Главная / Неорганическая химия / Переходные металлы / Железо

Железо

Элемент побочной подгруппы VIII группы: самый важный металл цивилизации

Важно для ЕГЭ

Железо проявляет две основные степени окисления: +2 и +3. Fe(OH)2 — основание, Fe(OH)3 — амфотерный гидроксид (с преобладанием основных свойств). Железо пассивируется холодными концентрированными H2SO4 и HNO3, но реагирует с ними при нагревании. Соли Fe3+ — окислители!

1. Строение и положение в ПС

Железо (Fe) расположено в 4-м периоде, в побочной подгруппе VIII группы периодической системы. Порядковый номер — 26, атомная масса — 56.

Электронная конфигурация

+26Fe: 1s22s22p63s23p63d64s2

На d-подуровне у атома железа расположено 6 электронов. При отдаче двух 4s-электронов образуется ион Fe2+ с конфигурацией 3d6. Если дополнительно отдать один d-электрон, получается ион Fe3+ (3d5) — конфигурация с наполовину заполненным d-подуровнем, что объясняет относительную устойчивость степени окисления +3. Железо обладает ярко выраженными магнитными свойствами — оно является ферромагнетиком.

Интересный факт

Железо — один из самых распространённых элементов во Вселенной. Ядро нашей планеты на ~85% состоит из железа. Именно железо в составе гемоглобина придаёт крови красный цвет и переносит кислород по организму.

2. Физические свойства

Железо
Рис. 1. Железо

Железо — серебристо-белый металл с высокой ковкостью и пластичностью. Обладает хорошей тепло- и электропроводностью.

3. Нахождение в природе

По распространённости в земной коре железо занимает 4-е место среди всех элементов и 2-е место среди металлов (после алюминия). Содержание в земной коре — около 4-8%.

Основные минералы железа:

Название минералаФормула / Комментарий
Красный железняк (гематит)
Формула: Fe2O3

Комментарий: Важнейшая руда для выплавки стали.
Магнитный железняк (магнетит)
Формула: Fe3O4 (FeO·Fe2O3)

Комментарий: Обладает магнитными свойствами.
Пирит (серный колчедан)
Формула: FeS2

Комментарий: Используется для получения серной кислоты, а не железа.
Гематит (красный железняк)
Рис. 2. Гематит (красный железняк) — Fe2O3
Магнетит (магнитный железняк)
Рис. 3. Магнетит (магнитный железняк) — Fe3O4

4. Способы получения

Железо в промышленности получают преимущественно из гематита (Fe2O3) и магнетита (Fe3O4).

1. Доменный процесс (основной промышленный способ)

В доменную печь загружают шихту — смесь железной руды, каменноугольного кокса и флюсов (например, известняка CaCO3). Процесс многоэтапный и идет сверху вниз по мере повышения температуры:

200–700°C
Верхняя часть
Постепенное восстановление
3Fe2O3 + CO t°→ 2Fe3O4 + CO2
~ 850°C
Средняя часть
Дальнейшее восстановление
Fe3O4 + CO t°→ 3FeO + CO2
до 1200°C
Горячая зона
Окончательное восстановление
FeO + CO t°→ Fe + CO2
Вспомогательные процессы
Горение кокса (образование угарного газа):
2C + O2 → 2CO
Регенерация угарного газа:
CO2 + C → 2CO
Суммарное уравнение
Именно оно чаще всего встречается в ЕГЭ:
3CO + Fe2O3 t°→ 2Fe + 3CO2

Важно для ЕГЭ

Флюс (CaCO3) при разложении даёт CaO, который связывает примеси пустой породы, образуя легкоплавкий шлак. Шлак всплывает и защищает расплавленный металл от окисления.

2. Прямое восстановление водородом:

Даёт более чистое железо без примесей серы и фосфора:

Fe2O3 + 3H2 t°→ 2Fe + 3H2O

3. Электролиз растворов солей железа — для получения особо чистого металла.

5. Химические свойства простого вещества

При обычных условиях железо малоактивно благодаря оксидной плёнке. Однако при нагревании, особенно в мелкораздробленном состоянии, оно активно реагирует почти со всеми неметаллами.

Взаимодействие с неметаллами

С галогенами
Реакция требует нагревания. Активные галогены (хлор, бром) окисляют железо до степени +3. Железо энергично сгорает в хлоре с образованием хлорида железа(III):
2Fe + 3Cl2 t°→ 2FeCl3
Демонстрация
А менее активный йод — только до +2:
Fe + I2 t°→ FeI2
Реакция железа с йодом
С серой
При нагревании смеси порошков железа и серы протекает экзотермическая реакция с образованием сульфида железа(II):
Fe + S t°→ FeS
Демонстрация
С кислородом
При горении на воздухе (например, стальной ваты) или в чистом кислороде образуется смешанный оксид — железная окалина:
3Fe + 2O2 t°→ Fe3O4
Демонстрация
Только при пропускании кислорода через расплав возможно образование оксида железа(II):
2Fe + O2 t°→ 2FeO

Важно для ЕГЭ

Запомните закономерность — сильные окислители (Cl2, Br2, HNO3) окисляют Fe до +3, а слабые (I2, S, HCl, разб. H2SO4) — до +2.

Взаимодействие со сложными веществами

Свойство Уравнения реакций
С водой
(в раскаленном состоянии)
Раскаленное железо реагирует с водяным паром, образуя железную окалину:
3Fe + 4H2O(пар) t°→ Fe3O4 + 4H2↑
Реакция железа с водой
С кислотами-неокислителями
(HCl, разб. H2SO4)
Железо находится левее водорода и вытесняет его из разбавленных кислот, образуя соли железа(II):
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑
Реакция железа с HCl
С кислотами-окислителями
(конц. H2SO4, HNO3)
На холоде концентрированные серная и азотная кислоты пассивируют железо. Только при нагревании происходит реакция с образованием солей железа(III):
2Fe + 6H2SO4(конц.) t°→ Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O
Fe + 6HNO3(конц.) t°→ Fe(NO3)3 + 3NO2↑ + 3H2O
Реакция железа с конц. азотной кислотой
Разбавленная азотная кислота:
Fe + 4HNO3(разб.) → Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O
С солями
(вытеснение металлов)
Железо вытесняет менее активные металлы:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu↓
Реакция железа с CuSO4
С солями Fe(III)
(сопропорционирование)
Железо растворяется в растворах солей железа(III), переходя в степень +2:
2FeCl3 + Fe → 3FeCl2

6. Оксиды железа

ОксидПолучение / Химические свойства
FeO
Основный
Черный порошок
Получение:
Восстановление оксида железа(III):
Fe2O3 + CO t°→ 2FeO + CO2
Fe2O3 + H2 t°→ 2FeO + H2O
Разложение гидроксида:
Fe(OH)2 t°→ FeO + H2O

Химические свойства:
Типичный основный оксид:
Легко растворяется в кислотах:
FeO + 2HCl → FeCl2 + H2O
Растворение FeO в HCl

С кислотами-окислителями (окисление Fe²⁺ → Fe³⁺):
3FeO + 10HNO3(разб.) t°→ 3Fe(NO3)3 + NO↑ + 5H2O
Восстановление до железа:
FeO + C t°→ Fe + CO
Fe2O3
Амфотерный
Красно-коричневый порошок
Получение:
Разложение гидроксида:
2Fe(OH)3 t°→ Fe2O3 + 3H2O
Термическое разложение нитратов и сульфатов:
4Fe(NO3)3 t°→ 2Fe2O3 + 12NO2↑ + 3O2↑

Химические свойства:
С кислотами:
Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O
Реакция Fe2O3 с HCl

С твердыми щелочами и карбонатами (сплавление, амфотерность):
Образуются ферриты (Fe³⁺):
Fe2O3 + 2NaOH t°→ 2NaFeO2 + H2O
Fe2O3 + Na2CO3 t°→ 2NaFeO2 + CO2↑
Алюмотермия:
Реакция сопровождается огромным выделением тепла:
Fe2O3 + 2Al t°→ Al2O3 + 2Fe
Демонстрация
Fe3O4
Смешанный
Черный магнитный порошок
Получение:
Горение железа:
3Fe + 2O2 t°→ Fe3O4

Химические свойства:
С кислотами-неокислителями (образуется смесь солей Fe²⁺ и Fe³⁺):
Fe3O4 + 8HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
С кислотами-окислителями:
Всё железо окисляется до Fe³⁺:
2Fe3O4 + 10H2SO4(конц.) → 3Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 10H2O

7. Гидроксиды железа

ГидроксидПолучение / Химические свойства
Fe(OH)2
Основный
Серо-зеленый студенистый осадок
Получение:
Действие щелочей или аммиака на соли Fe(II):
Проводится без доступа воздуха для предотвращения окисления:
FeCl2 + 2KOH → Fe(OH)2↓ + 2KCl
FeCl2 + 2NH3 + 2H2O → Fe(OH)2↓ + 2NH4Cl

Химические свойства:
С кислотами (как основание):
Fe(OH)2 + 2HCl → FeCl2 + 2H2O
Быстро окисляется на воздухе:
Свежий осадок жадно поглощает кислород, буреет и переходит в гидроксид железа(III):
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓
Окисление перекисью водорода или кислотами-окислителями:
2Fe(OH)2 + H2O2 → 2Fe(OH)3
2Fe(OH)2 + 4H2SO4(конц.) → Fe2(SO4)3 + SO2↑ + 6H2O
Термическое разложение:
Fe(OH)2 t°→ FeO + H2O
Fe(OH)3
Амфотерный
Бурый аморфный осадок
Получение:
Действие щелочей на соли Fe(III):
FeCl3 + 3KOH → Fe(OH)3↓ + 3KCl
Совместный гидролиз:
Смешивание солей Fe³⁺ с карбонатами или сульфидами:
2FeCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3↓ + 3CO2↑ + 6NaCl

Химические свойства:
С кислотами (основные свойства):
Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O
С щелочами (проявление слабо-кислотных свойств):
В отличие от алюминия и хрома, амфотерность железа(III) выражена слабо. Реакция идет только при сплавлении из-за высокой устойчивости осадка:
Fe(OH)3 + KOH t°, сплавл.→ KFeO2 + 2H2O
Термическое разложение:
2Fe(OH)3 t°→ Fe2O3 + 3H2O

Важно для ЕГЭ

Карбонат и сульфит железа (III) не существуют в водном растворе — они полностью и необратимо гидролизуются с образованием Fe(OH)3↓ и соответствующего газа (CO2 или SO2). Но с сульфитами чаще записывают ОВР — Fe3+ окисляет SO32−.

8. Соли железа

Термическое разложение нитратов

Нитраты железа разлагаются по общей схеме нитратов металлов средней активности — до оксида металла, NO2 и O2:

4Fe(NO3)2 t°→ 2Fe2O3 + 8NO2↑ + O2↑

4Fe(NO3)3 t°→ 2Fe2O3 + 12NO2↑ + 3O2↑

Гидролиз солей железа

Растворимые соли железа (III), образованные сильными кислотами, гидролизуются ступенчато по катиону (среда кислая). Карбонаты и сульфиты Fe(III) гидролизуются необратимо:

2FeCl3 + 3Na2CO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3↓ + 6NaCl + 3CO2↑

Fe2(SO4)3 + 3K2CO3 + 3H2O → 2Fe(OH)3↓ + 3CO2↑ + 3K2SO4

Взаимодействие солей Fe(III) с сульфитами — ОВР (Fe3+ окисляет SO32−):

2FeCl3 + Na2SO3 + H2O → 2FeCl2 + Na2SO4 + 2HCl

Окислительные свойства солей Fe(III)

Соединения Fe3+ проявляют довольно сильные окислительные свойства — сами восстанавливаются до Fe2+.

Взаимодействие Уравнения реакций
С сульфидами 2FeCl3 + 3Na2S → 2FeS + S + 6NaCl
2FeCl3 + H2S → 2FeCl2 + S↓ + 2HCl
Реакция FeCl3 с сульфидом
С йодидами
Соли железа(III) окисляют йодиды до свободного йода:
2FeCl3 + 2KI → 2FeCl2 + I2 + 2KCl
Реакция FeCl3 с KI
С металлами
Соли Fe(III) могут реагировать даже с металлами, стоящими после железа в ряду активности (вплоть до меди включительно), восстанавливаясь до Fe2+:
2FeCl3 + Cu → 2FeCl2 + CuCl2
Реакция FeCl3 с медью
Более активные металлы (левее Fe в ряду активности) восстанавливают железо до простого вещества:
2Fe(NO3)3 + 3Zn → 2Fe + 3Zn(NO3)2

Лайфхак для ЕГЭ

Fe3+ — окислитель «средней силы». Он окисляет Cu, I−, S2−, SO32−. Но не окисляет Br− и Cl−! Запомните: FeCl3 растворяет медные платы — именно на этом основано травление печатных плат.

9. Качественные реакции

На ионы Fe2+

  • Растворы солей имеют светлый жёлто-зелёный цвет.
  • Со щелочами: образуется серо-зелёный студенистый осадок Fe(OH)2, который на воздухе быстро буреет:
    FeCl2 + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + 2NaCl
    4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3
  • С красной кровяной солью K3[Fe(CN)6]: образуется синий осадок «турнбулева синь».
Осадок Fe(OH)2
Осадок Fe(OH)2
Турнбулева синь
Турнбулева синь

На ионы Fe3+

  • Растворы солей имеют жёлто-оранжевый цвет.
  • Со щелочами: образуется бурый осадок Fe(OH)3:
    FeCl3 + 3NaOH → Fe(OH)3↓ + 3NaCl
  • С жёлтой кровяной солью K4[Fe(CN)6]: образуется синий осадок «берлинская лазурь».
  • С роданидами (KCNS, NaCNS): раствор окрашивается в кроваво-красный цвет:
    FeCl3 + 3NaCNS → Fe(CNS)3 + 3NaCl
Берлинская лазурь
Берлинская
лазурь
Осадок Fe(OH)3
Осадок
Fe(OH)3
Роданид железа
Роданид
Fe(CNS)3

Лайфхак для ЕГЭ

Турнбулева синь и берлинская лазурь по строению оказались идентичными веществами — Fe4[Fe2(CN)6]3. Но качественные реакции различаются: Fe2+ + красная кровяная соль, а Fe3+ + жёлтая кровяная соль.

10. Видео эксперименты

Рекомендуем посмотреть опыты с железом на канале Thoisoi:

📝
Практика по неорганической химии
Проверь свои знания. Задания в формате ЕГЭ с подробными решениями.
📋 Зад. 5 — Классификация ⚗️ Зад. 6 — Свойства 🔬 Зад. 7 — Свойства (2) 🧪 Зад. 8 — Свойства (3) 🔗 Зад. 9 — Цепочки ✍️ Зад. 31 — Уравнения