5. Элементы триады железа – железо, кобальт, никель

5.1. Историческая справка

Железо – один из металлов, известных человеку с доисторических времен. Первые образцы железа, попавшие в руки человека, были метеоритного происхождения, такое железо называлось «звездным». Роль железа в становлении человеческой культуры трудно переоценить. Бронзовый век сменился железным. У большинства народов он приходится на 1 тысячелетие до н.э., но если называть эпохи по главному материалу орудий труда, то можно считать, что железный век продолжается и сегодня. Название происходит от санскритского слова «гала», обозначающего «металл, руда».

Кобальт был выделен в 1735 г. шведским химиком Георгом Брандтом из руды немецкой провинции Саксония. Это серый с розоватым оттенком металл. Назван по имени мифологического злого духа Кобольда.

Никель, впервые попавший в руки человека, как и железо, был небесного происхождения, он входит в состав железных метеоритов. Впервые в индивидуальном виде выделен шведским металлургом Акселем Фредериком Кронстедом в 1751 г. Назван по имени мифологического злого духа Ника.

5.2. Место элементов в Периодической системе химических элементов д.И. Менделеева

Железо, кобальт и никель расположены в 8, 9 и 10 группах Периодической системы химических элементов Менделеева соответственно.

Элементы триады железа имеют следующие конфигурации валентных электронов: Fe – 3d⁶4s², Co – 3d⁷4s², Ni – 3d⁸4s². В триаде железа ярко проявляется горизонтальная аналогия, характерная для d-элементов. Железо, кобальт и никель очень близки по свойствам, они обладают схожими атомными радиусами и значениями электроотрицательности. Наиболее типичные степени окисления: +2 и +3. При этом у железа наиболее устойчива степень окисления +3, чем +2, поскольку на 3d-оболочке существует всего один лишний электрон сверх устойчивой d⁵-конфигурации. У кобальта обе степени окисления устойчивы в равной мере, у никеля более стабильна степень окисления +2. Кроме того, в жестких окислительных условиях железо проявляет степень окисления, равную +6.

5.3. Распространенность в природе

Типы железных руд

Бурые железняки – руды гидроксидов железа (III), основной минерал – гетит FeO(OH), содержат до 66,1 мас. % железа.

Гематитовые руды или красные железняки – оксидные руды, основной минерал – гематит Fe₂O₃, содержат до 55–65 мас. % железа.

Магнетитовые руды или магнитные железняки – оксидные руды, основной минерал – магнетит Fe₃O₄, содержат 45–60 мас. % железа.

Силикатные руды – алюмосиликатные руды, основные минералы шамозит

Fe₄(Fe, Al)₂[Al₂Si₂O₁₀](OH)₈ и тюрингит (Mg, Fe)_3,5Al_1,5[Si_2,5Al_1,5O₁₀](OH)₆·nH₂О, содержат до 42 мас. % железа.

Ж елезо по распространенности в природе занимает четвертое место, уступая лишь кислороду, кремнию и алюминию. Его содержание в земной коре составляет 4,65 мас. %. Известно свыше 300 минералов, которые входят в состав железных руд. Железные руды, содержащие не менее 16 мас. % железа, имеют промышленное значение. Основными формами минералов железа являются оксидные и сульфидные соединения: магнетит (магнитный железняк) Fe₃O₄, гематит (железный блеск, красный железняк, кровавик) Fe₂O₃, лимонит Fe₂O₃·nH₂O, пирротин FeS, пирит FeS₂. Также встречаются минералы, содержащие мышьяк: леллингит FeAs₂, арсенопирит FeAsS и карбонат железа (II) – сидерит FeCO₃. Очень редко встречается самородное железо метеоритного происхождения.

Кобальт и никель часто встречаются вместе, иногда образуя самостоятельные месторождения. Они относятся к распространенным элементам. Содержание кобальта в земной коре составляет 3·10^-3 мас. %, никеля – 8·10^-3 мас. %. Металлы чаще всего образуют сульфидные и арсенидные месторождения. Основные минералы кобальта: кобальтин CoAsS, скутеррудит CoAs₂; никеля – никелин NiAs. Совместные с железом природные соединения: пентландит (Fe, Ni)₉S₈ и саффлорит (Co, Fe)As₂.

Кроме того, основная масса железа и никеля сосредоточена в земном ядре.