8.5. Ферум

Ферум розміщується у побічній підгрупі VIII групи¹ четвертого періоду періодичної системи, належить до d-елементів. Хімічний символ — Fe. Порядковий номер — 26, заряд ядра — +26. Відносна атомна маса — 56. Утворює просту речовину залізо. Природний Ферум складається із чотирьох стабільних ізотопів: ⁵⁴Fe (5,85 %), ⁵⁶Fe (91,75 %), ⁵⁷Fe (2,12 %) і ⁵⁸Fe (0,28 %). Відомо також більш ніж 20 нестабільних ізотопів з масовими числами від 45 до 72.

Електронна формула — ₂₆Fe [Аr] 3d⁶4s². Валентні електрони в атомі Феруму розміщуються у зовнішньому електронному шарі (4s²) та передостанньому (3d⁶). Атом легко втрачає 4s²-електрони, утворюючи йони Fe²⁺:

У збудженому стані один електрон з 3d-підрівня може переходити на 4p-підрівень (така електронна конфігурація також доволі стабільна) і ставати валентним:

Таким чином найхарактерніші валентності Феруму — II і III, ступені окиснення — +2, +3 (інколи +6).

Електронегативність за Полінгом — 1,83.

Поширення Феруму уприроді

Ферум — 4-й за поширеністю елемент (і 2-й серед металічних елементів) земної кори (за масою). Утворює значну кількість мінералів, переважно силікатів. Найбільше значення мають: магнітний залізняк (магнетит) Fe₃O₄², червоний залізняк (гематит) Fe₂O₃, бурий залізняк (лимоніт) 2Fe₂O₃ · 3Н₂O, сидерит (залізний шпат) FeCO₃, залізний, або сірчаний, колчедан (пірит)FeS₂.

За сучасними уявленнями ядро нашої планети має середній радіус 3,5 тис. км³, масу 1,932 · 10²⁴ кг і на 79-85 % складається із Феруму (у вигляді сплаву з Силіцієм (6-7 %), Ніколом (4,9-5,2 %) та іншими елементами).

У морській воді його мало — 0,002-0,02 мг/л. У прісній воді, залежно від джерела, концентрація Феруму може значно коливатися — від 0 до 2 мг/л і більше, що не тільки впливає на органолептичні властивості води, а й робить її токсичною і непридатною для пиття⁴.

Трапляється самородне залізо (Гренландія) і чавун (Далекий Схід).

До поверхні нашої планети⁵ долітає 5-6 т метеоритів на добу (космічного пилу — від 300 до 20 000 т). Вони бувають залізними (приблизно один із шістнадцяти), залізо-кам’яними та кам’яними. Залізні метеорити складаються з 91 % Феруму, приблизно 8,5 % Ніколу та інших елементів. Інші також містять у своєму складі Ферум (від 1 до 50 %). За сучасними уявленнями вони є похідними астероїдів.

Ферум (у вигляді йона Fe²⁺) є складовою частиною гему — комплексної сполуки порфірину, що входить до складу гемоглобіну, міоглобіну, пероксидази, цитохромів тощо.

Фізичні властивості заліза

Чисте залізо — сріблясто-білий метал, має високу пластичність, легко кується. Температура плавлення — 1539 °С, температура кипіння — 2861 °С. Має феромагнітні властивості (притягується магнітом), добре проводить теплоту та електричний струм, хоча й поступається таким металам, як золото, срібло, мідь, алюміній.

Хімічні властивості заліза

Ферум розміщується в середині електрохімічного ряду напруг, а тому є металічним елементом середньої хімічної активності. Під час хімічних реакцій виявляє відновні властивості. Залізо реагує:

1) з простими речовинами:

• під час нагрівання залізо окислюється більшістю неметалів:

Окалина утворюється при окисненні заліза в атмосфері чистого кисню, а на повітрі — ферум(ІІІ) оксид Fe₂О₃.

(утворення солі Fe²⁺ характерно лише для йоду як слабкого окисника)

2) зі складними речовинами:

• взаємодія з водою (корозія) за стандартних умов відбувається лише, якщо є кисень:

• розпечене залізо реагує з водяною парою:

• з кислотами:

а) з кислотами, що є слабкими окисниками (за відсутності кисню):

б) з нітратною кислотою:

в) при нагріванні з концентрованими нітратною та сульфатною кислотами (на холоді вони пасивують залізо):

• з розчинами солей менш активних металів:

Зауважимо, що утворюються солі двовалентного Феруму.

Добування заліза

Хімічно чисте залізо отримують електролізом розчинів його солей. Також залізо добувають відновленням природних оксидів воднем (з подальшим переплавлянням в електричних печах):

___________________________________________________________

¹ За новою номенклатурою — у VIII групі.

² Формула Fe₃О₄, яку для зручності написання традиційно використовують, є некоректною. Правильна формула цієї речовини —

³ Середній радіус Землі становить 6,37 тис. км.

⁴ Гранично допустима концентрація (ГДК) Феруму у воді — 0,3 мг/л.

⁵ Цікаво, що метеорити нерівномірно вкривають площу поверхні Землі. Існують ділянки (наприклад, зона Мовчання в Мексиці, що розташована за 6 км від техаського містечка Ель-Пасо), які ніби притягують метеорити, зокрема завдяки аномальним показникам магнітного поля.

8.5.1. Сполуки Феруму (II)

Сполуки Феруму (II) виявляють відновні властивості, оскільки йон Fe²⁺ легко окислюється до Fe³⁺. Ферум(ІІ) оксид FeO — тверда кристалічна речовина чорного кольору з атомними кристалічними гратками. У воді не розчиняється. Це основний оксид, якому також притаманні відновні властивості. Реагує з кислотами, кислотними оксидами:

При взаємодії з киснем та нітратною кислотою ферум(ІІ) оксид виявляє відновні властивості:

Добування ферум(ІІ) оксиду

Термічний розклад ферум(ІІ) карбонату в атмосфері азоту:

а також іншими реакціями:

Термоліз ферум(ІІ) оксалату (солі щавлевої кислоти):

Ферум(ІІ) гідроксид Fe(OH)₂ — порошок білого кольору, не розчиняється у воді.

Має основний характер і виявляє відновні властивості:

• реагує з кислотами:

• окислюється окисниками:

На повітрі окислюється до Fe(OH)₃ бурого кольору:

• при нагріванні розкладається:

Добування ферум(ІІ) гідроксиду

Його одержують при взаємодії лугів з розчинними у воді солями Феруму (II):

Свіжоосаджений ферум(ІІ) гідроксид має зеленкуватий колір, на повітрі швидко змінює своє забарвлення — буріє

Солі Феруму (II)

Сполуки Fe (II) нестійкі, окислюються на повітрі:

Окислюються іншими окисниками:

Ферум(ІІ) сульфат при нагріванні розкладається:

Якісна реакція на йон Fe²⁺: реактив — калій гексаціаноферат(ІІІ) (червона кров’яна сіль). Утворюється осад турнбулевої сині: