Диагностическая лаборатория в Уфе
Как железо обозначается
Железо — общая характеристика элемента, химические свойства железа и его соединений
Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.
Основные степени окисления — +2, +3
Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Химические свойства простого вещества — железа:
Ржавление и горение в кислороде
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
4Fe + 3O2 + 6h3 O → 4Fe(OH)3
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):
3Fe + 2O2 → Fe3O4
3Fe+2O2→(Fe IIFe2 III)O4 (160 °С)
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4h3O –t°→ Fe3O4 + 4h3
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
2Fe+3Cl2→2FeCl3 (200 °С)
2Fe + 3Br2 –t°→ 2FeBr3
Fe + S –t°→ FeS (600 °С)
Fe+2S → Fe+2(S2-1) (700°С)
4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н2SO4, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2HCl → FeCl2 + h3 (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe+2 постепенно переводится кислородом в Fe+3 )
Fe + h3SO4(разб.) → FeSO4 + h3
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Fе3+:
2Fe + 6h3SO4(конц.) –t°→ Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6h3O
Fe + 6HNO3(конц.) –t°→ Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3h3O
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).
Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
6)
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
Fе + 2NaОН (50 %) + 2Н2O= Nа2[Fе(ОН)4]↓+ Н2↑
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Техническое железо — сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.
Доменный процесс производства чугуна
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд — перевод в оксидную руду:
FeS2→Fe2O3 (O2,800°С, -SO2) FeCO3→Fe2O3 (O2,500-600°С, -CO2)
б) сжигание кокса при горячем дутье:
С(кокс) + O2 (воздух) →СO2 (600—700°С) СO2 + С(кокс) ⇌ 2СО (700—1000 °С)
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:
Fe2O3→(CO) (FeIIFe2 III)O4→(CO) FeO→(CO) Fe
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
Fе(т)→(C(кокс) 900—1200°С)Fе(ж) (чугун, t пл 1145°С)
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe2С и графит.
Производство стали
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО2, SО2), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са3(РO4)2 и СаSiO3. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:
FеСl2→ Fе↓ + Сl2↑ (90°С) (электролиз)
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь — как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.
Оксид железа(II) FеО. Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fе2+ O2-. При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:
4FеО ⇌(FeIIFe2 III) + Fе (560—700 °С , 900—1000°С)
FеО + 2НС1 (разб.) = FеС12 + Н2O
FеО + 4НNO3 (конц.) = Fе(NO3)3 +NO2↑ + 2Н2O
FеО + 4NаОН =2Н2O + Nа4FеO3(красн.) триоксоферрат(II) (400—500 °С)
FеО + Н2 =Н2O + Fе (особо чистое) (350°С)
FеО + С(кокс) = Fе + СО (выше 1000 °С)
FеО + СО = Fе + СO2 (900°С)
4FеО + 2Н2O(влага) + O2 (воздух) →4FеО(ОН) (t)
6FеО + O2 = 2(FeIIFe2 III )O4 (300—500°С)
Получение в лаборатории: термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:
Fе(ОН)2 = FеО + Н2O (150-200 °С)
FеСОз = FеО + СO2 (490-550 °С)
Оксид дижелеза (III) – железа(II) (FeIIFe2 III )O4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe2+(Fе3+)2(O2-)4. Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe3O4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:
2(FeIIFe2 III )O4 = 6FеО + O2 (выше 1538 °С)
(FeIIFe2 III )O4 + 8НС1 (разб.) = FеС12 + 2FеС13 + 4Н2O
(FeIIFe2 III )O4 +10НNO3 (конц.) =3Fе(NO3)3 + NO2↑+ 5Н2O
(FeIIFe2 III )O4 + O2 (воздух) = 6Fе2O3 (450-600°С)
(FeIIFe2 III )O4 + 4Н2 = 4Н2O + 3Fе (особо чистое, 1000 °С)
(FeIIFe2 III )O4 + СО =ЗFеО + СO2 (500—800°C)
(FeIIFe2 III )O4 + Fе ⇌4FеО (900—1000 °С , 560—700 °С)
Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.
В природе — оксидная руда железа магнетит.
Оксид железа(III) Fе2О3. Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fе 3+)2(O2-)3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fе2O3 nН2О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.
Уравнения важнейших реакций:
6Fе2O3 = 4(FeIIFe2 III )O4 +O2 (1200—1300 °С)
Fе2O3 + 6НС1 (разб.) →2FеС13 + ЗН2O (t) (600°С,р)
Fе2O3 + 2NaОН (конц.) →Н2O+ 2NаFеO2 (красн.) диоксоферрат(III)
Fе2О3 + МО=(МIIFе2III)O4 (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)
Fе2O3 + ЗН2 =ЗН2O+ 2Fе (особо чистое, 1050—1100 °С)
Fе2O3 + Fе = ЗFеО (900 °С)
3Fе2O3 + СО = 2(FeIIFе2III)O4 + СO2 (400—600 °С)
Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:
Fе2(SO4)3 = Fе2O3 + 3SO3 (500-700 °С)
4{Fе(NO3)3 9 Н2O} = 2FеaO3 + 12NO2+ 3O2 + 36Н2O (600-700 °С)
В природе — оксидные руды железа гематит Fе2O3 и лимонит Fе2O3 nН2O
Гидроксид железа (II) Fе(ОН)2. Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.
Уравнения важнейших реакций:
Fе(OН)2 = FеО + Н2O (150-200 °С, в атм.N2)
Fе(ОН)2 + 2НС1 (разб.) =FеС12 + 2Н2O
Fе(ОН)2 + 2NаОН (> 50%) = Nа2[Fе(ОН)4] ↓(сине-зеленый) (кипячение)
4Fе(ОН)2 (суспензия) + O2 (воздух) →4FеО(ОН)↓ + 2Н2O (t)
2Fе(ОН)2 (суспензия) +Н2O2 (разб.) = 2FеО(ОН)↓ + 2Н2O
Fе(ОН)2 + КNO3 (конц.) = FеО(ОН)↓ + NO↑+ КОН (60 °С)
Получение: осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:
Fе2+ + 2OH (разб.) = Fе(ОН)2↓
Fе2+ + 2(Nh4Н2O) = Fе(ОН)2↓+ 2Nh5
Метагидроксид железа FеО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fе — О и Fе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fе2O3 nН2O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fе(ОН)2. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.
Соединение состава Fе(ОН)3 не известно (не получено).
Уравнения важнейших реакций:
Fе2O3 . nН2O→(200-250 °С, —h3O) FеО(ОН)→( 560-700° С на воздухе , -h3O) →Fе2О3
FеО(ОН) + ЗНС1 (разб.) =FеС13 + 2Н2O
FeO(OH)→Fe2O3.nh3O -коллоид (NаОН (конц.))
FеО(ОН)→Nа3[Fе(ОН)6] белый , Nа5[Fе(OН)8 желтоватый (75 °С, NаОН( т))
2FеО(ОН) + Fе(ОН)2=( FeIIFe2 III )O4 + 2Н2O (600—1000 °С)
2FеО(ОН) + ЗН2 = 4Н2O+ 2Fе (особо чистое, 500—600 °С)
2FеО(ОН) + ЗВr2 + 10КОН = 2К2FеO4 + 6Н2O + 6КВr
Получение: осаждение из раствора солей железа(Ш) гидрата Fе2О3 nН2O и его частичное обезвоживание (см. выше).
В природе — оксидная руда железа лимонит Fе2O3 nН2О и минерал гётит FеО(ОН).
Феррат калия К2FеО4. Оксосоль. Красно-фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель.
Качественная реакция — образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов — промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.
Уравнения важнейших реакций:
4К2FеO4= 4КFеO2 + 3O2 + 2К2O (700 °С)
4К2FеO4 + 6Н2O (гор.) =4FeО(ОН)↓ + 8КОН + 3O2↑
FеО42- + 2OН+ (разб.) =4Fе3+ + 3O2↑+10Н2O
FеО42- + 2(Nh4. Н2O) →2FеО(ОН)↓ + N2↑+ 2Н2O+ 4OН—
FеО42- + Ва2+ = ВаFеO4 (красн.)↓ (в конц. КОН)
Получение: образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида FеО(ОН), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо
Fе + 2КОН + 2КNO3 = К2FеO4 + 3КNO2+ h3O (420 °С)
и электролизе в растворе:
электролиз
Fе + 2КОН (конц.) + 2Н2O→ЗН2↑ + К2FеO4 ( электролиз)
(феррат калия образуется на аноде).
Качественные реакции на ионы Fе2+ и Fе3+
Обнаружение ионов Fе2+ и Fе3+в водном растворе проводят с помощью реактивов К3[Fе(СN)6] и К4[Fе(СN)6] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КFеIII[FеII (СN)6]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь, или турнбуллева синь:
Fе2+ + К+ + [Fе(СN)6]3- = КFеIII[FеII (СN) 6]↓
Fе3+ + К+ + [Fе(СN)6]4- = КFеIII[FеII (СN) 6]↓
Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:
К3FеIII[Fе(СN) 6]- гексацианоферрат (III) калия
К4FеIII[Fе (СN) 6]- гексацианоферрат (II) калия
КFеIII[FеII (СN) 6]- гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия
Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fе3+ является тиоцианат-ион NСS—, железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:
Fе3+ + 6NСS— = [Fе(NСS)6]3-
Этим реактивом (например, в виде соли КNСS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.
Железо
Чистое железо (99,97%), очищенное методом электролиза
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
Две модификации кристаллической решетки железа
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:
- В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
- В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
- 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
Железная руда
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 %.
Железо
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·nh3O). 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)2·8h3O, 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
Самородное железо
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 (Fe1-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
Кольцо из железа
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
Железо и его характеристики
Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.
К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк 2Fe2O3×3h3O и шпатовый железняк FeCO3.
Железо – серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты – от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.
Рис. 1. Железо. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса железа
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.
Аллотропия и аллотропные модификации железа
Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая – кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912oС и от 1394oС до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5oС. Между 912oС и от 1394oС устойчиво γ-железо.
Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912oС и выше 1394oС энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394oС – больше.
Изотопы железа
Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54Fe, 56Fe, 57Fe и 57Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.
Ионы железа
Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:
1s22s22p63s23p63d64s2.
В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Fe0 -2e → Fe2+;
Fe0 -3e → Fe3+.
Молекула и атом железа
В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:
| Энергия ионизации атома, эВ | 7,87 |
| Относительная электроотрицательность | 1,83 |
| Радиус атома, нм | 0,117 |
Сплавы железа
До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.
В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство – черной металлургией.
Примеры решения задач
| Понравился сайт? Расскажи друзьям! | |
Железо
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 (< *ferzom), скорее всего, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего из финикийского. Ср. ивр. barzel, шумерск. barzal, ассирийск. parzilla. 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. *h2esh3r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish3ro- «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
