Понятие валентности сыграло в истории химии большую роль, прояснив, каким образом, в каких соотношениях и почему атомы разных химических элементов могут соединяться друг с другом. В случае простейших неорганических и органических соединений теория работала. Однако со временем, как это обычно и бывает в науке, накапливались сведения, которые постепенно заставили химиков отказаться от понятия валентности как универсального способа для описания строения вещества.
Прежде всего, оказалось, что многие элементы, в отличие от водорода и кислорода, могут иметь не одну, а несколько валентностей, так что водород и кислород скорее исключения. Но с этой трудностью довольно легко справились ещё в XIX веке, приписав ряду элементов несколько возможных валентностей.
В результате стало понятно, почему некоторые вещества, образованные всего двумя элементами, могут так сильно отличаться по составу. Например, в одном из оксидов железа (то есть в соединении железа и кислорода) на одну массовую часть железа приходится примерно 0,3 массовые части кислорода, а в другом оксиде — вдвое больше.
Выяснилось, что железо в этих оксидах имеет разную валентность: в оксиде FeO железо двухвалентно, а в оксиде Fe2О3 — трёхвалентно.
Был известен также оксид железа Fe3О4. Какая же в нём валентность железа?
Если кислород двухвалентен, то получается, что валентность железа 2-4/3 = 8/3! Как такое может быть?
Проблему решили, когда было доказано, что в этом оксиде один атом железа двухвалентен, а два — трёхвалентны, то есть формулу этого оксида можно представить в виде FeO Fe2О3. Аналогично была решена проблема со свинцовым суриком, состав которого отвечает формуле Рb3О4.
Но атомы свинца трёхвалентными не бывают. В данном случае оказалось, что два атома свинца двухвалентны (как в РbО), а один — четырёхвалентен (как в РbО2), так что формулу свинцового сурика можно представить в виде 2РbО РbО2.
Многовалентными могут быть и металлы, и неметаллы. Так, йод в соединениях с фтором может быть одновалентным (IF), трёхвалентным (IF3), пятивалентными (IF5) и семивалентным (IF7), то есть проявлять четыре разные валентности, тогда как фтор всегда одновалентен.
Металл молибден в соединениях с галогенами может проявлять валентности 2, 3,4, 5 и 6. Разная валентность у атомов данного элемента — скорее правило, чем исключение. Такое свойство весьма обогащает химию.
Например, углерод с кислородом образует два газа — угарный СО и углекислый СО2, и понятно, что валентность углерода в этих соединениях разная. Сера с кислородом тоже образует по крайней мере два соединения — сернистый газ SО2 и серный ангидрид SО3, в которых сера, как нетрудно догадаться, имеет валентность соответственно 4 и 6. Существование разнообразных оксидов марганца (МnО, Мn2О3, Мn3О4, МnО2, Мn2О7 и др.) показывает, что марганец может иметь несколько разных валентностей.
Валентность в названиях веществ часто обозначают римскими цифрами — в скобках после символа или названия элемента. Химик может назвать вещество FeO оксидом железа (II), а вещество Fe2О3 — оксидом железа (III). И поскольку кислород образует соединения со значительно большим числом элементов, чем водород, химики чаще всего устанавливали валентности элементов именно по их соединениям с кислородом.
Когда химики изучили сложные органические соединения, оказалось, что атомы углерода в них, как и в молекуле метана, практически всегда четырёхвалентны. Четырёхвалентность атомов углерода сыграла огромную роль в истории органической химии; это свойство исключительно важно также для всего живого, поскольку химия органических соединений — это в подавляющем большинстве случаев химия углерода.
Как же объясняется определённая валентность элемента? Оказывается, это связано со строением атомов, вернее, их внешних (то есть наиболее далёких от ядра) электронных оболочек.
Строение этих оболочек у разных атомов разное, поэтому отличается и их валентность.
Именно благодаря электронам атомы могут связываться друг с другом в определённых соотношениях.
Каким же образом электроны осуществляют химическую связь, то есть связывают атомы друг с другом? Химическая связь бывает разной, и её тип зависит от строения электронных оболочек реагирующих атомов.
Известно, что металлический натрий бурно (с пламенем) реагирует с хлором, образуя хлорид натрия NaCl (поваренную соль). Как происходит образование этого вещества?
Рассмотрим изолированный атом натрия. У него 11 электронов, расположенных на трёх электронных оболочках.
На самой близкой к ядру находятся 2 электрона. Дальше — 8 электронов.
По этой же причине натрий находится в 1 — й группе периодической системы. Электронную оболочку, на которой расположен этот «дальний» электрон, называют валентной, а находящийся на ней электрон (или электроны, если их несколько) — валентными электронами.
Одной из важных в изучении школьных тем является курс, касающийся валентности. Об этом пойдет речь в статье.
Валентность – что это такое?
Валентность в химии означает свойство атомов химического элемента привязывать к себе атомы другого элемента. В переводе с латыни – сила. Выражается она в числах. Например, валентность водорода всегда будет равняться единице. Если взять формулу воды – Н2О, ее можно представить в виде Н – О – Н. Один атом кислорода смог связать с собой два атома водорода. Значит, количество связей, которые создает кислород, равно двум. И валентность этого элемента будет равняться двум.
В свою очередь, водород будет двухвалентным. Его атом может быть соединен только с одним атомом химического элемента. В данном случае с кислородом. Говоря точнее, атомы в зависимости от валентности элемента, образуют пары электронов. Сколько таких пар образовано – таковой и будет валентность. Числовое значение именуется индексом. У кислорода индекс 2.
Как определить валентность химических элементов по таблице Дмитрия Менделеева
Посмотрев на таблицу элементов Менделеева, можно заметить вертикальные ряды. Их называют группами элементов. От группы зависит и валентность. Элементы первой группы имеют первую валентность. Второй – вторую. Третьей – третью. И так далее.
Есть также элементы с постоянным индексом валентности. Например, водород, группа галогенов, серебро и так далее. Их необходимо выучить обязательно.
Как определить валентность химических элементов по формулам?
Иногда сложно определить по таблице Менделеева валентность. Тогда нужно смотреть конкретную химическую формулу. Возьмем оксид FeO. Здесь и у железа, как у кислорода, индекс валентности будет равняться двум. А вот в оксиде Fe2O3 – по-другому. Железо будет трехвалентным.
Нужно помнить всегда разные способы определения валентности и не забывать их. Знать постоянные ее числовые значения. У каких элементов они есть. И, конечно, пользоваться таблицей химических элементов. А также изучать отдельные химические формулы. Лучше представлять их в схематическом виде: Н – О – Н, например. Тогда видны связи. И количество черточек (тире) будет числовым значением валентности.
На уроках химии вы уже познакомились с понятием валентности химических элементов. Мы собрали в одном месте всю полезную информацию по этому вопросу. Используйте ее, когда будете готовиться к ГИА и ЕГЭ.
Валентность и химический анализ
Валентность – способность атомов химических элементов вступать в химические соединения с атомами других элементов. Другими словами, это способность атома образовывать определенное число химических связей с другими атомами.
С латыни слово «валентность» переводится как «сила, способность». Очень верное название, правда?
Понятие «валентность» - одно из основных в химии. Было введено еще до того, как ученым стало известно строение атома (в далеком 1853 году). Поэтому по мере изучения строения атома пережило некоторые изменения.
Так, с точки зрения электронной теории валентность напрямую связана с числом внешних электронов атома элемента. Это значит, что под «валентностью» подразумевают число электронных пар, которыми атом связан с другими атомами.
Зная это, ученые смогли описать природу химической связи. Она заключается в том, что пара атомов вещества делит между собой пару валентных электронов.
Вы спросите, как же химики 19 века смогли описать валентность еще тогда, когда считали, что мельче атома частиц не бывает? Нельзя сказать, что это было так уж просто – они опирались на химический анализ.
Путем химического анализа ученые прошлого определяли состав химического соединения: сколько атомов различных элементов содержится в молекуле рассматриваемого вещества. Для этого нужно было определить, какова точная масса каждого элемента в образце чистого (без примесей) вещества.
Правда, метод этот не без изъянов. Потому что определить подобным образом валентность элемента можно только в его простом соединении со всегда одновалентным водородом (гидрид) или всегда двухвалентным кислородом (оксид). К примеру, валентность азота в NH 3 – III, поскольку один атом водорода связан с тремя атомами азота. А валентность углерода в метане (СН 4), по тому же принципу, – IV.
Этот метод для определения валентности годится только для простых веществ. А вот в кислотах таким образом мы можем только определить валентность соединений вроде кислотных остатков, но не всех элементов (кроме известной нам валентности водорода) по отдельности.
Как вы уже обратили внимание, обозначается валентность римскими цифрами.
Валентность и кислоты
Поскольку валентность водорода остается неизменной и хорошо вам известна, вы легко сможете определить и валентность кислотного остатка. Так, к примеру, в H 2 SO 3 валентность SO 3 – I, в HСlO 3 валентность СlO 3 – I.
Аналогчиным образом, если известна валентность кислотного остатка, несложно записать правильную формулу кислоты: NO 2 (I) – HNO 2 , S 4 O 6 (II) – H 2 S 4 O 6 .
Валентность и формулы
Понятие валентности имеет смысл только для веществ молекулярной природы и не слишком подходит для описания химических связей в соединениях кластерной, ионной, кристаллической природы и т.п.
Индексы в молекулярных формулах веществ отражают количество атомов элементов, которые входят в их состав. Правильно расставить индексы помогает знание валентности элементов. Таким же образом, глядя на молекулярную формулу и индексы, вы можете назвать валентности входящих в состав элементов.
Вы выполняете такие задания на уроках химии в школе. Например, имея химическую формулу вещества, в котором известна валентность одного из элементов, можно легко определить валентность другого элемента.
Для этого нужно только запомнить, что в веществе молекулярной природы число валентностей обоих элементов равны. Поэтому используйте наименьшее общее кратное (соответсвует числу свободных валентностей, необходимых для соединения), чтобы определить неизвестную вам валентность элемента.
Чтобы было понятно, возьмем формулу оксида железа Fe 2 O 3 . Здесь в образовании химической связи участвуют два атома железа с валентностью III и 3 атома кислорода с валентностью II. Наименьшим общим кратным для них является 6.
- Пример: у вас есть формулы Mn 2 O 7 . Вам известна валентность кислорода, легко вычислить, что наименьше общее кратное – 14, откуда валентность Mn – VII.
Аналогичным образом можно поступить и наоборот: записать правильную химическую формулу вещества, зная валентности входящих в него элементов.
- Пример: чтобы правильно записать формулу оксида фосфора, учтем валентность кислорода (II) и фосфора (V). Значит, наименьшее общее кратное для Р и О – 10. Следовательно, формула имеет следующий вид: Р 2 О 5 .
Хорошо зная свойства элементов, которые они проявляют в различных соединениях, можно определить их валентность даже по внешнему виду таких соединений.
Например: оксиды меди имеют красную (Cu 2 O) и черную (CuО) окраску. Гидроксиды меди окрашены в желтый (CuОН) и синий (Cu(ОН) 2) цвета.
А чтобы ковалентные связи в веществах стали для вас более наглядными и понятными, напишите их структурные формулы. Черточки между элементами изображают возникающие между их атомами связи (валентности):
Характеристики валентности
Сегодня определение валентности элементов базируется на знаниях о строении внешних электронных оболочек их атомов.
Валентность может быть:
- постоянной (металлы главных подгрупп);
- переменной (неметаллы и металлы побочных групп):
- высшая валентность;
- низшая валентность.
Постоянной в различных химических соединениях остается:
- валентность водорода, натрия, калия, фтора (I);
- валентность кислорода, магния, кальция, цинка (II);
- валентность алюминия (III).
А вот валентность железа и меди, брома и хлора, а также многих других элементов изменяется, когда они образуют различные химические соедения.
Валентность и электронная теория
В рамках электронной теории валентность атома определеяется на основании числа непарных электронов, которые участвуют в образовании электронных пар с электронами других атомов.
В образовании химических связей участвуют только электроны, находящиеся на внешней оболочке атома. Поэтому максимальная валентность химического элемента – это число электронов во внешней электронной оболочке его атома.
Понятие валентности тесно связано с Периодическим законом, открытым Д. И. Менделеевым. Если вы внимательно посмотрите на таблицу Менделеева, легко сможете заметить: положение элемента в перодической системе и его валентность неравзрывно связаны. Высшая валентность элементов, которые относятся к одной и тоже группе, соответсвует порядковому номеру группы в периодичнеской системе.
Низшую валентность вы узнаете, когда от числа групп в таблице Менделеева (их восемь) отнимете номер группы элемента, который вас интересует.
Например, валентность многих металлов совпадает с номерами групп в таблице периодических элементов, к которым они относятся.
Таблица валентности химических элементов
|
Порядковый номер хим. элемента (атомный номер) |
Наименование |
Химический символ |
Валентность |
| 1 | Водород / Hydrogen Гелий / Helium Литий / Lithium Бериллий / Beryllium Углерод / Carbon Азот / Nitrogen Кислород / Oxygen Фтор / Fluorine Неон / Neon Натрий / Sodium Магний / Magnesium Алюминий / Aluminum Кремний / Silicon Фосфор / Phosphorus Сера / Sulfur Хлор / Chlorine Аргон / Argon Калий / Potassium Кальций / Calcium Скандий / Scandium Титан / Titanium Ванадий / Vanadium Хром / Chromium Марганец / Manganese Железо / Iron Кобальт / Cobalt Никель / Nickel Медь / Copper Цинк / Zinc Галлий / Gallium Германий /Germanium Мышьяк / Arsenic Селен / Selenium Бром / Bromine Криптон / Krypton Рубидий / Rubidium Стронций / Strontium Иттрий / Yttrium Цирконий / Zirconium Ниобий / Niobium Молибден / Molybdenum Технеций / Technetium Рутений / Ruthenium Родий / Rhodium Палладий / Palladium Серебро / Silver Кадмий / Cadmium Индий / Indium Олово / Tin Сурьма / Antimony Теллур / Tellurium Иод / Iodine Ксенон / Xenon Цезий / Cesium Барий / Barium Лантан / Lanthanum Церий / Cerium Празеодим / Praseodymium Неодим / Neodymium Прометий / Promethium Самарий / Samarium Европий / Europium Гадолиний / Gadolinium Тербий / Terbium Диспрозий / Dysprosium Гольмий / Holmium Эрбий / Erbium Тулий / Thulium Иттербий / Ytterbium Лютеций / Lutetium Гафний / Hafnium Тантал / Tantalum Вольфрам / Tungsten Рений / Rhenium Осмий / Osmium Иридий / Iridium Платина / Platinum Золото / Gold Ртуть / Mercury Талий / Thallium Свинец / Lead Висмут / Bismuth Полоний / Polonium Астат / Astatine Радон / Radon Франций / Francium Радий / Radium Актиний / Actinium Торий / Thorium Проактиний / Protactinium Уран / Uranium |
H | I (I), II, III, IV, V I, (II), III, (IV), V, VII II, (III), IV, VI, VII II, III, (IV), VI (I), II, (III), (IV) I, (III), (IV), V (II), (III), IV (II), III, (IV), V (II), III, (IV), (V), VI (II), III, IV, (VI), (VII), VIII (II), (III), IV, (VI) I, (III), (IV), V, VII (II), (III), (IV), (V), VI (I), II, (III), IV, (V), VI, VII (II), III, IV, VI, VIII (I), (II), III, IV, VI (I), II, (III), IV, VI (II), III, (IV), (V) Нет данных Нет данных (II), III, IV, (V), VI |
В скобках даны те валентности, которые обладающие ими элементы проявляют редко.
Валентность и степень окисления
Так, говоря о степени окисления, подразумевают, что атом в веществе ионной (что важно) природы имеет некий условный заряд. И если валентность – это нейтральная характеристика, то степень окисления может быть отрицательной, положительной или равной нулю.
Интересно, что для атома одного и того же элемента, в зависимости от элементов, с которыми он образует химическое соединение, валентность и степень окисления могут совпадать (Н 2 О, СН 4 и др.) и различаться (Н 2 О 2 , HNO 3).
Заключение
Углубляя свои знания о строении атомов, вы глубже и подробнее узнаете и валентность. Эта характеристика химических элементов не является исчерпывающей. Но у нее большое прикладное значение. В чем вы сами не раз убедились, решая задачи и проводя химические опыты на уроках.
Эта статья создана, чтобы помочь вам систематизировать свои знания о валентности. А также напомнить, как можно ее определить и где валентность находит применение.
Надеемся, этот материал окажется для вас полезным при подготовке домашних заданий и самоподготовке к контрольным и экзаменам.
blog.сайт, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.
Валентность – способность элементов присоединять к себе другие элементы.
Говоря простым языком, это число, показывающее, сколько элементов может присоединить к себе определённый атом.
Ключевым моментом в химии является правильная запись формул соединений.
Существуют несколько правил, которые облегчают нам правильное составление формул.
- Валентность всех металлов главных подгрупп равна номеру группы:
На рисунке представлен пример главной и побочной подгруппы I группы.
2. Валентность кислорода равна двум
3. Валентность водорода равна одному
4. Неметаллы проявляют два типа валентности:
- Низшую (8-№ группы)
- Высшую (равна № группы)
А) В соединениях с металлами, неметаллы проявляют низшую валентность!
Б) В бинарных соединениях сумма валентности одного вида атомов равна сумме валентности другого вида атомов!
Валентность алюминия равна трём (алюминий -металл III группы). Валентность кислорода равна двум. Сумма валентности для двух атомов алюминия равна 6. Сумма валентности для трёх атомов кислорода равна тоже 6.
1) Определите валентности элементов в соединениях:
Валентность алюминия равна III. В формуле 1 атом => суммарная валентность тоже равна 3. Следовательно, для всех атомов хлора валентность тоже будет равна 3 (правило бинарных соединений). 3:3=1. Валентность хлора равна 1.
Валентность кислорода равна 2. В соединении 3 атома кислорода => суммарная валентность равна 6. Для двух атомов суммарная валентность равна 6 => для одного атома железа — 3 (6:2=3)
2) Составьте формулы соединения, состоящего из:
натрия и кислорода
Валентность кислорода равна II.
Натрий-металл первой группы главной подгруппы => его валентность равна I.
ЖЕЛЕЗО (лат. Ferrum), Fe, химический элемент VIII группы периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s 2 p 6 d 6 4s 2 . Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.
В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят, кроме железа, также кобальт (Co) и никель (Ni) . Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.
Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe 2+ 0,080 нм, иона Fe 3+ 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.
Железо высокой чистоты это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механичской обработки.
Физические и химические свойства: при температурах от комнатной и до 917°C, а также в интервале температур 1394-1535°C существует -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394°C устойчиво -Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769°C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917°C, рассматривают как модификацию железа, а -Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535°C), называют по традиции -Fe (представления о существовании четырех модификаций железа возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535°C, температура кипения 2750°C, плотность 7,87 г/см 3 . Стандартный потенциал пары Fe 2+ /Fe 0 0,447В, пары Fe 3+ /Fe 2+ +0,771В.
При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой 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, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe 2 О 3 ·xН 2 О.
С кислородом (O) железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe 2 О 3 , при сгорании в чистом кислороде оксид Fe 3 О 4 . Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы (S) и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.
Железо при нагревании реагирует с галогенами . Так как FeF 3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора (F) до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl 3 . Если взаимодействие железа и брома (Br) протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr 3 . При нагревании FeСl 3 и, особенно, FeBr 3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода (I) образуется иодид Fe 3 I 8 .
При нагревании железо реагирует с азотом (N) , образуя нитрид железа Fe 3 N, с фосфором (P) , образуя фосфиды FeP, Fe 2 P и Fe 3 P, с углеродом (C) , образуя карбид Fe 3 C, с кремнием (Si) , образуя несколько силицидов, например, FeSi.
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO) 5 . Известны также карбонилы железа составов Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12 . Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава .
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.
С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН) 2 . Оксид железа (III) Fe 2 O 3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН) 2 , основание Fe(ОН) 3 , которое реагирует с кислотами:
2Fe(ОН) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Гидроксид железа (III) Fe(ОН) 3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Fe(ОН) 3 + КОН = К
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH) 3 .
Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
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 О.
Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO 4) 2 железокалиевые квасцы, (NH 4)Fe(SO 4) 2 железоаммонийные квасцы и т.д.
При действии газообразного хлора (Cl) или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) ферраты, например, феррат (VI) калия (K) : K 2 FeO 4 . Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).
Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe 3+ с тиоцианат-ионами CNS . При взаимодействии ионов Fe 3+ с анионами CNS образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS) 3 . Другим реактивом на ионы Fe 3+ служит гексацианоферрат (II) калия (K) : K 4 (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe 3+ и 4 выпадает ярко-синий осадок.
Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия (K) K 3 , ранее называвшегося красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe 3+ и 3 выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe 3+ и 4 .
Сплавы железа с углеродом: железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом (C) различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0.8-1 %).
Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию нагреванию при температуре около 1000°C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород (O) или воздух, обогащенный кислородом (O)). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CО = 2Fe + 3CO 2
возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом (C) и стекает вниз.
Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие клетку и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун это твердый раствор углерода (C) в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.
Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.
Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.
Если содержание углерода (C) в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома (Cr) , никеля (Ni) , молибдена (Mo) , кобальта (Co) и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).
Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода (C) в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод (C) выгорает.
Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.
Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.
История получения железа: железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тысячелетии до нашей эры. Период с 9 7 века до нашей эры, когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку. Усовершенствование способов дутия (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи - домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.
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, Fe 2 O 3 ; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe 3 О 4 ; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO 2 ·n H 2 O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО 3 ; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS 2 (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.
Применение железа, его сплавов и соединений: чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа чугун и сталь составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.
Биологическая роль: 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.
Loading...