(Ferrum), Fe — химический элемент химический элемент 8-й группы (VIII) 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 железа (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. его 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, металл науглераживался, 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 производства металла и стали.
В середине 19 в. были разработаны:
Способы передела чугуна в сталь, пополнившиеся впоследствии электросталеплавильным, кислородно-конверторным и др. способами.
По содержанию в земной коре (4,65%) железо 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 Fe3О4, гематит Fe2О3, лимонит Fe2О • Н2О, сидерит FeCО3, а также соединения с серой и мышьяком.
В виде гидроокисей Ж. накапливается во мн. морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.
В виде теллурического земного или метеоритного — встречается в природе редко. Пластичный металл, легко поддается ковке, прокатке, штампованию и волочению. Его кристаллические модификации:
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, стойкую в интервале т-р 769—911° С, нередко называют бета-железом.
Однако его структура тождественна высокотемпературной модификации дельта-железа и не может рассматриваться как самостоятельная.
Внешняя электронная оболочка атома имеет 3d⁶4s² электронов.
Наличие незаполненного 3d слоя и его относительные размеры определяют многие физические и химические св-ва элемента.
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 объемноцентрированной кубической структуре альфа- в дельта-железа.
Если перекрытия в гамма-железе нет, координационное число увеличивается до 12. Физические свойства чистого Ж.: tпл 1536° С; tкип 2880° С; коэфф. теплопроводности (т-ра 25° С) 0,177 кал/см •сек • град-1.
Средняя 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; температурный 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) может самовоспламеняться. При нагревании интенсивность взаимодействия быстро возрастает.
Из кислородных соединений известны: FeO (точнее вюстит Fe x O — нестехиометрическое соединение нерем. состава, стойкое выше т-ры 572° С), Fe3О4 и Fe2О3.
При т-ре 200—300° С на воздухе Ж. покрывается плотной окисной пленкой, защищающей его от коррозии (см. Коррозия металлов).
Чистое железо при обычных т-рах стойко на воздухе и в воде.
Техническое и его сплавы под воздействием паров воды, углекислого газа и кислорода корродируют, покрываясь хрупким пористым слоем гидроокиси FeO x x nН2О — ржавчиной, не защищающей металл от коррозии.
От нее ежегодно теряется около 30% добываемого железа 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 подразделяют на:
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:
Наиболее стойки нитриды Fe4N и Fe2N.
Соединения 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 образует соответственно силициды, фосфиды, алюминиды и титаниды.
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 (пирофорное), электролизом водных растворов его солей (электролитическое), разложением пента карбонила Fe(СО)5 при нагревании до т-ры 250° С.
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.), выплавляют, окисляя компоненты чугуна, в мартеновских, двухванных сталеплавильных печах и в кислородных конверторах.
Сварочное, или кричное, 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. Основную массу выплавляют в виде сталей и чугунов.
Технически чистое применяют для изготовления сердечников электромагнитов, якорей электр. машин и др.
Чистое железо используют как катализатор, для исследовательских целей и для изготовления медицинских препаратов.
Порошки 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 применяют для произ-ва высококачественных сталей.
Составная часть железобетона и железографита. Окислы служат минеральными красками, а ферромагнитные Fe3О4 и v-Fe2О3 используют для произ-ва магнитных материалов.
Из солей широко применяют сульфаты, например FeSО4 X 7Н2О — в текстильной пром-сти, в произ-ве берлинской лазури, чернил, минеральных красок , FeSО4 — коагулянт для очистки воды.
Покрытие железом нашло применение в полиграфии — для изготовления клише, в автомобильной и тракторной промети — для восстановления изношенных деталей машин и др.
На долю сплавов приходится примерно 95% всей металлической продукции.
Природная смесь состоит из четырёх стабильных изотопов железа:
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:
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.
Cтатья на тему железо