Презентація «Ферум. Залізо: фізичні та хімічні властивості» з хімії для 11 класу

На фото штабель залізних зливків, метал сірого кольору з металічним блиском. Тему поки не пояснюйте, на наступному слайді клас відгадає елемент за підказками. Наголосіть, що Ферум є назвою хімічного елемента, а залізо є його простою речовиною. Типова помилка учнів полягає в тому, що ці дві назви вживають як рівнозначні.

Відкривайте підказки по одній і після кожної давайте класу кілька секунд на здогадку. Відповідь Ферум, проста речовина залізо. Типова помилка полягає в тому, що після другої підказки називають Алюміній, але Алюміній посідає перше місце серед металічних елементів земної кори, а шуканий елемент друге. Підказка про магніт зазвичай знімає сумніви.

Ферум має порядковий номер 26, тож в атомі 26 електронів. Зверніть увагу, що 4s-підрівень уже заповнений, а електронами добудовується 3d-підрівень, звідси назва d-елемент. Схема показує, що атом першими віддає два електрони зовнішнього 4s-підрівня і перетворюється на йон Fe²⁺. Типова помилка в тому, що учні забирають електрони з 3d-підрівня, бо його заповнюють останнім.

Порівняйте дві конфігурації. У Fe²⁺ шість електронів на 3d-підрівні, одна пара і чотири неспарені, у Fe³⁺ п'ять неспарених, по одному в кожній з п'яти клітинок. Наполовину заповнений підрівень стабільніший, тому ступінь окиснення +3 для Феруму стійкіший. Типова помилка в тому, що стабільнішим вважають стан +2, бо атом віддає менше електронів.

Шумерська назва заліза означає «те, що капнуло з неба», і, можливо, перше відоме людству залізо справді впало з неба разом з метеоритом. Уважають, що залізо становить більшу частину ядра Землі та планет земної групи. Запитайте клас, чому в земній корі самородного заліза немає, і підведіть до думки, що метал досить активний і на Землі Ферум трапляється лише у сполуках.

У природі Ферум трапляється виключно у сполуках, найпоширеніші з них оксиди. У земній корі на Ферум припадає 5 % за масою, це друге місце серед металічних елементів після Алюмінію. Сидерит FeCO₃, пірит FeS₂ і халькопірит CuFeS₂ мають красивий вигляд, тому їх використовують як виробне каміння. В Україні є Криворізький, Кременчуцький і Придніпровський залізорудні басейни із запасами майже 30 млрд т, цього має вистачити на 180 років, а за обсягами виробництва залізної руди Україна сьома у світі. Жовтуватий колір піску і буре забарвлення ґрунтів дають сполуки тривалентного Феруму.

Відповіді. Mr(Fe₂O₃) = 160, w(Fe) = 112 / 160 = 70 %. Mr(Fe₃O₄) = 232, w(Fe) = 168 / 232 ≈ 72,4 %. Mr(FeS₂) = 120, w(Fe) = 56 / 120 ≈ 46,7 %. Найвигідніший магнетит Fe₃O₄, у ньому найбільша масова частка Феруму. Залізо з руди добувають відновленням при нагріванні, Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Відновником є карбон(II) оксид, C⁺² − 2e⁻ → C⁺⁴, а Fe⁺³ + 3e⁻ → Fe⁰. Це рівняння знадобиться в домашній задачі про 320 г ферум(III) оксиду. Типова помилка в тому, що Ar(Fe) не множать на число атомів Феруму у формулі.

Числа взято з підручника. Залізо зберігає намагніченість після усунення дії зовнішнього магнітного поля, це явище називають феромагнетизмом, тому із заліза виготовляють магніти й матеріали для запису інформації. Домішки, зокрема вуглецю, підвищують твердість і крихкість заліза. У переліку фізичних властивостей підручник у дужках називає залізо парамагнетиком, але точніше воно феромагнетик, бо зберігає намагніченість після усунення дії зовнішнього магнітного поля. Якщо учні запитають про це слово, поясніть саме цю різницю.

Залізо досить активне, його відносять до металів середньої активності. За звичайних умов воно з киснем реагує повільно, а при нагріванні на повітрі його поверхня вкривається залізною окалиною. Окалина Fe₃O₄ є змішаним оксидом FeO·Fe₂O₃, у ній Ферум має ступені окиснення +2 і +3. Типова помилка в тому, що продуктом горіння заліза записують Fe₂O₃.

Залізний дріт активно згоряє у хлорі з утворенням ферум(III) хлориду, а під час нагрівання заліза із сіркою утворюється ферум(II) сульфід. Запитайте клас, у якому продукті ступінь окиснення Феруму вищий. Хлор сильніший окисник, тому окиснює Ферум до +3, а сірка лише до +2. Типова помилка в тому, що за аналогією з хлором записують продукт Fe₂S₃.

Підкресліть, що продукт реакції заліза з водою залежить від умов. Якщо крізь розпечені залізні ошурки пропускати перегріту водяну пару, утворюються залізна окалина і водень. За звичайних умов реакція відбувається лише за участю кисню, і утворюється бурий ферум(III) гідроксид. Типова помилка в тому, що учні за аналогією з активними металами пишуть продуктами Fe(OH)₂ і водень.

За звичайних умов залізо активно реагує з розведеними кислотами, на металі з'являються бульбашки водню. Продуктами є солі Феруму зі ступенем окиснення +2, ферум(II) сульфат або ферум(II) хлорид. Під час нагрівання реакції пришвидшуються. Типова помилка в тому, що в продукті пишуть Fe₂(SO₄)₃ або FeCl₃.

У FeCl₂ ступінь окиснення Феруму +2, у FeCl₃ +3. Для реакції з хлором Fe⁰ − 3e⁻ → Fe⁺³ з множником 2 і Cl₂⁰ + 2e⁻ → 2Cl⁻¹ з множником 3. Для реакції з хлоридною кислотою Fe⁰ − 2e⁻ → Fe⁺² і 2H⁺¹ + 2e⁻ → H₂⁰, множники по 1. В обох реакціях залізо є відновником, а йони Гідрогену слабші окисники, ніж хлор, бо окиснюють Ферум лише до +2. Типова помилка в тому, що в балансі для хлору пишуть один атом Cl замість молекули Cl₂.

Розведена сульфатна кислота реагує із залізом за звичайних умов і дає ферум(II) сульфат і водень. Холодні концентровані сульфатна і нітратна кислоти пасивують залізо, на його поверхні утворюється захисна плівка ферум(III) оксиду. При нагріванні концентровані кислоти окиснюють Ферум до ступеня окиснення +3. Рівняння 2Fe + 6H₂SO₄(конц.) → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O і Fe + 4HNO₃(25 %) → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O. Типова помилка в тому, що учні вважають, ніби холодна концентрована кислота реагує із залізом активніше за розведену.

Після занурення заліза в розчин купрум(II) сульфату поверхня заліза вкривається червоним нальотом міді. Залізо віддає два електрони і є відновником, а йони Cu²⁺ їх приймають. Метал у складі солі має бути менш активним, ніж залізо, тому з розчином солі цинку чи магнію залізо не реагує. Типова помилка в тому, що продуктом записують ферум(III) сульфат.

На сплави заліза припадає 95 % світового металургійного виробництва. Сталь з близько 1 % вуглецю має високу твердість, її використовують для різальних інструментів, а зі сплаву заліза з манганом виплавляють рейки для залізниці. Чавун витримує великі механічні навантаження, але від сильного удару розбивається, раніше з нього виплавляли гармати, ядра й посуд. Запитайте клас, на якій властивості ґрунтується кожне застосування.

Ферум є важливим мікроелементом. В організмі дорослої людини 75 % Феруму міститься в гемоглобіні, а 25 % у складі деяких вітамінів і білків. Добова потреба становить від 4 до 18 мг у дітей, 10 мг у чоловіків і 18 мг у жінок. Типова помилка в тому, що учні вважають Ферум корисним у будь-якій кількості, хоча шкодить і нестача, і надлишок.

Правильна відповідь FeSO₄. Розведена сульфатна кислота окиснює Ферум лише до +2, тому утворюються ферум(II) сульфат і водень. Типова помилка полягає у виборі Fe₂(SO₄)₃, бо ця сіль утворюється з концентрованою кислотою і лише при нагріванні. FeS є продуктом реакції із сіркою, а Fe₃O₄ є залізною окалиною, а не сіллю.

Правильна відповідь Fe(OH)₃. За звичайних умов залізо реагує з водою лише за участю кисню, 4Fe + 6H₂O + 3O₂ → 4Fe(OH)₃, а буре забарвлення мають сполуки тривалентного Феруму. Типова помилка полягає у виборі FeO, але в ньому Ферум має ступінь окиснення +2, а бурий колір вказує на +3. FeS і FeCl₂ утворюються із сіркою та хлоридною кислотою, у вологому повітрі їх немає.

Пройдіться гілками схеми і попросіть клас навести до кожної рівняння або число з уроку. Будова атома пояснює два ступені окиснення, а сила окисника визначає, котрий із них буде в продукті. Нагадайте ключову ідею параграфа. Ферум є поширеним металічним елементом, важливим для живих організмів і людської цивілізації.

Електронний баланс Fe⁰ − 3e⁻ → Fe⁺³ з множником 2 і S⁺⁶ + 2e⁻ → S⁺⁴ з множником 3. У задачі про карбон(II) оксид Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂, n(Fe₂O₃) = 320 / 160 = 2 моль, n(CO) = 6 моль, V = 6 · 22,4 = 134,4 л. У задачі про нітроген(II) оксид Fe + 4HNO₃ → Fe(NO₃)₃ + NO↑ + 2H₂O, n(NO) = 0,224 / 22,4 = 0,01 моль, стільки ж заліза, тому m(Fe) = 0,01 · 56 = 0,56 г.