Железо

Изучение железа ведется по общему плану, принятому для изучения свойств металлов: схема строения атома и положение элемента в периодической системе, физические и химические свойства, нахождение железа в природе, применение и получение чугуна и стали.

При ознакомлении учащихся с физическими свойствами железа желательно показать образцы из чистого металла, например железные листы из сердечника трансформатора, и сообщить плотность, температуру плавления, электропроводность, магнитные свойства. При этом важно отметить, что при нагревании свыше 770°С (температура красного каления) железо теряет магнитные свойства. Объяснить это можно наличием у железа аллотропных видоизменений и переходом одной формы в другую при повышении температуры. Существованием различных аллотропных видоизменений следует объяснить растворимость углерода в железе при нагревании его выше 800°С и выделение углерода из расплавленного чугуна при его охлаждении. Эти сведения необходимы учащимся для понимания процессов, происходящих в домне, и разрешения проблемы получения железа непосредственным восстановлением его из окислов, минуя чугун.

Для изучения химических свойств железа можно принять следующий план: взаимодействие железа с хлором, с кислородом, с серой, с водородными ионами (действие на кислоты). Так как некоторые свойства железа изучались еще в VII классе, то полезно, повторяя их, показать некоторые ранее демонстрировавшиеся опыты.

При разборе реакций соединения железа с кислородом обращается внимание учащихся на то, что при сжигании железа в кислороде получается закись-окись железа Fe₃О₄. Этот окисел покрывает поверхность железа при его сильном накаливании. Взаимодействие железа с разбавленными кислотами (соляной и серной) теперь можно рассматривать как окислительно-восстановительный процесс, где в роли окислителя выступает ион водорода. При этом железо окисляется в данном случае до двухвалентного катиона. В случае же взаимодействия железа с хлором получается хлорид железа, содержащий трехвалентный ион железа.

Следует также показать пассивирующее действие азотной кислоты на железо. Для этого очищенный железный гвоздь опускают на несколько секунд в концентрированную азотную кислоту, а затем, обмыв его водой, опускают в соляную кислоту. Железо не будет реагировать с соляной кислотой. Если же после обработки гвоздя азотной кислотой почистить поверхность его наждачной шкуркой и опустить в соляную кислоту, железо будет бурно реагировать с нею. Пассивирующее действие азотной кислоты объясняется образованием на железе тончайшей окисной пленки, предохраняющей железо от действия водородных ионов кислоты. В заключение химической характеристики железа рекомендуется сравнить его с другими изученными металлами и указать место его в электрохимическом ряду напряжений металлов.

Соединения железа

Для характеристики железа важно знать состав и свойства окислов, гидратов окислов и некоторых солей, содержащих этот металл. Ознакомление с окислами железа можно начать с его окиси. Если в кабинете нет хороших образцов этого вещества, то его можно получить прокаливанием гидроокиси железа (III). Труднее получить закись железа. Ее получают прокаливанием щавелевокислого железа в атмосфере углекислого газа.

Для ознакомления со свойствами гидроокиси железа (III) рекомендуется получить это вещество действием щелочи на растворы соответствующих солей. Опыт следует проводить самим учащимся. Можно показать на опыте, что гидроокись железа (II) окисляется кислородом воздуха. Для этого гидроокись железа (II) получают в большой колбе или склянке, которую закрывают резиновой пробкой с U-образной стеклянной трубкой, заполненной подкрашенной водой. Вследствие израсходования кислорода, находящегося в воздухе колбы, уровень воды в трубке понижается (это можно отметить при помощи резинового колечка).

Говоря о химических свойствах окислов и гидроокисей железа, важно отметить основной характер закиси и наличие признаков амфотерности у окиси. Эти свойства проявляются в отношении их к щелочам: закись и гидрат закиси железа не реагируют со щелочами, а при сплавлении окиси железа с едким натром получается феррит натрия NaFeО₂.

Основной характер закиси железа подтверждается наличием устойчивых солей двухвалентного железа и слабых кислот: угольной, кремниевой, сероводородной. Кроме того, закись железа сплавляется с двуокисью кремния с образованием силиката, а окись железа не реагирует с двуокисью кремния.

Из солей железа следует рассмотреть те, которые находят широкое применение и важны для химической характеристики железа. К их числу относятся: сульфаты, хлориды и карбонаты. При этом важно отметить, что закисные сульфаты и хлориды железа легко переходят в окисные. Последние же легко гидролизуются. Тем самым выявляется, что гидроокись железа является слабым основанием и сходна в этом отношении (до некоторой степени) с гидроокисью алюминия. Эти различия в свойствах закиси и окиси железа весьма важно знать для правильного понимания условий выплавки чугуна и стали.

Из солей закиси железа достаточно рассмотреть железный купорос FeSО₄·7Н₂О и карбонат железа FeCО₃. Железный купорос получается при обработке разбавленной кислотой железных отходов; он находит применение в сельском хозяйстве, как средство для борьбы с болезнями плодовых деревьев. Карбонат железа распространен в природе (минерал сидерит) и используется для выплавки чугуна. В заключение можно отметить, что сернокислое окисное железо, подобно алюминию, образует двойные соли, например, железоаммиачные квасцы.

При ознакомлении с залежами руд на уроках химии и на уроках экономической географии учитель иногда ограничивается описанием месторождений, указывает состав разведанных запасов тех или иных руд, не касаясь химических превращений, происходящих в земной коре. Следует в беседе о нахождении железа в природе рассказать учащимся о нахождении того или другого элемента в свободном состоянии.