Железо и его соединения.

ЧУ ОО «Татьянинская школа»

Железо и его соединения

Проект ученика 10 класса

                                                          ЧУ ОО «Татьянинской школы»

                                                Сафонова Данилы

                                                                         Руководитель проекта –

                                                                                     учитель химии

                                                                    Захарова Зоя Геннадьевна

                            2018 год

Оглавление.

Введение. ………………………….  3 - 4

Глава 1. Железо. …………………… 5-11

Глава 2. Наши эксперименты. ……. 12-14

Заключение. ………………………….. 15

Список  литературы . ……………........ 16

                                                  Введение.

         Железо - один из металлов, известных человечеству с древних времён. Оно играет огромную роль в жизни человека. В ряду конструкционных материалов его сплавы стоят на первом месте и не уступят его ещё долгое время, несмотря на всё более широкое применение лёгких цветных металлов, полимерных и керамических материалов.

     Выдающийся российский минералог - академик  А.Е. Ферсман писал: «Железо не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно – основа культуры и промышленности, оно – орудие войны и мирного  труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества.»

         В школьном курсе неорганической химии 9 класса на изучение железа и его соединений отводится всего 1-2 урока. За это время невозможно  дать теоретические знания учащимся о строении атома железа, о свойствах простого вещества, о его нахождении в природе, получении в промышленности, о химических свойствах железа и его соединений, а также провести опыты, иллюстрирующие эти свойства. Помочь в ознакомлении учащихся с теоретическим материалом, а также в поддержании  их интереса к изучению химии может презентация к уроку или видеофильм об опытах с железом и его соединениями.

        Создание таких мультимедийных обучающих ресурсов и является целью данного проекта. Для реализации этой цели необходимо выполнить следующие задачи:

1)изучить литературные и интернет - источники информации по теме;

2)провести эксперименты с железом и его соединениями;

3)создать учебный  видеоматериал.

         Объектом исследования является железо и его соединения.

Предметом исследования — опыты, отражающие свойства этих неорганических веществ.

         В работе будут использоваться следующие методы:

1. анализ теоретической литературы по теме;
2. химический эксперимент, наблюдение;
3. видеосъемка;
4. анализ и синтез полученных опытным путём материалов.

                                                    Глава 1.  Железо.

§1 Железо - основа жизни на земле.

          Учёные открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Ионы железа обуславливают красную окраску гемоглобина, от которого зависит цвет крови  человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г атомов железа, входящих в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина - перенос кислорода из лёгких к тканям, а в обратном направлении - углекислого газа. В организм железо поступает вместе с пищей. Если человек плохо пережёвывает пищу, железо не усваивается организмом.

        Железо необходимо и растениям. Растения, выращенные без железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа и они приобретают зелёный 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.

        Почти все используемые человечеством металлы — это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире очень много, гораздо больше, чем других металлов. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны, дешевы. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.

        Более того, без железа не было бы самой планеты Земля. Учёные полагают, что в ядре Земли находится расплавленное железо, которое способствует поддержанию магнитного поля планеты.

        Известный микробиолог Майкл Дентон в своей книге «Предназначение природы» пишет: «Среди всех металлов железо является самым жизненно необходимым и важным для человека».

        Если бы не существовало атомов железа, то невозможно было бы само возникновение жизни, не было бы сверхновых звезд, Земля не достигла бы той температуры, что существовала на первоначальном этапе ее формирования, не было бы атмосферы и гидросферы, не было бы защитного магнитного пояса, не существовало бы озонового слоя, не было бы никаких металлов.

        Таинственная и теснейшая связь между существованием жизни, красным цветом крови и железом, находящемся в ядре Земли, показывает степень важности данного металла для жизни.

§2 Железо в природе.

        Железо (лат. Ferrum) — химический элемент побочной подгруппы VIII группы периодической системы Д.И. Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847. Железо - блестящий серебристо-белый металл. В природе элемент состоит из четырёх стабильных изотопов числами 54, 56, 57 и 58, среди которых преобладает изотоп Fe-56.

        Железо - один из наиболее распространённых в природе элементов: по содержанию в земной коре (4,65% по массе) оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Учёные подсчитали, что примерно 20 000 00 млрд. т этого элемента сконцентрировано в виде месторождений, пригодных для промышленной разработки.

        Исследования советских и американских учёных показали, что железо в заметных количествах присутствует и в лунном грунте. В образцах, доставленных автоматической станцией «Луна-20», железо находится в распылённом неокисленном виде. А красноватый оттенок Марса, как полагают учёные, обусловлен тем, что многие горные породы, слагающие эту планету, покрыты оксидом железа.

        В земной коре самородное, металлическое железо встречается крайне редко и называется теллурическим (от латинского «теллус» - земля). Такое железо получается в уникальных геологических условиях - там, где потоки расплавленной лавы, богатой оксидами железа, на пути своего извержения пересекала пласты каменного угля. И уголь восстанавливал железо до чистого состояния точно так же, как это происходит в доменной печи.

           Важнейшие руды железа: бурые железняки (основной минерал гидрогетит HFeO2 . nH2O, содержащий 63-69% Fe), красные железняки (гематит Fe2O3, 70% Fe), магнитные железняки (магнетит Fe3O4, 72%Fe), шпатовые железняки (сидерит FeCO3, 48% Fe). Большинство минералов железа имеет жёлто-бурый, коричневый, красно-бурый и тёмно-красный цвет, обусловленный наличием ионов Fe3+. 

        Не случайно название минерала «гематит» происходит от греческих слов «хайма» (означающего кровь) и «литос» - камень. Старое русское название этого минерала - «кровавик». Характерно, что и слово «руда», которое когда-то, видимо, относилось только к месторождениям железа, родственно русскому слову «рдеть» - быть ярко-красным — и украинскому «рудный» - рыжий.

        Наиболее крупные природные запасы руд железа, находящиеся в Российской Федерации - Курская магнитная аномалия, на Урале, на юге Западной Сибири.

        §3. Получение железа.

           Первое железо, попавшее в руки наших предков ещё в глубокой древности, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения.

        Древние люди пользовались вначале железом метеоритного происхождении, о чём свидетельствуют распространенные у некоторых народов мифы о богах, сбросивших с неба железные предметы и орудия труда (плуги, топоры). В переводе с многих языков древнего мира слово железо означало небесный металл. Интересно, что к моменту открытия Америки индейцы и эскимосы Северной Америки не были знакомы со способами получения железа из руд, но умели обрабатывать метеоритное железо.

        Метеоритное железо самородное, сравнительно легко поддаётся обработке в холодном виде. Самый крупный железный метеорит найден в 1920г на юго-западе Африки, он весит 60т.

        Способ получения железа - из руд - был открыт во 2-м тыс. до н.э. в западной части Азии и вслед за тем распространился в Вавилоне, Египте, Греции. Вначале железо получали примитивным, так называемым сыродутным, способом. Для этого куски руды дробили, смешивали с древесным углём и помещали в специальные ямы, вырытые  с наветренной стороны на склоне гор или высоких холмов (эти ямы получили название «горнов»). Затем разжигали костёр; при высокой температуре шёл процесс восстановления железа - руда превращалась в металл. Температура процесса в этих условиях была ниже температуры плавления железа, поэтому получался не жидкий расплавленный металл, а мягкая железная губка; для превращения в монолитный металл и придания нужной формы её подвергали горячей ковке.

        По прочности и твёрдости первое рудное железо ещё во многом уступало бронзе, а сыродутный процесс был малопроизводительным. Но постепенно технология совершенствовалась, увеличивались размеры горнов, для подачи воздуха начали применяться большие меха, приводимые в движение усилиями сразу нескольких человек. Позднее древние металлурги научились путём науглероживания и закалки придавать железу  нужные свойства. Теперь уже железо могло не только успешно конкурировать с бронзой, но и занять главенствующее положение среди материалов, используемых человеком. На смену бронзовому веку пришёл век железный (начало 1-го тысячелетия до н.э.).

        Чистое железо  получают в сравнительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его оксидов. В стадии научной разработки находится способ непосредственного получения железа - из руд путём электролиза расплавов. Получает развитие производство достаточно чистого железа - прямым восстановлением его из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах.

        Вследствие своей невысокой прочности железо используется в технике, как правило, не в чистом виде, а в виде различных по составу и свойствам сплавов.

        Важнейшие промышленные сплавы железа - сталь и чугун (в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия). Чугун выплавляют в доменных печах, сталь — в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Для производства сталей и сплавов особо ответственного назначения применяются новые процессы — вакуумный и электрошлаковый переплав, плазменная и электроннолучевая плавка и другие. Учёные работают над созданием экономически выгодных способов выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и позволяющих автоматизировать процесс. Большую группу сплавов железа составляют так называемые ферросплавы, которые применяют в металлургии, главным образом при выплавке специальных сталей.

§4 Свойства железа.

Физические свойства.

          Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Плотность железа – 7,87 г/см3 , температура плавления - 1539°C. В отличие от других металлов, железо обладает ярко выраженными магнитными свойствами.

Химические свойства.

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину – смешанный оксид железа (II,III):

3Fe + 2O2t = Fe3O4

3) При высокой температуре (700–9000C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H2O t= Fe3O4 + 4H2

4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании. В зависимости от силы неметалла, железо окисляется до +2 или +3:

2Fe + 3Cl2 t= 2Fe+3Cl3

Fe + S t= Fe+2S

5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах, образуя соли Fe+2 и водород:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4 + H2

6) В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, образуя соли Fe+3, оксид неметалла и воду:

2Fe + 6H2SO4(конц.) t= Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

Fe + 6HNO3(конц.) t= Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O

(на холоде безводные  азотная и серная кислоты пассивируют  железо).

7) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в электрохимическом ряду напряжений из растворов их солей.

Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu

                                   §5 Свойства соединений железа.

Соединения двухвалентного железа.

Гидроксид железа (II).

Образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

FeCl2 + 2KOH = 2KCl + Fе(OH)2

Fe(OH)2 - слабое основание, растворимо в сильных кислотах:

Fe(OH)2 + H2SO4 = FeSO4 + 2H2O

При прокаливании Fe(OH)2 без доступа воздуха образуется оксид железа (II) FeO:

Fe(OH)2 t= FeO + H2O

В присутствии кислорода воздуха зеленовато-белый осадок Fe(OH)2, окисляясь, постепенно буреет, образуя гидроксид железа (III) Fe(OH)3 рыже-коричневого цвета:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

Соединения железа (II) обладают восстановительными свойствами, они легко превращаются в соединения железа (III) под действием окислителей:

10FeSO4 + 2KMnO4 + 8H2SO4 = 5Fe2(SO4)3 + K2SO4 + 2MnSO4 + 8H2O

6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 2NO2 + 4H2O

Соединения железа склонны к комплексообразованию (координационное число - 6):

FeCl2 + 6NH3 = [Fe(NH3)6]Cl2

Fe(CN)2 + 4KCN = K4[Fe(CN)6] (жёлтая кровяная соль)

Качественная реакция на Fe2+:

При действии гексацианоферрата (III) калия K3[Fe(CN)6] (красной кровяной соли) на растворы солей двухвалентного железа образуется синий осадок (турнбулева синь):

3FeSO4 + 3K3[Fe(CN)6] =3К Fe[Fe(CN)6] + 3K2SO4

Соединения трёхвалентного железа.

Оксид железа (III).

Образуется при сжигании сульфидов железа, например, при обжиге пирита:

4FeS2 + 11O2t = 2Fe2O3 + 8SO2

или при прокаливании солей железа:

2FeSO4 t= Fe2O3 + SO2 + SO3

Fe2O3 - оксид, проявляющий амфотерные свойства:

Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O

Fe2O3 + 2NaOH + 3H2O = 2Na[Fe(OH)4]

Гидроксид железа (III).

Образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа - выпадает в виде бурого осадка:

Fe(NO3)3 + 3KOH = Fe(OH)3+ 3KNO3

При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот становится более светлой вследствие подавления гидролиза. Fe(OH)3 обладает амфотерными свойствами - он растворяется в разбавленных кислотах и в концентрированных растворах щелочей:

Fe(OH)3 + 3HCl = FeCl3 + 3H2O

Fe(OH)3 + NaOH = Na[Fe(OH)4]

Соединения железа (III) - слабые окислители, реагируют с сильными восстановителями:

2FeCl3 + H2S = S + 2FeCl2 + 2HCl

Качественные реакции на Fe3+:

При действии гексацианоферрата (II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок (берлинская лазурь):

4FeCl3 +4K4[Fe(CN)6] = 4КFe[Fe(CN)6] + 12KCl

При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe3+, роданистого калия или аммония - появляется интенсивная кроваво-красная окраска роданида железа(III):

FeCl3 + 3NH4CNS = 3NH4Cl + Fe(CNS)3

(при взаимодействии же с роданидами ионов Fe2+ раствор остаётся практически бесцветным).

Глава 2. Наши эксперименты.

§1 Обоснование необходимости использования видеоматериала.

      Химия – одна из фундаментальных наук естествознания, в основе  которой лежит эксперимент, поэтому изучение этой науки немыслимо без демонстраций химических опытов.

      В школьном курсе неорганической химии на изучение всех металлов отводится примерно 10-12 уроков (включая практическую и контрольную работу) во втором полугодии 9 класса. Железу и его соединениям может быть посвящено не более двух уроков. За такое короткое время невозможно и дать теоретические знания учащимся об особенностях строения атома железа (это d-элемент), о свойствах простого вещества железа и его соединений в степенях окисления +3 и +2, и провести опыты, иллюстрирующие эти свойства. Многие опыты требуют большого количества времени для подготовки и проведения, а некоторые вообще нельзя проводить на уроке с точки зрения техники безопасности.

      С другой стороны, наглядный материал гораздо более ярко демонстрирует и хорошо  запоминается учащимся, чем теоретический. Демонстрация опытов на уроках химии способствует развитию интереса к изучению естественных наук, повышает мотивацию, активизирует учебно-познавательную деятельность учащегося, помогает лучшему пониманию и усвоению материала урока, а , следовательно, повышает эффективность занятия.

                                                         §2 Подготовка и проведение опытов.

       Для правильной постановки демонстрационных опытов по химии необходимо заранее подготовить кабинет, оборудование, химическую посуду и необходимые реактивы. Для успешного осуществления химического эксперимента необходимо знать и соблюдать правила техники безопасности.

       Для проведения экспериментов по теме “Железо и его соединения”  нам потребовались:

1) Оборудование:

Штатив

Спиртовка

Газовая горелка

Лампа

2) Посуда:

Стаканы

Пробирки

3) Химические реактивы:

Fe

HCl

H2SO4

H2SO4 (конц.)

HNO3 (конц.)

CuSO4

FeSO4

NaOH

K3[Fe(CN)6]

FeCl3

KCNS

4) Средства для соблюдения техники безопасности:

Халат

Защитные очки

Перчатки.

                §3 Видеосъемка и монтирование видеоматериала.

      Проведение опытов перед видеокамерой требует соблюдения особенных условий:

1. на демонстрационном пространстве не должно быть ничего лишнего, отвлекающего от данного опыта;
2. человек, проводящий эксперимент, должен обладать навыком проведения химических реакций, работать четко, без лишних движений, с соблюдением правил техники безопасности, выглядеть опрятно;
3. лабораторная посуда не должна быть грязной, разнокалиберной; этикетки на емкостях с химическими реактивами должны быть написаны грамотно и четко, легко читаться зрителями;
4. опыт должен сопровождаться пояснениями (запись голоса или титры).

      Нами была предпринята попытка съемки химических опытов с соединениями железа и последующего монтажа видеоматериала. Съемка производилась в кабинете химии ЧУ ОО «Татьянинская школа».

Заключение.

      Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Происхождение слова “Железо” в различных языках подтверждает тот факт, что оно имеет как метеоритное происхождение, так и добывается из железной руды.

      Значение данного химического элемента отражено в следующем высказывании академика А.Е.Ферсмана:

«А задумывался ли кто-нибудь из вас, что было бы, если все железо исчезло на земле и не осталось бы ни одного грамма этого элемента?...На улицах стоял бы ужас разрушения: ни рельсов, ни вагонов, ни паровозов, ни автомобилей… не оказалось бы, даже камни мостовой превратились бы в глинистую труху, а растения начали бы чахнуть и гибнуть без живительного металла. Разрушение ураганом прошло бы по всей Земле, и гибель человечества сделалась бы неминуемой. Впрочем, человек не дожил бы до этого момента, ибо, лишившись трех граммов железа в своем теле и в крови, он бы прекратил свое существование раньше, чем развернулись бы нарисованные события. Потерять все железо – пять тысячных процента своего веса – было бы для него смертью!»

      В процессе работы над проектом мною были изучены не только химические свойства этого металла, но и его роль в живой и неживой природе, в жизнедеятельности человека. Мне удалось провести  около двух  десятков химических опытов с железом и с его соединениями. Многие из этих опытов мы смогли снять на видеокамеру для монтажа учебного видеофильма.

      Основная функция видео-сопровождения на уроке  -  иллюстративная. В процессе объяснения нового материала имеет смысл демонстрация на экране тех экспериментов, которые невозможно в данный момент провести «вживую» по разным причинам: 1) опыты с запрещенными к использованию в школе реактивами (токсичные, взрывоопасные вещества...), 2) отсутствие необходимых реактивов в школьной лаборатории, 3) проведение опыта требует большого количества времени. В таких случаях видеоролик – это единственная возможность познакомиться с этими реакциями воочию.

      Мы смонтировали учебный видеофильм о свойствах железа и его соединений, который можно демонстрировать на уроках химии в 9 классе. Фильм снабжен титрами с записями уравнений проводимых реакций.

      Работать было непросто (некоторого оборудования и реактивов не было в школьном кабинете химии; много времени занял монтаж видеоматериала), но интересно. Я горжусь тем, что моя работа будет востребована в качестве учебного пособия для уроков химии и в следующие годы.

                                         Список литературы.

1. Ферсман А.Е. Занимательная минералогия. – Л.: Детская литература, 1975. - 238с.
2.  Энциклопедия для детей. Том 17. Химия. Глав. ред. В.А.Володин, вед. науч. ред. И.Леенсон. – М.:Аванта+,2003.
3. Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попов В.А. Начала химии. Современный курс для поступающих в вузы. – М.: Экзамен, 2002  
4. Michael J. Denton, Natures’s Destiny (The Free Press:1998), 198.
5. http://splendor.virtualave.net/FORUMS/traditio/index/html
6. http://www.chem.msu.ru/rus/history/element/Fe.html
7. http://festival.1september.ru