливается до чистого состояния.
Добывают оксид железа 2-х валентного такими способами:
- через соединение оксида 3-х валентного железа с угарным газом;
- при нагревании чистого Fe, при этом низкое давление кислорода;
- при раскладывании оксалата 2-х валентного железа в вакуумной среде;
- при взаимодействии чистого железа с его оксидами, температура при этом 900-1000 градусов по Цельсию.
Что касается природной среды, то оксид железа 2-х валентного, присутствует в виде минерала вюстита.
Есть еще способ, как в растворе определить валентность железа - в данном случае, имеющего ее показатель 2. Необходимо провести реакции с красной солью (гексацианоферрат калия) и с щелочью. В первом случае наблюдается получение осадка темно-синего цвета - комплексной соли железа 2-х валентного. Во втором - получение темного серо-зеленого осадка - гидроксида железа также 2-х валентного, в то время, как гидроксид железа 3-х валентного имеет цвет в растворе темно-бурый.
Трехвалентное железо
Оксид 3-х валентного феррума имеет порошкообразную структуру, цвет которой красно-коричневый. Имеет также наименования: окись железа, красный пигмент, пищевой краситель, крокус.
В природе это вещество встречается в виде минерала - гематита.
Оксид такого железа с водой уже не взаимодействует. Но соединяется с кислотами и щелочами.
Применяется оксид железа (3) для окрашивания материалов, применяемых в строительстве:
- кирпичей;
- цемента;
- керамических изделий;
- бетона;
- тротуарной плитки;
- напольных покрытий (линолеум).
Железо в организме человека
Как отмечалось в начале статьи, вещество железо является важной составляющей человеческого организма.
Когда этого элемента является недостаточно, то могут возникнуть следующие последствия:
- повышенная усталость и чувствительность к холоду;
- сухость кожи;
- снижение мозговой деятельности;
- ухудшение прочности ногтевой пластины;
- головокружение;
- проблемы с пищеварением;
- седина и выпадение волос.
Накапливается железо, как правило, в селезенке и печени, а также почках и поджелудочной железе.
В рационе человека должны быть продукты, содержащие железо:
- говяжья печень;
- гречневая каша;
- арахис;
- фисташки;
- зеленый горошек консервированный;
- сушенные белые грибы;
- куриные яйца;
- шпинат;
- кизил;
- яблоки;
- груши;
- персики;
- свекла;
- морепродукты.
Недостаток железа в крови, приводит к снижению гемоглобина и развитию такого заболевания, как железодефицитная анемия.
Железо (лат. Ferrum)-химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847.
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее ученые не знают, когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек начал еще в начале I тысячелетия до н.э. На смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия железа на территории Европы и Азии начала развиваться еще в IX-VII вв. до н.э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Ежегодно на нашу Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их - железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных железных метеоритов весит около 60 т. Он найден в 1920 г. в юго-западной части Африки. У «небесного» железа есть одна важная тех-нологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддается ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное железо. Оружие из «небесного» металла долгие века оставалось чрезвычайно редким и драгоценным.
Железо обнаружено также и на Луне, причем в лунном грунте оно присутствует в самородном, не окисленном состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы.
На Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнегреческого ученого 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 распространенности 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 железо занимает четвертое место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям ученых, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником железа остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит Fе3О4., гидрогетит FеО2-nН2О, гематит Fе2О3 и сидерит FеСО3. Они составляют основу главных железных руд - магнитного, бурого, красного и шпатового железняка. Больше всего железа-72,4%-в магнетите. Крупнейшие в СССР железорудные месторождения - Курская магнитная аномалия, Криворожское железорудное месторождение, на Урале (горы Магнитная. Высокая, Благодать), в Казахстане-Соколовское и Сарбайское месторождения.
Железо - блестящий серебристо-белый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах железа, нужно прежде всего оговорить, о каком железе идет речь о технически чистом железе или о железе высшей чистоты. Разница в их свойствах- и физических, и химических - достаточно велика Технически чистое железо называется низкоутлеродиcтой электротехнической сталью. В этом названии отражены и назначение материала, и характер главных примесей: углерода 0,02-0,04%, а кислорода, серы, азота и фосфора еще меньше. Железо высшей чистоты содержит менее 0,001% примесей. Оба материала обладают хорошими магнитными свойствами, оба хорошо свариваются. Однако если технически чистое железо-металл средней химической активности, то высокочистое -почти инертно. Очень мала и растворимость в нем газов, особенно кислорода. Механические свойства высокочистого железа-невысокие, прочность - намного меньше, чем у любой стали или чугуна. В качестве конструкционного материала железо высшей чистоты непригодно. Однако, если в высокочистое железо ввести в определенном порядке легирующие добавки, оно сможет выдержать нагрузку до 600 кг/см2 вместо обычных 17-21.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: + 2, +3, +6, редко + 1, -г 4 и даже 0 (в карбониле Fе(СО)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FеО оксид железа (II) а также его сульфид и галогениды. Ионы Fе - образуются при растворении железа в разбавленных кислотах. А вот в концентрированных сильных кислотах - азотной и серной - железо не растворяется: оно, как говорят специалисты, пассивируется благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной пленки. Практически не растворяется железо и в щелочах (кроме горячих концентрированных растворов).
Соли трехвалентного железа Fе (III) обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом, если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fе2+ светло-зеленая окраска изменяется на бурую. Соли трехвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная Н2FеО4 и железистая НFеО2 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их - ферраты и ферриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трехвалентного железа Fе2О3. Оксид состава Fе3О4 рассматривают как соединение FеО и Fе2О3. Гидроксиды двух- и трехвалентного железа Fе(ОН)2 и Fе(ОН)3 в воде растворяются плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений железа, но и как важнейшее сырье для черной металлургии.
Подобно другим переходным металлам, железо образует также множество комплексных соединений.
Многие соединения железа практически важны. Хлорид железа FеСl3, например, используется как коагулянт при очистке воды, как катализатор в органическом синтезе. Ферриты, особенно двухвалентных металлов, широко применяются в вычислительной технике. Важно не путать два понятия: ферриты-соли железистой кислоты, и феррит, устойчивую при обычных условиях по-лиморфную модификацию железа, иначе называемую альфа-железом.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них - дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина железо в нашем организме есть еще и в миолгобине-белке, запасающем кислород в мышцах.
Рсть также железосодержащие ферменты. Есть, наконец, белковый комплекс ферритин, из которого образуются все другие необходимые организму железосодержащие вещества.
Железо англ. Iron, франц. Fer, нем. Eisen) - один из семи металлов древности. Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Метеоритное железо обычно легко отличить от земного, так как в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего - 7-8%. С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно. Наиболее распространенны руды гематита (Fe 2 O 3 ,), бурого железняка (2Fe 2 O 3 , ЗН 2 О) и его разновидностей (болотная руда, сидерит, или шпатовое железо FeCO,), магнетита (Fe 3 0 4) и некоторые другие. Все эти руды при нагревании с углем легко восстанавливаются при сравнительно низкой температуре начиная с 500 o С. Получаемый металл имел вид вязкой губчатой массы, которую затем обрабатывали при 700-800 o С повторной проковкой.
Этимология названий железа на древних языках довольно отчетливо отражает историю знакомства наших предков с этим металлом. Многие древние народы, несомненно, познакомились с ним, как с металлом, упавшим с неба, т. е. как с метеоритным железом. Так, в древнем Египте железо имело название би-ни-пет (бенипет, коптское - бенипе), что в буквальном переводе означает небесная руда, или небесный металл. В эпоху первых династий Ур в Месопотамии железо именовали ан-бар (небесное железо). В папирусе Эберса (ранее 1500 г. до н.э.) имеются два упоминания о железе; в одном случае о нем говорится как о металле из города Кэзи (Верхний Египет), в другом - как о металле небесного изготовления (артпет). Древнегреческое название железа, так же как и северокавказское - зидо, связано с древнейшим словом, уцелевшим в латинском языке,- sidereus (звездный от Sidus - звезда, светило). На древнем и современном армянском языке железо называется еркат, что означает капнувшее (упавшее) с неба. O том, что древние люди пользовались вначале именно железом метеоритного происхождения, свидетельствуют и распространенные у некоторых народов мифы о богах или демонах, сбросивших с неба железные предметы и орудия, - плуги, топоры и пр. Интересен также факт, что к моменту открытия Америки индейцы и эскимосы Северной Америки не были знакомы со способами получения железа из руд, но умели обрабатывать метеоритное железо.
В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX в. Во II в. н. э. железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.
Впрочем, некоторые народы не связывали название железа с небесным происхождением металла. Так, у славянских народов железо называется по "функциональному" признаку. Русское железо (южнославянское зализо, польское zelaso, литовское gelesis и т. д.) имеет корень "лез" или "рез" (от слова лезо - лезвие). Такое словообразование прямо указывает на функцию предметов, изготовлявшихся из железа, - режущих инструментов и оружия. Приставка "же", по-видимому, смягчение более древнего "зе" или "за"; она сохранилась в начальном виде у многих славянских народов (у чехов - zelezo). Старые немецкие филологи - представители теории индоевропейского, или, как они его называли, индогерманского праязыка - стремились произвести славянские названия от немецких и санскритских корней. Например, Фик сопоставляет слово железо с санскритским ghalgha (расплавленный металл, от ghal - пылать). Но вряд ли это соответствует действительности: ведь древним людям была недоступна плавка железа. С санскритским ghalgha скорее можно сопоставить греческое название меди, но не славянское слово железо. Функциональный признак в названиях железа нашел отражение и в других языках. Так, на латинском языке наряду с обычным названием стали (chalybs), происходящим от наименования племени халибов, жившего на южном побережье Черного моря, употреблялось название acies, буквально обозначающее лезвие или острие. Это, слово в точности соответствует древнегреческому, применявшемуся в том же самом смысле. Упомянем в нескольких словах о происхождении немецкого и английского названий железа. Филологи обычно принимают, что немецкое слово Eisen имеет кельтское происхождение, так же как и английское Iron. В обоих терминах отражены кельтские названия рек (Isarno, Isarkos, Eisack), которые затем трансформировались) isarn, eisarn) и превратились в Eisen. Существуют, впрочем, и другие точки зрения. Некоторые филологи производят немецкое Eisen от кельтского isara, означающего "крепкий, сильный". Существуют также теории, утверждающие, что Eisen происходит от ayas или aes (медь), а также от Eis (лед) и т.д. Староанглийское название железа (до 1150 г.) - iren; оно употреблялось наряду с isern и isen и перешло в средние века. Современное Iron вошло в употребление после 1630 г. Заметим, что в "Алхимическом лексиконе" Руланда (1612) в качестве одного из старых названий железа приведено слово Iris, означающее "радуга" и созвучное Iron.
Ставшее международным, латинское название Ferrum принято у романских народов. Оно, вероятно, связано с греколатинским fars (быть твердым), которое происходит от санскритского bhars (твердеть). Возможно сопоставление и с ferreus, означающим у древних писателей "нечувствительный, непреклонный, крепкий, твердый, тяжкий", а также с ferre (носить). Алхимики наряду с Ferrum ynoтребляли и многие другие названия, например Iris, Sarsar, Phaulec,Mineraи др.
Железные изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к очень давним временам (IV - V тысячелетиях до н.э.), в Египте и Месопотамии. Однако железный век в Египте начался лишь с ХIIв. до н. э., а в других странах еще позднее. В древнерусской литературе слово железо фигурирует в древнейших памятниках (с XI в.) под названиями желъзо, железо, жельзо.
Загрузка...
