Окисление железа в воде уравнение

ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ ВОДЫ. ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА.
(автор: Ген.директор компании «МИРОВЫЕ ВОДНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» — С.В.Черкасов)

1. ВВЕДЕНИЕ

Во многих регионах РФ, в том числе в Москве и Подмосковье, содержание железа в воде для большинства источников водоснабжения превышает допустимое рекомендациями СанПиН 2.1.4.1074-01. Ограничение на содержание железа в питьевой воде введено в СанПиН по органолептическим признакам имеет ПДК равным 0,3 мг/л. Избыточное количество железа в воде при ее употреблении просто в быту приводит к неблагоприятному воздействию на кожу, влияет на морфологический состав крови, может быть причиной возникновения аллергических реакций.
Вода, содержащая железо в концентрациях 1,0-1,5 мг/л и более, имеет желтовато-бурую окраску, повышенную мутность, железистый привкус, поэтому непригодна для питья. И даже в таких концентрациях железо не представляет прямой угрозы здоровью человека (если не пить ее постоянно), но и в менее низких концентрациях оно может причинить значительный вред бытовой и промышленной технике. Так уже при содержании общего железа 0,5 мг/л начинается интенсивное образование рыхлого шлама из хлопьевидных осадков в системах водоснабжения. Скопления шлама вызывают засоры со всеми вытекающими из этого последствиями, как для систем водоснабжения, так и для промышленной и бытовой техники. Страдает от повышенных концентраций железа также «белизна» ванн, раковин и другой сантехники. А во многих производствах (медицинская, пищевая, электронная отрасли промышленности и др.) требуется еще более высокая степень очистки воды от примесей этого элемента. Особенно это актуально при дальнейшем использовании в процессах очистки воды таких ступеней как обратный осмос, электродеионизация. Хотя и не менее важно защитить от железа обычную стадию умягчения воды.
Именно поэтому удаление железа из воды (обезжелезивание), понижение его концентрации до допустимых норм является одной из самых насущных задач водоподготовки.
Содержание железа в разных источниках водоснабжения значительно отличается как по форме соединений железа, так и по его суммарной концентрации.
Анаэробная (не имеющая контакта с воздухом) прозрачная грунтовая вода может содержать соединения двухвалентного железа (Fe +2 ) до нескольких мг/л без ее помутнения при прямой подаче из источника. Однако при контакте с кислородом воздуха двухвалентное железо окисляется до трехвалентного коллоидного состояния, придавая воде характерный красно-коричневый оттенок.
Поэтому для начала давайте разберемся с формами существования железа в природных водах (колодец, песчаная скважина, артезианская скважина), а далее обсудим методы очистки.

2. ПРИРОДНЫЕ ФОРМЫ ЖЕЛЕЗА В ВОДЕ.

2.1. Формы железа в поверхностных водах.

Как ни странно, поверхностные воды (или так называемая «верховодка») служат основным источником водозабора для водоснабжения городов, крупных посёлков, промышленных предприятий, коттеджей и дач. Содержание железа в таких источниках обычно находится в пределах десятых долей миллиграмма на литр воды, но может превышать допустимую норму (0,3 мг/л). Как правило, железо поверхностных вод встречается в составе комплексов с солями гуминовых кислот (гуматы). Естественно, что повышенное содержание железа наблюдается в болотных или торфянистых водах, где концентрация гумусовых веществ велика. В этом случае содержание железа в воде может достигать 10 мг/л, а иногда 25 мг/л.
Гуминовые комплексы железа относят к так называемому растворимому органическому железу. К органическому железу относят еще и коллоидное железо, находящееся в воде во взвешенном состоянии в составе коллоидных частиц, образованных крупными органическими молекулами (танины, лигнины), а также бактериальное железо, которое получается в процессе жизнедеятельности железобактерий, окисляющих двухвалентное железо до трёхвалентного состояния. Бактериальное железо сохраняется в желеобразной оболочке вокруг бактерий, создающих радужные пленки на поверхности водоемов (баков) или слизистые сгустки и пленки в системах водоснабжения (наша справка).

Гуминовые комплексы железа являются чрезвычайно устойчивыми комплексными соединениями железа. Поэтому процесс «обезжелезивания» таких комплексов складывается из достаточно большого количества стадий, которые мы опишем немного позже.
Все приведенные данные относятся также к колодезным водам и водам, полученным из, так называемых, «песчаных скважин».

2.2. Формы железа в скважных водах.

Скважинные инфильтрационные воды забираются с небольшой глубины (поверхностные скважины или песчаные) и по своему составу близки к составу поверхностных вод с невысоким, но вполне вероятно, превышающим ПДК содержанием железа. Они, как правило, обогащены кислородом и поэтому в инфильтрационных водах железо присутствует в трехвалентной форме. Однако в последнее время при очистке от железа воды, добытой из песчаной скважины, специалистам приходится сталкиваться с тем, что эта вода имеет все тенденции и состав, чтобы быть отнесенной к поверхностным водам. А самое главное иногда, эти воды содержат железо, концентрация которого в десятки раз превышает ПДК. При этом чаще всего это гуматы железа.
Артезианские воды, забираемые с большой глубины (так, что между ними и инфильтрационными водами находится хотя бы один водонепроницаемый слой, наиболее пригодны для использования в качестве питьевой воды. Они лучше других вод очищены природными фильтрами от антропогенных загрязнений и защищены от проникновения болезнетворных микроорганизмов. В то же время именно в таких глубинных скважинных водах концентрация железа порой бывает наиболее высокой. В подземных водах с малыми значениями pH и с низким содержанием растворенного кислорода может наблюдаться концентрация железа до нескольких десятков миллиграммов в 1 л. В районах же залегания сульфатных руд и зонах молодого вулканизма концентрации железа могут достигать сотен миллиграммов на литр.
В артезианских скважинных водах железо преимущественно присутствует в двухвалентном состоянии, обычно в виде растворенного бикарбоната – Fe(HCO₃)₂. Встречаются также карбонатная (FeCO₃), сульфатная (FeSO₄) и сульфидная (FeS) формы растворенных соединений двухвалентного железа. В трехвалентном состоянии растворенное железо встречается крайне редко в виде сульфатов (Fe2(SO4)3) или растворимых органических комплексов.

3. МЕТОДЫ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЯ ВОДЫ.

Необходимая степень обезжелезивания воды определяется конечными целями, для которых эта вода будет использоваться. И хотя на сегодняшний день не существует единого универсального метода комплексного удаления всех существующих форм железа из воды, но используя ту или иную схему очистки, все равно можно добиться желаемого результата в каждом конкретном случае.
Окисление двухвалентного железа (Fe 2+ ) кислородом, содержащимся в воде, происходит медленно. Его скорость зависит от величины рН среды и достигает приемлемой для практических целей при значении рН > 8.
Для примера, в замкнутой системе (без доступа воздуха) двухвалентное железо (Fe 2+ ) полностью окисляется около 24 часов, а в открытой системе в течение 4 – 6 часов.
Поэтому для интенсификации процесса окисления железа прибегают к подщелачиванию воды, ее перемешиванию, аэрации, обработке хлором или каким-либо другим окислителем. Данную стадию можно назвать – стадией предварительной подготовки воды для обезжелезивания.
Таким образом, в целом, традиционные методы предварительной подготовки воды для обезжелезивания основываются:

• на окислении двухвалентного железа кислородом воздуха (аэрация);
• на химическом воздействии на двухвалентное железо или его соединений сильных окислителей (активный хлор, перманганат калия, перекись водорода, озон и т.д.).

Эти методы позволяют предварительно подготовить воду для перевода железа из двухвалентного в трехвалентное состояние с образованием нерастворимого гидрооксида железа (III).
Более подробно способы предварительной подготовки воды для обезжелезивания мы рассмотрим чуть ниже.
Однако выбор стадий очистки обезжелезивания воды на этом не оканчивается, поскольку после выбора способа предварительной подготовки воды для обезжелезивания необходимо выбрать способ ускорения реакции окисления, а также метод удержания нерастворимого гидрооксида железа (III), который, впоследствии, может удаляться отстаиванием и (или) фильтрацией с добавлением коагулянтов (флокулянтов), если это потребуется.
В настоящее время наиболее широко применяемым для промышленного водоснабжения отдельных предприятий, отдельных коттеджей или коттеджных поселков является метод каталитического обезжелезивания. Метод основан на ускорении процесса реакции окисления из двухвалентного состояния железа в трехвалентное в слое зернистого материала – катализатора обезжелезивания.
При этом реакция окисления железа происходит внутри напорного резервуара на скорых насыпных фильтрах, в которых засыпным слоем служит специальная фильтрующая среда с каталитическими свойствами. В первую очередь каталитические и фильтрующие свойства этих материалов определяются их высокой пористостью, обеспечивающей среду, как для протекания реакции окисления двухвалентного железа, так и обуславливающей способностью к удержанию окисленного трехвалентного железа внутри насыпного слоя. Сравнительные характеристики катализаторов обезжелезивания приведены в Таблице 1.
Выбор катализатора обуславливается только качеством исходной воды и необходимой скоростью объемной фильтрации. При этом необходимо учитывать вроде бы незначительные факторы: значение рН исходной воды, совместимость каталитического слоя с дозируемыми реагентами и пр.
Необходимо учесть и тот фактор, что практически всегда обезжелезивание происходит одновременно с удалением из воды марганца, который окисляется значительно труднее, чем железо, и при более высоких значениях pH. То есть, при высоком содержании марганца в исходной воде лучше всего осуществить пропорциональное дозирование щелочного раствора для увеличения рН.
Казалось все … НЕТ! Дело в том, что даже «самый хороший катализатор обезжелезивания» сможет удержать коллоидные частицы железа в диапазоне 10 – 25 мкм, остальные «проскользнут» дальше в систему водоснабжения. Исследования показали, что размер этих частиц составляет 1 – 7 мкм. Поэтому на финише необходим «фильтр-полицейский», которым, как правило, является патронный фильтр с картриджами глубинного типа, 5 мкм с переменной плотностью укладки волокон и пост-фильтром 1 мкм.
Итак, блок схема процесса обезжелезивания воды в идеале должна выглядеть следующим образом:

• предварительная подготовка;
• фильтр каталитического обезжелезивания;
• патронный фильтр с глубинными картриджами.

Давайте кратко разберем весь процесс обезжелезивания постадийно.

4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА.

4.1. Аэрация.

• фонтанированием (так называемые брызгальные установки);
• душированием (разбрызгиванием внутри некой емкости исходной воды);
• барботажем слоя воды воздухом;
• инжектированием, эжектированием (введением потока воздуха в поток воды за счет перепада давления);
• введением потока воздуха в поток воды с помощью компрессора под напором (что чаще всего используется).

Во многих случаях вода, прошедшая обезжелезивание аэрацией с последующим отстаиванием и фильтрацией, уже оказывается пригодной к употреблению в качестве питьевой. По такой упрощенной схеме обезжелезивание эффективно, когда исходная концентрация железа не превышает 10 мг/л (при содержании двухвалентного железа не менее 70% от общего), концентрация H₂S не более 2,5 мг/л. Окислительно-восстановительный потенциал воды (редокс – потенциал (Red-Ox или Eh)) после аэрации не должен быть ниже 100 мВ, а индекс стабильности (индекс Ланжелье) не менее 0,05.
Выбор способа упрощенной аэрации зависит от параметров исходной воды. Например, для полного окисления двухвалентного железа Fe 2+ в пределах до 5 мг/л требуется проводить аэрацию в течение 14 мин. В ходе аэрации происходит временное снижение рН воды. После завершения гидролиза величина рН воды повышается. Но, если концентрация сероводорода выше 0,5 мг/л, а свободной углекислоты – более 40 мг/л, то введения воздуха в трубопровод под напором не требуется – достаточно предусмотреть открытую емкость со свободным изливом в нее воды. Аналогичного эффекта можно достичь с помощью фонтанирования или душирования. Если же содержание железа в исходной воде выше 10 мг/л, то необходимо применять двухступенчатую схему обезжелезивания с предварительным дозированием какого-либо сильного окислителя и предварительной очистке воды на насыпных механических фильтрах. Об этом мы поговорим позже.
Не входящее в состав органических комплексов двухвалентное железо в присутствии кислорода воздуха или же кислорода, растворенного в воде, окисляется до трехвалентной формы. Этот процесс описывается следующим образом:

Скорость данной реакции в обычных условиях невелика. Достаточно привести простой пример — время окисления кислородом воздуха двухвалентного железа в трехвалентное состояние будет порядка сорока минут.
Правда в щелочной среде химическое равновесие в указанной выше реакции еще более смещается вправо, возрастает и скорость реакции окисления за счет удаления из реагентной среды ионов водорода при образовании с гидроксильными ионами молекул воды. Поэтому при высоких значениях pH (> 8,0) основной формой существования железа в воде является нерастворимый гидроксид железа (III) – Fe(OH)₃, находящийся во взвешенной коллоидной форме. Растворимым же Fe(OH)₃ становится лишь при очень низких значениях pH ( 2+ + Cl₂ + 2H₂O = 2Fe(OH)₃↓ + 2HCl

Хлор также окисляет двухвалентный марганец, разрушает органические вещества и сероводород.
Как альтернативу хлорированию в последние годы все шире используют обработку воды раствором гипохлоритом натрия , причем этот метод находит применение, как на больших станциях водоподготовки, так и на небольших объектах, в том числе и в частных домах. Подача раствора гипохлорита натрия в обрабатываемую воду осуществляется с помощью насосов-дозаторов путем пропорционального дозирования.
Гипохлорит натрия обладает рядом свойств, ценных в техническом отношении. Его водные растворы не имеют взвесей и поэтому не нуждаются в отстаивании, например, в противоположность хлорной извести. Во-вторых, применение гипохлорита натрия для обработки воды не вызывает увеличения ее жесткости, так как он не содержит солей кальция и магния как хлорная известь или гипохлорит кальция. И наконец, гипохлорит натрия можно получить на месте методом электролиза обычной поваренной соли.
Бактерицидный же эффект раствора NaClO, полученного электролизом непосредственно на месте, выше, чем у других дезинфектантов, действующим началом которых является активный хлор. Кроме того, он обладает еще большим окислительным действием, чем растворы, приготовленные химическим методом из-за более высокого содержания хлорноватистой кислоты (HClO) и наличия активных радикалов.
Окисление двухвалентного железа происходит в соответствии со следующим уравнением:

Расчет установки для обработки воды гипохлоритом натрия в первую очередь требует определить расход активного хлора на процессы окисления, обеззараживания и разрушение сероводорода.

4.2.2. Озонирование.

Перспективность применения озонирования как деструктивного метода (в том числе для окисления двухвалентного железа) обусловлена тем, что оно не приводит к увеличению солевого состава очищаемой воды, мало ее загрязняет продуктами основных и побочных реакций, а сам процесс легко поддается полной автоматизации. Озон можно получать непосредственно на очистных установках, причем сырьем служит технический кислород или атмосферный воздух.
В процессе обработки воды озон, подаваемый в реакционную камеру в виде озоно-кислородной или озоно-воздушной смеси, вступает в сложный многостадийный процесс физико-химических взаимодействий с водой и содержащимися в ней загрязнениями.
Первоначально взаимодействие озона с водной средой обусловлено процессами диффузионной и турбулентной массопередачи на границе раздела фаз газ-жидкость, образованной всплывающими газовыми пузырьками. В результате этого одна часть молекул озона оказывается абсорбированной на внешней поверхности пузырьков, другая же растворяется в воде. Это так называемое «прямое окисление». Реакции прямого окисления веществ озоном описываются окислительно-восстановительными уравнениями, результатом которых с учетом полноты завершения процесса могут быть вещества с большей положительной валентностью или окислы находивших в воде веществ.
В дальнейшем же действие озона сопровождается химическими взаимодействиями с загрязнениями, которые условно можно представить тремя основными типами: окисление радикалами, озонолиз, озонокатализ. Так называемое непрямое окисление.
Этот процесс происходит при большом числе активных радикалов, например ОН*, образующихся в результате саморазложения озона в воде. Скорость непрямого окисления прямо пропорциональна количеству разложившегося озона и обратно пропорциональна концентрации присутствующих в воде загрязнителей. Некоторые вещества подвергаются лишь прямому окислению, а другие, такие как органические кислоты с малой молекулярной массой, только лишь окислению радикалами. Полное же окисление может осуществляться только лишь совместным или последовательным воздействием прямого окисления и окисления радикалами.
Расчет установки для обработки воды озоном в первую очередь требует определить его расход на процессы окисления как двухвалентного железа, так и, обеззараживания и разрушение сероводорода, а самое главное – вычислить время контакта озона с водой.

4.2.3. Коагуляция.

В обычных условиях процесс осаждения коллоидных частиц гидрооксида трёхвалентного железа (размер частиц 1-3 мкм) при отстаивании происходит медленно. Укрупнение этих частиц а, следовательно, ускорение осаждения достигают добавлением коагулянтов. Этого же требует применение на водоочистных сооружениях традиционных песчаных или антрацитовых фильтров, которые неспособны задерживать мелкие частицы. Так же плохо эти фильтры задерживают органическое железо.
Внесение в обрабатываемую воду коагулянтов производят с помощью насосов-дозаторов методом пропорционального дозирования.
Медленное осаждение коллоидных частиц гидроксида железа (III) вкупе с малой эффективностью применения окислителей и аэрации по отношению к органическому железу, а также ограничение по верхней концентрации железа в исходной воде затрудняет применение традиционной промышленной схемы обезжелезивания в сравнительно небольших автономных системах, работающих с высокой производительностью. В таких схемах применяются иные установки, обезжелезивание в которых проводится по принципам каталитического окисления с последующей фильтрацией или ионного обмена.

5. КАТАЛИТИЧЕСКОЕ ОБЕЗЖЕЛЕЗИВАНИЕ.

Это наиболее широко применяемый сегодня метод для промышленного водоснабжения отдельных, не самых крупных предприятий, отдельных коттеджей или коттеджных поселков.
Установки для каталитического окисления железа и фильтрации компактны и отличаются достаточно высокой производительностью 0,5 – 30,0 м 3 /ч и более в зависимости от используемого катализатора, исходных качеств воды, геометрических и эксплуатационных характеристик резервуара (баллон либо из стекловолокна, либо нержавеющей стали).
Реакция окисления железа происходит внутри напорного резервуара на скорых насыпных фильтрах, так называемых фильтрах обезжелезивания, которых насыпным слоем служит специальная фильтрующая среда с каталитическими свойствами, т.е. катализатором обезжелезивания.

В качестве фильтрующих загрузок насыпных фильтров обезжелезивания используют природные, содержащие диоксид марганца, или искусственно модифицированные материалы, обогащенные диоксидом марганца в процессе их производства.

Все гранулированные каталитические фильтрующие материалы, используемые для обезжелезивания и деманганации воды, схожи в том, что их каталитическая активность базируется на свойствах диоксида марганца, который определенным образом распределяется на развитой поверхности зерна катализатора. Основа материала матрицы катализатора может меняться, но функция диоксида марганца всегда остается неизменной: его способность сравнительно легко изменять свое валентное состояние.

Двуокись марганца MnO₂ (диоксид марганца), оксид марганца (IV)) – хрупкие кри­стал­лы тем­но-се­рого или тем­но-ко­рич­не­вого цвета; является наиболее рас­про­стра­нен­ным в при­ро­де со­еди­не­нием марганца (Mn). Наиболее ус­той­чи­вой формой диоксида марганца является его тет­ра­го­наль­ная β-фор­ма с плот­ностью до 5026 кг/м 3 ; в при­ро­де «пи­ро­лю­зит» – ми­не­рал, который известен человеку с древности; па­ра­маг­не­тик; токсичен. Твердость пиролюзита по шкале Мооса составляет 6-6,5 единиц. Раз­ла­га­ет­ся при температуре вы­ше 580°C – начинает отщеплять кислород и переходить в ок­сид мар­ган­ца (III) Mn₂O₃ (се­ск­ви­ок­сид) (с промежуточным образованием окислов типа x·Мn₂O₃ · y·МnO₂).

В во­де и в ще­ло­чах прак­ти­че­ски не­рас­тво­рим. Обладает амфотерными свойствами, т.е. образует как кислоты, так и щелочи. Может проявлять себя как восстановитель, но чаще как сильный окислитель. Диоксид марганца реагирует с сильными неорганическими и органическими кислотами, такими как серная, соляная, азотная, щавелевая с образованием солей: сульфатов, хлоридов, нитратов, оксалатов. В реакции с соляной кислотой выделяется хлор (MnO₂ + 4·HCl → Cl₂ +MnCl₂ +2·H₂O); с азотной и серной кислотами – кислород. Взаимодействует с сильными окислителями. По от­но­ше­нию к бо­лее силь­ным окис­ли­те­лям в ще­лоч­ной сре­де яв­ля­ет­ся вос­стано­ви­те­лем (об­ра­зу­ет­ся MnO_4–); при окис­ли­тель­ном сплав­ле­нии MnO₂ со ще­ло­ча­ми об­ра­зу­ют­ся ман­га­на­ты.

Ди­ок­сид марганца – не­сте­хио­мет­ри­че­ское со­еди­не­ние – в его кри­стал­лической ре­шёт­ке все­гда на­блю­да­ет­ся не­дос­та­ток ки­сло­ро­да. Этой особенностью и определяются его окислительные свойства:

• Двуокись марганца (МnO₂) часто вводят в состав олифы, на которой готовятся масляные краски (двуокись марганца, примешанная к льняному маслу, каталитически ускоряет его окисление на воздухе и обусловливает высыхание масла).
• На каталитическом действии МnO₂ основано ее применение в специальных противогазах для защиты от окиси углерода (окисление окиси углерода (СО) до углекислого газа (СО₂)).
• Как сильный окислитель в кислой среде МnO₂ применяется в электротехнической промышленности при изготовлении некоторых типов гальванических элементов, причем двуокиси марганца отводится роль окислителя водорода, образующегося при работе элемента.
• Диоксид марганца (MnO₂) является катализатором для разложения пероксида водорода:

Окислительные свойства пиролюзита были замечены и исследователями, специализирующими в области очистки воды. Ими было обнаружено, что двухвалентное железо (Fe 2+ ) и марганец (Mn 2+ ), содержащие в растворимых и хорошо диссоциирующих в воде солях, при контакте с двуокисью марганца окисляются до трехвалентного состояния, а затем образуют нерастворимые в воде соединения. По их мнению, этот процесс можно описать следующими уравнениями химических реакций:

где, R – матрица пиролюзита.

Как видно из этих уравнений реакций, процесс каталитического окисления железа диоксидом марганца может протекать в нейтральной среде. А вот для каталитического окисления двухвалентного марганца требуется слабощелочная среда, что и наблюдается в реальности: оптимальное значение водородного показателя воды для каталитического окисления марганца обычно составляет > 8,5.

Далее катион трехвалентного железа вступает в реакцию с анионами гидроксила и образует на поверхности нерастворимый осадок гидроксила железа:

Таким образом, реакция каталитического окисления железа и марганца на пиролюзите будет протекать до тех пор, пока на его поверхности будет «открытые» активные центры – диоксид марганца. После того, как они «иссякнут», каталитическую способность материала следует восстановить. Это выполняется при помощи раствора перманганата марганца – соединения, в котором марганец находится в более высокой степени окисления, чем тот, который «закреплен» в матрице пиролюзита:

Но перед этим обязательно нужно «смыть» осадок нерастворимых примесей, которые образовались после реакции окисления, для того, чтобы освободить поверхность пиролюзита и «активировать» его, т.е. вновь создать активные центры двуокиси марганца.

Насыпные фильтры с применением природного пиролюзита для процессов обезжелезивания и деманганации воды уже в течение нескольких десятилетий широко используются в Великобритании, но, как ни странно, эти материалы относительно новы для США. Месторождения пиролюзитовых руд имеются в Украине, Грузии, России, Индии, Бразилии, США, Австралии, и Южной Африке. Пиролюзитовые руды этих месторождений подразделяют на три класса: марганцовые – при содержании Мn > 40%, Fe 3 ), что в свою очередь требует высоких объемных скоростей для проведения обратной промывки или использования для взрыхления фильтрующего слоя сжатого воздуха, чтобы обеспечить перевод частиц пиролюзита в псевдоожиженное состояние. Твердые частицы пиролюзита не деформируются и не разрушаются даже при очень активной процедуре обратной промывки, включая взрыхление сжатым воздухом. А любое трение частиц пиролюзита друг о друга только «освежает» активную поверхность MnO₂.

Природный пиролюзит – кристаллическое вещество, поэтому его «рабочая» поверхность чаще всего ограничивается только поверхностью зерна катализатора. Поэтому очень часто при большом содержании двухвалентного железа в воде поверхность катализатора может просто блокироваться пленкой гидроокислов железа, образовавшейся в результате окисления. Они же могут заполнять свободный объем между зернами, тем самым увеличивая гидродинамическое сопротивление насыпного слоя.

Из природного пиролюзита изготавливаются следующие каталитические загрузки: «PYROLOX», « AquaMadix », «Catalox», «Terminox», «MangOx» и пр., в которых может содержаться до 75% диоксида марганца. В последнее время стали широко использоваться природные катализаторы, содержащие до 25% окислов марганца. На рынке РФ они представлены катализаторами марок « Сорбент АС » и « Сорбент МС ».

В «чистом» виде эти загрузки применяются достаточно редко. Обычно фильтрующий слой для процесса каталитического обезжелезивания и деманганации представляет собой смесь пиролюзита (диоксида марганца) и кварцевого песка, которая перемешана в объеме за счет барботажа сжатого воздуха до получения однородной по объему смеси. Количество пиролюзита (диоксида марганца) в этой смеси зависит от качества исходной воды и требуемой степени очистки. Как правило, соотношение пиролюзита (диоксида марганца) к кварцевому песку составляет от 10 до 50 об.%. Такая смесь обладает меньшим насыпным весом, поэтому легче подвергается процессу регенерации при ее обратной промывке.

Правда такая операция резко снижает обменную емкость каталитического слоя и, соответственно, время защитного действия фильтра. Поэтому все чаще для процессов обезжелезивания и деманганации воды используют метод предварительной обработки исходной воды каким-либо окислителем. Для этого в технологическую схему очистки перед стадией каталитического окисления включают стадию дозирования окислителя, которым может являться: кислород, озон, активный хлор, перманганат калия и перекись водорода. Это позволяет практически не «расходовать» обменную емкость фильтрующего слоя, т.к. компоненты, входящие в его состав, начинают выступать катализатора реакций окисления железа (II) и марганца (II). Приведем некоторые окислительно-восстановительные реакции, которые ускоряются в каталитическом слое насыпного фильтра обезжелезивания:

Для снижения насыпного веса каталитической загрузки, увеличения поверхности массопередачи процессов каталитического обезжелезивания и деманганации, а также для расширения возможностей более широкого применения катализаторов учеными были предприняты попытки создания синтетических каталитических материалов с использованием неорганических ионитов, обладающих развитой удельной поверхностью и катионообменными свойствами. В результате чего был создан целый ряд катализаторов, которые по своим окислительным свойствам не уступают, а порой и превосходят природный пиролюзит. В качестве основы для таких катализаторов послужили пористые материалы: различного рода алюмосиликаты, цеолиты, силикаты, глаукониты и пр. При выборе материала для основы будущего катализатора исходили из следующих требований (кроме перечисленных выше): материал должен обладать развитой пористой структурой с преобладанием в ней макропор; минерал должен обладать невысокой объемной плотностью с хорошей устойчивостью к измельчению и истиранию, а также низкой слеживаемостью. Выбранный материал-носитель дробят до нужных размеров, промывают, проводят ситовую очистку и калибровку. После чего на внутренней и внешней поверхностях носителя за счет химической и/или термической обработки наносится каталитический слой в виде диоксида марганца, массовое содержание которого варьируется от долей процента до 5% в зависимости от способа импрегнирования диоксида марганца.

Наиболее известными катализаторами, которые производятся за рубежом с использованием указанного метода, являются катализаторы «BIRM» на основе алюмосиликата и «GREENSAND» на основе глауконита (фирма «Clack Corporation», США). В России в последнее десятилетие также появилась целая плеяда синтетических катализаторов обезжелезивания: таких как, «МЖФ» на основе доломита (фирма «Альянс-Нева», г. Санкт-Петербург), «МФО-47» на основе песчаника-горельника (фирма «МФО Компоненты», г. Томск), «Экоферрокс» на основе кристобалита (фирма «Аргеллит», г. Томск) и пр.

5.1. Ионообменный метод удаления железа.

Для удаления железа этим методом применяются катиониты. Причём всё шире на смену цеолиту и другим природным ионитам приходят синтетические ионообменные смолы; эффективность использования ионного обмена при этом значительно возрастает.
Любые катиониты способны удалять из воды не только растворённое железо, но также и другие двухвалентные металлы, в частности кальций и магний, для чего они в первую очередь и применяются. Теоретически методом ионного обмена можно удалять из воды очень высокие концентрации железа, при этом не потребуется стадии окисления двухвалентного железа с целью получения нерастворимого гидроксида. Однако на практике возможности применения данного метода значительно ограничены.
В первую очередь применение ионного обмена для обезжелезивания ограничивает присутствие трёхвалентного железо, которое быстро «забивает» смолу и плохо оттуда вымывается. Поэтому любое присутствие в воде, проходящей через ионообменник, кислорода или других окислителей крайне нежелательно. Это же накладывает ограничение и на диапазон значений pH, в которых смола эффективна.
Во многих случаях использование ионообменных смол для обезжелезивания нецелесообразно, т.к., обладая более высоким сродством к катионитам, железо значительно снижает эффективность удаления на них ионов кальция и марганца, проведения общей деминерализации. Наличие в воде органических веществ, в том числе органического железа, приводит к быстрому зарастанию ионообменной смолы органической плёнкой, служащей питательной средой для бактерий. Поэтому ионообменные катиониты применяются для обезжелезивания обычно в тех случаях, когда требуется доочистка воды по этому параметру до самых низких концентраций и когда возможно одновременное удаление ионов жесткости.

5.2. Обезжелезивание мембранными методами.

Микрофильтрационные мембраны пригодны для удаления коллоидных частиц гидроксида железа (III); ультрафильтрационные и нанофильтрационные мембраны способны удалять кроме этого коллоидное и бактериальное органическое железо, а метод обратного осмоса позволяет удалять до 98% растворённого в воде двухвалентного железа. Однако мембранные методы дорогостоящи и не предназначаются конкретно для обезжелезивания. Это происходит в процессе обеззараживания воды (микрофильтрационные мембраны), при глубокой её очистке (ультрафильтрационные и нанофильтрационные) или обессоливании (обратный осмос). Кроме того, мембраны легко подвергаются зарастанию органической плёнкой и забиванию поверхности нерастворимыми частицами, в том числе ржавчиной, а также поглощают растворённое двухвалентное железо и теряют способность эффективно задерживать другие вещества. Фирмы-производители обратноосмотических мембран гарантируют сохранение их технологических свойств в период эксплуатации при содержании общего железа в воде не более 0,1-0,3 мг/л, взвешенных примесей – не более 5 мгO₂/л и коллоидном индексе не более 2-4 единиц (параметры, учитывающие содержание органического железа).
Однако применение мембранных методов оправдано тем, где просто необходима высокая степень очистки воды, в том числе от железа, например, в медицинской и пищевой промышленности.

5.3. Биологическое обезжелезивание.

Этот метод подразумевает использование железобактерий, окисляющих двухвалентное растворённое железо до трёхвалентного, в целях очистки воды, с последующим удалением коллоидов и бактериальных плёнок в отстойниках и на фильтрах. В некоторых случаях это оказывается единственным приемлемым способом снизить содержание железа в воде. Прежде всего – когда концентрации железа в воде особенно велики, свыше 40 мг/л. Также применяют биологическое обезжелезивание, если в воде высоко содержание сероводорода и углекислоты. Такая вода с очень низким показателем pH не может быть очищена от избыточного железа методом упрощённой аэрации. Её подвергают фильтрации через колонии бактерий на медленных фильтрах с песчано-гравийной загрузкой. Затем подвергают сорбционной очистке для задержания продуктов жизнедеятельности бактерий и ультрафиолетовому обеззараживанию.

Видео:9 класс. Железо. Химические свойства. Ч1Скачать

Железо. Свойства железа и его соединений

Железо Fe: химические свойства, способы получения железа, взаимодействие с простыми веществами (кислород, сера) и со сложными веществами (кислоты, вода, сильные окислители). Оксид железа (II) FeO, оксид железа (III) Fe₂O₃, железная окалина (Fe₃O₄) — способы получения и химические свойства. Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂, гидроксид железа (III) Fe(OH)₃ — способы получения и химические свойства.

Железо

Положение в периодической системе химических элементов

Элемент железо расположен в побочной подгруппе VIII группы (или в 8 группе в современной форме ПСХЭ) и в четвертом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение атома железа

Электронная конфигурация железа в основном состоянии :

+26Fe 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 6

Железо проявляет ярко выраженные магнитные свойства.

Физические свойства

Железо – металл серебристо-белого цвета, с высокой химической активностью и высокой ковкостью. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

(изображение с портала vchemraznica.ru)

Температура плавления 1538 о С, температура кипения 2861 о С.

Нахождение в природе

Железо довольно распространено в земной коре (порядка 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает 4-ое место среди всех элементов и 2-ое место среди металлов. Содержание в земной коре — около 8%.

В природе железо в основном встречается в виде соединений:

(изображение с портала karatto.ru)

Магнитный железняк Fe₃O₄ или FeO·Fe₂O₃ (магнетит).

(изображение с портала emchi-med.ru)

В природе также широко распространены сульфиды железа, например, пирит FeS₂.

(изображение с портала livemaster.ru)

Встречаются и другие минералы, содержащие железо.

Способы получения

Железо в промышленности получают из железной руды, гематита Fe₂O₃ или магнетита (Fe₃O₄или FeO·Fe₂O₃).

1. Один из основных способов производства железа – доменный процесс . Доменный процесс основан на восстановлении железа из оксида углеродом в доменной печи.

В печь загружают руду, кокс и флюсы.

Шихта – смесь исходных материалов, а в некоторых случаях и топлива в определённой пропорции, которую обрабатывают в печи.

Каменноугольный кокс – это твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96—98 % углерода.

Флюсы – это неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.

Шлак – расплав (а после затвердевания – стекловидная масса), покрывающий поверхность жидкого металла. Шлак состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами и предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.

В печи кокс окисляется до оксида углерода (II):

2C + O₂ → 2CO

Затем нагретый угарный газ восстанавливает оксид железа (III):

Процесс получения железа – многоэтапный и зависит от температуры.

Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:

Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает восстановление смешанного оксида железа (II, III) до оксида железа (II):

Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:

Оксид железа (II) опускается в область с более высоких температур (до 1200 o C), где протекает следующая реакция:

FeO + CO → Fe + CO₂

Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом, образуя угарный газ:

CO₂ + C → 2CO

(изображение с портала 900igr.net)

2. Также железо получают прямым восстановлением из оксида водородом:

При этом получается более чистое железо, т.к. получаемое железо не загрязнено серой и фосфором, которые являются примесями в каменном угле.

3. Еще один способ получения железа в промышленности – электролиз растворов солей железа.

Качественные реакции

Качественные реакции на ионы железа +2.

– взаимодействие солей железа (II) с щелочами . При этом образуется серо-зеленый студенистый осадок гидроксида железа (II).

Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом натрия:

2NaOH + FeCl₂ → Fe(OH)₂ + 2NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора сульфата железа (II) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.

Гидроксид железа (II) на воздухе буреет, так как окисляется до гидроксида железа (III):

– ионы железа +2 окрашивают раствор в светлый желто-зеленый цвет.

– взаимодействие с красной кровяной солью K₃[Fe(CN)₆] – также качественная реакция на ионы железа +2. При этом образуется синий осадок «турнбулева синь».

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (II) с раствором гексацианоферрата (III) калия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.

Качественные реакции на ионы железа +3

– взаимодействие солей железа (III) с щелочами . При этом образуется бурый осадок гидроксида железа (III).

Например , хлорид железа (III) реагирует с гидроксидом натрия:

3NaOH + FeCl₃ → Fe(OH)₃ + 3NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

– ионы железа +3 окрашивают раствор в светлый желто-оранжевый цвет.

– взаимодействие с желтой кровяной солью K₄[Fe(CN)₆] ионы железа +3. При этом образуется синий осадок «берлинская лазурь».

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гексацианоферрата (II) калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

В последнее время получены данные, которые свидетельствуют, что молекулы берлинской лазури идентичны по строению молекулам турнбулевой сини. Состав молекул обоих этих веществ можно выразить формулой Fe₄[Fe₂(CN)₆]₃.

– при взаимодействии солей железа (III) с роданидами раствор окрашивается в кроваво-красный цвет.

Например , хлорид железа (III) взаимодействует с роданидом натрия:

FeCl₃ + 3NaCNS → Fe(CNS)₃ + 3NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором роданида калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. При обычных условиях железо малоактивно , но при нагревании, в особенности в мелкораздробленном состоянии, оно становится активным и реагирует почти со всеми неметаллами .

1.1. Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

2Fe + 3Cl₂ → 2FeCl₃

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

1.2. Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):

Fe + S → FeS

1.3. Железо реагирует с фосфором . При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:

Fe + P → FeP

1.4. С азотом железо реагирует в специфических условиях.

1.5. Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида.

1.6. При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной оксид железа (II, III):

При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):

2Fe + O₂ → 2FeO

2. Железо взаимодействует со сложными веществами.

2.1. При обычных условиях железо с водой практически не реагирует. Раскаленное железо может вступать в реакцию при температуре 700-900 о С с водяным паром:

3 Fe 0 + 4 H₂ + O → Fe +3 ₃O₄ + 4 H₂ 0

В воде в присутствии кислорода или во влажном воздухе железо медленно окисляется (корродирует):

2.2. Железо взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль железа со степенью окисления +2 и водород.

Например , железо бурно реагирует с соляной кислотой :

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑

2.3. При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:

2.4. Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации. При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:

С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):

При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

2.5. Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей . При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат).

Например , при взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:

2.6. Железо восстанавливает менее активные металлы из оксидов и солей .

Например , железо вытесняет медь из сульфата меди (II). Реакция экзотермическая:

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

Еще пример : простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2 при взаимодействии с соединениями железа +3:

2FeCl₃ + Fe → 3FeCl₂

Оксид железа (II)

Оксид железа (II) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.

Способы получения

Оксид железа (II) можно получить различными методами :

1. Частичным в осстановлением оксида железа (III).

Например , частичным восстановлением оксида железа (III) водородом:

Или частичным восстановлением оксида железа (III) угарным газом:

Еще один пример : восстановление оксида железа (III) железом:

2. Разложение гидроксида железа (II) при нагревании :

Химические свойства

Оксид железа (II) — типичный основный оксид .

1. При взаимодействии оксида железа (II) с кислотными оксидами образуются соли.

Например , оксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI):

FeO + SO₃ → FeSO₄

2. Оксид железа (II) взаимодействует с растворимыми кислотами. При этом также образуются соответствующие соли .

Например , оксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой:

FeO + 2HCl → FeCl₂ + H₂O

3. Оксид железа (II) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (II) малоустойчив, и легко окисляется до соединений железа (III).

Например , при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуются нитрат железа (III), оксид азота (IV) и вода:

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота (II). Реакция идет при нагревании:

5. Оксид железа (II) проявляет слабые окислительные свойства .

Например , оксид железа (II) реагирует с угарным газом при нагревании:

FeO + CO → Fe + CO₂

Оксид железа (III)

Оксид железа (III) – это твердое, нерастворимое в воде вещество красно-коричневого цвета.

Способы получения

Оксид железа (III) можно получить различными методами :

1. Окисление оксида железа (II) кислородом.

2. Разложение гидроксида железа (III) при нагревании :

Химические свойства

Оксид железа (III) – амфотерный .

1. При взаимодействии оксида железа (III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли.

Например , оксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой:

2. Оксид железа (III) взаимодействует с щелочами и основными оксидами. Реакция протекает в расплаве, при этом образуется соответствующая соль (феррит) .

Например , оксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом натрия:

3. Оксид железа (III) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI).

Например , хлорат калия в щелочной среде окисляет оксид железа (III) до феррата:

Нитраты и нитриты в щелочной среде также окисляют оксид железа (III):

5. Оксид железа (III) проявляет окислительные свойства .

Например , оксид железа (III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II) или железной окалины:

Также оксид железа (III) восстанавливается водородом:

Железом можно восстановить оксид железа только до оксида железа (II):

Оксид железа (III) реагирует с более активными металлами .

Например , с алюминием (алюмотермия):

Оксид железа (III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями.

Например , с гидридом натрия:

Fe₂O₃ + 3NaH → 3NaOH + 2Fe

6. Оксид железа (III) – твердый, нелетучий и амфотерный. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например , из карбоната натрия:

Оксид железа (II, III)

Оксид железа (II, III) (железная окалина, магнетит) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.

Фото с сайта wikipedia.ru

Способы получения

Оксид железа (II, III) можно получить различными методами :

1. Горение железа на воздухе:

2. Частичное восстановление оксида железа (III) водородом или угарным газом :

3. При высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой, образуя двойной оксид железа (II, III):

Химические свойства

Свойства оксида железа (II, III) определяются свойствами двух оксидов, из которых он состоит: основного оксида железа (II) и амфотерного оксида железа (III).

1. При взаимодействии оксида железа (II, III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли железа (II) и железа (III).

Например , оксид железа (II, III) взаимодействует с соляной кислотой. При это образуются две соли – хлорид железа (II) и хлорид железа (III):

Еще пример : оксид железа (II, III) взаимодействует с разбавленной серной кислотой.

2. Оксид железа (II, III) взаимодействует с сильными кислотами-окислителями (серной-концентрированной и азотной).

Например , железная окалина окисляется концентрированной азотной кислотой:

Разбавленной азотной кислотой окалина окисляется при нагревании:

Также оксид железа (II, III) окисляется концентрированной серной кислотой:

Также окалина окисляется кислородом воздуха :

3. Оксид железа (II, III) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (II, III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI), как и прочие оксиды железа (см. выше).

5. Железная окалина проявляет окислительные свойства .

Например , оксид железа (II, III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II):

Также железная окалина восстанавливается водородом:

Оксид железа (II, III) реагирует с более активными металлами .

Например , с алюминием (алюмотермия):

Оксид железа (II, III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями (йодидами и сульфидами).

Например , с йодоводородом:

Гидроксид железа (II)

Способы получения

1. Гидроксид железа (II) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (II).

Например , хлорид железа (II) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (II) и хлорида аммония:

2. Гидроксид железа (II) можно получить действием щелочи на соли железа (II).

Например , хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом калия с образованием гидроксида железа (II) и хлорида калия:

FeCl₂ + 2KOH → Fe(OH)₂↓ + 2KCl

Химические свойства

1. Гидроксид железа (II) проявляется основные свойства , а именно реагирует с кислотами . При этом образуются соответствующие соли.

Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида железа (II):

2. Гидроксид железа (II) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .

Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (II):

3. Гидроксид железа (II) проявляет сильные восстановительные свойства , и реагирует с окислителями. При этом образуются соединения железа (III) .

Например , гидроксид железа (II) взаимодействует с кислородом в присутствии воды:

Гидроксид железа (II) взаимодействует с пероксидом водорода:

При растворении Fe(OH)₂ в азотной или концентрированной серной кислотах образуются соли железа (III):

4. Г идроксид железа (II) разлагается при нагревании :

Гидроксид железа (III)

Способы получения

1. Гидроксид железа (III) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (III).

Например , хлорид железа (III) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (III) и хлорида аммония:

2. Окислением гидроксида железа (II) кислородом или пероксидом водорода:

3. Гидроксид железа (III) можно получить действием щелочи на раствор соли железа (III).

Например , хлорид железа (III) реагирует с раствором гидроксида калия с образованием гидроксида железа (III) и хлорида калия:

FeCl₃ + 3KOH → Fe(OH)₃↓ + 3KCl

Видеоопыт получения гидроксида железа (III) взаимодействием хлорида железа (III) и гидроксида калия можно посмотреть здесь.

4. Также гидроксид железа (III) образуется при взаимодействии растворимых солей железа (III) с растворами карбонатов и сульфитов . Карбонаты и сульфиты железа (III) необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: бромид железа (III) реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида железа (III), выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:

Но есть исключение ! Взаимодействие солей железа (III) с сульфитами в ЕГЭ по химии — окислительно-восстановительная реакция. Соединения железа (III) окисляют сульфиты, а также сульфиды и иодиды.

Взаимодействие хлорида железа (III) с сульфитом, например, калия — очень интересная реакция. Во-первых, в некоторых источниках указывается, что в ней таки может протекать необратимый гидролиз. Но для ЕГЭ лучше считать, что при этом протекает ОВР. Во-вторых, ОВР можно записать в разных видах:

Также допустима такая запись:

Химические свойства

1. Гидроксид железа (III) проявляет слабовыраженные амфотерные свойства, с преобладанием основных. Как основание, гидроксид железа (III) реагирует с растворимыми кислотами .

Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата железа (III):

2. Гидроксид железа (III) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот .

Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (III):

3. Гидроксид железа (III) взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—ферриты, а в растворе реакция практически не идет. При этом гидроксид железа (III) проявляет кислотные свойства.

Например , гидроксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием феррита калия и воды:

4. Г идроксид железа (III) разлагается при нагревании :

Видеоопыт взаимодействия гидроксида железа (III) с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Соли железа

Нитраты железа

Нитрат железа (II) при нагревании разлагается на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:

Нитрат железа (III) при нагревании разлагается также на оксид железа (III), оксид азота (IV) и кислород:

Гидролиз солей железа

Растворимые соли железа, образованные кислотными остатками сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. частично:

I ступень: Fe 3+ + H₂O ↔ FeOH 2+ + H +

II ступень: FeOH 2+ + H₂O ↔ Fe(OH )₂ + + H +

Однако сульфиты и карбонаты железа (III) и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

При взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает ОВР:

2FeCl₃ + 3Na₂S → 2FeS + S + 6NaCl

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Окислительные свойства железа (III)

Соли железа (III) под проявляют довольно сильные окислительные свойств. Так, при взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает окислительно-восстановительная реакция.

Например : хлорид железа (III) взаимодействует с сульфидом натрия. При этом образуется сера, хлорид натрия и либо черный осадок сульфида железа (II) (в избытке сульфида натрия), либо хлорид железа (II) (в избытке хлорида железа (III)):

2FeCl₃ + 3Na₂S → 2FeS + S + 6NaCl

2FeCl₃ + Na₂S → 2FeCl₂ + S + 2NaCl

По такому же принципу соли железа (III) реагируют с сероводородом:

2FeCl₃ + H₂S → 2FeCl₂ + S + 2HCl

Соли железа (III) также вступают в окислительно-восстановительные реакции с йодидами .

Например , хлорид железа (III) взаимодействует с йодидом калия. При этом образуются хлорид железа (II), молекулярный йод и хлорид калия:

2FeCl₃ + 2KI → 2FeCl₂ + I₂ + 2KCl

Интерес представляют также реакции солей железа (III) с металлами. Мы знаем, что более активные металлы вытесняют из солей менее активные металлы . Иначе говоря, металлы, которые стоят в электрохимическом ряду левее, могут взаимодействовать с солями металлов, которые расположены в этом ряду правее . Исходя из этого правила, соли железа могут взаимодействовать только с металлами, которые расположены до железа. И они взаимодействуют.

Однако, соли железа со степенью окисления +3 в этом ряду являются небольшим исключением. Ведь для железа характерны две степени окисления: +2 и +3. И железо со степенью окисления +3 является более сильным окислителем. Таким образом, условно говоря, железо со степенью окисления +3 расположено в ряду активности после меди. И соли железа (III) могут реагировать еще и с металлами, которые расположены правее железа! Но до меди, включительно. Вот такой парадокс.

И еще один момент. Соединения железа (III) с этими металлами реагировать будут, а вот соединения железа (II) с ними реагировать не будут. Таким образом, металлы, расположенные в ряду активности между железом и медью (включая медь) при взаимодействии с солями железа (III) восстанавливают железо до степени окисления +2. А вот металлы, расположенные до железа в ряду активности, могут восстановить железо и до простого вещества.

Например , хлорид железа (III) взаимодействует с медью. При этом образуются хлорид железа (II) и хлорид меди (II):

А вот реакция нитрата железа (III) с цинком протекает уже по привычному механизму. И железо восстанавливается до простого вещества:

Видео:Коррозия металла. Химия – ПростоСкачать

Реакция железа с водой

Видео:Реакции металлов с кислородом и водой. 8 класс.Скачать

Железо вода реакция

Реакцию железа с водой можно выразить следующим суммарным уравнением:

Реакция идет с достаточной скоростью при нагревании (примерно до 400 °С). На ней был основан железопаровой способ получения водорода, утративший в настоящее время практическое значение. Однако эта реакция представляет интерес для истории химии: этим превращением в конце XVIII в. было доказано, что вода не простое вещество, а химическое соединение, в состав которого входит «горючий воздух» (т. е. водород).

Для опыта удобно воспользоваться свежевосстановленным железом в виде порошка, полученным взаимодействием водорода с оксидом железа (III) при сильном нагревании. Вместо восстановленного железа можно взять железные стружки, очищенные от оксидов железа споласкиванием их в кислоте, обезжиренные раствором щелочи, промытые водой и высушенные. Однако в этом случае реакция протекает медленнее.

Железо помещают в железную трубку, куда подводится вода (водяной пар). На рисунке 2 изображен вариант I опыта в железной трубке с диаметром 1,5—2 см. Более удобной для опытов является изогнутая трубка с длиной колен 15 и 25 см, которую можно изготовить в порядке самооборудования.

Рис. 2. Установка для взаимодействие раскаленного железа с водяным паром (вариант I):

1 — железная трубка, 2 — пробки, 3 — алонж, 4 — капельная воронка, 5 — газоотводная трубка, 6 — цилиндр, 7 — чаша кристаллизационная, 5 — горелка с насадкой.

В среднюю часть трубки 1 ближе к пробке помещают около 20 г железного порошка (или железных стружек) и слабо запирают его стеклянной ватой. Концы трубки закрывают хорошо подогнанными корковыми пробками 2 с отверстиями для алонжа 3 с капельной воронкой 4 и газоотводной трубкой 5. Нагревают железную трубку, не доводя ее до красного каления (более высо кая температура способствует обратному — эндотермическому — процессу). Из капельной воронки 4 прибавляют по каплям воду.

После вытеснения из установки воздуха образующийся водород собирают в цилиндры и испытывают его, соблюдая правила техники безопасности. Заканчивают опыт: вынимают газоотводную трубку вместе с пробкой, прекращают нагревание железной трубки и приливание воды из капельной воронки. Содержащиеся в трубке оксиды железа могут быть использованы для восстановления из них железа для опытов, а иногда их оставляют в трубке для проведения другого опыта — восстановления оксидов железа водородом.

Рис. 3. Установка для взаимодействия железа с водяным паром (вариант II):

1 — колба круглодонная с водой, 2 —тройник, 3 — стеклянная трубка с порошком восстановленного железа между комками стеклянной ваты, 4 — газоотводная трубка, 5 — чаша кристаллизационная, б — цилиндр, 7 — газовая горелка со щелевой насадкой.

В другом варианте опыта, при котором пропускают над раскаленным железом не воду, а водяные пары, применяют не изогнутую, а прямую железную или фарфоровую трубку. В этой установке использовано сочетание двух типов реакторов: колба и реакционная трубка.

Для проведения опыта собирают установку, изображенную на рисунке 3. В трубке 3 помещают железный порошок или железные опилки между комками стеклянной ваты. Трубку сильно накаливают, после чего воду в колбе 1 доводят до кипения (для равномерного кипения в колбу помещают капилляры-кипятильники). Избыток пара выходит через тройник 2. Через несколько минут, когда из установки будет вытеснен воздух, подводят под цилиндр 6 газоотводную трубку и собирают водород. Наличие водорода доказывают поджиганием собранного в цилиндре газа.

Восстановление железа водородом

Взаимодействие железа с водой может протекать и в обратном направлении. Восстановление оксидов железа водородом — эндотермические процессы:

Для проведения опыта можно использовать установку, показанную на рисунке 3.

Рис. 3. Установка для получения железа восстановлением оксидов железа водородом:

1 — газоотводная трубка для подачи водорода, 2 — промывная склянка с концентрированной серной кислотой, 3 — железная трубка, 4 — стакан с охлаждающей смесью, 3 — приемник с обезвоженным медным купоросом, 6 — пробирка для собирания водорода.

Поступающий из аппарата Киппа по трубке 1 водород проходит через концентрированную серную кислоту в склянке 2 и в сухом виде проникает в реакционную трубку 3, и далее водород выходит наружу через трубку 6. После вытеснения из установки воздуха (проба водорода на чистоту!) водород поджигают у газоотводной трубки 6. Затем сильно нагревают трубку 3 с оксидом железа, что может привести к угасанию пламени у отверстия трубки 6. Через 10—15 мин разъединяют реактор с приемником, вынув пробку из него. В пробирке легко можно заметить голубые кристаллы медного купороса.

Они образовались при взаимодействии безводного сульфата меди с водой — одним из продуктов реакции водорода с оксидами железа. После этого прекращают нагревание трубки, продолжая пропускать водород до ее остывания. Высыпают содержимое трубки на стекло или в фарфоровую чашку и сравнивают его с исходным веществом. Если для опыта был взят оксид железа (III) красного цвета, то он отличается от образовавшегося продукта реакции — железа — по цвету и отсутствию магнитных свойств. В том же случае, когда в реакционной трубке находится оксид Fe₃О₄, в состав которого входит железо со степенями окисления +2 и +3, то исходные и конечные продукты идентифицируют при помощи разбавленной соляной кислоты, а не с помощью магнита, так как оба они — железо (Fe) и оксид железа (Fe₃О₄) — почти не отличаются по цвету и обладают магнитными свойствами.

Полученное таким способом железо может быть использовано в качестве катализатора при синтезе аммиака.

Железо восстановленное, Fe

Горючий порошок. Состав, % (масс): железо 98,5, углерод 0,18, кислород 0,9. Дисперсность образца менее 50 мкм. Т. самовоспл.: аэрогеля 240 °С, аэровзвеси 400 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 100 г/м 3 ; макс. давл. взрыва 250 кПа; макс, скорость нарастания давл. 3 МПа/с; МВСК 13,1% (об.); миним. энергия зажигания аэровзвеси 80 мДж. В зависимости от состава и дисперсности образца нижн. конц. предел распр. пл. колеблется в интервале 66—460 г/м 3 .

Железо Fe физические свойства

Порошок железа в зависимости от состава, крупности и технологии получения может быть горючим или трудногорючим веществом. Уменьшение размеров частиц порошка, т-ры восстановления или отжига, содержания кислорода способствуют развитию пирофорных свойств.

Железные порошки марок ПЖМ и ПЖОМ дисперсностью 40—100 мкм имеют следующие показатели пожаро-взрывоопасности: т. самовоспл. аэрогеля 260—460 °С, аэровзвеси 300—940 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 100—875 г/мз. макс. давл. взрыва 101,3—3039 кПа; скор, нарастания давл. взрыва 1 — 18,2 МПа/с; МВСК 13—18% (об.); миним. энергия зажигания 6,8—23 мДж; железные порошки марок ПЖС и ПЖИ не воспламеняются в слое вплоть до 1000 °С и в аэровзвеси до 2000 0 С.

Для определения пожароопасных свойств использованы нестандартные методики, можно применять распыленную воду.

Железо карбонильное

Горючий порошок. Содержание Fe 99% (масс). Дисперсность образца менее 74 мкм. Т. самовоспл.: аэрогеля 170 °С, аэровзвеси 320 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 105 г/м 3 ; миним. энергия зажигания 20 мДж; при конц. пыли 1000 г/м 3 макс, давл. взрыва 300 кПа; макс, скорость нарастания давл. 16,6 МПа/с; МВСК 10% (об.) при разбавлении пылевоздушной смеси диоксидом углерода. Для образца со следами аммиаками дисперсностью менее 44 мкм т. самовоспл.: аэрогеля 260 °С, аэровзвеси 460 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 120 г/м 3 ; при конц. пыли 500 г/м 3 макс. давл. взрыва 350 кПа; макс, скорость нарастания давл. 48,2 МПа/с; миним. энергия зажигания 120 мДж [471]. Средства тушения: табл. 4.1, гр. 3.

Железо карбонильное КЖ-20ф

Горючий серый порошок. Состав, % (масс): железо 97—98, углерод 0,7—0,8, азот 0,7—0,8, фосфор 0,01. Насыпная масса 2500—4500 кг/м 3 . Дисперсность образца 2—3 мкм. Т. воспл, 473 °С; т. самовоспл. 542 °С; т. тлен. 223 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 102 г/м 3 . Средства тушения: табл. 4.1, гр. 3.

Железо карбонильное КЖР-10ф

горючий серый порошок. Состав, % (масс): железо 97—98, углерод 0,8—0,9, азот 0,8—0,9, фосфор 0,01. Насыпная масса 2500—4500 кг/м 3 . Дисперсность образца 3—4 мкм. Т. воспл. 482 °С; т. самовоспл. 555 °С; т. тлен. 229 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 106 г/м 3 . Средства тушения: табл. 4.1, гр. 3.

Железо электролитическое

Горючее вещество, склонно к самовозгоранию. Дисперсность образца 25 мкм. Т. самовоспл. аэровзвеси 430 °С; т. тлен. 350 °С; нижн. конц. предел распр. пл. 220 г/м 3 ; макс, давл. взрыва 330 кПа; миним. энергия зажигания 240 мДж; МВСК 13% (об.) [394, 532]. Средства тушения: табл. 4.1, гр. 10.

Статья на тему Реакция железа с водой

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Leave a Comment

Для отправки комментария вам необходимо авторизоваться.

💥 Видео

Удаление железа без аэрации - дешевый способ обезжелезивания воды.Скачать

Железо в воде - до и после окисленияСкачать

Окисление железа в воде и образование осадкаСкачать

РЕАКЦИИ ИОННОГО ОБМЕНА, ИОННОЕ УРАВНЕНИЕ - Урок Химия 9 класс / Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Химические уравнения // Как Составлять Уравнения Реакций // Химия 9 классСкачать

ОКСИДЫ ХИМИЯ — Что такое Оксиды? Химические свойства Оксидов | Реакция ОксидовСкачать

Составление уравнений химических реакций. 1 часть. 8 класс.Скачать

Решение задач на термохимические уравнения. 8 класс.Скачать

Желтеет вода? Очистка воды от железа 27мг (бочка+колонна) своими рукамиСкачать

Вся неорганика для ЕГЭ и ОГЭ| Занятие №1Скачать

Коллоидное оно же органическое железо в водеСкачать

Обезжелезивание воды разоблачение мифов. Советы и факты от эксперта по системам очистки водыСкачать

Как Решать Задачи по Химии // Задачи с Уравнением Химической Реакции // Подготовка к ЕГЭ по ХимииСкачать

Содержание железа в водеСкачать

Как просто и доступно убрать железо из воды.Скачать

Методы очистки воды из скважины от железа – неработающие, проверенные и современные // FORUMHOUSEСкачать

железистая вода простое решение аэрацияСкачать