У побічній підгрупі VIII групи періодичної системи елементів Д. І. Менделєєва розташовано 9 елементів у трьох горизонтальних угрупуваннях, так звані тріади. Ці родини істотно відрізняються між собою. Елементи Ферум, Кобальт і Нікол утворюють тріаду Феруму. Атоми елементів тріади Ферум мають на зовнішньому енергетичному рівні по 2 електрони, які вони віддають у хімічних реакціях.

Схема розміщення електронів по енергетичних рівнях в атомі Феруму така:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

Проте в утворенні хімічних зв’язків беруть участь і електрони 3d – орбіталей другого ззовні рівня. У своїх стійких сполуках ці елементи виявляють ступінь окиснення +2, +3, утворюють оксиди складу RO і R₂O₃, яким відповідають гідроксиди R(OH)₂ і R(OH)₃. Ферум найстійкіший у тривалентному стані. Йони Fe²⁺ сильні відновники.

Поширення у природі

Ферум – один з найпоширеніших елементів і займає друге місце після алюмінію. У земній корі його міститься 4,65% (за масою). Однак лише ¼ запасів цього металу знаходиться у вигляді покладів придатних для видобування. Незначна кількість заліза у вільному стані зустрічається в метеоритах, дуже рідко зустрічається в земній корі самородне залізо земного походження.

Основні рудні мінерали Феруму – Fe₃O₄ – магнітний залізняк (магнетит), Fe₂O₃ – червоний залізняк (гематит), 2Fe₂O₃ • 3Н₂О – бурий залізняк (лимоніт), FeСO₃ – шпатовий залізняк (сидерит), FeS₂ – пірит.

Солі Феруму (наприклад, гідроген карбонат Fe(HCO₃)₂) входять до складу мінеральної води. Ферум має велике значення в біології живих організмів. Організм дорослої людини містить біля 3 г цього елемента, 75% якого входить до складу гемоглобіну крові, входить до складу ферментів, кісткового мозку, селезінки та бере участь в утворенні хлорофілу в рослинах.

Фізичні властивості заліза

Хімічний елемент Ферум утворює просту речовину залізо. Чисте залізо – блискучий метал із сіруватим відтінком. Воно досить тверде і важке, пластичне, легко кується, прокатується в лист і витягується в дріт, намагнічується і розмагнічується, плавиться при температурі 1539ºС. Домішки можуть дуже змінювати фізичні властивості. Електропровідність його значно нижча ніж в алюмінію.

Хімічні властивості заліза та його сполук

За хімічними властивостями залізо – метал середньої активності. Чисте залізо на повітрі стійке. На практиці використовують залізо з домішками. У звичайних умовах його поверхня вкривається оксидною плівкою, але її захисні властивості невисокі. Тому залізо, особливо з домішками, у вологій атмосфері іржавіє, вкриваючись жовто-бурою плівкою, яка складається переважно з ферум(ІІІ) гідроксиду. Плівка іржі рихла, пориста і не захищає метал від руйнування, тому вироби із заліза у вологому місці можуть повністю перетворитись на іржу: 4Fe + 6H₂O + 3O₂ = 4Fe(OH)₃.

При взаємодії заліза із сильними окисниками (Cl₂, H₂SO₄(к), HNO₃) утворюються сполуки тривалентного Феруму, а з іншими – двовалентного.

1. Взаємодія з киснем

а) Нагріте до високої температури воно горить в кисні і на повітрі, перетворюючись на залізну окалину: 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄ (або FeO • Fe₂O₃);

б) при окисненні в присутності парів води утворюється Fe₂O₃: 4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃;

в) при повільному окисненні в сухому повітрі утворюється FeO: 2Fe + O₂ = 2FeO.

2. Взаємодія з неметалами

Залізо безпосередньо реагує з більшістю неметалів (галогенами, сіркою, азотом, фосфором, вуглецем та ін.). Багато з цих процесів екзотермічні, проте для початку реакції залізо треба дуже нагріти.

а) З хлором і сіркою взаємодіє при слабкому нагріванні: 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃ (ферум(ІІІ) хлорид), Fe + S = FeS (ферум(ІІ) сульфад);

б) при високій температурі з іншими неметалами: 3Fe + C = Fe₃C (карбід заліза), 2Fe + N₂ = 2FeN (ферум(ІІІ) нітрид), 2Fe + Si = Fe₂Si (ферум силіцид), 3Fe + 2P = Fe₃P₂ (ферум(ІІ) фосфід).

3. Взаємодія з водою

У розпеченому стані залізо реагує з водяною парою: 3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂, утворюючи змішаний оксид.

4. Взаємодія з кислотами

а) Під час взаємодії з хлоридною та розведеною сульфатною кислотами воно витісняє водень з утворенням солей, ступінь окислення Феруму в яких +2: Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂; Fe + H₂SO_4(P) = FeSO₄ + H₂;

б) залізо за звичайної температури не взаємодіє із концентрованою сульфатною та нітратною кислотами тому, що на поверхні утворюється нерозчинна плівка з його сполук. Тому ці кислоти можна зберігати в залізних посудинах. Розбавлена нітратна кислота на холоді розчиняє залізо: 4Fe + 10HNO₃ = 4Fe(NO₃)₂ + NH₄NO₃ + 3H₂O;

в) при нагріванні з концентрованими сульфатною і нітратною кислотами утворюються солі Fe3+ і в залежності від концентрації кислоти можуть утворитися відповідно SO₂(S), нітроген оксиди або вільний азот: 2Fe + 6H₂SO₄(к) Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O, Fe + 4HNO₃(к) Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O.

5. Взаємодія з солями

Із розчинів солей залізо легко витісняє всі метали, що стоять у ряду напруг правіше від нього, утворюючи сполуки Феруму із ступенем окиснення +2: Fe + Pb(NO₃)₂ = Fe(NO₃)₂ + Pb; Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.

6. Взаємодія з лугами

У подрібненому стані залізо взаємодіє з концентрованими розчинами гарячих лугів з утворенням комплексних солей: Fe + 2NaOH + 2H₂O = Na₂Fe(OH)₄ (тетрагідроксиферрат(ІІ) натрію) + H₂.

Добування

Чисте залізо можна добути відновленням ферум(ІІІ) оксиду воднем: Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O.

Оксиди та гідроксиди Феруму

Ферум, виявляючи ступені окислення +2 і +3 утворює два оксиди і два гідроксиди, які мають неоднакові властивості.

Характеристика оксидів Феруму

Оксиди	FeO ферум(ІІ) оксид	Fe₂O₃ ферум(ІІІ) оксид
Фізичні властивості	Чорний порошок нерозчинний у воді.	Темно-коричневий порошок нерозчинний у воді.
Хімічні властивості: а) взаємодія з кислотами;	Основний оксид. Легко розчиняється в кислотах з утворенням солей Феруму(ІІ): FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O; FeO + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂O. З нітратною кислотою утворює сіль тривалентного металу: 3FeO + 10НNO₃ = 3Fe(NO₃)₃ +NO + 5H₂O.	Слабо виражені амфотерні властивості: розчиняється у кислотах з утворенням солей Феруму(ІІІ): Fe₂O₃ + 6HCl = 2FeCl₃ + 3H₂O; Fe₂O₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3H₂O. За високої температури: 6Fe₂O₃ → 4Fe₃O₄ + О₂.
б) взаємодія з лугами.	Не взаємодіє	Під час сплавлення з лугом або карбонатами лужних металів утворюються солі метаферати(ІІ) лужних металів: Fe₂O₃ + 2NaOH = 2NaFeO₂ + H₂O; Fe₂O₃ + Na₂CO₃ = 2NaFeO₂ + CO₂.
Добування	а) розкладом ферум(ІІ) гідроксиду: Fe(OH)₂ = FeO + H₂O; б) відновленням Fe2O3 воднем або карбон(ІІ) оксидом при нагріванні: Fe₂O₃ + CO = 2FeO + CO₂; Fe₂O₃ + H₂ = 2FeO + H₂O.	розкладом ферум(ІІІ) гідроксиду: 2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O.
Гідроксиди	Fe(OH)₂ ферум(ІІ) гідроксид	Fe(OH)₃ ферум(ІІІ) гідроксид
Добування	Дією лугів на солі феруму(ІІ) утворюється білий пластівчастий осад, який змінює свій колір на синьо-зелений, а потім буріє внаслідок окислення Fe(II) до Fe(III): FeCl₂ + 2NaOH = Fe(OH)₂↓ + 2NaCl.	Дією лугів на солі феруму(ІІІ) утворюється у вигляді буро-коричневого осаду: FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓ + 3NaCl.
Хімічні властивості: а) взаємодія з кислотами	Основні властивості. Легко розчиняється у кислотах з утворенням солей Феруму(ІІ) Fe(OH)₂ + 2HCl = FeCl₂ + 2H₂O.	Слабкі амфотерні властивості, слабкіша основа за Fe(OH)₂. Легко розчиняється у кислотах з утворенням солей Феруму(ІІІ): Fe(OH)₃ + 3HCl = FeCl₃ + 3H₂O.
б) взаємодія з лугами	Свіжо добутий Fe(OH)₂ під час кип’ятіння з концентрованими лугами розчиняється: Fe(OH)₂ + 2NaOH = Na2Fe(OH)4 (тетрагідроксоферат(ІІ) натрію)	Розчиняється у концентрованих розчинах лугів з утворенням солей: Fe(OH)₃ + KOH = KFeO₂ (метаферат(ІІІ) калію) + 2H₂O; Fe(OH)₃ + NaOH ⇄ NaFe(OH)₄ (тетрагідроксоферат(ІІ) натрію). Ця сіль руйнується при змінені концентрації лугу до вихідних речовин.
в) розкладання при нагріванні	Fe(OH)₂ = FeO + H₂O	2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O.
г) взаємодія з окисниками	а) окиснення на повітрі: 4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃. б) окиснення гідроген пероксидом: 2Fe(OH)₂ + H₂O₂ = 2Fe(OH)₃.

Оксид Fe₃O₄ – зустрічається у природі у вигляді мінералу магнетиту. Добре проводить електричний струм, тому використовують для виготовлення електродів. Це змішаний оксид, тверда речовина чорного кольору.

При взаємодії з кислотами утворює суміш солей ферум(ІІ) і (ІІІ).
Fe₃O₄ + 8HCl = FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O;
Fe₃O₄ + 4H₂SO₄ = FeSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 4H₂O.

При взаємодії з нітратною кислотою утворює лише одну сіль Fe(NO₃)₃ внаслідок окислення Fe(II) до Fe(III): 3Fe₃O₄ + 28HNO₃ = 9Fe(NO₃)₃ + NO + 14H₂O.

Лабораторний дослід 14. Добування ферум(ІІ) та ферум(ІІІ) гідроксидів реакцією обміну

В одну пробірку влийте 1-2 мл розчину солі Феруму(ІІ), а в другу – розчину солі Феруму(ІІІ). До розчинів обох солей добавте по 3-4 краплі розчину лугу. Який колір утворених осадків? Складіть молекулярні та йонні рівняння проведених реакцій. Зробіть висновок.

Якісні реакції

При дії лугів на сполуки Феруму(ІІ) утворюється світло-зелений осад Fe(OH)2, а сполуки Феруму (ІІІ) – бурий осад Fe(OH)₃. Сполуки Fe²⁺ із червоною кров’яною сіллю дають синій осад, а сполуки Fe³⁺ із калій роданідом дають кроваво-червоний колір. Наприклад:

FeCl₂ + 2NaOH = Fe(OH)₂ + 2NaCl Fe²⁺ + 2Cl^– + 2Na⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂ + 2Na⁺ + 2Cl^– Fe²⁺ + 2OH^– = Fe(OH)₂	FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃ + 3NaCl Fe³⁺ + 3Cl^– + 3Na⁺ + 3OH^– = Fe(OH)₃ + 3Na⁺ + 3Cl^– Fe³⁺ + 3OH^– = Fe(OH)₃
3Fe²⁺ + 2K₃[Fe(CN)₆] (червона кров’яна сіль) → Fe₃[Fe(CN)₆] (турнбулева синь) + 6K⁺	Fe³⁺ + 3KCNS (роданід калію (безбарвний)) → Fe³⁺(CNS) (роданід заліза (криваво-червоний)) + 3K⁺

Застосування заліза та його сполук

Залізо використовують для сучасної техніки, а саме сплави, чавун і сталь.

Залізо використовують як каталізатор при виробництві амоніаку та в органічному синтезі, як матеріал для осердя електромагнітів та якорів електромашин, для пластин акумуляторів.

Застосування заліза в людській цивілізації поклало початок залізному віку. Бронза давала засоби праці і зброю, але не змогла замінити кам’яне знаряддя. За допомогою заліза будують будинки, мости, машини. Воно дало реміснику знаряддя такої твердості і гостроти, яким не міг протистояти жоден камінь.

Широко використовують сполуки Феруму.

FeSO₄ • 7H₂O (залізний купорос) використовують для боротьби зі шкідниками рослин, приготування мінеральних фарб, у фотографії, як консервант деревини, як електроліт у гальванотехніці.

FeCl₃ використовують як протраву під час фарбування тканин, для травлення друкарських плат, як коагулянт при очищенні води.

Fe(NO₃)₃ • 9H₂O як протрава при фарбуванні бавовняних тканин і обважнювач шовку.

Завдання для самоконтролю

■ 303. Запропонуйте найбільш екологічно чистий спосіб відновлення заліза із ферум(ІІІ) оксиду. Відповідь підтвердіть рівнянням реакції.

304. При білінні стін використовують розчин мідного купоросу. Чи можна готувати його і зберігати в залізних відрах? Відповідь підтвердіть рівнянням реакції.

305. Добути ферум(ІІІ) хлорид можливими способами.

306. Обчислити масу суміші заліза і ферум(ІІ) оксиду, якщо в результаті розчинення суміші в хлоридній кислоті виділилось 13,44 л водню і утворилась сіль масою 182,88 г.

▲● 307. Елементи Ферум в земній корі знаходиться у складі:
а) залізняків;
б) метеоритного заліза;
в) чистому вигляді.

308. Валентність Феруму в сполуках:
а) два;
б) один;
в) три.

309. За хімічною активністю це метал:
а) активний;
б) малоактивний;
в) середньої активності.

310. Ферум утворює оксиди складу:
а) FeO;
б) Fe₂O;
в) Fe₂O₃;
г) FeO₂.

311. Ферум(ІІ) гідроксид Fe(OH)2 проявляє властивості:
а) кислотні;
б) основні;
в) амфотерні.

312. Якісною реакцією на Fe³⁺ є взаємодія його солей із:
а) кислотами;
б) солями;
в) лугами.

313. Закінчіть рівняння реакцій:
Fe + HCl →
Fe + O₂ →
Fe + Cl₂ →
Fe + S →

●● 314. Визначте масову частку Феруму в його природних сполуках: Fe₂O₃; Fe₃O₄; Fe₂O₃ • H₂O.

315. З якими розчинами буде взаємодіяти залізо: H₃PO_4,AgNO₃, ZnCl₂, KOH. Відповідь мотивуйте.

316. Закінчіть рівняння можливих реакцій, назвіть продукти і вкажіть типи реакцій.
Fe + C →
Fe + H₂S→
Fe + H₂S →
Fe + HNO₃(розб.) →
Fe + BaCl₂ →
Fe + N₂ →
Fe + H₂O →
Fe + O₂

317. Здійсніть перетворення:
а) Fe(OH)₂ → FeO → Fe;
б) Fe → FeO → FeCl₂.

318. Закінчіть рівняння реакцій:
FeO + H₂S =
Fe(OH)₂
Fe₂O₃ + H₂SO₄ =
Fe(OH)₂ + H₂SO₄ =
Fe(OH)₃ + H₂SO₄ =
Fe₂O₃ + H₂ =
FeO + H₂ =

●●● 319. В якому із оксидів FeO чи Fe₂O₃ масова частка Феруму більша? Відповідь підтвердіть розрахунками.

320. Які реакції ви виберете, щоб добути ферум(ІІ) сульфат?
CuSO₄ + Fe →
FeO + H₂SO4 →
Fe(OH)₂ + Na₂SO₄ →

321. Складіть рівняння реакцій, з допомогою яких можна добути ферум(ІІ) оксид із речовин: залізо, хлоридна кислота, луг.

322. Здійсніть перетворення:

Fe → FeCl₂ → FeCl₃ → Fe(OH)₃.

323. Як довести наявність йонів Fe²⁺ і Fe³⁺?

324. Заповніть таблицю рівняннями можливих реакцій:

	FeO, Fe(OH)2	Fe2O3, Fe(OH)3
HCl NaOH CO₂ tº

●●●● 325. Здійсніть перетворення. Одну із реакцій розгляньте з точки зору йонного обміну:
а) CuS → CuO → CuCl₂ → Cu(OH)₂ → CuSO₄;
б) Fe₂S₃ → Fe₂O₃ → Fe → FeCl₃.

326. Напишіть молекулярні рівняння відповідних реакцій:
Zn⁰ + ? → Zn²⁺ + ?
K⁰ + ? → KOH + ?

327. Яку масу карбон(ІІ) оксиду необхідно взяти, щоб повністю відновити залізо із ферум(ІІІ) оксиду масою 320 кг?

328. Напишіть в молекулярному та йонному вигляді рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:
Fe → FeCl₂ → Fe(OH)₂ → FeO → Fe → FeCl₃;
Fe → FeSO₄ → Fe(OH)₂ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe → FeS.

Практична робота №2.
Розв’язування експериментальних задач з теми «Метали»

Реактиви та обладнання: штатив з пробірками, спиртівка, сірники. пробіркотримач, іржавий цвях, розчини: FeCl₂, FeCl₃, NaOH, HCl, CuCl₂, HNO₃, Al₂(SO₄)₃, BaCl₂, AlCl₃, H₂SO₄.
1.   Очистіть від іржі залізних цвях хімічним способом. Напишіть рівняння реакції.
2.   Доведіть на досліді. що видана вам речовина є алюміній сульфат. Напишіть молекулярні та йонні рівняння реакцій.
3.   Вам видано розчини хлоридів барію, алюмінію, феруму(ІІ) і ферум(ІІІ). Визначте експериментально під яким номером міститься кожний розчин. Напишіть молекулярні та йонні рівняння реакцій.
4.   Проробіть реакції, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення: CuCl₂ → Cu(OH)₂ → CuO → Cu(NO₃)₂.
Напишіть молекулярні та йонні рівняння реакцій.