Характеристика, нахождение и получение железа

Почему у железа две устойчивые степени окисления и как его выплавляют.

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.

Вопрос 1: Электронное строение

Проверка

Какую конфигурацию валентных электронов имеет атом железа ($Fe$)? Какие степени окисления наиболее характерны для железа?

Ответ: $3d^6 4s^2$. Характерные степени окисления: +2 и +3 (иногда +6 в ферратах).

2. Физические свойства

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

Температура плавления: 1538°C — один из самых тугоплавких d-металлов.
Температура кипения: 2861°C.
Магнитные свойства: железо — классический ферромагнетик, притягивается к магниту. Это свойство используется для отделения железа от других веществ.
Коррозия: на влажном воздухе покрывается рыхлой ржавчиной (в отличие от алюминия и хрома, у которых оксидная плёнка защищает металл).
Применение: основа чёрной металлургии — из железа и его сплавов (стали, чугуна) производят около 95% всех металлических изделий в мире.

Вопрос 1: Физические свойства

Проверка

Назовите важнейшее уникальное физическое свойство железа, которое отличает его от большинства других металлов (кроме никеля и кобальта).

Ответ: Ферромагнетизм (сильно притягивается магнитом и может намагничиваться).

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 минерала	Формула / 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.

Рис. 2. Гематит (красный железняк) — Fe₂O₃

Рис. 3. Магнетит (магнитный железняк) — Fe₃O₄

Вопрос 1: Природные минералы

Проверка

Напишите формулы следующих железных руд:
1) Магнитный железняк (магнетит)
2) Красный железняк (гематит)
3) Бурый железняк (лимонит)
4) Железный колчедан (пирит)

Ответ:
1) $Fe_3O_4$
2) $Fe_2O_3$
3) $Fe_2O_3 \cdot nH_2O$
4) $FeS_2$

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.

Вопрос 1: Доменный процесс (Уравнения)

Проверка

Напишите уравнения реакций последовательного восстановления железа угарным газом в доменной печи, начиная с красного железняка ($Fe_2O_3$).

Ответ:

$3Fe_2O_3 + CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_3O_4 + CO_2$
$Fe_3O_4 + CO \xrightarrow{t^\circ} 3FeO + CO_2$
$FeO + CO \xrightarrow{t^\circ} Fe + CO_2$

Пояснение: Восстановление идет ступенчато от высшего оксида к низшему, а затем до чистого металла.