Железо: свойства, получение, применение

ЖЕЛЕЗО, Fe (а. iron; н. Eisen; ф. fer; и. hierro), — химический элемент VIII группы периодической системы элементов Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Природное железо состоит из 4 стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%) и 58Fe (0,31%). Получены радиоактивные изотопы 52Fe, 53Fe, 55Fe, 59Fe, 60Fe. Железо известно с доисторических времён. Впервые человек, вероятно, познакомился с метеоритным железом, т.к. древнеегипетское название железа «бени-пет» означает небесное железо. В хеттских текстах встречается упоминание о железе как о металле, упавшем с неба.

Физические свойства
Химические свойства
Нахождение в природе
Получение
Применение и использование

Физические свойства железа

Железо — серебристо-серый пластичный металл. Кристаллические модификации а-, g- и d-Fe открыты в 1868 Д. К. Черновым. До f 1042К кристаллическая решётка объёмно-центрированная кубическая, параметр решётки а = 0,2 86645 нм — а-Fe, между t 1173 и 1673К — гранецентрированная, а = 0,3 637 нм — g-Fe, выше f 1673К — объёмно-центрированная, а = 0,2 925 нм — d-Fe, между f 1042 и 1173К – объёмно-центрированная, а = 0,2 895 нм — d-Fe (иногда называется бета — b). Модификации g- и d-Fe парамагнитны. Физические свойства железа зависят от содержания примесей. При общем содержании примесей менее 0,01% по массе — плотность (293,15К) 7,84•103 кг/м3; tnл1536°С, энтальпия плавления 13,77 кДж/моль; t кипения 2880°С; энтальпия испарения 350,02 кДж/моль; коэффициент теплопроводности (298К) 74,04 Вт/м К; удельное электрическое сопротивление (293 К) 9,7•10-8 Ом/м; температурный коэффициент электрического сопротивления (273-373 К) 6,51•10-3К-1, относительное удлинение 45-55%; температурный коэффициент линейного расширения (293 К) 11,7•10-6К-1, твёрдость по Бринеллю 350-450 МПа; модуль Юнга 190-210•103 МПа; модуль сдвига 8,4•10-3 МПа; кратковременная прочность на разрыв 170-210 МПа, предел текучести 100 МПа; ударная вязкость 300 МПа; средняя удельная теплоёмкость (273-1273 К) 640,57 Дж/кг•К, молекулярный объём 7,093•10-6 м3/моль.

Химические свойства железа

Степени окисления железа +2, +3, +1, +4, +6. Наиболее устойчивы соединения двух- и трёхвалентного железа. Химически чистое железо при нормальной температуре стойко к окислению на воздухе и в воде. При отсутствии влаги не реагирует заметно с кислородом, серой, бромом, хлором; во влажном воздухе окисляется, покрываясь ржавчиной FeO•nH2О. При нагревании в присутствии воды окисляется с образованием Fe3О4 (до 845К) или FeO (выше 845К) и выделением водорода. При нагревании в сухом воздухе при 473-573К покрывается тончайшей оксидной плёнкой, которая защищает металл от коррозии (технический метод защиты железа от коррозии — воронение). Реагируя при повышенных температурах и в присутствии воды с S, Р, Cl, N, Ti, образует галогениды, сульфиды, фосфиды, нитриды, титаниды железа. Хорошо растворяется в разбавленных кислотах и практически не растворяется в щелочах. При взаимодействии с концентрированными кислотами Н2SO4 и HNO3 покрывается защитной оксидной плёнкой. Склонно к образованию комплексных соединений. Закись железа FeO проявляет основные свойства, оксид Fe2О3 — амфотерен, обладает слабо выраженной кислотной функцией, реагирует с более основными окислами, образуя ферриты Fe2О3•nMeO, имеющие ферромагнитные свойства. Кислотные свойства выражены и у Fe+6, существующего в виде ферратов, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты. Водные растворы солей железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Водные растворы солей двухвалентного железа на воздухе неустойчивы, Fe2+ окисляется до Fe3+. Растворимость углерода в а-Fe при комнатной температуре 2•10-5%, при t 1110К 0,02%; в g-F при t 1426К растворяется 2,11% углерода. Твёрдый раствор углерода в g-Fe называется аустенитом, а углерода в а-Fe — ферритом. При закалке аустенита образуется мартенсит, пересыщенный твёрдый раствор углерода. Сочетание закалки с нагревом до относительно низких температур позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Кристаллические решетки

Кристаллической решеткой называют пространственное расположение атомов или ионов в кристалле. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Кристаллические решетки подразделяют на молекулярные, атомные, ионные и металлические.

Очень важно не перепутать вид химической связи и кристаллической решетки. Помните, что кристаллические решетки отражают пространственное расположение атомов.

Молекулярная кристаллическая решетка

В узлах молекулярной решетки расположены молекулы. При обычных условиях молекулярную решетку имеют большинство газов и жидкостей. Связи чаще всего ковалентные полярные или неполярные.

Классическим примером вещества с молекулярной решеткой является вода, так что ассоциируйте свойства этих веществ с водой. Вещества с молекулярной решеткой непрочные, имеют небольшую твердость, летучие, легкоплавкие, способны к возгонке, для них характерны небольшие температуры кипения.

Примеры: NH3, H2O, Cl2, CO2, N2, Br2, H2, I2. Особо хочется отметить белый фосфор, ромбическую, пластическую и моноклинную серу, фуллерен. Эти аллотропные модификации мы подробно изучили в статье, посвященной классификации веществ.

Ионная кристаллическая решетка

В узлах ионной решетки находятся атомы, связанные ионной связью. Этот тип решетки характерен для веществ, обладающих ионной связь: соли, оксиды и гидроксиды металлов.

Ассоциируйте этот ряд веществ с поваренной солью — NaCl. Веществе с ионной решеткой имеют высокие температуры плавления и кипения, легко растворимы в воде, хрупкие, твердые, их растворы и расплавы проводят электрический ток.

Примеры: NaCl, MgCl2, NH4Br, KNO3, Li2O, Na3PO4.

Металлическая кристаллическая решетка

В узлах металлической решетки находятся атомы металла. Этот тип решетки характерен для веществ, образованных металлической связью.

Ассоциируйте свойства этих веществ с медью. Они обладают характерным металлическим блеском, ковкие и пластичные, хорошо проводят электрический ток и тепло, имеют высокие температуры плавления и кипения.

Примеры: Cu, Fe, Zn, Al, Cr, Mn.

Атомная кристаллическая решетка

В узлах атомной решетки находятся атомы, связанные ковалентной полярной или неполярной связью.

Ассоциируйте эти вещества с песком. Они очень твердые, очень тугоплавкие (высокая температура плавления), нелетучие, прочные, нерастворимы в воде.

Примеры: SiO2, B, Ge, SiC, Al2O3. Особенно хочется выделить: алмаз и графит (C), красный и черный фосфор (P).

Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию

Железо в природе

По содержанию в земной коре (4,65%) железо занимает 4-е место. Среди других породообразующих элементов имеет максимальный атмосферный вес. Железо — сидерофильный элемент. Ведущий элемент метеоритного вещества: в каменных метеоритах содержится 25, в железных — 90,85% по массе Fe. Космическая распространённость железа близка к его содержанию в фотосфере Солнца — 627 г/т. Содержание железа для Земли в целом выше, чем для земной коры (38,8%). Наиболее бедны железом верхние оболочки Земли: в атмосфере фактически не содержится железо (лишь в метеорной и земной пыли), в гидросфере — 1•10-6%, в почве — 3,8%, в растениях (золе) — 1,0%, в живом веществе — 1•10-2%. Распространённость железа в горных породах (% по массе): ультраосновные — 9,85; основные — 8,56; средние — 5,85; кислые — 2,70; щелочные — 3,60; осадочные — 3,33 (по А. П. Виноградову).

Неокисленное железо в виде теллурического (земного) или метеоритного встречается в природе редко. Известно свыше 300 минералов, содержащих железо: оксиды, сульфиды, силикаты, фосфаты, карбонаты и др. Важнейшие минералы железа: гематит Fe2О3 (70% Fe), магнетит Fe2О4 (72,4% Fe), гётит FeOOH (62,9% Fe), лепидокрокит FeO(OH) (62,9% Fe), лимонит — смесь гидрооксидов Fe с SiO2 и другими веществами (40-62% Fe), сидерит FeCO3 (48,2% Fe), ильменит FeTiO3 (36,8% Fe), шамозит (Fe2+Fe3+)3 AlSi3O10(OH)2(Fe, Mg)3•(О,OH)6 (34-42% FeO); вивианит Fe3(PO4)2•8Н2О(43,0% FeO), скородит Fe(AsO4)•2Н2О (34,6% Fe2О3), ярозит KFe3(SO4)2(OH)6 (47,9% Fe2О3) и др. Возможность отделения окисножелезных расплавов от силикатных — первопричина концентрации железа в магматическом процессе. В сульфидных магматических рудах железо — один из главных компонентов. Высокотемпературный контактово-метасоматический процесс приводит к формированию магнетитовых месторождений в скарнах. В переносе железа большая роль принадлежит хлоридным комплексам. В гидротермальном процессе повсеместно распространены сульфиды железа. В высокотемпературных гидротермальных жилах присутствуют магнетит, пирротин, халькопирит

Железо — единственный породообразующий элемент с переменной валентностью. Отношение оксидного железа к закисному устойчиво растёт с увеличением кремнекислотности расплавов. Ещё больший рост происходит в щелочных системах, где минерал, содержащий трёхвалентное железо — эгирин, (Na,Fe)Si2О6, становится породообразующим. В метаморфическом процессе железо, по-видимому, мало подвижно. Содержание железа в современных океанических осадках близко к содержаниям в древних глинистых породах и глинистых сланцах. Основные генетические типы месторождений и схемы обогащения смотреть в статье железные руды.

Загадка древней колонны

В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна весом около 6,5 т, ее высота 7,5 м, диаметр 42 см у основания и до 30 см у верха. Изготовлена она почти из чистого железа (99,72%), чем и объясняется ее долголетие. До сих пор на ней не обнаружено ржавчины. Колонна была воздвигнута в 415 г. в честь царя Чандрагупты II. По народному поверью, у того, кто прислонится к колонне спиной и сведет за ней руки, исполнится заветное желание.

Как же смогли древние металлурги изготовить эту чудную колонну, перед которой бессильно время? Древняя Индия издавна славилась искусством своих металлургов. О выплавке железа в Индии говорится в Ригведах — священных книгах, относящихся примерно к XIII-XII вв. до н. э. Таким образом, ко времени создания колонны металлургия Индии имела, по крайней мере, полуторатысячелетнюю историю, и железо уже стало применяться для изготовления плугов.

По вопросу о способе изготовления замечательной колонны до сих пор нет единого мнения. Некоторые авторы считают, что колонна изготовлена методом сварки отдельных криц массой по 36 кг и последующей их ковкой. По мнению других специалистов, древние металлурги для получения чистого железа растирали губку сварочного железа в порошок и просеивали его. А потом полученный чистый порошок железа нагревали до красного каления и под ударами молота его частицы слипались в одно целое — сейчас это называется методом порошковой металлургии.

Получение железа

Чистое железо получают восстановлением из оксидов (железо пирофорное), электролизом водных растворов его солей (железо электролитическое), разложением пентакарбонила железа Fe(CO)5 при нагревании до t 250°С. Особо чистое железо (99,99%) получают с помощью зонной плавки. Технически чистое железо (около 0,16% примесей углерода, кремния, марганца, фосфора, серы и др.) выплавляют, окисляя компоненты чугуна в мартеновских сталеплавильных печах и в кислородных конверторах. Сварочное или кирпичное железо получают, окисляя примеси малоуглеродистой стали железным шлаком или путём восстановления руд твёрдым углеродом. Основную массу железа выплавляют в виде сталей (до 2% углерода) или чугунов (свыше 2% углерода).

Во кузнице

Сталь — самый распространенный сплав из «семейства» железоуглеродистых. С глубокой древности кузнецы научились получать из железной руды не только мягкое железо, но и высокоуглеродистую сталь. В Древней Руси, например, она вместе с железом шла на изготовление сложноузорчатых сварных клинков мечей, кинжалов и ножей. Технология производства данных видов изделий была невероятно сложной и трудоемкой. Не случайно древнерусские кузнецы почитались как особое привилегированное сословие. А в раннюю языческую эпоху их считали самыми могучими, мудрыми и незаменимыми людьми, ибо сам бог грома и молнии Перун был их покровителем и советчиком.

В древнерусских письменных источниках сталь именуют специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад». Говоря о железе и стали, невозможно не упомянуть об еще раз об Индии. Из записей одного арабского географа XII в. можно узнать, что в то время Индия славилась производством железа и стали. Оказывается, сталь эта служила непосредственным сырьем для получения из нее тех сортов булата, которые впоследствии использовали кузнецы Персии, Сирии, и Египта при изготовлении клинков мечей и сабель. И получается, что родиной дамасской стали являлся отнюдь не Дамаск, а Индия.

Применение железа

Железоуглеродистые сплавы — основа конструкции материалов, применяющихся во всех отраслях промышленности. Техническое железо — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Железный порошок в больших количествах применяется при сварке. Оксиды железа — минеральные краски; ферромагнитные Fe3О4, g-Fe используются для производства магнитных материалов. Сульфат FeSO4•7Н2О применяется в текстильной промышленности, в производстве берлинской лазури, чернил; FeSO4 — коагулянт для очистки воды. Железо используется также в полиграфии, медицине (как антианемическое средство); искусственные радиоактивные изотопы железа — индикаторы при исследовании химико-технологических и биологических процессов.