Main menu

Персональный сайт учителя химии Кардаевой Татьяны Александровны Персональный сайт учителя химии Кардаевой Татьяны Александровны

ХИМИЯ – это область чудес, в ней скрыто счастье человечества,

величайшие завоевания разума будут сделаны

именно в этой области.(М. ГОРЬКИЙ)

 
  2. Главная
  3. для Ученика
  4. 9 класс
  5. Урок

Оксиды, гидроксиды и соли железа (II) и железа (III). Понятие о металлургии. Способы получения металлов. Сплавы (сталь, чугун, дюралюминий, бронза)


 

 

 

 

Данный урок посвящен изучению соединений железа: оксиды, гидроксиды и соли железа (II) и железа (III).

Также на уроке будут рассмотрены технологии производства металлов и их сплавов – металлургии. Вы познакомитесь с основными способами получения металлов в промышленности, рассмотрите этапы металлургических процессов. В ходе изучения темы учитель приведет несколько примеров металлургических производств.

I. Соединения двухвалентного железа

1. Гидроксид железа (II)

Образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

FeCl2 + 2KOH = 2KCl + Fе(OH)2↓

Fe(OH)2 - слабое основание, растворимо в сильных кислотах:

Fe(OH)2 + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O

Fe(OH)2 + 2H+ =  Fe2+ + 2H2O

Fe(OH)2 – проявляет и слабые амфотерные свойства, реагирует с концентрированными щелочами:

Fe(OH)2 + 2NaOH = Na2[Fe(OH)4] образуется соль тетрагидроксоферрат (II) натрия

При прокаливании Fe(OH)2 без доступа воздуха образуется оксид железа (II) FeO - соединение черного цвета:

Fe(OH)2  t˚C→  FeO + H2O

В присутствии кислорода воздуха белый осадок Fe(OH)2, окисляясь, буреет – образуя гидроксид железа (III) Fe(OH)3: 

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3↓

2. Соли железа (II)

Соединения железа (II) обладают восстановительными свойствами, они легко превращаются в соединения железа (III) под действием  окислителей: 

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 2NO­ + 4H2O

Соединения железа склонны к комплексообразованию: 

FeCl2 + 6NH3 = [Fe(NH3)6]Cl2

Fe(CN)2 + 4KCN = K4[Fe(CN)6] (жёлтая кровяная соль) 

Качественная реакция на Fe2+

Опыт: “Качественные реакции на железо (II)”

При действии гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] (красной кровяной соли) на растворы солей двухвалентного железа образуется синий осадок (турнбулева синь):

3Fe2+Cl2 + 3K3[Fe3+(CN)6] → 6KCl + 3KFe2+[Fe3+(CN)6]↓

(турнбулева синь – гексацианоферрат (III) железа (II)-калия)

Турнбуллева синь очень похожа по свойствам на берлинскую лазурь и тоже служила красителем.  Названа по имени одного из основателей шотландской фирмы  по производству красителей «Артур и Турнбуль».

II. Соединения трёхвалентного железа

1. Оксид железа (III)

Образуется при сжигании сульфидов железа, например, при обжиге пирита:

4FeS2 + 11O2t˚C→   2Fe2O3 + 8SO2­

или при прокаливании солей железа:

2FeSO4  t˚C→  Fe2O3 + SO2­ + SO3­

Fe2O3 - оксид красно-коричневого цвета, в незначительной степени проявляющий амфотерные свойства

Fe2O3 + 6HCl  t˚C→  2FeCl3 + 3H2O

Fe2O3 + 6H+  t˚C→  2Fe3+ + 3H2O

Fe2O3 + 2NaOH + 3H2O  t˚C→  2Na[Fe(OH)4],  образуется соль – тетрагидроксоферрат (III) натрия

Fe2O3 + 2OH- + 3H2O t˚C→   2[Fe(OH)4]-

При сплавлении с основными оксидами  или карбонатами щелочных металлов образуются ферриты:

Fe2O3 + Na2O t˚C→ 2NaFeO2

Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2

2.Гидроксид железа (III)

Образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа: выпадает в виде красно–бурого осадка

Fe(NO3)3 + 3KOH = Fe(OH)3↓ + 3KNO3

Fe3+ + 3OH- = Fe(OH)3↓

Fe(OH)3 – более слабое основание, чем гидроксид железа (II).

Это объясняется тем, что у Fe2+ меньше заряд иона и больше его радиус, чем у Fe3+, а поэтому, Fe2+ слабее удерживает гидроксид-ионы, т.е. Fe(OH)2 более легко диссоциирует.

В связи с этим соли железа (II) гидролизуются незначительно, а соли железа (III) - очень сильно.

Гидролизом объясняется и цвет растворов солей Fe(III): несмотря на то, что ион Fe3+ почти бесцветен, содержащие его растворы окрашены в жёлто-бурый цвет, что объясняется присутствием гидроксоионов железа или молекул Fe(OH)3, которые образуются благодаря гидролизу: 

Fe3+ + H2O ↔ [Fe(OH)]2+ + H+

[Fe(OH)]2+ + H2O ↔ [Fe(OH)2]+ + H+

[Fe(OH)2]+ + H2O ↔ Fe(OH)3 + H+

При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот становится более светлой вследствие подавления гидролиза.

Fe(OH)3 обладает слабо выраженной амфотерностью: он растворяется в разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:

Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + 3H+ = Fe3+ + 3H2O

Fe(OH)3 + NaOH = Na[Fe(OH)4]

Fe(OH)3 + OH- = [Fe(OH)4]-

3. Соли железа (III)

Соединения железа (III) - слабые окислители, реагируют с сильными восстановителями: 

2Fe+3Cl3 + H2S-2 = S0↓ + 2Fe+2Cl2 + 2HCl

FeCl3 + KI = I2↓ + FeCl2 + KCl 

Качественные реакции на Fe3+

Опыт: “Качественные реакции на железо (III)”

1) При действии гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок (берлинская лазурь):

4Fe3+Cl3 + 4K4[Fe2+(CN)6] → 12KCl + 4KFe3+[Fe2+(CN)6]↓

(берлинская лазурь - гексацианоферрат (II) железа (III)-калия)

Берлинская лазурь была получена случайно в начале 18 века в Берлине красильных дел мастером Дисбахом. Дисбах купил у торговца необычный поташ (карбонат калия): раствор этого поташа при добавлении солей железа получался синим. При проверке поташа оказалось, что он был прокален  с бычьей кровью. Краска оказалась подходящей для тканей: яркой, устойчивой и недорогой. Вскоре стал известен и рецепт получения краски: поташ сплавляли с высушенной кровью животных и железными опилками. Выщелачиванием такого сплава получали желтую кровяную соль. Сейчас берлинскую лазурь используют для получения печатной краски и подкрашивания полимеров.

Установлено, что берлинская лазурь и турнбулева синь – одно и то же вещество, так как комплексы, образующиеся в реакциях находятся между собой в равновесии:

KFeIII[FeII(CN)6]↔KFeII[FeIII(CN)6]

2) При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe3+ роданистого калия или аммония появляется интенсивная кроваво-красная окраска раствора роданида железа(III):

2FeCl3 + 6KCNS = 6KCl + FeIII[FeIII(CNS)6]

(при взаимодействии же с роданидами ионов Fe2+ раствор остаётся практически бесцветным).

III. Металлургия

Видео-фильм: “Производство чугуна и стали. Как делают чугун и сталь? Черная металлургия”

Фильм о технологическом процессе производства сплавов железа. Основные этапы добычи и переработки.

2. Этапы металлургического процесса

Ме­тал­лур­ги­ей на­зы­ва­ют тех­но­ло­гию про­из­вод­ства ме­тал­лов и их спла­вов.

Сы­рьем для по­лу­че­ния ме­тал­лов слу­жат руды.

Как пра­ви­ло, про­из­вод­ство ме­тал­ла про­ис­хо­дит в два ос­нов­ных этапа. Пер­вый – пред­ва­ри­тель­ная под­го­тов­ка сырья. Вто­рой – вос­ста­нов­ле­ние са­мо­го ме­тал­ла из сырья.

Рас­смот­рим по­дроб­нее эти этапы. В про­цес­се пред­ва­ри­тель­ной под­го­тов­ки сырья важ­ной ста­ди­ей яв­ля­ет­ся обо­га­ще­ние руды - уда­ле­ние при­ме­си пу­стой по­ро­ды (на­при­мер, квар­ца, по­ле­во­го шпата и др.). После обо­га­ще­ния в руде уве­ли­чи­ва­ет­ся со­дер­жа­ние по­лез­но­го ком­по­нен­та.

Чтобы очи­стить руду от пу­стой по­ро­ды, ис­поль­зу­ют фи­зи­че­ские ме­то­ды раз­де­ле­ния сме­сей ве­ществ, ос­но­ван­ные на раз­ли­чии свойств ком­по­нен­тов смеси. При обо­га­ще­нии же­лез­ной руды маг­не­тит (Fe3O4) от­де­ля­ют от пу­стой по­ро­ды с по­мо­щью маг­ни­та.

Неко­то­рые руды можно обо­га­щать с по­мо­щью ме­то­да фло­та­ции, ос­но­ван­но­го на раз­ли­чии в сма­чи­ва­е­мо­сти по­лез­но­го ком­по­нен­та руды и пу­стой по­ро­ды.

Мно­гие ме­тал­лы встре­ча­ют­ся в при­ро­де в виде суль­фид­ных руд. Тогда на пер­вом этапе такое сырье под­вер­га­ют об­жи­гу. На­при­мер, при об­жи­ге же­лез­но­го кол­че­да­на об­ра­зу­ют­ся оксид же­ле­за (II), ко­то­рый по­сту­па­ет на сле­ду­ю­щий этап про­из­вод­ства, и ди­ок­сид серы:

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

На вто­ром этапе про­во­дят окис­ли­тель­но-вос­ста­но­ви­тель­ную ре­ак­цию, в ре­зуль­та­те ко­то­рой об­ра­зу­ет­ся ме­талл. В ка­че­стве вос­ста­но­ви­те­ля ис­поль­зу­ют уголь (кокс), мо­но­ок­сид уг­ле­ро­да (СО) и во­до­род. В неко­то­рых слу­ча­ях вос­ста­нов­ле­ние про­во­дят путем элек­тро­ли­за.

Рас­смот­рим несколь­ко при­ме­ров ме­тал­лур­ги­че­ских про­из­водств. Ме­тал­лур­гию под­раз­де­ля­ют на чер­ную – про­из­вод­ство же­ле­за и его спла­вов – и цвет­ную – про­из­вод­ство осталь­ных ме­тал­лов.

3. Черная металлургия

Чер­ная ме­тал­лур­гия дол­гое время со­дер­жа­ла в себе два по­сле­до­ва­тель­ных про­из­вод­ства. Сна­ча­ла из же­лез­ной руды по­лу­ча­ли чугун, а затем из чу­гу­на – сталь. Чугун про­из­во­дят в до­мен­ных печах. Вос­ста­нов­ле­ние же­ле­за осу­ществ­ля­ет­ся уг­ле­ро­дом и мо­но­ок­си­дом уг­ле­ро­да. Суть этих пре­вра­ще­ний можно вы­ра­зить сле­ду­ю­щи­ми урав­не­ни­я­ми ре­ак­ций:

Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO

Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2

Вы­плав­ля­е­мый ме­талл на­сы­ща­ет­ся уг­ле­ро­дом и об­ра­зу­ет­ся сплав же­ле­за с уг­ле­ро­дом – чугун. Боль­шая часть про­из­ве­ден­но­го чу­гу­на ис­поль­зу­ет­ся на по­лу­че­ние стали. Сталь со­дер­жит менее 2% уг­ле­ро­да и су­ще­ствен­но мень­ше, чем в чу­гуне, при­ме­сей серы, азота и фос­фо­ра. По­это­му необ­хо­ди­мо вы­жечь уг­ле­род и при­ме­си, а окис­лен­ное же­ле­зо вос­ста­но­вить.

Дол­гое время сталь ва­ри­ли в мар­те­нов­ских печах. В на­сто­я­щее время они прак­ти­че­ски не ис­поль­зу­ют­ся из-за низ­кой про­из­во­ди­тель­но­сти. Боль­шую про­из­во­ди­тель­ность имеют кис­ло­род­ные кон­вер­те­ры и элек­тро­пе­чи.

Производство стали в кислородном конверторе

Рис. 1. Про­из­вод­ство стали в кис­ло­род­ном кон­вер­то­ре

В на­сто­я­щее время при­ме­ня­ют тех­но­ло­гию пря­мо­го вос­ста­нов­ле­ния же­ле­за из руды, минуя ста­дию по­лу­че­ния чу­гу­на. Под­го­тов­лен­ное сырье на­гре­ва­ет­ся в ат­мо­сфе­ре смеси во­до­ро­да и мо­но­ок­си­да уг­ле­ро­да. В ре­зуль­та­те об­ра­зу­ет­ся же­лез­ный по­ро­шок, из ко­то­ро­го можно по­лу­чать любой необ­хо­ди­мый сплав.

4. Цветная металлургия

Про­из­вод­ство алю­ми­ния от­но­сит­ся к цвет­ной ме­тал­лур­гии. На одном из преды­ду­щих уро­ков вы узна­ли, что со­вре­мен­ный спо­соб вос­ста­нов­ле­ния алю­ми­ния, ко­то­рый поз­во­лил по­лу­чать его в боль­ших объ­е­мах, был от­крыт в конце 19 века. До этого вре­ме­ни алю­ми­ний це­нил­ся выше, чем се­реб­ро и зо­ло­то. Этот метод за­клю­ча­ет­ся в по­лу­че­нии алю­ми­ния путем элек­тро­ли­за рас­пла­ва ок­си­да алю­ми­ния в крио­ли­те.

На пер­вом этапе дан­но­го про­из­вод­ства из руды по­лу­ча­ют чи­стый оксид алю­ми­ния. На вто­ром этапе про­во­дят вос­ста­нов­ле­ние алю­ми­ния путем элек­тро­ли­за рас­плав оксид алю­ми­ния в крио­ли­те (ко­то­рый зна­чи­тель­но по­ни­жа­ет его тем­пе­ра­ту­ру плав­ле­ния). В рас­пла­ве про­ис­хо­дит дис­со­ци­а­ция ок­си­да алю­ми­ния:

Al2O3 = 2Al3+ + 3O2-

Ионы алю­ми­ния под­хо­дят к ка­то­ду, на ко­то­ром алю­ми­ний вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся:

Al3+ + 3е = Al

А на аноде об­ра­зу­ет­ся кис­ло­род.

Про­из­вод­ство ме­тал­лов вы­зы­ва­ет много эко­ло­ги­че­ских про­блем. В ат­мо­сфе­ру при несо­блю­де­нии опре­де­лен­ных норм вы­де­ля­ют­ся ок­си­ды серы, пыль и дру­гие вред­ные при­ме­си. В на­сто­я­щее время ста­ра­ют­ся све­сти к ми­ни­му­му от­ри­ца­тель­ное вли­я­ние про­из­вод­ства на окру­жа­ю­щую среду.

Виртуальная образовательная лаборатория:“Знакомство с образцами металлов и сплавов”

Виртуальная образовательная лаборатория: “Знакомство с рудами железа”

IV. Тренажёры

Тренажёр №1 - Распознавание соединений, содержащих ион Fe (2+)

Тренажёр №2 - Распознавание соединений, содержащих ион Fe (3+)

V.Задания для закрепления

Задание №1. Осуществите превращения:
FeCl2 -> Fe(OH)2 -> FeO -> FeSO4
Fe -> Fe(NO3)3 -> Fe(OH)3 -> Fe2O3-> NaFeO2

Задание №2. Составьте уравнения реакций, при помощи которых можно получить:
а) соли железа (II) и соли железа (III);
б) гидроксид железа (II) и гидроксид железа (III);
в) оксиды железа.

ЦОРы

Опыт: “Получение гидроксида железа (II) и взаимодействие его с кислотами”

Опыт: “Качественные реакции на железо (II)”

Опыт: “Получение гидроксида железа (III) и взаимодействие его с кислотами”

Опыт: “Качественные реакции на железо (III)”

Видео-фильм: “Производство чугуна и стали. Как делают чугун и сталь? Черная металлургия”

Виртуальная образовательная лаборатория: “Знакомство с образцами металлов и сплавов”

Виртуальная образовательная лаборатория: “Знакомство с рудами железа”