Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Залізо



План:


Введення

Залізо - елемент побічної підгрупи восьмий групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 26. Позначається символом Fe ( лат. Ferrum ). Один з найпоширеніших у земній корі металів (друге місце після алюмінію).

Проста речовина залізо ( CAS-номер : 7439-89-6) - ковкий метал сріблясто-білого кольору з високою хімічною реакційною здатністю: залізо швидко кородує при високих температурах або при високій вологості на повітрі. У чистому кисні залізо горить, а в дрібнодисперсному стані самозаймається і на повітрі.

Насправді залізом зазвичай називають його сплави з малим вмістом домішок (до 0,8%), які зберігають м'якість і пластичність чистого металу. Але на практиці частіше застосовуються сплави заліза з вуглецем : сталь (до 2,14 вагу.% вуглецю) і чавун (більше 2,14 вагу.% вуглецю), а також нержавіюча (легована) сталь з добавками легуючих металів ( хром, марганець, нікель та ін.) Сукупність специфічних властивостей заліза і його сплавів роблять його "металом № 1" за важливістю для людини.

У природі залізо рідко зустрічається в чистому вигляді, частіше за все воно зустрічається в складі залізо-нікелевих метеоритів. Поширеність заліза в земній корі - 4,65% (4-е місце після O, Si, Al [2]). Вважається також, що залізо складає велику частину земного ядра.


1. Історія

Залізо як інструментальний матеріал відомо з найдавніших часів, найдавніші вироби із заліза, знайдені при археологічних розкопках, датуються 4-м тисячоліттям до н.е.. і відносяться до древнешумерскому і давньоєгипетської цивілізаціям. Це наконечники для стріл та прикраси з метеоритного заліза, тобто, сплаву заліза і нікелю (вміст останнього коливається від 5 до 30%), з якого складаються метеорити. Від їхнього небесного походження йде, мабуть, одне з найменувань заліза в грецькій мові: "сідер" (а на латині це слово означає "зоряний").

Вироби з заліза, отриманого виплавкою, відомі з часу розселення арійських племен з Європи в Азію й острови Середземного моря (4-3-е тисячоліття до н. Е..). Найдавніший залізний інструмент з відомих - сталеве долото, знайдене в кам'яній кладці піраміди Хеопса в Єгипті (побудована близько 2550 до н. е..). Залізо часто згадується в найдавніших (3-е тисячоліття до н. Е..) Текстах хетів, що заснували свою імперію на території сучасної Анатолії в Туреччині. Так, у тексті хетського царя Анітти (близько 1800 року до н. Е..) Говориться:

Коли на місто Пурусханду в похід я пішов, людина з міста Пурусханди до мене поклонитися прийшов (...?) І він мені 1 залізний трон і 1 залізний скіпетр (?) На знак покірності (?) Підніс.

- Гіоргадзе Г.Г. "Текст Анітти" і деякі питання ранньої історії хетів / / Вісник древньої історії. 1965. № 4.

В давнину майстрами залізних виробів славилися Халіб, яких Геродот перераховує в числі еллінських племен Малої Азії, підвладних Крез. Халіб жили на півночі держави Хетів, біля узбережжя Чорного моря біля гирла річки Галіс (сучасне м. Самсун в Туреччині), і від їхнього імені відбувається грецька назва греч. Χάλυβας - "Сталь". Аристотель описав їх спосіб отримання сталі: Халіб кілька разів промивали річковий пісок їхньої країни - мабуть, таким способом (тепер це називають флотацією) виділяли важку залізовмісних фракцію породи, додавали якесь вогнетривке речовина, і плавили в печах особливої ​​конструкції; отриманий таким чином метал мав сріблястий колір і був нержавіючим.

В якості сировини для виплавки сталі використовувалися магнетитові піски, які часто зустрічаються по всьому узбережжю Чорного моря : ці магнетитові піски складаються із суміші дрібних зерен магнетиту, титано-магнетиту або ільменіту, і уламків інших порід, так що виплавляється Халіб сталь була легованої, і володіла відмінними властивостями. Такий своєрідний спосіб отримання заліза не з руди говорить про те, що Халіб, в основному, поширили залізо як технологічний матеріал, але їх спосіб не міг бути методом повсюдного промислового виробництва залізних виробів. Проте їх виробництво послужило поштовхом для подальшого розвитку металургії заліза.

Климент Олександрійський у своєму енциклопедичному праці "Стромати" згадує, що за грецьким переказами залізо (мабуть, виплавка його з руди) було відкрито на горі Іді - так називалася гірський ланцюг біля ТроїІліаді вона згадується як гора Іда, з якою Зевс спостерігав за битвою греків з троянцями). Сталося це через 73 років після Девкаліоновим потопу, а цей потоп, згідно Пароський хроніці, був у 1528 році до нашої ери, тобто метод виплавки заліза з руди був відкритий приблизно в 1455 році до н. е.. Однак з опису Климента не ясно, чи говорить він саме про цю гору в Передній Азії (Іда фригійських у Вергілія), або ж про горе Іда на острові Крит, про яку римський поет Вергілій в Енеїді пише як про прабатьківщину троянців:

Острів Юпітера, Крета, лежить серед широкого моря,

Нашого племені там колиска, де височіє Іда ...

Більш ймовірно, що Климент Олександрійський говорить саме про фригійської Іде біля Трої, оскільки там були знайдені стародавні залізні копальні і вогнища железоделательного виробництва. Перше письмове свідчення про залізо - в глиняних табличках архіву єгипетських фараонів Аменхотепа III і Ехнатона - відноситься до того ж часу (1450-1400 рік до Р.Х.) і згадує про вироблення заліза в південній частині Кавказу, яку греки називали Колхідою, по сусідству з землями Халіб. Мабуть, ознайомившись з методом Халіб, древні троянці розвинули свій спосіб виплавки сталі з руди, що виявився більш продуктивним.

У самій глибокої давнини залізо цінувалося дорожче золота, і за описом Страбона, в африканських племен за 1 фунт заліза давали 10 фунтів золота, а з досліджень історика Г. Арешян вартості міді, срібла, золота й заліза у стародавніх хеттів були в співвідношенні 1: 160: 1280: 6400. У ті часи залізо використовувалося як ювелірний метал, з нього робили трони і інші регалії царської влади: наприклад, у біблійній книзі Второзаконня 3,11 описаний "одр залізний" Рефаїм царя Ога. У гробниці Тутанхамона (близько 1350 року до н. Е..) Був знайдений кинджал із заліза в золотій оправі - можливо, подарований хетами в дипломатичних цілях. Але хети не прагнули до широкого поширення заліза і його технологій, що видно і з дійшла до нас листування єгипетського фараона і його тестя - царя Хетів. Фараон просить прислати побільше заліза, а цар хетів ухильно відповідає, що запаси заліза вичерпалися, а ковалі зайняті на сільськогосподарських роботах, тому він не може виконати прохання царственого зятя. Як видно, хетти намагалися використовувати свої знання для досягнення військових переваг, і не давали іншим можливості зрівнятися з ними. Мабуть, тому залізні вироби отримали широке поширення тільки після Троянської війни і падіння держави хеттів, коли завдяки торговій активності греків технологія заліза стала відомою багатьом, і були відкриті нові родовища заліза і рудники. Так на зміну "Бронзовому" століття настав вік "Залізний".

За описами Гомера, хоча під час Троянської війни (приблизно 1250 рік до н. е..) зброя була в основному з міді і бронзи, але залізо вже було добре відомо і користувалося великим попитом, хоча більше як дорогоцінний метал. Наприклад, в 23-й пісні " Іліади " Гомер розповідає, що Ахілл нагородив диском із залізної криці переможця в змаганні з метання диска. Це залізо ахейці добували у троянців і суміжних народів (Іліада 7,473), в тому числі у Халіб, які воювали на стороні троянців :

Інші мужі ахейские міною вино купували,

Ті за дзвінку мідь, за сиве залізо міняли,
Ті за волової шкіри або волів круторогих,
Ті за своїх полонених. І бенкет приготували веселий ...

Можливо, залізо було однією з причин, що спонукали греків-ахейців рушити в Малу Азію, де вони дізналися секрети його виробництва. А розкопки в Афінах показали, що вже близько 1100 року до н. е.. і пізніше вже широко були поширені залізні мечі, списи, сокири, і навіть залізні цвяхи. У біблійній книзі Ісуса Навина 17,16 (пор. Суддів 14,4) описується, що филистимляни (біблійні "PILISTIM", а це були протогреческіе племена, родинні пізнішим еллінам, в основному пеласги) мали безліч залізних колісниць, тобто, в цей час залізо вже стало широко застосовуватися у великих кількостях.

Гомер в "Іліаді" та "Одіссеї" називає залізо "многотрудний метал", і описує загартування знарядь:

Розторопний ковач, виготовивши сокиру иль сокиру,

У воду метал, розжаривши його, щоб подвійну
Він фортеця мав, занурює ...

Гомер називає залізо великотрудним, тому що в давнину основним методом його отримання був сиродутний процес : перемежовуються верстви залізної руди і деревного вугілля прожарюють спеціальних печах (горнах - від стародавнього "Horn" - ріг, труба, спочатку це була просто труба, вирита в землі, зазвичай горизонтально в схилі яру). У горні оксиди заліза відновлюються до металу розпеченим вугіллям, який відбирає кисень, окислюючись до окису вуглецю, і в результаті такого прожарювання руди з вугіллям виходило тістоподібної крічном (губчате) залізо. Крицю очищали від шлаків куванням, видавлюючи домішки сильними ударами молота. Перші горни мали порівняно низьку температуру - помітно менше температури плавлення чавуну, тому залізо виходило порівняно маловуглецевих. Щоб отримати міцну сталь доводилося багато разів прожарювати і проковувати залізну крицю з вугіллям, при цьому поверхневий шар металу додатково насичувався вуглецем і зміцнюється. І хоча це вимагало великих праць, вироби, отримані таким способом, були істотно міцнішими, ніж бронзові.

Надалі навчилися робити більш ефективні печі (в російській мові - домна, Домниця) для виробництва сталі, і застосували хутра для подачі повітря в горн. Вже римляни уміли доводити температуру в печі до плавлення сталі (близько 1400 градусів, а чисте залізо плавиться при 1535 градусах). При цьому утворюється чавун з температурою плавлення 1100-1200 градусів, дуже крихкий в твердому стані (навіть не піддається куванню), і не володіє пружністю сталі. Спочатку його вважали шкідливим побічним продуктом ( англ. pig iron , По-російськи, свинське залізо, чушки, звідки, власне, і походить слово чавун), але потім виявилося, що при повторній переплавки в печі з посиленим продуванням через нього повітря, чавун перетворюється на сталь гарної якості, так як зайвий вуглець вигорає. Такий двостадійний процес виробництва сталі з чавуну виявився більш простим і вигідним, ніж крічний, і цей принцип використовується без особливих змін багато століть, залишаючись і до наших днів основним способом виробництва залізних матеріалів.


2. Походження назви

Є декілька версій походження слов'янського слова "залізо" ( Белор. жалеза , укр. залізо , ст.-слов. желѣзо , болг. Желязо , сербохорв. жељезо , пол. żelazo , чеш. elezo , словен. elezo ).

Одна з етимологій пов'язує праслав. * elězo з грецьким словом χαλκός, що означало залізо і мідь, згідно з іншою версією * elězo родинно словами * ely " черепаха* glaz'" скеля ", із загальною семой " камінь " [3] [4]. Третя версія припускає давнє запозичення з невідомої мови [5].

Романські мови ( італ. ferro , фр. fer , ісп. hierro , порт. ferro , рум. fier ) Продовжують лат. ferrum . Латинське ferrum (<* ferzom), швидше за все, запозичене з якогось східного мови, швидше за все з фінікійського. СР івр. barzel , Шумерська. Barzal, ассірійської. Parzilla [6].

Германські мови запозичили назву заліза ( Готського. eisarn , англ. iron , ньому. Eisen , нід. ijzer , дат. jern , швед. jrn ) З кельтських [7].

Пракельтское слово * isarno-(> д.-ірл. Iarn, ін-брет. Hoiarn), ймовірно, сходить до пра-І.Є.. * H 1 esh 2 r-no- "Кривавий" з семантичним розвитком "кривавий"> "червоний"> "залізо". Згідно іншій гіпотезі дане слово сходить до пра-І.Є.. * (H) ish 2 ro- "Сильний, святий, що володіє надприродною силою" [8].

Давньогрецьке слово σίδηρος , Можливо, було запозичене з того ж джерела, що й слов'янське, німецьке і балтійське слова для срібла [9].

Назва природного карбонату заліза (сідеріта) походить від лат. sidereus - Зоряний; дійсно, перше залізо, що потрапило в руки людям, було метеоритного походження. Можливо, це збіг не випадковий. Зокрема давньогрецьке слово сідерос (σίδηρος) для заліза і латинське sidus, що означає "зірка", ймовірно, мають загальне походження.


3. Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54 Fe ( ізотопна поширеність 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) і 58 Fe (0,282%). Так само відомо більше 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найстійкіші з яких - 60 Fe ( період напіврозпаду за уточненими даними у 2009 році становить 2,6 мільйона років [10]), 55 Fe (2,737 року), 59 Fe (44,495 доби) і 52 Fe (8,275 години); інші ізотопи мають період напіврозпаду менше 10 хвилин [11 ].

Ізотоп заліза 56 Fe відноситься до найбільш стабільним ядрам: всі наступні елементи можуть зменшити енергію зв'язку на нуклон шляхом розпаду, а всі попередні елементи, в принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон за рахунок синтезу. Вважають, що залізом закінчується ряд синтезу елементів в ядрах нормальних зірочок (див. Залізна зірка), а всі наступні елементи можуть утворитися тільки в результаті вибухів наднових [12].


4. Геохімія заліза

Гідротермальний джерело з залізистої водою. Оксиди заліза забарвлюють воду в бурий колір

Залізо - один з найпоширеніших елементів у Сонячній системі, особливо на планетах земної групи, зокрема, на Землі. Значна частина заліза планет земної групи знаходиться в ядрах планет, де його зміст, за оцінками, близько 90%. Вміст заліза в земній корі складає 5%, а в мантії близько 12%. З металів залізо поступається за поширеністю в корі тільки алюмінію. При цьому в ядрі знаходиться близько 86% всього заліза, а в мантії 14%. Вміст заліза значно підвищується у вивержених породах основного складу, де воно пов'язане з піроксенів, амфібол, олівінів і буттям. У промислових концентраціях залізо накопичується протягом майже всіх екзогенних і ендогенних процесів, що відбуваються в земній корі. У морській воді залізо міститься в дуже малих кількостях 0,002 - 0,02 мг / л. У річковій воді трохи вище - 2 мг / л.


4.1. Геохімічні властивості заліза

Поширення заліза в перерахунку на 10 6 атомів кремнію.

Найважливіша геохімічна особливість заліза - наявність у нього декількох ступенів окислення. Залізо в нейтральній формі - металеве - складає ядро ​​землі, можливо, є у мантії і дуже рідко зустрічається в земній корі. Закісное залізо FeO - основна форма знаходження заліза в мантії і земної корі. Окисне залізо Fe 2 O 3 характерно для самих верхніх, найбільш окислених, частин земної кори, зокрема, осадових порід.

За кристаллохимический властивостям іон Fe 2 + близький до іонів Mg 2 + та Ca 2 + - іншим головним елементів, що складають значну частину всіх земних порід. В силу крісталлохимічеськой подібності залізо заміщає магній і, частково, кальцій в багатьох силікату. При цьому вміст заліза в мінералах змінного складу зазвичай збільшується зі зменшенням температури.


4.2. Мінерали заліза

В земній корі залізо поширена достатньо широко - на його частку припадає близько 4,1% маси земної кори (4-е місце серед всіх елементів, 2-е серед металів). У мантії і земної корі залізо зосереджене головним чином у силікату, при цьому його вміст значно в основних і ультраосновних породах, і мало - в кислих і середніх породах.

Відомо велика кількість руд і мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоний залізняк ( гематит, Fe 2 O 3; містить до 70% Fe), магнітний залізняк ( магнетит, FeFe 2 O 4, Fe 3 O 4; містить 72,4% Fe), бурий залізняк або лимоніт ( гетит і гідрогетіт, відповідно FeOOH і FeOOH nH 2 O). Гетит і гідрогетіт найчастіше зустрічаються в корах вивітрювання, утворюючи так звані "залізні капелюхи", потужність яких досягає кількох сотень метрів. Також вони можуть мати осадове походження, випадаючи з колоїдних розчинів в озерах або прибережних зонах морів. При цьому утворюються оолітовие, або бобові, залізні руди. У них часто зустрічається вівіаніт Fe (3 PO 4) 2 8H 2 O, який утворює чорні подовжені кристали та радіально-променисті агрегати.

У природі також широко поширені сульфіди заліза - пірит FeS 2 (сірчаний або залізний колчедан) і пірротін. Вони не є залізною рудою - пірит використовують для отримання сірчаної кислоти, а пірротін часто містить нікель і кобальт.

За запасами залізних руд Росія займає перше місце в світі. Вміст заліза в морській воді - 1 10 -5 -1 10 -8%.

Інші часто зустрічаються мінерали заліза [13] :

  • Сидерит - FeCO 3 - містить приблизно 35% заліза. Володіє жовтувато-білим (з сірим або коричневим відтінком у разі забруднення) кольором. Щільність дорівнює 3 г / см і твердість 3,5-4,5 за шкалою Мооса.
  • Марказит - FeS 2 - містить 46,6% заліза. Зустрічається у вигляді жовтих, як латунь, біпірамідальних ромбічних кристалів з щільністю 4,6-4,9 г / см і твердістю 5-6 за шкалою Мооса.
  • Леллінгіт - FeAs 2 - містить 27,2% заліза і зустрічається у вигляді сріблясто-білих біпірамідальних ромбічних кристалів. Щільність дорівнює 7-7,4 г / см , твердість 5-5,5 за шкалою Мооса.
  • Міспікель - FeAsS - містить 34,3% заліза. Зустрічається у вигляді білих Моноклінна призм з щільністю 5,6-6,2 г / см і твердістю 5,5-6 за шкалою Мооса.
  • Мелантеріт - FeSO 4 7H 2 O - рідше зустрічається в природі і являє собою зелені (або сірі через домішок) моноклінні кристали, що володіють скляним блиском, крихкі. Щільність дорівнює 1,8-1,9 г / см .
  • Вівіаніт - Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O - зустрічається у вигляді синьо-сірих або зелено-сірих Моноклінна кристалів з ​​щільністю 2,95 г / см і твердістю 1,5-2 за шкалою Мооса.

Крім вищеописаних мінералів заліза існують, наприклад:

  • ільменіт - FeTiO 3
  • магномагнетіт - (Fe, Mg) [Fe 2 O 4]
  • фіброферріт - FeSO 4 (OH) 4,5 H 2 O
  • ярозіт - KFe 3 (SO 4) 2 (OH) 6
  • Кокімбо - Fe 2 (SO 4) 3 9H 2 O
  • Ремер - Fe 2 + Fe 3 + 2 (SO 4) 4 14H 2 O
  • Графтон - (Fe, Mn) 3 (PO 4) 2
  • скородити - Fe 3 + AsO 4 2H 2 O
  • штренгіт - FePO 4 2H 2 O
  • феяліт - Fe 2 SiO 4
  • альмандіт - Fe 3 Al 2 [SiO 4] 3
  • андрадит - Ca 3 Fe 2 [SiO 4] 3
  • Гіперстен - (Fe, Mg) 2 [Si 2 O 6]
  • геденбергіт - (Ca, Fe) [Si 2 O 6]
  • егіриніт - (Na, Fe) [Si 2 O 6]
  • шамозит - Fe 2 + 4 Al [AlSi 3 O 10] (OH) 6 nH 2 O
  • Нонтрон - (Fe 3 +, Al) 2 [Si 4 O 10] (OH) 2 nH 2 O

4.3. Основні родовища

Основні родовища заліза знаходяться в Бразилії (1 місце), Австралії, США, Канаді, Швеції, Венесуелі, Ліберії, Україна, Франції, Індії. У Росії залізо видобувається на Курської магнітної аномалії (КМА), Кольському півострові, в Карелії і в Сибіру. Значну роль останнім часом набувають донні океанські родовища, в яких залізо спільно з марганцем та іншими коштовними металами знаходиться в конкреціях [джерело не вказано 437 днів].


5. Отримання

У промисловості залізо отримують з залізної руди, в основному з гематиту (Fe 2 O 3) і магнетиту (FeO Fe 2 O 3).

Існують різні способи вилучення заліза з руд. Найбільш поширеним є доменний процес.

Перший етап виробництва - відновлення заліза вуглецем в доменної печі при температурі 2000 C. У доменній печі вуглець у вигляді коксу, залізна руда у вигляді агломерату або окатишів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік нагнітається гарячого повітря.

У печі вуглець у вигляді коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню :

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

У свою чергу, монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб дана реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза (III) :

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

Флюс додається для позбавлення від небажаних домішок (в першу чергу від силікатів; наприклад кварц) в видобутої руди. Типовий флюс містить вапняк ( карбонат кальцію) і доломіт ( карбонат магнію). Для усунення інших домішок використовують інші флюси.

Дія флюсу (в даному випадку карбонат кальцію) полягає в тому, що при його нагріванні він розкладається до його оксиду :

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

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак - метасилікат кальцію:

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

Шлак, на відміну від діоксиду кремнію, плавиться в печі. Легший, ніж залізо, шлак плаває на поверхні - це властивість дозволяє розділяти шлак від металу. Шлак потім може використовуватися при будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий в доменної печі, містить досить багато вуглецю ( чавун). Крім таких випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він вимагає подальшої переробки.

Надлишки вуглецю та інші домішки ( сірка, фосфор) видаляють із чавуну окисленням в мартенівських печах або в конвертерах. Електричні печі використовуються і для виплавки легованих сталей.

Крім доменного процесу, поширений процес прямого отримання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи окатиші. Окатиші обпалюють, і обробляють в шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:

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

при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками як сірка та фосфор, які є звичайними домішками в кам'яному вугіллі. Залізо виходить у твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.

Хімічно чисте залізо виходить електролізом розчинів його солей.


6. Фізичні властивості

Залізо - типовий метал, у вільному стані - сріблясто-білого кольору з сіруватим відтінком. Чистий метал пластичний, різні домішки (зокрема - вуглець) підвищують його твердість і крихкість. Має яскраво вираженими магнітними властивостями. Часто виділяють так звану "тріаду заліза" - групу трьох металів (залізо Fe, кобальт Co, нікель Ni), що володіють схожими фізичними властивостями, атомними радіусами і значеннями електронегативності.

Для заліза характерний поліморфізм, він має чотири кристалічні модифікації:

Металознавство не виділяє β-Fe як окрему фазу [14], і розглядає її як різновид α-Fe. При нагріванні заліза або сталі вище точки Кюрі (769 C ≈ 1043 K) тепловий рух іонів засмучує орієнтацію спінових магнітних моментів електронів, феромагнетик стає парамагнетиків - відбувається фазовий перехід другого роду, але фазового переходу першого роду зі зміною основних фізичних параметрів кристалів не відбувається.

Для чистого заліза при нормальному тиску, з точки зору металознавства, існують такі стійкі модифікації:

  • Від абсолютного нуля до 910 C стійка α-модифікація з об'емноцентрірованной кубічної ( ОЦК) кристалічною решіткою.
  • Від 910 до 1400 C стійка γ-модифікація з гранецентрированной кубічної ( ГЦК) кристалічною решіткою.
  • Від 1400 до 1539 C стійка δ-модифікація з об'емноцентрірованной кубічної ( ОЦК) кристалічною решіткою.

Наявність в стали вуглецю і легуючих елементів істотно змінює температури фазових переходів (див. фазову діаграму залізо - вуглець). Твердий розчин вуглецю в α-і δ-залізі називається феритом. Іноді розрізняють високотемпературний δ-ферит і низькотемпературний α-ферит (або просто ферит), хоча їх атомні структури однакові. Твердий розчин вуглецю в γ-залозі називається аустенітом.

  • В області високих тисків (понад 104 МПа, 100 тис. атм.) Виникає модифікація ε-заліза з гексагональної плотноупакованной (ГПУ) гратами.

Явище поліморфізму надзвичайно важливо для металургії сталі. Саме завдяки α-γ переходам кристалічної решітки відбувається термообробка стали. Без цього явища залізо як основа стали не одержала б такого широкого застосування.

Залізо тугоплавкої, відноситься до металів середньої активності. Температура плавлення заліза 1539 C, температура кипіння - 2862 C.


7. Хімічні властивості

Основні ступеня окислення заліза - +2 і +3.

При зберіганні на повітрі при температурі до 200 C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається рихлим шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню і вологи до металу і його руйнування. Іржа не має постійного хімічного складу, наближено її хімічну формулу можна записати як Fe 2 O 3 xH 2 O.

З киснем залізо реагує при нагріванні. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe 3 O 4, при згорянні в чистому кисні - оксид Fe 2 O 3. Якщо кисень або повітря пропускати через розплавлене залізо, то утворюється оксид FeO. При нагріванні порошку сірки і заліза утворюється сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS.

При нагріванні залізо реагує з галогенами. Так як FeF 3 нелетуч, залізо стійко до дії фтору до температури 200-300 C. При хлоруванні заліза (при температурі близько 200 C) утворюється летючий димер Fe 2 Cl 6. Якщо взаємодія заліза і брому протікає при кімнатній температурі або при нагріванні і підвищеному тиску парів брому, то утворюється FeBr 3. При нагріванні FeCl 3 і, особливо, FeBr 3 отщепляют галоген і перетворюються в галогеніди заліза (II). При взаємодії заліза і йоду утворюється йодид Fe 3 I 8.

При нагріванні залізо реагує з азотом, утворюючи нітрид заліза Fe 3 N, з фосфором, утворюючи фосфіди FeP, Fe 2 P і Fe 3 P, з вуглецем, утворюючи карбід Fe 3 C, з кремнієм, утворюючи кілька силіцидів, наприклад, FeSi.

При підвищеному тиску металеве залізо реагує з оксидом вуглецю (II) CO, причому утворюється рідкий, при звичайних умовах легко летючий пентакарбоніл заліза Fe (CO) 5. Відомі також карбоніли заліза складів Fe 2 (CO) 9 і Fe 3 (CO) 12. Карбоніли заліза служать вихідними речовинами при синтезі железоорганіческіх сполук, в тому числі і ферроцена складу (η 5-C 5 H 5) 2 Fe.

Чисте металеве залізо стійко у воді і в розбавлених розчинах лугів. Залізо не розчиняється в холодних концентрованих сірчаної та азотної кислотах через пасивації поверхні металу міцної оксидної плівкою. Гаряча концентрована сірчана кислота, будучи більш сильним окислювачем, взаємодіє з залізом.

З соляної і розведеною (приблизно 20%-й) сірчаної кислотами залізо реагує з утворенням солей заліза (II):

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 ↑;

Fe + H 2 SO 4FeSO 4 + H 2 ↑.

При взаємодії заліза з приблизно 70%-й сірчаної кислотою реакція протікає з утворенням сульфату заліза (III) :

2Fe + 6H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 ↑ + 6H 2 O.

Оксид заліза (II) FeO володіє основними властивостями, йому відповідає підстава Fe (OH) 2. Оксид заліза (III) Fe 2 O 3 слабо амфотер, йому відповідає ще більш слабке, ніж Fe (OH) 2, підстава Fe (OH) 3, що реагує з кислотами:

2Fe (OH) 3 + 3H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O.

Гідроксид заліза (III) Fe (OH) 3 проявляє слабо амфотерні властивості, він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:

Fe (OH) 3 + 3КОН → K 3 [Fe (OH) 6].

Утворені при цьому гідроксокомплекси заліза (III) стійкі в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому в осад випадає Fe (OH) 3.

З'єднання заліза (III) у розчинах відновлюються металевим залізом:

Fe + 2FeCl 3 → 3FeCl 2.

При зберіганні водних розчинів солей заліза (II) спостерігається окислення заліза (II) до заліза (III):

4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O → 4Fe (OH) Cl 2.

З солей заліза (II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза (II) (NH 4) 2 Fe (SO 4) 22 O.

Залізо (III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу квасцов, наприклад, KFe (SO 4) 2 - железокаліевие галун, (NH 4) Fe (SO 4) 2 - железоаммонійние галун і т. д.

При дії газоподібного хлору або озону на лужні розчини сполук заліза (III) утворюються сполуки заліза (VI) - Ферати, наприклад, Ферати (VI) калію K 2 FeO 4. Є повідомлення про отримання під дією сильних окислювачів сполук заліза (VIII).

Для виявлення в розчині сполук заліза (III) використовують якісну реакцію іонів Fe 3 + з тіоціанат-іонами SCN -. При взаємодії іонів Fe 3 + з аніонами SCN - утворюється яскраво-червоний роданид заліза Fe (SCN) 3. Іншим реактивом на іони Fe 3 + служить гексаціаноферрат (II) калію K 4 [Fe (CN) 6] (жовта кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe 3 + і [Fe (CN) 6] 4 - випадає яскраво-синій осад берлінської блакиті :

4K 4 [Fe (CN) 6] + 4Fe 3 + → 4KFe III [Fe II (CN) 6] ↓ + 12K +.

Реактивом на іони Fe 2 + в розчині може служити гексаціаноферрат (III) калію K 3 [Fe (CN) 6] (червона кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe 2 + і [Fe (CN) 6] 3 - випадає осад турнбулевой сини :

3K 3 [Fe (CN) 6] + 3Fe 2 + → 3KFe II [Fe III (CN) 6] ↓ + 6K +.

Цікаво, що берлінська лазур і турнбулевой синь - дві форми одного і того ж речовини, так як в розчині встановлюється рівновага:

KFe III [Fe II (CN) 6] ↔ KFe II [Fe III (CN) 6].


8. Застосування

Залізна руда

Залізо - один з найбільш використовуваних металів, на нього припадає до 95% світового металургійного виробництва.

  • Залізо є основним компонентом сталей і чавунів - найважливіших конструкційних матеріалів.
  • Залізо може входити до складу сплавів на основі інших металів - наприклад, нікелевих.
  • Магнітна окис заліза (магнетит) - важливий матеріал у виробництві пристроїв довготривалої комп'ютерної пам'яті: жорстких дисків, дискет і т. п.
  • Ультрадисперсних порошок магнетиту використовується в чорно-білих лазерних принтерах як тонера.
  • Унікальні феромагнітні властивості ряду сплавів на основі заліза сприяють їх широкому застосуванню в електротехніці для магнітопроводів трансформаторів та електродвигунів.
  • Хлорид заліза (III) (хлорне залізо) використовується в радіоаматорського практиці для травлення друкованих плат.
  • Семіводний сульфат заліза ( залізний купорос) у суміші з мідним купоросом використовується для боротьби з шкідливими грибками в садівництві та будівництві.
  • Залізо застосовується в якості анода в залізо-нікелевих акумуляторах, залізо-повітряних акумуляторах.
  • Водні розчини хлоридів двовалентного і тривалентного заліза, а також його сульфатів використовуються як коагулянтів у процесах очищення природних і стічних вод на водопідготовці промислових підприємств.

9. Біологічне значення заліза

В живих організмах залізо є важливим мікроелементом, що каталізує процеси обміну киснем (дихання). В організмі дорослої людини міститься близько 3,5 грама заліза (близько 0,02%), з яких 78% [джерело не вказано 158 днів] є головним діючим елементом гемоглобіну крові, інше входить до складу ферментів інших клітин, каталізує процеси дихання в клітинах. Недолік заліза проявляється як хвороба організму (хлороз у рослин і анемія у тварин).

Зазвичай залізо входить в ферменти у вигляді комплексу, званого гемом. Зокрема, цей комплекс є у гемоглобіні - найважливішому білку, що забезпечує транспорт кисню з кров'ю до всіх органів людини і тварин. І саме він забарвлює кров у характерний червоний колір.

Комплекси заліза, відмінні від гема, зустрічаються, наприклад, в ферменті метан-моноксігеназе, окислюється метан в метанол, у важливому ферменті рибонуклеотид-редуктази, який бере участь в синтезі ДНК.

Неорганічні сполуки заліза зустрічається в деяких бактеріях, іноді використовується ними для зв'язування азоту повітря.

В організм тварин і людини залізо надходить з їжею (найбільш багаті ним печінка, м'ясо, яйця, бобові, хліб, крупи, буряк). Цікаво, що колись шпинат помилково був внесений в цей список (через друкарські помилки в результатах аналізу - був втрачений "зайвий" нуль після коми).

Добова потреба людини в залізі наступна [15] : діти - від 4 до 18 мг, дорослі чоловіки - 10 мг, дорослі жінки - 18 мг, вагітні жінки в другій половині вагітності - 33 мг. У жінок потреба дещо вищий, ніж у чоловіків. Як правило, заліза, що надходить з їжею, цілком достатньо, але в деяких спеціальних випадках ( анемія, а також при донорство крові) необхідно застосовувати залізовмісні препарати та харчові добавки ( гематоген, ферроплекс). Добова потреба в залозі мала і її легко задовольнити. Однак у дитини, яку годують груддю, нерідко виникає дефіцит заліза. В організмі легко відновлюється рівновага між надходженням і виведенням заліза, і тимчасовий дефіцит його легко компенсується за рахунок наявних запасів. Потреба в залозі значно зростає при анемії, викликаної, наприклад, такими паразитарними інвазіями, як малярія і анкілостомоз, які дуже широко поширені в тропічних країнах.

Вміст заліза у воді більше 1-2 мг / л значно погіршує її органолептичні властивості, надаючи їй неприємний в'язкий смак, і робить воду малопридатною для використання, викликає у людини алергічні реакції, може стати причиною хвороби крові і печінки (гемохроматоз). ГДК заліза у воді 0,3 мг / л.

Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може надавати токсичну дію. Передозування заліза пригнічує антиоксидантну систему організму, тому вживати препарати заліза здоровим людям не рекомендується.


Примітки

  1. Хімічна енциклопедія: у 5 т. / Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.) - М .: Радянська енциклопедія, 1990. - Т. 2. - С. 140. - 671 с. - 100000 прим .
  2. Карапетьянц М. Х. Х., Дракіно С. І. Загальна та неорганічна хімія: Підручник для вузів. - 4-е изд., Стер. - М.: Хімія, 2000, ISBN 5-7245-1130-4, с. 529
  3. М. Фасмер Етимологічний словник російської мови, т.2. - "Прогрес". - 1986. - С. 42-43.
  4. Трубачов О. Н. Слов'янські етимології. / / Питання слов'янського мовознавства, № 2, 1957.
  5. Boryś W. Słownik etymologiczny języka polskiego - Krakw: Wydawnictwo Literackie. - 2005. - С. 753-754.
  6. Walde A. Lateinisches etymologisches Wrterbuch. - Carl Winter's Universittsbuchhandlung. - 1906. - С. 285.
  7. Мейе А. Основні особливості німецької групи мов. - УРСС. - 2010. - С. 141.
  8. Matasović R. Etymological Dictionary of Proto-Celtic. - Brill. - 2009. - С. 172.
  9. Mallory, JP, Adams, DQ Encyclopedia of Indo-European Culture. - Fitzroy-Dearborn. - 1997. - С. 314.
  10. "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.
  11. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and AH Wapstra (2003). " The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties - www.nndc.bnl.gov/amdc/nubase/Nubase2003.pdf ". Nuclear Physics A 729: 3-128. DOI : 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 - dx.doi.org/10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
  12. Ю. М. Широков, Н. П. Юдін. Ядерна фізика. М.: Наука, 1972. Глава Ядерна космофізика.
  13. Р. Ріпан, І. Четяну Неорганічна хімія / / Хімія неметалів = Chimia metalelor - Москва: "Світ", 1972. - Т. 2. - С. 482-483. - 871 с.
  14. Металознавство і термічна обробка сталі. Справ. вид. У 3-х т. / Под ред. М. Л. Берштейна, А. Г. Рахштадта - 4-е изд., Перераб. і доп. Т. 2. Основи термічної обробки. У 2-х кн. Кн. 1. М.: Металургія, 1995. 336 с.
  15. "Норми фізіологічних потреб в енергії та харчових речовинах для різних груп населення Російської Федерації" МР 2.3.1.2432-08 - www.alphavit.ru / regulations / normy / index.shtml

11. Джерела (до розділу Історія)

  • http://nt.ru/ri/ps/pb026.htm - nt.ru/ri/ps/pb026.htm
  • http://www.krotov.info/acts/03/1/kliment_aleksandr_09.htm - www.krotov.info/acts/03/1/kliment_aleksandr_09.htm
  • http://annals.xlegio.ru/hetts/small/anitta.htm - annals.xlegio.ru / hetts / small / anitta.htm
  • Г. Г. Гіоргадзе. "Текст Анітти" і деякі питання ранньої історії хетів (на annals.xlegio.ru)
  • Р. М. Абрамішвілі. До питання про освоєння заліза на території Східної Грузії, ВГМГ, XXII-В, 1961.
  • Хахутайшвілі Д. А. До історії древнеколхской металургії заліза. Питання стародавньої історії (Кавказько-близькосхідний збірник, вип. 4). Тбілісі, 1973.
  • Геродот. "Історія", 1:28.
  • Гомер. "Іліада", "Одіссея".
  • Вергілій. "Енеїда", 3:105.
  • Аристотель. "Про неймовірні чутки", II, 48. ВДИ, 1947, № 2, стор 327.
  • Климент Олександрійський. "Стромати", глава 21.
  • Ломоносов М. В. Перші підстави металургії.

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Залізо самородне
Палласово залізо
Залізо-нікелевий акумулятор
Залізо-повітряний акумулятор
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru