Желязото е елемент от страничната подгрупа на осма група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев с атомен номер 26. Означава се със символа Fe (лат. Ferrum). Един от най-често срещаните метали в земната кора (на второ място след алуминия). Метал със средна активност, редуциращ агент.
Основни степени на окисление - +2, +3
Простото вещество желязо е ковък сребристобял метал с висока химическа реактивност: желязото бързо корозира при високи температури или висока влажност на въздуха. Желязото гори в чист кислород, а във фино диспергирано състояние спонтанно се запалва във въздуха.
Химични свойства на просто вещество - желязо:
Ръждясване и изгаряне в кислород
1) Във въздуха желязото лесно се окислява в присъствието на влага (ръждясва):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Нагорещена желязна тел гори в кислород, образувайки скала - железен оксид (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °C)
2) При високи температури (700–900°C) желязото реагира с водна пара:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Желязото реагира с неметали при нагряване:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)
Fe + S – t° → FeS (600 °C)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°C)
4) В серията на напрежението той е отляво на водорода, реагира с разредени киселини HCl и H 2 SO 4 и се образуват железни (II) соли и се отделя водород:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакциите се провеждат без достъп на въздух, в противен случай Fe +2 постепенно се превръща от кислород в Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (разреден) → FeSO 4 + H 2
В концентрирани окислителни киселини желязото се разтваря само при нагряване, веднага се превръща в катион Fe 3+:
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(в студена, концентрирана азотна и сярна киселина пасивирам
Железен пирон, потопен в синкав разтвор на меден сулфат, постепенно се покрива с покритие от червена метална мед.
5) Желязото измества металите, разположени вдясно от него, от разтворите на техните соли.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Амфотерните свойства на желязото се проявяват само в концентрирани алкали по време на кипене:
Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O= Na 2 ↓+ H 2
и се образува утайка от натриев тетрахидроксоферат(II).
Технически хардуер- сплави на желязо и въглерод: чугунът съдържа 2,06-6,67% С, стомана 0,02-2,06% С, често присъстват други естествени примеси (S, P, Si) и изкуствено въведени специални добавки (Mn, Ni, Cr), което придава на железните сплави технически полезни свойства - твърдост, термична и корозионна устойчивост, ковкост и др. . .
Процес на производство на чугун в доменна пещ
Процесът на доменна пещ за производство на чугун се състои от следните етапи:
а) подготовка (изпичане) на сулфидни и карбонатни руди - превръщане в оксидна руда:
FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2800°C, -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2 500-600°C, -CO 2)
б) изгаряне на кокс с горещ взрив:
C (кокс) + O 2 (въздух) → CO 2 (600-700 ° C) CO 2 + C (кокс) ⇌ 2 CO (700-1000 ° C)
в) редукция на оксидна руда с въглероден оксид CO последователно:
Fe2O3 →(CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe
г) карбуризация на желязо (до 6,67% С) и топене на чугун:
Fe (t ) →(° С(Кока Кола)900-1200°С) Fe (течно) (чугун, точка на топене 1145°С)
Чугунът винаги съдържа цементит Fe 2 C и графит под формата на зърна.
Производство на стомана
Превръщането на чугун в стомана се извършва в специални пещи (конверторни, отворени, електрически), които се различават по метода на нагряване; температура на процеса 1700-2000 °C. Издухването на обогатен с кислород въздух води до изгаряне на излишния въглерод, както и на сяра, фосфор и силиций под формата на оксиди от чугуна. В този случай оксидите или се улавят под формата на отработени газове (CO 2, SO 2), или се свързват в лесно отделима шлака - смес от Ca 3 (PO 4) 2 и CaSiO 3. За производството на специални стомани в пещта се въвеждат легиращи добавки от други метали.
Касова бележкачисто желязо в промишлеността - електролиза на разтвор на железни соли, например:
FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90°С) (електролиза)
(има и други специални методи, включително редукция на железни оксиди с водород).
Чистото желязо се използва в производството на специални сплави, в производството на сърцевини на електромагнити и трансформатори, чугун - в производството на отливки и стомана, стомана - като конструкционни и инструментални материали, включително устойчиви на износване, топлина и корозия нечий.
Железен(II) оксид Е EO . Амфотерен оксид със силно преобладаване на основни свойства. Черен, има йонна структура Fe 2+ O 2-. При нагряване първо се разлага и след това се образува отново. Не се образува при изгаряне на желязото на въздух. Не реагира с вода. Разлага се с киселини, стопява се с основи. Бавно се окислява във влажен въздух. Редуциран от водород и кокс. Участва в доменния процес на топене на желязо. Използва се като компонент на керамика и минерални бои. Уравнения на най-важните реакции:
4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 °C, 900-1000 °C)
FeO + 2HC1 (разреден) = FeC1 2 + H 2 O
FeO + 4HNO 3 (конц.) = Fe(NO 3) 3 +NO 2 + 2H 2 O
FeO + 4NaOH = 2H 2 O + на 4ЕдО3 (червено.) триоксоферат(II)(400-500 °C)
FeO + H 2 = H 2 O + Fe (изключително чист) (350°C)
FeO + C (кокс) = Fe + CO (над 1000 °C)
FeO + CO = Fe + CO 2 (900°C)
4FeO + 2H 2 O (влага) + O 2 (въздух) → 4FeO(OH) (t)
6FeO + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500°C)
Касова бележка V лаборатории: термично разлагане на съединения на желязо (II) без достъп на въздух:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)
FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 °C)
Дижелезен(III) оксид - желязо( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Двоен оксид. Черно, има йонна структура Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Термично стабилен при високи температури. Не реагира с вода. Разлага се с киселини. Редуциран с водород, горещо желязо. Участва в доменния процес на производство на чугун. Използва се като компонент на минерални бои ( червено олово), керамика, цветен цимент. Продукт от специално окисляване на повърхността на стоманени продукти ( почерняване, посиняване). Съставът съответства на кафява ръжда и тъмен нагар върху желязото. Не се препоръчва използването на брутната формула Fe 3 O 4. Уравнения на най-важните реакции:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (над 1538 °C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8НС1 (разр.) = FeС1 2 + 2FeС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (конц.) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (въздух) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 ° C)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (изключително чист, 1000 °C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 (500-800°C)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fe ⇌4FeO (900-1000 °C, 560-700 °C)
Касова бележка:изгаряне на желязо (виж) във въздуха.
магнетит.
Железен(III) оксид Е e 2 O 3 . Амфотерен оксид с преобладаващи основни свойства. Червено-кафяв, има йонна структура (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Термично стабилен до високи температури. Не се образува при изгаряне на желязото на въздух. Не реагира с вода, от разтвора се утаява кафяв аморфен хидрат Fe 2 O 3 nH 2 O. Реагира бавно с киселини и основи. Редуцирано от въглероден окис, разтопено желязо. Слива се с оксиди на други метали и образува двойни оксиди - шпинели(техническите продукти се наричат ферити). Използва се като суровина при топенето на чугун в процеса на доменни пещи, катализатор при производството на амоняк, компонент на керамика, цветни цименти и минерални бои, при термитно заваряване на стоманени конструкции, като носител на звук и изображение върху магнитни ленти, като полиращ агент за стомана и стъкло.
Уравнения на най-важните реакции:
6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °C)
Fe 2 O 3 + 6НС1 (разл.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)
Fe 2 O 3 + 2NaOH (конц.) → H 2 O+ 2 нАЕдО 2 (червен)диоксоферат(III)
Fe 2 O 3 + MO=(M II Fe 2 II I)O 4 (M=Cu, Mn, Fe, Ni, Zn)
Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O+ 2Fe (изключително чист, 1050-1100 °C)
Fe 2 O 3 + Fe = 3FeO (900 °C)
3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 + CO 2 (400-600 °C)
Касова бележкав лабораторията - термично разлагане на соли на желязо (III) във въздуха:
Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °C)
4(Fe(NO 3) 3 9 H 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 °C)
В природата - руди от железен оксид хематит Fe 2 O 3 и лимонит Fe 2 O 3 nH 2 O
Железен(II) хидроксид Е e(OH)2. Амфотерен хидроксид с преобладаващи основни свойства. Бели (понякога със зеленикав оттенък), Fe-OH връзките са предимно ковалентни. Термично нестабилен. Лесно се окислява на въздух, особено когато е мокър (потъмнява). Неразтворим във вода. Реагира с разредени киселини и концентрирани алкали. Типичен редуктор. Междинен продукт при ръждясването на желязото. Използва се при производството на активната маса на желязо-никелови батерии.
Уравнения на най-важните реакции:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, atm.N 2)
Fe(OH) 2 + 2HC1 (разреден) = FeC1 2 + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (синьо-зелен) (кипещ)
4Fe(OH) 2 (суспензия) + O 2 (въздух) → 4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)
2Fe(OH) 2 (суспензия) +H 2 O 2 (разреден) = 2FeO(OH)↓ + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + KNO 3 (конц.) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 °C)
Касова бележка: утаяване от разтвор с основи или амонячен хидрат в инертна атмосфера:
Fe 2+ + 2OH (разреден) = Еe(OH) 2 ↓
Fe 2+ + 2(NH3H2O) = Еe(OH) 2 ↓+ 2NH 4
Железен метахидроксид Е еО(ОН). Амфотерен хидроксид с преобладаващи основни свойства. Светлокафявите, Fe - O и Fe - OH връзки са предимно ковалентни. При нагряване се разлага, без да се топи. Неразтворим във вода. Утаява се от разтвора под формата на кафяв аморфен полихидрат Fe 2 O 3 nH 2 O, който при задържане в разреден алкален разтвор или при изсушаване се превръща в FeO (OH). Реагира с киселини и твърди основи. Слаб окислител и редуциращ агент. Спечен с Fe(OH) 2. Междинен продукт при ръждясването на желязото. Използва се като основа за жълти минерални бои и емайллакове, абсорбер на отпадъчни газове и катализатор в органичния синтез.
Съединението със състав Fe(OH)3 е неизвестно (не е получено).
Уравнения на най-важните реакции:
Fe 2 O 3 . nH 2 O→( 200-250 °C, —з 2 О) FeO(OH)→( 560-700° C на въздух, -H2O)→ Fe 2 O 3
FeO(OH) + ZNS1 (разреден) = FeC1 3 + 2H 2 O
FeO(OH)→ Fe 2 О 3 . nH 2 О-колоид(NaOH (конц.))
FeO(OH)→ на 3 [Еe(OH)6]бяло, Na 5 и K 4 съответно; и в двата случая се утаява син продукт със същия състав и структура, KFe III. В лабораторията тази утайка се нарича пруско синьо, или търнбул синьо:
Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓
Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓
Химични наименования на изходните реагенти и реакционни продукти:
K 3 Fe III - калиев хексацианоферат (III)
K 4 Fe III - калиев хексацианоферат (II)
КFe III - желязо (III) калиев хексацианоферат (II)
В допълнение, добър реагент за Fe 3+ йони е тиоцианатният йон NСS -, желязото (III) се комбинира с него и се появява яркочервен („кървав“) цвят:
Fe 3+ + 6NCS - = 3-
Този реагент (например под формата на KNCS сол) може дори да открие следи от желязо (III) в чешмяната вода, ако премине през железни тръби, покрити с ръжда отвътре.
Желязото е осмият елемент от четвъртия период в периодичната таблица. Номерът му в таблицата (наричан още атомен) е 26, което съответства на броя на протоните в ядрото и електроните в електронната обвивка. Обозначава се с първите две букви от латинския му еквивалент - Fe (лат. Ferrum - чете се като "ferrum"). Желязото е вторият най-често срещан елемент в земната кора, процентът е 4,65% (най-често срещаният е алуминият, Al). Този метал е доста рядък в естествената си форма, по-често се добива от смесена руда с никел.
Във връзка с
Какво е естеството на тази връзка? Желязото като атом се състои от метална кристална решетка, която осигурява твърдостта на съединенията, съдържащи този елемент, и молекулната стабилност. Именно във връзка с това този метал е типично твърдо вещество, за разлика например от живака.
Желязото като просто вещество- сребрист метал с характерни за тази група елементи свойства: ковкост, метален блясък и пластичност. Освен това желязото е силно реактивоспособно. Последното свойство се доказва от факта, че желязото корозира много бързо при наличие на висока температура и съответната влажност. В чист кислород този метал гори добре, но ако го натрошите на много малки частици, те не само ще горят, но и спонтанно ще се запалят.
Често не наричаме чист метал желязо, а неговите сплави, съдържащи въглерод, например стомана (<2,14% C) и чугун (>2,14% С). Също така от голямо промишлено значение са сплавите, към които се добавят легиращи метали (никел, манган, хром и други), поради което стоманата става неръждаема, т.е. легирана. Така въз основа на това става ясно какви обширни индустриални приложения има този метал.
Характеристики на Fe
Химични свойства на желязото
Нека разгледаме по-отблизо характеристиките на този елемент.
Свойства на просто вещество
- Окисляване във въздуха при висока влажност (корозивен процес):
4Fe+3O2+6H2O = 4Fe (OH)3 - железен (III) хидроксид (хидроксид)
- Изгаряне на желязна тел в кислород с образуването на смесен оксид (съдържа елемент както със степен на окисление +2, така и със степен на окисление +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (желязна скала). Реакцията е възможна при нагряване до 160 ⁰C.
- Взаимодействие с вода при високи температури (600−700 ⁰C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Реакции с неметали:
а) Реакция с халогени (Важно! При това взаимодействие степента на окисление на елемента става +3)
2Fe+3Cl2 = 2FeCl3 - железен хлорид
б) Реакция със сяра (Важно! При това взаимодействие елементът има степен на окисление +2)
Железен (III) сулфид - Fe2S3 може да се получи чрез друга реакция:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
в) Образуване на пирит
Fe+2S = FeS2 - пирит. Обърнете внимание на степента на окисление на елементите, които съставляват това съединение: Fe (+2), S (-1).
- Взаимодействие с метални соли, разположени в електрохимичната серия на метална активност вдясно от Fe:
Fe+CuCl2 = FeCl2+Cu - железен (II) хлорид
- Взаимодействие с разредени киселини (например солна и сярна):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe+HCl = FeCl2+ H2
Моля, обърнете внимание, че тези реакции произвеждат желязо със степен на окисление +2.
- В неразредени киселини, които са силни окислители, реакцията е възможна само при нагряване; в студени киселини металът се пасивира:
Fe+H2SO4 (концентриран) = Fe2 (SO4)3+3SO2+6H2O
Fe+6HNO3 = Fe (NO3)3+3NO2+3H2O
- Амфотерните свойства на желязото се проявяват само при взаимодействие с концентрирани алкали:
Fe+2KOH+2H2O = K2+H2 - утаява се калиев тетрахидроксиферат (II).
Процесът на производство на чугун в доменна пещ
- Изпичане и последващо разлагане на сулфидни и карбонатни руди (отделяне на метални оксиди):
FeS2 —> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Тази реакция е и първата стъпка в индустриалния синтез на сярна киселина.
FeCO3 —> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).
- Изгаряне на кокс (в излишък):
C (кокс)+O2 (въздух) —> CO2 (600−700 ⁰C)
CO2+С (кокс) —> 2CO (750−1000 ⁰C)
- Редукция на руда, съдържаща оксид, с въглероден оксид:
Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)
FeO —> Fe (CO, -CO2)
- Карбуризация на желязо (до 6,7%) и топене на чугун (температура на топене - 1145 ⁰C)
Fe (твърд) + C (кокс) -> чугун. Реакционна температура - 900−1200 ⁰C.
Чугунът винаги съдържа цементит (Fe2C) и графит под формата на зърна.
Характеристики на съединения, съдържащи Fe
Нека проучим характеристиките на всяка връзка поотделно.
Fe3O4
Смесен или двоен железен оксид, съдържащ елемент със степен на окисление както +2, така и +3. Нарича се още Fe3O4 железен оксид. Това съединение издържа на високи температури. Не реагира с вода или водни пари. Подлежи на разлагане от минерални киселини. Може да се редуцира с водород или желязо при високи температури. Както можете да разберете от горната информация, той е междинен продукт в реакционната верига на промишленото производство на чугун.
Железният котлен камък се използва директно в производството на бои на минерална основа, цветен цимент и керамични продукти. Fe3O4 е това, което се получава, когато стоманата се почернява и посинява. Смесен оксид се получава чрез изгаряне на желязо във въздух (реакцията е дадена по-горе). Рудата, съдържаща оксиди, е магнетит.
Fe2O3
Железен (III) оксид, тривиално име - хематит, червено-кафяво съединение. Устойчив на високи температури. Не се образува в чист вид при окисляването на желязото с атмосферен кислород. Не реагира с вода, образува хидрати, които се утаяват. Реагира слабо с разредени основи и киселини. Може да легира с оксиди на други метали, образувайки шпинели - двойни оксиди.
Червената желязна руда се използва като суровина в промишленото производство на чугун по метода на доменната пещ. Той също така ускорява реакцията, т.е. действа като катализатор в производството на амоняк. Използва се в същите области като железния оксид. Освен това се използва като носител на звук и изображения върху магнитни ленти.
FeOH2
Железен(II) хидроксид, съединение, което има както киселинни, така и основни свойства, като последното преобладава, тоест то е амфотерно. Бяло вещество, което бързо се окислява във въздуха и "става кафяво" до железен (III) хидроксид. Подлежи на разлагане при излагане на температура. Реагира както със слаби разтвори на киселини, така и с основи. Няма да се разтваряме във вода. В реакцията той действа като редуциращ агент. Той е междинен продукт в корозионната реакция.
Откриване на Fe2+ и Fe3+ йони („качествени” реакции)
Разпознаването на Fe2+ и Fe3+ йони във водни разтвори се извършва с помощта на сложни комплексни съединения - съответно K3, червена кръвна сол и K4, жълта кръвна сол. И при двете реакции се образува наситена синя утайка със същия количествен състав, но различна позиция на желязото с валентност +2 и +3. Тази утайка също често се нарича пруско синьо или Turnbull blue.
Реакция, написана в йонна форма
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Добър реагент за откриване на Fe3+ е тиоцианатният йон (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- - тези съединения имат яркочервен („кървав”) цвят.
Този реагент, например калиев тиоцианат (формула - KNCS), ви позволява да определите дори незначителни концентрации на желязо в разтвори. Така при изследване на чешмяна вода той може да определи дали тръбите са ръждясали.
Желязото е основният структурен материал. Металът се използва буквално навсякъде – от ракети и подводници до прибори за хранене и украса за скара от ковано желязо. До голяма степен това се улеснява от стихия в природата. Истинската причина обаче е неговата здравина и издръжливост.
В тази статия ще характеризираме желязото като метал и ще посочим неговите полезни физични и химични свойства. Отделно ви казваме защо желязото се нарича черен метал и как се различава от другите метали.
Колкото и да е странно, все още понякога възниква въпросът дали желязото е метал или неметал. Желязото е елемент от група 8, период 4 от таблицата на Д. И. Менделеев. Молекулното тегло е 55,8, което е доста високо.
Това е сребристосив метал, доста мек, пластичен и има магнитни свойства. Всъщност чистото желязо се среща и използва изключително рядко, тъй като металът е химически активен и претърпява различни реакции.
Това видео ще ви каже какво е желязо:
Концепция и характеристики
Желязото обикновено се нарича сплав с малка част от примеси - до 0,8%, която запазва почти всички свойства на метала. Дори не тази опция е широко разпространена, а стомана и чугун. Те получиха името си - черен метал, желязо или, по-точно, същият чугун и стомана - благодарение на цвета на рудата - черен.
Днес железните сплави се наричат черни метали: стомана, чугун, ферит, както и манган, а понякога и хром.
Желязото е много често срещан елемент. По съдържание в земната кора той се нарежда на 4-то място, по-нисък от кислорода и. Ядрото на Земята съдържа 86% желязо, а само 14% е в мантията. Морската вода съдържа много малко от веществото - до 0,02 mg/l, а речната съдържа малко повече - до 2 mg/l.
Желязото е типичен метал и също доста активен. Реагира с разредени и концентрирани киселини, но под въздействието на много силни окислители може да образува соли на желязната киселина. Във въздуха желязото бързо се покрива с оксиден филм, предотвратявайки по-нататъшна реакция.
Въпреки това, при наличие на влага, вместо оксиден филм се появява ръжда, която поради своята рохкава структура не предотвратява по-нататъшното окисляване. Тази характеристика, корозия в присъствието на влага, е основният недостатък на железните сплави. Струва си да се отбележи, че примесите провокират корозия, докато химически чистият метал е устойчив на вода.
Важни параметри
Чистото метално желязо е доста пластично, лесно се кове и трудно се лее. Малките въглеродни примеси обаче значително увеличават неговата твърдост и крехкост. Това качество стана една от причините за изместването на бронзовите инструменти от железните.
- Ако сравним железни сплави с тези, които са били известни в древния свят, очевидно е, че както по отношение на устойчивостта на корозия, така и по отношение на издръжливостта. Огромният мащаб обаче доведе до изчерпване на калаените мини. И тъй като е значително по-малко от , металурзите от миналото са били изправени пред въпроса за замяна. И желязото замени бронза. Последният беше напълно изместен, когато се появи стоманата: бронзът не осигурява такава комбинация от твърдост и еластичност.
- Желязото образува желязна триада с кобалта. Свойствата на елементите са много близки, по-близки от тези на техните аналози със същата структура на външния слой. Всички метали имат отлични механични свойства: могат лесно да се обработват, валцуват, изтеглят и могат да се коват и щамповат. Кобалтът е едновременно по-малко реактивен и по-устойчив на корозия от желязото. Въпреки това, по-ниското изобилие на тези елементи не им позволява да се използват толкова широко, колкото желязото.
- Основният „конкурент“ на хардуера по отношение на областта на употреба е. Но в действителност и двата материала имат напълно различни качества. Не е почти толкова здрав, колкото желязото, изважда се по-лесно и не може да бъде изкован. От друга страна, металът е много по-лек като тегло, което прави конструкцията много по-лека.
Електрическата проводимост на желязото е много средна, докато алуминият по този показател е на второ място след среброто и златото. Желязото е феромагнитно, тоест запазва магнетизацията в отсъствието на магнитно поле и се изтегля в магнитно поле.
Такива различни свойства водят до напълно различни области на приложение, така че строителните материали се „борят“ много рядко, например при производството на мебели, където лекотата на алуминиевия профил е в контраст със здравината на стоманения.
Предимствата и недостатъците на желязото са разгледани по-долу.
Предимства и недостатъци
Основното предимство на желязото в сравнение с други структурни метали е неговото изобилие и относителна лекота на топене. Но предвид количеството използвано желязо, това е много важен фактор.
Предимства
Предимствата на метала включват и други качества.
- Якост и твърдост при запазване на еластичността - не говорим за химически чисто желязо, а за сплави. Освен това, тези качества варират доста широко в зависимост от марката стомана, метода на топлинна обработка, производствения метод и т.н.
- Разнообразието от стомани и ферити ви позволява да създадете и изберете материал за буквално всяка задача - от мостова рамка до режещ инструмент. Възможността да се получат определени свойства чрез добавяне на много малки примеси е необичайно голямо предимство.
- Лекотата на машинна обработка позволява получаването на продукти от голямо разнообразие от видове: пръти, тръби, профилни продукти, греди, ламарина и т.н.
- Магнитните свойства на желязото са такива, че металът е основният материал при производството на магнитни задвижвания.
- Цената на сплавите зависи, разбира се, от състава, но все още е значително по-ниска от повечето сплави от цветни метали, макар и с по-високи якостни характеристики.
- Ковкостта на желязото осигурява на материала много високи декоративни възможности.
недостатъци
Недостатъците на железните сплави са значителни.
- На първо място, това е недостатъчна устойчивост на корозия. Специалните видове стомана - неръждаема стомана - имат това полезно качество, но са и много по-скъпи. Много по-често металът е защитен с помощта на покритие - метал или полимер.
- Желязото е способно да съхранява електричество, така че продуктите, направени от неговите сплави, са обект на електрохимична корозия. Корпусите на инструменти и машини, тръбопроводите трябва да бъдат защитени по някакъв начин - катодна защита, жертвена защита и т.н.
- Металът е тежък, така че железните конструкции значително утежняват строителния обект - сграда, железопътен вагон, морски кораб.
Състав и структура
Желязото съществува в 4 различни модификации, различаващи се една от друга по параметри на решетката и структура. Наличието на фази е наистина решаващо за топенето, тъй като именно фазовите преходи и тяхната зависимост от легиращите елементи осигуряват самия поток на металургичните процеси в този свят. И така, говорим за следните фази:
- Фазата α е стабилна до +769 C и има центрирана кубична решетка. Фазата α е феромагнитна, т.е. запазва магнетизация в отсъствието на магнитно поле. Температура от 769 C е точката на Кюри за метала.
- β-фазата съществува от +769 C до +917 C. Структурата на модификацията е същата, но параметрите на решетката са малко по-различни. В този случай почти всички физични свойства се запазват с изключение на магнитните: желязото става парамагнитно.
- Фазата γ се появява в диапазона от +917 до +1394 C. Тя има лицево-центрирана кубична решетка.
- Фазата δ съществува над температура от +1394 C и има обемно центрирана кубична решетка.
Съществува и ε-модификация, която се появява при високо налягане, както и в резултат на допиране с определени елементи. Фазата ε има плътно опакована шестоъгълна решетка.
Това видео ще ви разкаже за физичните и химичните свойства на желязото:
Свойства и характеристики
Много зависи от неговата чистота. Разликата между свойствата на химически чистото желязо и обикновената техническа и още повече легирана стомана е много значителна. По правило физичните характеристики се дават за техническо желязо с фракция на примеси 0,8%.
Необходимо е да се разграничат вредните примеси от легиращите добавки. Първият - сярата и фосфорът, например, придават крехкост на сплавта, без да увеличават твърдостта или механичната устойчивост. Въглеродът в стоманата увеличава тези параметри, т.е. той е полезен компонент.
- Плътността на желязото (g/cm3) зависи до известна степен от фазата. Така α-Fe има плътност от 7,87 g/кубичен метър. cm при нормална температура и 7,67 g/cc. cm при +600 С. Плътността на γ-фазата е по-ниска - 7,59 g/куб. cm, а δ-фазата е още по-малко - 7,409 g/cc.
- Точката на топене на веществото е +1539 С. Желязото е умерено огнеупорен метал.
- Точка на кипене – +2862 С.
- Силата, тоест устойчивостта на различни видове натоварвания - натиск, напрежение, огъване, се регулира за всеки клас стомана, чугун и ферит, така че е трудно да се говори за тези показатели като цяло. Така бързорежещата стомана има якост на огъване от 2,5–2,8 GPa. И същият параметър на обикновеното техническо желязо е 300 MPa.
- Твърдостта по скалата на Моос е 4–5. Специалните стомани и химически чистото желязо постигат много по-висока производителност.
- Специфичното електрическо съпротивление е 9,7·10-8 ohm·m. Желязото провежда ток много по-зле от медта или алуминия.
- Топлопроводимостта също е по-ниска от тази на тези метали и зависи от фазовия състав. При 25 C е 74,04 W/(m K), при 1500 C е 31,8 [W/(m K)].
- Желязото се кове перфектно, както при нормални, така и при повишени температури. Могат да се леят чугун и стомана.
- Едно вещество не може да се нарече биологично инертно. Въпреки това, неговата токсичност е много ниска. Това обаче е свързано не толкова с активността на елемента, колкото с неспособността на човешкото тяло да го усвои добре: максимумът е 20% от приетата доза.
Желязото не може да се класифицира като екологично вещество. Основната вреда за околната среда обаче не се причинява от нейните отпадъци, тъй като желязото ръждясва доста бързо, а от производствените отпадъци - шлака и отделени газове.
производство
Желязото е много често срещан елемент, така че не изисква големи разходи. Депозитите се разработват както по открити, така и по мини методи. Всъщност всички минни руди съдържат желязо, но се разработват само тези, в които делът на метала е достатъчно голям. Това са богати руди - червено, магнитно и кафяво желязо със съдържание на желязо до 74%, руди със средно съдържание - марказит, например, и нискокачествени руди с съдържание на желязо най-малко 26% - сидерит.
Богатата руда веднага се изпраща в завода. Обогатяват се скали със средно и ниско съдържание.
Има няколко метода за производство на железни сплави. Като правило, топенето на всяка стомана включва производството на чугун. Топи се в доменна пещ при температура 1600 С. Шихтът - агломерат, пелети, се зарежда заедно с флюса в пещта и се обдухва с горещ въздух. В този случай металът се топи и коксът изгаря, което ви позволява да изгорите нежеланите примеси и да отделите шлаката.
За производството на стомана обикновено се използва бял чугун - в него въглеродът е свързан в химично съединение с желязото. Най-често срещаните 3 метода:
- открито огнище - разтопен чугун с добавяне на руда и скрап се топи при 2000 C, за да се намали съдържанието на въглерод. Допълнителни съставки, ако има такива, се добавят в края на топенето. По този начин се получава най-висококачествената стомана.
- кислородният конвертор е по-продуктивен метод. В пещта дебелината на чугуна се продухва с въздух под налягане 26 кг/кв. виж Смес от кислород и въздух или чист кислород може да се използва за подобряване на свойствата на стоманата;
- електрическо топене - по-често се използва за производство на специални легирани стомани. Чугунът се изпича в електрическа пещ при температура 2200 С.
Стоманата може да се получи и по директен метод. За да направите това, пелети с високо съдържание на желязо се зареждат в шахтова пещ и се продухват с водород при температура 1000 C. Последният редуцира желязото от оксида без междинни етапи.
Поради спецификата на черната металургия се продават или руди с определено съдържание на желязо, или готови продукти - чугун, стомана, ферит. Цените им варират значително. Средната цена на желязната руда през 2016 г. – богата, със съдържание на елементи над 60% – е 50 долара за тон.
Цената на стоманата зависи от много фактори, което понякога прави покачванията и спадовете на цените напълно непредвидими. През есента на 2016 г. разходите за фитинги и горещо и студено валцована стомана рязко се увеличиха поради също толкова рязкото покачване на цените на коксуващите се въглища, незаменим участник в топенето. През ноември европейските компании предлагат горещовалцувани стоманени рулони по 500 евро за тон.
Област на приложение
Обхватът на използване на желязото и железните сплави е огромен. По-лесно е да се посочи къде не се използва метал.
- Строителство - изграждането на всички видове рамки, от носещата рамка на мост до рамката на декоративна камина в апартамент, не може без стомана от различни степени. Фитинги, пръти, I-греди, канали, ъгли, тръби: в строителството се използват абсолютно всички фасонни и секционни продукти. Същото важи и за ламарината: от нея се прави покрив и т.н.
- Машиностроене - по отношение на здравина и устойчивост на износване има много малко, което може да се сравни със стоманата, така че частите на тялото на по-голямата част от машините са направени от стомана. Особено в случаите, когато оборудването трябва да работи при условия на високи температури и налягане.
- Инструменти – с помощта на легиращи елементи и закаляване на метала може да се придаде твърдост и здравина, близки до диамантите. Бързорежещите стомани са в основата на всички инструменти за обработка.
- В електротехниката използването на желязото е по-ограничено, именно защото примесите значително влошават електрическите му свойства, които и без това са ниски. Но металът е незаменим при производството на магнитни части на електрическо оборудване.
- Тръбопровод - от стомана и чугун са направени комуникации от всякакъв вид и тип: отоплителни, водоснабдителни системи, газопроводи, включително главни линии, обвивки за захранващи кабели, нефтопроводи и др. Само стоманата може да издържи на такива огромни натоварвания и вътрешно налягане.
- Използване в домакинството – стоманата се използва навсякъде: от обков и прибори за хранене до железни врати и брави. Здравината на метала и устойчивостта на износване го правят незаменим.
Желязото и неговите сплави съчетават здравина, издръжливост и устойчивост на износване. Освен това металът е сравнително евтин за производство, което го прави незаменим материал за съвременната национална икономика.
Това видео ще ви разкаже за железните сплави с цветни и тежки черни метали:
Желязото е добре познат химичен елемент. Принадлежи към металите със средна химическа активност. Ще разгледаме свойствата и употребата на желязото в тази статия.
Разпространение в природата
Има доста голям брой минерали, които съдържат желязо. На първо място, това е магнетит. Състои се от седемдесет и два процента желязо. Химичната му формула е Fe 3 O 4. Този минерал се нарича още магнитна желязна руда. Има светлосив цвят, понякога с тъмно сиво, дори черно, с метален блясък. Най-голямото му находище сред страните от ОНД се намира в Урал.
Следващият минерал с високо съдържание на желязо е хематитът - той се състои от седемдесет процента от този елемент. Химичната му формула е Fe 2 O 3. Нарича се още червена желязна руда. Има цвят от червено-кафяв до червено-сив. Най-голямото находище в страните от ОНД се намира в Кривой Рог.
Третият минерал, съдържащ желязо, е лимонитът. Тук желязото е шестдесет процента от общата маса. Това е кристален хидрат, т.е. водните молекули са вплетени в неговата кристална решетка, неговата химическа формула е Fe 2 O 3 .H 2 O. Както подсказва името, този минерал има жълто-кафеникав цвят, понякога кафяв. Той е един от основните компоненти на естествената охра и се използва като пигмент. Нарича се още кафява желязна руда. Най-големите местоположения са Крим и Урал.
Сидеритът, така наречената желязна руда, съдържа четиридесет и осем процента ферум. Химичната му формула е FeCO3. Структурата му е разнородна и се състои от кристали с различни цветове, свързани заедно: сиво, бледозелено, сиво-жълто, кафяво-жълто и др.
Последният често срещан минерал с високо съдържание на желязо в природата е пиритът. Той има следната химична формула: FeS 2. Съдържа желязо четиридесет и шест процента от общата маса. Благодарение на серните атоми този минерал има златисто-жълт цвят.
Много от обсъжданите минерали се използват за получаване на чисто желязо. В допълнение, хематитът се използва в производството на бижута от естествени камъни. Пиритни включвания може да присъстват в бижутата от лапис лазули. Освен това желязото се среща в природата в живите организми - то е един от най-важните компоненти на клетките. Този микроелемент трябва да се доставя на човешкото тяло в достатъчни количества. Лечебните свойства на желязото до голяма степен се дължат на факта, че този химичен елемент е в основата на хемоглобина. Следователно употребата на ферум има добър ефект върху състоянието на кръвта и следователно на целия организъм като цяло.
Желязо: физични и химични свойства
Нека да разгледаме тези два големи раздела по ред. желязото е неговият външен вид, плътност, точка на топене и т.н. Това са всички отличителни черти на веществото, които са свързани с физиката. Химичните свойства на желязото са способността му да реагира с други съединения. Да започнем с първите.
Физични свойства на желязото
В чиста форма при нормални условия е твърдо вещество. Има сребристосив цвят и подчертан метален блясък. Механичните свойства на желязото включват ниво на твърдост четири (средно). Желязото има добра електрическа и топлопроводимост. Последната характеристика може да се усети чрез докосване на железен предмет в студена стая. Тъй като този материал провежда топлината бързо, той премахва по-голямата част от кожата ви за кратък период от време, поради което се чувствате студени.
Ако докоснете например дърво, ще забележите, че неговата топлопроводимост е много по-ниска. Физичните свойства на желязото включват неговите точки на топене и кипене. Първата е 1539 градуса по Целзий, втората е 2860 градуса по Целзий. Можем да заключим, че характерните свойства на желязото са добра пластичност и топимост. Но това не е всичко.
Също така, физичните свойства на желязото включват неговия феромагнетизъм. Какво е? Желязото, чиито магнитни свойства можем да наблюдаваме в практически примери всеки ден, е единственият метал, който има такава уникална отличителна черта. Това се обяснява с факта, че този материал е способен да се магнетизира под въздействието на магнитно поле. И след края на действието на последния, желязото, чиито магнитни свойства току-що са се формирали, остава магнит за дълго време. Това явление може да се обясни с факта, че в структурата на този метал има много свободни електрони, които могат да се движат.
От химическа гледна точка
Този елемент принадлежи към металите със средна активност. Но химичните свойства на желязото са типични за всички други метали (с изключение на тези, които са вдясно от водорода в електрохимичната серия). Той е способен да реагира с много класове вещества.
Да започнем с простите
Ферумът взаимодейства с кислород, азот, халогени (йод, бром, хлор, флуор), фосфор и въглерод. Първото нещо, което трябва да имате предвид, са реакциите с кислорода. При изгаряне на желязо се образуват неговите оксиди. В зависимост от условията на реакцията и пропорциите между двамата участници те могат да варират. Като пример за този вид взаимодействие могат да се дадат следните уравнения на реакцията: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4. А свойствата на железния оксид (както физични, така и химични) могат да варират в зависимост от вида му. Тези видове реакции протичат при високи температури.
Следващото нещо е взаимодействието с азота. Също така може да се случи само при условие на нагряване. Ако вземем шест мола желязо и един мол азот, ще получим два мола железен нитрид. Уравнението на реакцията ще изглежда така: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
При взаимодействие с фосфор се образува фосфид. За провеждане на реакцията са необходими следните компоненти: за три мола ферум - един мол фосфор, в резултат на което се образува един мол фосфид. Уравнението може да се напише по следния начин: 3Fe + P = Fe 3 P.
Освен това сред реакциите с прости вещества може да се разграничи и взаимодействието със сярата. В този случай може да се получи сулфид. Принципът, по който протича процесът на образуване на това вещество, е подобен на описания по-горе. А именно, възниква реакция на добавяне. Всички химични взаимодействия от този вид изискват специални условия, главно високи температури, по-рядко катализатори.
Реакциите между желязо и халогени също са често срещани в химическата промишленост. Това са хлориране, бромиране, йодиране, флуориране. Както става ясно от имената на самите реакции, това е процес на добавяне на хлор/бром/йод/флуорни атоми към железни атоми, за да се образува съответно хлорид/бромид/йодид/флуорид. Тези вещества се използват широко в различни индустрии. В допълнение, ферумът може да се комбинира със силиций при високи температури. Поради разнообразните химични свойства на желязото, то често се използва в химическата промишленост.
Ферум и сложни вещества
От простите вещества преминаваме към тези, чиито молекули се състоят от два или повече различни химични елемента. Първото нещо, което трябва да споменем, е реакцията на ферум с вода. Тук се проявяват основните свойства на желязото. Когато водата се нагрява, тя се образува заедно с желязото (нарича се така, защото когато взаимодейства със същата вода, образува хидроксид, с други думи, основа). Така че, ако вземете един мол от двата компонента, вещества като железен диоксид и водород се образуват под формата на газ с остра миризма - също в моларни пропорции едно към едно. Уравнението за този тип реакция може да бъде написано, както следва: Fe + H 2 O = FeO + H 2. В зависимост от пропорциите, в които се смесват тези два компонента, може да се получи железен ди- или триоксид. И двете вещества са много разпространени в химическата промишленост и се използват и в много други индустрии.
С киселини и соли
Тъй като ферумът е разположен отляво на водорода в серията електрохимични активности на металите, той е в състояние да измести този елемент от съединенията. Пример за това е реакцията на изместване, която може да се наблюдава, когато желязото се добави към киселина. Например, ако смесите желязо и сулфатна киселина (известна също като сярна киселина) със средна концентрация в равни моларни пропорции, резултатът е железен (II) сулфат и водород в равни моларни пропорции. Уравнението за такава реакция ще изглежда така: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.
При взаимодействие със соли се проявяват редуциращите свойства на желязото. Тоест може да се използва за изолиране на по-малко активен метал от сол. Например, ако вземете един мол и същото количество ферум, можете да получите железен (II) сулфат и чиста мед в същите моларни пропорции.
Значение за организма
Един от най-често срещаните химически елементи в земната кора е желязото. Вече го разгледахме, сега нека подходим към него от биологична гледна точка. Ферумът изпълнява много важни функции както на клетъчно ниво, така и на ниво цял организъм. На първо място, желязото е в основата на такъв протеин като хемоглобин. Той е необходим за транспортирането на кислород чрез кръвта от белите дробове до всички тъкани, органи, до всяка клетка на тялото, преди всичко до невроните на мозъка. Следователно полезните свойства на желязото не могат да бъдат надценени.
Освен че влияе върху кръвообразуването, ферумът е важен и за пълното функциониране на щитовидната жлеза (за това е необходим не само йод, както смятат някои). Желязото също участва във вътреклетъчния метаболизъм и регулира имунитета. Ферумът също се намира в особено големи количества в чернодробните клетки, тъй като помага за неутрализиране на вредните вещества. Освен това е един от основните компоненти на много видове ензими в нашето тяло. Ежедневната диета на човек трябва да съдържа от десет до двадесет милиграма от този микроелемент.
Богати на желязо храни
Има много от тях. Те са както от растителен, така и от животински произход. Първите са зърнени храни, бобови растения, зърнени култури (особено елда), ябълки, гъби (бели), сушени плодове, шипки, круши, праскови, авокадо, тиква, бадеми, фурми, домати, броколи, зеле, боровинки, къпини, целина, Вторите са черен дроб и месо. Консумацията на храни с високо съдържание на желязо е особено важна по време на бременност, тъй като тялото на развиващия се плод се нуждае от големи количества от този микроелемент за пълноценен растеж и развитие.
Признаци на дефицит на желязо в организма
Симптомите на твърде малко количество желязо, навлизащо в тялото, са умора, постоянно замръзване на ръцете и краката, депресия, чуплива коса и нокти, намалена интелектуална активност, храносмилателни разстройства, ниска работоспособност и дисфункция на щитовидната жлеза. Ако забележите няколко от тези симптоми, може да си струва да увеличите количеството храни, съдържащи желязо, във вашата диета или да закупите витамини или хранителни добавки, които съдържат ферум. Трябва също така да се консултирате с лекар, ако почувствате някой от тези симптоми твърде остро.
Използване на ферум в промишлеността
Употребите и свойствата на желязото са тясно свързани. Поради своята феромагнитна природа се използва за направата на магнити - както по-слаби за битови цели (сувенирни магнити за хладилник и др.), така и по-силни за промишлени цели. Поради факта, че въпросният метал има висока якост и твърдост, той се използва от древни времена за производството на оръжия, брони и други военни и битови инструменти. Между другото, още в Древен Египет е известно метеоритно желязо, чиито свойства са по-добри от тези на обикновения метал. Това специално желязо е използвано и в Древен Рим. От него са правени елитни оръжия. Щит или меч от метеоритен метал може да притежава само много богат и благороден човек.
Като цяло металът, който разглеждаме в тази статия, е най-универсалният сред всички вещества в тази група. На първо място, от него се произвеждат стомана и чугун, които се използват за производството на всякакви продукти, необходими както в индустрията, така и в ежедневието.
Чугунът е сплав от желязо и въглерод, в която последният присъства от 1,7 до 4,5 процента. Ако второто е по-малко от 1,7 процента, тогава този вид сплав се нарича стомана. Ако в състава има около 0,02 процента въглерод, тогава това вече е обикновено техническо желязо. Наличието на въглерод в сплавта е необходимо, за да й се придаде по-голяма здравина, устойчивост на топлина и устойчивост на ръжда.
Освен това стоманата може да съдържа много други химични елементи като примеси. Това включва манган, фосфор и силиций. Също така, хром, никел, молибден, волфрам и много други химически елементи могат да бъдат добавени към този вид сплав, за да му придадат определени качества. Като трансформаторни стомани се използват видове стомани, съдържащи голямо количество силиций (около четири процента). Тези, които съдържат много манган (до дванадесет до четиринадесет процента), се използват в производството на части за железопътни линии, мелници, трошачки и други инструменти, части от които са обект на бързо износване.
Към сплавта се добавя молибден, за да стане по-устойчива на топлина; такива стомани се използват като инструментални. Освен това, за да се получат неръждаеми стомани, които са добре познати и често използвани в ежедневието под формата на ножове и други домакински инструменти, е необходимо да се добавят хром, никел и титан към сплавта. И за да се получи удароустойчива, високоякостна, пластична стомана, е достатъчно да се добави ванадий към нея. Чрез добавяне на ниобий към състава може да се постигне висока устойчивост на корозия и химически агресивни вещества.
Минералът магнетит, който беше споменат в началото на статията, е необходим за производството на твърди дискове, карти с памет и други устройства от този тип. Благодарение на магнитните си свойства желязото може да се намери в трансформатори, двигатели, електронни продукти и др. Освен това ферумът може да се добавя към сплави от други метали, за да им придаде по-голяма якост и механична стабилност. Сулфатът на този елемент се използва в градинарството за борба с вредителите (заедно с медния сулфат).
Те са незаменими за пречистване на водата. Освен това прахът от магнетит се използва в черно-бели принтери. Основната употреба на пирита е получаването на сярна киселина от него. Този процес протича в лабораторни условия на три етапа. В първия етап железният пирит се изгаря, за да се получат железен оксид и серен диоксид. На втория етап превръщането на серен диоксид в неговия триоксид става с участието на кислород. И на последния етап полученото вещество се пропуска в присъствието на катализатори, като по този начин се получава сярна киселина.
Получаване на желязо
Този метал се добива главно от двата си основни минерала: магнетит и хематит. Това става чрез редуциране на желязото от неговите съединения с въглерод под формата на кокс. Това се прави в доменни пещи, температурата в които достига две хиляди градуса по Целзий. Освен това има метод за редуциране на ферум с водород. За да направите това, не е необходимо да имате доменна пещ. За да приложат този метод, те вземат специална глина, смесват я с натрошена руда и я обработват с водород в шахтова пещ.
Заключение
Свойствата и приложенията на желязото са разнообразни. Това е може би най-важният метал в живота ни. След като стана известен на човечеството, той зае мястото на бронза, който по това време беше основният материал за производството на всички инструменти, както и оръжия. Стоманата и чугунът в много отношения превъзхождат сплавта от мед и калай по отношение на техните физични свойства и устойчивост на механични натоварвания.
Освен това желязото е по-разпространено на нашата планета от много други метали. той е почти пет процента в земната кора. Това е четвъртият най-разпространен химичен елемент в природата. Също така, този химичен елемент е много важен за нормалното функциониране на тялото на животните и растенията, главно защото хемоглобинът е изграден на негова основа. Желязото е основен микроелемент, чиято консумация е важна за поддържане на здравето и нормалното функциониране на органите. В допълнение към горното, това е единственият метал, който има уникални магнитни свойства. Невъзможно е да си представим живота си без ферум.
Желязото се счита за един от най-често срещаните метали в земната кора след алуминия. Неговите физични и химични свойства са такива, че има отлична електропроводимост, топлопроводимост и ковкост, има сребристо-бял цвят и висока химическа реактивност, за да корозира бързо при висока влажност или високи температури. Тъй като е във фино диспергирано състояние, той гори в чист кислород и се запалва спонтанно във въздуха.
Началото на историята на желязото
През третото хилядолетие пр.н.е. д. хората започнаха да добиват и се научиха да обработват бронз и мед. Те не бяха широко използвани поради високата им цена. Търсенето на нов метал продължи. Историята на желязото започва през първи век пр.н.е. д. В природата може да се намери само под формата на съединения с кислород. За да се получи чист метал, е необходимо да се отдели последният елемент. Отне много време, за да се стопи желязото, тъй като трябваше да се нагрее до 1539 градуса. И едва с появата на пещите за производство на сирене през първото хилядолетие преди новата ера те започнаха да получават този метал. Първоначално беше крехък и съдържаше много отпадъци.
С появата на ковачниците качеството на желязото се подобрява значително. Допълнително се обработва в ковачница, където шлаката се отделя с удари с чук. Коването се е превърнало в един от основните видове металообработка, а ковачеството се е превърнало в незаменим клон на производството. Желязото в чист вид е много мек метал. Използва се главно в сплав с въглерод. Тази добавка подобрява физическото свойство на желязото, като твърдост. Скоро евтиният материал навлиза широко във всички сфери на човешката дейност и революционизира развитието на обществото. В крайна сметка, дори в древни времена, железните изделия са били покрити с дебел слой злато. Той имаше висока цена в сравнение с благородния метал.
Желязото в природата
Литосферата съдържа повече алуминий, отколкото желязо. В природата може да се намери само под формата на съединения. Желязното желязо, реагирайки, превръща почвата в кафяво и придава на пясъка жълтеникав оттенък. Железните оксиди и сулфиди са разпръснати в земната кора, понякога има натрупвания на минерали, от които впоследствие се извлича металът. Съдържанието на двувалентно желязо в някои минерални извори придава на водата особен вкус.
Ръждивата вода, която тече от стари водопроводи, е оцветена от тривалентния метал. Атомите му се намират и в човешкото тяло. Те се намират в хемоглобина (желязосъдържащ протеин) в кръвта, който снабдява тялото с кислород и премахва въглеродния диоксид. Някои метеорити съдържат чисто желязо, понякога се откриват цели слитъци.
Какви физични свойства има желязото?
Това е пластичен сребристо-бял метал със сивкав оттенък и метален блясък. Той е добър проводник на електрически ток и топлина. Благодарение на своята пластичност, той се поддава идеално на коване и валцуване. Желязото не се разтваря във вода, а се втечнява в живак, топи се при температура 1539 и кипи при 2862 градуса по Целзий и има плътност 7,9 g/cm³. Особеност на физичните свойства на желязото е, че металът се привлича от магнит и след премахване на външното магнитно поле запазва намагнитването си. Използвайки тези свойства, той може да се използва за направата на магнити.
Химични свойства
Желязото има следните свойства:
- във въздуха и водата лесно се окислява, покривайки се с ръжда;
- в кислород горещата тел изгаря (и се образува котлен камък под формата на железен оксид);
- при температура 700-900 градуса по Целзий реагира с водна пара;
- при нагряване реагира с неметали (хлор, сяра, бром);
- реагира с разредени киселини, което води до железни соли и водород;
- не се разтваря в основи;
- е способен да измества металите от разтвори на техните соли (железен пирон в разтвор на меден сулфат се покрива с червено покритие - това е освобождаването на мед);
- В концентрирани алкали при кипене се проявява амфотерността на желязото.
Свойства на характеристиките
Едно от физичните свойства на желязото е феромагнитността. На практика често се срещат магнитните свойства на този материал. Това е единственият метал, който има такава рядка характеристика.
Под въздействието на магнитно поле желязото се магнетизира. Металът запазва образуваните си магнитни свойства за дълго време и сам остава магнит. Това изключително явление се обяснява с факта, че структурата на желязото съдържа голям брой свободни електрони, които могат да се движат.
Запаси и производство
Един от най-често срещаните елементи на земята е желязото. По съдържание в земната кора се нарежда на четвърто място. Има много известни руди, които го съдържат, например магнитна и кафява желязна руда. Металът се произвежда в промишлеността главно от хематитни и магнетитни руди, използвайки процеса на доменна пещ. Първо се редуцира с въглерод в пещ при висока температура от 2000 градуса по Целзий.
За да направите това, желязна руда, кокс и флюс се подават в доменната пещ отгоре, а поток от горещ въздух се инжектира отдолу. Използва се и директен процес за получаване на желязо. Натрошената руда се смесва със специална глина, за да се образуват пелети. След това се изпичат и обработват с водород в шахтова пещ, където той лесно се възстановява. Те получават твърдо желязо и след това го топят в електрически пещи. Чистият метал се редуцира от оксиди чрез електролиза на водни солеви разтвори.
Ползи от желязото
Основните физични свойства на желязното вещество дават на него и неговите сплави следните предимства пред другите метали:
недостатъци
В допълнение към голям брой положителни качества, има и редица отрицателни свойства на метала:
- Продуктите са податливи на корозия. За да се елиминира този нежелан ефект, неръждаемите стомани се произвеждат чрез легиране, а в други случаи се извършва специална антикорозионна обработка на конструкции и части.
- Желязото натрупва статично електричество, така че продуктите, които го съдържат, са обект на електрохимична корозия и също изискват допълнителна обработка.
- Специфичното тегло на метала е 7,13 g/cm³. Това физическо свойство на желязото придава на структурите и частите повишено тегло.
Състав и структура
Желязото има четири кристални модификации, които се различават по структура и параметри на решетката. За топенето на сплави наличието на фазови преходи и легиращи добавки е от съществено значение. Разграничават се следните състояния:
- Алфа фаза. Издържа до 769 градуса по Целзий. В това състояние желязото запазва свойствата на феромагнетик и има обемно центрирана кубична решетка.
- Бета фаза. Съществува при температури от 769 до 917 градуса по Целзий. Той има малко по-различни параметри на решетката, отколкото в първия случай. Всички физични свойства на желязото остават същите, с изключение на магнитните, които то губи.
- Гама фаза. Решетъчната структура става лицево-центрирана. Тази фаза се появява в диапазона от 917-1394 градуса по Целзий.
- Омега фаза. Това състояние на метала се появява при температури над 1394 градуса по Целзий. Тя се различава от предишната само в параметрите на решетката.
Желязото е най-търсеният метал в света. Повече от 90 процента от цялото металургично производство се пада на него.
Приложение
Хората първо започнаха да използват метеоритно желязо, което беше ценено по-високо от златото. Оттогава обхватът на този метал се разширява само. Следните са употребите на желязото въз основа на неговите физични свойства:
- феромагнитните оксиди се използват за производство на магнитни материали: промишлени инсталации, хладилници, сувенири;
- железните оксиди се използват като минерални бои;
- железният хлорид е незаменим в радиолюбителската практика;
- Железните сулфати се използват в текстилната промишленост;
- магнитният железен оксид е един от важните материали за производството на устройства с дълготрайна компютърна памет;
- ултрафин прах от желязо се използва в черно-бели лазерни принтери;
- силата на метала прави възможно производството на оръжия и брони;
- устойчивият на износване чугун може да се използва за производство на спирачки, дискове на съединителя и части за помпи;
- топлоустойчиви - за доменни пещи, термични пещи, мартенови пещи;
- топлоустойчиви - за компресорно оборудване, дизелови двигатели;
- висококачествена стомана се използва за газопроводи, корпуси на отоплителни котли, сушилни, перални и съдомиялни машини.
Заключение
Желязото често означава не самия метал, а неговата сплав - нисковъглеродна електрическа стомана. Получаването на чисто желязо е доста сложен процес и затова се използва само за производството на магнитни материали. Както вече беше отбелязано, изключителното физическо свойство на простото вещество желязо е феромагнетизмът, т.е. способността да се магнетизира в присъствието на магнитно поле.
Магнитните свойства на чистия метал са до 200 пъти по-високи от тези на техническата стомана. Това свойство също се влияе от размера на зърното на метала. Колкото по-голямо е зърното, толкова по-високи са магнитните свойства. Механичната обработка също оказва влияние до известна степен. Такова чисто желязо, което отговаря на тези изисквания, се използва за производството на магнитни материали.