Основний елемент складу – залізо. Чорний метал: основні характеристики, виробництво та застосування заліза

Залізо – основний конструкційний матеріал. Метал використовується буквально скрізь – від ракет та підводних човнів до столових приладів та кованих прикрас на ґратах. Неабиякою мірою цьому сприяє елемент у природі. Однак справжньою причиноює, все ж таки, його міцність і довговічність.

У цій статті нами буде дано характеристику заліза як металу, вказано його корисні фізичні та хімічні властивості. Окремо ми розповідаємо чому залізо називають чорним металом, чим воно відрізняється від інших металів.

Як не дивно, але досі іноді виникає питання про те, залізо це метал або неметал. Залізо – елемент 8 групи, 4 періоди таблиці Д. І. Менделєєва. Молекулярна маса 558, що досить багато.

Це метал сріблясто-сірого кольору, досить м'який, пластичний, що володіє магнітними властивостями. Насправді чисте залізо зустрічається і використовується вкрай рідко, оскільки метал хімічно активний і входить у різноманітні реакції.

Про те, що таке залізо, розповість це відео:

Поняття та особливості

Залізом зазвичай називають сплав із невеликою часткою домішок – до 0,8%, який зберігає практично всі властивості металу. Повсюдне застосування знаходить навіть цей варіант, а сталь і чавун. Своє найменування – чорний метал, залізо, а, точніше кажучи, той самий чавун і сталь, отримали завдяки кольору руди – чорному.

Сьогодні чорними металами називають сплави заліза: сталь, чавун, ферит, а також марганець, і іноді хром.

Залізо дуже поширений елемент. За змістом земної коривін займає 4 місце, поступаючись кисню, і . У ядрі Землі перебуває 86% заліза, і лише 14% – у мантії. У морській воді речовини міститься дуже мало – до 0,02 мг/л, у річковій воді трохи більше – до 2 мг/л.

Залізо типовий метал, До того ж досить активний. Він взаємодіє з розведеними та концентрованими кислотами, але під дією дуже сильних окислювачів може утворити солі залізної кислоти. На повітрі залізо швидко покривається оксидною плівкою, що запобігає подальшій реакції.

Однак у присутності вологи замість оксидної плівки з'являється іржа, яка завдяки пухкій структурі подальшого окислення не перешкоджає. Ця особливість – кородування у присутності вологи, є основним недоліком металевих сплавів. Слід зазначити, що провокують корозії домішки, тоді як хімічно чистий метал стійкий до води.

Важливі параметри

Чистий метал залізо досить пластичний, добре піддається ковці та погано лиття. Однак невеликі домішки вуглецю значно збільшують його твердість та крихкість. Ця якість стала однією з причин витіснення бронзових знарядь праці залізними.

• Якщо порівняти залізні сплави і , з тих, що були відомі в стародавньому світі, очевидно, що , і за корозійною стійкістю, а значить, і за довговічністю. Однак масове призвело до виснаження олов'яних копалень. А оскільки значно менше, ніж , перед металургами минулого залишалося питання про заміну. І залізо замінило бронзу. Цілком остання була витіснена, коли з'явилися сталі: такого поєднання твердості та пружності, бронза не дає.
• Залізо утворює з кобальтом та тріаду заліза. Властивості елементів дуже близькі, ближче, ніж у їх аналогів з такою ж будовою зовнішнього шару. Всі метали мають чудові механічні властивості: легко обробляються, прокочуються, простягаються, їх можна кувати і штампувати. Кобальт і настільки реакційноздатні і стійкіші до корозії, ніж залізо. Однак менша поширеність цих елементів не дозволяє використовувати їх так само широко, як залізо.
• Головним «конкурентом» залозу в галузі використання виступає . Але насправді обидва матеріали мають зовсім різні якості. далеко не настільки міцний, як залізо, гірше витягується, не піддається кування. З іншого боку, метал відрізняється значно меншою вагою, що помітно полегшує конструкції.

Електропровідність заліза дуже середня, тоді як алюміній за цим показником поступається лише сріблу та золоту. Залізо є феромагнетиком, тобто зберігає намагніченість за відсутності магнітного поля, а й втягується в магнітне поле.

Такі різні властивості зумовлюють абсолютно різні областізастосування, так що "борються" конструкційні матеріали дуже рідко, наприклад, у виробництві меблів, де легкість алюмінієвого профілю протиставляється міцності сталевого.

Переваги та недоліки заліза розглянуті далі.

Плюси і мінуси

Головна перевага заліза в порівнянні з іншими конструкційними металами – поширеність та відносна простота виплавки. Але, враховуючи в якій кількості використовується залізо, це дуже важливий фактор.

Переваги

До плюсів металу відносять інші якості.

• Міцність і твердість при збереженні пружності – не про хімічно чистому залозі, йдеться про сплавах. Причому ці якості варіюються в досить широких межах залежно від марки сталі, способу термообробки, методу отримання і так далі.
• Різноманітність сталей та феритів дозволяє створити та підібрати матеріал буквально для будь-якого завдання – від каркаса моста до ріжучого інструменту. Можливість отримання заданих властивостей при додаванні дуже незначних домішок – надзвичайно велика перевага.
• Легкість механічної обробки дозволяє отримати продукцію різного виду: прутки, труби, фасонні вироби, балки, листове залізо і таке інше.
• Магнітні властивості заліза такі, що метал є основним матеріалом для отримання магнитоприводов.
• Вартість сплавів залежить, звичайно, від складу, але все одно значно нижча, ніж у більшості кольорових, нехай і з вищими характеристиками міцності.
• Ковкість заліза забезпечує матеріалу дуже високі декоративні можливості.

Недоліки

Мінуси металевих сплавів значні.

• Насамперед це недостатня корозійна стійкість. Спеціальні видисталей – нержавіючі, мають цю корисну якість, але й коштують набагато дорожче. Значно частіше метал захищають за допомогою покриття – металевого чи полімерного.
• Залізо здатне накопичувати електрику, тому вироби з його сплавів зазнають електрохімічної корозії. Корпуси приладів та машин, трубопроводи повинні якимось чином захищатися – катодна захист, протекторна тощо.
• Метал важкий, тому залізні конструкції помітно ускладнюють об'єкт будівництва – будинок, залізничний вагон, морське судно.

Склад та структура

Залізо існує в 4 різних модифікаціях, що відрізняються один від одного параметрами решітки та структурою. Наявність фаз має справді вирішальне значеннядля виплавки, оскільки саме фазові переходита їх залежність від легуючих елементів забезпечує саме перебіг металургійних процесів у цьому світі. Отже, йдеться про наступні фази:

• α-фаза стійка до +769 С, має об'ємно-центровані кубічні грати. α-фаза є феромагнетиком, тобто зберігає намагніченість у відсутності магнітного поля. Температура 769 С є точкою Кюрі для металу.
• β-фаза існує від +769 до +917 С. Структура модифікації та ж, але параметри решітки дещо інші. При цьому зберігаються практично всі Фізичні властивостікрім магнітних: залізо стає парамагнетиком.
• γ - фаза з'являється в діапазоні від +917 до +1394 С. Для неї характеру гранецентровані кубічні грати.
• δ-фаза існує вище температури +1394 С, має об'ємно-центровані кубічні грати.

Вирізняють також ε-модифікацію, яка з'являється при високому тиску, а також у результаті легування деякими елементами. ε-фаза має щільноупаковані гексагонічні грати.

Про фізичні та хімічні властивості заліза розповість цей відеоролик:

Властивості та характеристики

Дуже сильно залежить від його чистоти. Різниця між властивостями хімічно чистого заліза та звичайного технічного, а тим більше легованої сталі, дуже суттєва. Як правило, фізичні характеристики наводять для технічного заліза з часткою домішок 0,8%.

Необхідно відрізняти шкідливі домішки від добавок, що легують. Перші – сірка та фосфор, наприклад, надають сплаву крихкості, не збільшуючи твердість або механічну стійкість. Вуглець у сталі збільшує ці параметри, тобто є корисним компонентом.

• Щільність заліза (г/см3) певною мірою залежить від фази. Так, α-Fe має густину рівну 7,87 г/куб. см при нормальній температурі та 7,67 г/куб. см при +600 С. Щільність -фази нижче - 7,59 г/куб. див. а -фази ще менше - 7,409 г/куб.см.
• Температура плавлення речовини - 1539 С. Залізо відноситься до помірно тугоплавких металів.
• Температура кипіння - 2862 С.
• Міцність, тобто стійкість до різного роду навантажень – тиск, розтяг, вигин, регламентується для кожної марки сталі, чавуну і фериту, так що про ці показники говорити загалом складно. Так, швидкорізальні сталі має межу міцності на вигин рівний 2,5-2,8 ГПа. А той самий параметр звичайного технічного заліза становить 300 МПА.
• Твердість за шкалою Мооса – 4-5. Спеціальні сталі та хімічно чисте залізо досягають куди вищих показників.
• Питомий електричний опір 9,7 · 10-8 ом · м. Залізо проводить струм куди гірше за мідь або алюміній.
• Теплопровідність також нижча, ніж у цих металів і залежить від фазового складу. При 25°С становить 74,04 Вт/(м·К)., при 1500°С — 31,8 [Вт/(м.К)].
• Залізо чудово кується, причому як за нормальної, і підвищеної температурі. Чавун та сталь піддаються лиття.
• Біологічно інертну речовину назвати не можна. Однак його токсичність дуже низька. Пов'язано це, щоправда, не так з активністю елемента, як з нездатністю людського організмудобре його засвоїти: максимум становить 20% від отримуваної дози.

До екологічних речовин залізо віднести не можна. Однак основну шкоду навколишньому середовищу завдає не його відходів, оскільки залізо іржавіє і досить швидко, а відходи виробництва – шлаки, гази, що виділяються.

Виробництво

Залізо належить до дуже поширених елементів, отже й вимагає великих витрат. Розробляються родовища як відкритим, і шахтним методом. По суті, всі гірські руди включають до складу залізо, але розробляють лише ті, де частка металу досить велика. Це багаті руди – червоний, магнітний і бурий залізняк із часткою залізо до 74 %, руди із середнім вмістом – марказит, наприклад, і бідні руди із часткою заліза щонайменше 26% – сидерит.

Багата руда одразу ж вирушає на завод. Породи із середнім та низьким змістомзбагачуються.

Існує кілька методів одержання залізних сплавів. Як правило, виплавка будь-якої сталі включає одержання чавуну. Його виплавляють у доменній печі при температурі 1600 С. Шихту – агломерат, котуни, завантажують разом із флюсом у піч і продувають гарячим повітрям. При цьому метал плавиться, а кокс горить, що дозволяє випалити небажані домішки та відокремити шлак.

Для одержання сталі зазвичай використовують білий чавун – у ньому вуглець зв'язаний у хімічну сполуку із залізом. Найбільш поширені 3 способи:

• мартенівський - розплавлений чавун з добавкою руди і скрапу плавлять при 2000 З тим, щоб зменшити вміст вуглецю. Додаткові інгредієнти, якщо вони є, додають наприкінці плавки. Таким чином одержують саму високоякісну сталь.
• киснево-конвертерний - найбільш продуктивний метод. У печі товщу чавуну продувають повітрям під тиском 26 кг/кв. см. Може використовуватися суміш кисню з повітрям або чистий кисень з метою покращення якості сталі;
• електроплавильний – найчастіше застосовується для отримання спеціальних легованих сталей. Чавун палять в електричній печі при температурі 2200 С.

Сталь можна одержати і прямим методом. Для цього в шахтну піч завантажують котуни з великим вмістом заліза і при температурі 1000 С продують воднем. Останній відновлює залізо із оксиду без проміжних стадій.

У зв'язку зі специфікою чорної металургії продаж потрапляє або руда з певним вмістом заліза, або готова продукція – чавун, сталь, ферит. Ціна їх дуже відрізняється. Середня вартість залізняку в 2016 році – багатої, з вмістом елементів понад 60%, становить 50$ за тонну.

Вартість сталі залежить від безлічі факторів, що часом робить злети та падіння цін скоєно непередбачувано. Восени 2016 року вартість арматури, гаряче- та холоднокатаної сталі різко зросла завдяки не менш різкому підйому цін на коксівне вугілля – неодмінного учасника виплавки. У листопаді європейські компанії пропонує рулон гарячекатаної сталі по 500 євро за т.д.

Галузь застосування

Сфера використання заліза та залізних сплавів величезна. Простіше вказати, де метал не застосовується.

• Будівництво – спорудження всіх видів каркасів, від каркаса моста, що несе, до коробки декоративного каміна в квартирі, не може обійтися без сталі різних сортів. Арматура, прутки, двотаври, швелери, куточки, труби: абсолютно вся фасонна та сортова продукція використовується у будівництві. Те саме стосується і листового прокату: з нього виготовляють покрівлю, і так далі.
• Машинобудування – за міцністю та стійкістю до зносу зі сталлю дуже мало, що може зрівнятися, так що деталі корпусу абсолютної більшості машин виготовляються зі сталей. Тим більше у тих випадках, коли обладнання має працювати в умовах високих температур та тиску.
• Інструменти – за допомогою легуючих елементів та загартування металу можна надати твердість та міцність близьку до алмазів. Швидкорізальні сталі – основа будь-яких обробних інструментів.
• В електротехніці використання заліза більш обмежене, саме тому, що домішки помітно погіршують його електричні властивості, а вони й так невеликі. Зате метал незамінний у виробництві магнітних частин електроустаткування.
• Трубопровід – із сталі та чавуну виготовляють комунікації будь-якого роду та виду: опалення, водопроводи, газопроводи, включаючи магістральні, оболонки для силових кабелів, нафтопроводи тощо. Тільки сталь здатна витримувати такі величезні навантаження і внутрішній тиск.
• Побутове використання – сталь застосовується скрізь: від фурнітури та столових приладів до залізних дверей та замків. Міцність металу та зносостійкість роблять його незамінним.

Залізо та його сплави поєднують у собі міцність, довговічністю стійкість до зносу. Крім того, метал відносно дешевий у виробництві, що робить його незамінним матеріалом для сучасного народного господарства.

Про сплави заліза з кольоровими металами та важкими чорними розповість це відео:

Залізо – всім відомий хімічний елемент. Він відноситься до середніх за хімічною активністю металів. Властивості та застосування заліза ми розглянемо у цій статті.

Поширеність у природі

Існує досить багато мінералів, до складу яких входить ферум. Насамперед, це магнетит. Він на сімдесят два відсотки складається із заліза. Його хімічна формула - Fe 3 O 4 . Цей мінерал ще називають магнітний залізняк. Він має світло-сірий колір, іноді з темно-сірим, аж до чорного, з металевим блиском. Найбільше його родовище серед країн СНД знаходиться на Уралі.

Наступний мінерал із високим вмістом заліза – гематит – він на сімдесят відсотків складається з даного елемента. Його хімічна формула - Fe 2 O 3 . Його ще називають червоним залізняком. Він має забарвлення від червоно-коричневого до червоно-сірого. Найбільше родовище на території країн СНД знаходиться у Кривому Розі.

Третій за змістом ферум мінерал - лимоніт. Тут заліза шістдесят відсотків загальної маси. Це кристалогідрат, тобто в його кристалічну решітку вплетені молекули води, його хімічна формула - Fe2O3.H2O. Як відомо з назви, цей мінерал має жовто-коричневий колір, зрідка бурий. Він є однією з головних складових природних охр і використовується як пігмент. Його також називають бурий залізняк. Найкращі великі місцязалягання - Крим, Урал.

У сидериті, так званому шпатовому залізняку, сорок вісім відсотків феруму. Його хімічна формула - FeCO3. Його структура неоднорідна і складається із сполучених разом кристалів різного кольору: сірих, блідо-зелених, сіро-жовтих, коричнево-жовтих та ін.

Останній мінерал, що часто зустрічається в природі, з високим вмістом феруму — пірит. Він має таку хімічну формулу FeS 2 . Заліза у ньому знаходиться сорок шість відсотків від загальної маси. Завдяки атомам сірки цей мінерал має золотисто-жовте забарвлення.

Багато з розглянутих мінералів використовуються для отримання чистого заліза. Крім того, гематит використовують у виготовленні прикрас натурального каміння. Вкраплення піриту можуть бути в прикрасах з лазуриту. Крім цього, в природі залізо зустрічається у складі живих організмів - воно є одним із найважливіших компонентівклітини. Цей мікроелемент обов'язково має надходити в організм людини у достатній кількості. Лікувальні властивості заліза багато в чому пов'язані з тим, що цей хімічний елемент є основою гемоглобіну. Тому вживання ферум добре позначається на стані крові, а отже, і всього організму в цілому.

Залізо: фізичні та хімічні властивості

Розглянемо по порядку два ці великі розділи. заліза - це його зовнішній вигляд, щільність, температура плавлення і т. д. Тобто всі відмінності речовини, пов'язані з фізикою. Хімічні властивості заліза - це його здатність вступати в реакцію з іншими сполуками. Почнемо із перших.

Фізичні властивості заліза

У чистому вигляді за нормальних умов це тверда речовина. Воно має сріблясто-сірий колір і яскраво виражений металевий блиск. Механічні властивості заліза включають рівень твердості по Вона дорівнює чотирьом (середня). Залізо має хорошу електропровідність і теплопровідність. Останню особливість можна відчути, торкнувшись залізного предмета в холодному приміщенні. Так як цей матеріал швидко проводить тепло, він за короткий проміжок часу забирає більшу його частину з шкіри, і тому ви відчуваєте холод.

Доторкнувшись, наприклад, до дерева, можна відзначити, що його теплопровідність набагато нижча. Фізичні властивості заліза - це його температури плавлення і кипіння. Перша складає 1539 градусів за шкалою Цельсія, друга – 2860 градусів за Цельсієм. Можна дійти невтішного висновку, що характерні властивості заліза — хороша пластичність і легкоплавкость. Але це ще далеко не все.

Також до фізичних властивостей заліза входить і його феромагнітність. Що це таке? Залізо, магнітні властивості якого ми можемо спостерігати на практичних прикладах щодня, - єдиний метал, який має таку унікальну відмінною рисою. Це тим, що цей матеріал здатний намагнічуватися під впливом магнітного поля. А після припинення дії останнього залізо, магнітні властивості якого щойно сформувалися, ще надовго залишається магнітом. Такий феномен можна пояснити тим, що в структурі даного металу є безліч вільних електронівякі здатні пересуватися.

З погляду хімії

Цей елемент відноситься до металів середньої активності. Але хімічні властивості заліза є типовими і для всіх інших металів (крім тих, які знаходяться правіше водню в електрохімічному ряду). Воно здатне реагувати з багатьма класами речовин.

Почнемо з простих

Феррум вступає у взаємодію Космосу з кілородом, азотом, галогенами (йодом, бромом, хлором, фтором), фосфором, карбоном. Перше, що потрібно розглянути, – реакції з оксигеном. При спалюванні ферум утворюються його оксиди. Залежно від умов проведення реакції та пропорцій між двома учасниками вони можуть бути різноманітними. Як приклад такого роду взаємодій можна навести такі рівняння реакцій: 2Fe + O2 = 2FeO; 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 . І властивості оксиду заліза (як фізичні, і хімічні) можуть бути різноманітними, залежно з його різновиду. Такі реакції відбуваються при високих температурах.

Наступне – взаємодія з азотом. Воно також може статися лише за умови нагрівання. Якщо взяти шість молей заліза та один моль азоту, отримаємо два молі нітриду заліза. Рівняння реакції виглядатиме так: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.

При взаємодії із фосфором утворюється фосфід. Для проведення реакції необхідні такі компоненти: три моля феруму - один моль фосфору, у результаті утворюється один моль фосфіду. Рівняння можна записати так: 3Fe + P = Fe 3 P.

Крім того, серед реакцій із простими речовинами можна також виділити взаємодію із сіркою. При цьому можна одержати сульфід. Принцип, яким відбувається процес утворення даної речовини, подібний описаним вище. Саме відбувається реакція приєднання. Для всіх хімічних взаємодій подібні потрібні спеціальні умови, переважно це високі температури, рідше — каталізатори.

Також поширені у хімічній промисловості реакції між залізом та галогенами. Це хлорування, бромування, йодування, фторування. Як відомо з назв самих реакцій, це процес приєднання до атомів феруму атомів хлору/брому/йоду/фтору з утворенням хлориду/броміду/йодиду/фториду відповідно. Дані речовини широко використовують у різноманітних галузях промисловості. Крім того, ферум здатний з'єднуватися з кремнієм при високих температурах. Завдяки тому, що хімічні властивості заліза різноманітні, його часто використовують у хімічній галузі промисловості.

Феррум та складні речовини

Від простих речовинперейдемо до тих, молекули яких складаються із двох і більше різних хімічних елементів. Перше, що треба згадати, – реакцію феруму з водою. Тут виявляються основні властивості заліза. При нагріванні води разом із залізом утворюється (називається він так тому, що при взаємодії з тією ж водою утворює гідроксид, інакше кажучи – основу). Отже, якщо взяти по одному молю обох компонентів, утворюються такі речовини, як діоксид феруму та водень у вигляді газу з різким запахом – також у молярних пропорціях один до одного. Рівняння такого роду реакції можна записати так: Fe + H 2 O = FeO + H 2 . Залежно від пропорцій, в яких змішати ці два компоненти, можна отримати ді-або триоксид заліза. Обидві ці речовини дуже поширені у хімічній промисловості, а також використовуються в багатьох інших галузях.

З кислотами та солями

Оскільки ферум знаходиться лівіше водню в електрохімічному ряду активності металів, він здатний витісняти цей елемент зі сполук. Приклад цього є реакція заміщення, яку можна спостерігати при додаванні заліза до кислоти. Наприклад, якщо змішати в однакових молярних пропорціях залізо та сульфатну кислоту (вона ж сірчана) середньої концентрації, в результаті отримаємо сульфат заліза (ІІ) та водень у однакових молярних пропорціях. Рівняння такої реакції виглядатиме таким чином: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .

При взаємодії із солями виявляються відновлювальні властивостізаліза. Тобто за допомогою нього можна виділити менш активний метал із солі. Наприклад, якщо взяти один моль і стільки ж феруму, можна отримати сульфат заліза (ІІ) і чисту мідь в однакових молярних пропорціях.

Значення для організму

Один із найпоширеніших у земній корі хімічних елементів – залізо. ми вже розглянули, тепер підійдемо до нього з біологічної точки зору. Феррум виконує дуже важливі функції як у клітинному рівні, і лише на рівні всього організму. Насамперед залізо є основою такого білка, як гемоглобін. Він необхідний для транспортування кисню по крові від легень до всіх тканин, органів, кожної клітини організму, в першу чергу до нейронів головного мозку. Тому корисні властивостізаліза неможливо переоцінити.

Крім того, що він впливає на кровотворення, ферум також важливий для повноцінного функціонування щитовидної залози (для цього потрібен не тільки йод, як деякі вважають). Також залізо бере участь у внутрішньоклітинному обміні речовин, регулює імунітет. Ще ферум особливо великої кількості міститься у клітинах печінки, оскільки допомагає нейтралізувати шкідливі речовини. Також він є одним із головних компонентів багатьох видів ферментів нашого організму. У добовому раціоні людини має бути від десяти до двадцяти міліграм даного мікроелемента.

Продукти, багаті на залізо

Таких чимало. Вони є як рослинного, і тваринного походження. Перші - це злаки, бобові, крупи (особливо гречка), яблука, гриби (білі), сухофрукти, шипшина, груші, персики, авокадо, гарбуз, мигдаль, фініки, помідори, броколі, капуста, чорниця, ожина, селера та ін. Другі - печінка, м'ясо. Вживання продуктів з високим вмістом заліза особливо важливе в період вагітності, оскільки організм плода, що формується, вимагає великої кількості даного мікроелемента для повноцінного росту і розвитку.

Ознаки нестачі в організмі заліза

Симптомами надто малої кількості феруму, що надходить в організм, є втома, постійне замерзання рук і ніг, депресії, ламкість волосся та нігтів, зниження інтелектуальної активності, травні розлади, низька працездатність, порушення в роботі щитовидної залози. Якщо ви помітили кілька з цих симптомів, то варто збільшити кількість продуктів із вмістом заліза у своєму раціоні або купити вітаміни або харчові добавкиіз вмістом феруму. Також обов'язково потрібно звернутися до лікаря, якщо якісь із цих симптомів ви відчуваєте надто гостро.

Використання феруму у промисловості

Застосування та властивості заліза тісно пов'язані. У зв'язку з його феромагнітністю, його застосовують для виготовлення магнітів - як слабших для побутових цілей (сувенірні магніти на холодильник і т. д.), так і сильніших - для промислових цілей. У зв'язку з тим, що аналізований метал має високу міцність і твердість, його з давніх-давен використовували для виготовлення зброї, обладунків та інших військових та побутових інструментів. До речі, ще в Стародавньому Єгипті було відомо метеоритне залізо, характеристики якого перевершують такі у стандартного металу. Також таке особливе залізо використовувалося і в Стародавньому Римі. З нього виготовляли елітну зброю. Щит або меч, виконаний з метеоритного металу, міг мати тільки дуже багата і знатна людина.

Взагалі, метал, який ми розглядаємо в цій статті, є різнобічно використовується серед усіх речовин цієї групи. Насамперед, з нього виготовляються сталь та чавун, які застосовуються для виробництва різноманітних виробів, необхідних як у промисловості, так і у повсякденному житті.

Чавуном називається сплав заліза та вуглецю, в якому другого присутній від 1,7 до 4,5 відсотка. Якщо другого менше, ніж 1,7 відсотка, то такий сплав називається сталлю. Якщо вуглецю у складі є близько 0,02 відсотка, це вже звичайне технічне залізо. Присутність у сплаві вуглецю необхідна надання йому більшої міцності, термостійкості, стійкості до іржавінню.

Крім того, в сталі може міститися багато інших хімічних елементів як домішки. Це марганець, і фосфор, і кремній. Також у такого роду сплав для надання йому певних якостей можуть бути додані хром, нікель, молібден, вольфрам та багато інших хімічних елементів. Види сталі, в яких присутня велика кількість кремнію (близько чотирьох відсотків), використовуються як трансформаторні. Ті, у складі яких багато марганцю (аж до дванадцяти-чотирнадцяти відсотків), знаходять своє застосування при виготовленні деталей залізниць, млинів, дробарок та інших інструментів, частини яких схильні до швидкого стирання.

Молібден вводять до складу сплаву, щоб зробити його більш термостійким – такі сталі використовуються як інструментальні. Крім того, для отримання всім відомих і часто використовуваних у побуті у вигляді ножів та інших побутових інструментів нержавіючих сталей необхідне додавання до сплаву хрому, нікелю та титану. А щоб отримати ударостійку, високоміцну, пластичну сталь, досить додати до неї ванадій. При введенні до складу ніобію можна досягти високої стійкості до корозії та впливу хімічно агресивних речовин.

Мінерал магнетит, згаданий на початку статті, потрібен для виготовлення жорстких дисків, карток пам'яті та інших пристроїв подібного типу. Завдяки магнітним властивостям, залізо можна знайти у пристрої трансформаторів, двигунів, електронних виробів та ін. Крім того, ферум можуть додавати до сплавів інших металів для надання їм більшої міцності та механічної стійкості. Сульфат даного елемента застосовують у садівництві для боротьби зі шкідниками (поряд із сульфатом міді).

Чи є незамінними при очищенні води. Крім того, порошок магнетиту використовується у чорно-білих принтерах. Головний спосіб застосування піриту - отримання з нього сірчаної кислоти. Цей процес відбувається в лабораторних умовах у три етапи. На першій стадії пірит феруму спалюють, отримуючи при цьому оксид заліза та діоксид сірки. На другому етапі відбувається перетворення діоксиду сульфуру на його триоксид за участю кисню. І на завершальній стадії отриману речовину пропускають через у присутності каталізаторів, тим самим і отримуючи сірчану кислоту.

Отримання заліза

В основному видобувають цей метал із двох основних його мінералів: магнетиту та гематиту. Роблять це за допомогою відновлення заліза з його сполук вуглецем як коксу. Робиться це в доменних печах, температура яких досягає двох тисяч градусів за шкалою Цельсія. Крім того, є спосіб відновлення ферум воднем. Для цього необов'язкова наявність доменної печі. Для здійснення даного методуберуть спеціальну глину, змішують її з подрібненою рудою та обробляють воднем у шахтній печі.

Висновок

Властивості та застосування заліза різноманітні. Це, мабуть, найважливіший у нашому житті метал. Ставши відомим людству, він зайняв місце бронзи, яка на той момент була основним матеріалом для виготовлення всіх знарядь праці та зброї. Сталь і чавун багато в чому перевершують метал міді з оловом з погляду своїх фізичних властивостей, стійкості до механічних впливів.

Крім того, залізо на нашій планеті більш поширене, ніж багато інших металів. його у земній корі становить майже п'ять відсотків. Це четвертий за поширеністю у природі хімічний елемент. Також цей хімічний елемент дуже важливий для нормального функціонування організму тварин і рослин, насамперед тому, що на його основі побудовано гемоглобін. Залізо є найважливішим мікроелементом, вживання якого важливе для підтримки здоров'я та нормальної роботи органів. Крім вищепереліченого, це єдиний метал, який має унікальні магнітні властивості. Без феруму неможливо уявити наше життя.

Історія

Залізо, як інструментальний матеріал, відоме з найдавніших часів. Найдавніші вироби із заліза, знайдені при археологічних розкопках, датуються 4-м тисячоліттям до н. е. і відносяться до давньошумерської та давньоєгипетської цивілізацій. Це виготовлені з метеоритного заліза, тобто сплаву заліза та нікелю (зміст останнього коливається від 5 до 30 %), прикраси з єгипетських гробниць (близько 3800 до н. е.) та кинджал з шумерського міста Ура (близько 3100 до н.е.). е.). Від небесного походження метеоритного заліза походить, мабуть, одна з назв заліза в грецькій та латинській мовах: «сидер» (що означає «зірковий»).

Вироби із заліза, отриманого виплавкою, відомі з часу розселення арійських племен з Європи в Азію, острови Середземного моря, і далі (кінець 4-го та 3-го тисячоліття до н.е.). Найдавніші залізні інструменти з відомих - сталеві леза, знайдені в кам'яній кладці піраміди Хеопса в Єгипті (побудована близько 2530 до н.е.). Як показали розкопки в Нубійській пустелі, вже в ті часи єгиптяни, намагаючись відокремити золото, що видобувається від важкого магнетитового піску, прожарювали руду з висівками і подібними речовинами, що містять вуглець. В результаті на поверхні розплаву золота випливав шар тістоподібного заліза, який обробляли окремо. З цього заліза кувалися гармати, зокрема знайдені у піраміді Хеопса. Однак після онука Хеопса Менкаура (2471-2465 рік до н. е..) в Єгипті настала смута: знати на чолі зі жерцями бога Ра скинула правлячу династію, і почалася чехарда узурпаторів, яка закінчилася зацарюванням фараона наступної династії Усеркара, самого бога Ра (з того часу це стало офіційним статусом фараонів). У ході цієї смути культурні та технічні знання єгиптян занепали, і, так само як деградувало мистецтво будівництва пірамід, технологія виробництва заліза була втрачена, аж до того, що пізніше, освоюючи в пошуках мідної руди Синайський півострів, єгиптяни не звернули жодної уваги на які були там поклади залізняку, а отримували залізо від сусідніх хетів і мітаннійців.

Перші освоїли виробництва заліза хати , цього вказує найдавніше (2-е тисячоліття е.) згадка заліза у текстах хетів , які заснували свою імперію біля хаттів (сучасної Анатолії Туреччини). Так, у тексті хетського царя Анітти (близько 1800 року до н.е.(наша ера)) говориться:

Коли на місто Пурусханду в похід я пішов, людина з міста Пурусханди до мене вклонитися прийшла (…?) і вона мені 1 залізний трон і 1 залізний скіпетр (?) на знак покірності (?) підніс…

(джерело: Гіоргадзе Г. Г.// Вісник давньої історії. 1965. № 4.)

У давнину майстрами залізних виробів мали славу халіби. У легенді про аргонавтів (їх похід у Колхіду відбувся приблизно за 50 років до троянської війни) розповідається, що цар Колхіди Еєт дав Ясону залізний плуг, щоб він зорав поле Ареса, і описуються його піддані халібери:

Вони не орють землю, не садять плодові дерева, не пасуть череди на опасистих луках; вони видобувають руду та залізо з необробленої землі та вимінюють на них продукти харчування. День не починається для них без тяжкої праці, у темряві ночі та густому диму проводять вони, працюючи весь день.

Аристотель описав їх спосіб одержання сталі: «халіби кілька разів промивали річковий пісок їхньої країни - цим виділяючи чорний шліх (важка фракція що складається переважно з магнетиту і гематиту), і плавили печах; отриманий таким чином метал мав сріблястий колір і був нержавіючий».

В якості сировини для виплавки стали використовувалися магнетитові піски, які часто зустрічаються по всьому узбережжю Чорного моря: ці магнетитові піски складаються з суміші дрібних зерен магнетиту, титано-магнетиту або ільменіту, і уламків інших порід, так що сплав, що виплавляється халібами, була легованою, і мала Чудові якості. Такий своєрідний спосіб отримання заліза свідчить, що халіби лише поширили залізо як технологічний матеріал, та його спосіб було методом повсюдного промислового виробництва залізних виробів. Однак їх виробництво послужило поштовхом для подальшого розвиткузаліза металургії.

У самій давнинузалізо цінувалося дорожче золота, і за описом Страбона, у африканських племен за 1 фунт заліза давали 10 фунтів золота, а за дослідженнями історика Г. Арешяна вартості міді, срібла, золота та заліза у стародавніх хетів були у співвідношенні 1: 160: 128 У ті часи залізо використовувалося як ювелірний метал, з нього робили трони та інші регалії. царської влади: наприклад, у біблійній книзі Повторення Закону 3,11 описаний «одр залізний» рефаїмського царя Ога.

У гробниці Тутанхамона (близько 1350 року до зв. е.) було знайдено кинджалів із заліза у золотий оправі - можливо, подарований хетами з дипломатичних цілях. Але хети не прагнули широкого поширення заліза та його технологій, що видно і з листування єгипетського фараона Тутанхамона і його тестя Хаттусиля - царя хетів. Фараон просить надіслати більше заліза, а цар хетів ухильно відповідає, що запаси заліза вичерпалися, а ковалі зайняті на сільськогосподарських роботах, тому він не може виконати прохання царственого зятя, і посилає лише один кинджал з «хорошого заліза» (тобто стали). Як видно, хети намагалися використати свої знання для досягнення військових переваг, і не давали іншим можливості зрівнятися з ними. Мабуть, тому залізні вироби набули широкого поширення тільки після Троянської війниі падіння держави хетів, коли завдяки торговельній активності греків технологія заліза стала відомою багатьом, і відкрили нові родовища заліза і рудники. Так на зміну «Бронзовому» віку настав вік «Залізний».

За описами Гомера, хоча під час Троянської війни (приблизно 1250 до н.е.(наша ера)) зброя була в основному з міді та бронзи, але залізо вже було добре відоме і користувалося великим попитом, хоча більше як дорогоцінний метал. Наприклад, у 23-й пісні «Іліади» Гомер розповідає, що Ахілл нагородив диском із залізного крику переможця у змаганні з метання диска. Це залізо ахейці добували у троянців та суміжних народів (Іліада 7,473), у тому числі у халібів, які воювали на боці троянців.

«Інші мужі ахейські міною вино купували,
Ті за дзвінку мідь, за сиве залізо міняли,
Ті за волові шкіри або волів круторігих,
Ті за своїх полонених. І бенкет приготовлений веселий ... »

Можливо, залізо було однією з причин, що спонукали греків-ахейців рушити до Малої Азії, де вони дізналися секрети його виробництва. А розкопки в Афінах показали, що вже близько 1100 до н. е. і пізніше вже були поширені залізні мечі, списи, сокири, і навіть залізні цвяхи. У біблійній книзі Ісуса Навина 17,16 (пор. Суддів 14,4) описується, що филистимляни (біблійні «PILISTIM», а це були протогрецькі племена, споріднені з пізніми еллінами, переважно пеласги) мали безліч залізних колісниць, тобто в це час залізо вже стало широко застосовуватися в великих кількостях.

Гомер в «Іліаді» та «Одіссеї» називає залізо «многотрудний метал», і описує загартування знарядь:

«Роспішний ковач, виготовивши сокиру чи сокиру,
У воду метал, розжаривши його, щоб подвійну
Він фортецю мав, занурює…»

Гомер називає залізо багатотрудним, тому що в давнину основним методом його отримання був сиродутний процес: шари залізної руди, що перемежовуються, і деревного вугілля прожарювалися в спеціальних печах (гірницях - від древнього «Horn» - ріг, труба, спочатку це була просто труба, вирита в землі зазвичай горизонтально в схилі яру). У горні окисли заліза відновлюються до металу розпеченим вугіллям, який відбирає кисень, окислюючись до окису вуглецю, і в результаті такого прожарювання руди з вугіллям виходило тістоподібне кричне залізо. Крицю очищали від шлаків куванням, вичавлюючи домішки сильними ударами молота. Перші горни мали порівняно низьку температуру - помітно менше температури плавлення чавуну, тому залізо виходило порівняно маловуглецевим. Щоб отримати міцну сталь, доводилося багато разів прожарювати і проковувати залізну крицю з вугіллям, при цьому поверхневий шар металу додатково насичувався вуглецем і зміцнювався. Так виходило «хороше залізо» - і це вимагало великих праць, вироби, отримані в такий спосіб, були значно міцнішими і твердими, ніж бронзові.

Надалі навчилися робити більш ефективні печі (у російській - домна, домниця) для виробництва сталі, і застосували хутра для подачі повітря в горн. Вже римляни вміли доводити температуру печі до плавлення сталі (близько 1400 градусів, а чисте залізо плавиться при 1535 градусах). При цьому утворюється чавун з температурою плавлення 1100-1200 градусів, дуже тендітний в твердому стані (навіть не піддається ковці) і не має пружності сталі. Спочатку його вважали шкідливим побічним продуктом (англ. pig iron, По-російськи, свинське залізо, чушки, звідки, власне, і походить слово чавун), але потім виявилося, що при повторній переплавці в печі з посиленим продуванням через нього повітря, чавун перетворюється на сталь гарної якості, так як зайвий вуглець вигоряє. Такий двостадійний процес виробництва сталі з чавуну виявився простішим і вигіднішим, ніж кричний, і цей принцип використовується без особливих змін багато століть, залишаючись і до наших днів основним способом виробництва залізних матеріалів.

Бібліографія: Карл Бакс.Багатства земних надр. М.: Прогрес, 1986, стор 244, глава «Залізо»

походження назви

Є кілька версій походження слов'янського слова «залізо» (білор. залізо, укр. залізо, ст.-слав. залізо, болг. залізо, сербохорв. Жезезо, польськ. żelazo, чеш. щоlezo, словенний. щоlezo).

Одна із етимологій пов'язує праслав. *žeліzo з грецьким словом χαλκός , що означало залізо та мідь, згідно з іншою версією *žeліzoспоріднений словами *žeли«черепаха» та *glazъ«скеля», із загальною симою «камінь». Третя версія передбачає давнє запозичення з невідомої мови.

Німецькі мови запозичили назву заліза (гот. eisarn, англ. ironнім. Eisenнідерл. ijzer, дат. jern, швед. järn) з кельтських.

Пракельтське слово *isarno-(> др.-ірл. iarn, др.-брет. hoiarn), ймовірно, сходить до пра-і. *h 1 esh 2 r-no- «кривавий» із семантичним розвитком «кривавий» > «червоний» > «залізо». Відповідно до іншої гіпотезі це слово перегукується з пра-и.е. *(H)ish 2 ro- «сильний, святий, що має надприродну силу» .

Давньогрецьке слово σίδηρος , можливо, було запозичено з того ж джерела, що й слов'янське, німецьке та балтійське слова для срібла.

Назва природного карбонату заліза (сидериту) походить від лат. sidereus- зірковий; дійсно, перше залізо, що потрапило до рук людей, було метеоритного походження. Можливо, цей збіг не випадковий. Зокрема давньогрецьке слово сидерос (σίδηρος)для заліза та латинське sidus, Що означає "зірка", ймовірно, мають загальне походження.

Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54 Fe (ізотопна поширеність 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) та 58 Fe (0,282%). Також відомо більше 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числамивід 45 до 72, найбільш стійкі з яких - 60 Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даними становить 2,6 мільйона років), 55 Fe (2,737 року), 59 Fe (44,495 діб) та 52 Fe (8,275 години); інші ізотопи мають період напіврозпаду менше 10 хвилин.

Ізотоп заліза 56 Fe відноситься до найбільш стабільних ядер: все наступні елементиможуть зменшити енергію зв'язку на нуклон шляхом розпаду, проте попередні елементи, у принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон рахунок синтезу. Вважають, що залізом закінчується ряд синтезу елементів у ядрах нормальних зірок (див. Залізна зірка), проте наступні елементи можуть утворитися лише результаті вибухів наднових .

Геохімія заліза

Гідротермальне джерело із залізистою водою. Оксиди заліза фарбують воду у бурий колір

Залізо - один із найпоширеніших елементів у Сонячній системі, особливо на планетах земної групизокрема на Землі. Значна частина заліза планет земної групи перебуває у ядрах планет, де його вміст, за оцінками, близько 90%. Вміст заліза у земній корі становить 5 %, а мантії близько 12 %. З металів залізо поступається за поширеністю в корі тільки алюмінію. При цьому в ядрі знаходиться близько 86% заліза, а в мантії 14%. Вміст заліза значно підвищується у вивержених породах основного складу, де він пов'язаний з піроксеном, амфіболом, олівіном та біотитом. У промислових концентраціях залізо накопичується протягом багатьох екзогенних і ендогенних процесів, що відбуваються в земній корі. У морській воді залізо міститься у дуже малих кількостях 0,002-0,02 мг/л. У річковій воді трохи вище – 2 мг/л.

Геохімічні властивості заліза

Найважливіша геохімічна особливість заліза - наявність у нього кількох ступенів окиснення. Залізо в нейтральній формі - металеве - складає ядро ​​землі, можливо, є в мантії і дуже рідко зустрічається в земній корі. Закисне залізо FeO - основна форма знаходження заліза в мантії та земній корі. Окисне залізо Fe 2 O 3 характерне для верхніх, найбільш окислених, частин земної кори, зокрема, осадових порід.

За кристалохімічними властивостями іон Fe 2+ близький до іонів Mg 2+ і Ca 2+ - інших основних елементів, що становлять значну частину всіх земних порід. В силу кристалохімічної подібності залізо заміняє магній і, частково, кальцій у багатьох силікатах. При цьому вміст заліза у мінералах змінного складу зазвичай збільшується із зменшенням температури.

Мінерали заліза

Відомо велике числоруд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоний залізняк (гематит, Fe 2 O 3 ; містить до 70 % Fe), магнітний залізняк (магнетит , FeFe 2 O 4 , Fe 3 O 4 ; містить 72,4 % Fe), бурий залізняк або лимоніт (гетит і гідрогетит, відповідно FeOOH та FeOOH·nH 2 O). Гетит і гідрогетит найчастіше зустрічаються в корах вивітрювання, утворюючи так звані «залізні капелюхи», потужність яких сягає кількох сотень метрів. Також вони можуть мати осадове походження, випадаючи з колоїдних розчинівв озерах чи прибережних зонах морів. При цьому утворюються оолітові або бобові, залізні руди. Вони часто зустрічається вівіаніт Fe 3 (PO 4) 2 · 8H 2 O, що утворює чорні подовжені кристали і радіально-променисті агрегати .

У природі також поширені сульфіди заліза - пірит FeS 2 (сірчаний чи залізний колчедан) і пирротин . Вони не є залізною рудою – пірит використовують для отримання сірчаної кислоти, а пірротин часто містить нікель та кобальт.

За запасами залізняку Росія посідає перше місце у світі. Вміст заліза у морській воді - 1·10 −5 -1·10 −8 %.

Інші мінерали заліза, що часто зустрічаються:

• Сидерит – FeCO 3 – містить приблизно 35 % заліза. Має жовтувато-білий (з сірим або коричневим відтінком у разі забруднення) кольором. Щільність дорівнює 3 г/см і твердість 3,5-4,5 за шкалою Моосу.
• Марказит – FeS 2 – містить 46,6 % заліза. Зустрічається у вигляді жовтих, як латунь, біпірамідальних ромбічних кристалів із щільністю 4,6-4,9 г/см³ та твердістю 5-6 за шкалою Моосу.
• Леллінгіт – FeAs 2 – містить 27,2 % заліза і зустрічається у вигляді сріблясто-білих біпірамідальних ромбічних кристалів. Щільність дорівнює 7-7,4 г/см3, твердість 5-5,5 за шкалою Моосу.
• Міспікель – FeAsS – містить 34,3 % заліза. Зустрічається у вигляді білих моноклинних призм із щільністю 5,6-6,2 г/см³ та твердістю 5,5-6 за шкалою Моосу.
• Мелантерит - FeSO 4 ·7H 2 O - рідше зустрічається в природі і являє собою зелені (або сірі через домішки) моноклінні кристали, що мають скляний блиск, крихкі. Щільність дорівнює 1,8-1,9 г/см3.
• Вівіаніт - Fe 3 (PO 4) 2 ·8H 2 O - зустрічається у вигляді синьо-сірих або зелено-сірих моноклинних кристалів із щільністю 2,95 г/см³ та твердістю 1,5-2 за шкалою Моосу.

Крім вищеописаних мінералів заліза існують, наприклад:

Основні родовища

За даними Геологічної служби США (оцінка 2011 р.), світові розвідані запаси залізняку становлять близько 178 млрд тонн. Основні родовища заліза знаходяться у Бразилії (1 місце), Австралії, США, Канаді, Швеції, Венесуелі, Ліберії, Україні, Франції, Індії. У Росії залізо видобувається на Курській магнітній аномалії (КМА), Кольському півострові, у Карелії та в Сибіру. Значну роль останнім часом набувають донні океанські родовища, у яких залізо разом із марганцем та інші цінними металами перебуває у конкреціях.

Отримання

У промисловості залізо отримують із залізної руди, в основному з гематиту (Fe 2 O 3) та магнетиту (FeO·Fe 2 O 3).

Існують різні способивилучення заліза із руд. Найбільш поширеним є доменний процес.

Перший етап виробництва – відновлення заліза вуглецем у доменній печі при температурі 2000 °C. У доменній печі вуглець у вигляді коксу, залізна руда у вигляді агломерату або котунів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік гарячого повітря, що нагнітається.

У печі вуглець як коксу окислюється до монооксиду вуглецю . Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню:

У свою чергу монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб ця реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза (III):

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак - метасилікат кальцію:

Шлак, на відміну діоксиду кремнію, плавиться в печі. Більш легкий, ніж залізо, шлак плаває лежить на поверхні - це властивість дозволяє розділяти шлак від металу. Шлак потім може використовуватися при будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий в доменній печі містить досить багато вуглецю (чавун). Крім таких випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він потребує подальшої переробки.

Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням у мартенівських печах або конвертерах. Електричні печі використовуються для виплавки легованих сталей.

Окрім доменного процесу, поширений процес прямого одержання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи котуни. Окатиші обпалюють і обробляють у шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:

при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками як сірка та фосфор, які є звичайними домішками в кам'яному куті. Залізо виходить у твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.

Хімічно чисте залізо виходить електролізом розчинів його солей.

Фізичні властивості

Явище поліморфізму надзвичайно важливе для металургії сталі. Саме завдяки α-γ переходам кристалічних ґрат відбувається термообробка сталі . Без цього явища залізо як основа стали не набуло б такого широкого застосування.

Залізо відноситься до помірно тугоплавкого металу. Серед стандартних електродних потенціалів залізо стоїть до водню і легко реагує з розведеними кислотами. Таким чином, залізо відноситься до металів середньої активності.

Температура плавлення заліза 1539 °C, температура кипіння – 2862 °C.

Хімічні властивості

Характерні ступені окислення

• Кислота у вільному вигляді не існує - отримані лише її солі.

Для заліза характерні ступені окислення заліза - +2 та +3.

Ступеня окислення +2 відповідає чорний оксид FeO і зелений гідроксид Fe(OH) 2 . Вони мають основний характер. У солях Fe(+2) є у вигляді катіону. Fe(+2) – слабкий відновник.

Ступені окислення +3 відповідають червоно-коричневий оксид Fe 2 O 3 і коричневий гідроксид Fe(OH) 3 . Вони мають амфотерний характер, хоч і кислотні, і основні властивості у них виражені слабо. Так, іони Fe 3+ націло гідролізуються навіть у кислому середовищі. Fe(OH) 3 розчиняється (і то не повністю), тільки в концентрованих лугах. Fe 2 O 3 реагує з лугами тільки при сплавленні, даючи ферити (формальні солі кислоти неіснуючої у вільному вигляді кислоти HFeO 2):

Залізо (+3) найчастіше виявляє слабкі окисні властивості.

Ступені окислення +2 і +3 легко переходять між собою за зміни окислювально-відновних умов.

Крім того, існує оксид Fe 3 O 4 формальний ступінь окислення заліза в якому +8/3. Однак цей оксид можна розглядати як ферит заліза (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2 .

Також існує ступінь окиснення +6. Відповідного оксиду та гідроксиду у вільному вигляді не існує, але отримані солі - ферати (наприклад, K 2 FeO 4). Залізо (+6) знаходиться у них у вигляді аніону. Феррат є сильними окислювачами.

Властивості простої речовини

При зберіганні повітря при температурі до 200 °C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду , що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу та його руйнуванню. Іржа не має постійного хімічного складу, приблизно її хімічну формулу можна записати як Fe 2 O 3 ·xH 2 O.

З'єднання заліза (II)

Оксид заліза(II) FeO має основні властивості, йому відповідає основа Fe(OH) 2 . Солі заліза (II) мають світло-зелений колір. При їх зберіганні, особливо у вологому повітрі, вони коричневіють за рахунок окиснення до заліза (III). Такий самий процес протікає при зберіганні водних розчинівсолей заліза(II):

З солей заліза(II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 O.

Реактивом на іони Fe 2+ у розчині може служити гексаціаноферрат(III) калію K 3 (червона кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe 2+ та 3− випадає осад турнбулевої сині:

Для кількісного визначення заліза (II) у розчині використовують фенантролін Phen, що утворює із залізом (II) червоний комплекс FePhen 3 (максимум світлопоглинання - 520 нм) у широкому діапазоні рН (4-9).

З'єднання заліза (III)

З'єднання заліза(III) у розчинах відновлюються металевим залізом:

Залізо(III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO 4) 2 - залізокалієві галун, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - залізоамонійні галун і т. д.

Для якісного виявлення у розчині сполук заліза(III) використовують якісну реакціюіонів Fe 3+ з тіоціанат-іонами SCN − . При взаємодії іонів Fe 3+ з аніонами SCN − утворюється суміш яскраво-червоних роданідних комплексів заліза 2+ , + , Fe(SCN) 3 , - . Склад суміші (а отже, і інтенсивність її забарвлення) залежить від різних факторів, тому для точного якісного визначення заліза цей метод не застосовується.

Іншим якісним реактивом на іони Fe 3+ є гексаціаноферрат(II) калію K 4 (жовта кров'яна сіль). При взаємодії іонів Fe 3+ та 4− випадає яскраво-синій осад берлінської блакиті:

З'єднання заліза (VI)

Окисні властивості ферратів використовують для знезараження води.

З'єднання заліза VII та VIII

Є повідомлення про електрохімічне одержання сполук заліза(VIII). , , , однак незалежних робіт, що підтверджують ці результати, немає.

Застосування

Залізна руда

Залізо - один із найбільш використовуваних металів, на нього припадає до 95% світового металургійного виробництва.

• Залізо є основним компонентом сталей та чавунів – найважливіших конструкційних матеріалів.
• Залізо може входити до складу сплавів на основі інших металів – наприклад, нікелевих.
• Магнітний окис заліза (магнетит) – важливий матеріал у виробництві пристроїв довгострокової комп'ютерної пам'яті: жорстких дисків, дискет тощо.
• Ультрадисперсний порошок магнетиту використовується у багатьох чорно-білих лазерних принтерах у суміші з полімерними гранулами як тонер. Тут одночасно використовується чорний колір магнетиту та його здатність прилипати до намагніченого валика перенесення.
• Унікальні феромагнітні властивості ряду сплавів на основі заліза сприяють їх широкому застосуванню в електротехніці для магнітопроводів трансформаторів та електродвигунів.
• Хлорид заліза (III) (хлорне залізо) використовується в радіоаматорській практиці для травлення друкованих плат.
• Семиводний сульфат заліза (залізний купорос) у суміші з мідним купоросом використовується для боротьби зі шкідливими грибками у садівництві та будівництві.
• Залізо застосовується як анод в залізо-нікелевих акумуляторах, залізо-повітряних акумуляторах.
• Водні розчини хлоридів двовалентного та тривалентного заліза, а також його сульфатів використовуються як коагулянти в процесах очищення природних і стічних водна водопідготовці промислових підприємств

Біологічне значення заліза

У живих організмах залізо є важливим мікроелементом, який каталізує процеси обміну киснем (дихання). В організмі дорослої людини міститься близько 3,5 г заліза (близько 0,02 %), з яких 78 % є головним діючим елементомгемоглобіну крові, решта входить до складу ферментів інших клітин, каталізуючи процеси дихання у клітинах. Нестача заліза проявляється як хвороба організму (хлороз у рослин та анемія у тварин).

Зазвичай залізо входить у ферменти як комплексу, званого гемом . Зокрема, цей комплекс присутній у гемоглобіні – найважливішому білку, що забезпечує транспорт кисню з кров'ю до всіх органів людини та тварин. І саме він забарвлює кров у характерний червоний колір.

Комплекси заліза, відмінні від гема, зустрічаються, наприклад, у ферменті метан-моноксигеназі, що окислює метан у метанол, у важливому ферменті рибонуклеотид-редуктазі, який бере участь у синтезі ДНК.

Неорганічні сполуки заліза зустрічаються в деяких бактеріях, іноді використовується для зв'язування азоту повітря.

В організм тварин і людини залізо надходить з їжею (найбагатші їм печінка, м'ясо, яйця, бобові, хліб, крупи, буряк). Цікаво, що колись шпинат помилково було внесено до цього списку (через друкарські помилки в результатах аналізу - було втрачено «зайвий» нуль після коми).

Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може чинити токсичну дію. Передозування заліза гнітить антиоксидантну систему організму, тому вживати препарати заліза здоровим людям не рекомендується.

Примітки

1. Хімічна енциклопедія: в 5 т/Редкол.: Кнунянц І. Л. (гл. ред.). – М.: Радянська енциклопедія, 1990. – Т. 2. – С. 140. – 671 с. - 100 000 екз.
2. Карапетьянц М. Х., Дракін С. І.Загальна та неорганічна хімія: Підручник для вузів. - 4-те вид., Стер. - М: Хімія, 2000, ISBN 5-7245-1130-4, с. 529
3. М. Фасмер.Етимологічний словник російської. - Прогрес. – 1986. – Т. 2. – С. 42-43.
4. Трубачов О. Н.Слов'янська етимологія. // Запитання слов'янського мовознавства, № 2, 1957.
5. Boryś W. Słownik етимологічний zyzyka polskiego. - Краков: Wydawnictwo Literackie. – 2005. – С. 753-754.
6. Walde A. Lateinisches etymologisches Wörterbuch. - Carl Winter's Universitätsbuchhandlung. – 1906. – С. 285.
7. Мейє А.Основні особливості німецької групимов. - УРСС. – 2010. – С. 141.
8. Matasović R. Etymological Dictionary of Proto-Celtic. - Brill. – 2009. – С. 172.
9. Mallory, J. P., Adams, D. Q. Encyclopedia of Indo-European Culture. - Fitzroy-Dearborn. – 1997. – P. 314.
10. "New Measurement of the 60 Fe Half-Life". Physical Review Letters 103 : 72502. DOI :10.1103/PhysRevLett.103.072502 .
11. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot та A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
12. Ю. М. Широков, Н. П. Юдін.Ядерна фізика. М: Наука, 1972. Глава Ядерна космофізика.
13. Р. Ріпан, І. Четяну.Неорганічна хімія // Хімія неметалів = Chimia metalelor. - Москва: Світ, 1972. - Т. 2. - С. 482-483. – 871 с.
14. Gold and Precious Metals
15. Металознавство та термічна обробка сталі. справ. вид. У 3-х т. / За ред. М. Л. Берштейна, А. Р. Рахштадта. - 4-те вид., перероб. та дод. Т. 2. Основи термічної обробки. У 2-х кн. Кн. 1. М: Металургія, 1995. 336 с.
16. T. Takahashi & W.A. Bassett, "High-Pressure Polymorph of Iron," Science, Vol. 145 # 3631, 31 Jul 1964, p 483-486.
17. Schilt A. Analytical Application of 1,10-phenantroline and Related Compounds. Oxford, Pergamon Press, 1969.
18. Лурье Ю. Ю. Довідник з аналітичної хімії. М., Хімія, 1989. З. 297.
19. Лурье Ю. Ю. Довідник з аналітичної хімії. М., Хімія, 1989, З. 315.
20. Брауер Р. (ред.) Посібник із неорганічного синтезу. т. 5. М., Світ, 1985. С. 1757-1757.
21. Ремі Г. Курс неорганічної хімії. т. 2. М., Світ, 1966. З. 309.
22. Кисельов Ю. М., Копєлєв Н. С., Спіцин В. І., Мартиненко Л. І. Восьмивалентне залізо // Докл. АН СРСР. 1987. Т.292. С.628-631
23. Перфільєв Ю. Д., Копєлєв Н. С., Кисельов Ю. М., Спіцин В. І. Месбауерівське дослідження восьмивалентного заліза // Докл. АН СРСР. 1987. T.296. С.1406-1409
24. Kopelev N.S., Kiselev Yu.M., Perfiliev Yu.D. Мосбауер spectroscopy ofoxocomplexes ірон в highher oxidation states // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1992. V.157. Р.401-411.
25. «Норми фізіологічних потреб у енергії та харчових речовин для різних груп населення Російської Федерації» МР 2.3.1.2432-08

Джерела (до розділу Історія)

• Г. Г. Гіоргадзе.«Текст Анітти» та деякі питання ранньої історії хетів
• Р. М. Абрамішвілі.До питання про освоєння заліза біля Східної Грузії, ВГМГ, XXII-В, 1961.
• Хахутайшвілі Д. А.До історії давньоколхської металургії заліза. Питання стародавньої історії (Кавказько-близькосхідний збірник, вип. 4). Тбілісі, 1973.
• Геродот."Історія", 1:28.
• Гомер."Іліада", "Одіссея".
• Вергілій."Енеїда", 3:105.
• Арістотель.«Про неймовірні чутки», II, 48. ВДІ, 1947 № 2, стор 327.
• Ломоносов М. В.Перші основи металургії.

Див. також

• Категорія:З'єднання заліза

Посилання

• Хвороби, спричинені недоліком та надлишком заліза в організмі людини

Конвертер довжини та відстані Конвертер маси Конвертер мір об'єму сипких продуктів і продуктів харчування Конвертер площі Конвертер об'єму та одиниць вимірювання в кулінарних рецептах Конвертер температури Конвертер тиску, механічної напруги, модуля Юнга Конвертер енергії та роботи Конвертер сили Конвертер сили Конвертер часу теплової ефективності та паливної економічності Конвертер чисел у різних системах числення Конвертер одиниць вимірювання кількості інформації Курси валют Розміри жіночого одягу та взуття Розміри чоловічого одягу та взуття Конвертер кутової швидкості та частоти обертання Конвертер прискорення Конвертер кутового прискоренняКонвертер щільності Конвертер питомого об'єму Конвертер моменту інерції Конвертер моменту сили Конвертер питомої теплоти згоряння (за масою) Конвертер щільності енергії та питомої теплоти згоряння палива (за обсягом) Конвертер різниці температур Конвертер коефіцієнта теплового розширення Конвертер тепла Конвертер енергетичної експозиції та потужності теплового випромінювання Конвертер щільності теплового потоку Конвертер коефіцієнта тепловіддачі Конвертер об'ємної витрати Конвертер масової витрати Конвертер молярної витрати Конвертер щільності потоку маси Конвертер молярної концентраціїКонвертер масової концентрації в розчині Конвертер динамічної (абсолютної) в'язкості Конвертер кінематичної в'язкості Конвертер поверхневого натягу Конвертер паропроникності Конвертер паропроникності та швидкості переносу пари Конвертер рівня звуку Конвертер чутливості мікрофонів Конвертер рівня звукового тиску Конвертер рівня звукового тиску (SPL) Конвертер рівня звукового тиску (SPL) сили світла Конвертер освітленості Конвертер дозволу в комп'ютерної графікиКонвертер частоти та довжини хвилі Оптична силав діоптріях та фокусна відстань Оптична сила в діоптріях та збільшення лінзи (×) Конвертер електричного заряду Конвертер лінійної щільності заряду Конвертер поверхневої щільностізаряду Конвертер об'ємної щільностізаряду Конвертер електричного струму Конвертер лінійної щільності струму Конвертер поверхневої щільності струму Конвертер напруженості електричного поляКонвертер електростатичного потенціалу та напруги Конвертер електричного опору Конвертер питомого електричного опору Конвертер електричної провідностіКонвертер питомої електричної провідності Електрична ємність Конвертер індуктивності Конвертер Американського калібру проводів Рівні в dBm (дБм або дБмВт), dBV (дБВ), ватах та ін одиницях Конвертер магніторушійної сили магнітного потокуКонвертер магнітної індукції Радіація. Конвертер потужності поглиненої дози іонізуючого випромінювання Радіоактивність. Конвертер радіоактивного розпаду Радіація. Конвертер експозиційної дози. Конвертер поглиненої дози Конвертер десяткових приставок Передача даних Конвертер одиниць типографіки та обробки зображень Конвертер одиниць вимірювання об'єму лісоматеріалів Обчислення молярної маси Періодична система хімічних елементів Д. І. Менделєєва

Хімічна формула

Молярна маса Fe 2 O 3 , оксид заліза (III) 159.6882 г/моль

55,845·2+15,9994·3

Масові частки елементів у поєднанні

Використання калькулятора молярної маси

• Хімічні формули потрібно вводити з урахуванням регістру
• Індекси вводяться як звичайні числа
• Крапка на середньої лінії(знак множення), що застосовується, наприклад, у формулах кристалогідратів, замінюється звичайною точкою.
• Приклад: замість CuSO₄·5H₂O у конвертері для зручності введення використовується написання CuSO4.5H2O .

Калькулятор молярної маси

Міль

Усі речовини складаються з атомів та молекул. У хімії важливо точно вимірювати масу речовин, що вступають у реакцію і утворюються в результаті неї. За визначенням моль - це кількість речовини, яка містить стільки ж структурних елементів(атомів, молекул, іонів, електронів та інших частинок або їх груп), скільки міститься атомів у 12 грамах ізотопу вуглецю з відносною атомною масою 12. Це число називається постійною або числом Авогадро і дорівнює 6,02214129(27)×10²³ моль⁻¹ .

Число Авогадро N A = 6.02214129(27)×10²³ моль⁻¹

Тобто моль - це кількість речовини, що дорівнює за масою сумі атомних мас атомів і молекул речовини, помножене на число Авогадро. Одиниця кількості речовини моль є одним із семи основних одиниць системи СІ і позначається моль. Оскільки назва одиниці та її умовне позначення збігаються, слід зазначити, що умовне позначення не схиляється на відміну від назви одиниці, яку можна схиляти за звичайними правилами російської мови. За визначенням один моль чистого вуглецю-12 дорівнює точно 12 г.

Молярна маса

Молярна маса - фізична властивість речовини, що визначається як відношення маси цієї речовини до кількості речовини в молях. Інакше кажучи, це маса одного молячи речовини. У системі СІ одиницею молярної маси є кілограм/моль (кг/моль). Однак хіміки звикли користуватися зручнішою одиницею г/моль.

молярна маса = г/моль

Молярна маса елементів та сполук

Сполуки - речовини, що складаються з різних атомів, які хімічно пов'язані один з одним. Наприклад, наведені нижче речовини, які можна знайти на кухні у будь-якої господині, є хімічними сполуками:

• сіль (хлорид натрію) NaCl
• цукор (сахароза) C₁₂H₂₂O₁₁
• оцет (розчин оцтової кислоти) CH₃COOH

Молярна маса хімічних елементів у грамах на моль чисельно збігається з масою атомів елемента, що у атомних одиницях маси (або дальтонах). Молярна маса сполук дорівнює сумі молярних мас елементів, у тому числі складається з'єднання, з урахуванням кількості атомів у соединении. Наприклад, молярна маса води (H₂O) приблизно дорівнює 2 × 2 + 16 = 18 г/моль.

Молекулярна маса

Молекулярна маса (стара назва – молекулярна вага) – це маса молекули, розрахована як сума мас кожного атома, що входить до складу молекули, помножених на кількість атомів у цій молекулі. Молекулярна маса є безрозмірнуфізичну величину, чисельно рівну молярної маси. Тобто молекулярна маса відрізняється від молярної маси розмірністю. Незважаючи на те, що молекулярна маса є безрозмірною величиною, вона все ж таки має величину, звану атомною одиницею маси (а.е.м.) або дальтоном (Так), і приблизно рівну масі одного протона або нейтрона. Атомна одиницямаси також чисельно дорівнює 1 г/моль.

Розрахунок молярної маси

Молярну масу розраховують так:

• визначають атомні маси елементів за таблицею Менделєєва;
Опублікуйте питання у TCTermsі протягом кількох хвилин ви отримаєте відповідь.

Залізо було відомо ще у доісторичні часиОднак широке застосування знайшло значно пізніше, тому що у вільному стані зустрічається в природі вкрай рідко, а отримання його з руд стало можливим лише на певному рівні розвитку техніки. Ймовірно, вперше людина познайомилася з метеоритним Залізом, про що свідчать його назви мовами древніх народів: давньоєгипетське "бені-пет" означає "небесне залізо"; давньогрецьке sideros пов'язують з латинським sidus (нар. відмінок sideris) - зірка, небесне тіло. У хетських текстах 14 століття до зв. е. згадується про Залізо як про метал, що впав з неба. У романських мовахзберігся корінь назви, даної римлянами (наприклад, франц. fer, італ. ferro).

Спосіб отримання Заліза з руд був винайдений у західній частині Азії у 2-му тисячолітті до зв. е.; потім застосування Заліза поширилося у Вавилоні, Єгипті, Греції; на зміну бронзовому віці прийшов залізний вік. Гомер (у 23-й пісні "Іліади") розповідає, що Ахілл нагородив диском із залізного крику переможця у змаганні з метання диска. У Європі та Стародавній Русі протягом багатьох століть Залізо отримували за сиродутним процесом. Залізну рудувідновлювали деревним вугіллям у горні, влаштованому в ямі; у горн хутрами нагнітали повітря, продукт відновлення - крицю ударами молота відділяли від шлаку і з неї виковували різні вироби. У міру вдосконалення способів дуття та збільшення висоти горна температура процесу підвищувалася і частина заліза навуглерожувалася, тобто виходив чавун; цей порівняно тендітний продукт вважали відходом виробництва. Звідси назва чавуну "чушка", "свинське залізо" - англ. pig iron. Пізніше було помічено, що при завантаженні в горн не залізної руди, а чавуну також виходить низьковуглецева залізна криця, причому такий двостадійний процес виявився вигіднішим, ніж сиродутний. У 12-13 століттях кричний метод був вже поширений.

У 14 столітті чавун почали виплавляти не лише як напівпродукт для подальшого переділу, а й як матеріал для відливання різних виробів. До того ж часу відноситься і реконструкція горна в шахтну піч ("домницю"), а потім і доменну піч. У середині 18 століття Європі почав застосовуватися тигельний процес отримання сталі, який був відомий біля Сирії ще ранній період середньовіччя, але надалі виявився забутим. При цьому способі сталь отримували розплавленням металевої шихти в невеликих судинах (тиглях) з високовогнетривкої маси. В останній чверті 18 століття став розвиватися пудлінговий процес переділу чавуну в Залізо на поду полум'яної відбивної печі. Промисловий переворот 18 - початку 19 століть, винахід паровий машини, будівництво залізниць, великих мостів і парового флоту викликали величезну потребу в Залізі та його сплавах. Проте всі існували способи виробництва Заліза було неможливо задовольнити потреби ринку. Масове виробництво стали почалося лише в середині 19 століття, коли було розроблено безсемерівський, томасівський та мартенівський процеси. У 20 столітті виник і набув широкого поширення електросталеплавильного процесу, що дає сталь високої якості.

Поширення Заліза у природі.За вмістом у літосфері (4,65% за масою) Залізо посідає друге місце серед металів (на першому алюмінію). Воно енергійно мігрує у земній корі, утворюючи близько 300 мінералів (окиси, сульфіди, силікати, карбонати, титанати, фосфати тощо). Залізо приймає активна участьу магматичних, гідротермальних та гіпергенних процесах, з якими пов'язано утворення різних типівйого родовищ. Залізо - метал земних глибин, воно накопичується на ранніх етапах кристалізації магми, в ультраосновних (9,85%) та основних (8,56%) породах (у гранітах його всього 2,7%). У біосфері Залізо накопичується у багатьох морських та континентальних опадах, утворюючи осадові руди.

Важливу роль геохімії Заліза грають окислювально-відновні реакції - перехід 2-валентного Заліза в 3-валентне і назад. У біосфері за наявності органічних речовин Fe 3+ відновлюється до Fe 2+ і легко мігрує, а при зустрічі з киснем повітря Fe 2+ окислюється, утворюючи скупчення гідрооксидів 3-валентного заліза. Широко поширені сполуки 3-валентного заліза мають червоний, жовтий, бурий кольори. Цим визначається забарвлення багатьох осадових гірських порід та його найменування - "червонокольорова формація" (червоні і бурі суглинки і глини, жовті піски тощо. буд.).

Фізичні властивості Заліза.Значення Заліза у сучасному техніці визначається як його широким поширенням у природі, а й поєднанням дуже цінних властивостей. Воно пластично, легко кується як у холодному, так і нагрітому стані, піддається прокатці, штампуванню та волоченню. Здатність розчиняти вуглець та інші елементи є основою отримання різноманітних залізних сплавів.

Залізо може існувати у вигляді двох кристалічних решіток: α- та γ-об'ємноцентрованої кубічної (ОЦК) та гранецентрованої кубічної (ГЦК). Нижче 910°С стійко α-Fe з ОЦК-решіткою (а = 2,86645 при 20 °С). Між 910 ° С і 1400 ° С стійка γ-модифікація з ГЦК-решіткою (а = 3,64 Å). Вище 1400°З знову утворюється ОЦК-решітка δ-Fe (a = 2,94Å), стійка до температури плавлення (1539 °С). α-Fe феромагнітно до 769 °С (точка Кюрі). Модифікації γ-Fe та δ-Fe парамагнітні.

Поліморфні перетворення Заліза і сталі при нагріванні та охолодженні відкрив у 1868 році Д. К. Чернов. Вуглець утворює з Залізом тверді розчини впровадження, в яких атоми С, що мають невеликий атомний радіус (0,77 Å), розміщуються в міжвузлях кристалічних грат металу, що складається з більших атомів (атомний радіус Fe 1,26 Å). Твердий розчин вуглецю в -Fe називається аустенітом, а в -Fe - феритом. Насичений твердий розчин вуглецю в γ-Fe містить 2,0% по масі при 1130 °С; α-Fe розчиняє всього 0,02-0,04% при 723 °С, і менше 0,01% при кімнатній температурі. Тому при загартуванні аустеніту утворюється мартенсит - пересичений твердий розчин вуглецю в α-Fe, дуже твердий і крихкий. Поєднання гарту з відпусткою (нагріванням до відносно низьких температурдля зменшення внутрішніх напруг) дозволяє надати сталі необхідне поєднання твердості та пластичності.

Фізичні властивості Заліза залежить від його чистоти. У промислових залізних матеріалах Залізу, як правило, супроводжують домішки вуглецю, азоту, кисню, водню, сірки, фосфору. Навіть за дуже малих концентраціях ці домішки сильно змінюють властивості металу. Так, сірка викликає про красноломкость, фосфор (навіть 10 -2 % Р) - холодноломкость; вуглець і азот зменшують пластичність, а водень збільшує крихкість Заліза (т.з. воднева крихкість). Зниження вмісту домішок до 10 -7 - 10 -9 % призводить до істотних змін властивостей металу, зокрема підвищення пластичності.

Нижче наводяться фізичні властивості Заліза, що належать в основному до металу із загальним вмістом домішок менше 0,01% за масою:

Атомний радіус 1,26Å

Іонні радіуси Fe 2+ 0,80Å, Fe 3+ 0.67Å

Щільність (20°C) 7,874 г/см 3

t кіп близько 3200°С

Температурний коефіцієнт лінійного розширення (20 ° С) 11,7 · 10 -6

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

Теплоємність Заліза залежить від його структури і складно змінюється з температурою; середня питома теплоємність(0-1000 ° С) 640,57 дж / (кг К).

Питомий електричний опір (20 ° С) 9,7 · 10 -8 ом · м

Температурний коефіцієнт електричного опору (0-100 ° С) 6,51 · 10 -3

Модуль Юнга 190-210·10 3 Мн/м 2 (19-21·10 3 кгс/мм 2)

Температурний коефіцієнт модуля Юнга 4·10 -6

Модуль зсуву 84,0·10 3 Мн/м 2

Короткочасна міцність на розрив 170-210 Мн/м2

Відносне подовження 45-55%

Твердість по Брінеллю 350-450 Мн/м2

Межа плинності 100 Мн/м 2

Ударна в'язкість 300 Мн/м2

Хімічні властивості Заліза.Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома 3d6 4s2. Залізо виявляє змінну валентність(Найстійкіші з'єднання 2- і 3-валентного Заліза). З киснем Залізо утворює оксид (II) FeO, оксид (III) Fe 2 O 3 і оксид (II,III) Fe 3 O 4 (з'єднання FeO c Fe 2 O 3 має структуру шпинелі). У вологому повітрі за нормальної температури Залізо покривається пухкої іржею (Fe 2 O 3 ·nH 2 O). Внаслідок своєї пористості іржа не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу і тому не захищає його від подальшого окиснення. В результаті різних видівкорозії щорічно губляться мільйони тонн Заліза. При нагріванні Заліза в сухому повітрі вище 200 ° С воно покривається найтоншою оксидною плівкою, яка захищає метал від корозії за нормальних температур; це є основою технічного методу захисту Заліза - воронения. При нагріванні у водяній парі Залізо окислюється з утворенням Fe 3 O 4 (нижче 570 ° С) або FeO (вище 570 ° С) та виділенням водню.

Гідрооксид Fe(OH) 2 утворюється у вигляді білого осаду при дії їдких лугів або аміаку на водні розчини солей Fe 2+ в атмосфері водню або азоту. При зіткненні з повітрям Fe(OH) 2 спочатку зеленіє, потім чорніє і нарешті швидко переходить у червоно-бурий гідрооксид Fe(OH) 3 . Оксид FeO виявляє основні властивості. Оксид Fe 2 O 3 амфотерен і має слабо виражену кислотну функцію; реагуючи з більш основними оксидами (наприклад, з MgO, вона утворює ферити - сполуки типу Fe 2 O 3 ·nMeO, що мають феромагнітні властивості та широко застосовуються в радіоелектроніці). Кислотні властивостівиражені і у 6-валентного Заліза, що існує у вигляді ферратів, наприклад K 2 FeO 4 солей не виділеної у вільному стані залізної кислоти.

Залізо легко реагує з галогенами і галогеноводородами, даючи солі, наприклад, хлориди FeCl 2 і FeCl 3 . При нагріванні Заліза із сіркою утворюються сульфіди FeS та FeS 2 . Карбіди Заліза - Fe 3 C (цементит) та Fe 2 C (е-карбід) - випадають із твердих розчинів вуглецю в Залізі при охолодженні. Fe 3 C виділяється також із розчинів вуглецю в рідкому Залізі при високих концентраціях С. Азот, подібно до вуглецю, дає з Залізом тверді розчини впровадження; їх виділяються нітриди Fe 4 N і Fe 2 N. З воднем Залізо дає лише малостійкі гідриди, склад яких точно встановлено. При нагріванні Залізо енергійно реагує з кремнієм та фосфором, утворюючи силіциди (наприклад, Fe 3 Si та фосфіди (наприклад, Fe 3 P).

З'єднання Заліза з багатьма елементами (О, S та іншими), що утворюють кристалічну структуру, мають змінний склад (так, вміст сірки в моносульфіді може коливатися від 50 до 53,3 ат.%). Це зумовлено дефектами кристалічної структури. Наприклад, в оксиді Заліза (II) частина іонів Fe 2+ у вузлах решітки заміщена іонами Fe 3+; для збереження електронейтральності деякі вузли решітки, що належали іонам Fe 2+ залишаються порожніми.

Нормальний електродний потенціал Заліза у водних розчинах його солей реакції Fe = Fe 2+ + 2e становить -0,44 в, а реакції Fe = Fe 3+ + 3e дорівнює -0,036 в. Таким чином, у ряді активностей Залізо стоїть лівіше водню. Воно легко розчиняється у розведених кислотах з виділенням Н 2 та утворенням іонів Fe 2+ . Своєрідна взаємодія Заліза із азотною кислотою. Концентрована HNO 3 (щільність 1,45 г/см 3) пасивує Залізо внаслідок виникнення на його поверхні оксидної захисної плівки; більш розведена HNO 3 розчиняє Залізо з утворенням іонів Fe 2+ або Fe 3+, відновлюючись до NH 3 або N 2 і N 2 O. Розчини солей 2-валентного Заліза на повітрі нестійкі - Fe 2+ поступово окислюється до Fe 3+ . Водні розчини солей Заліза внаслідок гідролізу мають кислу реакцію. Додавання до розчинів солей Fe 3+ тіоціанат-іонів SCN- дає яскраве криваво-червоне забарвлення внаслідок виникнення Fe(SCN) 3 що дозволяє відкривати присутність 1 частини Fe 3+ приблизно в 10 6 частинах води. Для Заліза характерне утворення комплексних сполук.

Отримання Заліза.Чисте Залізо отримують відносно невеликих кількостях електролізом водних розчинів його солей або відновленням воднем його оксидів. Поступово збільшується виробництво досить чистого заліза шляхом його прямого відновлення з рудних концентратів воднем, природним газом або вугіллям за відносно низьких температур.

Застосування Заліза.Залізо – найважливіший метал сучасної техніки. У чистому вигляді Залізо через його низьку міцність практично не використовується, хоча в побуті "залізними" часто називають сталеві або чавунні вироби. Основна маса Заліза застосовується у вигляді дуже різних за складом та властивостями сплавів. Перед сплавів Заліза припадає приблизно 95% всієї металевої продукції. Багаті вуглецем сплави (понад 2% за масою) - чавуни, що виплавляють у доменних печах із збагачених залізом руд. Сталь різних марок (вміст вуглецю менше 2% по масі) виплавляють з чавуну в мартенівських та електричних печах і конвертерах шляхом окислення (випалювання) зайвого вуглецю, видалення шкідливих домішок (головним чином S, P, Про) і додавання легуючих елементів. Високолеговані сталі (з великим вмістом нікелю, хрому, вольфраму та інших елементів) виплавляють в електричних дугових та індукційних печах. Для виробництва сталей та сплавів Заліза особливо відповідального призначення служать нові процеси - вакуумний, електрошлаковий переплав, плазмова та електронно-променева плавка та інші. Розробляються способи виплавки сталі в безперервно діючих агрегатах, що забезпечують високу якість металу та автоматизацію процесу.

На основі Заліза створюються матеріали, здатні витримувати вплив високих та низьких температур, вакууму та високих тисків, агресивних середовищ, великих змінних напруг, ядерних випромінювань тощо. Виробництво Заліза та його сплавів постійно зростає.

Залізо як художній матеріал використовувалося з давніх-давен в Єгипті, Месопотамії, Індії. З часів середньовіччя збереглися численні високохудожні вироби із Заліза у країнах Європи (Англії, Франції, Італії, Росії та інших) – ковані огорожі, дверні петлі, настінні кронштейни, флюгери, оковки скринь, світці. Ковані наскрізні вироби з прутів і вироби з листового заліза (часто зі слюдяною підкладкою) відрізняються площинними формами, чітким лінійно-графічним силуетом і ефектно проглядаються на світлоповітряному тлі. У 20 столітті Залізо використовується для виготовлення ґрат, огорож, ажурних інтер'єрних перегородок, свічників, монументів.

Залізо в організміЗалізо присутнє в організмах всіх тварин та в рослинах (в середньому близько 0,02%); воно необхідно головним чином для кисневого обміну та окисних процесів. Існують організми (так звані концентратори), здатні накопичувати його у великих кількостях (наприклад, залізобактерії – до 17-20% заліза). Багато залізо в організмах тварин і рослин пов'язане з білками. Недолік Заліза викликає затримку росту та явища хлорозу рослин, пов'язані зі зниженим утворенням хлорофілу. Шкідливий впливна розвиток рослин надає і надлишок Заліза, викликаючи, наприклад, стерильність квіток рису та хлороз. У лужних ґрунтах утворюються недоступні для засвоєння корінням рослин сполуки Заліза, і рослини не одержують його у достатній кількості; у кислих грунтах Залізо перетворюється на розчинні сполуки у надмірній кількості. При нестачі або надлишку у ґрунтах засвоюваних сполук Заліза захворювання рослин можуть спостерігатися на значних територіях.

В організм тварин і людини Залізо надходить з їжею (найбагатші їм печінка, м'ясо, яйця, бобові, хліб, крупи, шпинат, буряк). У нормі людина отримує з раціоном 60-110 мг заліза, що значно перевищує його добову потребу. Всмоктування що надійшло з їжею Заліза відбувається у верхньому відділі тонких кишок, звідки воно у зв'язаній з білками формі надходить у кров і розноситься з кров'ю до різним органамта тканин, де депонується у вигляді Залізо-білкового комплексу – феритину. Основне депо Заліза в організмі - печінка та селезінка. За рахунок феритину відбувається синтез усіх залізовмісних сполук організму: у кістковому мозку синтезується дихальний пігмент гемоглобін, у м'язах – міоглобін, у різних тканинах цитохроми та інших залізовмісні ферменти. Виділяється Залізо з організму головним чином через стінку товстих кишок (у людини близько 6-10 мг на добу) та незначною мірою нирками. Потреба організму в Залізі змінюється з віком та фізичним станом. На 1 кг ваги необхідно дітям – 0,6, дорослим-0,1 та вагітним – 0,3 мг Заліза на добу. У тварин потреба у Залізі орієнтовно становить (на 1 кг сухої речовини раціону): для дійних корів – не менше 50 мг, для молодняку ​​– 30-50 мг; для поросят – до 200 мг, для поросних свиней – 60 мг.