Атомная масса fe. Железо. Свойства железа. Применение железа. Взаимодействие с галогенами и серой при высокой температуре

– составная гемоглобина. Этот сложный белок входит в эритроциты, известные так же как красные кровяные тельца. Без них, собственно, кровь не была бы алой, да и жизни бы не было.

Эритроциты транспортируют по организму углекислый газ и кислород. Они необходимы для жизнедеятельности. А для чего еще необходимо железо , каковы его свойства и стоимость в прямом и переносном смыслах?

Химические и физические свойства железа

Дотрагивались до железа в прохладном помещении? Холод от прикосновения к металлу – результат его высокой теплопроводности. Материал моментально забирает энергию тела, передавая ее окружающей среде. В результате, человеку становится холодно.

Электропроводность железа тоже на высоте. Металл с легкостью передает ток благодаря свободным электронам в атоме. В нем 7 слоев. На последних 2-х расположены 8 электронов. При возбуждении все они могут быть валентными, то есть способными образовать новые связи.

Внешне металл железо серебристо-серый. Встречаются самородные формы. Чистое железо пластичное и ковкое. У выраженный металлический блеск и средняя твердость – 4 балла по . 10 баллов – показатель самого твердого на земле камня алмаз, а 1-им баллом отмечен тальк.

Железо – элемент средней тугоплавкости. Закипает металл при 2860-ти градусах, а размягчается при 1539-ти. В таком состоянии материал теряет ферромагнитные свойства. Они присущи лишь твердому состоянию железа. Элемент становится магнитом, попадая в поле.

Но, интереснее то, что после его исчезновения, металл еще долгое время остается магнитом. Такая особенность обусловлена все теми же свободными электронами в структуре атома. Перемещаясь, частицы меняют его строение и свойства.

Железо – химический элемент , легко вступающий в реакции с бромом, фтором, хлором и другими галогенами. Это элементы 17-ой группы таблицы Менделеева. При обычных условиях протекает и взаимодействие с кислородом.

Теперь, о реакциях нагрева. При сжигании металла образуются его оксиды. Их несколько видов: — 2FeO, 2Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 . Какой именно получится, зависит от пропорций исходных элементов и условий совмещения. Свойства оксидов разнятся.

Нагрев запускает и реакцию с . Для нее нужно 6 молей железа и один моль газа. Выход – 2 моля нитрида 26-го элемента. Его фосфид формируется уже в сочетании с фосфором. Еще одно простое вещество, объединяющееся с феррумом – . Получается, естественно, сульфид. Протекает реакция присоединения.

Из сложных веществ, то есть состоящих из молекул, железо взаимодействует с кислотами. Металл вытесняет из них водород. Получается замещение. Так, и взаимодействия с серной кислотой выходит сульфат феррума и чистый водород.

Возможны и реакции с . Их железо восстанавливает. Иными словами, 26-ой элемент выделяет из веществ менее активный металл. Соединив феррум, к примеру, с сульфатом меди, получают сульфат уже железа. остается в первозданном виде.

Применение железа

Где железо применяется, вытекает из его свойств. Ферромагнитоность пригождается при изготовлении сувениров и промышленных установок. Иными словами, из металла делают магниты, как для холодильников, так и для больших производств. Прочность материала, твердость – повод использовать его для изготовления оружия, брони.

Особым шиком считаются модели из метеоритного железа . В космических телах свойства феррума усилены. Поэтому, ножи и доспехи получаются особенно острыми, прочными. Признаки железа метеоритного заметили еще в Древнем Риме.

Известны и сплавы железа , в частности, чугун и сталь. Из них отливают вещи бытового, повседневного характера, к примеру, оградки, беседки, фурнитуру. Используют феррума и для промышленных целей. Интересно, что состав у стали и чугуна один, пропорции разные. И там, и там сливаются железо с углеродом . В стали газа меньше 1,7%. В чугуне углерода от 1,7 до 4,5%.

Углерод в сплавах железа играет роль упрочняющего элемента. Он снижает подверженность смеси коррозии и делает материал термоустойчивым. К сталям примешивают и иные добавки. Не зря существуют разные марки сплава. С , к примеру, производят стойкую к ударам и, при этом, пластичную сталь.

В виде хлорида 26-ой элемент используют для очистки воды. Пригождается металл и в медицине. Лечение железом необходимо при анемии. Это недостаток красных кровяных телец и металла в их составе. Препараты железа выписывают, так же, больным туберкулезом, радикулитом, страдающим от судорог и кровотечений из носа.

26-ой элемент необходим и для нормального функционирования щитовидной железы. Обычно, ее дисфункцию связывают с дефицитом . Однако, не он один обеспечивает здоровье железы.

Немало феррума и в клетках печени. Там металл способствует нейтрализации вредных веществ, токсинов. Для поддержания в организм человека должны поступать не меньше 20-ти миллиграммов железа в сутки.

Добыча железа

Железо – распространенный металл. В природе немало минералов, в основе которых лежит 26-ой элемент. Больше всего феррума в и . Из них-то и удаляют железо .

Проводится реакция восстановления металла. Для того нужен кокс, то есть соединение углерода. Взаимодействие протекает при температуре в 2000 градусов Цельсия, в доменных .

Без доменных печей обходятся при восстановлении феррума чистым водородом. Потребуются уже шахтные печи. Так называют модели вытянутые по вертикали.

Рабочее пространство аппарата подобно цилиндру или конусу. В них помещают измельченную руду железа , смешанную со специальной . Потом, добавляют водород. Итог все тот же – чистый феррум.

Цена железа

Стоимость металла зависит от вида продукции. Большинство вещей делаются из сплавов феррума, к примеру, кровельные материалы. Покрытия для крыш, как правило, листовые. Цена за квадратный метр варьируется от 300-от до 600-от с лишним рублей в зависимости от толщины железа.

Кровельные листы рифленые, сложной геометрии и особого состава. Простые пласты стоят дешевле. Есть предложения купить 30 листов 2,5 на 1,3 метра за 1000 рублей. Толщина – 1,5 миллиметра.

Чистый элемент в таблетках стоит около 1600 рублей за 180-200 штук. Если же приобретается готовое изделие, в которое вложен ручной труд, бывает сложно уложиться и в десятки, сотни тысяч. Яркий пример – кованная продукция по индивидуальным заказам.

За необычные ворота, мебель, вазы, кузнецы «срывают» немалый куш. Большую часть цены составляет не материал, а человеческий труд, воплощение в жизнь задумки.

Что касается стоимости железосодержащей руды, за тонну в России просят около 40-ка американских долларов. Это ценник за сырье с 60-процентным содержанием феррума. Когда выделяют чистый порошок 26-го элемента, за 1000 килограммов просят уже не меньше 560-600-от долларов США.

Большинство фирм торгуют оптом. Предложений купить только одно кило металла, редки. 1000 граммов обходится примерно в 1-1,5 доллара. Некоторые компании фасуют порошок феррума в мешки по 5, 10, 25 килограммов. Объявления о продаже размещены в интернете.

17. d -элементы.Железо, общая характеристика, свойства. Оксиды и гидроксиды, КО и ОВ характеристика, биороль, способность к комплексообразованию.

1.Общая характеристика.

Железо - d-элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода ПСХЭ с атомным номером 26.

Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

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.

4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3

В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

3Fe + 2O2 = FeO + Fe2O3

3Fe + 4H2O = FeO*Fe2O3

FeO*Fe2O3 = Fe3O4 (железная окалина)

Собственно, 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.

2.Свойства

1.Физ.св-ва. Железо - типичный металл, в свободном состоянии - серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности - углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» - группу трёх металлов (железо Fe,кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

2.Хим.св-ва.

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Примечания
			Слабоосновный
			Очень слабое основание, иногда - амфотерный
	Не получен	*	Кислотный	Сильный окислитель

Для железа характерны степени окисления железа - +2 и +3.

Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH) 2 . Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) - слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe 2 O 3 и коричневый гидроксид Fe(OH) 3 . Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe 3+ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH) 3 растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe 2 O 3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли кислоты несуществующей в свободном виде кислоты HFeO 2):

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко переходят между собой при изменении окислительно-восстановительных условий.

Кроме того, существует оксид Fe 3 O 4 , формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2 .

Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли - ферраты (например, K 2 FeO 4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей . Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

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

3.Оксиды и гидроксиды, КО и ОВ хар-ка…

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH) 2 . Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 O.

Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K 3 (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe 2+ и 3− выпадает осадоктурнбулевой сини :

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин , образующий с железом (II) красный комплекс FePhen 3 в широком диапазоне рН (4-9)

Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe 2 O 3 слабо амфотерен , ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH) 2 , основание Fe(OH) 3 , которое реагирует с кислотами:

Соли Fe 3+ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe 3+ как правило окружен шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.Ион Fe 3+ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При рН>4 этот ион практчиески полностью осаждается в виде Fe(OH) 3:

При частичном гидролизе иона Fe 3+ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.Основные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH) 3 выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH) 3 .

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe 2 O 3 образует разнообразные ферриты :

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов , например, KFe(SO 4) 2 - железокалиевые квасцы, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe 3+ с тиоцианат-ионами SCN − . При взаимодействии ионов Fe 3+ с анионами SCN − образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа 2+ , + , Fe(SCN) 3 , - . Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe 3+ служит гексацианоферрат(II) калия K 4 (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe 3+ и 4− выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури :

Соединения железа (VI)

Ферраты - соли не существующей в свободном виде железной кислоты H 2 FeO 4 . Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости - сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH) 3 в щелочи , например, феррат(VI) калия K 2 FeO 4 . Ферраты окрашены в фиолетовый цвет.

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щелочи на железном аноде:

Ферраты - сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода:

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды .

4.Биороль

1)В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания).

2)Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса.В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине - важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

4)Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Первые изделия из железа и его сплавов были найдены при раскопках и датируются примерно 4 тысячелетием до нашей эры. То есть еще древние египтяне и шумеры использовали метеоритные месторождения данного вещества, чтобы изготовлять украшения и предметы быта, а также оружие.

Сегодня соединения железа различного рода, а также чистый металл - это самые распространенные и применяемые вещества. Не зря XX век считался железным. Ведь до появления и широкого распространения пластика и сопутствующих материалов именно это соединение имело для человека решающее значение. Что представляет собой данный элемент и какие вещества образует, рассмотрим в данной статье.

Химический элемент железо

Если рассматривать строение атома, то в первую очередь следует указать его местоположения в периодической системе.

1. Порядковый номер - 26.
2. Период - четвертый большой.
3. Группа восьмая, подгруппа побочная.
4. Атомный вес - 55,847.
5. Строение внешней электронной оболочки обозначается формулой 3d 6 4s 2 .
6. - Fe.
7. Название - железо, чтение в формуле - "феррум".
8. В природе существует четыре стабильных изотопа рассматриваемого элемента с массовыми числами 54, 56, 57, 58.

Химический элемент железо имеет также около 20 различных изотопов, которые не отличаются стабильностью. Возможные степени окисления, которые может проявлять данный атом:

Важное значение имеет не только сам элемент, но и его различные соединения и сплавы.

Физические свойства

Как простое вещество, железо имеет с ярко выраженным металлизмом. То есть это серебристо-белый с серым оттенком металл, обладающий высокой степенью ковкости и пластичности и высокой температурой плавления и кипения. Если рассматривать характеристики более подробно, то:

• температура плавления - 1539 0 С;
• кипения - 2862 0 С;
• активность - средняя;
• тугоплавкость - высокая;
• проявляет ярко выраженные магнитные свойства.

В зависимости от условий и различных температур, существует несколько модификаций, которые образует железо. Физические свойства их различаются от того, что разнятся кристаллические решетки.

Все модификации имеют различные типы строения кристаллических решеток, а также отличаются магнитными свойствами.

Химические свойства

Как уже упоминалось выше, простое вещество железо проявляет среднюю химическую активность. Однако в мелкодисперсном состоянии способно самовоспламеняться на воздухе, а в чистом кислороде сгорает сам металл.

Коррозионная способность высокая, поэтому сплавы данного вещества покрываются легирующими соединениями. Железо способно взаимодействовать с:

• кислотами;
• кислородом (в том числе воздухом);
• серой;
• галогенами;
• при нагревании - с азотом, фосфором, углеродом и кремнием;
• с солями менее активных металлов, восстанавливая их до простых веществ;
• с острым водяным паром;
• с солями железа в степени окисления +3.

Очевидно, что, проявляя такую активность, металл способен образовывать различные соединения, многообразные и полярные по свойствам. Так и происходит. Железо и его соединения чрезвычайно разнообразны и находят применение в самых разных отраслях науки, техники, промышленной деятельности человека.

Распространение в природе

Природные соединения железа встречаются довольно часто, ведь это второй по распространенности элемент на нашей планете после алюминия. При этом в чистом виде металл встречается крайне редко, в составе метеоритов, что говорит о больших его скоплениях именно в космосе. Основная же масса содержится в составе руд, горных пород и минералов.

Если говорить о процентном содержании рассматриваемого элемента в природе, то можно привести следующие цифры.

1. Ядра планет земной группы - 90%.
2. В земной коре - 5%.
3. В мантии Земли - 12%.
4. В земном ядре - 86%.
5. В речной воде - 2 мг/л.
6. В морской и океанской - 0,02 мг/л.

Самые распространенные соединения железа формируют следующие минералы:

• магнетит;
• лимонит или бурый железняк;
• вивианит;
• пирротин;
• пирит;
• сидерит;
• марказит;
• леллингит;
• миспикель;
• милантерит и прочие.

Это еще далеко список, ведь их действительно очень много. Кроме того, широко распространены различные сплавы, которые создаются человеком. Это тоже такие соединения железа, без которых сложно представить современную жизнь людей. К ним относятся два основных типа:

• чугуны;
• стали.

Также именно железо является ценной добавкой в составе многих никелевых сплавов.

Соединения железа (II)

К таковым относятся такие, в которых степень окисления образующего элемента равна +2. Они достаточно многочисленны, ведь к ним можно отнести:

• оксид;
• гидроксид;
• бинарные соединения;
• сложные соли;
• комплексные соединения.

Формулы химических соединений, в которых железо проявляет указанную степень окисления, для каждого класса индивидуальны. Рассмотрим наиболее важные и распространенные из них.

1. Оксид железа (II). Порошок черного цвета, в воде не растворяется. Характер соединения - основный. Способен быстро окисляться, однако и восстанавливаться до простого вещества может также легко. Растворяется в кислотах, образуя соответствующие соли. Формула - FeO.
2. Гидроксид железа (II). Представляет собой белый аморфный осадок. Образуется при реакции солей с основаниями (щелочами). Проявляет слабые основные свойства, способен быстро окисляться на воздухе до соединений железа +3. Формула - Fe(OH) 2 .
3. Соли элемента в указанной степени окисления. Имеют, как правило, бледно-зеленую окраску раствора, хорошо окисляются даже на воздухе, приобретая и переходя в соли железа 3. Растворяются в воде. Примеры соединений: FeCL 2 , FeSO 4 , Fe(NO 3) 2 .

   

   Практическое значение среди обозначенных веществ имеют несколько соединений. Во-первых, (II). Это главный поставщик ионов в организм человека, больного анемией. Когда такой недуг диагностируется у пациента, то ему прописывают комплексные препараты, в основе которых лежит рассматриваемое соединение. Так происходит восполнение дефицита железа в организме.

   Во-вторых, то есть сульфат железа (II), вместе с медным используется для уничтожения сельскохозяйственных вредителей на посевах. Метод доказывает свою эффективность уже не первый десяток лет, поэтому очень ценится садоводами и огородниками.

   Соль Мора

   Это соединение, которое представляет собой кристаллогидрат сульфата железа и аммония. Формула его записывается, как FeSO 4 *(NH 4) 2 SO 4 *6H 2 O. Одно из соединений железа (II), которое получило широкое применение на практике. Основные области использования человеком следующие.

   1. Фармацевтика.
   2. Научные исследования и лабораторные титриметрические анализы (для определения содержания хрома, перманганата калия, ванадия).
   3. Медицина - как добавка в пищу при нехватке железа в организме пациента.
   4. Для пропитки деревянных изделий, так как соль Мора защищает от процессов гниения.

   Есть и другие области, в которых находит применение это вещество. Название свое оно получило в честь немецкого химика, впервые обнаружившего проявляемые свойства.

   Вещества со степенью окисления железа (III)

   Свойства соединений железа, в которых оно проявляет степень окисления +3, несколько отличны от рассмотренных выше. Так, характер соответствующего оксида и гидроксида уже не основный, а выраженный амфотерный. Дадим описание основным веществам.

   
   

   Среди приведенных примеров с практической точки зрения важное значение имеет такой кристаллогидрат, как FeCL 3* 6H 2 O, или шестиводный хлорид железа (III). Его применяют в медицине для остановки кровотечений и восполнения ионов железа в организме при анемии.

   Девятиводный сульфат железа (III) используется для очистки питьевой воды, так как ведет себя как коагулянт.

   Соединения железа (VI)

   Формулы химических соединений железа, где оно проявляет особую степень окисления +6, можно записать следующим образом:

   • K 2 FeO 4 ;
   • Na 2 FeO 4 ;
   • MgFeO 4 и прочие.

   Все они имеют общее название - ферраты - и обладают схожими свойствами (сильные восстановители). Также они способны обеззараживать и обладают бактерицидным действием. Это позволяет использовать их для обработки питьевой воды в промышленных масштабах.

   Комплексные соединения

   Очень важными в аналитической химии и не только являются особые вещества. Такие, которые образуются в водных растворах солей. Это комплексные соединения железа. Наиболее популярные и хорошо изученные из них следующие.

   1. Гексацианоферрат (II) калия K 4 . Другое название соединения - желтая кровяная соль. Используется для качественного определения в растворе иона железа Fe 3+ . В результате воздействия раствор приобретает красивую ярко-синюю окраску, так как формируется другой комплекс - берлинская лазурь KFe 3+ . Издревле использовалась как
   2. Гексацианоферрат (III) калия K 3 . Другое название - красная кровяная соль. Используется как качественный реагент на определение иона железа Fe 2+ . В результате образуется синий осадок, имеющий название турнбулева синь. Также использовалась, как краситель для ткани.

   

   Железо в составе органических веществ

   Железо и его соединения, как мы уже убедились, имеют большое практическое значение в хозяйственной жизни человека. Однако, помимо этого, его биологическая роль в организме не менее велика, даже наоборот.

   Существует одно очень важное белок, в состав которого входит данный элемент. Это гемоглобин. Именно благодаря ему происходит транспорт кислорода и осуществляется равномерный и своевременный газообмен. Поэтому роль железа в жизненно важном процессе - дыхании - просто огромна.

   

   Всего внутри организма человека содержится около 4 грамм железа, которое постоянно должно пополняться за счет потребляемых продуктов питания.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Железо - элемент четвертого периода VIII группы побочной (B) подгруппы Периодической таблицы. Обозначение – Fe. В виде простого вещества железо - серебристо-белый металл.

Плотность равна 7,87 г/см 3 . Температура плавления 1539 o С, кипения 3200 o С. Железо имеет несколько модификаций. До 769 o С устойчиво α-железо с объемно центрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами. При 769 o С осуществляется переход в β-железо (кристаллическая структура та же, парамагнетик). При 910 o С образуется γ-железо с гранецентрированной кристаллической решеткой. Парамагнитные свойства. При 1400 o С и до температуры плавления - δ- железо с объемно центрированной кубической решеткой.

Степень окисления железа в соединениях

Железо может существовать в виде простого вещества - металла, а степень окисления металлов в элементарном состоянии равна нулю , так как распределение электронной плотности в них равномерно.

Для железа характерны степени окисления (+2) и (+3) : Fe +2 O, Fe +3 2 O 3 , Fe +2 (OH) 2 , Fe +3 (OH) 3 , Fe +2 Cl 2 , Fe +3 Cl 3 , Fe +2 SO 4 , Fe +3 2 (SO 4) 3 .

Известны соединения железа со степенью окисления (+6) , они носят название «ферраты» (K 2 Fe +6 O 4).

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Железо один из наиболее распространенных химических элементов на земле. Еще с древних времен люди научились его использовать для облегчения своего труда. С развитием технологий, сфера применения его значительно расширялась. Если несколько тысяч лет назад железо использовалось лишь для изготовления нехитрых орудий труда используемых для возделывания земли, то сейчас этот химический элемент применяют практически во всех сферах высокотехнологичных производств.

Как писал Плиний Старший. «Железные рудокопы доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем, мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем домы, разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности. Но тем же железом производим брани, битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи, но мещем окрыленное вдаль то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, соделали ее крылатою и железу придали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе». Очень часто его используют для изготовления различных сплавов, состав которых в разных соотношениях входит железо. Наиболее известным из таких сплавов является сталь и чугун.

Электричество плавит железо

Свойства сталей разнообразны. Есть стали, предназначенные для долгого пребывания в морской воде, стали, выдерживающие высокую температуру и агрессивное действие горячих газов, стали, из которых делают мягкую увязочную проволоку, и стали для изготовления упругих и жестких пружин...

Такое разнообразие свойств вытекает из разнообразия составов сталей. Так, из стали, содержащей 1% углерода и 1,5% хрома , делают шарикоподшипники высокой стойкости; сталь, содержащая 18% хрома и 89% никеля , - это всем известная «нержавейка», а из стали, содержащей 18% вольфрама , 4% хрома и 1% ванадия , изготовляют токарные резцы.

Это разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т. е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром - металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°С. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу - окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.

Позднее был предложен еще один способ электроплавки - индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают форросплавы - сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Стали, особенно высококачественные, оказались очень чувствительными к содержанию примесей. Даже небольшие количества кислорода , азота , водорода , серы , фосфора сильно ухудшают их свойства - прочность, вязкость, коррозионную стойкость. Эти примеси образуют с железом а другими содержащимися в стали элементами неметаллические соединения, которые вклиниваются между зернами металла, ухудшают его однородность и снижают качество. Так, при повышенном содержании кислорода и азота в сталях снижается их прочность, водород вызывает появление флокенов - микротрещин в металле, которые приводят к неожиданному разрушению стальных деталей под нагрузкой, фосфор увеличивает хрупкость стали на холоде, сера вызывает красноломкость - разрушение стали под нагрузкой при высоких температурах.

Металлурги долго искали пути удаления этих примесей. После выплавки в мартеновских печах , конвертерах и электропечах металл раскисляют - прибавляют к нему алюминий , ферросилиций (сплав железа с кремнием) или ферромарганец. Эти элементы активно соединяются с кислородом, всплывают в шлак и уменьшают содержание кислорода в стали. Но кислород все же остается в стали, а для высококачественных сталей и оставшиеся его количества оказываются слишком большими. Необходимо было найти другие, более эффективные способы.

В 50-х годах металлурги начали в промышленном масштабе вакуумировать сталь. Ковш с жидким металлом помещают в камеру, из которой откачивают воздух. Металл начинает бурно кипеть и газы из него выделяются. Однако представьте себе ковш с 300 т стали и прикиньте, сколько времени пройдет, пока он прокипит полностью, и насколько за это время охладится металл.

Вам сразу станет ясно, что такой способ годится лишь для небольших количеств стали. Поэтому были разработаны другие, более быстрые и эффективные способы вакуумирования. Сейчас они применяются во всех развитых странах, и это позволило улучшить качество стали. Но требования к ней все росли и росли.

В начале 60-х годов в Киеве, во Всесоюзном институте электросварки им. Е. О. Патона, был разработан способ электрошлакового переплава стали, который очень скоро начали применять во многих странах. Этот способ очень прост. В водоохлаждаемый металлический сосуд - кристаллизатор - помещают слиток металла, который надо очистить, и засыпают его шлаком особого состава. Затем слиток подключают к источнику тока. На конце слитка возникает электрическая дуга, и металл начинает оплавляться. Жидкая сталь реагирует со шлаком и очищается не только от окислов, но и от нитридов, фосфидов и сульфидов. В кристаллизаторе застывает новый, очищенный от вредных примесей слиток. В 1963 г. за разработку и внедрение метода электрошлакового переплава группа работников Всесоюзного института электросварки во главе с Б. И. Медоваром и Ю. В. Латашом была удостоена Ленинской премии.

По несколько иному пути пошли ученые-металлурги из Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им. И. П. Бардина. В содружестве с работниками металлургических заводов они разработали еще более простой способ. Шлаки особого состава для очистки металла расплавляют и выливают в ковш, а затем в этот жидкий шлак выпускают металл из печи. Шлак перемешивается с металлом и поглощает примеси. Метод этот быстр, эффективен и не требует больших затрат электроэнергии. Его авторы С. Г. Воинов, А. И. Осипов, А. Г. Шалимов и другие в 1966 г. также были удостоены Ленинской премии.

Однако у читателя уже, наверное, возник вопрос: а к чему все эти сложности? Ведь мы уже говорили, что в обычной электрической печи можно создать любую атмосферу. Значит, можно просто откачать из печи воздух и вести плавку в вакууме. Но не спешите в патентное бюро! Этот способ уже давно был использован в небольших индукционных печах, а в конце 60-х и начале 70-х годов его начали применять и в довольно больших дуговых и индукционных электропечах. Сейчас способы вакуумного дугового и вакуумного индукционного переплава получили довольно широкое распространение в промышленно развитых странах.

Здесь мы описали только основные способы очистки стали от вредных примесей. Существуют десятки их разновидностей. Они помогают металлургам удалить пресловутую ложку дегтя из бочки меда и получить высококачественный металл.

Как получить железо без доменных печей

Выше уже говорилось, что черная металлургия с точки зрения химика - занятие, мягко говоря, нелогичное. Сначала железо насыщают углеродом и другими элементами, а потом тратят много труда и энергии для выжигания этих элементов. Не проще ли сразу восстановить железо из руды. Ведь именно так и поступали древние металлурги, которые получали размягченное горячее губчатое железо в сыродутных горнах. В последние годы эта точка зрения уже вышла из стадии риторических вопросов и опирается на совершенно реальные и даже осуществленные проекты. Получением железа непосредственно из руды, минуя доменный процесс, занимались еще в прошлом веке. Тогда этот процесс и получил название прямого восстановления. Однако до последнего времени он не нашел большого распространения. Во-первых, все предложенные способы прямого восстановления были малопроизводительными, а во-вторых, полученный продукт - губчатое железо - был низкокачественным и загрязненным примесями. И все же энтузиасты продолжали работать в этом направлении.

Положение коренным образом изменилось с тех пор, когда в промышленности начали широко использовать природный газ. Он оказался идеальным средством восстановления железной руды. Основной компонент природного газа - метан CH 4 разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах - реформерах по реакции 2СН 4 + O 2 → 2СО + 2Н 2 .

Получается смесь восстановительных газов - окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в реактор, в который подается и железная руда. Оговоримся сразу - формы и конструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаяся трубчатая печь типа цементной, иногда - шахтная печь, иногда - закрытая реторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямого восстановления: Мидрекс, Пурофер, Охалата-и-Ламина, СЛ-РН и т. д. Число способов уже перевалило за два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатое железорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода.

Но что же делать с полученной продукцией? Из губчатого железа не только хорошего топора - хорошего гвоздя отковать нельзя. Как бы ни была богата исходная руда, чистого железа из нее все равно не получится. По законам химической термодинамики даже восстановить все содержащееся в руде железо не удастся; часть его все равно останется в продукте в виде окислов. И здесь на помощь нам приходит испытанный друг - электропечь. Губчатое железо оказывается почти идеальным сырьем для электрометаллургии. Оно содержит мало вредных примесей и хорошо плавится.

Итак, опять двухступенчатый процесс! Но это уже другой способ. Выгода схемы прямое восстановление - электропечь состоит в ее дешевизне. Установки прямого восстановления значительно дешевле и потребляют меньше энергии, чем доменные печи. Такая бездоменная технология сталеплавильного производства была заложена в проект Оскольского электрометаллургического комбината.

В нашей стране вблизи Старого Оскола сооружается большой металлургический комбинат, который будет работать именно по такой схеме. Его первая очередь уже введена в эксплуатацию. Заметим, что прямой переплав - не единственный способ применения губчатого железа в черной металлургии. Его можно также использовать вместо металлолома в мартеновских печах, конвертерах и электросталеплавильных печах.

Способ переплава губчатого железа в электропечах бурно распространяется и за рубежом, особенно в странах, располагающих большими запасами нефти и природного газа, т. е. в странах Латинской Америки и Ближнего Востока. Однако, уже исходя из этих соображений (наличия природного газа), пока нет еще оснований считать, что новый способ когда-нибудь полностью вытеснит традиционный двухступенчатый способ доменная печь - сталеплавильный агрегат.

Будущее железа

Железный век продолжается. Примерно 90% всех используемых человечеством металлов и сплавов - это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют в различных конструкциях самостоятельную роль, а если уж их в соответствии с традицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чаще они заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколько процентов потребляемых нами пластиков.

Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и в массе - дешевы. Сырьевая база этого металла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд хватило бы по меньшей мере на два века вперед. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.