Железная окалина Fe3O4: свойства, получение, применение
Железная окалина Fe3O4 — смешанный оксид железа(II, III), чёрное магнитное вещество, молярная масса 232 г/моль.
Ключевые факты
- Формула
- Fe3O4
- Класс
- оксид (смешанный)
- Молярная масса
- 232 г/моль для расчётов ЕГЭ; по массам IUPAC 231,55 г/моль
- Другие названия
- оксид железа(II, III); магнетит; магнитный железняк
- Состояние
- твёрдое вещество
- Степени окисления
- Fe +2 и +3 (одна часть атомов в +2, две части в +3), O −2
- Состав
- можно записать как FeO · Fe2O3
- Кристаллическая решётка
- ионная
- Свойство
- притягивается магнитом
Что такое железная окалина?
Железная окалина — чёрный оксид, который образуется на поверхности железных изделий при сильном нагревании на воздухе. Он же основной компонент магнитного железняка — природного минерала магнетита. Формула Fe3O4 показывает смешанный оксид: в нём сочетаются атомы железа в двух степенях окисления, +2 и +3.
Поэтому при растворении в кислотах железная окалина даёт сразу две соли: железа(II) и железа(III). Оксид нерастворим в воде, не реагирует со щелочами и проявляет окислительные и восстановительные свойства. Его восстанавливают до железа, а на воздухе при прокаливании окисляют до оксида железа(III).
Какие физические свойства у железной окалины?
| Свойство | Значение |
|---|---|
| Агрегатное состояние | твёрдое вещество |
| Цвет | чёрный, с металлическим блеском |
| Магнитные свойства | ферримагнетик: притягивается магнитом |
| Температура плавления | около 1600 °C |
| Растворимость в воде | нерастворим |
Какие химические свойства у железной окалины?
Реакции делят на три группы: растворение в кислотах (образуются две соли), восстановление металлом, водородом или угарным газом до железа и окисление кислородом или концентрированной азотной кислотой. С водой и щёлочью железная окалина не реагирует.
- С соляной кислотой: смесь двух солейFe3O4 + 8HCl → FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O
- С водородом: восстановлениеFe3O4 + 4H2 → 3Fe + 4H2OУсловия: нагревание
- С угарным газом: доменный процессFe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2Условия: нагревание
- С алюминием: алюмотермия3Fe3O4 + 8Al → 9Fe + 4Al2O3Условия: нагревание
- С кислородом: окисление до оксида железа(III)4Fe3O4 + O2 → 6Fe2O3Условия: прокаливание
- С концентрированной азотной кислотой: окисление железа(II)Fe3O4 + 10HNO3 → 3Fe(NO3)3 + NO2↑ + 5H2O
Растворяя железную окалину в разбавленных кислотах, получают смесь солей железа(II) и железа(III). Азотная кислота окисляет и ту часть железа, которая была в степени окисления +2, поэтому в растворе остаётся только железо(III).
Как получают железной окалины?
Горение железа
Раскалённая железная проволока горит в кислороде ярким пламенем, образуя чёрные чешуйки окалины.
- 3Fe + 2O2 → Fe3O4
Железо и водяной пар
При пропускании водяного пара над раскалённым железом образуется окалина и водород.
- 3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2↑
Как распознать железная окалина? Качественная реакция
Окалину узнают по чёрному цвету и притяжению магнитом. После растворения в кислоте в растворе есть оба иона железа: ион железа(III) даёт кроваво-красное окрашивание с роданидом калия.
- FeCl3 + 3KSCN → Fe(SCN)3 + 3KCl
Где применяют железной окалины?
- железная руда (магнетит) — сырьё для выплавки чугуна и стали;
- чёрный пигмент в красках и косметике;
- защитная оксидная плёнка на стальных изделиях при воронении;
- магнитные материалы, ферриты и носители записи.
Меры предосторожности. Само вещество малоопасно, но мелкая пыль оксидов железа раздражает дыхательные пути; при работе с кислотами и раскалёнными образцами нужны очки и перчатки.
Чему равна молярная масса железной окалины?
M(Fe3O4) = 3·56 + 4·16 = 232 г/моль
Молярную массу вещества складывают из относительных атомных масс элементов с учётом индексов. На ЕГЭ массы округляют до целых, у хлора берут 35,5. Если брать массы IUPAC до сотых, получится 231,55 г/моль.
Посчитать молярную массу в калькуляторе · Количество вещества: n = m/M
Где железная окалина встречается на ЕГЭ?
- Задание 3: степень окисления и валентностьЖелезо в Fe3O4 проявляет две степени окисления сразу: +2 и +3.
- Задание 5: классы неорганических веществКлассификация: смешанный оксид, соответствует двум гидроксидам железа.
- Задание 7: реагенты и продукты реакцииРеагирует с кислотами с образованием двух солей, а также с восстановителями; с водой и щёлочами не реагирует.
- Задание 19: окислитель и восстановительОкислитель при восстановлении до железа, восстановитель при окислении до оксида железа(III) или азотной кислотой.
- Задание 24: качественные реакцииИоны железа(II) и железа(III) в растворе определяют по характерным осадкам и окраске.
Вопросы и ответы
Чему равна молярная масса железной окалины?
M(Fe3O4) = 3·56 + 4·16 = 232 г/моль.
Почему железную окалину называют смешанным оксидом?
Её состав соответствует сочетанию оксидов железа(II) и железа(III), FeO · Fe2O3. Поэтому в ней одновременно есть атомы железа в степенях окисления +2 и +3.
Почему при растворении окалины в кислоте образуются две соли?
В решётке есть и ионы Fe2+, и ионы Fe3+. Каждый из них даёт соль со своим кислотным остатком, поэтому в растворе получается смесь.
Чем окалина отличается от ржавчины?
Окалина — чёрный оксид, который образуется при высокой температуре и покрывает металл плотным слоем. Ржавчина — рыхлые бурые гидратированные оксиды железа(III), появляющиеся при контакте с водой и воздухом.
Потренироваться на заданиях
Страница объясняет вещество, а тренажёр помогает применить это в заданиях. В кабинете НейроМиши — задания ЕГЭ по химии с проверкой ответа и разбором ошибки. Начать можно без регистрации.
Связанные элементы, таблицы и вещества
Элементы в составе: железо Fe, кислород O.
Другие вещества
Источники
- ФИПИ: демоверсия, спецификация и кодификатор ЕГЭ по химии (проект на 2027 год) — номера заданий и перечень проверяемого содержания
- CIAAW (комиссия IUPAC по изотопам и атомным весам): стандартные атомные веса — атомные массы для молярной массы
- О. С. Габриелян. Химия: учебники для 8–9 и 10–11 классов — школьный уровень свойств, получения и применения веществ