Ферум как пишется химия

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — 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.
На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, укр. залізо, ст.-слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, польск. żelazo, чеш. železo, словен. železo).
Одна из этимологий связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень». Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка.
Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum . Латинское ferrum (
Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn,англ. iron, нем. Eisen, нидерл. ijzer,дат. jern, швед. järn) из кельтских.
Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h1esh2r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish2ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой».
Древнегреческое слово σίδηρος, возможно, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра.
Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода. В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III). Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.
Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида. Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак — метасиликат кальция. Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности — это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.
Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.
Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Источник: Википедия

Другие заметки по химии



Атомы — Lego природы.

Разделы страницы о железе:

• Железо как химический элемент (железо в физико-химических процессах)
  • Атом железа (краткие сведения)
  • Физические и химические свойства железа (как материала и вещества)
• Железо как минерал
  (железо в геологии)
  • Распространение железа и типы железных руд
  • Определение (обнаружение) железа
• Железо как материал
  (железо в технологиях)
  • Историческая справка о добыче и использовании железе
  • Получение железа
  • Применение железа
• Железо как органический микроэлемент (железо в
  организме и медицине)
  • Недостаток и избыток железа в почве и растениях
  • Потребность в железе в организмах животных и человека
  • Применение железа в медицине и фармакологии
• Сетевые обзоры о железе
• Библиография по железу

Железо как химический элемент (железо в физико-химических процессах)

Атом железа (краткие сведения)

Железо (Fe — от лат. Ferrum) — химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева;
атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый пластичный металл.

Элемент в природе состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%) и 58Fe (0,31%).

Физические и химические свойства железа

Значение железа в современной 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, поддаётся прокатке, штамповке и волочению.
Способность растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.

Атомные свойства железа

• Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов — 2,62.10-28 [?] м2.
• Конфигурация внешних электронных оболочек 3d64s2.
• Степени окисления +2 и +3 (наиболее характерны), +1, +4, +6, +8.
• Энергия ионизации при последовательном переходе от Fe0 к Fe5+ 7,893, 16,183, 30,65, 57,79 эВ.
• Сродство к электрону 0,58 эВ.
• Электроотрицательность по Полингу 1,8.
• ⚛ Атомный радиус 1,26 [0,126 нм?].
• Ионные радиусы (в нм, в скобках указаны координационные числа) [Ионные радиусы Fe2+ O,80, Fe3+ O,67 ?]:
  • для Fe2+ 0,077 (4), 0,092 (6), 0,106 (8);
  • для Fe3+ 0,063 (4), 0,079 (6), 0,092 (8).

Физические свойства железа как вещества

Физические свойства железа зависят от его чистоты.
В промышленных ферро-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 т. н. красноломкость, фосфор (даже 10-20% 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:

• Плотность (в г/см3):
  • a-Fe 7,87 (20℃), 7,67 (600°С);
  • g-Fe 7,59 (1000°С);
  • d-Fe 7,409;
  • жидкого железа 7,024 (1538°С), 6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С).

  Уравнение температурной зависимости плотности жидкого карбонильного железа: d = 8,618 — 8,83.10-4T г/см3.

• Температура плавления 1539°С [1535°С ?]. DH0 плавления 16,6 кДж/моль.
• Температура кипения около 3200°С [2750°С ?]. DH0 испарения 354,3 кДж/моль.
• Температурный коэффициент линейного расширения (20 °С) 11,7·10-6.
• Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·К) [0,177 (кал/см·сек·град)].
• Теплоёмкость железа зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температуроq.
  Теплоемкость медленно увеличивается с ростом температуры до 523 К,
  затем резко возрастает, достигая максимума в точке Кюри, после чего снижается.
  С0р 25,14 Дж/(моль.К); S0298 27,30 Дж/(моль.К) [?].
  Средняя удельная теплоёмкость (0-1000°С) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/(г·град)].
• Теплопроводность [Вт/(м.К)]:
  • 132 (100 К), 80,3 (300 К), 69,4 (400 К), 32,6 (1000 К), 31,8 (1500 К);
  • для армко-железа 74,7 (273 К), 72,8 (298 К), 67,6 (373 К).
• Для 99,99%-ного железа g в атмосфере Не 1,72 Н/м (1535°С);
  динамич. вязкость в интервале 1535-1700°С изменяется от 6,8.10-4 до 5,6.10-4 Па.с.
• Для 99,99%-ного железа r 0,0327 мкОм.см (4,2 К), 9,71 мкОм.см (293 К),
  температурный коэф. r 6,51.10-3 К-1 (273-373 К);
• Модуль Юнга 190—210·103 Мн/м.2 (19-21·103 кгс/мм2).
• Температурный коэффициент модуля Юнга 4·10-6.
• Модуль сдвига 84,0·103 Мн/м2 [8,4·103 кгс/мм2].
• Кратковременная прочность на разрыв 170-210 Мн/м2 [17-21 кгс/мм2].
• Относительное удлинение 45—55%.
• Твёрдость по Бринеллю 350—450 Мн/м2 [35—45 кгс/мм2].
• Предел текучести 100 Мн/м2 [10 кгс/мм2].
• Ударная вязкость 300 Мн/м2 [30 кгс/мм2].
• Удельное электрическое сопротивление (20°С) 9,7·10-8 ом·м [9,7·10-6 ом·см].
• Температурный коэффициент электрического сопротивления (0—100°С) 6,51·10-3.
• Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,1125 К.
• Магнитная проницаемость 1,45.106 (для монокристалла).
• Магнитная индукция насыщения 2,18 Тл.
• Коэрцитивная [?] сила 5-6 А/м (для карбонильного железа).
• ур-ние температурной зависимости давления пара: lgp (в мм рт.ст.) = — 19710/T — l,271gT + 13,27 (1808-3023 К);
• температурный коэф. линейного расширения 12.10-6 К-1 (298 К),
• ур-ние его температурной зависимости: a = 11,3.10-6 + 17,6.10-8t — 1,68.10-11t2 oС-1 (0-800°С).
• Для особо чистого железа (
• т-ра перехода в хрупкое состояние -85°С; для совершенных кристаллов («ÑƒÑÐ¾Ð²») s раст [?] 13,4 ГПа.
• Твердость по Моосу 4-5.
• Для отожженного образца относит. удлинение 40-50%,
• модуль сдвига 76,4-78,4 ГПа,
• твердость по Бринеллю 588-686 МПа.

Кристаллические модификации железа

Железо может существовать в виде 2 кристаллических решёток:
объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК).
Всего же, железо имеет 5 кристаллических модификаций.

При обычном давлении железо существует в 4 кристаллических модификациях:

1. До 769°С существует ферромагнитное a-Fe с ОЦК (а = 0,286645 нм при 20°С, z = 2, пространственная группа Im3m).
2. При 769°С (точка Кюри) a-Fe переходит в парамагнитное состояние b-Fe
   без изменения сингонии и др. свойств, кроме магнитных.
   DH0 перехода a:b 1,72 кДж/моль.
   Парамагнитное железо b-Fe устойчиво в интервале 769-917°С.
3. В интервале 917-1394°С существует парамагнитное g-Fe с ГЦК
   (при 950°С а = 0,3656 нм, z = 4, пространственная группа Fm3m).
   DH0 перехода b:g 0,91 кДж/моль.
4. Выше 1394°С существует парамагнитное d-Fe с ОЦК
   (при 1425°С а = 0,293 нм, z = 2, пространственная группа Im3m).
   DH0 перехода g:d 0,63 кДж/моль.

При высоких давлениях существует e-Fe с гексагонической плотноупакованной решеткой,
которое также образуется и при нормальном давлении при легировании железа рядом элементов.

Полиморфные превращения железа и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов.

Химические свойства и соединения железа

Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного железа).

С кислородом железо образует закись FeO, окись Fe2O3 и закись-окись Fe3O4 (соединение FeO с 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 окисной плёнкой,
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.

В сухом воздухе при т-рах до 200 °С на поверхности компактного железа образуется тончайшая оксидная пленка,
защищающая металл от дальнейшего окисления.
Выше 200 °С скорость коррозии железа увеличивается, образуется слой окалины;
внутр. зона ее состоит из вюстита FеxО (х = 0,89-0,95), поверх него лежит слой Fe3O4, затем Fe2O3.
Ржавление железа (атмосферная коррозия) во влажном воздухе, особенно содержащем капли морской воды, идет быстрее;
ржавчина содержит также и гидроксиды железа, в основном FeO(OH).

Гидроокись Fe (OH)2 образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака
на водные растворы солей Fe2+ в атмосфере водорода или азота.
При соприкосновении с воздухом Fe (OH)2 сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурую гидроокись Fe (OH)3.

Закись FeO проявляет основные свойства.

Окись Fe2O3 амфотерна и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными окислами (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 железо особенно легко реагирует с Сl2, т. к. образующийся FeCl3 летуч
и не создает на поверхности металла защитной пленки.

Напротив, FeF3 нелетуч, поэтому компактное железо устойчиво к действию F2 до 250-300 °С.

При нагревании железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS2.

Р-ция железа с S экзотермична, начинается при слабом нагревании, при этом образуется
нестехиометрический сульфид, близкий по составу к FeS.
В природе распространен минерал пирит FeS2.

Азот, подобно углероду, даёт с железом твёрдые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe4N и Fe2N.

С водородом железо даёт 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 др.), 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 закиси железа часть ионов Fe2+ в узлах решётки замещена ионами Fe3+;
для сохранения электронейтральности некоторые узлы решётки, принадлежавшие ионам Fe2+,
остаются пустыми и фаза (вюстит) [?] в обычных условиях имеет формулу Fe0,947O.

Своеобразно взаимодействие железо с азотной кислотой.
Концентрированная HNO3 (плотность 1,45 г/см3) пассивирует железо
вследствие возникновения на его поверхности защитной окисной плёнки;
более разбавленная HNO3 растворяет железо с образованием ионов Fe2+ или Fe3+, восстанавливаясь до MH3 или N2O и N2.

Железо образует два ряда солей — соед. Fe(II) и Fe(III).

Соли Fe(II) гидролизуются, в числе продуктов гидролиза образуются разл. полиядерные комплексы; на воздухе окисляются до Fe(III).
Более устойчивы двойные соли, напр., соль Мора FeSO4.(NH4)2SO4.6H2O, и комплексные.
В водном р-ре Fe2+ образует аквакомплексы, напр., состава [Fe(H2O)6]2+ , часто сохраняющиеся и в высших кристаллогидратах солей.
Р-ры солей Fe2+ практически бесцветны, т. к. окраска [Fe(H2O)6]2+ очень слабая (зеленоватая).
При действии Na2CO3 на р-ры Fe2+ осаждается карбонат FeCO3, который при действии избытка СО2 переходит в р-р в виде Fe(HCO3)2.
Наиб. прочные комплексы Fe(II) — цианистые, напр. K4[Fe(CN)6].
Соли Fe(II) — восстановители в водных р-рах.

Соли Fe(III) образуются при окислении солей Fe(II) и др. способами;
гидролизуются (с образованием разл. полиядерных комплексов) сильнее, чем соли Fe(II).
Гидратир. ион Fe3+ почти бесцветен, но р-ры солей Fe3+ обычно имеют бурую окраску из-за образования гидроксосоединений.
Р-ры Fe3+ с MNCS дают кроваво-красный р-р тиоцианата Fe(NCS)3, с K4[Fe(CN)6] —
ярко-синий осадок берлинской лазури (турнбулевой сини) приблизительного состава KFeIII[FeII(CN)6].
При взаимод. р-ров солей Fe(III) с (NH4)2C2O4 образуется оксалат Fe2(C2O4)3 (т. разл. 100°С),
применяемый для получения светокопировальной бумаги.
Сульфат Fe(III) образует двойные сульфаты.
Амминокомплексы Fe(II) и Fe(III) образуются при действии NH3 на безводные соли; водой разлагаются.

Степень окисления +6 железо проявляет в ферратах(VI), напр. BaFeO4, K2FeO4, +4 — в тетранитрозиле Fe(NO)4,
который образуется при действии NO на железо при повышенном давлении, и ферратах(IV) составов MIIFeO3, MI2FeO3, MI4FeO4,
легко образующихся в водных щелочных средах при окислении О2.

При анодном растворении железа при высоких плотностях тока образуется феррат(VШ) неопределенного состава.

Растворы железа

Железо — металл умеренной химической активности.

Стандартный электродный потенциал Fe2+/Fe0 -0,447 В, Fe3+/Fe0 -0,037 В, Fе3+/Fе2+ +0,771 В.

Нормальный электродный потенциал железа в водных растворах его солей для реакции составляет — 0,44 в,
а для реакции равен — 0,036 в. Т. о., в ряду активностей железо стоит левее водорода.

Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением H2 и образованием ионов Fe2+.

Железо не раств. в воде и р-рах холодных щелочей, реагирует с разбавленными кислотами, образуя соли Fe(II), и горячими конц. р-рами щелочей.
Конц. HNO3 и H2SO4 пассивируют железо благодаря образованию нерастворимой в кислотах оксидной пленки.

Растворы солей 2-валентного железа на воздухе неустойчивы — Fe2+ постепенно окисляется до Fe3+.
Водные растворы солей железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию.

Добавление к растворам солей Fe3+ тиоцианат-ионов SCN- даёт яркую кроваво-красную окраску
вследствие возникновения Fe (SCN)3, что позволяет открывать присутствие 1 части Fe3+ примерно в 106 частях воды.

Для железа характерно образование комплексных соединений.

Жидкое железо неограниченно растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti,
хорошо растворяет V, Сr и Pt,
ограниченно — Mo, Sn, С, S, P, As, H2, N2, О2, не растворяет Pb, Ag, Bi.

Азот в малых концентрациях образует с железом твердые р-ры внедрения, в больших — нитриды Fe2N и др.
При нормальном давлении ок. 917°С р-римость N2 в a-Fe до 0,01 ат. %, в g-Fe ок. 0,1 ат. %.

Железо способно поглощать Н2 при травлении кислотами и в процессе катодного выделения железа при электролизе.
Адсорбируясь на дефектах структуры, водород резко снижает прочность и пластичность железа (т. наз. водородная хрупкость).
Твердое железо поглощает Н2 с образованием твердых р-ров внедрения.
Р-римость Н2 в железе при комнатной т-ре менее 0,005%, в расплавленном железе — почти в 25 раз больше.
Гидриды железа существуют только при высоких давлениях Н2; известны гидриды интерметаллидов железа, напр. TiFeH2.
С СО железо образует железа карбонилы, в которых железо формально проявляет нулевую степень окисления.

Фосфор при малых концентрациях дает с железом ограниченные твердые растворы,
при больших концентрациях — фосфиды, из которых наиб. устойчивы Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2.

Твёрдые растворы внедрения железа с углеродом

Углерод образует с железом твердые растворы внедрения — феррит и мартенсит с a-Fe, аустенит с g-Fe.
В них атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77), размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла,
состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26).

Твёрдый раствор углерода в g-Fe называется аустенитом, а в a-Fe — ферритом.
Насыщенный твёрдый раствор углерода в g-Fe содержит 2,0% С по массе при 1130°С;
a-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 твёрдый раствор углерода в a-Fe, очень твёрдый и хрупкий.

В сплавах железа углерод присутствует также в виде графита и цементита Fe3C.

В зависимости от содержания С в железе различают:
мягкое железо (сталь (0,2-1,7% С)
и чугун (1,7-5% С).

Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений)
позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности
.

Карбиды железа — Fe3C (цементит) и Fe2C (e-карбид) — выпадают из твёрдых растворов углерода в железе при охлаждении.
Fe3C выделяется также из растворов углерода в жидком железе при высоких концентрациях С.

Железо как минерал (железо в геологии)

Распространение железа

href=»_images/zhelezo/ferrum-migratium.jpg»>

По содержанию в литосфере (4,65% по массе) железо занимает второе место среди металлов (на первом — алюминий).
Это один из самых распространенных элементов в природе.

Оно принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах,
с которыми связано образование различных типов его месторождений железных руд.

Энергично мигрируя в земной коре, железо образует свыше 300 минералов
(окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.).

Важную роль в геохимии железа играют окислительно-восстановительные реакции — переход 2-валентного железа в 3-валентное и обратно.

В биосфере при наличии органических веществ Fe3+ восстанавливается до Fe2+ и легко мигрирует,
а при встрече с кислородом воздуха Fe2+ окисляется, образуя скопления гидроокисей 3-валентного железа.

Широко распространённые соединения 3-валентного железа имеют красный, жёлтый, бурый цвета.
Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование —
«ÐºÑ€Ð°ÑÐ½Ð¾-цветная формация» (красные и бурые суглинки и глины, жёлтые пески и т. д.).

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.

Железо входит в состав гемоглобина.

Типы железных руд

Промышленное значение имеют руды с содержанием Fe свыше 16%.
Поэтому важнейшими рудными минералами железа являются:

1. магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 (содержит 72,4% Fe),
2. гематит (железный блеск, красный железняк) Fe2O3 (70% Fe),
3. гётит a-FeO(OH), или Fe2O3.H2O,
4. лепидокрокит g-FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe2O3.xH2O (ок. 62% Fe),
5. сидерит FeCO3 (48,2% Fe),
6. ильменит FeTiO3 (36,8% Fe).

Наряду с полезными примесями — Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co — железные руды содержат и вредные примеси — S, P и др.
Железо входит в состав прир. силикатов, значительные скопления которых могут иметь пром. значение для произ-ва железа или его соед.

Различают след. осн. типы железных руд.

1. Бурые железняки — руды гидроксидов Fe(III) (главный минерал — гётит); содержат до 66,1% Fe (чаще 30-55%);
   имеют осадочное происхождение. Крупнейшие месторождения в СССР, во Франции, в Гвинее.
2. Гематитовые руды, или красные железняки (главный минерал — гематит); содержат обычно 50-65% Fe.
   Для них характерно залегание богатых руд поверх мощных толщ бедных (30-40% Fe) магнетитовых кварцитов.
   Крупнейшие месторождения в СССР, США, Канаде, Бразилии, Венесуэле.
3. Магнетитовые руды, или магнитные железняки (главный минерал -магнетит); содержат чаще всего до 45-60% Fe.
   Верх. горизонты магнетитовых рудных тел обычно частично окислены до гематита (полумартиты и мартиты).
   Крупнейшие месторождения в СССР и Швеции.
4. Силикатные руды (25-40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна.
   В Германии,
   Югославии, Чехии и ряде др. стран Европы, относятся к группе зеленых слюд-хлоритов.

Главные минералы — шамозит Fe4(Fe, Al)2[Al2Si2O10](OH)8
и тюрингит (Mg, Fe)3,5Al1,5[Si2,5Al1,5O10](ОН)6.nН2О — содержат до 42% Fe.
Важнейшие месторождения в ГДР, Австрии и др.

Мировые разведанные запасы железных руд составляют 231,9 млрд. т, или 93 млрд. т в пересчете на железо (1980).
По запасам железных руд (балансовым — св. 100 млрд. т) СССР занимает первое место в мире.
Наиб. запасы железных руд (в млрд. т), кроме СССР,
сосредоточены в Бразилии (34), Канаде (26), Австрии (21), США (17), Индии (13), ЮАР (9), Швеции (4,5) и во Франции (4).

Перспективно использование бедных железом горных пород и железомарганцевых конкреций.
Мировые запасы последних оцениваются в 3000 млрд. т (1984).

Теллурич. железо образуется в результате восстановления оксидов и сульфидов железа углеродом из железистой магмы
и при подземных пожарах угля, контактирующего с пластами руды.

В чрезвычайно редких случаях железо встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO (аналог которого в технике называют вюститом),
а также в виде самородного железа — метеорного и теллурического (земного происхождения).

Железо как материал (железо в технологиях)

Историческая справка о железе

Железо было известно ещё в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже,
т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд
стало возможным лишь на определённом уровне развития техники.

Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным железом, о чём свидетельствуют его названия на языках древних народов:

• древнеегипетское «Ð±ÐµÐ½Ð¸-пет» означает «Ð½ÐµÐ±ÐµÑÐ½Ð¾Ðµ железо»;
• древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (родительный падеж sideris) — звезда, небесное тело.
• В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, французское fer, итальянское ferro).

В хеттских текстах 14 в. до н. э. упоминается о железе. как о металле, упавшем с неба.

Способ получения железа из руд был изобретён в западной части Азии
[Закавказье?] во II тысячелетии до н.э..
Затем применение железа распространилось в Вавилоне,
Египте,
Греции.
Так на смену бронзовому веку пришёл железный век
[после окончания Троянской войны в 12-м веке до н.э.,
когда секрет производства железа узнали от хеттов].
Гомер (в 23-й песне «Ð˜Ð»Ð¸Ð°Ð´Ñ‹») 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 углём в горне (восстановление металлов), устроенном в яме.
Затем в горн мехами нагнетали воздух, а продукт восстановления — крицу
ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия.

По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна
температура процесса повышалась и часть железа науглероживалась,
т. е. получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства.
Отсюда название чугуна «Ñ‡ÑƒÑˆÐºÐ°», «ÑÐ²Ð¸Ð½ÑÐºÐ¾Ðµ железо» — английское pig iron.
Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица,
причём такой двухстадийный процесс (кричный передел) оказался более выгодным, чем сыродутный.
В 12—13 вв. кричный способ был уже широко распространён.
В 14 в. 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 («Ð´Ð¾Ð¼Ð½Ð¸Ñ†Ñƒ»), а затем и в доменную печь.

В середине 18 в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали,
который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым.
При этом способе сталь получали расплавлением металлические шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы.

В последней четверти 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в железо
на поду пламенной отражательной печи (пудлингование).

Промышленный переворот 18 — начала 19 вв., 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 в., когда были разработаны
бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы.

В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.

Определение (обнаружение) железа

Качественно Fe(II) обнаруживают по образованию берлинской лазури с K3[Fe(CN)6],
Fe(III) — пo образованию ее же с K2[Fe(CN)6] или Fe(CNS)3 с тиоцианатом аммония или К.

Количественно Fe(II) определяют с помощью дихроматометрии или перманганатометрии,
Fе(Ш) — иодометрич. или комплексонометрич. титрованием с трилоном Б и индикатором (сульфосалициловая кислота),
Fe(II) и Fe(III) — колориметрически с сульфосалициловой кислотой.
Для определения железа используют также спектральный, рентгенофлуоресцентный и термометрич. методы, мёссбауэровскую спектроскопию и др.
Примеси в железе определяют методами газового анализа, масс-спектрометрическим, активационным, кондуктометрическим, спектральным и др.

Получение железа

Схема металлургич. передела железных руд включает дробление, измельчение,
обогащение магнитной сепарацией (до содержания Fe 64-68%),
получение концентрата (74-83% Fe), плавку; осн. массу железа выплавляют в виде чугуна и стали.
Технически чистое железо, или армко-железо (0,02% С, 0,035% Мn, 0,14% Сr, 0,02% S, 0,015% Р),
выплавляют из чугуна в сталеплавильных печах или кислородных конвертерах.
Чистое железо получают: восстановлением оксидов железа твердым (коксик, кам.-уг. пыль),
газообразным (Н2, СО, их смесь, прир. конвертированный газ) или комбинир. восстановителем;
электролизом водных р-ров или расплавов солей железа; разложением пентакарбонила Fe(CO)5 (карбонильное железо).
Сварочное, или кричное, железо производят окислением примесей малоуглеродистой стали железистым шлаком при 1350°С
или восстановлением из руд твердым углеродом.

Восстановлением оксидов железа при 750-1200°С получают губчатое железо (97-99% Fe) —
пористый агломерат частиц железа; пирофорно; в горячем состоянии поддается обработке давлением.

Карбонильное железо (до 0,00016% С) получают разложением Fe(CO)5 при 300 °С в среде NH3
с послед. восстановит. отжигом в среде Н2 при 500-600 °С; порошок с размером частиц 1-15 мкм;
перерабатывается методами порошковой металлургии.
Особо чистое железо получают зонной плавкой и др. методами.

Чистое железо получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей
или восстановлением водородом его окислов.
Разрабатывается способ непосредственного получения железа из руд электролизом расплавов.
Постепенно увеличивается производство достаточно чистого железа путём его прямого восстановления из рудных концентратов водородом,
природным газом или углём при относительно низких температурах.

Применение железа

Технически чистое железо — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов.

Карбонильное железо используют для нанесения тончайших пленок и слоев на магнитофонные ленты,
как катализатор, антианемическое средство и др.

Из губчатого железа выплавляют высококачественные стали.

Железный порошок используют для сварки, а также для цементации меди.

Искусственные радиоактивные изотопы 55Fe (T1/2 2,6 ч) и 59Fe (Tl/2 45,6 сут) — изотопные индикаторы.

Железо — важнейший металл современной техники.
В чистом виде железо из-за его низкой прочности практически не используется,
хотя в быту «Ð¶ÐµÐ»ÐµÐ·Ð½Ñ‹Ð¼Ð¸» 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 железных руд.

Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна
в мартеновских и электрических печах и конвертерах путём окисления (выжигания) излишнего углерода,
удаления вредных примесей (главным образом S, Р, О)
и добавления легирующих элементов.
Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и др. 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 др.
Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах,
обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.

На основе желеха создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур,
вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т.п.

Использование железа как художественного материала

Железо как художественный материал использовалось с древности в
Египте
(подставка для головы из гробницы Тутанхамона около Фив, середина 14 в. до н. э., Музей Ашмола, Оксфорд),
Месопотамии
(кинжалы, найденные около Кархемиша, 500 до н.э., Британский музей, Лондон),
Индии (железная колонна в Дели, 415).

Со времён средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из железа
в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и др.) —
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, чётким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на свето-воздушном фоне.

В 20 веке железо используется для изготовления решёток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.

Железо в организме и медицине

Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем, около 0,02%);
оно необходимо, главным образом, для кислородного обмена и окислительных процессов.
Почти всё железо в организмах животных и растений связано с белками.

Существуют организмы (т.н. концентраторы), способные накапливать его в больших количествах,
например, железобактерии — до 17—20% железа
[видимо, из их отложений и возникло затем большинство железных руд].

Недостаток и избыток железа в почве и растениях

В  Ð·ÐµÐ¼Ð½Ð¾Ð¹ коре железа сравнительно много — в среднем 4,2%.

В разных почвах количество его сильно колеблется, приблизительно в пределах 1—5%.
Особенно много железа в южных субтропических почвах (в западной части Грузии и южной части Азербайджана),
где окиси железа нередко накопляется до 20 и более процентов.
[Недаром в этих местах племя халибов впервые научилось добывать железо]

Среднее содержание железа в растениях приблизительно 0,02%.
Общее количество этого элемента в урожаях разных культур колеблется от 1 до 10 кг на гектар.

В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения железа,
и растения не получают его в достаточном количестве [а значит, и животные, и люди].

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 некоторых биогеохимических провинциях).

Недостаток железа вызывает задержку роста и явление хлороза растений, связанное с пониженным образованием хлорофилла.

При хлорозе листовые пластинки равномерно вначале бледнеют, а затем приобретают желтоватую окраску.

Особую чувствительность к недостатку железа обнаруживают почти все плодовые деревья, ягодники и виноград.
Страдают также, но в меньшей степени, некоторые полевые и овощные культуры (овес, кукуруза, картофель, томаты и др.).

Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток железа, вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз.

Потребность в железе в организмах животных и человека

В  Ð¶Ð¸Ð²Ð¾Ñ‚ных организмах железо входит в состав окислительных ферментов и красящего вещества крови (гемоглобин),
в котором его количество доходит до 0,47%. Очень важна роль железа в процессах тканевого дыхания,
нарушение которых приводит к быстрой гибели животных и человека.

В  Ð¾Ñ€Ð³Ð°Ð½Ð¸Ð·Ð¼ животных и человека железо поступает с пищей
(наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свёкла).

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 к органам и тканям,
где депонируется в виде железо-белкового комплекса — ферритина.
Основное депо железа в организме — печень и селезёнка.

За счёт железа ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма:
в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах — миоглобин,
в различных тканях — цитохромы и др. 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.

Применение железа в медицине и фармакологии

В  Ð¼ÐµÐ´Ð¸Ñ†Ð¸Ð½Ðµ лекарственные препараты железа
(восстановленное железо, лактат железа, глицерофосфат железа, сульфат 2-валентного железа,
таблетки Бло, раствор яблочнокислого железа, ферамид, гемостимулин и др.)
используют при лечении заболеваний, сопровождающихся недостатком железа в организме (железодефицитная анемия),
а также как общеукрепляющие средства (после перенесённых инфекционных заболеваний и др.).

Изотопы железа (52Fe, 55Fe и 59Fe) применяют как индикаторы
при медико-биологических исследованиях и диагностике заболеваний крови
(анемии, лейкозы, полицитемия и др.).

Сетевые ресурсы о железе

Сетевые обзоры о железе

Новости сети о железе

• В ядре Земли в течение миллиардов лет происходила «утечка» железа.
  более тяжелые изотопы железа мигрируют к более низким температурам (в мантию), в то время как более легкие изотопы возвращаются обратно в ядро.

Библиография по железу

• Общая металлургия, М., 1967.
• Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970.
• Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 2, М., 1966.
• Краткая химическая энциклопедия, т. 2, М., 1963.
• Левинсон Н. Р., Изделия из цветного и чёрного металла,
  в кн.: Русское декоративное искусство, т. 1—3, М., 1962—65.
• Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922—1932, М. — Л., 1940.
• Граник С., Обмен железа у животных и растений,
  в сборнике: Микроэлементы, пер. с англ., М., 1962.
• Диксон М., Уэбб Ф., ферменты, пер. с англ., М., 1966.
• Федоров А. А., Новые методы анализа металлических порошков и шлаков, М., 1971, с. 62-109. 226-36.
• Каменецкая Д. С., Пилецкая И. Б., Ширяев В. И., Железо высокой степени чистоты. М., 1978.
• Каспарова О. В. и др., Защита металлов. 1985, т. 21. № 3. с. 339-45.
• Перфильев Ю. Д. и др.. Доклад АН СССР. 1987. т. 296, № 6, с. 1406-09.
• Neogi P., Iron in ancient India, Calcutta, 1914.
• Friend J. N., Iron in antiquity, L.,1926.
• Frank E. B., Old French ironwork, Camb. (Mass.), 1950.
• Lister R., Decorative wrought ironwork in Great Britain, L., 1960.

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. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

СТРУКТУРА

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а₀ = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a₀ = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

1. В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
2. В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
3. В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.
В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.
При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

СВОЙСТВА

В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, — единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %.

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). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe₂O₄, Fe₃O₄; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH₂O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe₃(PO₄)₂·8H₂O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде — 1·10⁻⁵-1·10⁻⁸ %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовыхлавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe_1-xS) и когенит (Fe₃C), что объясняют как восстановление углеродом (в том числе и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)_n. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.
Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

ПРИМЕНЕНИЕ

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Железо (англ. Iron) — Fe

КЛАССИФИКАЦИЯ

Hey’s CIM Ref1.57

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт и никель. Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.

Радиус нейтрального атома железа 0, 126 нм, радиус иона Fe²⁺ — 0, 080 нм, иона Fe³⁺ — 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.

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, Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe₃О₄; содержит 72, 4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS₂ (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.

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, пришедшего на смену бронзовому веку. 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. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0, 286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво β-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0, 36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как γ-модификацию железа, а β-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции δ-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа — α, β, γи δ— 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/см³. Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ –0, 447В, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +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 Fe₂О₃·хН₂О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂О₃, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe₃О₄. 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. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeСl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, 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 Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C₅H₅)₂].

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 = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)₂. Оксид железа (III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)₂, основание Fe(ОН)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)₃ проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)₃ + КОН = К[Fe(ОН)₄]

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 + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)Cl₂Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ — железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)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 K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами CNS^—. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами CNS^— образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4- выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4-.

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:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe₂O₃ + 3CО = 2Fe + 3CO₂

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.

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 присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0, 02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, 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, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза 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, 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.

• Конецкая Д. С. и др. Железо высокой степени чистоты. М., 1978.
• Путешествие в страну элементов: Сборник. М.: Молодая гвардия. 1963.
• Каменецкая Д. С., Пилецкая И. Б., Ширяев В. И. Железо высокой степени чистоты. М., 1978.
• Пикеринг Ф. Физическое металловедение и разработка сталей. М., 1982.