Министерство образования Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный Горный Институт им. Г.В. Плеханова
(технический университет)
Кафедра общей и неорганической химии
На тему: “Химия железа”
Выполнил:
студент гр. ИЗ-99-1
Брук Б.М.
Проверил:
Профессор
Чиркст Д.Э.
Санкт-Петербург
2000 год.
Оглавление:
I. Нахождение железа в природе. Основные минералы и их свойства. 3
II. Техногенные источники поступления железа в окружающую среду. 4
III. Химические свойства железа, его основные соединения. 5
IV. Вредные соединения железа, источники их поступления в окружающую среду, свойства, поражающее действие, ПДК, способы очистки. 7
V. Получение железа и его основных соединений, их практическое использование. 9
Список использованной литературы: 12
I. Нахождение железа в природе. Основные минералы и их свойства. Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре; оно составляет около 5% земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном виде железо находят в метеоритах, изредка встречается самородное железо (феррит) в земной коре как продукт застывания магмы.
Железо входит в состав многих минералов, из которых слагаются месторождения железных руд.
Основные рудные минералы железа:
Гематит (железный блеск, красный железняк) – Fe2O3 (до 70% Fe);
Магнетит (магнитный железняк) – Fe3O4 (до 72,4% Fe);
Гетит – FeOOH
Гидрогетит – FeOOH*nH2O (лимонит) – (около 62% Fe);
Сидерит – Fe(CO3) (около 48,2% Fe);
Пирит – FeS2
Месторождения железных руд образуются в различных геологических условиях; с этим связано разнообразие состава руд и условий их залегания. Железные руды разделяются на следующие промышленные типы:
1. Бурые железняки – руды водной окиси железа (главный минерал – гидрогетит), 30-55% железа.
2. Красные железняки, или гематитовые руды (главный минерал – гематит, иногда с магнетитом), 51-66% железа.
3. Магнитные железняки (главный минерал – магнетит), 50-65% железа.
4. Сидеритовые или карбонатные осадочные руды, 30-35% железа.
5. Силикатные осадочные железные руды, 25-40% железа.
Большие запасы железных руд находятся на Урале, где целые горы (например Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири, на дальнем Востоке. Богатые залежи имеются на Украине.
Железо является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, где среднее содержание его колеблется в интервале 0,01-26 мг/л.
Животные организмы и растения аккумулируют железо. Активно аккумулируют железо некоторые виды водорослей, бактерии.
В теле человека содержание железа колеблется от 4 до 7г (в тканях, крови, внутренних органах). Железо поступает в организм с пищей. Суточная потребность взрослого человека в железе составляет 11-30мг. В основных пищевых продуктах содержится следующее количество железа (в мкг/100г.):
Рыба – 1000
Мясо – 3000
Молоко – 70
Хлеб – 4000
Картофель, овощи, фрукты – от 600 до 900
II. Техногенные источники поступления железа в окружающую среду. В зонах металлургических комбинатов в твердых выбросах содержится от 22000 до 31000 мг/кг железа.
В прилегающие к комбинатам почвы поступает до 31-42 мг/кг железа. Вследствие этого железо накапливается в огородных культурах.
Много железа поступает в сточные воды и шламы от производств: металлургического, химического, машиностроительного, металлообрабатывающего, нефтехимического, химико-фармацевтического, лакокрасочного, текстильного.
Содержание железа в составе сырого осадка, выпадающего в первичных отстойниках крупного промышленного города, может достигать 1428 мг/кг.
Пыль, дым промышленных производств могут содержать большие количества железа в виде аэрозолей железа, его оксидов, руд.
Пыль железа или его оксидов образуется при заточке металлического инструмента, очистке деталей от ржавчины, прокате железных листов, электросварке и при других производственных процессах, в которых имеют место железо или его соединения.
Железо может накапливаться в почвах, водоемах, воздухе, живых организмах.
Основные минералы железа подвергаются в природе фотохимическому разрушению, комплексообразованию, микробиологическому выщелачиванию, в результате чего, железо из труднорастворимых минералов переходит в водные объекты.
Железосодержащие минералы окисляются бактериями типа Th. Ferrooxidans.
Окисление сульфидов можно описать в общем виде на примере пирита следующими микробиологическими и химическими процессами:
Как видно, при этом образуется еще один загрязняющий поверхностные воды компонент – серная кислота.
О масштабах ее микробиологического образования можно судить по такому примеру. Пирит – обычный примесный компонент угольных месторождений, и его выщелачивание приводит к закислению шахтных вод. По одной из оценок, в 1932г. в реку Огайо (США) с шахтными водами поступило около 3 млн. тонн H2SO4.
Микробиологическое выщелачивание железа осуществляется не только за счет окисления, но и при восстановлении окисленных руд. В нем принимают участие микроорганизмы, относящиеся к разным группам. В частности, восстановление Fe3+ до Fe2+ осуществляют представители родов Bacillus и Pseudomonas, а так же некоторые грибы.
Упомянутые здесь широко распространенные в природе процессы протекают так же в отвалах горнорудных предприятий, металлургических комбинатов, производящих большое количество отходов (шлаки, огарки и т.п.).
С дождевыми, паводковыми и грунтовыми водами высвобождающиеся из твердых матриц металлы переносятся в реки и водоемы. Железо находится в природных водах в разных состояниях и формах: в истинно растворенной форме входят в состав донных отложений и гетерогенных систем (взвеси и коллоиды).
Донные отложения рек и водоемов выступают в качестве накопителя железа. При определенных условиях железо может высвобождаться из них, в результате чего происходит вторичное загрязнение воды.
III. Химические свойства железа, его основные соединения.
Железо – элемент VIII группы периодической системы. Атомный номер 26, атомный вес 55,85 (56). Конфигурация внешних электронов атома 3d64s2.
По химическим свойствам железо как переходный элемент близок к соседним элементам той же группы периодической системы – никелю и кобальту.
В соединениях железо чаще 2-х и 3-х валентно, но известны также валентности 1, 4 и 6.
Для высших валентных состояний железа характерны кислотные свойства. Железо, особенно 3-х валентное, склонно к комплексообразованию. В химическом отношении железо – металл средней активности. В сухом воздухе при нагревании до 150-200о на поверхности компактного железа образуется тонкая защитная окисная пленка, предохраняющая его от дальнейшего окисления.
Во влажном воздухе железо быстро ржавеет, т.е. покрывается бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления.
В воде железо интенсивно корродирует. При обильном доступе кислорода при этом образуются гидратные формы оксида железа:
При недостатке кислорода или при его затрудненном доступе образуется смешанный оксид Fe3O4(Fe2O3.FeO):
При взаимодействии железа с галогенами или галогеноводородами образуются галогениды железа.
Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации.
Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:
В концентрированных растворах серной кислоты Fe(II) окисляется до Fe(III):
Однако в серной кислоте, концентрация которой близка к 100%, железо становится пассивным и взаимодействие практически не происходит.
В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной кислоты железо растворяется:
При высоких концентрациях HNO3 растворение замедляется и железо становится пассивным.
Для железа характерны два ряда соединений: соединения Fe(II) и соединения Fe(III). Первые отвечают оксиду железа (II), или закиси железа FeO; вторые – оксиду железа (III), или окиси железа Fe2O3.
Кроме того известны соли железной кислоты H2FeO4, в которой степень окисленности железа +6.
Основные соединения железа (II).
Железный купорос – FeSO4.7H2O – светло-зеленые кристаллы, хорошо растворимые в воде.
Гидроксид железа (II) – Fe(OH)2 – белый осадок, который на воздухе вследствие окисления быстро принимает зеленоватую, а затем бурую окраску, переходя в Fe(OH)3.
Оксид железа FeO, черный, легко окисляющийся порошок.
Карбонат железа FeCO3. При действии воды, содержащей CO2, карбонат железа, подобно карбонату кальция, частично переходит в более растворимую кислую соль Fe(HCO3)2. В виде этой соли железо содержится в природных железных водах.
Соли железа (II) легко могут быть переведены в соли железа (III) действием различных окислителей, например: HNO3, KMnO4, Cl2 и др.
Например:
Ввиду способности легко окисляться, соли железа (II) часто применяются как восстановители.
Основные соединения железа (III).
Хлорид железа FeCl3 – темно-коричневые с зеленым отливом кристаллы. Сильно гигроскопичное вещество.
Сульфат железа Fe2(SO4)3 – очень гигроскопичные, расплывающиеся на воздухе белые кристаллы. Образуют кристаллогидрат Fe(SO4)3.9H2O (желтые кристаллы). В водных растворах сульфат железа (III) сильно гидролизован.
Железо-аммонийные квасцы (NH4)Fe(SO4)2.H2O – хорошо растворимые в воде светло-фиолетовые кристаллы.
Гидроксид железа (III) Fe(OH)3, более слабое основание, чем Fe(OH)2.
Соли железа (III) сильно гидролизуются.
Характерной реакцией, отличающей соли железа (III) от солей железа (II), служит действие роданида калия KCNS (или роданида аммония) – появляется кроваво-красная окраска роданида железа (III) – Fe(CNS)3.
Ионы железа (II) с роданидами не дают этой окраски.
Цианистые соединения железа.
Гексациано (II) феррат калия K4[Fe(CN)6].3H2O – светло-желтые кристаллы. Эта соль называется желтой кровяной солью. Раствор ее не дает реакции, характерной для ионов Fe(II). Но с ионами Fe(III) желтая кровяная соль взаимодействует с образованием нерастворимой соли синего цвета – берлинской лазури:
Гексациано (III) феррат калия K3[Fe(CN)6] – красная кровяная соль, темно красные кристаллы (безводные).
Красная кровяная соль – реактив на ионы Fe(II), с которыми она образует синий осадок, так называемой турнбулевой сини.
IV. Вредные соединения железа, источники их поступления в окружающую среду, свойства, поражающее действие, ПДК, способы очистки.
В воздух рабочей зоны на металлургических, металлообрабатывающих предприятиях поступает пыль, аэрозоли из частиц железа и его соединений. При воздействии на кожу возможны аллергические дерматиты, при вдыхании такого воздуха происходит раздражение дыхательных путей, разрушение легких, плевры, нарушения функции печени, желудочные заболевания. Поэтому уст