Роль железа в организме и использование его соединений в медицине

Железо и его соединения

План.

1) Особенности строения атомов. Железо как представитель переходных металлов.

2) Особенности физических свойств

3) Особенности химических свойств

4) Нахождение в природе

5) Получение

6) Применение железа

7) Соединения железа, их свойства и применение.

Особенности строения атомов. Железо как представитель переходных металлов.

Железо находится в 4 периоде, в 8 группе, побочной подгруппе, относится к d-элементам. Т.е. на внешнем 4-ом электронном слое находится два электрона, идет заполнение предпоследнего уровня, 3d-подуровня.

Электронная конфигурация железа 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶

В химических процессах у атомов побочных металлов принимают участие не только s²-электроны последнего электронного уровня, но и электроны незавершенного d-подуровня. Такие электроны называют валентными. Как именно это происходит - зависит от конкретной конфигурации электронов (от энергии такой конфигурации).

Для железа, как и для почти всех d-элементов, возможна степень окисления +2. При этом атом железа «теряет» два электрона которые находятся у него на внешнем слое.

Т.е. у него остается 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶

Такая конфигурация неустойчива. Напомним, максимально выгоден полностью заполненный слой (правило октета), потом - полностью заполненный подуровень, потом - наполовину заполненный подуровень). Значит степень окисления +2 будет для железа неустойчивой, нехарактерной. Потеряв еще один электрон железо приобретает наполовину завершенный подуровень 3d⁵и стабильную степень окисления +3.

Возможны и другие степени окисления, но в школьном курсе такие соединения не изучаются, для железа они – экзотичны. Помните только, что железо может использовать при образовании соединений и остальные свои валентные электроны.

Физические свойства. Серебристо белый металл, проводит электрический ток и тепло, довольно мягкий, пластичный, ρ 7,8 г/см³, температура плавления около 1530 (существуют несколько аллотропических модификаций железа обозначаемых греческими буквами), имеет магнитные свойства.

Особенности химических свойств

Металл средней активности, восстановитель. Со слабыми окислителями железо окисляется до степени окисления +2, с сильными – до +3.

При нагревании (особенно в раздробленном состоянии) окисляется кислородом и другими неметаллами.

Fe + O₂ → FeO∙Fe₂O₃( Fe₃O₄)

Fe + Cl₂ → FeCl₃

Fe + S → FeS

На воздухе в присутствии малейших следов влаги железо окисляется кислородом при обычной температуре. Этот процесс носит название «ржавление железа», а образовавшийся гидратированный оксид железа называют ржавчиной. А на химическом языке этот процесс, протекающий самопроизвольно при контакте железа с окружающей средой, принято называть коррозией.

Fe + H₂O + O₂ → Fe(OH)₃ или Fe₂O₃∙nH₂O

Окисляется железо и ионами водорода. Это может быть перегретый водяной пар или разбавленные растворы кислот. Обычно образуется смесь соединений со степенями окисления и +2 и +3. Можно сказать и иначе: образуются соединения со степенью окисления +2, которые кислородом воздуха легко окисляются до соответствующих соединений со степенью окисления +3.

Т.е. в отсутствие воздуха окисление разбавленными кислотами-неокислителями проходит по уравнению:

Fe + HCl → FeCl₂ + H₂

Концентрированные кислоты-окислители при нагревании окисляют железо до более высокой степени окисления

Fe + H₂SO₄₍_конц₎ → Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + H₂O

Обратите внимание! Так эта реакция проходит при нагревании, а на холоду железо пассивируются, и с кислотами уже не взаимодействует. С растворами щелочей железо при н.у. тоже не взаимодействует.

Железо может окисляться ионами малоактивных металлов (Cu²⁺, Sn²⁺…):

Fe + Hg(NO₃)₂ → Hg+ Fe(NO₃)₂

Нахождение в природе

Содержание в земной коре – 5,1% по массе, второй после алюминия металл по распространенности. В свободном состоянии встречается только в составе метеоритов. А обычно - в виде соединений:

магнитный железняк (магнетит), Курская магнитная аномалия

красный железняк (гематит), Криворожский железно-рудный бассейн

бурый железняк,

шпатовый железняк, Керченское месторождение

железный колчедан (пирит)

Железо входит в состав живых организмов в виде сложных комплексных соединений с органическими веществами.

Получение

1. Восстановлением из оксидов (доменный процесс). Суть процесса: Fe₂O₃ + С → Fe+ СO₂, т.е. восстановление оксида железа, содержащегося в железной руде, коксом. Третьим компонентом необходимым для доменного процесса являются флюсы (СаСО₃), они переводят тугоплавкие пустые породы (SiO₂) в легкоплавкие и легкие шлаки (силикаты). Процесс проводят в домнах (печи высотой обычно около 25 м и диаметром до 10 м). Это непрерывный производственный процесс. Сверху засыпают шихту (кокс, руда, флюсы), снизу подают кислород. Восстановленное железо плавится и стекает в нижнюю часть печи – горн. Оттуда его периодически выпускают. Но это железо содержит много углерода. Т.е. в домнах получают не железо, а его твердый и хрупкий сплав – чугун.

Процесс удаления лишнего углерода из чугуна называют переделкой. Его суть заключается в окислении «лишнего» углерода кислородом. Этот процесс проводят в мартеновских печах или кислородных конвекторах. Сырьем кроме чугуна является железный лом, легирующие добавки, кислород. В результате получается ковкий сплав железа – сталь.

2. Алюминотермия,как метод получения железа, используется в странах имеющих дешевую электроэнергию.

Соединения железа.

Для всех переходных металлов характерна зависимость свойств соединений элемента от его степени окисления. Чем выше с.о. элемента тем сильнее проявляются кислотные и окислительные свойства его соединения.

Железо (II)

FeO (твердое черное вещество, нерастворимое в воде)

Fe(OH)₂ (бледно-зеленый студенистый осадок, твердое вещество практически нерастворимое в воде)

FeCl₂ и др. соли (кристаллические вещества бледно-зеленого цвета, используют в с/х как микроудобрение)

Основные свойства оксида и гидроксида (т.е. они вступают в реакцию нейтрализации с кислотами)

FeО + HCl → FeCl₂ + H₂О

Fe(OH)₂ +H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂O

Восстановительные свойства (т.е. они легко окисляются)

Fe(OH)₂ + O₂ + H₂O → Fe(OH)₃

Железо (III)

Fe₂O₃ (твердое вещество красно коричневого цвета, нерастворимое в воде, известно под названием железный сурик, используется как пигмент для красок, как окислитель в пиротехнических смесях)

Fe(OH)₃ (бурый студенистый осадок, твердое вещество практически нерастворимое в воде, ржавчина)

FeCl₃ и др. соли (кристаллические вещества коричневого или желтого цвета, используют для очистки воды, в медицине - как окислитель, бактерицидное средство)

Оксид и гидроксид имеют амфотерные свойства (т.е. они вступают в реакцию нейтрализации и с кислотами и со щелочами)

Fe(OH)₃ + HCl → FeCl₃ + H₂О

Fe(OH)₃ + NaOH → Na₃[Fe(OH)₆]

Окислительные свойства у соединений проявляются слабо, т.е. взаимодействуют только с сильными восстановителями)

FeCl₂ + H₂S → FeCl₂ + S + HCl

Применение железа

В чистом виде железо обычно не используют. Любые примеси, иногда очень незначительные, сильно изменяют свойства железа, а главное – усиливают его склонность к коррозии. Поэтому из чистого железа изготавливают только сердечники электромагнитов, якоря электродвигателей, а в основном используют сплавы железа.

Роль железа в организме и использование его соединений в медицине.

По количественному содержанию в организме все d-элементы относятся к микроэлементам. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов; это значит, что они регулируют процессы размножения, роста, обмена веществ и т.д. Для медиков большой интерес представляют изменения количества микроэлементов в организме при различных патологических состояниях. Т.е. измерение содержания микроэлементов в органах и тканях позволяет диагностировать и, следовательно, лечить некоторые заболевания.Содержаниежелеза в организмечеловекапримерно10^-5%. Большаячасть железа находится в крови (в эритроцитах в виде вещества гемоглобина), остальное - в ферментах, участвующих в ОВР, в процессах тканевого дыхания и иммуногенеза. Потребность в сутки – 20 мг. Применение: хлорид железа II, влияет на иммуногенез; хлорид железа III – кровоостанавливающее средство; органические препараты железа используют как противоанемические средства.

Коррозия – самопроизвольное разрушение металлов и их сплавов под действием окружающей среды. Причины коррозии могут быть разными, но химическая сущность этого процесса одна: атомы металла теряют электроны, при взаимодействии с компонентами окружающей среды (т.е. окисляются), и при этом образуются различные соединения этого металла (оксиды, гидроксиды и т.д.), устойчивые к действию этих компонентов при данных условиях.

Коррозия причиняет огромный ущерб. Больше всего страдают от коррозии железо и его сплавы (и как наиболее распространенные в технике и в результате особых свойств железа). Примерно 25% выплавленной за год стали превращается в ржавчину за это время. Особенно активно идет коррозия в аппаратах химической промышленности, здесь на них действуют различные агрессивные вещества (окислители, кислоты, щелочи…), к тому же при повышенном давлении и температуре. Но убытки от коррозии — это не только потеря металла, это выход из строя оборудования и сооружений, загрязнение окружающей среды, аварии и гибель людей.

При повышенной температуре металлы окисляются кислородом воздуха или другими неметаллами (хлором и т.д.), например: Fe + O₂→ Fe₂O₃ Такая коррозия называется газовой.

Часто коррозия развивается во влажном воздухе и тогда на поверхности металла образуется тончайшая пленка влаги, в которой растворены кислотные оксиды (прежде всего СО₂). Иногда металл контактирует с растворами электролитов (грунтовая вода, морская вода, почва…). В этих случаях окислителями выступают ионы водорода или реакция протекает с участием молекул воды. Такая коррозия называется электрохимической. Например:

Fe + H₂O+ O₂→ Fe(OH)₂

Fe(OH)₂ + H₂O+ O₂→ Fe(OH)₃

Fe + H₂CO₃→ FeCO₃ + H₂

Для защиты металлов от коррозии применяют различные методы.

1. Покрытия. Чтобы прекратить контакт металла с окружающей средой используют различные покрытия. Они бывают:

А) металлические покрытия (никелирование, хромирование, оцинкование, лужение и т.д.). Для этого используют:

1) малоактивный металл, который не подвергается быстрой коррозии (Sn);

2) металл, образующий прочную оксидную пленку, защищающую от дальнейшей коррозии (Al);

3) активный металл, «принимающий удар на себя» (Zn).

Б) неметаллические покрытия: лаки, краски, эмали, полимеры.

2. Ингибиторы коррозии. В растворы, которые контактируют с металлами, добавляют вещества, обладающие отрицательной каталитической активностью, т.е. уменьшающие скорость химических реакции коррозии. Например, для систем отопления используют метафосфаты натрия.

3. Катодная защита. Если станину станка или металлоконструкцию подсоединить к отрицательному полюсу постоянного источника тока, то процессы окисления металла проходить не будут.

4. Протекторы. Если к корпусу судна подсоединить кусок активного металла (Zn), то окисляться будет он, а не стальной корпус.

5. Коррозионностойкие сплавы. Добавление некоторых металлов (Cr, Ni) в сплавы железа делают их устойчивыми к коррозии.

Сплавы. Для большинства металлов характерна способность растворятся друг с другом в расплавленном состоянии и при охлаждении образовывать сплавы. Сплавы могут состоять из двух и более компонентов. Это могут быть металлы, неметаллы и продукты их взаимодействия. Сплавы используют очень широко, потому что чистые металлы не всегда обладают всем набором качеств, которые необходимы для той или иной цели. Сплавы сочетают свойства металлов, которые вошли в состав сплава, а иногда даже появляются свойства, которых не имели исходные вещества. Сплавы бывают двух видов:

1) Если сплавляют близкие по свойствам металлы, то они смешиваются неограниченно друг с другом и образуют твердые растворы (дюралюминий: Al и Cu). Такие сплавы прочные, пластичные, сочетают свойства компонентов, но новых свойств от них ждать не приходится.

2) Если компоненты очень различны по природе, то каждый кристаллизуется отдельно, и сплав – механическая смесь мельчайших кристаллов этих компонентов (чугун: Fe и С). Такие сплавы хрупкие, на разломе можно различить кристаллы разных компонентов, возможно появление новых свойств (например, чугун расширяется при охлаждении).

3) Если компоненты взаимодействуют между собой, то образуются т.н. соединения интерметаллиды, обладающие какими-то свойствами, отличными от свойств исходных веществ (чугун: Fe₃С- цементит, обуславливает высокую твердость чугуна).

Железо и его сплавы называют черными металлами. Остальные металлы и их сплавы – цветными. Для железа существует два вида сплавов: чугуны и стали. Чугуны содержат более 2% углерода, стали – меньше 2%.

Чугуны твердые, химически стойкие. Чугуны бывают:

Передельный (до 90% от всего выплавленного чугуна) - содержит углерод в основном в виде цементита. Используют для переработки в сталь. Очень твердый и хрупкий. Литейный чугун – содержит углерод в виде кристаллов графита. Механически литейный чугун более прочный, чем передельный. Он имеет легирующие добавки, уменьшающие хрупкость. Используют для изготовления литых изделий (станины станков, посуда…). В отличии от других сплавов чугун увеличивает объем при переходе от жидкого состояния к твердому.

Стали содержат углерода менее 2% (а чаще и менее 1%), но содержат специальные добавки, которые называют легирующими (хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кремний…). Сталь можно подвергать ковке и прокату, она более пластична, особенно при высокой температуре. Легирующие добавки сильно меняют свойства стали. Так изготавливают нержавеющие, инструментальные, жаропрочные стали и т.д.

Задания для закрепления и систематизации полученных знаний:

Упр.№1В чем отличие строения атома железа от строения атомов типичных металлов?

Упр.№2 Какие два ряда соединений образует железо и почему? Запишите формулы этих соединений.

Упр.№3С какими из перечисленных веществ будет реагировать железо при н.у.? Запишите уравнения реакций, поставьте степени окисления укажите окислитель и восстановитель.

а) раствор серной кислоты; б) фтор; в) магний; г) вода; д) кислород.

Упр.№4 Встречается ли в природе свободное железо? Почему?

Упр.№5 Как получить железо из его оксида? Почему эту реакцию называют восстановлением железа? Можно ли использовать эту реакцию для получения железа в промышленности?

Упр. №6 Какие два вида сплавов железа вы знаете? Чем они отличаются друг от друга? Как их обрабатывают? Для чего их используют?

Упр. №7С какими из перечисленных веществ будет реагировать железо и при каких условиях? Запишите уравнения реакций, поставьте степени окисления укажите окислитель и восстановитель.

а) раствор соляной кислоты; б) хлор; в) барий; г) вода; д) кислород.

Упр. №8С помощью каких реакций можно осуществить эти превращения? Запишите уравнения реакций. Какое из этих уравнений относится к реакциям ионного обмена? Запишите для него ионные уравнения.

Fe →FeBr₃ → Fe(OH)₃ → Fe₂O₃ → Fe

Упр.№9 Как можно получить сульфат железа (П)? (4 способа!) Напишите уравнения реакций. Какая из них относится к ОВР? Почему?

Упр.10 Железный гвоздь опустили в раствор нитрата ртути (П) и в раствор нитрата бария. В каком случае произойдет химическая реакция? Почему?

Домашнее задание

Упр.№1 Напишите схему строения и электронную формулу железа. В чем отличие строения атома железа от строения атомов типичных металлов?

Упр.№2 Какие степени окисления проявляет железо? Запишите формулы соответствующих оксидов и гидроксидов.

Упр.№3 Какие металлы больше всего похожи на железо?

Упр.№4 Опишите физические свойства железа. Чем этот металл отличается от других металлов?

Упр.№5В каком виде находится железо в природе? Почему?

Упр.№6 Каким способом чаще всего получают железо?

Упр.№7С какими из перечисленных веществ будет реагировать железо при н.у.? Запишите уравнения реакций, поставьте степени окисления укажите окислитель и восстановитель.

а) раствор серной кислоты; б) фтор; в) магний; г)вода; д) кислород.

Упр. №8Какую массу соли получим при растворении гидроксида железа (Ш) в серной кислоте массой 490 г?

Упр.№9 Что такое коррозия? Какие способы защиты от нее существуют?

Упр.10 Что такое чугун и сталь? Опишите их свойства и применение.Почему сплавы железа широко используют в народном хозяйстве?

Тесты. Железо

№	вопрос	А	Б	В	Г
1	Чугун- сплав, в состав котрого обязательно входит	железо и сера	железо и кислород	железо и углерод	медь и олово
2	Восстановителем может быть	Fe⁺³	Fe⁺²	Al⁺³	Na⁺
3	В природе железо встречается в виде минерала	красный железняк	серый железняк	желтый железняк	черный железняк
4	Доменный процесс используют для получения	чистого железа	алюминия	чугуна	стали
5	Железо в соединениях имеет	Переменную валентность	Валентность равную нулю	Валентность постоянную	отрицательную валентность
6	Окислительные свойства железо проявляет	Fe₂O₃	FeCl₂	Fe (простое вещество)	FeSO₄
7	Какая реакция возможна для металлического железа при обычной температуре	Взаимодействие с концентрированной серной кислотой	Взаимодействие с разбавленной соляной кислотой	Взаимодействие с гидроксидом натрия	Взаимодействие с хлоридом цинка
8	При горении железа в кислороде образуется	FeO	Fe₂O₃	Fe₃O₄	Fe(OH)₃
9	Ион железа(Ш) в растворе можно обнаружить с помощью	Соляной кислоты	Гидроксида натрия	Медного купороса	Нитрата серебра
10	В организме человека большая часть железа находится	в эритроцитах крови	В нервной ткани	В печени	Щитовидной железе
11	Формула оксида железа (П)	Fe₂O₃	FeCl₃	FeN	FeO
12	При горении железа в хлоре образуется	FeCl₃	Fe₂O₃	FeCl₂	FeCl₅
13	Химическая суть процесса коррозии	Восстановление металла кислородом воздуха	Взаимодействие металла с водой	Окисление металла	Образование ржавчины
14	Железо в промышленности обычно восстанавливают	водородом	коксом	Электрическим током	хлором
15	В уравнении реакции Fe + O₂ → Fe₂O₃перед восстановителем надо поставить коэффициент	1	2	3	4

Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 390; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!