Хімічний елемент ферум Fe; ступені окиснення (+III), (+II) і (+VI). Залізо – метал, відомий з глибокої давнини ( “залізний вік”, початок якого відноситься до першого тисячоліття до н.е.).

Поширення феруму в природі. Ферум – четвертий елемент за поширенністю на Землі і найбільш поширений з важких металів. Існує гіпотеза, що земне ядро ​​складається зі сплаву феруму з ніколем. В природі ферум знаходиться у зв’язаному вигляді: входить до складу гірських порід, а також міститься в живих організмах. Тільки метеорити являють собою самородне залізо. До складу вод мінеральних джерел входять ферум(II) сульфат FeSO₄ і ферум(II) гідрокарбонат Fe(HCO₃)₂; вміст феруму в воді може досягати 100 мг/дм³.

Мінерали феруму:

Оксиди: магнетит (магнітний залізняк) (Fe^IIFe^III₂)O₄; гематит (червоний залізняк) Fe₂O₃; лимоніт (бурий залізняк) Fe₂O₃*nH₂O.

Карбонат: сидерит (залізний шпат) FeCO₃.

Сульфіди: пірит (залізний колчедан, сірчаний колчедан) FeS₂; піротин (магнітний колчедан) Fe_0,877S.

Силікати: олівін (Mg, Fe)₂SiO₄ і ін.

Фізіологічна дія феруму. Сполуки феруму життєво важливі для всіх організмів. При нестачі феруму рослини не утворюють хлорофілу, втрачають можливість асимілювати CO₂ і хворіють хлорозом. В тваринних організмах гемоглобін – ферумвмісний червоний пігмент крові – здійснює транспорт оксигену від органів дихання до тканин, бере участь в перенесенні карбон діоксиду від тканин до органів дихання.

Ферменти – цитохроми, каталаза і пероксидаза, містять сполуки феруму.

В організмі дорослої людини міститься 4-5 г. феруму, з них 65% Fe знаходиться в крові. За допомогою ферумвмісного білка феритину ферум накопичується в печінці, кістковому мозку і селезінці. Плазма крові, молоко і яєчний білок містять складний білок трансферин, який бере участь в перенесенні іонів ферум(III).

Отримання феруму (заліза).

1. Відновлення оксидів феруму алюмінієм (термітний спосіб) або воднем:

Fe₂O₃ + 2Al = 2Fe + Al₂O₃

Fe₂O₃ + 2H₂ = 2Fe + 3H₂O

2. Термічне розкладання ферум пентакарбонілу:

[Fe(CO)₅] = Fe + 5CO

Фізичні властивості заліза. Сріблясто-білий, пластичний, відносно м’який метал. Розм’якшується при червоному калі і в цьому стані добре піддається зварюванню, прокатці і куванню. При температурі нижче 768*С залізо має феромагнітні властивості, але не має залишкового магнетизму, тобто, при видаленні магнітного поля залізо перестає проявляти магнітні властивості.

Хімічні властивості феруму (заліза). У вологому повітрі залізо окислюється (іржавіє), при цьому утворюються (Fe^IIFe^III₂)O4 і FeO(OH). Через пухкість іржі залізо не захищене від подальшого окиснення. При прожарюванні заліза на повітрі з’являється шар окалини (Fe^IIFe^III₂)O₄. З розведеними кислотами-неокиснювачами утворюються солі феруму(II); в концентрованій нітратній кислоті поверхня заліза пассивируется, але при кип’ятінні залізо переходить в розчин з виділенням нітрозних газів (головним чином NO₂) і утворенням ферум(III) нітрату. Залізо не розчиняється в охолоджених розчинах лугів, але при кип’ятінні в лужних розчинах поверхневий шар заліза руйнується і метал забарвлюється в чорно-бурий колір.

Застосування феруму (заліза). Чисте залізо йде на виготовлення сердечників трансформаторів і електромагнітів, а також використовується у виробництві спеціальних сплавів.

Захист заліза від корозії.

1. Нанесення металевих покриттів методами гальванічного нікелювання, цинкування, кадміювання, лудіння і хромування, а також гарячого цинкування і лудіння шляхом занурення виробів в розплавлений метал.
2. Нанесення неметалевих покриттів з використанням емалей, лаків, масел і жирів.
3. Створення захисних шарів при короткочасному і м’якому окисненні, наприклад формування чорно-бурого шару (Fe^IIFe^III₂)O₄ при кип’ятінні в лужному розчині нітритів або шару ферум(III) ортофосфату при фосфатуванні шляхом занурення виробу в розчини цинк(II) дигідрофосфату або манган(II) дигідрофосфату, що містять різні добавки (нітрити та ін.).
4. Електрохімічний протекторний захист від корозії з застосуванням протекторних анодів з цинку або магнію – використовується для захисту корпусів суден, трубопроводів нафтопродуктів та ін.

Сполуки феруму

Сполуки феруму(II), у вигляді кристалогідратів мають зелений колір, на повітрі легко переходять, особливо в лужному середовищі, в сполуки ферум(III), забарвлені в жовтий колір. Перехід ферум(II) в ферум(III) прискорюється такими окиснювачами, як гідроген пероксид і гаряча нітратна кислота. Навпаки, сполуки ферум(III) важко відновлюються до сполук ферум(II). Реакцію відновлення можна провести при струшуванні розчину солі ферум(III) з дрібною залізною тирсою, наприклад:

2FeCl₃ + Fe = 3FeCl₂

Сполуки ферум(VI), наприклад червоний барій феррат BaFeO₄ – дуже нестійкі (сильні окислювачі).

Ферум оксиди

Ферум(II) оксид FeO – чорний порошок.

Диферум(III)-ферум(II) оксид (Fe^IIFe^III₂)O₄ зустрічається в природі як мінерал магнетит, утворюється як окалина при куванні заліза, є продуктом згоряння залізної тирси на повітрі; штучно утворюється на поверхні сталевих предметів при спеціальному окисненні сталі (чорніння сталі, вороніння сталі). Зола бурого вугілля (на ТЕЦ) містить до 8% магнетиту, який може бути відділений магнітною сепарацією і використаний в чорній металургії.

Ферум(III) оксид Fe₂O₃ – червоно-коричневий порошок, великі кристали Fe₂O₃ мають забарвлення від сірого до чорного, температура плавлення 1565*С. В природі Fe₂O₃ зустрічається у вигляді мінералу гематиту. Ферум(III) оксид розчиняється при дії кислот з великим виділенням теплоти. Використовується Fe₂O₃ в термитному зварюванні, як засіб для полірування матеріалу для сталей і скла, як барвник (залізний сурик). Поліморфну модифікацію γ-Fe₂O₃ використовували для виготовлення носіїв інформації – звуку і зображення в магнітних стрічках.

Ферити – це подвійні оксиди складного складу, які обов’язково містять ферум(III); таким, наприклад, подвійним оксидом є барій ферит складу BaO*6Fe₂O₃. Ферити отримують керамічним спіканням; ферити використовують як магнітні матеріали.

Ферум гідроксиди

Ферум(II) гідроксид Fe(OH)₂ утворюється в водних розчинах солей ферум(II) при додаванні лугів. За відсутності повітря має білий колір, однак на повітрі темніє внаслідок часткового окиснення ферум(II) до ферум(III). В водних розчинах солей ферум(III) утворюється іржаво-коричневий осад полігідрат Fe₂O₃*nH₂O; за певних умов можна отримати ферум(III) метагідроксид FeO(OH) (ферум(III) гідроксид Fe(OH)₃ не існує). В надлишку розчину лугів ферум гідроксиди практично не розчиняються.

Ферум пентакарбоніл [Fe(CO)₅] – світло-жовта горюча рідина, з температурою плавлення 103*С. Утворюється при підвищеній температурі і підвищеному тиску з тонкодисперсного заліза і карбон(II) оксиду, по при більш високій температурі розкладається. Отруйний.

Ціанокомплекси феруму

Калій гексаціаноферат(II) K₄[Fe(CN)₆] (жовта кров’яна сіль) існує у вигляді кристалогідрату K₄[Fe(CN)₆]*3H₂O; забарвлений в жовтий колір, розчинний у воді. Утворюється з відпрацьованої маси на газоочисних заводах або з відходів ціанамідного виробництва (відпрацьований ціанідний розплав). Застосовують для приготування червоної кров’яної солі і берлінської лазурі.

Калій гексаціаноферат(III) (червона кров’яна сіль) K₃[Fe(CN)₆] – червоні кристали, розчиняються у воді з утворенням жовто-зеленого розчину. Утворюється при обробці калій гексаціаноферату(II) газоподібним хлором. Застосовують як відбілювач в кольоровій фотографії і як послаблювач в чорно-білій фотографії, червона кров’яна сіль переводить дрібнодисперсне срібло в сіль – аргентум(I) гексаціаноферат(II) Ag[Fe(CN)₆], який легко розчиняється в розчині натрій тіосульфату (в фіксажних ваннах).

Берлінська лазур, або турнбулева синь, утворюється в розчинах солей феруму(II) при додаванні червоної кров’яної солі або з розчинів солей феруму(III) при додаванні жовтої кров’яної солі. Склад берлінської лазурі залежить від умов осадження і змінюється від Fe^III₄[Fe^II(CN)₆]₃ до KFe^III[Fe^II(CN)₆]. Берлінську лазур застосовують як синій пігмент.

Натрій нітропрусид (натрій пентаціанонітрозілійферат(II)) Na₂[Fe(NO)⁺(CN)₅] – темно-червоний кристалогідрат, гідратований двома молекулами води, добре розчиняється у воді. Утворюється з калій гексаціаноферату(II), нітратної кислоти і натрій карбонату.

Натрій нітропрусид застосовують як засіб для виявлення розчинених сульфідів (фіолетове забарвлення).

Прусиди – це група комплексних сполук феруму, що містить у внутрішній сфері п’ять ціанолігандів і один інший ліганд.

Ферум(II) сульфат FeSO₄ кристалізується з сімома молекулами води. Кристалогідрат FeSO₄*7H₂O (залізний купорос) – зелені кристали, розчинні у воді, окислюються на повітрі. Застосовують як пестицид і консервант деревини, як компонент електролітів в гальванотехніці, лікарський засіб, м’який відновник, пігмент, джерело отримання інших сполук феруму.

Більш стійкий на повітрі подвійний сульфат феруму, який називають Сіль Мора:

Fe(NH₄)₂(SO₄)₂*6H₂O або (NH₄)₂SO₄*[Fe(H₂O)₆]SO₄

Ферум(II) сульфід FeS утворюється у вигляді чорного осаду в розчинах солей ферум(II) при додаванні розчину амоній сульфіду: FeS можна синтезувати безпосередньо з простих речовин (Fe + S = FeS).Ферум(II) сульфід застосовують в лабораторії для отримання гідроген сульфіду:

FeS + H₂SO₄ (розб.) = FeSO₄ + H₂S

Як реагент можна використовувати 20% хлоридну кислоту (але не кислоти-окиснювачі).

Ферум(III) хлорид FeCl₃ кристалізується з водного розчину у вигляді жовтої гігроскопічної маси складу FeCl₃*6H₂O. Ферум(III) хлорид застосовують для травлення поверхні мідних пластин в гальванопластиці

2FeCl₃ + Cu = 2FeCl₂ + CuCl₂

і як компонент кровозупиняючих засобів.

Ферум(III) тіоціанат Fe(NCS)₃*3H₂O утворює темно-червоний розчин, є дуже слабким електролітом (ймовірний склад [Fe(H₂O)₃(NCS)₃]).

Амоній-ферум(III) cульфат Fe(NH₄)(SO₄)₂*12H₂O (ферумамнонійний галун) – безбарвні, але часто забарвлені в світло-фіолетовий колір (домішки сполук мангану) кристали. Розчиняється у воді з утворенням жовтого розчину (в результаті гідролізу).

Пігменти на основі феруму:

• залізний жовтий FeO(OH);
• залізний червоний Fe₂O₃;
• залізний чорний (Fe^IIFe^III₂)O₄;
• залізний сурик – природний гематит Fe₂O₃;
• охра – природна суміш лимоніту FeO(OH), глини та ін.

Виявлення феруму.

Якісні реакції на солі ферум(III):

1. Взаємодія з калій тіоціанатом з забарвленням розчину в інтенсивно-червоний колір:

Fe³⁺ + CNS^– ⇄ [Fe(CNS)]²⁺

[Fe(CNS)]²⁺ + CNS^– ⇄ [Fe(CNS)₃]⁺ …

… [Fe(CNS)₅]^2- + CNS^– ⇄ [Fe(CNS)₆]^3-

2. Взаємодія з калій гексаціанофератом(II) з утворенням інтенсивно-синього осаду берлінської лазурі:

4Fe³⁺ + 3[Fe(CN)₆]^4- = Fe₄[Fe(CN)₆]₃

3. Взаємодія з саліциловою кислотою і її солями в амоніачному розчині, з утворенням винно-червоного забарвлення розчину.

Якісна реакція на солі ферум(II): взаємодія з калій гексаціанофератом(III) калію з утворенням інтенсивно синього осаду турнбулевої сині:

3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3- = Fe₃[Fe(CN)₆]₂

Присутність в розчині Fe²⁺ можна визначити реакцією з саліциловою кислотою або її солями в амоніачному розчині; в цьому випадку, забарвлення розчину жовте (а не винно-червоне, як у випадку з Fe³⁺).

---