Надо Знать

добавить знаний



Железо


Iron electrolytic and 1cm3 cube.jpg

План:


Введение

Железо - вещество, которое состоит из железа - химического элемента с атомным номером 26, что отражается в химических формулах символом Fe [1] (от англ. Ferrum ).

Атомная масса железа 55,847. Это серебристо-серый, пластичный и ковкий металл, который легко окисляется образуя оксиды железа в виде толстой пленки (ржавчины), которые замедляют дальнейшее разрушение железа. Железо электропроводящий металл. Его твердость по Бринеллю не превышает 100 HB; модуль Юнга 190-210 10 3 МПа; модуль сдвига 8,4 10 3 МПа; предел прочности на разрыв 170-210 МПа, предел текучести - 100 МПа; ударная вязкость 300 МПа, средняя удельная теплоемкость (273-1273 К) 640,57 Дж / ​​кг К; плотность 7840 кг / м 3. На воздухе окисляется, покрываясь ржавчиной FeO nH 2 O. Среди других породообразующих элементов имеет максимальную атомную массу.


1. Происхождение названия

По вероятной версии слово "железо" на украинском и родственные термины в славянских языках ( бел. жалеза , рус. железо , цер.-слав. желѣзо , болг. Желязо , сербськохорв. жељезо , пол. żelazo , чешск. elezo , словен. elezo ) Происходят от санскритского "джальжа", что означало "металл", "руда" [2].

Научное название химического элемента и срок в романских языках ( итал. ferro , фр. fer , исп. hierro , порт. ferro , рум. fier) ​​происходит от латинского слова "феррум" ( лат. ferrum ). Латинское ferrum, скорее всего, заимствовано из какого-то восточного языка, вероятно с финикийской (для сравнения: ивр. barzel , шумерские. barzal, Ассирийского. parzilla) [3].

Германские языки позаимствовали название железа ( готское. eisarn, англ. iron , нем. Eisen , нидерл. ijzer , дан. jern , швед. jrn ) С кельтских языков [4].


2. Распространение в природе

По распространенности в природе феррум занимает второе место среди металлов (после алюминия). На него приходится 5,10% массы земной коры. По содержанию в земной коре феррум занимает 4-е место. Встречается он только в виде соединений. Свободное железо находят только в метеоритах.

Железо - распространенный элемент метеоритного вещества: в каменных метеоритах содержится до 25%, а в железных 90,85 мас.% Fe. Космическая распространенность железа близка к его содержанию в фотосфере Солнца - 627 г / т. Доля железа в веществе Земли достаточно велика - 38,8%. Бедная на феррум поверхность Земли.

Важнейшими природными соединениями железа, имеющие промышленное значение, является магнитный железняк Fe 3 O 4, красный железняк Fe 2 O 3, бурый железняк Fe 2 O 3 nH 2 O и пирит FeS 2. Оксиды железа служат рудами, из которых добывают железо, а пирит - сырьем для сульфатно-кислотного производства.

Распространенность железа в горных породах (% по массе): ультраосновных - 9,85, основные - 8,56; средние - 5,85; кислые - 2,70; щелочные - 3,60; осадочные - 3,33. Известно более 300 минералов, содержащих феррум: оксиды, сульфиды, силикаты, фосфаты, карбонаты и др..

Важнейшие минералы железа: гематит Fe 2 O 3 (70% Fe), магнетит Fe 3 O 4 (72,4% Fe), гетит FeOOH (62,9% Fe), лепидокрокит FeO (OH) (62,9% Fe), лимонитом - смесь гидрооксидов Fe с SiO 2 и др.. веществами (40-62% Fe), сидерит FeCO 3 (48,2% Fe), ильменит FeTiO 3 (36,8% Fe), шамозит (34-42% FeO), вивианит (43,0% FeO), боронить (34,6% Fe 2 O 3), ярозит (47,9% Fe 2 O 3) и др..

Богатые месторождения магнитного железняка сосредоточены на Урале близ г. Магнитогорская и в Курской области (так называемая Курская магнитная аномалия). Месторождения красного железняка есть в Украине вблизи г. Кривой Рог. Месторождения бурого железняка сосредоточены на Керченском полуострове. Кроме того, крупные месторождения железных руд выявлены и в других местах - на Кольском полуострове, в Сибири и на Дальнем Востоке.


3. Изотопы

Естественное железо состоит из четырех стабильных изотопов: 54 Fe (изотопная распространенность 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) и 58 Fe (0,282%). Также известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72, наиболее устойчивые из которых - 60 Fe (период полураспада по уточненным в 2009 году данных составляет 2,6 миллиона лет [5]), 55 Fe (2,737 года), 59 Fe (44,495 суток) и 52 Fe (8,275 ч), другие изотопы имеют период полураспада менее 10 минут [6].

Изотоп железа 56 Fe относится к самых ядер с наименьшей энергией связи в расчете на один нуклон. Все предыдущие элементы могут уменьшить энергию связи за счет синтеза, а все последующие - путем распада. Считают, что железом заканчивается процесс синтеза элементов в ядрах нормальных звезд. Ранее считалось, что все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых [7]. Однако по современным представлениям, синтез элементов тяжелее железа, происходит не только в сверхновых, но и в недрах звезд-гигантов поздних стадиях их эволюции благодаря s-процесса.

Кусок железа высокой (99,97%) чистоты
Гидротермальные источники с высоким содержанием железа

4. История железа

Использование железа началось гораздо раньше, чем его производство. Первые железные изделия имели космическое (метеоритная) происхождение и были изготовлены из обломков метеоритов еще в III-II тыс. до н. е. время от времени находили куски серовато-черного металла, перековывали на кинжал или наконечник копья был оружием крепче и пластичнее, чем бронза, и дольше держал лезвие.

Первым шагом в зарождении металлургии железа было получение его путем восстановления из окиси. Руда перемешивалась с древесным углем и закладывалась в печь. При высокой температуре, создаваемой горением угля, углерод начинал соединяться не только с атмосферным кислородом, но и с тем, что связан с атомами железа. После выгорания угля в печи оставалась так называемая сталь - комок вещества с примесью восстановленного железа. Сталь вновь разогревали и подвергали обработке ковкой, выбивая железо из шлака. Такое железо не отличалась твердостью и упругостью, поэтому имело ограниченную область применения.

Впервые железо научились обрабатывать народы Анатолии. Древнегреческая традиция считала открывателем железа народ Халиб, для которых традиционно использовалась устойчивая название "отец железа", и само название народа берет начало именно от греческого слова Χάλυβας ("железо").

"Железная революция" началась на рубеже I тысячелетия до н.э. в Ассирии. С VIII века до н.э. сварное железо быстро стало распространяться в Европе. Первыми, кто начал на землях современной Украины выплавлять из болотной руды железо, были киммерийцы (VII в. до н.э.) [8]. В IV - III вв. до н.э. большая часть арсенала оружия скифских воинов - мечи, кинжалы, боевые топоры и т.п. было изготовлено из железа. В III веке до н.э. железо вытеснило бронзу в Галлии, во II веке новой эры появилось в Германии, а в VI веке нашей эры уже широко употреблялось в Скандинавии. В Японии железный век наступил только в VIII веке нашей эры.

Увидеть железо в жидком состоянии металлурги смогли лишь в XIX веке, однако, еще в начале I тысячелетия до новой эры - индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствие необходимых материалов в большей части мира эта сталь так и осталась индийским секретом на длительное время.

Технологичен путь получения упругой стали, при котором не нужны ни особо чистая руда, ни графит, ни специальные печи, был изобретен в Китае во II веке нашей эры. Сталь перековывали очень много раз, при каждом ковке составляя пластину вдвое, вследствие чего получался отличный материал для оружия, получивший название дамасская сталь, из которого, в частности, делались японские катаны.

С XVI века в Европе получил распространение так называемый передельный процесс в металлургии - технология, при которой железо еще при получении за счет высокой температуры плавления и интенсивного навуглецьовуванния превращается в чугун, а уже потом, жидкий чугун, освобождаясь от лишнего углерода при отжиге в горнах, перерабатывался в сталь.


5. Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO Fe 2 O 3).

Существуют различные способы получения железа из руд. Наиболее распространенным является доменный процесс.

Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 C. В доменную печь углерод (в виде кокса), железная руда (в виде агломерата или окатышей) и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу нагнетается горячий воздух.

В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Этот оксид образуется при горении в условиях недостатка кислорода:

~ \ Mathrm {2C + O_2 \ \ longrightarrow \ 2CO \ uparrow}

В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа (III) :

~ \ Mathrm {3CO + Fe_2O_3 \ \ longrightarrow \ 2Fe +3 CO_2 \ uparrow}

Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов, например кварца) в добытой руде. Типичный флюс содержит известняк ( карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса (в приведенном случае - карбонат кальция) заключается в том, что во время нагревания он разлагается до его оксида:

~ \ Mathrm {CaCO_3 \ \ xrightarrow {100 ^ \ circ C} \ CaO + CO_2 \ uparrow}

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак - метасиликат кальция:

~ \ Mathrm {CaO + SiO_2 \ \ xrightarrow {> 100 ^ \ circ C} \ CaSiO_3}

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Легче, чем железо, шлак плавает на поверхности - это свойство позволяет отделять шлак от металла. Шлак затем могут применяться в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи ( чугун), содержит довольно много углерода. Кроме тех случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишки углерода и другие примеси ( сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи применяются для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространенный процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельченную руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащие водород. Водород легко восстанавливает железо:

~ \ Mathrm {Fe_2O_3 +3 H_2 \ \ xrightarrow {100 ^ \ circ C} \ 2Fe +3 H_2O} ,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными для каменного угля. Железо получается в твердом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо добывают электролизом растворов его солей.


6. Физические свойства

Железо - блестящий серебристо-белый тяжелый металл. Плотность его 7,86 т / м 3; температура плавления 1538 C, температура кипения 2862 C. Железо достаточно пластическое. Оно легко куется, штампуется, вытягивается в провод и прокатывается в тонкие листы, легко намагничивается и размагничивается. Выше температуры Кюри (770 C) теряет ферромагнитные свойства. До температури 912 C існує в алотропній модифікації α-заліза з об'ємноцентрованою кубічною кристалічною ґраткою, за вищої температури - γ-заліза із гранецентрованою кубічною ґраткою, вище 1394 C знову змінює тип ґратки на об'ємноцентровану кубічну (δ-залізо).


7. Химические свойства

Ферум належить до восьмої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Його атоми на зовнішній електронній оболонці мають по два електрони, а на передостанній - 14 електронів. Атоми феруму можуть легко втрачати два електрони і перетворюватись у двовалентні катіони Fe 2+. Вони можуть втрачати і три електрони (один з передостанньої оболонки) і перетворюватись у тривалентні катіони Fe 3+. Таким чином, залізо утворює два ряди сполук. Сполуки тривалентного феруму стійкіші.

У сухому повітрі за звичайної температури залізо досить стійке, але у вологому швидко іржавіє, вкриваючись товстим шаром іржі. Іржа є сумішшю оксидів і гідроксидів феруму. Основну частину іржі складає сесквіоксид заліза Fe 2 O 3 і тригідроксид заліза Fe(OH) 3. Крім того, до її складу входить монооксид заліза FeO, дигідроксид заліза Fe(OH) 2 та інші сполуки. Процес ржавіння заліза можна зобразити такими приблизними рівняннями:

  • 2Fe + O 2 + 2Н 2 О = 2Fe(OH) 2
  • 4Fe(OH) 2 + O 2 + 2Н 2 О = 4Fe(OH) 3
  • Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O
  • 2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O

Іржа досить крихка і пориста. Тому вона не може ізолювати метал від атмосфери, через що процес ржавіння відбувається безперервно. При високій температурі залізо легко сполучається з киснем, ; утворюючи окалину Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3). В атмосфері кисню розжарена залізна дротина горить яскравим полум'ям, утворюючи теж окалину Fe 3 O 4. При нагріванні залізо може легко реагувати з хлором, сіркою та іншими неметалами:

  • 2Fe + 3Cl 2 = 2 FeCl 3
  • Fe + S = FeS

В електрохімічному ряді напруг залізо стоїть лівіше від водню, тому воно легко реагує з розведеними хлоридною і сульфатною кислотами:

  • Fe + 2HCl = FeCl 2 + Н 2
  • Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

З розведеною нітратною кислотою залізо теж легко реагує:

  • Fe + HNO 3 + 3HNO 3 = Fe (NO 3) 3 + 2H 2 O + NO ↑

Але з концентрованою нітратною і концентрованою сульфатною кислотами без нагрівання залізо не реагує. Воно стає "пасивним", вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка не розчиняється в кислотах і ізолює метал від дії кислоти. Завдяки цьому концентровану нітратну і концентровану сульфатну кислоту можна зберігати і транспортувати в залізній тарі.

Залізо може відновлювати менш активні метали з розчинів їхніх солей, наприклад: Fe + CuSO 4 =FeSO 4 + Cu


8. Применение

Чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів та якорів електромашин, як каталізатор хімічних процесів, для виготовлення анодних пластин залізо-нікелевих акумуляторів. Карбонільне залізо використовують для нанесення найтонших плівок і шарів на магнітофонні стрічки та диски носіїв постійної пам'яті, як антианемічний засіб та ін. Залізний порошок використовують при зварюванні, а також для цементації міді.

Железоуглеродистые сплавы чавун і сталь - основний конструкційний матеріал, що застосовується у всіх галузях промисловості. Виробництво заліза та його сплавів складає більше 90% виробництва всіх металів і утворює окрему галузь промисловості - чорну металургію.

Сталі містять до 2,14% карбону, чавун - понад 2,14%.


8.1. Чавуни

Розрізняють сірий чавун (містить 2-3,5% C, а також, Si і Mn) - він не дуже твердий, добре відливається у форми, крихкий і при ударі легко розколюється. Графіт у ньому має пластинчасту форму. Сірий чавун йде на виливок машинних станин, махових коліс, каналізаційних труб, плит і т.п. Чавуни з кулястим графітом порівняно з іншими чавунами мають вищу пластичність, ударну в'язкість й одночасно міцність (за що їх називають високоміцними), що насамперед зумовлено кулястою формою графіту, яка забезпечується сфероїдизуванням. Чавун, в якому майже весь вуглець міститься у вигляді цементиту (Fe 3 C), твердіший (450...550 НВ), має назву білий чавун (містить 2-3,5% C, Si> 1%, Mn-1-1,5% ). Білий чавун використовується для подальшої переробки: при виплавці сталі та отримання шляхом графітизувального відпалу ковкого чавуну.


8.2. Сталі

Сталь, в отличие от чугуна, легко поддается ковке и вальцовки. При быстром охлаждении ( закалке) она получается очень жесткой, при медленном охлаждении мягкой. Мягкую сталь легко обрабатывать. Из нее делают гайки, болты, проволока, кровельные материалы, детали машин. С твердой и теплостойкой стали инструментальная сталь изготавливают инструменты для обработки материалов. Большое значение имеют в современной технике легированные стали. Они содержат так называемые легирующие элементы, к которым относятся хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, марганец, медь, кремний и др.. Легирующие элементы добавляются для придания стали определенных свойств.

Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей, семиводний сульфат железа ( железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.


9. Биологическая роль

Железо жизненно важный химический элемент для всех организмов. В клетках феррум обычно хранится в центре метал-протеинов, поскольку свободный феррум неспецифически связывается с многочисленными химическими веществами клетки и может катализировать образование токсичных свободных радикалов. Недостаток железа в организме может приводить к анемии.

В животных, растениях и грибах феррум часто входит в состав гемномго комплекса. Гем - важная составная часть цитохромных белков, играющих роль посерединикив в окислительно-восстановительных реакциях, и белков, которые переносят кислород - гемоглобина, миоглобина и леггемоглобину. Неорганический феррум также может влиять на окислительно-восстановительные реакции в железо-серных кластерах многих энзимов, как, например, нитрогеназы.

К негемних протеинов относятся энзимы монооксигеназы метана, окисляющие метан в метанола, рибонуклеотид редуктаза, которая восстанавливает рибозу в деоксирибозы, гемеритрины, которые отвечают за транспортировку и фиксацию кислорода в морских позвоночных и пурпурная кислотная фосфатаза, который катализирует гидролиз эфиров фосфора.

В млекопитающих распределение железа в организме жестко регулируется, так феррум потенциально токсичен. Распределение железа регулируется еще и потому, что его требуют многие бактерий, поэтому ограничение доступа бактерий к этому элементу помогает предотвратить инфекции или ограничить ее. Очевидно, это причина относительно небольшого количества железа в молоке млекопитающих. Основу системы регулирования содержания железа составляет белок трансферрин, связывающий железо и транспортирует его к кровяных клеток.


10. Интересные факты и высказывания

  • Писатель и ученый поздней античности Плиний так высказался о роли железа: "Рудокопы железа добывают для человека лучше и злостнейших орудия. Этим орудием прорезаем мы землю, высаживая кусты, обрабатываем плодоносящие сады и, обрезая дикие виноградные лозы, заставляем их каждый омолаживаться. Этим орудием сводим мы здания, разрушаем камень и используем железо на все подобные нужды. Но тем же железом поступаем войны, битвы, грабежи и пользуемся как оружием не только лицом к лицу с врагом, но и как летучим снарядом, я считаю преступной коварством человеческой изобретательности, поскольку для того, чтобы смерть настигла человека, мы сделали ее крылатой и предоставили железу крылья. Пусть вина за это будет приписана человеку, а не природе ".
  • Древнейшая письменное упоминание о качественном осталене железо сохранилось на глиняной табличке 1400 г. до Р. Х., созданной в Северной Месопотамии. Всего на 15 лет моложе письмо хеттского царя Хаттушиля до египетского фараона Тутанхамона с обещанием изготовить "хорошо железо" и выслать его в Египет.

См.. также


Примечания

  1. ДСТУ 2439-94 Элементы химические и вещества простые. Термины и определения
  2. Мезенин Н. А. Занимательно о железе. М. "Металлургия", 1972. 200 с.
  3. Walde A. Lateinisches etymologisches Wrterbuch. - Carl Winter's Universittsbuchhandlung. - 1906. - С. 285.
  4. Мейе, А. Основные особенности германской группы языков / А. Мейе. М., 1952.
  5. New Measurement of the 60 Fe Half-Life / / Physical Review Letters. - 103. -: 72502. DOI : 10.1103/PhysRevLett.103.072502 - dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.072502. (Англ.)
  6. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and AH Wapstra (2003). "The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties" (Англ.)
  7. Ю. М. Широков, Н. П. Юдин. Ядерная физика. М.: Наука, 1972. Глава Ядерная космофизика. (Рус.)
  8. История Украины: Учебное пособие / Бойко О.Д. - К.: Академвидав, 2006. - 686 c.

Источники

  • Глоссарий терминов по химии / / И. Опейда, А. Шило. Ин-т физико-органической химии и углехимии им .. Л. М. Литвиненко НАН Украины, Донецкий национальный университет - М.: "Вебер", 2008. - 758 с. ISBN 978-966-335-206-0
  • Малая горная энциклопедия. В 3-х т. / Под ред. С. Белецкого. - М.: "Донбасс", 2004. - ISBN 966-7804-14-3.
  • Ф. А. Деркач "Химия" Л. 1968
  • Хильчевский В. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебное пособие. М.: Просвещение, 2002. - 328с. ISBN 966-06-0247-2

код для вставки
Данный текст может содержать ошибки.

скачать

© Надо Знать
написать нам