Железо

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)

Железо — 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, Железо 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.


Вы читаете, статья на тему железо

Добавить комментарий

Your email address will not be published. Required fields are marked *

You may use these HTML tags and attributes:

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>