ие мають метод термічного розкладання пентакарбонілу заліза (див. § 193) та електроліз водних розчинів його солей.
У вологому повітрі залізо швидко іржавіє, тобто покривається бурим нальотом оксиду заліза гідратованого, який внаслідок своєї пухкості не захищає залізо від подальшого окислення. У воді залізо інтенсивно корродує; при рясному доступі кисню утворюються гндратні форми оксиду заліза (Ш):
2Fe + 3/203 + лНлО = Fe203 пН20
При нестачі кисню або його утрудненому доступі утворюється змішаний оксид Fe3C>4 (FeO"Fe2Os):
3Fe + 202 + пН20 = Fe304? nH20
Залізо розчиняється у соляній кислоті будь-якої концентрації:
Ті + 2НС1 FeCl2 + Н2Г
Аналогічно відбувається розчинення у розведеній сірчаній кислоті:
Fe 4-H2S04 = FeS04 4-H2f
У концентрованих розчинах сірчаної кислоти залізо окислюється до заліза (III):
2Fe 4- 6H2S04 = Fe2(S04)3 4- 3S02^ 4. 6H20
Однак у сірчаній кислоті, концентрація якої близька до 100%, залізо стає пасивним та взаємодії практично не відбувається.
У розведених помірно концентрованих розчинах азотної кислоти залізо розчиняється:
Fe 4- 4.HNO3 = Fe(N03)3 4" NOr -f 2Н20
При високих концентраціях HNO3 розчинення сповільнюється та залізо стає пасивним.
Для заліза характерні два ряди сполук: сполуки заліза (П) та сполуки заліза (III). Перші відповідають оксиду заліза (II), або закису заліза, FeO, другі - оксиду заліза(Ш).
або окису заліза, Fe2C>3. Крім того, відомі солі 01селезной кислоти H2Fe04, в якій ступінь окислення заліза дорівнює -f-6.
З'єднання заліза (П). Солі заліза(II) утворюються при розчиненні заліза у розведених кислотах, крім азотної. Найважливіша з них - сульфат заліза(\\), або залізний купорос, FeS04"7H20, що утворює світло-зелені кристали, добре розчинні у воді. На повітрі залізний купорос поступово вивітрюється і одночасно окислюється з поверхні, переходячи в жовто-буру основну сіль заліза (III).
Сульфат заліза(II) отримують шляхом розчинення обрізків сталі в 20-30% сірчаної кислоти:
Fe + H2S04 = FeS04 -f H2f
Сульфат заліза(II) застосовується для боротьби зі шкідниками рослин, у виробництві чорнила та мінеральних фарб, при фарбуванні тканин.
При нагріванні залізного купоросу виділяється вода і утворюється біла маса безводної солі FeSC>4. При температурах вище 480 ° С безводна сіль розкладається з виділенням діоксиду та три-оксиду сірки; останній у вологому повітрі утворює важкі білі пари сірчаної кислоти:
2FeS04 - Fe203 + S02f + S03f
При взаємодії розчину солі заліза(II) з лугом випадає білий осад гідроксиду заліза (Щ Fe(OH)2f, який на повітрі внаслідок окислення швидко приймає зелене, а потім буре забарвлення, переходячи в гідроксид заліза (III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + 02 + 2Н20 = 4Fe(0H)3
Безводний оксид оюелеза(П) FeO можна отримати у вигляді чорного порошку, що легко окислюється відновленням оксиду заліза (III) оксидом вуглецю(II) при 500°С:
Fe203 + СО = 2FeO -f С02
Карбонати лужних металів беруть в облогу з розчинів солей заліза(II) білий карбонат заліза(П) РеСОз. При дії води, що містить С02, карбонат заліза, подібно до карбонату кальцію, частково перетворюється на більш розчинну кислу сіль Fe(HC03)2. У вигляді цієї солі залізо міститься у природних залізистих водах.
Солі заліза(II) легко можуть бути переведені в солі заліза (III) дією різних окислювачів - азотної кислоти, перманганату калію, хлору, наприклад:
6FeS04 + 2HNO3 + 3H2S04 = 3Fe3(S04)3 + 2NOf + 4H20 10FeSO4 + 2KMn04 + 8H2S04 = 5Fe2(S04)3 + K2S04 + 2MnS04 + 8H2
Зважаючи на здатність легко окислюватися, солі заліза (Щ часто застосовуються як відновники.
З'єднання заліза (Ш). Хлорид заліза (III) FeCb є темно-коричневі з зеленуватим відливом кристали. Ця речовина дуже гігроскопічна; поглинаючи вологу з повітря, воно перетворюється на кристалогідрати, що містять різну кількість води і розпливаються на повітрі. У такому стані хлорид заліза (Ш) має буро-жовтогарячий колір. У розведеному розчині FeCl3 гідролізується до основних солей. У парах хлорид заліза(III) має структуру, аналогічну структурі хлориду алюмінію (стор. 615) і відповідає формулі Fe2Cl6; помітна дисоціація Fe2Cle на молекули FeCl3 починається за температури близько 500 °С.
Хлорид заліза(III) застосовують як коагулянт при очищенні води, як каталізатор при синтезах органічних речовин, у текстильній промисловості.
Сульфат заліза(П1) Fe2(804)3 - дуже гігроскопічні білі кристали, що розпливаються на повітрі. Утворює кристалогідрат Fe2(S04)3-9H20 (жовті кристали). У водних розчинах сульфат заліза(III) сильно гідролізований. З сульфатами лужних металів і амонію він утворює подвійні солі -квасці, наприклад залізоамонійні галун (NH4)Fe(S04)2- 12Н20 - добре розчинні у воді світло-фіолетові кристали. При прожарюванні вище 500°С сульфат заліза (III) розкладається відповідно до рівняння:
Fe2(S04)3 = Fe203 + 3S03t
Сульфат заліза(III) застосовують, як і FeCU, як
Залізо є у воді у формі двох- і тривалентних іонів. Як очистити питну та технічну рідину від цих забруднень? Актуальна проблемадля звичайної сім'ї та великого підприємства. Розглянемо причини, яких залежить розчинність заліза у воді, форми забруднювачів, способи видалення ферросполук.
Чому вода з-під крана буває жовтою та бурою?
Надають воді жовтий колір, часто виникає неприємний присмак, можна побачити забруднення у формі бурих пластівців. Перелічені явища – це погіршення органолептичних властивостей питної води. Зміна кольору - те, на що споживачі води звертають увагу насамперед. Крім того, виникають наслідки для здоров'я людини. Негативно впливає на стан печінки, зубів, всього шлунково-кишкового тракту, шкіри та волосся споживання недоброякісної води з-під крана, в якій є залізо.
Розчинність у воді пояснюється як взаємодією ферросполук зі складу гірських порід з іншими речовинами в природі. Підвищується концентрація іонів Fe 2+ та Fe 3+ внаслідок процесу корозії, який постійно йде в апаратах та трубах водопостачання, виготовлених із сплавів заліза. Трубопроводи поступово стають непридатними, змінюються властивості продукції, у виробництві якої застосовувалася вода з домішкою заліза.
Яка розчинність заліза у воді?
Хімічний елемент, якому дали латинську назву Ferrum, за поширеністю у земній корі знаходиться на другому місці після алюмінію. У великих кількостях планети присутні поклади чи піриту (його формула FeS 2) . Ферроз'єднання зустрічаються в гірських породах вулканічного та осадового походження у вигляді гематиту, магнезиту, бурого залізняку.
Проста речовина залізо – це сріблясто-сірий пластичний метал, нерозчинний у воді. Оксиди та гідрооксиди, багато солі заліза теж не взаємодіють з водою. Розчинність FeO у воді обговорюють у зв'язку з його здатністю окислюватися до оксиду тривалентного заліза. Коли говорять про водний розчин FeO, то мають на увазі вміст іонів двовалентного заліза. У деяких вододжерелах цей показник сягає 50 і більше міліграмів на 1 літр. Це висока концентрація, така питна вода має бути очищена.
Як залізо потрапляє у природні води?
Фізична та хімічна ерозія призводить до дроблення, розчинення та руйнування гірських порід, що містять сполуки заліза. В результаті реакцій, що йдуть у природі, звільняються іони Fe2+ та Fe3+. Вони беруть активну участь в окисно-відновних процесах. Двовалентний іон окислюється, віддає електрон і стає тризарядним. Розчинність заліза у воді – це наявність катіону Fe 2+ . В результаті реакцій, що йдуть у розчині, виходять різні солі. Серед них є розчинні, наприклад, сульфати, і нерозчинні (сульфіди, карбонати). При знезалізненні такої води розчинна форма перетворюється на нерозчинну, утворюються пластівці, що випадають осад. Двовалентне залізо окислюється до тривалентного у присутності кисню чи інших окислювачів (озону, хлору).
Перетворення іонів в результаті призводять до появи стійкої до подальшого окислення бурої іржі, її умовний склад можна у такому вигляді: Fe 2 O 3 . nH 2 O. Частка Fe 3+ входять до складу комплексних неорганічних та органічних речовин, що зустрічаються у поверхневих водах.
Чи однаковий вміст ферросполук у природних водах?
Концентрації хімічного елемента та типи заліза у воді залежать від породного складу земної кори та стану різних джерел. Одночасно можуть бути присутніми дво- і тривалентні сполуки заліза, органічні форми, такі як залізобактерії та колоїдні речовини (розчинні та нерозчинні).
Якщо є родовища сульфатних руд, то більш імовірно, що у високих концентраціях буде двовалентне залізо. Розчинність у воді феросполук зростає з температурою поблизу районів вулканізму. У річках та озерах вищий вміст заліза, якщо існує скидання стічних вод металургійних та хімічних комбінатів.
Як чистити воду від заліза?
Для видалення ферросполук використовуються реагентні та безреагентні способи. Основою більшості процесів є окислення двовалентного іона до тривалентного катіону. Так само роблять з іншими домішками у воді — переводять у нерозчинні з'єднання і видаляють за допомогою фільтра. На цьому принципі засновано роботу більшості промислових установок.
Яка розчинність заліза у воді визначають за допомогою приладів. Потім проводять знезалізнення хімічними реагентами: киснем, хлором, озоном, перманганатом калію, пероксид водню. Відбуваються хімічні реакції окислення і виходить нерозчинний осад. Його можна не тільки відфільтрувати, але й видалити після відстоювання способом декантації (злити з осаду чисту воду). При озонуванні та хлоруванні одночасно відбувається знезараження (дезінфекція). Вважається, що використання озону є більш перспективним методом, тому що хлор небезпечний для здоров'я людини.
Які є способи знезалізнення невеликих об'ємів води?
У домашніх умовах з перерахованих вище реагентів можна використовувати пероксид водню і марганцівку. Як очищати воду від заліза, якщо потрібно отримати невеликий об'єм за короткий термін? При додаванні перекису у воду випадають пластівці осаду. Необхідно дочекатися, щоб він осів на дно ємності і злити воду, або пропустити її через звичайну. Така очищена від забруднень вода придатна для пиття та приготування їжі.
По відношенню до органічних форм заліза ці методи малоефективні. Ті реагенти, про які згадувалося вище, недостатньо швидко беруть в облогу колоїдні частинки.
Іонообмін та каталіз - методи знезалізнення води
Існують автономні установки, що діють за принципами каталізу, іонообміну. Пристрої використовуються для очищення води на невеликих промислових підприємствах та в котеджах.
Залізо при каталітичному способі вдається за допомогою спеціальної засипки, що випускається з природної та синтетичної сировини. Фільтр для знезалізнення води – це металева ємність. Всередину поміщають засипку та пропускають воду. Речовина є каталізатором процесу окиснення двовалентного заліза, переводячи його в нерозчинний стан із різних форм.
При іонообмінному знезалізненні використовуються катіоніти, одержувані зі смол-іонообмінників, наприклад, цеоліту (мінералу). В останні роки налагоджено випуск синтетичних продуктів для знезалізнення води методом іонообміну.
Чому потрібна альтернатива реагентам?
Довгий час використовуються хімічні речовини, якщо існує ця шкідлива домішка – залізо у воді. Види заліза бувають різні, тому необхідно шукати оптимальне рішення, спосіб, що підходить для очищення води з конкретного джерела, для якого встановлені форми та концентрації заліза.
Хлорування відходить у минуле, цей спосіб негативно позначається на якості води та здоров'я населення. Аерація або збагачення води повітрям – метод практично позбавлений недоліків. Через воду пропускають кисень, залізо окислюється, а нерозчинні пластівці осаду можна видалити фільтруванням або обстоюванням.
Знезалізнення проводять без хімічних реагентів – за допомогою електрохімічного способу. Два електроди занурюють у ємність із водою, яку потрібно очистити. Негативний електрод - катод - притягує і утримує позитивно заряджені іони заліза, як би вони не знаходилися. Інший безреагентний метод – використання спеціальних мембран.
Кожен з перерахованих вище способів має як переваги, але недоліки. Вибір методу залежить від форми, в якій є залізо у воді.
Залізо - сріблясто-білий в'язкий та ковкий метал. Атомна вага – 55,85; щільність – 7,87 г/см3, температура плавлення 1539°С. Нижче температури 768 ° С залізо має феромагнітні властивості, вище цієї температури - втрачає їх. При плавленні залізо збільшується в обсязі на 4,4%.
Сплав заліза із вуглецем (до 2% вуглецю) називається сталлю. Сталь міцніший і твердіший заліза, властивості її можуть змінюватися в широких межах залежно від виду обробки, вмісту вуглецю та легуючих елементів.
Сплав заліза з вуглецем (більше 2% вуглецю) називається чавуном. Крім вуглецю, в чавуні міститься до 4% кремнію, до 2% марганцю, а також фосфор та сірка. Чавун відрізняється високими ливарними властивостями. Через низьку пластичність він не піддається обробці тиском за винятком чавуну особливого виду, який називається ковким. Залежно від форми виділення вуглецю чавун поділяється на білий та сірий. Білим називається чавун, у якому за нормальної температури весь вуглець перебуває у зв'язаному стані, переважно у вигляді цементиту. Такий чавун у зламі має білий колір та металевий блиск. Сірим називається чавун, у якому весь вуглець чи його частина перебувають у вигляді графіту, а зв'язаному стані (у вигляді цементиту) вуглецю міститься трохи більше 0.8 %. З огляду на велику кількість графіту, що входить до складу такого чавуну, його злам має сірий колір. За корозійною стійкістю чавун можна прирівняти до легованих сталей. Це, зокрема, наявністю в чавуні графіту, який у значною мірою уповільнює корозію.
У розведених кислотах залізо розчиняється. Швидкість корозії заліза в сірчаній кислоті зростає зі збільшенням концентрації, досягаючи максимуму при 47% концентрації, після чого зменшується; у 98%-ній кислоті залізо не розчиняється, у 100%-ній розчинність різко збільшується. Своєрідна дія азотної кислоти в залежності від її концентрації. Холодна розведена азотна кислота (щільність нижче 1034) розчиняє залізо без виділення водню, відновлюючись до аміаку. Кислота із щільністю до 1.115 також розчиняє залізо, але продуктами реакції є азот та закис азоту. У концентрованій кислоті (щільність вище 1,41) розчинення зменшується внаслідок пасивування заліза. Пасивність обумовлена найтоншою оксидною плівкою, яка легко руйнується при механічному впливі. у сірчаній кислоті чавун корродує повільніше, ніж у соляній. Азотна кислота активно діє на сірий чавун. Фосфорна кислота менш агресивна, ніж соляна та сірчана. В органічних кислотах, вільних від розчиненого кисню, залізо стійке, оцтова кислота впливає на чавун. Вуглецева сталь стійка у плавиковій кислоті при концентрації 65-70%. При концентрації шгае 65% і кімнатної температури настає активна взаємодія кислоти з вуглецевою сталлю. Чавун роз'їдається плавиковою кислотою будь-якої концентрації. Залізо, вуглецеві сталі та чавун стійки у розведених розчинах лугів. Аерація, підвищена температура, висока концентрація та присутність хлоридів збільшують швидкість корозії. Значно роз'їдають сталь киплячі розчини гідроксиду натрію при концентрації вище 10%, але в. 30%-ном розчині процес уповільнюється внаслідок утворення захисної плівки. У воді, що містить розчинений кисень, залізо практично не корродирует.