Хімічне і фізичні властивості заліза

Залізо - всім відомий хімічний елемент. Він відноситься до середніх по хімічній активності металів. Властивості і застосування заліза ми розглянемо в цій статті.

Поширеність в природі

Існує досить велика кількість мінералів, до складу яких входить ферум. Перш за все, це магнетит. Він на сімдесят два відсотки складається з заліза. Його хімічна формула - Fe₃O₄. Даний мінерал ще називають магнітний залізняк. Він має світло-сірим кольором, іноді з темно-сірим, аж до чорного, з металевим блиском. Найбільше його родовище серед країн СНД знаходиться на Уралі.

Наступний мінерал з високим вмістом заліза - гематит - він на сімдесят відсотків складається з даного елемента. Його хімічна формула - Fe₂O₃. Його ще називають червоним залізняком. Він володіє забарвленням від червоно-коричневого до червоно-сірої. Найбільше родовище на території країн СНД знаходиться в Кривому Розі.

Відео: §11, 9 кл. Хімічні властивості металів.

Третій за змістом феруму мінерал - лимонит. Тут заліза шестдесят відсотків від загальної маси. Це кристаллогидрат, тобто в його кристалічну решітку вплетені молекули води, його хімічна формула - Fe₂O₃•H₂O. Як зрозуміло з назви, даний мінерал має жовто-коричневий колір, зрідка бурий. Він є однією з головних складових природних охр і використовується як пігмент. Його також називають бурий залізняк. Найбільші місця залягання - Крим, Урал.

У Сидерит, так званому Шпатовий залізняк, сорок вісім відсотків феруму. Його хімічна формула - FeCO₃. Його структура неоднорідна і складається з з`єднаних разом кристалів різного кольору: сірих, блідо-зелених, сіро-жовтих, коричнево-жовтих і ін.

Останній часто зустрічається в природі мінерал з високим вмістом феруму - пірит. Він має таку хімічною формулою FeS₂. Заліза в ньому знаходиться сорок шість відсотків від загальної маси. Завдяки атомам сірки даний мінерал має золотисто-жовте забарвлення.

Багато з розглянутих мінералів застосовуються для отримання чистого заліза. Крім того, гематит використовують у виготовленні прикрас з натуральних каменів. Вкраплення піриту можуть бути в прикрасах з лазуриту. Крім цього, в природі залізо зустрічається в складі живих організмів - воно є одним з найважливіших компонентів клітини. Даний мікроелемент обов`язково повинен надходити в організм людини в достатній кількості. Лікувальні властивості заліза багато в чому пов`язані з тим, що даний хімічний елемент є основою гемоглобіну. Тому вживання феруму добре позначається на стані крові, а отже, і всього організму в цілому.

Відео: 2 фізичні та хімічні властивості заліза гдз 9 клас

Залізо: фізичні і хімічні властивості

Розглянемо по порядку два цих великих розділу. Фізичні властивості заліза - це його зовнішній вигляд, щільність, температура плавлення і т. д. Тобто все відмінні риси речовини, які пов`язані з фізикою. Хімічні властивості заліза - це його здатність вступати в реакцію з іншими сполуками. Почнемо з перших.

Фізичні властивості заліза

У чистому вигляді при нормальних умовах це тверда речовина. Воно має сріблясто-сірим кольором і яскраво вираженим металевим блиском. Механічні властивості заліза включають в себе рівень твердості за шкалою Мооса. Вона дорівнює чотирьом (середня). Залізо має гарну електропровідність і теплопровідність. Останню особливість можна відчути, доторкнувшись до залізного предмета в холодному приміщенні. Так як цей матеріал швидко проводить тепло, він за короткий проміжок часу забирає велику його частину з вашої шкіри, і тому ви відчуваєте холод. Доторкнувшись, наприклад, до дерева, можна відзначити, що його теплопровідність набагато нижче. Фізичні властивості заліза - це і його температури плавлення і кипіння. Перша складає 1539 градусів за шкалою Цельсія, друга - 2860 градусів за Цельсієм. Можна зробити висновок, що характерні властивості заліза - хороша пластичність і легкоплавкость. Але і це ще далеко не все.

Також в фізичні властивості заліза входить і його Ферромагнітність. Що це таке? Залізо, магнітні властивості якого ми можемо спостерігати на практичних прикладах кожен день, - єдиний метал, що володіє такою унікальною відмітною рисою. Це пояснюється тим, що даний матеріал здатний намагнічуватися під дією магнітного поля. А після припинення дії останнього залізо, магнітні властивості якого тільки що сформувалися, ще надовго саме залишається магнітом. Такий феномен можна пояснити тим, що в структурі даного металу є багато вільних електронів, які здатні пересуватися.

З точки зору хімії

Даний елемент відноситься до металів середньої активності. Але хімічні свойст заліза є типовими і для всіх інших металів (крім тих, які знаходяться правіше водню в електрохімічному ряду). Воно здатне реагувати з багатьма класами речовин.

Почнемо з простих

Феррум вступає у взаємодію з кілородом, азотом, галогенами (йодом, бромом, хлором, фтором), фосфором, карбоном. Перше, що потрібно розглянути, - реакції з оксигенів. При спалюванні феруму утворюються його оксиди. Залежно від умов проведення реакції і пропорцій між двома учасниками вони можуть бути різноманітними. Як приклад такого роду взаємодій можна навести такі рівняння реакцій: 2Fe + O₂ = 2FeO- 4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃- 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄. І властивості оксиду заліза (як фізичні, так і хімічні) можуть бути різноманітними, залежно від його різновиду. Такого роду реакції відбуваються при високих температурах.

Наступне - взаємодія з азотом. Воно також може статися лише за умови нагрівання. Якщо взяти шість молей заліза і один моль азоту, отримаємо два благаючи нітриду заліза. Рівняння реакції буде виглядати наступним чином: 6Fe + N₂ = 2Fe₃N.

При взаємодії з фосфором утворюється фосфід. Для проведення реакції необхідні такі компоненти: на три благаючи феруму - один моль фосфору, в результаті утворюється один моль фосфіду. Рівняння можна записати в такий спосіб: 3Fe + P = Fe₃P.

Крім того, серед реакцій з простими речовинами можна також виділити взаємодію з сіркою. При цьому можна отримати сульфід. Принцип, за яким відбувається процес утворення даної речовини, подібний до описаного вище. А саме відбувається реакція приєднання. Для всіх хімічних взаємодій подібного роду потрібні спеціальні умови, в основному це високі температури, рідше - каталізатори.

Також поширені в хімічній промисловості реакції між залізом і галогенами. Це хлорування, бромування, йодування, фторування. Як зрозуміло з назв самих реакцій, це процес приєднання до атомам феруму атомів хлору / брому / йоду / фтору з утворенням хлориду / броміду / йодиду / фториду відповідно. Дані речовини широко використовуються в різноманітних галузях промисловості. Крім того, феррум здатний з`єднуватися з кремнієм при високих температурах. Завдяки тому що хімічні властивості заліза різноманітні, його часто використовують в хімічній галузі промисловості.

Феррум і складні речовини

Від простих речовин перейдемо до тих, молекули яких складаються з двох і більше різних хімічних елементів. Перше, що потрібно згадати, - реакцію феруму з водою. Тут проявляються основні властивості заліза. При нагріванні води разом з залізом утворюється основний оксид (Називається він так тому, що при взаємодії з тією ж водою утворює гідроксид, по-іншому кажучи - підстава). Отже, якщо взяти по одному молю обох компонентів, утворюються такі речовини, як діоксид феруму і водень у вигляді газу з різким запахом - також в молярних пропорціях один до одного. Рівняння такого роду реакції можна записати в такий спосіб: Fe + H₂O = FeO + H₂. Залежно від пропорцій, у яких змішати ці два компоненти, можна отримати ди- або триоксид заліза. Обидва цих речовини дуже поширені в хімічній промисловості, а також використовуються в багатьох інших галузях.

З кислотами і солями

Так як феррум знаходиться лівіше водню в електрохімічному ряду активності металів, він спосособен витісняти даний елемент із з`єднань. Прикладом цього є реакція заміщення, яку можна спостерігати при додаванні заліза до кислоті. Наприклад, якщо змішати в однакових молярних пропорціях залізо і сульфатную кислоту (Вона ж сірчана) середньої концентрації, в результаті отримаємо сульфат заліза (ІІ) і водень в однакових молярних пропорціях. Рівняння такої реакції буде виглядати таким чином: Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂.

При взаємодії з солями проявляються відновні властивості заліза. Тобто за допомогою нього можна виділити менш активний метал з солі. Наприклад, якщо взяти один моль сульфату міді і стільки ж феруму, то можна отримати сульфат заліза (ІІ) і чисту мідь в однакових молярних пропорціях.

Значення для організму

Один з найпоширеніших у земній корі хімічних елементів - залізо. властивості речовини ми вже розглянули, тепер підійдемо до нього з біологічної точки зору. Феррум виконує дуже важливі функції як на клітинному рівні, так і на рівні всього організму. В першу чергу залізо є основою такого білка, як гемоглобін. Він необхідний для транспорту кисню по крові від легких до всіх тканин, органів, до кожної клітини організму, в першу чергу до нейронам головного мозку. Тому корисні властивості заліза неможливо переоцінити.

Відео: Experiments in Chemistry. Production of iron hydroxide and study its properties

Крім того що він впливає на кровотворення, феррум також важливий для повноцінного функціонування щитовидної залози (для цього потрібен не тільки йод, як дехто вважає). Також залізо бере участь у внутрішньоклітинному обміні речовин, регулює імунітет. Ще феррум в особливо великій кількості міститься в клітинах печінки, так як допомагає нейтралізувати шкідливі речовини. Також він є одним з головних компонентів багатьох видів ферментів нашого організму. У добовому раціоні людини повинно міститися від десяти до двадцяти міліграмів даного мікроелемента.

Продукти, багаті залізом

Таких чимало. Вони є як рослинного, так і тваринного походження. Перші - це злаки, бобові, крупи (особливо гречка), яблука, гриби (білі), сухофрукти, шипшина, груші, персики, авокадо, гарбуз, мигдаль, фініки, помідори, броколі, капуста, чорниця, ожина, селера та ін . Другі - печінку, м`ясо. Вживання продуктів з високим вмістом заліза особливо важливо в період вагітності, так як організм формується плода вимагає великої кількості даного мікроелемента для повноцінного росту і розвитку.

Ознаки нестачі в організмі заліза

Симптомами занадто маленького кількості феруму, що надходить в організм, є втома, постійне замерзання рук і ніг, депресії, ламкість волосся і нігтів, зниження інтелектуальної активності, травні розлади, низька працездатність, порушення в роботі щитовидної залози. Якщо ви помітили кілька з цих симптомів, то варто збільшити кількість продуктів з вмістом заліза в своєму раціоні або купити вітаміни або харчові добавки з вмістом феруму. Також обов`язково потрібно звернутися до лікаря, якщо будь-які з цих симптомів ви відчуваєте занадто гостро.

Використання феруму в промисловості

Застосування і властивості заліза тісно пов`язані. У зв`язку з його феромагнітні, його застосовують для виготовлення магнітів - як слабших для побутових цілей (сувенірні магніти на холодильник і т. Д.), Так і більш сильних - для промислових цілей. У зв`язку з тим що даний метал має високу міцність і твердістю, його з давніх-давен використовували для виготовлення зброї, обладунків та інших військових і побутових інструментів. До слова, ще в Стародавньому Єгипті було відомо метеоритне залізо, властивості якого перевершують такі у звичайного металу. Також таке особливе залізо використовувалося і в Стародавньому Римі. З нього виготовляли елітна зброя. Щит або меч, виконаний з метеоритного металу, міг мати тільки дуже багата і знатна людина.

Взагалі, метал, який ми розглядаємо в даній статті, є самим різнобічно використовуваним серед всіх речовин даної групи. Перш за все, з нього виготовляються сталь і чавун, які застосовуються для виробництва всіляких виробів, необхідних як в промисловості, так і в повсякденному житті.

Чавуном називається сплав заліза і вуглецю, в якому другого присутній від 1,7 до 4,5 відсотка. Якщо другого менше, ніж 1,7 відсотка, то такого роду сплав називається сталлю. Якщо вуглецю в складі присутні близько 0,02 відсотка, то це вже звичайне технічне залізо. Присутність в сплаві вуглецю необхідно для додання йому більшої міцності, термостійкості, стійкості до іржавіння.

Крім того, в стали може міститися багато інших хімічних елементів в якості домішок. Це і марганець, і фосфор, і кремній. Також в такого роду сплав для додання йому певних якостей можуть бути додані хром, нікель, молібден, вольфрам і багато інших хімічні елементи. Види сталі, в яких присутня велика кількість кремнію (близько чотирьох відсотків), використовуються в якості трансформаторних. Ті, в складі яких багато марганцю (аж до дванадцяти-чотирнадцяти відсотків), знаходять своє застосування при виготовленні деталей залізниць, млинів, дробарок та інших інструментів, частини яких схильні до швидкого стирання.

Молібден вводять до складу сплаву, щоб зробити його більш термостійким - такі стали використовуються в якості інструментальних. Крім того, для отримання всім відомих і часто використовуваних в побуті у вигляді ножів і інших побутових інструментів нержавіючих сталей необхідно додавання в сплав хрому, нікелю і титану. А для того щоб отримати ударостійку, міцну, пластичну сталь, досить додати до неї ванадій. При введенні до складу ніобію можна домогтися високої стійкості до корозії і впливу хімічно агресивних речовин.

Мінерал магнетит, який був згаданий на початку статті, потрібен для виготовлення жорстких дисків, карт пам`яті та інших пристроїв подібного типу. Завдяки магнітними властивостями, залізо можна знайти в пристрої трансформаторів, двигунів, електронних виробів та ін. Крім того, феррум можуть додавати в сплави інших металів для додання їм більшої міцності і механічної стійкості. Сульфат даного елемента застосовують в садівництві для боротьби зі шкідниками (поряд з сульфатом міді). Хлориди заліза є незамінними при очищенні води. Крім того, порошок магнетиту використовується в чорно-білих принтерах. Головний спосіб застосування піриту - отримання з нього сірчаної кислоти. Даний процес відбувається в лабораторних умовах в три етапи. На першій стадії пірит феруму спалюють, одержуючи при цьому оксид заліза і діоксид сірки. На другому етапі відбувається перетворення діоксиду сульфуру в його триоксид за участю кисню. І на завершальній стадії отримане речовина пропускають через водяна пара в присутності каталізаторів, тим самим і отримуючи сірчану кислоту.

отримання заліза

В основному добувають даний метал з двох основних його мінералів: магнетиту і гематиту. Роблять це за допомогою відновлення заліза з його з`єднань вуглецем у вигляді коксу. Робиться це в доменних печах, температура в яких сягає двох тисяч градусів за шкалою Цельсія. Крім того, є спосіб відновлення феруму воднем. Для цього необов`язково наявність доменної печі. Для здійснення даного методу беруть спеціальну глину, змішують її з подрібненої рудою і обробляють воднем в шахтної печі.

висновок

Властивості і застосування заліза різноманітні. Це, мабуть, найважливіший в нашому житті метал. Ставши відомим людству, він зайняв місце бронзи, яка на той момент була основним матеріалом для виготовлення всіх знарядь праці, а також зброї. Сталь і чавун багато в чому перевершують сплав міді з оловом з точки зору своїх фізичних властивостей, стійкості до механічних впливів.

Крім того, залізо на нашій планеті більше поширене, ніж багато інших метали. Масова частка його в земній корі становить майже п`ять відсотків. Це четвертий за поширеністю в природі хімічний елемент. Також даний хімічний елемент дуже важливий для нормального функціонування організму тварин і рослин, перш за все тому, що на його основі побудований гемоглобін. Залізо є найважливішим мікроелементом, вживання якого важливо для підтримки здоров`я і нормальної роботи органів. Крім перерахованого вище, це єдиний метал, який володіє унікальними магнітними властивостями. Без феруму неможливо уявити наше життя.