Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl = FeCl2+ H2

Fe + H2SO4= FeSO4+ H2

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H2SO4= Fe2(SO4)3+ SO2+ 4H2O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2. Оксид железа (III) Fe2O3слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)3+ 3H2SO4= Fe2(SO4)3+ 6H2O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)3+ КОН = К[Fe(ОН)4]

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа(III) Fe(OH)3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl3= 3FeCl2

При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) до железа(III):

4FeCl2+ O2+ 2H2O = 4Fe(OH)Cl2

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2О.

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2- железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2- железоаммонийные квасцы и т.д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) образуются соединения железа(VI) - ферраты, например, феррат(VI) калия K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа(VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe3+с тиоцианат-ионами CNS-. При взаимодействии ионов Fe3+с анионами CNS-образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)3. Другим реактивом на ионы Fe3+служит гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe3+и [Fe(CN)6]4-выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe2+в растворе может служить раствор гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6], ранее называвшегося красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe3+и [Fe(CN)6]3-выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe3+и [Fe(CN)6]4-.

Сплавы железа с углеродом

Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом - различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно - на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0.8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию - нагреванию при температуре около 1000°C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей - шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe2O3+ 3C = 2Fe + 3CO;

Fe2O3+ 3CО = 2Fe + 3CO2

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие - клетку - и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый предельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун - это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

4. Применение железа, его сплавов и соединений

Чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом. Чугун содержит более 2,14% углерода, а сталь обычно содержит несколько десятых процентов углерода. Чугун также содержит небольшое количество кремния, фосфора и серы.

Различают серый чугун (содержит 2-3,5%C, а также,Si и Mn) – он не очень твердый, хорошо отливается в формы, хрупкий и при ударе легко раскалывается. Серый чугун идет на отливку машинных станин, маховых колес, канализационных труб, плит и т.п.

Чугун, в котором почти весь углерод содержится в виде цементита(Fe3C),тверже и беле серого чугуна, он называется белый чугун (содержит 2-3,5%C,Si>1%,Mn-1-1,5%). Белый чугун непосредственного применения не имеет и идет в предел на сталь.

Сталь, в отличие от чугуна, легко поддаётся ковке и прокатке. При быстром охлаждении она получается очень твердой, при медленном охлаждении мягкой. Мягкую сталь легко обрабатывают. Из неё делают гвозди, болты, проволоку, кровельное железо, детали машин. Из твердой стали изготавливают инструменты. Большое значение имеют в современной технике легированные стали. Они содержат так называемые легирующие элементы, к которым относятся хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, марганец, медь, кремний и др. Легирующие элементы добавляются для придания стали определённых свойств.