Оксид железа (III): состав и молярная масса

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Железо - двадцать шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Fe от латинского «ferrum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 26.

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.

К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O и шпатовый железняк FeCO 3 .

Железо - серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты - от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.

Рис. 1. Железо. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса железа

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.

Аллотропия и аллотропные модификации железа

Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая - кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 o С и от 1394 o С до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5 o С. Между 912 o С и от 1394 o С устойчиво γ-железо.

Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912 o С и выше 1394 o С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394 o С - больше.

Изотопы железа

Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54 Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60 Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.

Ионы железа

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Fe 0 -2e → Fe 2+ ;

Fe 0 -3e → Fe 3+ .

Молекула и атом железа

В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:

Сплавы железа

До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Элементарный состав вещества следующий: массовая доля элемента железа 0,7241 (или 72,41%), массовая доля кислорода 0,2759 (или 27,59%). Выведите химическую формулу.

Решение

Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов железа в молекуле через «х», число атомов кислорода через «у».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O);

x:y = 72,41/56: 27,59/16;

x:y = 1,29: 1,84.

Наименьшее число примем за единицу (т.е. все числа разделим на наименьшее число 1,29):

1,29/1,29: 1,84/1,29;

Следовательно, простейшая формула соединения железа с кислородом имеет вид Fe 2 O 3 .

Ответ

Fe 2 O 3

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Химическая формула

Молярная масса Mn 2 O 7 , оксид марганца (VII) 221.871898 г/моль

54,938049·2+15,9994·7

Массовые доли элементов в соединении

Использование калькулятора молярной массы

Химические формулы нужно вводить с учетом регистра
Индексы вводятся как обычные числа
Точка на средней линии (знак умножения), применяемая, например, в формулах кристаллогидратов, заменяется обычной точкой.
Пример: вместо CuSO₄·5H₂O в конвертере для удобства ввода используется написание CuSO4.5H2O .

Калькулятор молярной массы

Моль

Все вещества состоят из атомов и молекул. В химии важно точно измерять массу веществ, вступающих в реакцию и получающихся в результате нее. По определению моль - это количество вещества, которое содержит столько же структурных элементов (атомов, молекул, ионов, электронов и других частиц или их групп), сколько содержится атомов в 12 граммах изотопа углерода с относительной атомной массой 12. Это число называется постоянной или числом Авогадро и равно 6,02214129(27)×10²³ моль⁻¹.

Число Авогадро N A = 6.02214129(27)×10²³ моль⁻¹

Другими словами моль - это количество вещества, равное по массе сумме атомных масс атомов и молекул вещества, умноженное на число Авогадро. Единица количества вещества моль является одной из семи основных единиц системы СИ и обозначается моль. Поскольку название единицы и ее условное обозначение совпадают, следует отметить, что условное обозначение не склоняется, в отличие от названия единицы, которую можно склонять по обычным правилам русского языка. По определению один моль чистого углерода-12 равен точно 12 г.

Молярная масса

Молярная масса - физическое свойство вещества, определяемое как отношение массы этого вещества к количеству вещества в молях. Говоря иначе, это масса одного моля вещества. В системе СИ единицей молярной массы является килограмм/моль (кг/моль). Однако химики привыкли пользоваться более удобной единицей г/моль.

молярная масса = г/моль

Молярная масса элементов и соединений

Соединения - вещества, состоящие из различных атомов, которые химически связаны друг с другом. Например, приведенные ниже вещества, которые можно найти на кухне у любой хозяйки, являются химическими соединениями:

соль (хлорид натрия) NaCl
сахар (сахароза) C₁₂H₂₂O₁₁
уксус (раствор уксусной кислоты) CH₃COOH

Молярная масса химических элементов в граммах на моль численно совпадает с массой атомов элемента, выраженных в атомных единицах массы (или дальтонах). Молярная масса соединений равна сумме молярных масс элементов, из которых состоит соединение, с учетом количества атомов в соединении. Например, молярная масса воды (H₂O) приблизительно равна 2 × 2 + 16 = 18 г/моль.

Молекулярная масса

Молекулярная масса (старое название - молекулярный вес) - это масса молекулы, рассчитанная как сумма масс каждого атома, входящего в состав молекулы, умноженных на количество атомов в этой молекуле. Молекулярная масса представляет собой безразмерную физическую величину, численно равную молярной массе. То есть, молекулярная масса отличается от молярной массы размерностью. Несмотря на то, что молекулярная масса является безразмерной величиной, она все же имеет величину, называемую атомной единицей массы (а.е.м.) или дальтоном (Да), и приблизительно равную массе одного протона или нейтрона. Атомная единица массы также численно равна 1 г/моль.

Расчет молярной массы

Молярную массу рассчитывают так:

определяют атомные массы элементов по таблице Менделеева;

Опубликуйте вопрос в TCTerms

Вычисления по химическим формулам

Обязательные умения

1. Вычисление относительной молекулярной массы вещества (Mr)

Задание: Вычислить относительную молекулярную массу молекулы серной кислоты (H2SO4)

Последовательность действий	Выполнение действий
1. Записать молекулярную формулу серной кислоты.
2.Записать формулу нахождения относительной молекулярной массы вещества	Mr (в-ва) = Ar (эл.1) ·n1 + Ar (эл.2) ·n2 + Ar (эл.3) ·n3
	Mr(H2SO4) = Ar(H)·2 + Ar(S)·1 + Ar(O)·4 = 1·2 + 32 + 16∙4=98
4. Записать ответ.	Ответ: Mr (H2SO4) = 98.

2. Вычисление массовых отношений элементов в сложном веществе

Задание: Найти массовые отношения элементов в оксиде серы (IV ) SO2.

3. Вычисление массовых долей элементов в сложном веществе

Задание: Определить массовые доли элементов в оксиде железа(III) Fe2O3.

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Записать формулу для вычисления массовых долей элементов в сложном веществе	w (элемента) = Ar(элемента)∙n:Mr(в-ва)
2.Определить относительную молекулярную массу оксида железа(III)	Mr (Fe2O3) = 56∙2+16∙3 = 160
3.Вычислить массовые доли железа и кислорода, подставив значения атомных масс элементов, их индексов и относительной молекулярной массы вещества	w (Fe) = 56∙2:160 = 0,7(70%) w (О) = 16∙3:160= 0,3 (30%)

Дополнительные умения

4. Определение простейшей формулы вещества по массовым долям элементов и относительной молекулярной массе вещества

Задание: Определить формулу вещества, в состав которого входит 40% серы и 60 % кислорода. Относительная молекулярная масса вещества 80.

5.Нахождение простейшей формулы соединения по массовым долям элементов

Задание : Какова простейшая формула вещества, в котором массовые доли серы, железа и кислорода равны соответственно 24, 28 и 48 %.

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Записываем формулу определения индексов элементов по массовым долям	n1: n2: n3 = w (эл.1)/Аr(эл.1): w (эл.2)/Аr(эл.2): w (эл.3)/Аr(эл.3)
2.Подставляем в формулу значение массовых долей и относительных атомных масс серы, железа и кислорода	n(S): n(Fe): n(O) = 24/32: 28/56: 48/16 =
3.Доводим полученные индексы элементов до целых чисел умножением на «4»	n(S): n(Fe): n(O) = 3:2:12
	S3Fe2O12 или Fe2(SО4)3

6. Вывод простейшей формулы соединения по отношению масс элементов в сложном веществе

Задание : Магний соединяется с азотом , образуя нитрид магния, в массовом отношении 18:7. Вывести формулу соединения .

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Записываем формулу определения индексов элементов по массовым отношениям	n1: n2 = m(эл.1)/Аr(эл.1): m(эл.2)/Аr(эл.2)
2.Подставляем в формулу значение массовых отношений и относительных атомных масс магния и азота	n(Mg): n(N) = 18/24: 7/14 = 0,75:0,5
3. Доводим полученные индексы элементов до целых чисел умножением на «4»	n(Mg): n(N) = (0,75:0,5) ·4 = 3:2
4.Записываем простейшую формулу вещества

7. Вывод формулы соединения на основе продуктов его сгорания

Задание: При сжигании углеводорода массой 8,316 г образовалось 26,4 г CO2. Плотность вещества при нормальных условиях равна 1,875 г/мл. Найдите его молекулярную формулу.

Последовательность действий	Выполнение действий
1.Находим молярную массу углеводорода на основе его плотности	М =1,875 г/мл·22, 4 л/моль = 42 г/моль
2. Определим массовую долю углерода в оксиде углерода и его массу	w (С) = 12г/моль/44г/моль = 0,27 m(С) = m(СО2) · w (С) = 26,4 г·0,27 =7,128г
	m(Н) = 8,316 г-7,128г = 1,188 г
4.Определим простейшую формулу вещества	n(С):n(Н) = 7,128г/12 г/моль:1,188 г/1 г/моль = 0,594: 1,188 = 1:2, т. е, простейшая формула вещества СН2
5.Определяем молярную массу простейшего вещества и сравниваем ее с молярной массой углеводорода, рассчитанной на основе его плотности	М(СН2) = 14 г/моль x = 42г/моль: 14г/моль =3
6.Утраиваем индексы элементов в простейшей формуле вещества, т. к. его молярная масса в 3 раза меньше, чем рассчитанная молярная масса углеводорода	Молекулярная формула углеводорода:

Задания для самоконтроля.

1. Вычислите массовые отношения и массовые доли элементов по химическим формулам:

а) оксида серы SO2

б) этана С2Н6

в) сульфата меди CuSO4

Образец выполнения см. п.2 и 3

2. Определите эмпирическую формулу соединения алюминия с углеродом, в котором массовая доля алюминия равна 75%.

Образец выполнения см. п.5

3. Определите формулу вещества, состоящего из 70,9% калия и 29,1% кислорода Относительная молекулярная масса вещества 110.

Образец выполнения см. п.4

4. Определите простейшую формулу оксида, зная, что 3,2 г оксида содержит 2,24 г железа.

Образец выполнения см. п.6

Домашнее задание:

Вычислять относительные молекулярные массы веществ;

Массовые отношения элементов в сложном веществе;

Массовые доли элементов в сложном веществе.

2. Задания 2, 4 с.31, 5,9 с. 32