§ 36. Ферум. Залізо
• взаємодію концентрованих сульфатної та нітратної кислот із металами (за § 23, 26).
Загальна характеристика хімічного елемента
Ферум — металічний елемент. Він має відносно невелику електронегативність 1,83 (за Полінгом), що характерно для більшості металічних елементів. За будовою електронної оболонки атома він є d-елементом, оскільки в його атомів електронами заповнюється d-підрівень:
У більшості сполук Ферум виявляє два ступені окиснення. Втрачаючи два електрони зовнішнього енергетичного рівня, його атоми набувають заряд +2:
У такому стані в йонах Fe 2+ на 3d-підрівні міститься шість електронів, але більш стабільним є стан, коли 3d-підрівень буде заповнений наполовину. Для цього йону Fe 2+ необхідно віддати один електрон. У такий спосіб утворюються йони Fe 3+ , які мають стабільнішу електронну конфігурацію:
Унаслідок цього ступінь окиснення +3 для Феруму стабільніший за +2.
Як виняток, Ферум може віддавати шість електронів і виявляти ступінь окиснення +6. Однак сполуки, у яких містяться Fe +6 , трапляються досить рідко. Сполук, у яких ступінь окиснення Феруму +8, ще не виявлено.
Ферум(ІІ) оксид і ферум(ІІ) гідроксид — основні речовини, а ферум(ІІІ) оксид і ферум(ІІІ) гідроксид — амфотерні. Сполуки Феруму в ступені окиснення +3 виявляють окисні властивості.
Поширеність Феруму в природі
Ферум є одним із найпоширеніших металічних елементів на Землі. У земній корі на атоми Феруму припадає 5 % (за масою) — це друге місце серед металічних елементів (після Алюмінію) та четверте серед усіх елементів.
У самородному стані Ферум не трапляється, але у вигляді простої речовини залізо міститься у складі деяких метеоритів, які іноді знаходять на поверхні Землі (мал. 36.1). Уважають, що саме залізо становить більшу частину ядра Землі та планет земної групи.
Мал. 36.1. Залізо метеоритного походження. У перекладі з шумерської «залізо» означає «те, що капнуло з неба». Можливо, назва цього металу пояснюється тим, що перше відоме людству залізо було метеоритного походження і дійсно падало з неба.
У природі Ферум трапляється виключно у сполуках, найпоширенішими серед яких є оксиди: ферум(ІІ) оксид FeO, ферум(ІІІ) оксид Fe2O3, а також змішаний оксид Fe3O4 (FeO • Fe2O3), який називають залізною окалиною. Сполуки тривалентного Феруму мають забарвлення від жовтого до бурого. Саме вони надають жовтуватого кольору піску та бурого забарвлення багатьом ґрунтам.
Також Ферум міститься у складі багатьох різних мінералів у вигляді оксидів, сульфідів та інших сполук. Зазвичай вони розсіяні в земній корі, але трапляються і скупчення мінералів. Такі мінерали, як бурий, магнітний і червоний залізняки, є джерелом залізної руди, з якої добувають залізо (мал. 36.2).
Мал. 36.2. Поширені залізні руди: а — бурий залізняк (лимоніт) Fe2O3 • xH2O; б — магнітний залізняк (магнетит) Fe3O4; в — червоний залізняк (гематит) Fe2O3
Деякі мінерали Феруму мають красивий вигляд, тому їх використовують як виробне каміння — це сидерит, пірит і халькопірит (мал. 36.3).
Мал. 36.3. Мінерали Феруму: а — сидерит FeCO3; б — пірит FeS2; в — халькопірит CuFeS2
В Україні є великі поклади залізної руди — Криворізький, Кременчуцький, Придніпровський залізорудні басейни тощо. Ці запаси оцінюють у майже 30 млрд тонн, чого має вистачити на 180 років промислової розробки. За обсягами виробництва залізної руди Україна посідає сьоме місце серед країн світу.
Сполуки Феруму розчинені у воді деяких джерел мінеральних вод. Наявність у воді сполук двовалентного Феруму надає їй так званого «металічного» присмаку. Іноді у водопровідній воді, що тече старими залізними трубами, розчинені сполуки тривалентного Феруму, які надають воді «іржавого» кольору.
Фізичні властивості заліза
• Метал сірого кольору з металічним блиском;
• добре проводить електричний струм і теплоту;
• пластичний, добре піддається куванню, наявність домішок, зокрема вуглецю, підвищує твердість і крихкість заліза;
• притягується магнітом (парамагнетик).
Для заліза також характерне явище феромагнетизму — воно зберігає намагніченість після усунення дії зовнішнього магнітного поля. Завдяки цьому із заліза можна виготовляти магніти, а також матеріали для запису інформації.
Хімічні властивості заліза
Залізо досить активно вступає в хімічні взаємодії, його можна віднести до металів середньої активності.
1. Реакції з неметалами. Залізо активно реагує з неметалами. Із киснем реакція повільно відбувається навіть за звичайних умов. За нагрівання заліза на повітрі його поверхня вкривається залізною окалиною:
Розпечений залізний дріт у чистому кисні займається, розкидаючи яскраві іскри.
Залізо може активно згоряти навіть на повітрі, якщо його подрібнити в тонкий порошок (пірофорне залізо). Якщо такий порошок потрапляє в повітря, то він яскраво спалахує навіть за кімнатної температури.
Залізний дріт активно згоряє у хлорі (мал. 36.4) з утворенням ферум(III) хлориду:
Мал. 36.4. Взаємодія розпечених залізних ошурок із хлором
Під час нагрівання заліза із сіркою утворюється ферум(ІІ) сульфід:
2. Взаємодія з водою. Залізо реагує з водою: під час пропускання перегрітої водяної пари крізь розпечені залізні ошурки залізо перетворюється на залізну окалину, і виділяється водень:
3. Взаємодія з кислотами. За звичайних умов залізо активно реагує з кислотами. Продуктами реакції є солі Феруму в ступені окиснення +2:
Із кислотами-окисниками (концентрованими сульфатною та нітратною кислотами) Ферум окиснюється до ступеня окиснення +3. Але холодні кислоти пасивують залізо, реакція відбувається лише за нагрівання:
4. Взаємодія із солями. Залізо витісняє менш активні метали з їхніх солей (мал. 36.5):
Мал. 36.5. Після занурення заліза в розчин купрум(ІІ) сульфату поверхня заліза вкривається червоним нальотом міді
Застосування заліза, його сплавів та сполук Феруму
На сплави заліза припадає 95 % світового металургійного виробництва. Найпоширенішими є сплави заліза з вуглецем — сталь (w(C) < 2,1 %) і чавун (w(C) >2,1 %).
Сьогодні сталь є головним конструкційним матеріалом. Зі сталі виготовляють каркаси будинків, труби, корпуси транспортних засобів тощо (мал. 36.6). Для конкретного застосування використовують певні марки сталі, створені з урахуванням особливостей майбутніх виробів. Наприклад, додаванням до заліза близько 1 % вуглецю одержують сталь, що має високу твердість, її використовують для виготовлення різальних інструментів. Додаванням хрому й нікелю одержують стійку до корозії сталь (нержавіюча сталь). Зі сплаву заліза з манганом виплавляють рейки для залізниці.
Мал. 36.6. Вироби зі сталі: а — козацькі шаблі; б — стальні будівельні конструкції; в — обладнання з нержавіючої сталі на молочному комбінаті
Чавун значно твердіший і крихкіший за сталь, він не піддається куванню, однак вироби з нього витримують великі механічні навантаження (мал. 36.7). Раніше з чавуну виплавляли пушки, ядра та посуд. Сьогодні виготовляють також станини для верстатів, ковані ґратки, вуличні лави й ліхтарі та інші вироби, для яких більш важлива міцність, ніж пластичність. Але такі речі «бояться» ударів: від сильного удару чавун розбивається.
Мал. 36.7. Вироби з чавуну: а — козацька пушка (о. Хортиця); б — лава (м. Львів); в — посуд
Магнетит завдяки його феромагнітним властивостям використовують для створення носіїв інформації: магнітних плівок, жорстких магнітних дисків тощо. Через феромагнітну властивість та чорний колір із магнетиту виготовляють тонер для чорно-білих лазерних принтерів.
Залізний купорос (FeSO4 • 7H2O) разом із мідним купоросом застосовують у садівництві й будівництві для боротьби зі шкідливими грибками.
Хлориди або сульфати Феруму(ІІ) і Феруму(ІІІ) використовують для очищення природних вод на станціях водопідготовки.
Біологічне значення Феруму
Ферум — важливий мікроелемент. В організмі дорослої людини 25 % Феруму міститься у складі деяких вітамінів і білків, а 75 % — у складі гемоглобіну. Нестача Феруму призводить до анемії — недокрів’я.
Добова потреба Феруму становить: 4-18 мг — у дітей, 10 мг — у чоловіків і 18 мг — у жінок. В організм людини Ферум надходить з їжею, найбільш багаті на нього печінка, м’ясо, яйця, бобові, хліб, буряк тощо (мал. 36.8).
Мал. 36.8. Продукти — джерела Феруму для людини
У надмірній кількості Ферум може пригнічувати функціонування антиоксидантної системи організму, а також спричинити алергічні реакції та захворювання печінки й крові. Більша ймовірність уживання надлишкового Феруму є в мешканців будинків із центральним водогоном через можливість потрапляння його у воду з іржавих труб.
Ключова ідея
Ферум — поширений металічний елемент, важливий для живих організмів і людської цивілізації.
Контрольні запитання
510. Схарактеризуйте електронну будову атома та поширеність Феруму в природі.
511. Порівняйте будову електронної оболонки атомів Феруму, йонів Fe 2+ та Fe 3+ .
512. Схарактеризуйте хімічні й фізичні властивості та застосування заліза. На яких властивостях заліза ґрунтується його застосування?
513. Чи трапляється в природі самородне залізо? Поясніть чому.
514. Схарактеризуйте біологічне значення Феруму. Що загрожує людині в разі нестачі або надлишку Феруму в організмі?
Завдання для засвоєння матеріалу
515. Який зі ступенів окиснення Феруму є найстабільнішим? Поясніть чому.
516. Під час взаємодії заліза з якими речовинами утворюються сполуки Феруму(ІІ), а з якими — Феруму(ІІІ)?
517. Щоб виявити домішки заліза в платиновому посуді, наприклад у тиглі, його нагрівають до червоного розжарення. Поверхня металу покривається червоним нальотом. із чим це пов’язано? Як видалити цей наліт, не пошкодивши виріб?
518. Випишіть із тексту параграфа рівняння реакцій, які характеризують окисно-відновні властивості заліза, і складіть для них електронний баланс.
Комплексні завдання
519. Ферумовмісні мінерали використовують як сировину для добування заліза. Обчисліть масову частку Феруму у відомих вам ферумовмісних мінералах. Який із цих мінералів вигідніше використовувати для добування заліза?
520. Обчисліть об’єм карбон(ІІ) оксиду (н. у.), необхідний для повного відновлення ферум(ІІІ) оксиду масою 320 г.
521. Обчисліть масу магнетиту, що містить 10 % домішок, який необхідний для добування заліза масою 3 тонни.
522. Обчисліть масу заліза, яка необхідна для одержання нітроген(ІІ) оксиду масою 224 мл взаємодією заліза з гарячою нітратною кислотою.
523. Змішали залізну окалину Fe3O4 масою 34,8 г із порошком алюмінію масою 12,8 г. Суміш нагріли. Обчисліть масу утвореного заліза.
Міні-проекти
524. Дослідіть корозію залізного виробу та вплив на цей процес різних чинників. Для проведення досліду вам потрібно приготувати розчин желатину: закип’ятіть 100-200 мл води і в гарячу воду всипте приблизно половину чайної ложки желатину. Залиште розчин до повного розчинення желатину, час від часу помішуючи його. Після того, як розчин охолоне, досипте в нього 0,1-0,2 г червоної кров’яної солі (K3[Fe(CN)6]) і ретельно перемішуйте, доки вона розчиниться. Потім на дно широкої склянки покладіть різні невеликі залізні предмети (цвях, дріт, пластинку тощо). Частину предметів обмотайте мідним дротом, а частину — цинковим. Один із предметів, приміром цвях, залиште без деформації, а один трохи погніть. Залийте всі предмети розчином желатину та залиште на добу. Поясніть зміни, що відбулися. Як впливає на корозію контакт заліза з іншими металами (цинком і міддю)?
Методичні рекомендації щодо викладання предмета „ХІМІЯ” у 2023/2024 навчальному році
У 2023/2024 навчальному році навчання хімії у закладах загальної середньої освіти здійснюватиметься відповідно до законів України „Про освіту”, „Про повну загальну середню освіту”, Концепції реалізації державної політики у сфері реформування загальної середньої освіти „Нова українська школа” на період до 2029 року, Державного стандарту базової і повної загальної середньої освіти, затвердженого постановою Кабінету Міністрів України від 23.11.2011 No 1392.
У зв’язку із введенням в Україні воєнного стану (Указ Президента України від 24 лютого 2022 року No 64/2022) з 24 лютого 2022 року Міністерством освіти і науки України було видано низку документів, що регламентують організацію освітнього процесу в закладах під час перебування на території нашої країни військових формувань країни агресора. Одним із пріоритетів у діяльності закладів освіти є забезпечення психологічної стійкості учасників освітнього процесу, необхідність дотримання психологічного комфорту учнів під час проведення навчальних занять (лист Міністерства освіти і науки України від 29.03.2022 No 1/3737-22 „Про забезпечення психологічного супроводу учасників освітнього процесу в умовах воєнного стану в Україні”).
Психологічну підтримку школярів рекомендуємо реалізовувати через ранкові зустрічі (класні години, години спілкування тощо), під час яких проводити з учнями бесіди, психологічні вправи/хвилинки, метою яких є зменшення емоційного напруження та стресу. З матеріалами, що можуть стати у нагоді під час таких занять, рекомендуємо ознайомитися на сайтах:
✔ Міністерства освіти і науки України (https://cutt.ly/mHUffbh);
✔ ДНУ „Інститут модернізації змісту освіти” (https://cutt.ly/1HUfO9a);
✔ Всеосвіта [Вебінар] Психологічна підтримка всіх учасників освітнього процесу в умовах воєнного стану (https://www.youtube.com/watch?v=UzgEQ_9fl_s).
Із метою поглиблення психологічних знань та опанування техніками психологічної допомоги учням, рекомендуємо ознайомитися із практикумом для дітей та підлітків „Твоя Сила” авторки Світлани Ройз (https://cutt.ly/KHUhlq6) та посібником Інституту соціальної та політичної психології НАПН України Інститут психологічного здоров’я „Діти та війна: навчання технік зцілення” (https://cutt.ly/DJ6LAH7). Також, доцільно пройти курс „Перша психологічна допомога учасникам освітнього процесу під час і після завершення воєнних дій”, що організований у межах Національної програми психологічного здоров’я українців, яку започаткувала перша леді України Олена Зеленська (https://cutt.ly/WZPwX0V).
Звертаємо увагу на щоденному проведенні о 9 годині 00 хвилин загальнонаціональної хвилини мовчання за загиблими внаслідок збройної агресії Російської Федерації проти України (Указ Президента України від 16.03.2022 року No 143/2022).
Варто пам’ятати, що дотримання вимог сигналів сповіщення „Усім увага! Повітряна тривога!” є обов’язковим для всіх учасників освітнього процесу.
Вивчення хімії спрямоване на формування в учнів наукового світогляду, хімічної культури як складника загальної культури сучасної людини і розвитку їхнього творчого потенціалу задля успішної соціалізації в сучасному суспільстві.
У 2023/2024 навчальному році 4 заклади освіти області – учасники інноваційного освітнього проєкту „Розроблення і впровадження навчально-методичного забезпечення для закладів загальної середньої освіти в умовах реалізації Державного стандарту базової середньої освіти”, визначені наказом МОН України від 02.04.2021 року No 406, здійснюватимуть освітній процес у 7 класах відповідно до листа МОН No 1-11938-23 від 11.08.2023.
Щодо природничої галузі у ньому зазначено, що 7–9-х класах природнича освітня галузь може бути реалізована в навчальному плані закладу освіти через:
✔ окремі предмети – біологія, географія, фізика, хімія;
✔ інтегрований курс „Природничі науки”.
За умови організації вивчення окремих предметів рекомендований розподіл годин тижневого навантаження є таким: 7 клас: біологія – 2,5 години, географія – 2 години, фізика – 2 години, хімія – 1 година.
Заклад освіти може здійснювати перерозподіл навчальних годин між предметами галузі в межах визначеної кількості годин на вивчення природничої освітньої галузі, враховуючи освітні потреби учнів, що відображаються в освітній програмі закладу. Кількість навчальних годин на вивчення інтегрованого курсу „Природничі науки” визначається закладом освіти самостійно в межах заданого діапазону „мінімального” та „максимального” навчального навантаження. Спираючись на модельні навчальні програми окремих предметів природничої освітньої галузі, заклад освіти може розробляти навчальну програму інтегрованих курсів, що мають містити опис результатів навчання в обсязі не меншому, ніж визначено Державним стандартом та/або відповідними модельними навчальними програмами. Формування змісту інтегрованих курсів може здійснюватися шляхом упорядкування в логічній послідовності змісту і результатів або усіх складників, або окремих складників природничої освітньої галузі у певних комбінаціях.
Вивчення хімії в цих закладах відбуватиметься за Модельною навчальною програмою „Хімія. 7–9 класи” для закладів загальної середньої освіти (авт. Лашевська Г.А.).
Відповідно до Концепції реалізації державної політики у сфері реформування загальної середньої освіти в 2023/2024 навчальному році інваріантна складова навчання хімії реалізуватиметься за такими програмами:
✔ 7–9 класи – Програма для загальноосвітніх навчальних закладів.
Хімія. 7–9 класи, затверджена наказом МОН України від 07.06.2017 No 804.
✔ 8–9 класи з поглибленим вивченням хімії – Програма для загальноосвітніх навчальних закладів з поглибленим вивченням хімії, затверджена наказом МОН України від 17.07.2015 No 983.
✔ Програма з хімії для 10–11 класів закладів загальної середньої освіти.
Рівень стандарту (затверджена наказом МОН України від 23.10.2017 No 1407).
✔ Програма з хімії для 10–11 класів закладів загальної середньої освіти.
Профільний рівень (затверджена наказом МОН України від 23.10.2017 No 1407).
Програми позбавлені поурочного поділу. Учитель може самостійно розподіляти навчальні години і визначати послідовність розкриття навчального матеріалу в межах окремої теми, але так, щоб не порушувалася логіка його викладу.
Варіативна складова навчальних планів до типових освітніх програм може використовуватися на підсилення предметів інваріантної складової.
У такому разі розподіл годин на вивчення тієї чи іншої теми навчальної програми здійснюється вчителем самостійно і фіксується у календарно-тематичному плануванні, який погоджується керівником закладу освіти чи його заступником. Учитель записує проведені уроки на сторінках класного журналу, відведених для навчального предмета, на підсилення якого використано зазначені години.
Відповідно до нормативних документів, що регламентують шкільний освітній процес із хімії, практична складова курсу забезпечується проведенням лабораторних дослідів і практичних робіт, домашнього експерименту, навчальних дослідницьких проєктів, демонстрацій, екскурсій.
Лабораторні досліди виконуються за запропонованими вчителем формами та прийомами їх виконання й оформлення результатів, де враховуюся вимоги програми, вікові особливості, рівень сформованості навчальних умінь школярів, можливості матеріально-технічного забезпечення закладу. Метою є реалізація діяльнісного підходу та формування предметних компетенцій. Їх виконання фіксується в класному журналі на сторінці „Зміст уроку”, оцінюється вибірково.
Практичні роботи виконуються з метою перевірки обсягу знань та оцінки рівня набуття предметних компетенцій. Учні демонструють практичні вміння роботи з лабораторним обладнанням та посудом, хімічними реактивами; розв’язування навчальних практичних та експериментальних задач; рівень володіння базовими знаннями, методикою та технікою хімічного експерименту. На виконання практичної роботи виділяється окремий урок. По завершенні здійснюється оформлення звіту та підбиття підсумків. Практичні роботи є обов’язковими до оцінювання.
Домашній експеримент являє собою самостійну (з допомогою дорослих) роботу учнів у позаурочний час, метою якого є вироблення особистого досвіду дослідницької діяльності в процесі розв’язування пізнавальних завдань. Слід зазначити, що з міркувань безпеки необхідно інформувати батьків про зміст та обсяг домашнього експерименту, терміну його проведення та необхідність нагляду за ходом виконання.
Навчальні проєкти дослідницького спрямування мають на меті стимулювання пізнавальної діяльності учнів. Кожен учень упродовж навчального року повинен взяти участь хоча б в одному навчальному проєкті, індивідуально чи у складі групи учасників.
Звертаємо увагу на необхідності реального проведення лабораторних і практичних робіт, домашнього експерименту та навчальних дослідницьких проєктів, які є обов’язковою частиною навчальної програми з хімії. У разі неможливості проведення певних дослідів, передбачених програмою, їх варто замінити доступними, але подібними за змістом.
Дотримання правил безпеки життєдіяльності є обов’язковим при проведенні занять із хімії та передбачає здійснення інструктажів з відповідною їх фіксацією у журналі інструктажів, що зберігається в кабінеті хімії, а за відсутності кабінету – у визначеному адміністрацією місці. Обов’язковими є колонки:
інструктажу