Какими физическими свойствами обладает железо. Железо: качественные реакции на его ионы

Железо в чистом виде – это пластичный металл серого цвета, легко подвергаемый обработке. И всё же, для человека элемент Fe более практичен в сочетании с углеродом и другими примесями, которые позволяют образовывать металлические сплавы – стали и чугуны. 95% – именно столько всей производимой на планете металлической продукции содержит железо в качестве основного элемента.

Железо: история

Первые железные изделия, изготовленные человеком, датированы учёными IV тыс. до н. э., причем исследования показали, что для их производства использовалось метеоритное железо, для которого характерно 5-30-процентное содержание никеля. Интересно, но пока человечество не освоило добычу Fe путём его переплавки, железо ценилось дороже золота. Объяснялось это тем, что более крепкая и надежная сталь куда больше подходила для изготовления орудий труда и оружия, нежели медь и бронза.

Первый чугун научились получать древние римляне: их печи могли повышать температуру руды до 1400 о С, в то время как чугуну было достаточно 1100-1200 о С. Впоследствии они же получили и чистую сталь, температура плавления которой, как известно, составляет 1535 градуса по Цельсию.

Химические свойства Fe

С чем взаимодействует железо? Железо взаимодействует с кислородом, что сопровождается образованием оксидов; с водой в присутствии кислорода; с серной и соляной кислотами:

• 3Fe+2O 2 = Fe 3 O 4
• 4Fe+3O 2 +6H 2 O = 4Fe(OH) 3
• Fe+H 2 SO 4 = FeSO 4 +H 2
• Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2

Также железо реагирует на щелочи, только если они представляют собой расплавы сильных окислителей. Железо не реагирует с окислителями при обычной температуре, однако всегда начинает вступать в реакцию при её повышении.

Применение железа в строительстве

Применение железа строительной отраслью в наши дни нельзя переоценить, ведь металлоконструкции являются основой абсолютно любого современного строения. В этой сфере Fe используется в составе обычных сталей, литейного чугуна и сварочного железа. Данный элемент находится везде, начиная с ответственных конструкций и заканчивая анкерными болтами и гвоздями.


Возведение строительных конструкций из стали обходится гораздо дешевле, к тому же здесь можно говорить и о более высоких темпах строительства. Это заметно увеличивает использование железа в строительстве, в то время как сама отрасль осваивает применение новых, более эффективных и надежных сплавов на основе Fe.

Использование железа в промышленности

Использование железа и его сплавов – чугуна и стали – это основа современного машино-, станко-, авиа-, приборостроения и изготовления прочей техники. Благодаря цианидам и оксидам Fe функционирует лакокрасочная промышленность, сульфаты железа применяются при водоподготовке. Тяжелая промышленность и вовсе немыслима без использования сплавов на основе Fe+C. Словом, Железо – это незаменимый, но вместе с тем доступный и относительно недорогой металл, который в составе сплавов имеет практически неограниченную сферу применения.

Применение железа в медицине

Известно, что в каждом взрослом человеке содержится до 4 грамм железа. Этот элемент крайне важен для функционирования организма, в частности, для здоровья кровеносной системы (гемоглобин в эритроцитах). Существует множество лекарственных препаратов на основе железа, которые позволяют повышать содержание Fe во избежание развития железодефицитной анемии.

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

t кип около 3200°С

Температурный коэффициент линейного расширения (20°С) 11,7·10 -6

Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·K)

Теплоемкость Железа зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоемкость (0-1000°С) 640,57 дж/(кг·К) .

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) Fe 2 O 3 и оксид (II,III) Fe 3 O 4 (соединение FeO c Fe 2 O 3 , имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe 2 O 3 ·nH 2 O). 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 Fe 3 O 4 (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 Fe 2 O 3 амфотерен и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными оксидами (например, с MgO, она образует ферриты - соединения типа Fe 2 O 3 ·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Железа, существующего в виде ферратов, например K 2 FeO 4 , солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.

Железо легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl 2 и FeCl 3 . При нагревании Железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS 2 . Карбиды Железа - Fe 3 C (цементит) и Fe 2 C (е-карбид) - выпадают из твердых растворов углерода в Железе при охлаждении. Fe 3 C 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 Fe 4 N и Fe 2 N. С водородом Железо дает лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Железо энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe 3 Si и фосфиды (например, Fe 3 P).

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 Н 2 и образованием ионов Fe 2+ . Своеобразно взаимодействие Железа с азотной кислотой. Концентрированная HNO 3 (плотность 1,45 г/см 3) пассивирует Железо вследствие возникновения на его поверхности защитной оксидной пленки; более разбавленная HNO 3 растворяет Железо с образованием ионов Fe 2+ или Fe 3+ , восстанавливаясь до NH 3 или N 2 и N 2 O. 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.

Железо

ЖЕЛЕ́ЗО -а; ср.

1. Химический элемент (Fe), ковкий металл серебристого цвета, образующий в соединении с углеродом сталь и чугун.

2. Обиходное название малоуглеродистой стали, металла серебристого цвета. Ковать ж. Ветер стучит железом крыши.

3. О том, что является сильным, твёрдым, крепким (о внешних физических качествах). Руки у тебя - ж.! // О том, что является жёстким, непреклонным (о внутренних моральных качествах). Характер у него - ж.

4. Разг. О лекарстве, содержащем железистые вещества. Организму не хватает железа. Пить ж. Яблоки содержат ж.

5. Разг. техн. Аппаратные средства компьютера (в отличие от программных средств). Купить недостающее железо.

◊ Выжечь калёным желе́зом. Искоренять, уничтожать что-л., прибегая к крайним, чрезвычайным мерам. Куй желе́зо, пока горячо (см. Кова́ть).

◁ Желе́зный; Желе́зистый; Желе́зка; Желе́зина (см.).

(лат. Ferrum), химический элемент VIII группы периодической системы. Блестящий серебристо-белый металл. Образует полиморфные модификации; при обычной температуре устойчиво α-Fe (кристаллическая решётка - кубическая объёмно-центрированная) с плотностью 7,874 г/см 3 . α-Fe вплоть до 769°C (точка Кюри) ферромагнитно; t пл 1535°C. На воздухе окисляется - покрывается рыхлой ржавчиной. По распространённости элементов в природе железо находится на 4-м месте; образует около 300 минералов. На долю сплавов железа с углеродом и другими элементами приходится около 95% всей металлической продукции (чугун, сталь, ферросплавы). В чистом виде практически не используется (в быту железными часто называют стальные или чугунные изделия). Необходимо для жизнедеятельности животных организмов; входит в состав гемоглобина.

ЖЕЛЕ́ЗО (лат. Ferrum), Fe (читается «феррум»), химический элемент, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s 2 p 6 d 6 4s 2 . Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.
В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт (см. КОБАЛЬТ) и никель (см. НИКЕЛЬ) . Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.
Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe 2+ - 0,080 нм, иона Fe 3+ - 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.
Железо высокой чистоты - это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.
Нахождение в природе
В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит (см. ГЕМАТИТ) , Fe 2 O 3 ; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит (см. МАГНЕТИТ) , Fe 3 О 4 ; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO 2 ·n H 2 O), а также шпатовые железняки (руда сидерит (см. СИДЕРИТ) , карбонат железа, FeСО 3 ; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита (см. ПИРИТ) FeS 2 (другие названия - серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10 -5 -1·10 -8 % железа.
История получения железа
Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9 по 7 в. до н. э., когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, (см. ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК) пришедшего на смену бронзовому веку (см. БРОНЗОВЫЙ ВЕК) . Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи - домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс (см. КОКС) . В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства - домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.
Физические и химические свойства
При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво b-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри (см. КЮРИ ТОЧКА) ) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как g-модификацию железа, а b-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции d-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа - a, b, g и d- возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7,87 г/см 3 . Стандартный потенциал пары Fe 2+ /Fe 0 –0,447В, пары Fe 3+ /Fe 2+ +0,771В.
При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe 2 О 3 ·хН 2 О.
С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe 2 О 3 , при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe 3 О 4 . Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.
Железо при нагревании реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ) . Так как FeF 3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl 3 . Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr 3 . При нагревании FeСl 3 и, особенно, FeBr 3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe 3 I 8 .
При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe 3 N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe 2 P и Fe 3 P, с углеродом, образуя карбид Fe 3 C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.
При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO) 5 . Известны также карбонилы железа составов Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12 . Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена (см. ФЕРРОЦЕН) состава .
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.
С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН) 2 . Оксид железа (III) Fe 2 O 3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН) 2 , основание Fe(ОН) 3 , которое реагирует с кислотами:
2Fe(ОН) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Гидроксид железа (III) Fe(ОН) 3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:
Fe(ОН) 3 + КОН = К
Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH) 3.
Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа (II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 О.
Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO 4) 2 - железокалиевые квасцы, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - железоаммонийные квасцы и т. д.
При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) - ферраты, например, феррат (VI) калия K 2 FeO 4 . Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).
Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe 3+ с тиоцианат-ионами CNS - . При взаимодействии ионов Fe 3+ с анионами CNS - образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS) 3 . Другим реактивом на ионы Fe 3+ служит гексацианоферрат (II) калия K 4 (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe 3+ и 4- выпадает ярко-синий осадок.
Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K 3 , ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe 3+ и 3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe 3+ и 4- .
Сплавы железа с углеродом
Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом - различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно - на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1 %).
Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию - нагреванию при температуре около 1000 °C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей - шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300 °C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CО = 2Fe + 3CO 2
возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.
Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие - летку - и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун - это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.
Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.
Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.
Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).
Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.
Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.
Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.
Применение железа, его сплавов и соединений
Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа - чугун и сталь - составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.
Железо в организме
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ) то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии (см. ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИ) , использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза (см. ХЕМОСИНТЕЗ) , могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа - участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков - гемопротеидов (см. ГЕМОПРОТЕИДЫ) , простетической группой которых является железопорфириновый комплекс - гем (см. ГЕМ) . Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин (см. ГЕМОГЛОБИН) и миоглобин, (см. МИОГЛОБИН) универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, (см. ЦИТОХРОМЫ) ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина (см. ФЕРРИТИН) , осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови - около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "железо" в других словарях:

Ср. зале(и)зо южн., зап. металл, крушец, выплавляемый из руды в виде чугуна, и выковываемый из сего последнего под кричным молотом. В соединении с углеродом, оно образует сталь. В продажу железо идет в виде: полосового или сортового; первое прямо … Толковый словарь Даля

Железо - восьмой элемент четвёртого периода в таблице Менделеева. Его номер в таблице (также его называют атомным) 26, что соответствует числу протонов в ядре и электронов в электронной оболочке. Обозначается первыми двумя буквами своего латинского эквивалента - Fe (лат. Ferrum - читается как «феррум»). Железо - второй по распространённости элемент в земной коре, процентное содержание - 4,65% (самый распространённый - алюминий, Al). В самородном виде данный металл встречается достаточно редко, чаще его добывают из смешанной руды с никелем.

Вконтакте

Какова же природа данного соединения? Железо как атом состоит из металлической кристаллической решётки, за счёт чего обеспечивается твёрдость соединений, содержащих этот элемент, и молекулярная стойкость. Именно в связи с этим данный металл - типичное твёрдое тело в отличие, например, от ртути.

Железо как простое вещество - металл серебристого цвета c типичными для этой группы элементов свойствами: ковкость, металлический блеск и пластичность. Помимо этого, железо обладает высокой реакционной активностью. О последнем свойстве свидетельствует тот факт, что железо очень быстро подвергается коррозии при наличии высокой температуры и соответствующей влажности. В чистом кислороде этот металл хорошо горит, а если раскрошить его на очень мелкие частицы, то они будут не просто гореть, а самовозгораться.

Зачастую железом мы называем не чистый металл, а его сплавы, содержащих углерод ©, например, сталь (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Также важное промышленное значение имеют сплавы, в которые добавляются легирующие металлы (никель, марганец, хром и другие), за счёт них сталь становится нержавеющей, т. е. легированной. Таким образом, исходя из этого становится понятным, какое обширное промышленное применение имеет этот металл.

Характеристика Fe

Химические свойства железа

Рассмотрим подробнее особенности этого элемента.

Свойства простого вещества

• Окисление на воздухе при высокой влажности (коррозийный процесс):

4Fe+3O2+6H2O = 4Fe (OH)3 - гидроксид (гидроокись) железа (III)

• Горение железной проволоки в кислороде с образованием смешанного оксида (в нём присутствует элемент и со степенью окисления +2, и со степенью окисления +3):

3Fe+2O2 = Fe3O4 (железная окалина). Реакция возможна при нагревании до 160 ⁰C.

• Взаимодействие с водой при высокой температуре (600−700 ⁰C):

3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2

• Реакции с неметаллами:

а) Реакция с галогенами (Важно! При данном взаимодействии приобретает степень окисления элемента +3)

2Fe+3Cl2 = 2FeCl3 - хлорид трёхвалентного железа

б) Реакция с серой (Важно! При данном взаимодействии элемент имеет степень окисления +2)

Сульфид железа (III) - Fe2S3 можно получить в ходе другой реакции:

Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O

в) Образование пирита

Fe+2S = FeS2 - пирит. Обратите внимание на степень окисления элементов, составляющих данное соединение: Fe (+2), S (-1).

• Взаимодействие с солями металлов, стоящими в электрохимическом ряду активности металлов справа от Fe:

Fe+CuCl2 = FeCl2+Cu - хлорид железа (II)

• Взаимодействие с разбавленными кислотами (например, соляной и серной):

Fe+HBr = FeBr2+H2

Fe+HCl = FeCl2+ H2

Обратите внимание, что в этих реакция получается железо со степенью окисления +2.

• В неразбавленных кислотах, которые являются сильнейшими окислителями, реакция возможна только при нагревании, в холодных кислотах металл пассивируется:

Fe+H2SO4 (концентрированная) = Fe2 (SO4)3+3SO2+6H2O

Fe+6HNO3 = Fe (NO3)3+3NO2+3H2O

• Амфотерные свойства железа проявляются только при взаимодействии с концентрированными щелочами:

Fe+2KOH+2H2O = K2+H2 - тетрагидроксиферрат (II) калия выпадает в осадок.

Процесс производства чугуна в доменной печи

• Обжиг и последующее разложение сульфидных и карбонатных руд (выделение оксидов металла):

FeS2 —> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Эта реакция также является первым этапом промышленного синтеза серной кислоты.

FeCO3 —> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).

• Сжигание кокса (в избытке):

С (кокс)+O2 (возд.) —> CO2 (600−700 ⁰C)

CO2+С (кокс) —> 2CO (750−1000 ⁰C)

• Восстановление руды, содержащий оксид, угарным газом:

Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)

Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)

FeO —> Fe (CO, -CO2)

• Науглероживание железа (до 6,7%) и расплавление чугуна (t⁰плавления - 1145 ⁰C)

Fe (твёрдый)+С (кокс) —> чугун. Температура реакции - 900−1200 ⁰C.

В чугуне всегда присутствует в виде зёрен цементит (Fe2C) и графит.

Характеристика соединений, содержащих Fe

Изучим особенности каждого соединения отдельно.

Fe3O4

Смешанный или двойной оксид железа, имеющий в своём составе элемент со степенью окисления как +2, так и +3. Также Fe3O4 называют железной окалиной . Это соединение стойко переносит высокие температуры. Не вступает реакцию с водой, парами воды. Подвергается разложению минеральными кислотами. Может быть подвергнуто восстановлению водородом либо железом при высокой температуре. Как вы могли понять из вышеизложенной информации, является промежуточным продуктом в цепочке реакция промышленного производства чугуна.

Непосредственно же железную окалину применяют в производстве красок на минеральной основе, цветного цемента и изделий из керамики. Fe3O4 - это то, что получается при чернении и воронении стали. Получают смешанный оксид путём сгорания железа на воздухе (реакция приведена выше). Руда, содержащая оксиды, является магнетитом.

Fe2O3

Оксид железа (III), тривиальное название - красный железняк , соединение красно-коричневого цвета. Устойчиво к воздействию высоких температур. В чистом виде не образуется при окислении железа кислородом воздуха. Не вступает в реакцию с водой, образует гидраты, выпадающие в осадок. Плохо реагирует с разбавленными щелочами и кислотами. Может сплавляться с оксидами других металлов, образуя шпинели - двойные оксиды.

Красный железняк применяется в качестве сырья при промышленном получении чугуна доменным способом. Также ускоряет реакцию, то есть является катализатором, в аммиачной промышленности. Применяется в тех же областях, что и железная окалина. Плюс к этому использовался как носитель звука и картинки на магнитных лентах.

FeOH2

Гидроксид железа (II) , соединение, обладающее как кислотными, так и основными свойствами, преобладают последние, то есть, является амфотерным. Вещество белого цвета, которое быстро окисляется на воздухе, «буреет», до гидроокиси железа (III). Подвержено распаду при воздействии температуры. Вступает в реакцию и со слабыми растворами кислот, и со щелочами. В воде не растворим. В реакции выступает в роли восстановителя. Является промежуточным продуктом в реакции коррозии.

Обнаружение ионов Fe2+ и Fe3+ («качественные» реакции)

Распознавание ионов Fe2+ и Fe3+ в водных растворах производят с помощью сложных комплексных соединений - K3, красная кровяная соль, и K4, жёлтая кровяная соль, соответственно. В обеих реакциях выпадает осадок насыщенного синего цвета с одинаковым количественным составом, но различным положением железа с валентностью +2 и +3. Этот осадок также часто называют берлинской лазурью или турнбуллевой синью.

Реакция, записанная в ионном виде

Fe2++K++3-  K+1Fe+2

Fe3++K++4-  K+1Fe+3

Хороший реактив для выявления Fe3+ — тиоцианат-ион (NCS-)

Fe3++ NCS-  3- — эти соединения имеют ярко-красную («кровавую») окраску.

Этот реактив, например, тиоцианат калия (формула - KNCS), позволяет определить даже ничтожно малую концентрацию железа в растворах. Так, он способен при исследовании водопроводной воды определить, не заржавели ли трубы.

Железо - средний по химической активности металл. Входит в состав многих минералов: магнетита, гематита, лимонита, сидерита, пирита.

Химические и физические свойства железа

При нормальных условиях и в чистом виде железо - твердое вещество серебристо-серого цвета с ярким металлическим блеском. Железо - хороший электро- и теплопроводник. Это можно ощутить, дотронувшись в холодном помещении к железному предмету. Так как металл быстро проводит тепло, за короткий отрезок времени забирает большую часть тепла из человеческой кожи, поэтому во время прикосновения к нему ощущается холод.

Температура плавления железа - 1538 °С, температура кипения - 2862 °С. Характерные свойства железа - хорошая пластичность и легкоплавкость.

Реагирует с простыми веществами: кислородом, галогенами (бромом, йодом, фтором, ), фосфором, серой. При сжигании железа образуются оксиды металла. В зависимости от условий проведения реакции и пропорций между двумя участниками, оксиды железа могут быть разнообразными. Уравнения реакций:

2Fe + O₂ = 2FeO;

4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃;

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Подобные реакции идут при высоких температурах. вы узнаете, какие опыты на изучение свойств железа можно провести дома.

Реакция железа с кислородом

Для реакции железа с кислородом необходимо предварительное нагревание. Железо сгорает ослепительным пламенем, разбрасывая - раскаленные частицы железной окалины Fe₃O₄. Такая же реакция железа и кислорода происходит и на воздухе, когда при механической обработке сильно нагревается от трения.

При сгорании железа в кислороде (или на воздухе) образуется железная окалина. Уравнение реакции:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

3Fe + 2O₂ = FeO Fe₂O₃.

Железная окалина - соединение, в котором железо имеет разные значения валентности.

Получение оксидов железа

Оксиды железа - это продукты взаимодействия железа с кислородом. Наиболее известные из них - FeO, Fe₂O₃ и Fe₃O₄.

Оксид железа (III) Fe₂O₃ - оранжево-красный порошок, образующийся при окислении железа на воздухе.

Вещество образуется при разложении соли трехвалентного железа на воздухе при высокой температуре. В фарфоровый тигель насыпается немного сульфата железа (III), а затем прокаливается на огне газовой горелки. При термическом разложении сульфат железа распадется на оксид серы и оксид железа.

Оксид железа (II, III) Fe₃O₄ образуется при сжигании порошкообразного железа в кислороде или на воздухе. Для получения оксида в фарфоровый тигель насыпается немного смешанного с нитратом натрия или калия тонкого железного порошка. Смесь поджигается газовой горелкой. При нагревании нитраты калия и натрия разлагаются с выделением кислорода. Железо в кислороде горит, образуя оксид Fe₃O₄. После окончания горения полученный оксид остается на дне фарфоровой чашки в виде железной окалины.

Внимание! Не пытайтесь повторить эти опыты самостоятельно!

Оксид железа (II) FeO - это черный порошок, который образуется при разложении оксалата железа в инертной атмосфере.