§ 27. ЗАЛІЗО: ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Фізичні властивості. Елемент Ферум утворює просту речовину — залізо. Це сріблясто-білий метал, що має сіруватий відтінок. Належить до важких металів (густина 7,87 г/см 3 ). Залізо — тугоплавкий метал з температурою плавлення 1539 °С, водночас дуже пластичний та ковкий; електро- й теплопровідний, легко намагнічується. Магнітні властивості проявляють і сплави заліза.

Пригадайте з курсу природознавства, як розділити порошки заліза й сірки.

Хімічні властивості. Залізо є досить активним металом і за певних умов реагує з неметалами, водою, кислотами й солями в розчині. З’ясуємо, як відбувається кожна з цих реакцій.

Взаємодія з неметалами. Насамперед звернемо увагу на взаємодію заліза з киснем. Цю реакцію можна спостерігати, провівши демонстраційний дослід.

Дослід 1. Прив’яжемо до сталевого леза запалений сірник та опустимо його в колбу, наповнену киснем. Метал яскраво згоряє, розбризкуючи в усі боки іскри. Це утворений унаслідок згоряння ферум(ІІ, ІІІ) оксид, тривіальна назва якого — залізна окалина (рис. 48, а). Рівняння реакції:

Залізо згоряє в хлорі з утворенням ферум(ІІІ) хлориду (рис. 48, б). Рівняння реакції:

Рис. 48. Горіння заліза: а — у кисні; б — у хлорі

Складіть самостійно рівняння взаємодії заліза із сіркою.

Взаємодія з водою. Залізо реагує з водою за високих температур і за звичайних умов. Залежно від умов результат реакції неоднаковий. Якщо крізь розжарений порошок заліза пропустити водяну пару, то утвориться ферум(ІІ, ІІІ) оксид і виділиться водень:

За звичайних умов реакція відбувається за участю кисню:

Взаємодія з кислотами. Щоб з’ясувати, як залізо взаємодіє з кислотами, проведемо демонстраційні досліди.

Дослід 2. Насиплемо на дно двох пробірок порошок заліза. Доллємо до першої пробірки 1,5-2 мл хлоридної кислоти, до другої — таку саму кількість розведеної сульфатної кислоти. В обох пробірках на залізі з’являються бульбашки газу. Реакції пришвидшаться, якщо пробірки з реагентами нагріємо. Запишемо відповідні рівняння реакцій:

Отже, залізо реагує з хлоридною та розведеною сульфатною кислотами з утворенням солей відповідних кислот і виділенням водню.

Зверніть увагу! Йони Гідрогену є слабшими окисниками, ніж хлор, оскільки Гідроген окиснює залізо до ступеня окиснення +2, а хлор — до ступеня окиснення +3.

Дослід 3. Насиплемо на дно двох пробірок порошок заліза. Доллємо до першої пробірки 1,5-2 мл концентрованої сульфатної кислоти, до другої — таку саму кількість концентрованої нітратної. Жодних змін не спостерігаємо.

Отже, за звичайних температур залізо пасивується цими концентрованими кислотами. Це пояснюється тим, що на його поверхні утворюється захисна плівка ферум(ІІІ) оксиду, яка не вступає в реакцію з кислотою й захищає залізо від взаємодії з нею.

Взаємодія із солями в розчині. Як і алюміній, залізо реагує з розчинами солей, коли метал, що входить до складу солі, є менш активним порівняно з ним. Наприклад, за взаємодії заліза з розчином купрум(ІІ) хлориду:

Розгляньте реакції взаємодії заліза з розчинами кислот і солей як окисно-відновні процеси. Поясніть, окисником чи відновником є в них залізо.

Якісне визначення катіонів ферум(2+) і ферум(3+) у розчині. Ознайомимося з якісними реакціями на прикладі демонстраційних і лабораторних дослідів.

Дослід 4. Наллємо у дві пробірки розчини ферум(ІІ) і ферум(ІІІ) сульфатів об’ємом 1,5-2 мл і доллємо до кожної з них такий самий об’єм розчину натрій гідроксиду. Спостерігаючи результати реакцій, бачимо, що в пробірці з ферум(ІІ) сульфатом випав зеленувато-білий осад, який швидко набув бурого забарвлення. У другій пробірці, де містився ферум(ІІІ) сульфат, випав бурий осад.

За кольором осадів визначаємо наявність у розчинах катіонів Ферум(2+) і Ферум(3+).

Отже, реактивом на катіони Ферум(2+) і Ферум(3+) є гідроксид-аніони. Рівняння реакцій:

Тепер проведемо лабораторні досліди 3-4.

Лабораторні досліди 3-4. Виявлення в розчині катіонів Феруму(2+) і Феруму(3+)

Повторіть правила безпеки під час роботи з реактивами й обладнанням і суворо дотримуйтеся їх.

Завдання. Дослідіть, як виявити катіони Ферум(2+) і Ферум(3+) у розчині.

Обладнання та реактиви: дві пробірки, екран, розчини ферум(ІІ) хлориду та ферум(ІІІ) нітрату, натрій гідроксиду.

Дослід 1. Налийте в пробірку розчин ферум(ІІ) хлориду об’ємом 1,5-2 мл і додайте такий самий об’єм розчину натрій гідроксиду. Спостерігайте утворення осаду. Зверніть увагу на колір осаду та зміну його забарвлення через деякий проміжок часу. Складіть рівняння реакцій, зробіть висновок.

Дослід 2. Налийте в пробірку розчин ферум(ІІІ) нітрату об’ємом 1,5-2 мл і додайте такий самий об’єм розчину натрій гідроксиду. Спостерігайте утворення осаду. Зверніть увагу на колір осаду. Складіть рівняння реакції, зробіть висновок.

Оформте результати досліджень у зошиті як таблицю. Сформулюйте загальний висновок.

Біологічне значення Феруму. Мікроелемент Ферум відіграє вагому роль в організмі людини та відповідає за важливі життєві функції. Передусім — це елемент, що входить до складу гемоглобіну крові, надаючи їй червоного забарвлення. Він міститься і в еритроцитах, що беруть участь у транспортуванні кисню від легенів до тканин органів і виведенні вуглекислого газу. Ферум підтримує працездатність м’язів і сприяє витривалості, захищає організм від хвороботворних мікроорганізмів і вірусів. Цей елемент активно виводить токсини й шлаки.

Важливу роль відіграє Ферум в обміні речовин та енергії, зокрема входить до складу білків і ферментів, бере участь у синтезі ДНК, обміні холестерину, гормонів щитоподібної залози, впливає на роботу нервової системи.

Основна частка цього мікроелемента міститься в крові (приблизно 60 %), у печінці, селезінці, м’язах і кістковому мозку — 20 %. Решта використовується для синтезу ферментів. Загальна маса цього мікроелемента в організмі — 4-5 г.

Добова потреба організму людини у Ферумі становить 10-20 мг, значно зростаючи при інтенсивних м’язових навантаженнях. Ця кількість мікроелемента має потрапити в організм з їжею, тому надзвичайно важливим для кожної людини є збалансоване харчування.

Довідайтеся самостійно з інтернет-джерел, які продукти харчування лікарі радять уживати для підтримання вмісту Феруму в організмі людини.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Залізо — сріблясто-білий метал, що має сіруватий відтінок, важкий (густина 7,87 г/см 3 ), тугоплавкий, пластичний, ковкий, електро- й теплопровідний, легко намагнічується.

• Залізо є достатньо активним металом і за певних умов реагує з неметалами, водою, кислотами, солями в розчині.

• Взаємодіє з неметалами за нагрівання, утворюючи бінарні сполуки. Продуктами взаємодії розжареного порошку заліза з водяною парою є залізна окалина й водень, а за звичайних умов (за наявності кисню) — ферум(ІІІ) гідроксид.

• Залізо реагує з хлоридною та розведеною сульфатною кислотами за нагрівання з утворенням солей Ферум(2+) і виділенням водню.

• За звичайних умов залізо з концентрованими сульфатною та нітратною кислотами не реагує, пасивується.

• Якісними реакціями на катіони Ферум(2+) і Ферум(3+) є взаємодія сполук, що містять ці катіони, з розчинами лугів. За взаємодії сполук, що містять катіони Ферум(2+), з лугами в осад випадає ферум(ІІ) гідроксид зеленувато-білого кольору, який на повітрі набуває бурого забарвлення. Під час реакції сполук Ферум(3+) з лугами випадає бурий осад ферум(ІІІ) гідроксид.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

• 1. Охарактеризуйте: а) елемент Ферум за розміщенням у періодичній системі та будовою атома; б) фізичні та хімічні властивості заліза.
• 2. Складіть рівняння реакцій за наведеною схемою. Укажіть умови перебігу реакцій, назвіть утворені речовини.

А твердий

Б рідкий

В газоподібний

Г плазма

А крихкість

Б пластичність

В електропровідність

Г нетеплопровідність

• 5. Установіть відповідність між лівими та правими частинами рівнянь реакцій, поданих за допомогою схем.

А KOH

Б HCl

В HNO₃

Г Cl₂

А FeSO₄

Б FeCl₂

В Fe

Г Fe(OH)₂

• 8. Позначте назву речовини, що є реактивом на катіони Fe(2+) і Fe(3+).

А натрій сульфат

Б натрій гідроксид

В натрій хлорид

Г натрій сульфід

• 9. Обчисліть і позначте масу заліза, що прореагувало з хлоридною кислотою, якщо утворилася сіль кількістю речовини 0,3 моль.

А 18,8 г

Б 16,6 г

В 17,6 г

Г 16,8 г

• 10. Обчисліть і позначте кількість речовини ртуті, що виділиться внаслідок взаємодії меркурій(ІІ) нітрату із залізом масою 22,4 г.

А 0,35 моль

Б 0,4 моль

В 0,45 моль

Г 0,3 моль

• 11. Обчисліть і позначте масу осаду, що утвориться внаслідок взаємодії ферум(ІІ) броміду масою 75,6 г з розчином барій гідроксиду.

А 33,5 г

Б 32,5 г

В 30,5 г

Г 31,5 г

§ 28. ЗАСТОСУВАННЯ МЕТАЛІВ ТА ЇХНІХ СПЛАВІВ

Найпоширеніші метали та їхні сплави. Метали — речовини, що набули широкого застосування в промисловості й техніці завдяки своїм унікальним властивостям, зумовленим їхньою будовою. Залежно від властивостей, деякі з них використовують менше, а без деяких неможливий розвиток економіки країни.

Лужні метали натрій та калій, які добувають електролізом розплавів солей, лугів або оксидів цих металічних елементів, незважаючи на їхню високу активність, отримали промислове застосування в різних галузях. Металічні натрій та калій застосовують як каталізатори під час синтезу органічних сполук, зокрема синтетичного каучуку. За допомогою натрію в металургійній промисловості відновлюють кольорові метали, наприклад титан. Рівняння реакції:

TiCl₄ + 4Na = Ti + 4NaCl.

Крім того, натрій використовують у ядерних реакторах як теплоносій.

Літій застосовують у фотоелементах завдяки здатності перетворюватися на позитивно заряджені йони під час його освітлення.

Кальцій, як і натрій, застосовують у металургії для добування важковідновлюваних металів, наприклад хрому з його оксиду:

Цей метал використовують для виготовлення сплавів. На основі свинцю з добавкою кальцію добувають сплав, яким заливають підшипники залізничних вагонів.

Алюміній завдяки його властивостям: легкості, пластичності, електро- й теплопровідності та міцності, набув дуже широкого застосування (рис. 49).

Рис. 49. Схема застосування алюмінію

Сплави — це системи, утворені з двох або більше компонентів (металів з металами або металів з неметалами). Основою для виготовлення сплавів є залізо й алюміній, хром і мідь, магній та титан. З неметалів — бор, кремній та вуглець. Є також сплави розчини, сплави механічні суміші й сплави, у яких речовини реагують одна з одною з утворенням інтерметалідів.

Сплави розчини утворюють подібні за властивостями речовини. Різні за хімічними властивостями метали утворюють сплави механічні суміші. Сплави третього виду можуть не тільки змішуватися, а й утворювати між собою та з атомами неметалів різні сполуки.

Надтверді сплави виготовляють методом порошкової металургії. Суть методу полягає в пресуванні під високим тиском порошків металів, з подальшим їхнім спіканням. За фізичними властивостями сплави відрізняються від чистих металів міцністю, твердістю, нижчими температурами плавлення та кипіння, слабшою електро- й теплопровідністю.

Ознайомимося докладніше з найпоширенішими сплавами міді й алюмінію (кольорових металів) і заліза, що є основою чорної металургії.

Мідь та її сплави. Дізнайтеся про застосування міді та її сплавів, опрацювавши рис. 50.

Рис. 50. Схема застосування міді та її сплавів

Сплави алюмінію. Чистий алюміній не має високої міцності та твердості, тому частіше використовують його сплави. Для поліпшення механічних властивостей алюмінію добувають його сплави з міддю, магнієм і марганцем.

Найпоширеніші сплави алюмінію — це дюралюміни, силуміни й терміт.

Дюралюміни (від фр. dur — твердий; aluminium — алюміній) — сплави, що містять у своєму складі мідь (1,4-13 %), магній (0,4-2,8 %), манган (0,2-1 %), цинк (5-7 %), залізо (0,8-1,8 %), титан (0,02-0,35 %) і силіцій (0,5-6 %). Дюралюміни завдяки особливим властивостям — міцності, легкості, стійкості до корозії та теплопровідності — набули широкого застосування в авіа-, корабле- й ракетобудуванні.

Силуміни — сплави, які, крім алюмінію, мають високий вміст силіцію (3-26 %). До їхнього складу також входять магній (0,2-1,5 %), мідь (1-4 %), цинк (2-4 %), хром (0,2-0,4 %), нікель (0,8-2 %), титан (0,05-1,5 %). Їх використовують у виробництві машин для сільськогосподарських потреб, деталей багатьох приладів, коліс в авіа- й автомобілебудуванні.

Терміт — сплав алюмінію з ферум(ІІ, ІІІ) оксидом. Під час використання виділяє багато тепла, тож його застосовують для зварювання шин.

Залізо та його сплави. Чисте залізо має обмежене використання. Здебільшого застосовують сплави заліза — чавун і сталь.

Сировиною для виплавлення чавуну є залізні руди.

Пригадайте з курсу географії, що таке руди та де в Україні виявлені поклади залізних руд і розташовані металургійні заводи з переробки руди на важливі для металургії сплави.

Під час переробки залізних руд утворюються сплави заліза з вуглецем — чавун і сталь. Чавун — сплав, що містить у своєму складі 2-4 % Карбону та домішки мангану, сполук Фосфору, Силіцію та Сульфуру. Великий вміст Карбону в чавуні робить його крихким і нековким, хоча він твердіший, ніж залізо.

Сталь — сплав, у якому значно менший вміст Карбону (0,1-2 %) і домішок мангану, сполук Силіцію, Фосфору та Сульфуру. Менший вміст Карбону надає сталі більшої ковкості та пластичності. Тому її можна штампувати, прокатувати, кувати. Для поліпшення цих якостей сталь загартовують, тобто розжарену сталь швидко охолоджують. Гартована сталь значно твердіша. Водночас сталь з низьким вмістом Карбону загартовуванню не піддають. Для надання сталі певних якостей її легують, тобто додають до неї інші метали. Легувальними металами найчастіше є хром, вольфрам, нікель, ванадій, манган, молібден, меншою мірою — титан, кобальт, берилій. А з неметалів — силіцій. Застосування заліза та його сплавів подано в схемі на рис. 51.

Рис. 51. Схема застосування заліза та його сплавів

Отже, кольорова та чорна металургія становлять основу економіки країни.

Відомо, що в природі є майже 70 металів, і дотепер відкривають нові метали. Однак жоден з них не може зрівнятися за масштабами виробництва та застосування з алюмінієм, міддю, залізом і сплавами, добутими на їхній основі. Водночас майже всі метали певною мірою використовують у сучасних технологіях металургійної промисловості України.

Вагомий внесок у розвиток чорної та кольорової металургії зробили українські вчені. Відомі імена вчених-хіміків, металургів. Це, зокрема, М. Мозговой, який розробляв теоретичні основи киснево-конверторного процесу; І. Францевич, який працював над створенням нових металокерамічних матеріалів, металів із заданими властивостями та сплавів; І. Бардін, який запропонував практичне поліпшення металургійного виробництва: застосування кисню в доменному процесі, киснево-конверторний метод виробництва сталі, що інтенсифікувало процес добування чавуну та сталі.

Екологія та металургія. Під час металургійного виробництва й переробки руд утворюються отруйні гази, які потрапляють в атмосферу. Це відомі вам сульфур(IV), нітроген(IV) і карбон(IV) оксиди, що спричиняють випадання кислотних дощів; карбон(ІІ) оксид отруює повітря.

Крім газів, утворюється пил, який уловлюють за допомогою спеціальних пристроїв і фільтрів. У чорній металургії використовують велику кількість води для охолодження металів. Вода забруднюється, а водоочисні споруди не завжди забезпечують її повне очищення від шкідливих домішок. Унаслідок потрапляння відпрацьованої води в природні водойми шкідливі речовини забруднюють їх. Усі ці забруднення негативно впливають на довкілля, а отже, і на здоров’я людини, ріст і розвиток рослин і тварин.

Тому найважливішим завданням металургійної промисловості є впровадження безвідходних технологій. Це дасть змогу багаторазово використовувати відходи та здешевити виробництво багатьох продуктів промисловості. Прикладом безвідходної технології може бути використання сульфур(IV) оксиду для виробництва сульфатної кислоти.

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Метали — речовини, що набули широкого застосування в промисловості й техніці завдяки своїм унікальним властивостям.

• Натрій та калій застосовують як каталізатори під час виробництва синтетичного каучуку, натрій — як теплоносій у ядерних реакторах; літій — у фотоелементах.

• Кальцій, як і натрій, — для добування важковідновлюваних металів і виготовлення сплавів у металургії.

• Сплави — системи з двох або більше компонентів (металів з металами або металів з неметалами).

• Алюміній утворює сплави: дюралюміни, силуміни й терміт. Дюралюміни застосовують в авіа-, корабле- й ракетобудуванні; силуміни — у виробництві машин для сільськогосподарських потреб, деталей багатьох приладів і коліс, авіа- й автомобілебудуванні; терміт — для зварювання шин.

• Мідь — як конструкційний матеріал, для виготовлення апаратури, електропроводів, речей домашнього вжитку, інструментів, художніх виробів, а також для добування її сплавів — латуні та різних видів бронзи.

• Латунь використовують у військовій та ювелірній справі, суднобудуванні, для виробництва труб, конденсаторів і радіаторів. З бронзи виробляють деталі для авіадвигунів і турбін, підшипників і пружин, побутові вироби, посуд.

• Залізо та його сплави — незамінні матеріали для промислових і житлових будівель, виробництва залізобетону та конструкцій мостів. Їх застосовують у машинобудуванні, як покрівельну жерсть, виготовляють інструменти та побутові вироби.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

А 1s 2 2s 2 2p 5

Б 1s 2 2s 2 2p 6 3s 1

В 1s 2 2s 2 2p 4

Г 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2

• 2. Позначте назву елемента, атом якого має електронну формулу 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 1 .

А Калій

Б Натрій

В Кальцій

Г Магній

• 3. Укажіть послідовність реакцій для добування алюміній оксиду за наявності алюмінію, хлоридної кислоти, натрій гідроксиду та потрібного обладнання.

• 4. Обчисліть і позначте об’єм водню (н. у.), що виділиться внаслідок взаємодії алюмінію з хлоридною кислотою, що містить HCl масою 7,3 г.

А 2,16 л

Б 2,14 л

В 2,24 л

Г 2,42 л

• 5. Обчисліть і позначте маси алюмінію та ферум(ІІІ) оксиду, що вступили в реакцію алюмотермії, якщо відновилося залізо масою 22,4 г.

А 13,2 г Al та 30,4 г Fe₂O₃

Б 10,4 г Al та 32,8 г Fe₂O₃

В 10,8 г Al та 32,0 г Fe₂O₃

Г 12,6 г Al та 34,8 г Fe₂O₃

• 6. Обчисліть і позначте маси продуктів реакції, що утворилися внаслідок взаємодії ферум(ІІ) хлориду з аргентум(І) нітратом масою 17 г.

А 18,0 г Fe(NO₃)₂ та 14,35 г AgCl

Б 18,5 г Fe(NO₃)₂ та 13,35 г AgCl

В 18,2 г Fe(NO₃)₂ та 12,35 г AgCl

Г 18,7 г Fe(NO₃)₂ та 11,35 г AgCl

• 7. Складіть коротку розповідь про застосування металів та їхніх сплавів.

ЦІКАВО ЗНАТИ