Железо и его свойства

Алдабергенова Л.А. учитель химии
г. Актобе, СШ № 26
Тема урока «Железо и его свойства»
«Всякое вещество - от самого простого до сложного - имеет три различные, но взаимосвязанные стороны: строение, состав, свойство…»
Б.М.Кедров

Цели урока:
♦ сформулировать общее представление об химическом элементе железо, сформировать представление о физических и химических свойствах железа в зависимости от проявляемой им степени окисления и природы окислителя.
♦ развивать дальнейшие умения составлять молекулярные и окислительно - восстановительные химические реакции.
♦ осуществлять меж предметные связи история - география - биология-химия
♦ развивать навыки работы с реактивами, развивать понятийное мышление таких операций, как анализ, сравнение, обобщение
Реактивы и оборудование: периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева, кристаллическая решетка железа, физическая карта Казахстана, минералы, содержащие железо, пробирки, спиртовка, спички, ложка для сжигания горючих веществ, растворы KSCN, FeCl3, K3[Fe (CN)6], K4[Fe (CN)6], CuSO4, HCl, Fe, FeCl2
Ход урока
Ребята! Сегодня мы с вами отправимся в путешествие в страну «Железо». Во время путешествия нам с вами предстоит сделать несколько остановок по требованию, а вам необходимо составить опорный конспект по данной теме.
Железо – это основа всей металлургии, машиностроения, железнодорожного транспорта, судостроения, грандиозных инженерных сооружений. Чугун и сталь – сплавы, основу которых составляет железо. Железо – это металл созидания.
Первая остановка «Историческая»
(сообщение учащихся о появлении железа на земле)

 Первое железо, попавшее в руки человека, очевидно, было небесного происхождения, т.е. метеоритное. Об этом говорит наличие изделий из железа у жителей Гренландии. Самое крупное скопление самородного железа было найдено на берегу острова Диско у берегов Гренландии. В отличии от метеоритного оно содержит не более 2% никеля, до 0, 3% кобальта, около 0, 4% меди и до 0, 1% платины. В древности железо ценилось очень высоко. В документах древнегреческого оратора и поэта Страбона (90 г до н.э.)сказано, что у африканских народов железо стоило в 20 раз дороже серебра и в 6400 раз дороже меди. Метеоритное железо всегда самородное. Оно относится к сверхчистому железу. Правда, из-за содержащейся примеси никеля почти не поддается ковке. Как ни странно, его следует обрабатывать только в холодном виде, а не в разогретом, как обычное железо. Согласно легенде, оружейники, которые не знали этого секрета и не сумели отковать меч из «небесного камня», были безжалостно казнены. Только спустя много столетий эта загадка была разгадана. В ХVIIIв. оружие из никелистого железа появилось у индийского раджи, сабли из уникального металла были у легендарного героя Боливара, у русского царя Александра I.
Чистое железо не ржавеет. Классический пример – Кутубская колонна в Индии, которая стоит уже 1, 5 тыс. лет и не разрушается, несмотря на влажный и жаркий климат. В гробницах египетских фараонов вместе с золотыми украшениями находят железные изделия, кинжалы, бусы. Железо обнаружено даже на Марсе и на Луне, причем в лунном грунте оно присутствует также в самородном состоянии.

 Железо в самородном состоянии встречается на земле главным образом в виде метеоритного:
- в 1908 году упал Тунгусский метеорит весом 50 тыс. тонн.
-в 1916 году в Дальневосточном крае наблюдали падение метеорита, два осколка весили по 256 кг.
- в 1920 году на Юге Запада Африке, нашли метеорит «Гоба» весом 60 тонн.
Вторая остановка «Теоретическая»
Положение железа в ПСХЭМ (Выясняем положение железа в ПСХЭМ, заряд ядра и распределение электронов в атоме)
Ученик: Железо - элемент побочной подгруппы VIII группы. Электронная формула атома железа следующая 26Fe 1s22s22p63s23p63d64s2.
Учитель: В атоме железа в возбужденном состоянии 6 неспаренных электронов, так как происходит распаривание s-электронов и один из них переходит на 4-р орбиталь, поэтому известны соединения железа со степенью окисления +6. Например, феррат калия К2FeO4. Однако для железа более характерны соединения со степенью окисления +2 и +3
Fe0- 2 e-→ Fe2+
Fe0- 3 e-→ Fe3+
Учитель: Каковы физические свойства железа?
Ученик: Железо – серебристо-серый металл, температура плавления -15390С пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Учитель: Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0, 02 -0, 04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0, 01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Железо имеет две формы кристаллических решеток - объемно-центрированный куб и гранецентрированный куб. В первом случае атомы железа расположены в вершинах куба и один в центре, во втором случае - в вершинах куба и в центре каждой грани. Химически чистое железо устойчиво к коррозии.
Третья остановка «Географическая»

(демонстрация коллекции минералов железа)
А теперь, используя знания географии, давайте вспомним минералы железа и их местонахождение в нашей республике(Учащиеся называют)
Учитель: (используется физическая карта Казахстана). В природе железо встречается виде минералов (демонстрируется коллекция). По распространенности среди металлов железо занимает второе место, после алюминия. В настоящее время известны несколько сотен месторождений и рудопроявлений железа. Состав, местонахождение и общая характеристика важнейших минералов железа представлены в таблице
Название минералов Химическая формула содержание железа в % Важнейшие месторождения
Магнетит Fe3O4 до 72 Северный Казахстан (Лисаковское, Соколово- Сарбайское, Карачарское, Аятское)
Центральный Казахстан (Кентобе, Каражалы, Каратас)
Гематит Fe2O3 до 65

Лимонит 2Fe2O3. 3H2O до 60
Сидерит FeCO3 до 10
Пирит FeS2 до 47
Гематит, или красный железняк – основная руда главного металла современности – железа. Содержание железа достигает в нем 70%. Гематит известен с давних пор. В Вавилоне и Древнем Египте он использовался в украшениях, для изготовления печатей, наряду с халцедоном служил излюбленным материалом в качестве резного камня. У Александра Македонского был перстень с вставкой из гематита, который, как он полагал, делал его неуязвимым в бою. В древности и в Средние века гематит слыл лекарством, останавливающим кровь.

Магнетит, или магнитный железняк – минерал, содержащий 72% железа. Это самая богатая железная руда. Замечательное в этом минерале его природный магнетизм – свойство, благодаря которому он был открыт. Как сообщал римский ученый Плиний, магнетит назван в честь греческого пастуха Магнеса. Магнес пас стадо возле холма над р. Хинду в Фессалии. Неожиданно посох с железным наконечником и подбитые гвоздями сандалии притянула к себе гора, сложенная сплошным серым камнем. Минерал магнетит дал в свою очередь название магниту.

Пирит – один из тех минералов, увидев который хочется воскликнуть: "Неужели это так и было?" Трудно поверить, что высший класс огранки и полировки, поражающий нас в рукотворных изделиях, в кристаллах пирита – щедрый дар природы. Пирит получил свое название от греческого слова "пирос" – огонь, что связано с его свойством искрить при ударе стальными предметами. Этот красивый минерал поражает золотистым цветом, ярким блеском на почти всегда четких гранях. Благодаря своим свойствам пирит известен с глубокой древности.
Четвертая остановка «Химическая»
Учитель: Как получают железо?
Ученик: Получают железо восстановлением его оксидов водородом, алюминием или оксидом углерода (II)

FeO+ H2→ Fe + H2O
Fe2O3+ 2 Al→ 2 Fe+ Al2O3
Fe3O4+ 4 CO→ 3 Fe+ 4 CO2
Учитель: Железо, как и большинство металлов побочных подгрупп, является металлом средней активности. Поэтому рассмотрим его химические свойства, составим электронный баланс некоторых реакции:
● Активные неметаллы окисляют железо: 2 Fe0 +3 Cl20→ 2Fe+3Cl3-1
● В сухой атмосфере железо покрывается защитной оксидной пленкой. Такую пленку можно искусственно, прокаливая железо. Так получают вороненую сталь, которая не ржавеет. Раскаленное железо взаимодействует с парами воды:
Fe0+ H2+1O→ Fe+2O+ H20↑
● Во влажном воздухе железо покрывается ржавчиной, смесью продуктов окисления, этот процесс называется коррозия. 4Fe0 + 3О20+ 6H2O = 4Fe+3(O-2Н)3

● Железо восстанавливает водород из обычных кислот, а само окисляется при этом до степени окисления +2: Fe0+ 2 H+1Cl→ Fe+2Cl2+ H20. В концентрированных азотной и серной кислотах железо пассивируется, так как покрывается защитной пленкой нерастворимых соединений.
● Железо восстанавливает менее активные металлы из их солей:
Fe0+ Cu+2Cl2→Fe+2Cl2+ Cu0
Учитель: Теперь познакомимся важнейшими соединениями железа. Для железа характерны два ряда соединений со степенями окисления +2 и +3.
+2 +3

ОКСИДЫ
FeO оксид железа (II) Fe2O3 оксид железа (III)
FeO – порошок черного цвета, не растворим в воде. Проявляет основные свойства:
FeO + H2SO4→ FeSO4+ H2O Fe2O3 красно- бурый порошок, нерастворим в воде. Для него также наиболее характерны основные свойства:
Fe2O3 + 3H2SO4→ Fe2(SO4)3+ 3H2O
Но при высоких температурах он может вести себя как амфотерный оксид, соединяясь с основными оксидами и щелочами при сплавлении:
Fe2O3 + 2 NaOH→ 2 NaFeO2 + H2O
ГИДРОКСИДЫ
Fe (OH)2 Гидроксид железа (II) получают при взаимодействии соответствующей соли со щелочами, растворяется в кислотах, проявляя основные свойства, при нагревании разлагается, неустойчив на воздухе, медленно окисляется кислородом:
FeSO4+ 2 KOH= Fe (OH)2↓ + K2SO4
Fe (OH)2+ 2 HNO3= Fe (NO3)2+ 2 H2O
Fe (OH)2= FeO+ H2O
4Fe (OH)2 +O2+2H2O=4Fe (OH)3 Fe (OH)3 Гидроксид железа (III) получают при взаимодействии соответствующей соли со щелочами, проявляет слабые амфотерные свойства, растворяясь в кислотах и конц. щелочах при нагревании, при нагревании разлагается, устойчив на воздухе, не окисляется:
FeCl3+ 3 KOH= Fe (OH)2↓ + 3KCl3
Fe (OH)3+ 3 HNO3= Fe (NO3)3+ 3 H2O
2Fe (OH)3= Fe2O3+ 3H2O
Пятая остановка «Экспериментальная»
(демонстрация опытов)
Fe2+ Fe3+
Соли железа можно узнать по качественным реакциям со щелочами
Fe2+ + 2 OH- = Fe (OH)2↓
зеленоватый осадок Fe3+ + 3 OH- = Fe (OH)3↓
красно – бурый осадок
для распознавание катионов Fe2+ применяют комплексное соединение железа гексацианоферрат (III) калия (красная кровяная соль), образует темно – синий осадок (турнбулева синь):
K3[Fe (CN)6]↔ 3 K++ [Fe (CN)6]3-
2[Fe (CN)6]3-+ 43Fe3+ = Fe3[Fe (CN)6]2↓ для распознавание катионов Fe3+ применяют комплексное соединение железа гексацианоферрат (II) калия (желтая кровяная соль), образует темно – синий осадок (берлинская лазурь):
K4[Fe (CN)6]↔ 4 K++ [Fe (CN)6]4-
3[Fe (CN)6]4-+ 4 Fe3+ = Fe4[Fe (CN)6]3↓
Для обнаружения ионов трехвалентного железа используют также реактив – тиоцианат калия, образует раствор кроваво- красного цвета
FeCl3+ 3 KSCN= Fe (SCN)3+ 3 KCl
Шестая остановка «Биологическая»
(демонстрация таблицы «Содержание железа в продуктах питания»)
Учитель. – Какова роль железа в жизни человека и растений?

Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Железо обусловливает красную окраску гемоглобина, от которого зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO2. Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Если белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, то вскоре смазанное место зеленеет. Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях –весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.
В организм железо поступает вместе с пищей. В пищевых продуктах содержится трехвалентное железо. А клетки кишечника пропускают только двухвалентное. Попав в кишечник, Fe+3 восстанавливается в Fe+2. Если человек плохо пережевывает пищу, Fe+3 не восстанавливается и остается недоступным. На усвоение влияет и состав пищи. В присутствии витамина С и фруктозы способствуют растворению и усвоению Fe. Но есть враги железа – это чай, кофе, яичные желтки. В их присутствии железо образует труднорастворимые соединения. У человека, страдающего недостатком железа, развивается малокровие.

Седьмая остановка «Закрепительная»
Составьте уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
Fe →FeCl2 →Fe(OH)2→FeO
Fe →FeCl3 →Fe(OH)3 →Fe2O3
Выберите правильные ответы
1. Железо – это активный щелочной металл.
2. Железо легко куется.
3. Железо взаимодействует с разбавленными кислотами.
4. Железо не подвергается коррозии.
5. Температура плавления железа - 15390С.
6. Железо взаимодействует с концентрированными кислотами H2SO4 и HNO3 при нагревании.
7. Атомы железа проявляют окислительные свойства.
8. Железо не обладает способностью намагничиваться.
9. Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна без малейшего пятнышка ржавчины, хотя ее возраст почти 2800 лет.
10. Чистое железо не подвергается коррозии.
11. Охарактеризуйте железо как химический элемент, основываясь на его положении в ПСХЭ Д.И. Менделеева. Отметьте заряд ядра, число электронных облаков, число электронов на последнем электронном слое.
Задание к лабораторному опыту: В 2-х пробирках находятся растворы Fe+3и Fe+2.
Как распознать их?
Итоги урока. Оценки за урок.
Домашнее задание.