ЖЕЛЕЗО (Ferrum), Fe — хим. элемент VIII группы периодической системы элементов; ат. н. 26, ат. м. 55,847. Блестящий серебристо-белый металл. В соединениях проявляет степени окисления +2 и +3, реже +6. Природное Ж. состоит из стабильных изотопов 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%) и 58Fe (0,31%). Получены радиоактивные изотопы 52Fe, 53Fe, 56Fe, 59Fe и 60Fe с периодами полураспада соответственно 8,3 ч, 8,9 мин 2,9 года, 45 дней и 8,4 ч. Ж, известно с древнейших времен, однако длительное время использовался лишь металл метеоритного происхождения. Изготовление изделий из Ж. (гл. обр. украшений) началось в первой половине 3-го тысячелетия до н. э. Во 2-м тысячелетии до н. э. был создан способ произ-ва достаточно твердого металла. В Европе и в Древней Руси до середины 14 в. Ж. получали в сыродутных горнах прямым восстановлением руды древесным углем (сыродутный процесс), получая губку (крицу), из к-рой затем выковывали различные изделия. В дальнейшем, по мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты плавильных печей, Ж. науглероживалось , превращаясь в чугун, к-рый вначале считали отходом произ-ва.
 
Постепенно чугун научились переделывать в сталь. Такой двухступенчатый передел оказался более экономичным и производительным и с 15—16 вв. почти полностью заменил одноступенчатую схему произ-ва Ж. и стали. В середине 19 в. были разработаны бессемеровский, томасов-ский и мартеновский способы передела чугуна в сталь, пополнившиеся впоследствии электросталеплавильным, кислородно-конверторным и др. способами. По содержанию в земной коре (4,65%) Ж. занимает четвертое место после кислорода, кремния и алюминия. В земных глубинах содержание его возрастает. В земной коре Ж. сформировалось в различные минералы, к-рых насчитывается около 300: окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, фосфаты и т. д. Важнейшие рудные минералы: магнетит Fe304, гематит Fe203, лимонит Fe20 • Н20, сидерит FeC03, а также соединения с серой и мышьяком. В виде гидроокисей Ж. накапливается во мн. морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.
 
Неокисленное   (самородное)
Ж.— в виде теллурического земного или метеоритного — встречается в природе   редко.   Ж.— пластичный
металл, легко поддается ковке, прокатке, штампованию и волочению. Его кристаллические модификации: альфа-,    гамма-   и   дельта-железо.  До т-ры  769° С стойко альфа-железо,   выше   т-ры   769° С (Кюри точка) оно сохраняет кристаллическую структуру, однако теряет  ферромагнетизм,   переходя в дельта-железо; при т-ре 911° С переходит в гамма-железо, а при т-ре 1400° С   гамма-железо   превращается в  дельта-железо.   Немагнитную модификацию железа, стойкую в интервале т-р  769—911°  С,  нередко наз. бета-железом. Однако его структура  тождественна   высокотемпературной модификации дельта-железа и не может рассматриваться как самостоятельная. Внешняя электронная оболочка атома Ж. имеет 3d4s² электронов. Наличие незаполненного 3d слоя и его относительные размеры   определяют  многие  физ.  и хим. св-ва элемента. Так, взаимодействие нескомпенсированных спинов четырех из шести электронов соседних атомов на небольших расстояниях,  свойственных альфа-железу, создает области спонтанной намагниченности (домены), определяющие ферромагнетизм. С увеличением межатомных   расстояний   обменное взаимодействие ослабляется, что приводит к раз упорядочению областей и исчезновению ферромагнетизма при т-ре 769° С. Сосредоточение четырех электронов в металле и их взаимодействие с катионами приводят к перекрытию d6 орбиталей и появлению направленных связей, свойственных объемноцентрирован-ной кубической структуре альфа- в дельта-железа. Если перекрытия в гамма-железе нет, координационное число увеличивается до 12. Физ. св-ва   чистого   Ж.:   tпл    1536° С; tкип 2880° С; коэфф. теплопровод кости (т-ра 25° С) 0,177 кал/см •сек • град-1,   ср.  удельная  теплоемкость (т-ра 0—1000° С) 0,153 кал/г • град; температурный коэфф. линейного расширения (т-ра 20° С)
11,7 • 10-6 град-1 удельное электрическое сопротивление (т-ра 20° С) 9.7 • 10 ом • см; температ. коэфф. электр.  сопротивления   (0—100° С) 6,51 • 10-3 град-1   .    Многие    св-ва зависят от чистоты металла.
 
В хим. отношении железо— металл средней активности: если нет влаги, его компактные образцы не реагируют заметно даже с такими окислителями, как кислород, сера, хлор и бром. Только высокодисперсное (пирофорное) Ж. может самовоспламеняться. При нагревании интенсивность взаимодействия быстро возрастает. Из кислородных соединений известны: FeO (точнее вюстит FexO — нестехиометрическое соединение нерем. состава, стойкое выше т-ры 572° С), Fe304 и Fe203. При т-ре 200—300° С на воздухе Ж. покрывается плотной окисной пленкой, защищающей его от коррозии (см. Коррозия металлов). Чистое Ж. при обычных т-рах стойко на воздухе и в воде. Техническое Ж. и железа сплавы под воздействием паров воды, углекислого газа и кислорода корродируют, покрываясь хрупким пористым слоем гидроокиси FeO x x nН20 — ржавчиной, не защищающей металл от коррозии. От нее ежегодно теряется около 30% добываемого Ж. и стали,  из к-рых в виде металлолома идут в переплав, а  теряется безвозвратно. Растворимость углерода в альфа-железе при комнатной т-ре — около 2 • 10-5 %, а при т-ре 738° С составляет 0,02%. В гамма-железе при т-ре 1153° С растворяется до 2,11% С.
 
Твердый раствор углерода в альфа-железе (феррит) и в гамма-железе (аустенит) являются растворами внедрения. В зависимости от содержания углерода сплавы Ж. подразделяют на стали и чугуны. При быстром охлаждении аустенита образуется пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе (мартенсит) , обладающий высокой твердостью и хрупкостью. Последующий отпуск (нагрев до т-ры 500—550° С и выдержка) позволяет получить регулируемое сочетание мех. прочности и пластичности. При сравнительно быстром охлаждении из железоуглеродистых расплавов выделяются карбиды: Fe3С (цементит), реже Fe2C (эпсилон-карбид), а при медленном — графит. Наиболее стойки нитриды Fe4N и Fe2N. Соединения Ж. с водородом (гидриды) малостойки. Соединения с серой имеют перем. состав: в FexS содержится от 50 до 53,3 ат.% S.
 
При нагревании с кремнием, фосфором,  алюминием и титаном Ж.  образует  соответственно силициды, фосфиды, алюмини-ды и титаниды. Ж. хорошо растворяется в разбавленных к-тах и практически не растворяется в щелочах. Водные растворы его солей имеют кислую реакцию. Ж. склонно к образованию  комплексных  соединений. Чистое Ж.  получают восстановлением   из   окислов   (железо   пирофорное), электролизом водных растворов его солей (железо электролитическое) ,   разложением   пента кар бонила Fe (СО)5 при нагревании до т-ры 250° С (см. Железо карбонильное) . Для произ-ва особо чистого железа  (99,99%   Fe)   прибегают к зонной плавке и др. спец. способам. Технически чистое Ж. (армко-железо), содержащее около 0,16% примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора, серы и др.), выилаваяют, окисляя компоненты чугуна, в мартеновских, двухванных сталеплавильных печах и в кислородных конверторах.
 
Сварочное, или кричное, Ж. получают, окисляя примеси малоуглеродистой стали железистым шлаком при т-ре 1350° С или восстановлением из руд твердым углеродом. Восстановлением при т-ре до 1200 ° С получают железо губчатое. Осн. массу Ж. выплавляют в виде сталей и чугунов  Технически чистое Ж. применяют для изготовления сердечников электромагнитов, якорей электр. машин и др. Чистое Ж. используют как катализатор, для исследовательских целей и для изготовления медицинских препаратов. Порошки Ж., полученные восстановлением окислов, карбонильным и другими способами, перерабатывают методами порошковой металлургии в различные изделия, листы, полосы, ленты и др. Железный порошок в больших количествах используют при сварке, а также для цементации меди. Губчатое и кричное Ж. применяют для произ-ва высококачественных сталей. Ж. — составная часть железобетона и железографита. Окислы Ж. служат минеральными красками, а ферромагнитные Fe304 и v-Fe203 используют для произ-ва магнитных материалов. Из солей широко применяют сульфаты, напр. FeS04 X X 7Н20 — в текстильной пром-сти, в произ-ве берлинской лазури, чернил,   минеральных   красок  , FeS04 — коагулянт для очистки во ды. Покрытие железом  нашло применение в полиграфии — для изготовления клише, в автомобильной и тракторной промети — для восстановления изношенных деталей машин и др. На долю сплавов Ж. приходится примерно 95% всей металлической продукции.
 
Природная смесь состоит из четырёх стабильных изотопов железа : 54Fe ( 5,84% ) , 56Fe ( 91,68% ) ,57Fe (2,17%) , 58Fe (0,31% ) . Искусственные изотопы 55Fe и 59Fe применяется как радиоактивные индикаторы ( период полураспада 2,94 года и 45,1 дня ) .
По распространённости на земле железо уступает среди металлов только алюминию . В литосфере его содержится 4,0% , в самородном состоянии встречается редко . Основные железные руды : магнитный железняк ( магнетит ) Fe3O4 , красный железняк ( гематит ) Fe2O3, бурый железняк ( лимонит ) 2Fe2O3 3H2O , шпатовый железняк ( сидерит ) FeCO3 . Железный колчедан ( пирит ) FeS2 перерабатывают на серную кислоту . Железо получают из руд путём восстановления , расплавленное железо растворяет избыток углерода и получается , сплав называемый чугун .
 
Химический процесс получения железа состоит :
При неполном сгорании кокса образуется оксид углерода ( II ) :
 
C + O2 = CO2
 
CO2 + C = 2CO
 
Оксид железа восстанавливается оксидом углерода ( II ) свободного железа :
 
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O3 + CO2
 
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
 
FeO + CO = Fe + CO2
 
Чугун содержит около 93% железа и 4% углерод , а также примеси кремния , марганца , фосфора и серы . Серый чугун содержит углерод в виде графита , а белый в виде цементита Fe3C . Из более мягкого и вязкого серого чугуна отливают чугунные изделия . Белый , трудно поддающийся обработке чугун перерабатывают на сталь , окисляя углерод кислородом воздуха в конвертерах , мартеновских или электропечах . Металл с содержанием углерода 0,3 — 2% называют твёрдой сталью . Мягкая сталь ( или железо ) содержит углерод менее 0,3% .
В электропечах , позволяющих лучше регулировать процесс , выплавляют специальные легированные стали . Легирующими добавками к ним могут быть хром , марганец , никель , молибден , вольфрам , ванадий и т.д .
Такие стали приобретают твёрдость и вязкость , жаростойкость , кислотоупорность , противокоррозионные и другие ценные свойства . Среди них различают машиностроительные и инструментальные стали .
Поверхность стальных изделий иногда подвергают цементированию ( насыщение углеродом ) , азотированию ( нагревание в атмосфере аммиака ) , цианированию ( обогащение углеродом и азотом ) . В результате этого поверхность изделий приобретает твёрдость , устойчивость к истиранию и коррозии .
Чистое железо — серебристо — белый , мягкий металл , хорошо поддающийся обработке , легко намагничивается и размагничивается . Его получают электролизом растворов солей железа или термическим разложением пентакарбонила  железа :
 
[Fe( CO )5 = Fe + 5CO
 
Известны четыре полиморфные модификации железа . Полиморфные превращения железа сопровождаются изменением кристаллической решётки и физических свойств железа .
При обычных температурах железо не взаимодействует даже с самыми активными неметаллами ( фтор , хлор , бром , йод , кислородом , серой , фосфором ) , но при нагревании реагирует с ними энергично . Во влажном воздухе техническое железо покрывается ржавчиной ( FeOOH ). Оно легко растворяется в соляной кислоте , в разбавленной серной и азотной кислотах , но концентрированные серная и азотная кислоты пассивирую железа . В щелочах ( кроме горячих концентрированных растворов ) оно нерастворимо .
В устойчивых соединениях железо проявляет степени окисления +2 и +3 , имеет два простых оксида и один смешанный — оксид железа ( II , III ) Fe3O4 ( FeO Fe2O3 ) .
 
Оксид железа ( II ) FeO — чёрный порошок . Он взаимодействует с кислотами , образуя соли железа ( II ) , проявляя основные свойства .
Гидроксид железа ( II ) Fe( OH )2 осаждают , действуя щелочами на растворы соли железа ( II ) :
 
FeSO4 + 2NaOH = Fe( OH )2 + Na2SO4
 
Гидроксид железа ( II ) амфотерен , частично растворяется в сильно щелочных средах . Это белое вещество легко окисляется кислородом воздуха до красно — бурого гидроксида железа ( III ) :
 
4Fe( OH )2 + O2 + 2H2O = 4Fe( OH )3
 
Гидроксид железа ( II ) легко растворяется в кислотах .
Оксид железа ( III ) Fe2O3 — красно — бурый порошок , обладает основными свойствами ( с признаками амфотерности ) , образует с кислотами соли железа ( III ) . Но при сплавлении с карбонатом натрия ( или щелочами ) Fe2O3 проявляет кислотные свойства и даёт соли метажелезистой кислоты HFeO2 — ферриты , например , феррит натрия NaFeO2 :
 
Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2
 
Гидроксид железа  ( III ) Fe( OH )3 выпадает при действии щелочей на его железа ( III ) в виде красно — бурого осадка :
 
Fe2( SO4 )3 + 6NaOH = 2Fe( OH )3 + 3Na2SO4
 
Состав осадка не всегда отвечает своей формуле Fe( OH )3 считается , что железо ( III ) частично осаждается в виде HFeO3 . Гидроксид железа  ( III ) проявляет основные свойства , растворятся в кислотах . Также он проявляет заметные свойства амфотерности с горячими концентрированными растворами щелочей . При растворении гидроксида железа  ( III )  в щелочной среде получаются соли железной кислоты — ферраты K2FeO4 .
У железа хорошо выражена способность образовывать комплексные соединения . Прочным комплексный анион [Fe( CN )6] получается при взаимодействии солей железа ( II ) с цианидами :
 
FeSO4 + 6KCN = K4[Fe( CN )6] + K2SO4
 
Образующееся комплексное соединение — гексациано — ( II ) феррат калия ( жёлтая кровяная соль ) с солями железа  ( III ) даёт интенсивно синий осадок берлинской лазури :
 
4FeCl3 + 3K4[Fe( CN )6] = Fe4[Fe( CN )6]3 + 12KCl
 
Гексациано —  ( III ) феррат калия или красная кровяная соль , K3[Fe( CN )6] также выделяет из растворов солей железа ( II ) синий осадок :
 
3FeSO4 + 2K3[Fe( CN )6] = Fe3[Fe( CN )6]2 + 3K2SO4
 
которые раньше называли турнбуллевой синью .
Соли железа  ( III ) с роданидами образуют кроваво — красные комплексы :
 
Fe³ᐩ + SCNˉ = [Fe( SCN )]²ᐩ
 
При высоких концентрации роданид — ионов получаются комплексные соединения с большим числом лигандов , например K3[Fe( SCN )6] .
Координационное число железа в комплексных соединениях равна шести .
Соли железа имеют практическое значение . Сульфат железа ( II ) или железный купорос , FeSO4 + 7H2O — сельскохозяйственный ядохимикат . Соль мора ( NH4 )2SO4 ·FeSO4 · 6H2O или сульфат аммония — железа  ( II ) , применяется в химическом анализе .
 
Велико биологическое значение железа , так как оно составная часть гемоглобина крови , в организме человека содержится около 3 граммов железа . Ионы железа участвуют а процессе переноса кислорода гемоглобином от лёгких к тканям и органам . Кроме того , железо содержится в печени и селезёнке человека и животных . Его недостаток вызывает заболевания . Железо необходим и растениям , оно участвует в окислительно — восстановительных процессах , в кислородном обмене . При недостатке железа в почве растения заболевают , замедляется синтез хлорофилла , задерживается их рост и развитие .
 

Лит.; Григорович В. К. Электронное строение и термодинамика сплавов железа Гиммельфарб А. И., Неменов А. М. Бескоксовая металлургия железа.


В основном с этим также ищут .
Соли, минералы
Вы читаете, статья на тему железо