Związki żelaza. Żelazo: właściwości fizyczne i chemiczne

Żelazo jest pierwiastkiem chemicznym

1. Pozycja żelaza w układzie okresowym pierwiastków chemicznych i budowa jego atomu

Żelazo jest pierwiastkiem z grupy VIII d; numer seryjny – 26; masa atomowa Ar(Fe ) = 56; skład atomowy: 26 protonów; 30 – neutrony; 26 – elektrony.

Schemat struktury atomowej:

Formuła elektroniczna: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Metal o średniej aktywności, środek redukujący:

Fe 0 -2 e - → Fe +2 , środek redukujący ulega utlenieniu

Fe 0 -3 e - → Fe +3 , środek redukujący ulega utlenieniu

Główne stopnie utlenienia: +2, +3

2. Występowanie żelaza

Żelazo jest jednym z najczęściej występujących pierwiastków w przyrodzie . Według tego wskaźnika w skorupie ziemskiej jego udział masowy wynosi 5,1%. ustępuje jedynie tlenowi, krzemowi i aluminium. Jak wynika z analizy widmowej, duże ilości żelaza znajdują się także w ciałach niebieskich. W próbkach gleby księżycowej dostarczonych przez automatyczną stację Luna żelazo stwierdzono w stanie nieutlenionym.

Rudy żelaza są dość rozpowszechnione na Ziemi. Nazwy gór na Uralu mówią same za siebie: Vysokaya, Magnitnaya, Zheleznaya. Agrochemicy znajdują w glebie związki żelaza.

Żelazo jest składnikiem większości skał. Aby uzyskać żelazo, stosuje się rudy żelaza o zawartości żelaza 30-70% lub większej.

Główne rudy żelaza to :

magnetyt(magnetyczna ruda żelaza) – Fe3O4 zawiera 72% żelaza, złoża znajdują się na południowym Uralu, anomalia magnetyczna Kurska:

krwawień(połysk żelaza, krwawnik) – Fe2O3 zawiera do 65% żelaza, takie złoża znajdują się w regionie Krzywego Rogu:

limonit(ruda żelaza brunatnego) – Fe 2O 3* nH 2 O zawiera do 60% żelaza, złoża występują na Krymie:

piryt(piryt siarkowy, piryt żelazowy, kocie złoto) – FeS 2 zawiera około 47% żelaza, złoża znajdują się na Uralu.

3. Rola żelaza w życiu człowieka i roślin

Biochemicy odkryli ważną rolę żelaza w życiu roślin, zwierząt i ludzi. Będąc częścią niezwykle złożonego związku organicznego zwanego hemoglobiną, żelazo decyduje o czerwonej barwie tej substancji, co z kolei decyduje o barwie krwi ludzkiej i zwierzęcej. Ciało osoby dorosłej zawiera 3 g czystego żelaza, z czego 75% stanowi część hemoglobiny. Główną rolą hemoglobiny jest transport tlenu z płuc do tkanek i w przeciwnym kierunku – CO 2.

Rośliny również potrzebują żelaza. Wchodzi w skład cytoplazmy i bierze udział w procesie fotosyntezy. Rośliny uprawiane na podłożu niezawierającym żelaza mają białe liście. Mały dodatek żelaza do podłoża i robią się zielone. Ponadto warto posmarować biały prześcieradło roztworem soli zawierającym żelazo, a wkrótce posmarowany obszar zmieni kolor na zielony.

Tak więc z tego samego powodu – obecności żelaza w sokach i chusteczkach – liście roślin stają się radośnie zielone, a policzki osoby jasno się rumienią.

4. Właściwości fizyczne żelaza.

Żelazo to srebrzystobiały metal o temperaturze topnienia 1539 o C. Jest bardzo ciągliwy, dlatego łatwo się go obrabia, kuje, walcuje, tłoczy. Żelazo ma zdolność magnesowania i rozmagnesowywania, dlatego wykorzystuje się je jako rdzenie elektromagnesów w różnych maszynach i urządzeniach elektrycznych. Można mu nadać większą wytrzymałość i twardość metodami termicznymi i mechanicznymi, na przykład przez hartowanie i walcowanie.

Istnieje chemicznie czyste i handlowo czyste żelazo. Technicznie czyste żelazo to zasadniczo stal niskowęglowa, zawiera 0,02-0,04% węgla, a jeszcze mniej tlenu, siarki, azotu i fosforu. Chemicznie czyste żelazo zawiera mniej niż 0,01% zanieczyszczeń. Chemicznie czyste żelazo - srebrnoszary, błyszczący metal, bardzo podobny wyglądem do platyny. Chemicznie czyste żelazo jest odporne na korozję i ma dobrą odporność na kwasy. Jednak znikoma ilość zanieczyszczeń pozbawia go tych cennych właściwości.

5. Zdobywanie żelaza

Redukcja tlenków węglem lub tlenkiem węgla (II) oraz wodorem:

FeO + C = Fe + CO

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Eksperyment „Produkcja żelaza metodą aluminotermii”

6. Właściwości chemiczne żelaza

Jako pierwiastek drugorzędnej podgrupy żelazo może wykazywać kilka stopni utlenienia. Rozważymy tylko związki, w których żelazo wykazuje stopnie utlenienia +2 i +3. Można zatem powiedzieć, że żelazo ma dwie serie związków, w których jest dwu- i trójwartościowe.

1) W powietrzu żelazo łatwo utlenia się w obecności wilgoci (rdzewienie):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3

2) Gorący drut żelazny spala się w tlenie, tworząc kamień - tlenek żelaza (II, III) - czarną substancję:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

Cpowstaje tlen w wilgotnym powietrzu Fe 2 O 3 * nH 2 O

Eksperyment „Oddziaływanie żelaza z tlenem”

3) W wysokich temperaturach (700–900°C) żelazo reaguje z parą wodną:

3Fe + 4H 2O t˚C → Fe 3O 4 + 4H 2

4) Żelazo reaguje z niemetalami po podgrzaniu:

Fe + S t˚C → FeS

5) Żelazo łatwo rozpuszcza się w kwasie solnym i rozcieńczonym kwasie siarkowym w normalnych warunkach:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H 2 SO 4 (rozcieńczony) = FeSO 4 + H 2

6) Żelazo rozpuszcza się w stężonych kwasach utleniających dopiero po podgrzaniu

2Fe + 6H 2 SO 4 (stęż. .) t˚C → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO3 (stęż. .) t˚C → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 OŻelazo(III)

7. Stosowanie żelaza.

Większość żelaza produkowanego na świecie wykorzystywana jest do produkcji żeliwa i stali – stopów żelaza z węglem i innymi metalami. Żeliwo zawiera około 4% węgla. Stale zawierają mniej niż 1,4% węgla.

Żeliwa są niezbędne do produkcji różnych odlewów - ciężkich ram maszyn itp.

Wyroby żeliwne

Stale wykorzystywane są do produkcji maszyn, różnych materiałów budowlanych, belek, blach, wyrobów walcowanych, szyn, narzędzi i wielu innych wyrobów. Do produkcji różnych gatunków stali wykorzystuje się tzw. dodatki stopowe, którymi są różne metale: M

Symulator nr 2 - Seria genetyczna Fe 3+

Symulator nr 3 - Równania reakcji żelaza z substancjami prostymi i złożonymi

Zadania do konsolidacji

nr 1. Zapisz równania reakcji wytwarzania żelaza z jego tlenków Fe 2 O 3 i Fe 3 O 4, stosując jako środek redukujący:
a) wodór;
b) aluminium;
c) tlenek węgla (II).
Dla każdej reakcji utwórz wagę elektroniczną.

Nr 2. Przeprowadź przekształcenia zgodnie ze schematem:
Fe 2 O 3 -> Fe - +H2O, t -> X - +CO, t -> Y - +HCl ->Z
Nazwij produkty X, Y, Z?

Fabuła

Żelazo, jako materiał narzędziowy, znane jest już od czasów starożytnych. Najstarsze przedmioty żelazne znalezione podczas wykopalisk archeologicznych pochodzą z IV tysiąclecia p.n.e. mi. i należą do starożytnych cywilizacji sumeryjskiej i starożytnego Egiptu. Wykonywane są one z żelaza meteorytowego, czyli stopu żelaza i niklu (zawartość tego ostatniego waha się od 5 do 30%), biżuterii z grobowców egipskich (ok. 3800 r. p.n.e.) oraz sztyletu z sumeryjskiego miasta Ur (ok. 3100 p.n.e.).e.). Podobno jedna z nazw żelaza w języku greckim i łacińskim pochodzi od niebiańskiego pochodzenia żelaza meteorytowego: „sider” (co oznacza „gwiezdny”).

Wyroby z żelaza otrzymywanego w drodze wytapiania znane są od czasów zasiedlenia plemion aryjskich od Europy po Azję, wyspy Morza Śródziemnego i dalej (przełom IV i III tysiąclecia p.n.e.). Najstarszymi znanymi narzędziami żelaznymi są stalowe ostrza znalezione w murze piramidy Cheopsa w Egipcie (zbudowanej około 2530 roku p.n.e.). Jak wykazały wykopaliska na Pustyni Nubijskiej, już w tamtych czasach Egipcjanie, próbując oddzielić wydobywane złoto od ciężkiego piasku magnetytowego, kalcynowali rudę otrębami i podobnymi substancjami zawierającymi węgiel. W rezultacie na powierzchni stopionego złota unosiła się warstwa ciasta, które poddano osobnej obróbce. Z tego żelaza wykuwano narzędzia, m.in. te znalezione w piramidzie Cheopsa. Jednak po wnuku Cheopsa Menkaura (2471-2465 p.n.e.) w Egipcie zapanowało zamieszanie: szlachta pod wodzą kapłanów boga Ra obaliła rządzącą dynastię i rozpoczął się skok uzurpatorów, który zakończył się przystąpieniem faraon kolejnej dynastii, Userkar, którego kapłani ogłosili synem i wcieleniem samego boga Ra (od tego czasu stał się to oficjalny status faraonów). Podczas tego zamieszania wiedza kulturalna i techniczna Egipcjan podupadła, a wraz z upadkiem sztuki budowania piramid zatracono technologię produkcji żelaza do tego stopnia, że ​​później, podczas eksploracji Półwyspu Synaj w poszukiwaniu miedzi, rudy Egipcjanie nie zwracali uwagi na istniejące tam złoża rudy żelaza i otrzymywali żelazo od sąsiednich Hetytów i Mitannijczyków.

Pierwszymi, którzy opanowali produkcję żelaza, byli Huttowie, na co wskazuje najstarsza (II tysiąclecie p.n.e.) wzmianka o żelazie w tekstach Hetytów, którzy założyli swoje imperium na terytorium Huttów (współczesna Anatolia w Turcji). I tak tekst hetyckiego króla Anitty (około 1800 r. p.n.e.) mówi:

Kiedy udałem się na kampanię do miasta Puruskhanda, mężczyzna z miasta Puruskhanda przyszedł mi się pokłonić (...?) i podarował mi 1 żelazny tron ​​i 1 żelazne berło (?) na znak poddania (?) ...

(źródło: Giorgadze G. G.// Biuletyn historii starożytnej. 1965. Nr 4.)

W starożytności Khalibowie byli znani jako mistrzowie wyrobów żelaznych. Legenda o Argonautach (ich wyprawa w Kolchidzie miała miejsce około 50 lat przed wojną trojańską) głosi, że król Kolchidy Eet dał Jazonowi żelazny pług, aby mógł orać pole Aresa i jego poddanych, Kalibrów , są opisane:

Nie orają ziemi, nie sadzą drzew owocowych, nie pasą stad na bogatych łąkach; wydobywają rudę i żelazo z nieuprawnej ziemi i wymieniają za nią żywność. Dzień nie zaczyna się dla nich bez ciężkiej pracy, cały dzień spędzają w ciemności nocy i gęstym dymie...

Arystoteles opisał ich metodę produkcji stali: „Khalibowie kilkakrotnie przemywali piasek rzeczny swojego kraju, uwalniając w ten sposób czarny koncentrat (ciężką frakcję składającą się głównie z magnetytu i hematytu) i wytapiali go w piecach; Otrzymany w ten sposób metal miał srebrzystą barwę i był nierdzewny.”

Jako surowiec do wytopu stali wykorzystywano piaski magnetytowe, które często spotykane są wzdłuż całego wybrzeża Morza Czarnego: piaski te magnetytowe składają się z mieszaniny drobnych ziaren magnetytu, tytanomagnetytu lub ilmenitu oraz fragmentów innych skał, dzięki czemu że stal wytapiana przez Khalibów była stopowa i miała doskonałe właściwości. Ta unikalna metoda pozyskiwania żelaza sugeruje, że Khalibowie jedynie rozpowszechnili żelazo jako materiał technologiczny, jednak ich metoda nie mogła być metodą na powszechną przemysłową produkcję wyrobów żelaznych. Jednak ich produkcja stała się impulsem do dalszego rozwoju hutnictwa żelaza.

W starożytności żelazo ceniono bardziej niż złoto i według opisu Strabona plemiona afrykańskie dawały 10 funtów złota za 1 funt żelaza, a według badań historyka G. Areshyana koszt miedzi, srebra, złota i żelazo wśród starożytnych Hetytów miało stosunek 1: 160: 1280: 6400. W tamtych czasach żelazo było używane jako metal jubilerski, z niego robiono trony i inne regalia władzy królewskiej: na przykład biblijna Księga Powtórzonego Prawa 3,11 opisuje „żelazne łoże” króla Refaimów, Oga.

W grobowcu Tutanchamona (ok. 1350 r. p.n.e.) odnaleziono żelazny sztylet w złotej oprawie – prawdopodobnie prezent od Hetytów dla celów dyplomatycznych. Ale Hetyci nie dążyli do powszechnego rozpowszechniania żelaza i jego technologii, co wynika z korespondencji, która do nas dotarła między egipskim faraonem Tutanchamonem a jego teściem Hattusilem, królem Hetytów. Faraon prosi o przysłanie więcej żelaza, a król Hetytów wymijająco odpowiada, że ​​zapasy żelaza się wyczerpały, a kowale są zajęci rolnictwem, więc nie może spełnić prośby królewskiego zięcia i wysyła tylko jeden sztylet wykonany z „dobrego żelaza” (czyli stali). Jak widać Hetyci starali się wykorzystać swoją wiedzę do osiągnięcia przewagi militarnej, nie dając innym możliwości dogonienia ich. Najwyraźniej dlatego wyroby żelazne rozpowszechniły się dopiero po wojnie trojańskiej i upadku potęgi hetyckiej, kiedy dzięki działalności handlowej Greków technologia żelaza stała się znana wielu osobom, odkryto nowe złoża i kopalnie żelaza. Zatem epokę „brązu” zastąpiono epoką „żelaza”.

Według opisów Homera, chociaż w czasie wojny trojańskiej (ok. 1250 r. p.n.e.) broń wykonywano głównie z miedzi i brązu, żelazo było już powszechnie znane i cieszyło się dużym popytem, ​​choć bardziej jako metal szlachetny. Na przykład w 23. pieśni Iliady Homer mówi, że Achilles wręczył zwycięzcy zawodów w rzucie dyskiem żelazny dysk. Achajowie wydobywali to żelazo od Trojan i ludów sąsiednich (Iliada 7.473), w tym od Khalibów, którzy walczyli po stronie Trojan:

„Inni Achajowie kupowali wino za wymianę,
Zamienili je na dźwięczną miedź, na szare żelazo,
Te dla wołów ze skóry wołowej lub wołów o stromych rogach,
Te za pełne. I przygotowana została radosna uczta…”

Być może żelazo było jednym z powodów, które skłoniły Greków Achajów do przeniesienia się do Azji Mniejszej, gdzie poznali tajniki jego produkcji. A wykopaliska w Atenach wykazały, że już około 1100 roku p.n.e. mi. a później żelazne miecze, włócznie, topory, a nawet żelazne gwoździe były już powszechne. Biblijna księga Jozuego 17:16 (por. Sędziów 14:4) opisuje, że Filistyni (biblijni „PILISTIM”, a były to plemiona proto-greckie spokrewnione z późniejszymi Hellenami, głównie Pelazgami) posiadali wiele żelaznych rydwanów, czyli: w tym W tym czasie żelazo było już powszechnie stosowane w dużych ilościach.

Homer w Iliadzie i Odysei nazywa żelazo „twardym metalem” i opisuje hartowanie narzędzi:

„Skuteczny fałszerz, który wykonał siekierę lub siekierę,
Metal do wody, podgrzewając ją tak, aby się podwoiła
Miał fortecę, zanurza ... ”

Homer nazywa żelazo trudnym, ponieważ w starożytności główną metodą jego produkcji był proces rozdmuchiwania sera: naprzemienne warstwy rudy żelaza i węgla drzewnego kalcynowano w specjalnych piecach (piece - od starożytnego „Rogu” - róg, rura, pierwotnie było to po prostu rura wkopana w ziemię, zwykle poziomo w zboczu wąwozu). W kuźni tlenki żelaza są redukowane do metalu za pomocą gorącego węgla, który pochłania tlen, utleniając się do tlenku węgla i w wyniku takiej kalcynacji rudy węglem otrzymuje się ciastowate żelazo krychinowe (gąbczaste). Kritsę oczyszczono z żużla poprzez kucie, wyciskanie zanieczyszczeń silnymi uderzeniami młotka. Pierwsze kuźnie charakteryzowały się stosunkowo niską temperaturą - zauważalnie niższą od temperatury topnienia żeliwa, dlatego żelazo okazało się stosunkowo niskowęglowe. Aby otrzymać mocną stal, konieczne było wielokrotne kalcynowanie i kucie żelaznego rdzenia z węglem, przy czym wierzchnia warstwa metalu była dodatkowo nasycana węglem i wzmacniana. W ten sposób uzyskano „dobre żelazo” – i choć wymagało to wiele pracy, to otrzymane w ten sposób wyroby były znacznie mocniejsze i twardsze od brązowych.

Później nauczyli się wytwarzać wydajniejsze piece (po rosyjsku – wielki piec, domna) do produkcji stali, a do dostarczania powietrza do pieca używali miechów. Już Rzymianie wiedzieli, jak doprowadzić temperaturę w piecu do topienia stali (około 1400 stopni, a czyste żelazo topi się w temperaturze 1535 stopni). W ten sposób otrzymuje się żeliwo o temperaturze topnienia 1100-1200 stopni, które jest bardzo kruche w stanie stałym (nawet nie nadaje się do kucia) i nie ma elastyczności stali. Początkowo uważano go za szkodliwy produkt uboczny. surówka, po rosyjsku surówka, wlewki, skąd właściwie pochodzi słowo żeliwo), ale potem odkryto, że żeliwo po ponownym przetopieniu w piecu przy wzmożonym przepływie powietrza, żeliwo zamienia się w dobrej jakości stal, ponieważ nadmiar węgla wypala się. Ten dwuetapowy proces wytwarzania stali z żeliwa okazał się prostszy i bardziej opłacalny od procesu krytycznego, a zasada ta stosowana jest bez większych zmian przez wiele stuleci, pozostając do dziś główną metodą wytwarzania materiałów żelaznych.

Bibliografia: Karol Bax. Bogactwa wnętrza ziemi. M.: Progress, 1986, s. 244, rozdział „Żelazo”

pochodzenie imienia

Istnieje kilka wersji pochodzenia słowiańskiego słowa „żelazo” (białoruski zaleza, ukraiński zalizo, starosłowiański. żelazo, bułgarski Żelazo, Serbohorw. zhejezo, polski żelazo, Czech železo, słoweński. železo).

Jedna z etymologii łączy Prasław. *želězo z greckim słowem χαλκός , co według innej wersji oznaczało żelazo i miedź *želězo podobny do słów *Żely„żółw” i *glazura„skała”, z ogólnym seme „kamień”. Trzecia wersja sugeruje starożytne zapożyczenie z nieznanego języka.

Języki germańskie zapożyczyły nazwę żelazo (gotyk. eisarna, Język angielski żelazo, Niemiecki Eisena, Holandia ijzer, dat. jern, szwedzki jarn) z celtyckiego.

Słowo przedceltyckie *isarno-(> staroirlandzki iarn, Old Brett hoiarn), prawdopodobnie wywodzi się od przodków, tj. *h 1 esh 2 r-nie- „krwawy” z rozwinięciem semantycznym „krwawy” > „czerwony” > „żelazny”. Według innej hipotezy słowo to ma swoje korzenie w przodkach, tj. *(H)ish 2 ro- „silny, święty, posiadający nadprzyrodzoną moc”.

Starożytne greckie słowo σίδηρος , mogło zostać zapożyczone z tego samego źródła, co słowiańskie, germańskie i bałtyckie słowa oznaczające srebro.

Nazwa naturalnego węglanu żelaza (syderyt) pochodzi z języka łacińskiego. sidereus- gwiaździsty; Rzeczywiście, pierwsze żelazo, które wpadło w ręce ludzi, było pochodzenia meteorytowego. Być może ta zbieżność nie jest przypadkowa. W szczególności starożytne greckie słowo sideros (σίδηρος) dla żelaza i łaciny sidus, czyli „gwiazda”, prawdopodobnie mają wspólne pochodzenie.

Izotopy

Naturalne żelazo składa się z czterech stabilnych izotopów: 54 Fe (liczba izotopowa 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) i 58 Fe (0,282%). Znanych jest także ponad 20 niestabilnych izotopów żelaza o liczbach masowych od 45 do 72, z których najbardziej stabilne to 60 Fe (okres półtrwania według danych zaktualizowanych w 2009 roku wynosi 2,6 mln lat), 55 Fe (2,737 lat), 59 Fe (44,495 dni) i 52Fe (8,275 godzin); pozostałe izotopy mają okres półtrwania krótszy niż 10 minut.

Izotop żelaza 56 Fe jest jednym z najbardziej stabilnych jąder: wszystkie poniższe pierwiastki mogą zmniejszyć energię wiązania na nukleon w wyniku rozpadu, a wszystkie poprzednie pierwiastki w zasadzie mogą zmniejszyć energię wiązania na nukleon w wyniku fuzji. Uważa się, że żelazo kończy serię syntezy pierwiastków w jądrach normalnych gwiazd (patrz Żelazna Gwiazda), a wszystkie kolejne pierwiastki mogą powstać dopiero w wyniku wybuchów supernowych.

Geochemia żelaza

Źródło hydrotermalne z wodą żelazistą. Tlenki żelaza barwią wodę na brązowo.

Żelazo jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków w Układzie Słonecznym, zwłaszcza na planetach ziemskich, w szczególności na Ziemi. Znaczna część żelaza planet ziemskich znajduje się w jądrach planet, gdzie jego zawartość szacuje się na około 90%. Zawartość żelaza w skorupie ziemskiej wynosi 5%, a w płaszczu około 12%. Spośród metali żelazo ustępuje jedynie aluminium pod względem obfitości w korze. Jednocześnie około 86% całego żelaza znajduje się w rdzeniu, a 14% w płaszczu. Zawartość żelaza wzrasta znacząco w mafijnych skałach magmowych, gdzie jest kojarzona z piroksenem, amfibolem, oliwinem i biotytem. Żelazo gromadzi się w stężeniach przemysłowych podczas niemal wszystkich procesów egzogennych i endogennych zachodzących w skorupie ziemskiej. Woda morska zawiera żelazo w bardzo małych ilościach, 0,002-0,02 mg/l. W wodzie rzecznej jest nieco wyższa – 2 mg/l.

Właściwości geochemiczne żelaza

Najważniejszą cechą geochemiczną żelaza jest obecność kilku stopni utlenienia. Żelazo w postaci obojętnej – metalicznej – stanowi rdzeń ziemi, prawdopodobnie występuje w płaszczu i bardzo rzadko występuje w skorupie ziemskiej. Żelazo żelazne FeO jest główną formą żelaza występującą w płaszczu i skorupie. Tlenek żelaza Fe 2 O 3 jest charakterystyczny dla najwyższych, najbardziej utlenionych części skorupy ziemskiej, w szczególności skał osadowych.

Pod względem właściwości krystalicznych jon Fe 2+ jest zbliżony do jonów Mg 2+ i Ca 2+ - innych głównych pierwiastków, które stanowią znaczną część wszystkich ziemskich skał. Ze względu na podobieństwo krystaliczno-chemiczne żelazo zastępuje w wielu krzemianach magnez i częściowo wapń. W tym przypadku zawartość żelaza w minerałach o zmiennym składzie zwykle wzrasta wraz ze spadkiem temperatury.

Minerały żelaza

Znanych jest wiele rud i minerałów zawierających żelazo. Największe znaczenie praktyczne mają czerwona ruda żelaza (hematyt, Fe 2 O 3; zawiera do 70% Fe), magnetyczna ruda żelaza (magnetyt, FeFe 2 O 4, Fe 3 O 4; zawiera 72,4% Fe), brunatna ruda żelaza lub limonit (goetyt i hydrogoetyt, odpowiednio FeOOH i FeOOH·nH 2 O). Goethyt i hydrogoetyt spotykane są najczęściej w skorupach wietrzących, tworząc tzw. „żelazne kapelusze”, których miąższość sięga kilkuset metrów. Mogą być również pochodzenia osadowego, wypadają z roztworów koloidalnych w jeziorach lub obszarach przybrzeżnych mórz. W tym przypadku powstają rudy żelaza oolitowe lub strączkowe. Często występuje w nich wiwianit Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O, tworzący czarne wydłużone kryształy i radialne agregaty.

Siarczki żelaza są również szeroko rozpowszechnione w przyrodzie - piryt FeS 2 (siarka lub piryt żelaza) i pirotyn. Nie są to rudy żelaza - piryt wykorzystuje się do produkcji kwasu siarkowego, a pirotyn często zawiera nikiel i kobalt.

Rosja zajmuje pierwsze miejsce na świecie pod względem zasobów rudy żelaza. Zawartość żelaza w wodzie morskiej wynosi 1,10-5 -1,10-8%.

Inne powszechnie występujące minerały żelaza:

• Syderyt – FeCO 3 – zawiera około 35% żelaza. Ma żółtawo-biały (w przypadku zabrudzenia szary lub brązowy odcień). Gęstość wynosi 3 g/cm3, a twardość 3,5-4,5 w skali Mohsa.
• Markasyt – FeS 2 – zawiera 46,6% żelaza. Występuje w postaci żółtych, mosiężnych, bipiramidalnych, rombowych kryształów o gęstości 4,6-4,9 g/cm3 i twardości 5-6 w skali Mohsa.
• Löllingit – FeAs 2 – zawiera 27,2% żelaza i występuje w postaci srebrzystobiałych bipiramidalnych rombowych kryształów. Gęstość wynosi 7-7,4 g/cm3, twardość 5-5,5 w skali Mohsa.
• Mispickel – FeAsS – zawiera 34,3% żelaza. Występuje w postaci białych, jednoskośnych pryzmatów o gęstości 5,6-6,2 g/cm3 i twardości 5,5-6 w skali Mohsa.
• Melanteryt - FeSO 4 · 7H 2 O - występuje rzadziej w przyrodzie i jest zielonym (lub szarym z powodu zanieczyszczeń) kryształami jednoskośnymi o szklistym połysku i kruchymi. Gęstość wynosi 1,8-1,9 g/cm3.
• Wiwianit - Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O - występuje w postaci niebieskoszarych lub zielonoszarych jednoskośnych kryształów o gęstości 2,95 g/cm3 i twardości 1,5-2 w skali Mohsa.

Oprócz opisanych powyżej minerałów żelaza istnieją na przykład:

Główne złoża

Według US Geological Survey (szacunki z 2011 r.) potwierdzone światowe zasoby rudy żelaza wynoszą około 178 miliardów ton. Główne złoża żelaza znajdują się w Brazylii (1. miejsce), Australii, USA, Kanadzie, Szwecji, Wenezueli, Liberii, Ukrainie, Francji, Indiach. W Rosji żelazo wydobywa się w Kursskiej Anomalii Magnetycznej (KMA), na Półwyspie Kolskim, w Karelii i na Syberii. W ostatnim czasie znaczącą rolę zyskały denne osady oceaniczne, w których żelazo wraz z manganem i innymi cennymi metalami występuje w postaci konkrecji.

Paragon

W przemyśle żelazo otrzymuje się z rud żelaza, głównie z hematytu (Fe 2 O 3) i magnetytu (FeO Fe 2 O 3).

Istnieją różne sposoby wydobywania żelaza z rud. Najbardziej powszechnym jest proces domenowy.

Pierwszym etapem produkcji jest redukcja żelaza węglem w wielkim piecu w temperaturze 2000°C. W wielkim piecu węgiel w postaci koksu, ruda żelaza w postaci aglomeratu lub peletek oraz topnik (taki jak wapień) podawane są od góry i spotykane od dołu strumieniem wymuszonego gorącego powietrza.

W piecu węgiel w postaci koksu utlenia się do tlenku węgla. Tlenek ten powstaje podczas spalania przy braku tlenu:

Z kolei tlenek węgla redukuje żelazo z rudy. Aby przyspieszyć tę reakcję, podgrzany tlenek węgla przepuszcza się przez tlenek żelaza (III):

Tlenek wapnia łączy się z dwutlenkiem krzemu tworząc żużel – metakrzemian wapnia:

Żużel, w przeciwieństwie do dwutlenku krzemu, topi się w piecu. Żużel lżejszy od żelaza unosi się na powierzchni - ta właściwość pozwala oddzielić żużel od metalu. Żużel można następnie wykorzystać w budownictwie i rolnictwie. Stopione żelazo produkowane w wielkim piecu zawiera dość dużo węgla (żeliwo). Z wyjątkiem przypadków, w których żeliwo jest wykorzystywane bezpośrednio, wymaga ono dalszej obróbki.

Nadmiar węgla i inne zanieczyszczenia (siarka, fosfor) są usuwane z żeliwa poprzez utlenianie w piecach martenowskich lub konwertorach. Do wytapiania stali stopowych wykorzystuje się także piece elektryczne.

Oprócz procesu wielkopiecowego powszechny jest proces bezpośredniej produkcji żelaza. W tym przypadku wstępnie pokruszoną rudę miesza się ze specjalną gliną, tworząc pelety. Pelety są wypalane i poddawane obróbce w piecu szybowym gorącymi produktami konwersji metanu, które zawierają wodór. Wodór łatwo redukuje żelazo:

,

w tym przypadku żelazo nie zostaje zanieczyszczone takimi zanieczyszczeniami jak siarka i fosfor, które są powszechnymi zanieczyszczeniami węgla. Żelazo otrzymuje się w postaci stałej, a następnie topi się w piecach elektrycznych.

Chemicznie czyste żelazo otrzymuje się przez elektrolizę roztworów jego soli.

Właściwości fizyczne

Zjawisko polimorfizmu jest niezwykle ważne dla hutnictwa stali. To dzięki przejściom α-γ sieci krystalicznej następuje obróbka cieplna stali. Bez tego zjawiska żelazo jako podstawa stali nie zyskałoby tak szerokiego zastosowania.

Żelazo jest metalem średnio ogniotrwałym. W szeregu standardowych potencjałów elektrod żelazo plasuje się przed wodorem i łatwo reaguje z rozcieńczonymi kwasami. Zatem żelazo należy do metali o aktywności pośredniej.

Temperatura topnienia żelaza wynosi 1539°C, temperatura wrzenia 2862°C.

Właściwości chemiczne

Charakterystyczne stany utlenienia

• Kwas nie występuje w postaci wolnej – otrzymuje się jedynie jego sole.

Żelazo charakteryzuje się stopniami utlenienia żelaza - +2 i +3.

Stopień utlenienia +2 odpowiada czarnemu tlenkowi FeO i zielonemu wodorotlenkowi Fe(OH) 2. Mają charakter podstawowy. W solach Fe(+2) występuje jako kation. Fe(+2) jest słabym środkiem redukującym.

Stopień utlenienia +3 odpowiada czerwonobrązowemu tlenkowi Fe 2 O 3 i brązowemu wodorotlenkowi Fe(OH) 3. Mają charakter amfoteryczny, chociaż kwaśny, a ich podstawowe właściwości są słabo wyrażone. Zatem jony Fe 3+ ulegają całkowitej hydrolizie nawet w środowisku kwaśnym. Fe(OH) 3 rozpuszcza się (i nawet nie całkowicie) tylko w stężonych alkaliach. Fe 2 O 3 reaguje z zasadami dopiero po stopieniu, dając ferryty (formalne sole kwasowe kwasu HFeO 2, które nie występują w postaci wolnej):

Żelazo (+3) najczęściej wykazuje słabe właściwości utleniające.

Stany utlenienia +2 i +3 łatwo zmieniają się między sobą, gdy zmieniają się warunki redoks.

Ponadto istnieje tlenek Fe 3 O 4, formalny stopień utlenienia żelaza, w którym wynosi +8/3. Jednak tlenek ten można również uznać za ferryt żelaza (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2.

Istnieje również stopień utlenienia +6. Odpowiedni tlenek i wodorotlenek nie występują w postaci wolnej, ale otrzymuje się sole - nadżelaziany (na przykład K 2 FeO 4). Żelazo (+6) występuje w nich w formie anionu. Żelazany są silnymi utleniaczami.

Właściwości substancji prostej

Żelazo przechowywane na powietrzu w temperaturze do 200°C stopniowo pokrywa się gęstą warstwą tlenku, co zapobiega dalszemu utlenianiu metalu. W wilgotnym powietrzu żelazo pokrywa się luźną warstwą rdzy, co nie utrudnia dostępu tlenu i wilgoci do metalu i jego zniszczenia. Rdza nie ma stałego składu chemicznego, w przybliżeniu jej wzór chemiczny można zapisać jako Fe 2 O 3 x H 2 O.

Związki żelaza(II).

Tlenek żelaza(II) FeO ma właściwości zasadowe, odpowiada mu zasada Fe(OH) 2. Sole żelaza (II) mają jasnozielony kolor. Podczas przechowywania, szczególnie w wilgotnym powietrzu, brązowieją w wyniku utlenienia do żelaza (III). Ten sam proces zachodzi podczas przechowywania wodnych roztworów soli żelaza (II):

Spośród soli żelaza(II) w roztworach wodnych najbardziej stabilna jest sól Mohra – podwójna amonowa i siarczan żelaza(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 6H 2 O.

Heksacyjanożelazian(III) potasu K3 (sól z czerwonej krwi) może służyć jako odczynnik dla jonów Fe 2+ w roztworze. Kiedy jony Fe 2+ i 3− oddziałują, tworzy się błękitny osad Turnboole’a:

Do ilościowego oznaczania żelaza (II) w roztworze stosuje się fenantrolinę Phen, która tworzy z żelazem (II) czerwony kompleks FePhen 3 (maksymalna absorpcja światła – 520 nm) w szerokim zakresie pH (4-9).

Związki żelaza(III).

Związki żelaza(III) w roztworach są redukowane przez metaliczne żelazo:

Żelazo(III) może tworzyć podwójne siarczany z pojedynczo naładowanymi kationami, takimi jak ałun, na przykład KFe(SO 4) 2 - ałun żelazowo-potasowy, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - ałun żelazowo-amonowy itp. .

Do jakościowego wykrywania związków żelaza(III) w roztworze wykorzystuje się jakościową reakcję jonów Fe 3+ z jonami SCN – tiocyjanianowymi. Kiedy jony Fe 3+ oddziałują z anionami SCN -, powstaje mieszanina jasnoczerwonych kompleksów tiocyjanianów żelaza 2+ , + , Fe(SCN) 3 , -. Skład mieszaniny (a co za tym idzie intensywność jej zabarwienia) zależy od różnych czynników, dlatego metoda ta nie ma zastosowania do dokładnego jakościowego oznaczania żelaza.

Kolejnym wysokiej jakości odczynnikiem do usuwania jonów Fe 3+ jest heksacyjanożelazian(II) potasu (żółta sól krwi). Kiedy jony Fe 3+ i 4− oddziałują, powstaje jasnoniebieski osad błękitu pruskiego:

Związki żelaza(VI).

Właściwości utleniające nadżelazianów wykorzystuje się do dezynfekcji wody.

Związki żelaza VII i VIII

Istnieją doniesienia o elektrochemicznym otrzymywaniu związków żelaza(VIII). , , nie ma jednak niezależnych badań potwierdzających te wyniki.

Aplikacja

Ruda żelaza

Żelazo jest jednym z najczęściej używanych metali, stanowiącym aż 95% światowej produkcji metalurgicznej.

• Żelazo jest głównym składnikiem stali i żeliwa – najważniejszych materiałów konstrukcyjnych.
• Żelazo może być częścią stopów na bazie innych metali - na przykład niklu.
• Magnetyczny tlenek żelaza (magnetyt) jest ważnym materiałem w produkcji urządzeń pamięci długotrwałej komputera: dysków twardych, dyskietek itp.
• Ultradrobny proszek magnetytowy jest stosowany w wielu czarno-białych drukarkach laserowych zmieszany z granulkami polimeru jako tonerem. Wykorzystuje to zarówno czarny kolor magnetytu, jak i jego zdolność do przylegania do namagnesowanej rolki transferowej.
• Unikalne właściwości ferromagnetyczne wielu stopów na bazie żelaza przyczyniają się do ich szerokiego zastosowania w elektrotechnice na rdzenie magnetyczne transformatorów i silników elektrycznych.
• Chlorek żelaza (III) (chlorek żelaza) jest stosowany w amatorskiej praktyce radiowej do trawienia płytek drukowanych.
• Heptat siarczanu żelazawego (siarczan żelazawy) zmieszany z siarczanem miedzi służy do zwalczania szkodliwych grzybów w ogrodnictwie i budownictwie.
• Żelazo służy jako anoda w akumulatorach żelazowo-niklowych i żelazowo-powietrznych.
• Wodne roztwory chlorków żelazawych i żelazowych, a także ich siarczanów stosuje się jako koagulanty w procesach oczyszczania wód naturalnych i ściekowych w uzdatnianiu wody w przedsiębiorstwach przemysłowych.

Biologiczne znaczenie żelaza

W organizmach żywych żelazo jest ważnym pierwiastkiem śladowym, katalizującym procesy wymiany tlenu (oddychanie). Organizm dorosłego człowieka zawiera około 3,5 grama żelaza (około 0,02%), z czego 78% stanowi główny aktywny pierwiastek hemoglobiny we krwi, reszta wchodzi w skład enzymów innych komórek, katalizując procesy oddychania w komórkach. Niedobór żelaza objawia się chorobą organizmu (chloroza u roślin i anemia u zwierząt).

Zazwyczaj żelazo dostaje się do enzymów w postaci kompleksu zwanego hemem. W szczególności kompleks ten występuje w hemoglobinie, najważniejszym białku zapewniającym transport tlenu we krwi do wszystkich narządów ludzi i zwierząt. I to on zabarwia krew na jej charakterystyczny czerwony kolor.

Kompleksy żelaza inne niż hem znajdują się na przykład w enzymie monooksygenazie metanu, który utlenia metan do metanolu, w ważnym enzymie reduktazie rybonukleotydowej, biorącym udział w syntezie DNA.

Nieorganiczne związki żelaza występują w niektórych bakteriach i czasami są przez nie wykorzystywane do wiązania azotu z powietrza.

Żelazo dostaje się do organizmu zwierząt i ludzi wraz z pożywieniem (najbogatsze w niego są wątroba, mięso, jaja, rośliny strączkowe, chleb, zboża i buraki). Co ciekawe, szpinak został kiedyś błędnie uwzględniony na tej liście (w wyniku literówki w wynikach analizy – pominięto „dodatkowe” zero po przecinku).

Nadmierna dawka żelaza (200 mg i więcej) może działać toksycznie. Przedawkowanie żelaza hamuje działanie układu antyoksydacyjnego organizmu, dlatego też osobom zdrowym nie zaleca się przyjmowania suplementów żelaza.

Notatki

1. Encyklopedia chemiczna: w 5 tomach / Redakcja: Knunyants I. L. (redaktor naczelny). - M .: Encyklopedia radziecka, 1990. - T. 2. - s. 140. - 671 s. - 100 000 egzemplarzy.
2. Karapetyants M. Kh., Drakin S. I. Chemia ogólna i nieorganiczna: Podręcznik dla uniwersytetów. - wyd. 4, usunięte. - M.: Chemia, 2000, ISBN 5-7245-1130-4, s. 2-3. 529
3. M. Vasmer. Słownik etymologiczny języka rosyjskiego. - Postęp. - 1986. - T. 2. - s. 42-43.
4. Trubaczow O. N. Etymologie słowiańskie. // Zagadnienia językoznawstwa słowiańskiego, nr 2, 1957.
5. Boryś W. Słownik etymologiczny języka polskiego. - Kraków: Wydawnictwo Literackie. - 2005. - s. 753-754.
6. Walde A. Lateinisches etymologisches Wörterbuch. - Uniwersytet Carla Wintera. - 1906. - s. 285.
7. Meie A. Główne cechy grupy języków germańskich. -URSS. - 2010. - s. 141.
8. Matasović R. Słownik etymologiczny języka protoceltyckiego. - Świetnie. - 2009. - s. 172.
9. Mallory, J.P., Adams, D.Q. Encyklopedia kultury indoeuropejskiej. - Fitzroy-Dearborn. - 1997. - s. 314.
10. „Nowy pomiar okresu półtrwania 60 Fe”. Listy z przeglądu fizycznego 103 : 72502. DOI:10.1103/PhysRevLett.103.072502.
11. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot i A. H. Wapstra (2003). „Ocena NUBASE właściwości jądrowych i rozpadu”. Fizyka Jądrowa A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
12. Yu M. Shirokov, N. P. Yudin. Fizyka nuklearna. M.: Nauka, 1972. Rozdział Kosmofizyka jądrowa.
13. R. Ripan, I. Ceteanu. Chemia nieorganiczna // Chemia niemetali = Chimia metalelor. - Moskwa: Mir, 1972. - T. 2. - P. 482-483. - 871 s.
14. Złoto i metale szlachetne
15. Metalurgia i obróbka cieplna stali. Nr ref. wyd. W 3 tomach / wyd. M. L. Bershtein, A. G. Rakhstadt. - wyd. 4, poprawione. i dodatkowe T. 2. Podstawy obróbki cieplnej. W 2 książkach. Książka 1. M.: Metalurgia, 1995. 336 s.
16. T. Takahashi i W.A. Bassett, „Wysokociśnieniowy polimorf żelaza”, Nauka, Tom. 145 #3631, 31 lipca 1964, s. 483-486.
17. Schilt A. Analityczne zastosowanie 1,10-fenantroliny i związków pokrewnych. Oksford, Pergamon Press, 1969.
18. Lurie Yu Yu Podręcznik chemii analitycznej. M., Chemia, 1989. s. 297.
19. Lurie Yu Yu Podręcznik chemii analitycznej. M., Chemia, 1989, s. 315.
20. Brouwer G. (red.) Handbook of Inorganic Synthesis. t. 5. M., Mir, 1985. s. 1757-1757.
21. Remi G. Kurs chemii nieorganicznej. t. 2. M., Mir, 1966. s. 309.
22. Kiselev Yu. M., Kopelev N. S., Spitsyn V. I., Martynenko L. I. Żelazo ośmiowartościowe // Dokl. Akademia Nauk ZSRR. 1987. T.292. s. 628-631
23. Perfilyev Yu. D., Kopelev N. S., Kiselev Yu. M., Spitsyn V. I. Mössbauer study of ośmiowartościowego żelaza // Dokl. Akademia Nauk ZSRR. 1987. T.296. s. 1406-1409
24. Kopelev N.S., Kiselev Yu.M., Perfiliev Yu.D. Spektroskopia Mossbauera oksokompleksów żelaza na wyższych stopniach utlenienia // J. Radioanal. Nukl. Chem. 1992.V.157. R.401-411.
25. „Normy fizjologicznego zapotrzebowania na energię i składniki odżywcze różnych grup ludności Federacji Rosyjskiej” MR 2.3.1.2432-08

Źródła (do działu Historia)

• G. G. Giorgadze.„Tekst Anitty” i niektóre pytania dotyczące wczesnej historii Hetytów
• R. M. Abramishvili. W sprawie rozwoju żelaza na terytorium Gruzji Wschodniej, VGMG, XXII-B, 1961.
• Khakhutaishvili D.A. O historii starożytnej kolchijskiej hutnictwa żelaza. Zagadnienia historii starożytnej (zbiór kaukasko-bliskowschodni, nr 4). Tbilisi, 1973.
• Herodot.„Historia”, 1:28.
• Homera.„Iliada”, „Odyseja”.
• Wergiliusz.„Eneida”, 3:105.
• Arystoteles.„O niewiarygodnych plotkach”, II, 48. VDI 1947, nr 2, s. 327.
• Łomonosow M. W. Pierwsze podstawy metalurgii.

Zobacz też

• Kategoria:Związki żelaza

Spinki do mankietów

• Choroby spowodowane niedoborem i nadmiarem żelaza w organizmie człowieka

Układ okresowy pierwiastków chemicznych autorstwa D. I. Mendelejewa

DEFINICJA

Żelazo- dwudziesty szósty element układu okresowego. Oznaczenie - Fe od łacińskiego „ferrum”. Znajduje się w okresie czwartym, grupie VIIIB. Odnosi się do metali. Ładunek jądrowy wynosi 26.

Żelazo jest zaraz po aluminium najpowszechniejszym metalem na świecie: stanowi 4% (wagowo) skorupy ziemskiej. Żelazo występuje w postaci różnych związków: tlenków, siarczków, krzemianów. Żelazo występuje w stanie wolnym jedynie w meteorytach.

Do najważniejszych rud żelaza zalicza się magnetyczną rudę żelaza Fe 3 O 4 , czerwoną rudę żelaza Fe 2 O 3 , brązową rudę żelaza 2Fe 2 O 3 × 3H 2 O i rudę dźwigarową FeCO 3 .

Żelazo jest srebrzystym (ryc. 1) plastycznym metalem. Dobrze nadaje się do kucia, walcowania i innych rodzajów obróbki mechanicznej. Właściwości mechaniczne żelaza silnie zależą od jego czystości – od zawartości w nim nawet bardzo małych ilości innych pierwiastków.

Ryż. 1. Żelazo. Wygląd.

Masa atomowa i cząsteczkowa żelaza

Względna masa cząsteczkowa substancji(M r) to liczba pokazująca, ile razy masa danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla, oraz względna masa atomowa pierwiastka(A r) - ile razy średnia masa atomów pierwiastka chemicznego jest większa niż 1/12 masy atomu węgla.

Ponieważ w stanie wolnym żelazo występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Fe, wartości jego mas atomowych i cząsteczkowych pokrywają się. Są one równe 55,847.

Alotropia i alotropowe modyfikacje żelaza

Żelazo tworzy dwie modyfikacje krystaliczne: żelazo α i żelazo γ. Pierwsza z nich ma siatkę sześcienną skupioną na ciele, druga ma siatkę sześcienną skupioną na twarzy. Żelazo α jest stabilne termodynamicznie w dwóch zakresach temperatur: poniżej 912 o C i od 1394 o C do temperatury topnienia. Temperatura topnienia żelaza wynosi 1539 ± 5 o C. Od 912 o C do 1394 o C γ-żelazo jest stabilne.

Zakresy temperatur stabilności żelaza α i γ są określone przez charakter zmiany energii Gibbsa obu modyfikacji wraz ze zmianami temperatury. W temperaturach poniżej 912 o C i powyżej 1394 o C energia Gibbsa żelaza α jest mniejsza od energii Gibbsa żelaza γ, a w zakresie 912 - 1394 o C jest większa.

Izotopy żelaza

Wiadomo, że w przyrodzie żelazo występuje w postaci czterech stabilnych izotopów 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe i 57 Fe. Ich liczby masowe wynoszą odpowiednio 54, 56, 57 i 58. Jądro atomu izotopu żelaza 54 Fe zawiera dwadzieścia sześć protonów i dwadzieścia osiem neutronów, a pozostałe izotopy różnią się od niego jedynie liczbą neutronów.

Istnieją sztuczne izotopy żelaza o liczbach masowych od 45 do 72, a także 6 stanów izomerycznych jąder. Najdłużej żyjącym spośród powyższych izotopów jest 60 Fe z okresem półtrwania wynoszącym 2,6 miliona lat.

Jony żelaza

Wzór elektroniczny pokazujący rozkład orbitalny elektronów żelaza jest następujący:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

W wyniku oddziaływania chemicznego żelazo oddaje swoje elektrony walencyjne, tj. jest ich dawcą i zamienia się w dodatnio naładowany jon:

Fe 0-2e → Fe 2+ ;

Fe 0 -3e → Fe 3+.

Cząsteczka i atom żelaza

W stanie wolnym żelazo występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Fe. Oto niektóre właściwości charakteryzujące atom i cząsteczkę żelaza:

Stopy żelaza

Do XIX wieku stopy żelaza znane były głównie ze stopów z węglem, zwanych stalą i żeliwem. Jednak później powstały nowe stopy na bazie żelaza zawierające chrom, nikiel i inne pierwiastki. Obecnie stopy żelaza dzielą się na stale węglowe, żeliwa, stale stopowe i stale o specjalnych właściwościach.

W technologii stopy żelaza nazywane są zwykle metalami żelaznymi, a ich produkcja nazywana jest metalurgią żelaza.

Przykłady rozwiązywania problemów

PRZYKŁAD 1

Ćwiczenia	Skład pierwiastkowy substancji jest następujący: udział masowy pierwiastka żelaza wynosi 0,7241 (lub 72,41%), udział masowy tlenu wynosi 0,2759 (lub 27,59%). Wyprowadź wzór chemiczny.
Rozwiązanie	Udział masowy pierwiastka X w cząsteczce o składzie NX oblicza się za pomocą następującego wzoru: ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Oznaczmy liczbę atomów żelaza w cząsteczce przez „x”, liczbę atomów tlenu przez „y”. Znajdźmy odpowiednie względne masy atomowe pierwiastków żelaza i tlenu (zaokrąglimy wartości względnych mas atomowych wziętych z układu okresowego D.I. Mendelejewa do liczb całkowitych). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Procentową zawartość pierwiastków dzielimy na odpowiednie względne masy atomowe. W ten sposób znajdziemy zależność między liczbą atomów w cząsteczce związku: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe): ω(O)/Ar(O); x:y = 72,41/56: 27,59/16; x:y = 1,29: 1,84. Przyjmijmy najmniejszą liczbę jako jeden (tj. podzielmy wszystkie liczby przez najmniejszą liczbę 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; W związku z tym najprostszym wzorem na połączenie żelaza i tlenu jest Fe 2 O 3.
Odpowiedź	Fe2O3

Żelazo jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków chemicznych na Ziemi. Od czasów starożytnych ludzie nauczyli się go używać, aby ułatwić sobie pracę. Wraz z rozwojem technologii jego zakres znacznie się rozszerzył. Jeśli kilka tysięcy lat temu żelazo wykorzystywano jedynie do produkcji prostych narzędzi do uprawy ziemi, obecnie ten pierwiastek chemiczny znajduje zastosowanie w niemal wszystkich obszarach produkcji zaawansowanych technologii.

Jak napisał Pliniusz Starszy. „Górnicy żelaza dostarczają człowiekowi najdoskonalszego i najbardziej szkodliwego narzędzia. Za pomocą tego narzędzia przecinamy ziemię, uprawiamy owocne ogrody i przycinając dzikie winorośle winogronami, zmuszamy je co roku do młodego wzrostu. Za pomocą tego narzędzia budujemy domy, łamiemy kamienie i używamy żelazo dla wszystkich tego typu potrzeb. Ale tym samym żelazem prowadzimy wojny, bitwy i rabunki i używamy go nie tylko w pobliżu, ale rzucamy je skrzydlatymi w dal, czy to przez luki strzelnicze, czy z potężnych rąk, czy w postaci pierzastych strzał. Najbardziej okrutna, moim zdaniem, sztuczka ludzkiego umysłu. Aby bowiem śmierć szybciej spotkała człowieka, uczynili go uskrzydlonym i dali pióra żelazu. Dlatego niech winę przypisuje się człowiekowi, a nie naturze.” Bardzo często stosuje się go do produkcji różnych stopów, których skład zawiera żelazo w różnych proporcjach. Najbardziej znane z tych stopów to stal i żeliwo.

Elektryczność topi żelazo

Właściwości stali są zróżnicowane. Istnieją stale przeznaczone do długotrwałego kontaktu z wodą morską, stale wytrzymujące wysokie temperatury i agresywne działanie gorących gazów, stale, z których wykonany jest miękki drut wiążący oraz stale do produkcji sprężyn elastycznych i sztywnych...

Ta różnorodność właściwości wynika z różnorodności składów stali. Dlatego bardzo wytrzymałe łożyska kulkowe są wykonane ze stali zawierającej 1% węgla i 1,5% chromu; stal zawierająca 18% chromu i 89% niklu jest dobrze znaną „stalą nierdzewną”, a narzędzia tokarskie wykonywane są ze stali zawierającej 18% wolframu, 4% chromu i 1% wanadu.

Ta różnorodność składu stali sprawia, że ​​ich wytapianie jest bardzo trudne. Przecież w piecu martenowskim i konwerterze atmosfera utlenia się, a pierwiastki takie jak chrom łatwo utleniają się i zamieniają w żużel, to znaczy są tracone. Oznacza to, że aby otrzymać stal o zawartości chromu wynoszącej 18%, do pieca trzeba wrzucić znacznie więcej chromu niż 180 kg na tonę stali. A chrom to drogi metal. Jak znaleźć wyjście z tej sytuacji?

Rozwiązanie znaleziono na początku XX wieku. Zaproponowano wykorzystanie ciepła łuku elektrycznego do wytapiania metalu. Złom ładowano do pieca kołowego, wlewano żeliwo i opuszczano elektrody węglowe lub grafitowe. Pomiędzy nimi a metalem w piecu („kąpiel”) powstał łuk elektryczny o temperaturze około 4000°C. Metal topi się łatwo i szybko. A w tak zamkniętym piecu elektrycznym można stworzyć dowolną atmosferę – utleniającą, redukującą lub całkowicie neutralną. Innymi słowy, można zapobiec wypaleniu się cennych elementów. Tak powstała hutnictwo stali wysokiej jakości.

Później zaproponowano inną metodę topienia elektrycznego - indukcję. Z fizyki wiadomo, że jeśli w cewce, przez którą przepływa prąd o wysokiej częstotliwości, umieszczono metalowy przewodnik, indukuje się w nim prąd i przewodnik nagrzewa się. Ciepło to wystarczy, aby stopić metal w określonym czasie. Piec indukcyjny składa się z tygla ze spiralą osadzoną w jego wyłożeniu. Przez spiralę przepływa prąd o wysokiej częstotliwości, a metal w tyglu topi się. W takim piecu możesz również stworzyć dowolną atmosferę.

W elektrycznych piecach łukowych proces wytapiania przebiega zwykle w kilku etapach. Najpierw z metalu wypalane są niepotrzebne zanieczyszczenia, utleniając je (okres utleniania). Następnie usuwa się (ściąga) z pieca żużel zawierający tlenki tych pierwiastków i ładuje przedstopy – stopy żelaza z pierwiastkami, które należy wprowadzić do metalu. Piec jest zamknięty i topienie trwa bez dostępu powietrza (okres rekonwalescencji). Dzięki temu stal nasyca się wymaganymi pierwiastkami w zadanej ilości. Gotowy metal wlewa się do kadzi i wylewa.

Stale, zwłaszcza wysokogatunkowe, okazały się bardzo wrażliwe na zawartość zanieczyszczeń. Nawet niewielkie ilości tlenu, azotu, wodoru, siarki i fosforu znacznie pogarszają ich właściwości – wytrzymałość, wytrzymałość i odporność na korozję. Zanieczyszczenia te tworzą z żelazem i innymi pierwiastkami zawartymi w stali związki niemetaliczne, które zaklinowują się pomiędzy ziarnami metalu, pogarszając jego jednorodność i obniżając jakość. Zatem wraz ze zwiększoną zawartością tlenu i azotu w stalach zmniejsza się ich wytrzymałość, wodór powoduje pojawianie się płatków - mikropęknięć w metalu, które prowadzą do nieoczekiwanego zniszczenia części stalowych pod obciążeniem, fosfor zwiększa kruchość stali na zimno, siarka powoduje czerwoną kruchość - zniszczenie stali pod obciążeniem w wysokich temperaturach.

Metalurdzy od dawna poszukiwali sposobów na usunięcie tych zanieczyszczeń. Po wytopie w piecach martenowskich, konwertorach i piecach elektrycznych metal jest odtleniony - dodaje się do niego aluminium, żelazokrzem (stop żelaza i krzemu) lub żelazomangan. Pierwiastki te aktywnie łączą się z tlenem, unoszą się w żużlu i zmniejszają zawartość tlenu w stali. Jednak tlen nadal pozostaje w stali, a w przypadku stali wysokiej jakości pozostałe ilości są zbyt duże. Trzeba było znaleźć inne, skuteczniejsze sposoby.

W latach 50. hutnicy rozpoczęli odkurzanie stali na skalę przemysłową. Kadź z ciekłym metalem umieszczana jest w komorze, z której odpompowywane jest powietrze. Metal zaczyna gwałtownie wrzeć i wydzielają się z niego gazy. Wyobraź sobie jednak kadź zawierającą 300 ton stali i oszacuj, ile czasu zajmie całkowite zagotowanie stali i jak bardzo metal w tym czasie ostygnie.

Od razu stanie się dla Ciebie jasne, że ta metoda jest odpowiednia tylko w przypadku małych ilości stali. Dlatego opracowano inne, szybsze i wydajniejsze metody próżniowe. Teraz są stosowane we wszystkich krajach rozwiniętych, co poprawiło jakość stali. Ale wymagania wobec niej rosły i rosły.

Na początku lat 60. w Kijowie, w Ogólnounijnym Instytucie Spawania Elektrycznego im. E.O. Paton opracowano metodę elektrożużlowego przetapiania stali, która bardzo szybko zaczęła być stosowana w wielu krajach. Ta metoda jest bardzo prosta. Wlewek metalu wymagający oczyszczenia umieszcza się w chłodzonym wodą metalowym naczyniu - krystalizatorze - i wypełnia żużlem o specjalnym składzie. Wlewek jest następnie podłączany do źródła prądu. Na końcu wlewka pojawia się łuk elektryczny i metal zaczyna się topić. Płynna stal reaguje z żużlem i jest oczyszczana nie tylko z tlenków, ale także z azotków, fosforków i siarczków. Nowa wlewka, wolna od szkodliwych zanieczyszczeń, krzepnie w krystalizatorze. W 1963 r. Za opracowanie i wdrożenie metody przetapiania elektrożużlowego grupa pracowników Ogólnounijnego Instytutu Spawania Elektrycznego, kierowana przez B.I. Medovara i Yu.V. Latasha, otrzymała Nagrodę Lenina.

Naukowcy hutnicy z Centralnego Instytutu Naukowo-Badawczego Metalurgii Żelaza im. I. P. Bardina. We współpracy z pracownikami zakładów metalurgicznych opracowali jeszcze prostszą metodę. Żużel o specjalnym składzie do czyszczenia metalu topi się i wlewa do kadzi, a następnie metal jest uwalniany z pieca do tego ciekłego żużla. Żużel miesza się z metalem i pochłania zanieczyszczenia. Metoda ta jest szybka, wydajna i nie wymaga dużych ilości energii elektrycznej. Jej autorzy S.G. Voinov, A.I. Osipov, A.G. Shalimov i inni również zostali uhonorowani Nagrodą Lenina w 1966 roku.

Jednak czytelnik prawdopodobnie ma już pytanie: skąd te wszystkie trudności? W końcu powiedzieliśmy już, że w zwykłym piekarniku elektrycznym można stworzyć dowolną atmosferę. Oznacza to, że można po prostu odpompować powietrze z pieca i przeprowadzić wytapianie w próżni. Ale nie spiesz się do urzędu patentowego! Metoda ta od dawna stosowana jest w małych piecach indukcyjnych, a na przełomie lat 60. i 70. zaczęto ją stosować w dość dużych piecach łukowych i indukcyjnych elektrycznych. Obecnie metody przetapiania łukowego i indukcyjnego w próżni stały się dość powszechne w krajach uprzemysłowionych.

Tutaj opisaliśmy tylko główne metody czyszczenia stali ze szkodliwych zanieczyszczeń. Istnieją dziesiątki ich odmian. Pomagają hutnikom usunąć przysłowiową muchę z maści i uzyskać wysokiej jakości metal.

Jak zdobyć żelazo bez wielkich pieców

Mówiono już powyżej, że metalurgia żelaza z punktu widzenia chemika jest, delikatnie mówiąc, działalnością nielogiczną. Najpierw żelazo nasyca się węglem i innymi pierwiastkami, a następnie zużywa się dużo pracy i energii na wypalenie tych pierwiastków. Czy nie jest łatwiej natychmiastowo odzyskać żelazo z rudy? W końcu tak właśnie postępowali starożytni hutnicy, którzy w piecach serowarskich otrzymywali zmiękczone gorące żelazo gąbczaste. W ostatnich latach ten punkt widzenia wyszedł już ze sceny pytań retorycznych i opiera się na całkowicie realnych, a nawet zrealizowanych projektach. Wydobycie żelaza bezpośrednio z rudy z pominięciem procesu wielkopiecowego prowadzono już w ubiegłym stuleciu. Proces ten nazwano wówczas odzyskiem bezpośrednim. Jednak do niedawna nie znalazł szerokiej dystrybucji. Po pierwsze, wszystkie proponowane metody redukcji bezpośredniej były nieskuteczne, po drugie, powstały produkt – żelazo gąbczaste – był niskiej jakości i zanieczyszczony zanieczyszczeniami. A jednak entuzjaści nadal pracowali w tym kierunku.

Sytuacja uległa radykalnej zmianie od chwili, gdy gaz ziemny zaczął być powszechnie stosowany w przemyśle. Okazało się, że jest to idealny sposób na odzysk rudy żelaza. Główny składnik gazu ziemnego, metan CH 4, rozkłada się przez utlenianie w obecności katalizatora w specjalnej aparaturze - reformatorach zgodnie z reakcją 2CH 4 + O 2 → 2CO + 2H 2.

Rezultatem jest mieszanina gazów redukujących - tlenku węgla i wodoru. Mieszanina ta wchodzi do reaktora, do którego wprowadzana jest również ruda żelaza. Dokonajmy rezerwacji od razu – kształty i konstrukcje reaktorów są bardzo różnorodne. Czasami reaktorem jest obrotowy piec rurowy, taki jak piec cementowy, czasami piec szybowy, czasami zamknięta retorta. Wyjaśnia to różnorodność nazw metod redukcji bezpośredniej: Midrex, Purofer, Ohalata-i-Lamina, SL-RN itp. Liczba metod przekroczyła już dwa tuziny. Ale ich istota jest zwykle taka sama. Bogatą rudę żelaza redukuje się mieszaniną tlenku węgla i wodoru.

Ale co zrobić z powstałymi produktami? Z żelaza gąbczastego nie tylko można wykuć dobry topór, ale nie można też wykuć dobrego gwoździa. Bez względu na to, jak bogata jest oryginalna ruda, nadal nie można z niej wyprodukować czystego żelaza. Zgodnie z prawami termodynamiki chemicznej nie będzie nawet możliwe przywrócenie całego żelaza zawartego w rudzie; Część z nich pozostanie w produkcie w postaci tlenków. I tu z pomocą przychodzi nam sprawdzony przyjaciel – piec elektryczny. Żelazo gąbczaste okazuje się niemal idealnym surowcem dla elektrometalurgii. Zawiera niewiele szkodliwych zanieczyszczeń i dobrze się topi.

A więc znowu proces dwuetapowy! Ale to jest inny sposób. Zaletą programu pieca elektrycznego z bezpośrednią redukcją jest jego niski koszt. Instalacje redukcji bezpośredniej są znacznie tańsze i zużywają mniej energii niż wielkie piece. Ten typ technologii bezwybuchowego wytwarzania stali został uwzględniony w projekcie Zakładu Elektrometalurgicznego Oskol.

W naszym kraju, niedaleko Starego Oskola, budowany jest duży zakład metalurgiczny, który będzie działał dokładnie według tego schematu. Jej pierwszy etap został już oddany do użytku. Należy pamiętać, że bezpośrednie przetapianie nie jest jedynym sposobem wykorzystania żelaza gąbczastego w metalurgii żelaza. Można go również stosować zamiast złomu w piecach martenowskich, konwertorach i piecach elektrycznych.

Metoda przetapiania żelaza gąbczastego w piecach elektrycznych szybko rozprzestrzenia się za granicą, zwłaszcza w krajach posiadających duże zasoby ropy naftowej i gazu ziemnego, czyli w krajach Ameryki Łacińskiej i Bliskiego Wschodu. Jednak biorąc pod uwagę te rozważania (dostępność gazu ziemnego) w dalszym ciągu nie ma podstaw sądzić, że nowa metoda kiedykolwiek całkowicie zastąpi tradycyjną, dwustopniową metodę wielkopiecowo-hutniczą.

Przyszłość żelaza

Epoka żelaza trwa. Około 90% wszystkich metali i stopów używanych przez ludzkość to stopy na bazie żelaza. Żelazo wytapia się na świecie około 50 razy częściej niż aluminium, nie mówiąc już o innych metalach. Tworzywa sztuczne? Ale w naszych czasach najczęściej odgrywają one samodzielną rolę w różnych konstrukcjach i jeśli zgodnie z tradycją starają się wprowadzić je do rangi „niezastąpionych substytutów”, to coraz częściej zastępują metale nieżelazne, a nie żelazne te. Tylko kilka procent zużywanych przez nas tworzyw sztucznych zastępuje stal.

Stopy na bazie żelaza są uniwersalne, zaawansowane technologicznie, dostępne i tanie w masie. Baza surowcowa tego metalu również nie budzi niepokoju: rozpoznane już zasoby rudy żelaza wystarczą na co najmniej dwa stulecia. Żelazo jeszcze przez długi czas będzie podstawą cywilizacji.

Żelazo było znane już w czasach prehistorycznych, jednak powszechne zastosowanie znalazło znacznie później, gdyż w stanie wolnym występuje w przyrodzie niezwykle rzadko, a jego produkcja z rud stała się możliwa dopiero na pewnym poziomie rozwoju technologicznego. Prawdopodobnie po raz pierwszy człowiek spotkał się z meteorytem Żelazo, o czym świadczą jego nazwy w językach starożytnych ludów: starożytny egipski „beni-pet” oznacza „niebiańskie żelazo”; Starożytne greckie sideros kojarzone jest z łacińskim sidus (rodzaj sideris) – gwiazda, ciało niebieskie. W tekstach hetyckich z XIV wieku p.n.e. mi. Żelazo jest wymieniane jako metal, który spadł z nieba. W językach romańskich zachował się rdzeń nazwy nadawanej przez Rzymian (np. francuskie fer, włoskie ferro).

Metodę pozyskiwania żelaza z rud wynaleziono w zachodniej Azji w II tysiącleciu p.n.e. mi.; potem użycie żelaza rozprzestrzeniło się na Babilon, Egipt i Grecję; Epokę brązu zastąpiła epoka żelaza. Homer (w 23. pieśni Iliady) mówi, że Achilles wręczył zwycięzcy zawodów w rzucie dyskiem żelazny dysk. W Europie i starożytnej Rusi przez wiele stuleci żelazo pozyskiwano w procesie produkcji sera. Rudę żelaza redukowano węglem drzewnym w kuźni zbudowanej w jamie; Do kuźni za pomocą miechów wtłaczano powietrze, produkt redukcji, kritsa, oddzielano od żużla uderzeniami młotka i wykuwano z niego różne produkty. W miarę udoskonalania metod rozdmuchu i zwiększania wysokości paleniska wzrastała temperatura procesu i część żelaza ulegała nawęgleniu, czyli otrzymywano żeliwo; ten stosunkowo delikatny produkt uznano za odpad produkcyjny. Stąd nazwa żeliwa „surówka”, „surówka” - angielska. surówka. Później zauważono, że podczas ładowania do kuźni żeliwa, a nie rudy żelaza, uzyskiwano także niskowęglową skorupę żelaza i taki dwuetapowy proces okazał się bardziej opłacalny niż proces rozdmuchiwania sera. W XII-XIII wieku metoda krzyku była już powszechna.

W XIV wieku zaczęto wytapiać żeliwo nie tylko jako półprodukt do dalszej obróbki, ale także jako materiał do odlewania różnych wyrobów. Z tego samego okresu pochodzi także przebudowa paleniska na piec szybowy („domnitsa”), a następnie na wielki piec. W połowie XVIII wieku w Europie zaczęto stosować proces tyglowy do produkcji stali, który był znany w Syrii we wczesnym średniowieczu, ale później został zapomniany. Metodą tą stal wytwarzano poprzez stopienie ładunku metalicznego w małych naczyniach (tyglach) z masy wysoce ogniotrwałej. W ostatniej ćwierci XVIII wieku zaczął się rozwijać kałużowy proces przerabiania żeliwa w żelazo na palenisku ognistego pieca pogłosowego. Rewolucja przemysłowa XVIII i początków XIX wieku, wynalezienie maszyny parowej, budowa kolei, dużych mostów i floty parowej stworzyły ogromne zapotrzebowanie na żelazo i jego stopy. Jednakże wszystkie istniejące metody produkcji żelaza nie były w stanie zaspokoić potrzeb rynku. Masową produkcję stali rozpoczęto dopiero w połowie XIX wieku, kiedy rozwinęły się procesy Bessemera, Thomasa i martenowski. W XX wieku pojawił się i rozpowszechnił elektryczny proces wytwarzania stali, w wyniku którego uzyskano stal wysokiej jakości.

Rozmieszczenie żelaza w przyrodzie. Pod względem zawartości w litosferze (4,65% masowych) żelazo zajmuje drugie miejsce wśród metali (pierwsze jest aluminium). Migruje energicznie w skorupie ziemskiej, tworząc około 300 minerałów (tlenki, siarczki, krzemiany, węglany, tytaniany, fosforany itp.). Żelazo bierze czynny udział w procesach magmowych, hydrotermalnych i supergenowych, które wiążą się z powstawaniem różnego rodzaju jego złóż. Żelazo to metal występujący w głębinach Ziemi, gromadzi się we wczesnych stadiach krystalizacji magmy, w skałach ultrazasadowych (9,85%) i zasadowych (8,56%) (w granitach zaledwie 2,7%). W biosferze żelazo gromadzi się w wielu osadach morskich i kontynentalnych, tworząc rudy osadowe.

Ważną rolę w geochemii żelaza odgrywają reakcje redoks - przejście żelaza 2-wartościowego do 3-wartościowego i odwrotnie. W biosferze, w obecności substancji organicznych, Fe 3+ ulega redukcji do Fe 2+ i łatwo migruje, a gdy napotka tlen atmosferyczny, Fe 2+ utlenia się, tworząc nagromadzenia wodorotlenków żelazawego. Powszechnie stosowane związki żelaza żelazawego są czerwone, żółte i brązowe. To decyduje o kolorze wielu skał osadowych i ich nazwie - „formacja czerwona” (czerwone i brązowe gliny i gliny, żółte piaski itp.).

Właściwości fizyczne żelaza. O znaczeniu żelaza w nowoczesnej technologii decyduje nie tylko jego szerokie rozpowszechnienie w przyrodzie, ale także połączenie bardzo cennych właściwości. Jest plastyczny, łatwo poddaje się kuciu zarówno na zimno, jak i na gorąco, można go walcować, tłoczyć i rozciągać. Zdolność do rozpuszczania węgla i innych pierwiastków służy jako podstawa do produkcji różnych stopów żelaza.

Żelazo może występować w postaci dwóch sieci krystalicznych: sześciennej centrowanej na ciele α i γ (bcc) oraz sześciennej centrowanej na ścianie (fcc). Poniżej 910°C α-Fe z siecią bcc jest stabilna (a = 2,86645Å w 20°C). W temperaturze od 910 ° C do 1400 ° C modyfikacja γ siecią fcc jest stabilna (a = 3,64 Å). Powyżej 1400°C ponownie tworzy się sieć bcc δ-Fe (a = 2,94Å), stabilna aż do temperatury topnienia (1539°C). α-Fe jest ferromagnetyczny do 769 ° C (punkt Curie). Modyfikacje γ-Fe i δ-Fe są paramagnetyczne.

Polimorficzne przemiany żelaza i stali podczas ogrzewania i chłodzenia zostały odkryte w 1868 roku przez D.K. Czernowa. Węgiel tworzy z żelazem śródmiąższowe roztwory stałe, w których atomy C o małym promieniu atomowym (0,77 Å) znajdują się w szczelinach sieci krystalicznej metalu, składającej się z większych atomów (promień atomowy Fe 1,26 Å). Stały roztwór węgla w γ-Fe nazywany jest austenitem, a w α-Fe – ferrytem. Nasycony stały roztwór węgla w γ-Fe zawiera 2,0% masowych C w temperaturze 1130 °C; α-Fe rozpuszcza tylko 0,02-0,04% C w temperaturze 723 ° C i mniej niż 0,01% w temperaturze pokojowej. Dlatego podczas utwardzania austenitu powstaje martenzyt – przesycony stały roztwór węgla w α-Fe, bardzo twardy i kruchy. Połączenie hartowania i odpuszczania (ogrzewanie do stosunkowo niskich temperatur w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych) pozwala na nadanie stali wymaganej kombinacji twardości i plastyczności.

Właściwości fizyczne żelaza zależą od jego czystości. W przemysłowych materiałach żelaznych żelazu zwykle towarzyszą zanieczyszczenia takie jak węgiel, azot, tlen, wodór, siarka i fosfor. Nawet przy bardzo niskich stężeniach zanieczyszczenia te znacznie zmieniają właściwości metalu. Zatem siarka powoduje tzw. czerwoną kruchość, fosfor (nawet 10 -2% P) - kruchość na zimno; węgiel i azot zmniejszają ciągliwość, a wodór zwiększa kruchość żelaza (tzw. kruchość wodorowa). Zmniejszenie zawartości zanieczyszczeń do 10 -7 - 10 -9% prowadzi do znacznych zmian właściwości metalu, w szczególności do wzrostu ciągliwości.

Poniżej przedstawiono właściwości fizyczne żelaza, odnoszące się przede wszystkim do metalu o całkowitej zawartości zanieczyszczeń mniejszej niż 0,01% wagowych:

Promień atomowy 1,26 Å

Promienie jonowe Fe 2+ 0,80 Å, Fe 3+ 0,67 Å

Gęstość (20°C) 7,874 g/cm3

temperatura wrzenia około 3200°C

Współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej (20°C) 11,7·10 -6

Przewodność cieplna (25°C) 74,04 W/(m·K)

Pojemność cieplna żelaza zależy od jego struktury i zmienia się w złożony sposób wraz z temperaturą; średnie ciepło właściwe (0-1000°C) 640,57 J/(kg K).

Rezystywność elektryczna (20°C) 9,7 10 -8 om m

Współczynnik temperaturowy oporu elektrycznego (0-100°C) 6,51·10 -3

Moduł Younga 190-210 10 3 MN/m 2 (19-21 10 3 kgf/mm 2)

Współczynnik temperaturowy modułu Younga 4,10 -6

Moduł ścinania 84,0 10 3 MN/m2

Krótkotrwała wytrzymałość na rozciąganie 170-210 MN/m2

Wydłużenie 45-55%

Twardość Brinella 350-450 Mn/m2

Granica plastyczności 100 Mn/m2

Udarność 300 MN/m2

Właściwości chemiczne żelaza. Konfiguracja zewnętrznej powłoki elektronowej atomu to 3d 6 4s 2. Żelazo wykazuje zmienną wartościowość (najbardziej stabilne są związki żelaza 2- i 3-wartościowego). Z tlenem żelazo tworzy tlenek (II) FeO, tlenek (III) Fe 2 O 3 i tlenek (II, III) Fe 3 O 4 (związek FeO z Fe 2 O 3 mający strukturę spinelową). W wilgotnym powietrzu w zwykłych temperaturach żelazo pokrywa się luźną rdzą (Fe 2 O 3 nH 2 O). Rdza ze względu na swoją porowatość nie utrudnia dostępu tlenu i wilgoci do metalu, a tym samym nie chroni go przed dalszym utlenianiem. Co roku w wyniku różnego rodzaju korozji traci się miliony ton żelaza. Kiedy żelazo jest podgrzewane w suchym powietrzu powyżej 200°C, pokrywa się cienką warstwą tlenku, która chroni metal przed korozją w normalnych temperaturach; to jest podstawa technicznej metody zabezpieczania żelaza - niebieszczenie. Po ogrzaniu w parze wodnej żelazo utlenia się, tworząc Fe 3 O 4 (poniżej 570 °C) lub FeO (powyżej 570 °C) i wydziela wodór.

Wodorotlenek Fe(OH)2 powstaje w postaci białego osadu, gdy żrące zasady lub amoniak działają na wodne roztwory soli Fe2+ w atmosferze wodoru lub azotu. W kontakcie z powietrzem Fe(OH) 2 najpierw zmienia kolor na zielony, potem czarny, a na koniec szybko zamienia się w czerwono-brązowy wodorotlenek Fe(OH) 3. Tlenek FeO wykazuje podstawowe właściwości. Tlenek Fe 2 O 3 jest amfoteryczny i ma słabą funkcję kwasową; reagując z bardziej zasadowymi tlenkami (np. z MgO tworzy ferryty – związki takie jak Fe 2 O 3 nMeO, które mają właściwości ferromagnetyczne i są szeroko stosowane w radiotechnice. Właściwości kwasowe wyrażają się także w żelazie sześciowartościowym, które występuje w forma nadżelazianów, na przykład K 2 FeO 4, sole kwasu żelazowego nieuwalniane w stanie wolnym.

Żelazo łatwo reaguje z halogenami i halogenowodorami, dając sole, takie jak chlorki FeCl 2 i FeCl 3. Gdy żelazo ogrzewa się z siarką, powstają siarczki FeS i FeS2. Węgliki żelaza - Fe 3 C (cementyt) i Fe 2 C (e-węglik) - wytrącają się ze stałych roztworów węgla w żelazie po ochłodzeniu. Fe 3 C jest także uwalniany z roztworów węgla w ciekłym żelazie przy wysokich stężeniach C. Azot, podobnie jak węgiel, daje śródmiąższowe roztwory stałe z żelazem; Uwalniają się z nich azotki Fe 4 N i Fe 2 N. Wraz z wodorem żelazo wytwarza jedynie nietrwałe wodorki, których skład nie został dokładnie ustalony. Po podgrzaniu żelazo reaguje energicznie z krzemem i fosforem, tworząc krzemki (na przykład Fe 3 Si i fosforki (na przykład Fe 3 P).

Związki żelaza z wieloma pierwiastkami (O, S i inne), tworzące strukturę krystaliczną, mają zmienny skład (na przykład zawartość siarki w monosiarczku może wahać się od 50 do 53,3 at.%). Dzieje się tak na skutek defektów w strukturze kryształu. Na przykład w tlenku żelaza (II) niektóre jony Fe 2+ w miejscach sieci są zastąpione jonami Fe 3+; aby zachować neutralność elektryczną, niektóre miejsca sieci należące do jonów Fe 2+ pozostają puste.

Normalny potencjał elektrody żelaza w wodnych roztworach jego soli dla reakcji Fe = Fe 2+ + 2e wynosi -0,44 V, a dla reakcji Fe = Fe 3+ + 3e wynosi -0,036 V. Zatem w szeregu działań żelazo znajduje się na lewo od wodoru. Łatwo rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach z uwolnieniem H2 i utworzeniem jonów Fe2+. Interakcja żelaza z kwasem azotowym jest osobliwa. Stężony HNO 3 (gęstość 1,45 g/cm 3) pasywuje żelazo w wyniku pojawienia się na jego powierzchni ochronnej warstwy tlenku; bardziej rozcieńczony HNO 3 rozpuszcza żelazo, tworząc jony Fe 2+ lub Fe 3+, redukując do NH 3 lub N 2 i N 2 O. Roztwory dwuwartościowych soli żelaza w powietrzu są niestabilne - Fe 2+ stopniowo utlenia się do Fe 3+. Wodne roztwory soli żelaza mają odczyn kwaśny w wyniku hydrolizy. Dodatek jonów tiocyjanianowych SCN- do roztworów soli Fe 3+ daje jaskrawo krwistoczerwony kolor w wyniku powstania Fe(SCN) 3, co pozwala wykryć obecność 1 części Fe 3+ w około 10 6 części wody. Żelazo charakteryzuje się tworzeniem złożonych związków.

Zdobywanie żelaza. Czyste żelazo otrzymuje się w stosunkowo małych ilościach przez elektrolizę wodnych roztworów jego soli lub przez redukcję jego tlenków wodorem. Stopniowo zwiększa się produkcję odpowiednio czystego żelaza poprzez bezpośrednią redukcję go z koncentratów rud wodorem, gazem ziemnym lub węglem w stosunkowo niskich temperaturach.

Zastosowanie żelaza.Żelazo jest najważniejszym metalem współczesnej technologii. Żelazo w czystej postaci praktycznie nie jest używane ze względu na jego niską wytrzymałość, chociaż w życiu codziennym wyroby stalowe lub żeliwne często nazywane są „żelazem”. Większość żelaza stosowana jest w postaci stopów, które bardzo różnią się składem i właściwościami. Stopy żelaza stanowią około 95% wszystkich wyrobów metalowych. Stopy bogate w węgiel (powyżej 2% wag.) – żeliwo – wytapia się w wielkich piecach z rud wzbogaconych w żelazo. Różne gatunki stali (zawartość węgla poniżej 2% wag.) wytapia się z żeliwa w piecach martenowskich i elektrycznych oraz konwertorach poprzez utlenienie (spalenie) nadmiaru węgla, usunięcie szkodliwych zanieczyszczeń (głównie S, P, O) i dodanie pierwiastki stopowe. Stale wysokostopowe (o dużej zawartości niklu, chromu, wolframu i innych pierwiastków) wytapiane są w piecach łukowych i indukcyjnych. Do produkcji stali i stopów żelaza do szczególnie krytycznych celów stosuje się nowe procesy - próżniowe, przetapianie elektrożużlowe, stapianie plazmą i wiązką elektronów i inne. Trwają prace nad metodami wytapiania stali w instalacjach stale działających, zapewniających wysoką jakość metalu i automatyzację procesu.

Na bazie żelaza tworzone są materiały, które wytrzymują wysokie i niskie temperatury, próżnię i wysokie ciśnienia, agresywne środowisko, wysokie napięcia przemienne, promieniowanie jądrowe itp. Produkcja żelaza i jego stopów stale rośnie.

Żelazo jako materiał artystyczny było używane od czasów starożytnych w Egipcie, Mezopotamii i Indiach. Od średniowiecza w krajach europejskich (Anglia, Francja, Włochy, Rosja i inne) zachowało się wiele wysoce artystycznych wyrobów wykonanych z żelaza - kute ogrodzenia, zawiasy do drzwi, wsporniki ścienne, wiatrowskazy, okucia do skrzyń i lampy. Wyroby kute na wskroś z prętów oraz wyroby z blachy perforowanej (często z okładziną mikową) wyróżniają się płaskimi kształtami, wyraźną liniowo-graficzną sylwetką i są efektownie widoczne na jasnym tle. W XX wieku z żelaza wykonywano kraty, płoty, ażurowe przegrody wewnętrzne, świeczniki i pomniki.

Żelazo w organizmie.Żelazo występuje w organizmach wszystkich zwierząt i roślin (średnio około 0,02%); jest niezbędna głównie do metabolizmu tlenu i procesów oksydacyjnych. Istnieją organizmy (tzw. Koncentratory) zdolne do gromadzenia go w dużych ilościach (na przykład bakterie żelazowe - do 17-20% żelaza). Prawie całe żelazo u zwierząt i roślin jest związane z białkami. Niedobór żelaza powoduje opóźnienie wzrostu i chlorozę u roślin, co wiąże się ze zmniejszonym tworzeniem się chlorofilu. Nadmiar żelaza wpływa również szkodliwie na rozwój roślin, powodując np. jałowość kwiatów ryżu i chlorozę. W glebach zasadowych powstają związki żelaza niedostępne do wchłaniania przez korzenie roślin, a rośliny nie otrzymują go w wystarczających ilościach; w glebach kwaśnych żelazo w nadmiernych ilościach zamienia się w związki rozpuszczalne. W przypadku niedoboru lub nadmiaru przyswajalnych związków żelaza w glebie choroby roślin można zaobserwować na dużych obszarach.

Żelazo dostaje się do organizmu zwierząt i ludzi wraz z pożywieniem (najbogatszym jego źródłem jest wątroba, mięso, jaja, rośliny strączkowe, pieczywo, zboża, szpinak i buraki). Zwykle człowiek otrzymuje w swojej diecie 60-110 mg żelaza, co znacznie przekracza jego dzienne zapotrzebowanie. Wchłanianie żelaza pochodzącego z pożywienia następuje w górnej części jelita cienkiego, skąd przedostaje się ono do krwi w postaci związanej z białkami i wraz z krwią jest przenoszone do różnych narządów i tkanek, gdzie jest odkładane w postaci żelaza kompleks białkowy - ferrytyna. Głównym magazynem żelaza w organizmie jest wątroba i śledziona. Dzięki ferrytynie zachodzi synteza wszystkich związków zawierających żelazo w organizmie: hemoglobina pigmentu oddechowego jest syntetyzowana w szpiku kostnym, mioglobina jest syntetyzowana w mięśniach, cytochromy i inne enzymy zawierające żelazo są syntetyzowane w różnych tkankach. Żelazo jest uwalniane z organizmu głównie przez ścianę jelita grubego (u człowieka około 6-10 mg na dobę) oraz w niewielkim stopniu przez nerki. Zapotrzebowanie organizmu na żelazo zmienia się wraz z wiekiem i kondycją fizyczną. Na 1 kg masy ciała dzieci potrzebują 0,6 mg żelaza dziennie, dorośli 0,1, a kobiety w ciąży 0,3 mg żelaza dziennie. U zwierząt zapotrzebowanie na żelazo wynosi w przybliżeniu (na 1 kg suchej masy diety): dla krów mlecznych – co najmniej 50 mg, dla młodych zwierząt – 30-50 mg; dla prosiąt - do 200 mg, dla prosiąt ciężarnych - 60 mg.