Что состоит из железа
Содержание:
Iron
Железо (лат. Ferrum), Fe, химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый металл. Элемент в природе состоит из четырех стабильных изотопов: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) и 58 Fe (0,31%).
Историческая справка. Железо было известно еще в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, так как в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определенном уровне развития техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным Железом, о чем свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское "бени-пет" означает "небесное железо"; древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (род. падеж sideris) — звезда, небесное тело. В хеттских текстах 14 века до н. э. упоминается о Железе как о металле, упавшем с неба. В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, франц. fer, итал. ferro).
Способ получения Железа из руд был изобретен в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение Железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришел железный век. Гомер (в 23-й песне "Илиады") рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. В Европе и Древней Руси в течение многих веков Железо получали по сыродутному процессу. Железную руду восстанавливали древесным углем в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления — крицу ударами молота отделяли от шлака и из нее выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть Железа науглероживалась, то есть получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна "чушка", "свинское железо" — англ. pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причем такой двухстадийный процесс оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12-13 веках кричный способ был уже широко распространен.
В 14 веке чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь ("домницу"), а затем и в доменную печь. В середине 18 века в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии еще в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлической шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней четверти 18 века стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в Железо на поду пламенной отражательной печи. Промышленный переворот 18 — начала 19 веков, изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в Железе и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства Железа не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 века, когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В 20 веке возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.
Распространение Железа в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Железо занимает второе место среди металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.). Железо принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений. Железо — металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере Железо накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.
Важную роль в геохимии Железа играют окислительно-восстановительные реакции — переход 2-валентного Железа в 3-валентное и обратно. В биосфере при наличии органических веществ Fe 3+ восстанавливается до Fe 2+ и легко мигрирует, а при встрече с кислородом воздуха Fe 2+ окисляется, образуя скопления гидрооксидов 3-валентного Железа. Широко распространенные соединения 3-валентного Железа имеют красный, желтый, бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование -"красноцветная формация" (красные и бурые суглинки и глины, желтые пески и т. д.).
Физические свойства Железа. Значение Железа в современное технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддается прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и других элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.
Железо может существовать в виде двух кристаллических решеток: α- и γ-объемноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910°С устойчиво α-Fe с ОЦК-решеткой (а = 2,86645Å при 20 °С). Между 910 °С и 1400°С устойчива γ-модификация с ГЦК-решеткой (а = 3,64Å). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решетка δ-Fe (a = 2,94Å), устойчивая до температуры плавления (1539 °С). α-Fe ферромагнитно вплоть до 769 °С (точка Кюри). Модификации γ-Fe и δ-Fe парамагнитны.
Полиморфные превращения Железа и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 году Д. К. Чернов. Углерод образует с Железом твердые растворы внедрения, в которых атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77Å), размещаются в междоузлиях кристаллической решетки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26 Å). Твердый раствор углерода в γ-Fe называется аустенитом, а в α-Fe — ферритом. Насыщенный твердый раствор углерода в γ-Fe содержит 2,0% С по массе при 1130 °С; α-Fe растворяет всего 0,02- 0,04% С при 723 °С, и менее 0,01% при комнатной температуре. Поэтому при закалке аустенита образуется мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe, очень твердый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твердости и пластичности.
Физические свойства Железа зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает так называемых красноломкость, фосфор (даже 10 -2 % Р) — хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Железа (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10 -7 — 10 -9 % приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.
Ниже приводятся физические свойства Железа, относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:
Атомный радиус 1,26Å
Ионные радиусы Fe 2+ 0,80Å, Fe 3+ 0.67Å
Плотность (20°C) 7 ,874 г/см 3
Температурный коэффициент линейного расширения (20°С) 11,7·10 -6
Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·K) [0,177 кал/(см·сек·град)]
Теплоемкость Железа зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоемкость (0-1000°С) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/(г·град)].
Удельное электрическое сопротивление (20°С) 9,7·10 -8 ом·м
Температурный коэффициент электрического сопротивления (0-100°С) 6,51·10 -3
Модуль Юнга 190-210·10 3 Мн/м 2 (19-21·10 3 кгс/мм 2 )
Температурный коэффициент модуля Юнга 4·10 -6
Модуль сдвига 84,0·10 3 Мн/м 2
Кратковременная прочность на разрыв 170-210 Мн/м 2
Относительное удлинение 45-55%
Твердость по Бринеллю 350-450 Мн/м 2
Предел текучести 100 Мн/м 2
Ударная вязкость 300 Мн/м 2
Химические свойства Железа. Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d 6 4s 2 . Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Железа). С кислородом Железо образует оксид (II) FeO, оксид (III) Fe2O3 и оксид (II,III) Fe3O4 (соединение FeO c Fe2O3, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe2O3·nH2O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Железа. При нагревании Железа в сухом воздухе выше 200 °С оно покрывается тончайшей оксидной пленкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Железа — воронения. При нагревании в водяном паре Железо окисляется с образованием Fe3O4 (ниже 570 °С) или FeO (выше 570 °С) и выделением водорода.
Гидрооксид Fe(OH)2 образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака на водные растворы солей Fe 2+ в атмосфере водорода или азота. При соприкосновении с воздухом Fe(OH)2 сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурый гидрооксид Fe(OH)3. Оксид FeO проявляет основные свойства. Оксид Fe2O3 амфотерен и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными оксидами (например, с MgO, она образует ферриты — соединения типа Fe2O3·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Железа, существующего в виде ферратов, например K2FeO4, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.
Железо легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl2 и FeCl3. При нагревании Железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS2. Карбиды Железа — Fe3C (цементит) и Fe2C (е-карбид) — выпадают из твердых растворов углерода в Железе при охлаждении. Fe3C выделяется также из растворов углерода в жидком Железе при высоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, дает с Железом твердые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe4N и Fe2N. С водородом Железо дает лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Железо энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe3Si и фосфиды (например, Fe3P).
Соединения Железа с многими элементами (О, S и другими), образующие кристаллическую структуру, имеют переменный состав (так, содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это обусловлено дефектами кристаллической структуры. Например, в оксиде Железа (II) часть ионов Fe 2+ в узлах решетки замещена ионами Fe 3+ ; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решетки, принадлежавшие ионам Fe 2+ , остаются пустыми.
Нормальный электродный потенциал Железа в водных растворах его солей для реакции Fe = Fe 2+ + 2e составляет -0,44 в, а для реакции Fe = Fe 3+ + 3e равен -0,036 в. Таким образом, в ряду активностей Железо стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением Н2 и образованием ионов Fe 2+ . Своеобразно взаимодействие Железа с азотной кислотой. Концентрированная HNO3 (плотность 1,45 г/см 3 ) пассивирует Железо вследствие возникновения на его поверхности защитной оксидной пленки; более разбавленная HNO3 растворяет Железо с образованием ионов Fe 2+ или Fe 3+ , восстанавливаясь до NH3 или N2 и N2O. Растворы солей 2-валентного Железа на воздухе неустойчивы — Fe 2+ постепенно окисляется до Fe 3+ . Водные растворы солей Железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe 3+ тиоцианат-ионов SCN- дает яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe(SCN)3 что позволяет открывать присутствие 1 части Fe 3+ примерно в 10 6 частях воды. Для Железа характерно образование комплексных соединений.
Получение Железа. Чистое Железо получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого Железо путем его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углем при относительно низких температурах.
Применение Железа. Железо — важнейший металл современной техники. В чистом виде Железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту "железными" часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса Железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов Железа приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) — чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железом руд. Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путем окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом S, P, О) и добавления легирующих элементов. Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и других элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов Железа особо ответственного назначения служат новые процессы — вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и другие. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.
На основе Железа создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство Железа и его сплавов постоянно растет.
Железо как художественный материал использовалось с древности в Египте, Месопотамии, Индии. Со времен средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из Железа в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и других) — кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного листового Железа (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами, четким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на световоздушном фоне. В 20 веке Железо используется для изготовления решеток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.
Железо в организме. Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02%); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Существуют организмы (так называемые концентраторы), способные накапливать его в больших количествах (например, железобактерии — до 17-20% Железа). Почти все Железо в организмах животных и растений связано с белками. Недостаток Железа вызывает задержку роста и явления хлороза растений, связанные с пониженным образованием хлорофилла. Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток Железа, вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения Железа, и растения не получают его в достаточном количестве; в кислых почвах Железо переходит в растворимые соединения в избыточном количестве. При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений Железа заболевания растений могут наблюдаться на значительных территориях.
В организм животных и человека Железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свекла). В норме человек получает с рационом 60-110 мг Железа, что значительно превышает его суточную потребность. Всасывание поступившего с пищей Железа происходит в верхнем отделе тонких кишок, откуда оно в связанной с белками форме поступает в кровь и разносится с кровью к различным органам и тканям, где депонируется в виде Железо-белкового комплекса — ферритина. Основное депо Железа в организме — печень и селезенка. За счет ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах — миоглобин, в различных тканях цитохромы и других железосодержащие ферменты. Выделяется Железо из организма главным образом через стенку толстых кишок (у человека около 6-10 мг в сутки) и в незначительной степени почками. Потребность организма в Железе меняется с возрастом и физическим состоянием. На 1 кг веса необходимо детям — 0,6, взрослым-0,1 и беременным — 0,3 мг Железа в сутки. У животных потребность в Железе ориентировочно составляет (на 1 кг сухого вещества рациона): для дойных коров — не менее 50 мг, для молодняка — 30-50 мг; для поросят — до 200 мг, для супоросных свиней — 60 мг.
Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.
Основные степени окисления — +2, +3
Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Химические свойства простого вещества — железа:
Ржавление и горение в кислороде
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
Fe + S – t° → FeS (600 °С)
Fe+2S → Fe +2 (S2 -1 ) (700°С)
4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н2SO4, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2 (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe +2 постепенно переводится кислородом в Fe +3 )
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Fе 3+ :
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).
Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Техническое железо — сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.
Доменный процесс производства чугуна
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд — перевод в оксидную руду:
б) сжигание кокса при горячем дутье:
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe2С и графит.
Производство стали
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО2, SО2), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са3(РO4)2 и СаSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь — как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.
Оксид железа(II) FеО. Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fе 2+ O 2- . При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:
4FеО ⇌(Fe II Fe2 III ) + Fе (560—700 °С , 900—1000°С)
FеО + Н2 =Н2O + Fе (особо чистое) (350°С)
FеО + С(кокс) = Fе + СО (выше 1000 °С)
FеО + СО = Fе + СO2 (900°С)
Получение в лаборатории: термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:
FеСОз = FеО + СO2 (490-550 °С)
Оксид дижелеза (III) – железа(II) (Fe II Fe2 III )O4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe 2+ (Fе 3+ )2( O 2- )4. Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe3O4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:
2(Fe II Fe2 III )O4 = 6FеО + O2 (выше 1538 °С)
(Fe II Fe2 III )O4 + 4Н2 = 4Н2O + 3Fе (особо чистое, 1000 °С)
(Fe II Fe2 III )O4 + Fе ⇌4FеО (900—1000 °С , 560—700 °С)
Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.
В природе — оксидная руда железа магнетит.
Оксид железа(III) Fе2О3. Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fе 3+ )2(O 2- )3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fе2O3 nН2О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.
Уравнения важнейших реакций:
Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:
В природе — оксидные руды железа гематит Fе2O3 и лимонит Fе2O3 nН2O
Гидроксид железа (II) Fе(ОН)2. Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.
Уравнения важнейших реакций:
Получение: осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:
Метагидроксид железа FеО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fе — О и Fе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fе2O3 nН2O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fе(ОН)2. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.
Соединение состава Fе(ОН)3 не известно (не получено).
Уравнения важнейших реакций:
2FеО(ОН) + ЗН2 = 4Н2O+ 2Fе (особо чистое, 500—600 °С)
Получение: осаждение из раствора солей железа(Ш) гидрата Fе2О3 nН2O и его частичное обезвоживание (см. выше).
В природе — оксидная руда железа лимонит Fе2O3 nН2О и минерал гётит FеО(ОН).
Феррат калия К2FеО4. Оксосоль. Красно-фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель.
Качественная реакция — образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов — промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.
Уравнения важнейших реакций:
FеО4 2- + Ва 2+ = ВаFеO4 (красн.)↓ (в конц. КОН)
Получение: образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида FеО(ОН), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо
и электролизе в растворе:
(феррат калия образуется на аноде).
Обнаружение ионов Fе 2+ и Fе 3+ в водном растворе проводят с помощью реактивов К3[Fе(СN)6] и К4[Fе(СN)6] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КFе III [Fе II (СN)6]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь, или турнбуллева синь:
Fе 2+ + К + + [Fе(СN)6] 3- = КFе III [Fе II (СN) 6]↓
Fе 3+ + К + + [Fе(СN)6] 4- = КFе III [Fе II (СN) 6]↓
Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:
К3Fе III [Fе(СN) 6]- гексацианоферрат (III) калия
К4Fе III [Fе (СN) 6]- гексацианоферрат (II) калия
КFе III [Fе II (СN) 6]- гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия
Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fе 3+ является тиоцианат-ион NСS — , железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:
Fе 3+ + 6NСS — = [Fе(NСS)6] 3-
Этим реактивом (например, в виде соли КNСS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.
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: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) и 58 Fe (0,31%). Получены радиоактивные изотопы 52 Fe, 53 Fe, 55 Fe, 59 Fe, 60 Fe. 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 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•10 3 кг/м 3 ; 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 -3 К -1 , относительное удлинение 45-55%; температурный коэффициент линейного расширения (293 К) 11,7•10 -6 К -1 , твёрдость по Бринеллю 350-450 МПа; модуль Юнга 190-210•10 3 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.
Реклама
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, Fe 2+ окисляется до Fe 3+ . 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.
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 (Fe 2+ Fe 3+ )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.
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).
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.
Отправить ответ