Gvožđe je element bočne podgrupe osme grupe četvrtog perioda periodnog sistema hemijskih elemenata D.I. Mendeljejeva sa atomskim brojem 26. Označeno je simbolom Fe (lat. Ferrum). Jedan od najčešćih metala u zemljinoj kori (drugo mjesto nakon aluminija). Metal srednje aktivnosti, redukciono sredstvo.
Glavna oksidaciona stanja - +2, +3
Jednostavna supstanca gvožđe je savitljiv srebrno-beli metal sa visokom hemijskom reaktivnošću: gvožđe brzo korodira na visokim temperaturama ili visokoj vlažnosti u vazduhu. Gvožđe gori u čistom kiseoniku, au fino raspršenom stanju spontano se zapali u vazduhu.
Hemijska svojstva jednostavne supstance - gvožđa:
Rđanje i gorenje u kiseoniku
1) Na vazduhu, gvožđe lako oksidira u prisustvu vlage (rđanje):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Vruća željezna žica gori u kisiku, stvarajući kamenac - željezni oksid (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °C)
2) Na visokim temperaturama (700-900°C), gvožđe reaguje sa vodenom parom:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Gvožđe reaguje sa nemetalima kada se zagreje:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)
Fe + S – t° → FeS (600 °C)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°C)
4) U nizu napona nalazi se lijevo od vodonika, reagira sa razrijeđenim kiselinama HCl i H 2 SO 4, te nastaju soli željeza(II) i oslobađa se vodonik:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reakcije se odvijaju bez pristupa zraka, inače se Fe +2 postepeno pretvara kisikom u Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (razrijeđeno) → FeSO 4 + H 2
U koncentriranim oksidirajućim kiselinama, željezo se otapa tek kada se zagrije; odmah se pretvara u Fe 3+ kation:
2Fe + 6H 2 SO 4 (konc.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (konc.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(u hladnoj, koncentrovane azotne i sumporne kiseline pasivirati
Gvozdeni ekser uronjen u plavkastu otopinu bakrenog sulfata postupno postaje prevučen premazom od crvenog metalnog bakra.
5) Gvožđe istiskuje metale koji se nalaze desno od njega iz rastvora njihovih soli.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Amfoterna svojstva gvožđa pojavljuju se samo u koncentrisanim alkalijama tokom ključanja:
Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O= Na 2 ↓+ H 2
i formira se talog natrijum tetrahidroksoferata(II).
Tehnički hardver- legure gvožđa i ugljenika: liveno gvožđe sadrži 2,06-6,67% C, čelikaČesto su prisutni 0,02-2,06% C, druge prirodne nečistoće (S, P, Si) i umjetno uneseni specijalni aditivi (Mn, Ni, Cr), što daje legurama željeza tehnički korisna svojstva - tvrdoću, termičku i korozionu otpornost, kovljivost itd. . .
Proces proizvodnje gvožđa u visokim pećima
Proces visoke peći za proizvodnju livenog gvožđa sastoji se od sledećih faza:
a) priprema (prženje) sulfidnih i karbonatnih ruda - pretvaranje u oksidnu rudu:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2.800°C, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2.500-600°C, -CO 2)
b) sagorevanje koksa vrućim mlazom:
C (koks) + O 2 (vazduh) → CO 2 (600-700 °C) CO 2 + C (koks) ⇌ 2 CO (700-1000 °C)
c) redukcija oksidne rude ugljičnim monoksidom CO uzastopno:
Fe2O3 →(CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe
d) karburizacija gvožđa (do 6,67% C) i topljenje livenog gvožđa:
Fe (t ) →(C(koka-kola)900-1200°S) Fe (tečnost) (liveno gvožđe, tačka topljenja 1145°S)
Liveno gvožđe uvek sadrži cementit Fe 2 C i grafit u obliku zrna.
Proizvodnja čelika
Pretvorba lijevanog željeza u čelik vrši se u posebnim pećima (konverterske, otvorenog ložišta, električne), koje se razlikuju po načinu grijanja; temperatura procesa 1700-2000 °C. Puhanje vazduha obogaćenog kiseonikom dovodi do sagorevanja viška ugljenika, kao i sumpora, fosfora i silicijuma u obliku oksida iz livenog gvožđa. U tom slučaju, oksidi se ili hvataju u obliku izduvnih plinova (CO 2, SO 2), ili se vezuju u šljaku koja se lako odvaja - mješavinu Ca 3 (PO 4) 2 i CaSiO 3. Za proizvodnju specijalnih čelika u peć se unose legirajući aditivi drugih metala.
Potvrdačisto željezo u industriji - elektroliza otopine željeznih soli, na primjer:
FeSl 2 → Fe↓ + Sl 2 (90°S) (elektroliza)
(postoje i druge posebne metode, uključujući redukciju željeznih oksida vodonikom).
Čisto željezo se koristi u proizvodnji specijalnih legura, u proizvodnji jezgri elektromagneta i transformatora, lijevano željezo - u proizvodnji odljevaka i čelika, čelik - kao konstrukcijski i alatni materijali, uključujući otpornost na habanje, toplinu i koroziju one.
Gvožđe(II) oksid F EO . Amfoterni oksid sa visokom dominacijom osnovnih svojstava. Crna, ima jonsku strukturu Fe 2+ O 2- . Kada se zagrije, prvo se raspada, a zatim se ponovo formira. Ne nastaje kada gvožđe gori na vazduhu. Ne reaguje sa vodom. Razlaže se kiselinama, stapa se sa alkalijama. Polako oksidira na vlažnom vazduhu. Redukovano vodonikom i koksom. Učestvuje u visokopećnom procesu topljenja gvožđa. Koristi se kao komponenta keramike i mineralnih boja. Jednačine najvažnijih reakcija:
4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 °C, 900-1000 °C)
FeO + 2HC1 (razrijeđen) = FeC1 2 + H 2 O
FeO + 4HNO 3 (konc.) = Fe(NO 3) 3 +NO 2 + 2H 2 O
FeO + 4NaOH = 2H 2 O + Na 4FeO3 (crveno.) trioksoferat(II)(400-500 °C)
FeO + H 2 =H 2 O + Fe (ekstra čist) (350°C)
FeO + C (koks) = Fe + CO (iznad 1000 °C)
FeO + CO = Fe + CO 2 (900°C)
4FeO + 2H 2 O (vlaga) + O 2 (vazduh) →4FeO(OH) (t)
6FeO + O 2 = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500°C)
Potvrda V laboratorije: termička razgradnja jedinjenja željeza (II) bez pristupa zraka:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)
FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 °C)
Digvožđe(III) oksid - gvožđe( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Dvostruki oksid. Crna, ima jonsku strukturu Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Termički stabilan do visokih temperatura. Ne reaguje sa vodom. Razlaže se kiselinama. Redukovano vodonikom, vrućim gvožđem. Učestvuje u visokopećnom procesu proizvodnje livenog gvožđa. Koristi se kao komponenta mineralnih boja ( crveno olovo), keramika, obojeni cement. Proizvod specijalne oksidacije površine čeličnih proizvoda ( crnjenje, plavilo). Sastav odgovara smeđoj rđi i tamnoj ljusci na željezu. Ne preporučuje se upotreba bruto formule Fe 3 O 4. Jednačine najvažnijih reakcija:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (iznad 1538 °C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8NS1 (dil.) = FeS1 2 + 2FeS1 3 + 4N 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (konc.) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (vazduh) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 °C)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (ekstra čist, 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)
Potvrda: sagorevanje gvožđa (vidi) u vazduhu.
magnetit.
Gvožđe(III) oksid F e 2 O 3 . Amfoterni oksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Crveno-braon, ima jonsku strukturu (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Termički stabilan do visokih temperatura. Ne nastaje kada gvožđe gori na vazduhu. Ne reaguje sa vodom, iz rastvora se taloži smeđi amorfni hidrat Fe 2 O 3 nH 2 O. Reaguje sporo sa kiselinama i alkalijama. Redukovano ugljen monoksidom, rastopljenim gvožđem. Osigurava se sa oksidima drugih metala i formira dvostruke okside - spineli(tehnički proizvodi se nazivaju feritima). Koristi se kao sirovina za topljenje livenog gvožđa u procesu visoke peći, katalizator u proizvodnji amonijaka, komponenta keramike, obojenih cementa i mineralnih boja, u termitnom zavarivanju čeličnih konstrukcija, kao nosač zvuka i slika na magnetnim trakama, kao sredstvo za poliranje čelika i stakla.
Jednačine najvažnijih reakcija:
6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °C)
Fe 2 O 3 + 6NS1 (dil.) →2FeS1 3 + ZN 2 O (t) (600°S,r)
Fe 2 O 3 + 2NaOH (konc.) →H 2 O+ 2 NAFeO 2 (crveno)dioksoferat (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 (ekstra čist, 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)
Potvrda u laboratoriji - termička razgradnja soli željeza (III) u zraku:
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)
U prirodi - rude željeznog oksida hematit Fe 2 O 3 i limonit Fe 2 O 3 nH 2 O
Gvožđe(II) hidroksid F e(OH) 2 . Amfoterni hidroksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Bijele (ponekad zelenkaste), Fe-OH veze su pretežno kovalentne. Termički nestabilan. Lako oksidira na zraku, posebno kada je vlažan (potamni). Nerastvorljivo u vodi. Reaguje sa razrijeđenim kiselinama i koncentriranim alkalijama. Tipičan reduktor. Intermedijarni proizvod u rđenju željeza. Koristi se u proizvodnji aktivne mase željezo-nikl baterija.
Jednačine najvažnijih reakcija:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, atm.N 2)
Fe(OH) 2 + 2HC1 (razd.) = FeC1 2 + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (plavo-zeleno) (ključanje)
4Fe(OH) 2 (suspenzija) + O 2 (vazduh) →4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)
2Fe(OH) 2 (suspenzija) +H 2 O 2 (razrijeđen) = 2FeO(OH)↓ + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + KNO 3 (konc.) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 °C)
Potvrda: taloženje iz rastvora sa alkalijama ili amonijačnim hidratom u inertnoj atmosferi:
Fe 2+ + 2OH (razd.) = Fe(OH) 2 ↓
Fe 2+ + 2(NH 3 H 2 O) = Fe(OH) 2 ↓+ 2NH 4
Gvožđe metahidroksid F eO(OH). Amfoterni hidroksid sa dominantnim osnovnim svojstvima. Svijetlo smeđe, Fe - O i Fe - OH veze su pretežno kovalentne. Kada se zagreje, raspada se bez topljenja. Nerastvorljivo u vodi. Iz rastvora se taloži u obliku smeđeg amorfnog polihidrata Fe 2 O 3 nH 2 O, koji se, čuvanjem u razblaženom alkalnom rastvoru ili nakon sušenja, pretvara u FeO(OH). Reaguje sa kiselinama i čvrstim alkalijama. Slabo oksidaciono i redukciono sredstvo. Sinterovano sa Fe(OH) 2. Intermedijarni proizvod u rđenju željeza. Koristi se kao osnova za žute mineralne boje i emajle, apsorber za otpadne gasove i katalizator u organskoj sintezi.
Jedinjenje sastava Fe(OH) 3 je nepoznato (nije dobijeno).
Jednačine najvažnijih reakcija:
Fe 2 O 3 . nH 2 O→( 200-250 °C, —H 2 O) FeO(OH)→( 560-700° C na zraku, -H2O)→Fe 2 O 3
FeO(OH) + ZNS1 (razd.) = FeC1 3 + 2H 2 O
FeO(OH)→ Fe 2 O 3 . nH 2 O-koloid(NaOH (konc.))
FeO(OH)→ Na 3 [Fe(OH) 6 ]bijela, Na 5 i K 4 respektivno; u oba slučaja se taloži plavi produkt istog sastava i strukture, KFe III. U laboratoriji se ovaj talog naziva pruska plava, ili turnbull blue:
Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓
Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓
Hemijski nazivi početnih reagensa i produkta reakcije:
K 3 Fe III - kalijum heksacijanoferat (III)
K 4 Fe III - kalijum heksacijanoferat (II)
KFe III - gvožđe (III) kalijum heksacijanoferat (II)
Osim toga, dobar reagens za Fe 3+ ione je tiocijanatni jon NSS -, s njim se kombinira željezo (III) i pojavljuje se svijetlo crvena („krvava“) boja:
Fe 3+ + 6NCS - = 3-
Ovaj reagens (na primjer, u obliku KNCS soli) može čak otkriti tragove željeza (III) u vodi iz slavine ako prođe kroz željezne cijevi obložene hrđom iznutra.
Gvožđe je osmi element četvrtog perioda u periodnom sistemu. Njegov broj u tabeli (koji se naziva i atomski) je 26, što odgovara broju protona u jezgru i elektrona u elektronskom omotaču. Označen je sa prva dva slova njegovog latinskog ekvivalenta - Fe (latinski Ferrum - čita se kao "ferrum"). Gvožđe je drugi najčešći element u zemljinoj kori, procenat je 4,65% (najzastupljeniji je aluminijum, Al). Ovaj metal je prilično rijedak u svom izvornom obliku; češće se vadi iz pomiješane rude s niklom.
U kontaktu sa
Kakva je priroda ove veze? Gvožđe kao atom sastoji se od metalne kristalne rešetke, koja osigurava tvrdoću spojeva koji sadrže ovaj element i molekularnu stabilnost. U vezi s tim je ovaj metal tipična čvrsta tvar, za razliku od, na primjer, žive.
Gvožđe kao jednostavna supstanca- metal srebrne boje sa svojstvima tipičnim za ovu grupu elemenata: savitljivost, metalni sjaj i duktilnost. Osim toga, željezo je vrlo reaktivno. O ovom posljednjem svojstvu svjedoči činjenica da željezo vrlo brzo korodira u prisustvu visoke temperature i odgovarajuće vlage. U čistom kiseoniku, ovaj metal dobro gori, ali ako ga zdrobite na vrlo male čestice, one ne samo da će izgorjeti, već će se i spontano zapaliti.
Često čistim metalom ne nazivamo željezo, već njegove legure koje sadrže ugljik, na primjer, čelik (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Od velikog industrijskog značaja su i legure kojima se dodaju legirajući metali (nikl, mangan, hrom i drugi), zbog čega čelik postaje nerđajući, odnosno legiran. Dakle, na osnovu ovoga postaje jasno kakve opsežne industrijske primjene ovaj metal ima.
Karakteristike Fe
Hemijska svojstva gvožđa
Pogledajmo bliže karakteristike ovog elementa.
Svojstva jednostavne supstance
- Oksidacija u zraku pri visokoj vlažnosti (korozivni proces):
4Fe+3O2+6H2O = 4Fe (OH)3 - gvožđe (III) hidroksid (hidroksid)
- Sagorijevanje željezne žice u kisiku s stvaranjem miješanog oksida (sadrži element s oksidacijskim stanjem +2 i oksidacijskim stanjem +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (gvozdeni kamenac). Reakcija je moguća kada se zagrije na 160 ⁰C.
- Interakcija s vodom na visokim temperaturama (600-700 ⁰C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Reakcije sa nemetalima:
a) Reakcija sa halogenima (Važno! Ovom interakcijom oksidaciono stanje elementa postaje +3)
2Fe+3Cl2 = 2FeCl3 - željezni hlorid
b) Reakcija sa sumporom (Važno! Sa ovom interakcijom, element ima oksidaciono stanje +2)
Gvožđe (III) sulfid - Fe2S3 može se dobiti drugom reakcijom:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
c) Formiranje pirita
Fe+2S = FeS2 - pirit. Obratite pažnju na oksidaciono stanje elemenata koji čine ovo jedinjenje: Fe (+2), S (-1).
- Interakcija sa metalnim solima koje se nalaze u elektrohemijskom nizu aktivnosti metala desno od Fe:
Fe+CuCl2 = FeCl2+Cu - gvožđe (II) hlorid
- Interakcija s razrijeđenim kiselinama (na primjer, klorovodičnom i sumpornom):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe+HCl = FeCl2+ H2
Imajte na umu da ove reakcije proizvode željezo s oksidacijskim stanjem od +2.
- U nerazrijeđenim kiselinama, koje su jaki oksidanti, reakcija je moguća samo kada se zagrije; u hladnim kiselinama metal se pasivizira:
Fe+H2SO4 (koncentrirano) = Fe2 (SO4)3+3SO2+6H2O
Fe+6HNO3 = Fe (NO3)3+3NO2+3H2O
- Amfoterna svojstva željeza pojavljuju se samo u interakciji s koncentriranim alkalijama:
Fe+2KOH+2H2O = K2+H2 - taloženje kalijum tetrahidroksiferata (II).
Proces proizvodnje livenog gvožđa u visokoj peći
- Pečenje i naknadna razgradnja sulfidnih i karbonatnih ruda (oslobađanje metalnih oksida):
FeS2 —> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Ova reakcija je ujedno i prvi korak u industrijskoj sintezi sumporne kiseline.
FeCO3 —> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).
- Spaljivanje koksa (u višku):
C (koks)+O2 (vazduh) —> CO2 (600−700 ⁰C)
CO2+S (koks) —> 2CO (750−1000 ⁰C)
- Redukcija rude koja sadrži oksid ugljičnim monoksidom:
Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)
FeO —> Fe (CO, -CO2)
- Karburizacija gvožđa (do 6,7%) i topljenje livenog gvožđa (temperatura topljenja - 1145 ⁰C)
Fe (čvrsto) + C (koks) -> liveno gvožđe. Temperatura reakcije - 900−1200 ⁰C.
Liveno gvožđe uvek sadrži cementit (Fe2C) i grafit u obliku zrna.
Karakteristike spojeva koji sadrže Fe
Proučimo karakteristike svake veze posebno.
Fe3O4
Mješoviti ili dvostruki željezni oksid, koji sadrži element s oksidacijskim stanjem i +2 i +3. Naziva se i Fe3O4 gvožđe oksid. Ovaj spoj je otporan na visoke temperature. Ne reaguje sa vodom ili vodenom parom. Podložan razgradnji mineralnim kiselinama. Može se reducirati vodonikom ili željezom na visokim temperaturama. Kao što možete razumjeti iz gornjih informacija, to je međuproizvod u reakcijskom lancu industrijske proizvodnje lijevanog željeza.
Gvozdeni kamenac se direktno koristi u proizvodnji boja na mineralnoj bazi, obojenog cementa i keramičkih proizvoda. Fe3O4 je ono što se dobija kada se čelik pocrni i plavi. Mešani oksid se dobija sagorevanjem gvožđa na vazduhu (reakcija je data gore). Ruda koja sadrži okside je magnetit.
Fe2O3
Gvožđe (III) oksid, trivijalno ime - hematit, crveno-braon jedinjenje. Otporan na visoke temperature. Ne nastaje u svom čistom obliku oksidacijom gvožđa sa atmosferskim kiseonikom. Ne reaguje sa vodom, stvara hidrate koji talože. Slabo reaguje sa razrijeđenim alkalijama i kiselinama. Može se legirati sa oksidima drugih metala, formirajući spinele - dvostruke okside.
Crvena željezna ruda se koristi kao sirovina u industrijskoj proizvodnji livenog gvožđa metodom visoke peći. Također ubrzava reakciju, odnosno djeluje kao katalizator u industriji amonijaka. Koristi se u istim područjima kao i željezni oksid. Osim toga, korišten je kao nosač zvuka i slike na magnetnim trakama.
FeOH2
Gvožđe(II) hidroksid, jedinjenje koje ima i kisela i bazna svojstva, pri čemu ova potonja preovlađuje, odnosno amfoterna je. Bijela supstanca koja brzo oksidira na zraku i "posmeđe" u željezo (III) hidroksid. Podložan raspadanju kada je izložen temperaturi. Reaguje i sa slabim rastvorima kiselina i alkalija. Nećemo rastvoriti u vodi. U reakciji djeluje kao redukcijski agens. To je međuproizvod u reakciji korozije.
Detekcija Fe2+ i Fe3+ jona („kvalitativne“ reakcije)
Prepoznavanje Fe2+ i Fe3+ jona u vodenim rastvorima vrši se pomoću kompleksnih kompleksnih jedinjenja - K3, crvena krvna so, i K4, žuta krvna so, respektivno. U obe reakcije nastaje bogat plavi talog istog kvantitativnog sastava, ali različitog položaja gvožđa sa valentnošću +2 i +3. Ovaj talog se često naziva i prusko plavo ili Turnbull plavo.
Reakcija napisana u jonskom obliku
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Dobar reagens za detekciju Fe3+ je tiocijanat jon (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- - ova jedinjenja imaju jarko crvenu (“krvavu”) boju.
Ovaj reagens, na primjer, kalijev tiocijanat (formula - KNCS), omogućava vam da odredite čak i zanemarljive koncentracije željeza u otopinama. Tako, prilikom ispitivanja vode iz slavine, može utvrditi da li su cijevi zarđale.
Gvožđe je glavni konstruktivni materijal. Metal se koristi bukvalno svuda - od raketa i podmornica do pribora za jelo i ukrasa za roštilj od kovanog gvožđa. To u velikoj mjeri olakšava element u prirodi. Međutim, pravi razlog je njegova snaga i izdržljivost.
U ovom članku ćemo okarakterisati željezo kao metal i ukazati na njegova korisna fizička i kemijska svojstva. Zasebno ćemo vam reći zašto se željezo naziva crnim metalom i po čemu se razlikuje od drugih metala.
Začudo, još uvijek se ponekad postavlja pitanje da li je željezo metal ili nemetal. Gvožđe je element grupe 8, period 4 tabele D. I. Mendeljejeva. Molekularna težina je 55,8, što je prilično visoko.
Ovo je srebrno sivi metal, prilično mekan, duktilan i ima magnetna svojstva. Zapravo, čisto željezo se nalazi i koristi izuzetno rijetko, jer je metal kemijski aktivan i podliježe raznim reakcijama.
Ovaj video će vam reći šta je gvožđe:
Koncept i karakteristike
Željezo se obično naziva legura s malim udjelom nečistoća - do 0,8%, koja zadržava gotovo sva svojstva metala. Čak ni ova opcija nije široko rasprostranjena, već čelik i lijevano željezo. Ime su dobili - crni metal, željezo, ili, tačnije, isto lijevano željezo i čelik - zahvaljujući boji rude - crnoj.
Danas se legure gvožđa nazivaju crnim metalima: čelik, liveno gvožđe, ferit, kao i mangan, a ponekad i hrom.
Gvožđe je veoma čest element. Po sadržaju u zemljinoj kori zauzima 4. mjesto, inferioran kisiku i. Zemljino jezgro sadrži 86% gvožđa, a samo 14% je u omotaču. Morska voda sadrži vrlo malo tvari - do 0,02 mg/l, riječna voda sadrži nešto više - do 2 mg/l.
Gvožđe je tipičan metal, ali i prilično aktivan. Reaguje sa razrijeđenim i koncentriranim kiselinama, ali pod utjecajem vrlo jakih oksidacijskih sredstava može formirati soli željezne kiseline. Na zraku, željezo se brzo prekriva oksidnim filmom, sprječavajući daljnju reakciju.
Međutim, u prisustvu vlage umjesto oksidnog filma pojavljuje se hrđa, koja zbog svoje labave strukture ne sprječava daljnju oksidaciju. Ova karakteristika, korozija u prisustvu vlage, glavni je nedostatak legura željeza. Vrijedi napomenuti da nečistoće izazivaju koroziju, dok je kemijski čist metal otporan na vodu.
Važni parametri
Čisto metalno željezo je prilično duktilno, lako se kouje i teško se lijeva. Međutim, male nečistoće ugljika značajno povećavaju njegovu tvrdoću i lomljivost. Ova kvaliteta postala je jedan od razloga zamjene brončanog oruđa željeznim.
- Ako uporedimo legure željeza i, od onih koje su bile poznate u antičkom svijetu, očito je da, kako po otpornosti na koroziju, tako i prema trajnosti. Međutim, veliki razmjeri doveli su do iscrpljivanja rudnika kalaja. A pošto je znatno manje od , metalurzi prošlosti su se suočili sa pitanjem zamjene. I gvožđe je zamenilo bronzu. Potonji je potpuno zamijenjen kada se pojavio čelik: bronca ne pruža takvu kombinaciju tvrdoće i elastičnosti.
- Gvožđe sa kobaltom formira željeznu trijadu. Svojstva elemenata su vrlo bliska, bliža od onih njihovih analoga sa istom strukturom vanjskog sloja. Svi metali imaju izvrsna mehanička svojstva: mogu se lako obrađivati, valjati, izvlačiti, kovati i štancati. Kobalt je manje reaktivan i otporniji na koroziju od željeza. Međutim, manja zastupljenost ovih elemenata ne dozvoljava im da se koriste tako široko kao željezo.
- Glavni "konkurencija" hardvera u smislu područja upotrebe je. Ali u stvarnosti, oba materijala imaju potpuno različite kvalitete. Nije ni približno jak kao gvožđe, teže se izvlači i ne može se kovati. S druge strane, metal je mnogo lakši po težini, što čini strukturu znatno lakšom.
Električna provodljivost željeza je vrlo prosječna, dok je aluminijum po ovom pokazatelju drugi nakon srebra i zlata. Gvožđe je feromagnetno, odnosno zadržava magnetizaciju u odsustvu magnetnog polja i uvlači se u magnetno polje.
Ovakva različita svojstva dovode do potpuno različitih područja primjene, pa se građevinski materijali vrlo rijetko "bore", na primjer, u proizvodnji namještaja, gdje je lakoća aluminijskog profila u suprotnosti sa čvrstoćom čeličnog.
Prednosti i nedostaci željeza su razmotreni u nastavku.
Prednosti i nedostaci
Glavna prednost gvožđa u odnosu na druge konstrukcijske metale je njegova obilje i relativna lakoća topljenja. Ali, s obzirom na količinu željeza koja se koristi, ovo je vrlo važan faktor.
Prednosti
Prednosti metala uključuju i druge kvalitete.
- Čvrstoća i tvrdoća uz zadržavanje elastičnosti - ne govorimo o kemijski čistom željezu, već o legurama. Štaviše, ovi kvaliteti dosta variraju u zavisnosti od vrste čelika, metode termičke obrade, metode proizvodnje itd.
- Raznolikost čelika i ferita omogućava vam da kreirate i odaberete materijal za doslovno bilo koji zadatak - od okvira mosta do alata za rezanje. Mogućnost dobijanja specificiranih svojstava dodavanjem vrlo malih nečistoća je neobično velika prednost.
- Lakoća obrade omogućava dobijanje proizvoda najrazličitijih vrsta: šipke, cijevi, profilirani proizvodi, grede, limovi i tako dalje.
- Magnetna svojstva željeza su takva da je metal glavni materijal u proizvodnji magnetnih pogona.
- Cijena legura ovisi, naravno, o sastavu, ali je još uvijek znatno niža od većine obojenih legura, iako s većim karakteristikama čvrstoće.
- Savitljivost željeza daje materijalu vrlo visoke dekorativne sposobnosti.
Nedostaci
Nedostaci legura gvožđa su značajni.
- Prije svega, to je nedovoljna otpornost na koroziju. Posebne vrste čelika - nerđajući čelik - imaju ovu korisnu kvalitetu, ali su i mnogo skuplje. Mnogo češće, metal je zaštićen premazom - metalom ili polimerom.
- Gvožđe je sposobno da skladišti električnu energiju, pa su proizvodi napravljeni od njegovih legura podložni elektrohemijskoj koroziji. Kućišta instrumenata i mašina, cjevovodi moraju biti zaštićeni na neki način - katodnom zaštitom, žrtvom i tako dalje.
- Metal je težak, pa željezne konstrukcije značajno opterećuju građevinski objekat - zgradu, željeznički vagon, pomorski brod.
Sastav i struktura
Gvožđe postoji u 4 različite modifikacije, koje se međusobno razlikuju po parametrima i strukturi rešetke. Prisustvo faza je zaista ključno za topljenje, jer upravo fazni prijelazi i njihova ovisnost o legirajućim elementima osiguravaju sam tok metalurških procesa u ovom svijetu. Dakle, govorimo o sledećim fazama:
- α faza je stabilna do +769 C i ima kubičnu rešetku usredsređenu na tijelo. α faza je feromagnetna, odnosno zadržava magnetizaciju u odsustvu magnetnog polja. Temperatura od 769 C je Kirijeva tačka za metal.
- β-faza postoji od +769 C do +917 C. Struktura modifikacije je ista, ali su parametri rešetke nešto drugačiji. U ovom slučaju su očuvana gotovo sva fizička svojstva, osim magnetnih: željezo postaje paramagnetno.
- γ faza se pojavljuje u rasponu od +917 do +1394 C. Ima kubnu rešetku usmjerenu na lice.
- δ faza postoji iznad temperature od +1394 C i ima kubičnu rešetku usredsređenu na tijelo.
Postoji i ε-modifikacija, koja se javlja pri visokom pritisku, kao i kao rezultat dopinga određenim elementima. ε faza ima tesno zbijenu heksagonalnu rešetku.
Ovaj video će vam reći o fizičkim i hemijskim svojstvima gvožđa:
Svojstva i karakteristike
Mnogo zavisi od njegove čistoće. Razlika između svojstava kemijski čistog željeza i običnog tehničkog, a još više legiranog čelika, vrlo je značajna. Po pravilu, fizičke karakteristike su date za tehničko gvožđe sa udjelom nečistoća od 0,8%.
Potrebno je razlikovati štetne nečistoće od legirajućih aditiva. Prvi - sumpor i fosfor, na primjer, daju lomljivost leguri bez povećanja tvrdoće ili mehaničke otpornosti. Ugljik u čeliku povećava ove parametre, odnosno korisna je komponenta.
- Gustina gvožđa (g/cm3) donekle zavisi od faze. Dakle, α-Fe ima gustinu od 7,87 g/kubni metar. cm na normalnoj temperaturi i 7,67 g/cc. cm na +600 C. Gustina γ-faze je manja - 7,59 g/kubni. cm, a δ-faza je još manja - 7,409 g/cc.
- Tačka topljenja supstance je +1539 C. Gvožđe je umereno vatrostalan metal.
- Tačka ključanja – +2862 C.
- Čvrstoća, odnosno otpornost na različite vrste opterećenja - pritisak, napetost, savijanje, regulirana je za svaku vrstu čelika, lijevanog željeza i ferita, pa je o ovim pokazateljima teško govoriti općenito. Dakle, brzorezni čelik ima čvrstoću na savijanje od 2,5-2,8 GPa. I isti parametar običnog tehničkog željeza je 300 MPa.
- Tvrdoća po Mohsovoj skali je 4-5. Specijalni čelici i hemijski čisto željezo postižu mnogo veće performanse.
- Specifični električni otpor je 9,7·10-8 ohm·m. Gvožđe provodi struju mnogo lošije od bakra ili aluminijuma.
- Toplotna provodljivost je također niža nego kod ovih metala i ovisi o faznom sastavu. Na 25 C iznosi 74,04 W/(m K), na 1500 C je 31,8 [W/(m K)].
- Gvožđe je savršeno kovano, kako na normalnim tako i na povišenim temperaturama. Lijevano željezo i čelik se mogu lijevati.
- Supstanca se ne može nazvati biološki inertnom. Međutim, njegova toksičnost je vrlo niska. To, međutim, nije toliko povezano s aktivnošću elementa, koliko s nesposobnošću ljudskog tijela da ga dobro asimilira: maksimum je 20% primljene doze.
Gvožđe se ne može klasifikovati kao supstanca životne sredine. Međutim, glavnu štetu okolišu ne uzrokuje njegov otpad, jer željezo vrlo brzo rđa, već proizvodni otpad - šljaka i ispušteni plinovi.
Proizvodnja
Gvožđe je veoma čest element, tako da ne zahteva velike troškove. Ležišta se razvijaju otvorenim i rudarskim metodama. Zapravo, sve rudarske rude sadrže željezo, ali su razvijene samo one u kojima je udio metala dovoljno velik. To su bogate rude - crvena, magnetna i smeđa željezna ruda sa udjelom željeza do 74%, rude sa prosječnim sadržajem - markazit, na primjer, i rude niskog kvaliteta sa udjelom željeza od najmanje 26% - siderit.
Bogata ruda se odmah šalje u fabriku. Stene srednjeg i niskog sadržaja su obogaćene.
Postoji nekoliko metoda za proizvodnju legura željeza. U pravilu, taljenje bilo kojeg čelika uključuje proizvodnju lijevanog željeza. Topi se u visokoj peći na temperaturi od 1600 C. Šupljina - aglomerat, peleti, zajedno sa fluksom se ubacuje u peć i duva vrelim vazduhom. U ovom slučaju, metal se topi i koks gori, što vam omogućava da sagorite neželjene nečistoće i odvojite šljaku.
Za proizvodnju čelika obično se koristi bijelo lijevano željezo - u njemu je ugljik vezan u kemijski spoj sa željezom. Najčešće 3 metode:
- otvoreno ložište - rastopljeno liveno gvožđe sa dodatkom rude i otpada se topi na 2000 C kako bi se smanjio sadržaj ugljenika. Dodatni sastojci, ako ih ima, dodaju se na kraju taline. Na taj način se dobija najkvalitetniji čelik.
- Pretvarač kiseonika je produktivnija metoda. U peći se debljina livenog gvožđa upuhuje vazduhom pod pritiskom od 26 kg/m2. vidi Mješavina kisika i zraka ili čisti kisik može se koristiti za poboljšanje svojstava čelika;
- električno topljenje – češće se koristi za proizvodnju specijalnih legiranih čelika. Liveno gvožđe se peče u električnoj peći na temperaturi od 2200 C.
Čelik se može dobiti i direktnom metodom. Da bi se to postiglo, peleti sa visokim sadržajem gvožđa se ubacuju u osovinsku peć i propuštaju vodonikom na temperaturi od 1000 C. Potonji reducira željezo iz oksida bez međufaza.
Zbog specifičnosti crne metalurgije prodaju se ili ruda sa određenim sadržajem gvožđa ili gotovi proizvodi - liveno gvožđe, čelik, ferit. Njihove cijene uvelike variraju. Prosječna cijena željezne rude u 2016. godini – bogate, sa sadržajem elemenata većim od 60% – iznosi 50 dolara po toni.
Cijena čelika ovisi o mnogim faktorima, što ponekad čini rast i pad cijena potpuno nepredvidivim. U jesen 2016. godine cijena armature i toplo- i hladno valjanog čelika naglo je porasla zbog jednako naglog rasta cijena koksnog uglja, neizostavnog učesnika u topionici. U novembru evropske kompanije nude toplo valjani čelični kotur po cijeni od 500 eura po toni.
Područje primjene
Opseg upotrebe gvožđa i legura gvožđa je ogroman. Lakše je naznačiti gdje se metal ne koristi.
- Konstrukcija - izgradnja svih vrsta okvira, od nosivog okvira mosta do okvira ukrasnog kamina u stanu, ne može bez čelika različitih vrsta. Fitingi, šipke, I-grede, kanali, uglovi, cijevi: u građevinarstvu se koriste apsolutno svi profilni i profilni proizvodi. Isto važi i za lim: od njega se pravi krovište i tako dalje.
- Mašinstvo - po čvrstoći i otpornosti na habanje, vrlo malo se može porediti sa čelikom, pa su delovi karoserije velike većine mašina napravljeni od čelika. Naročito u slučajevima kada oprema mora da radi u uslovima visokih temperatura i pritiska.
- Alati – uz pomoć legirajućih elemenata i kaljenja, metalu se može dati tvrdoća i čvrstoća približna dijamantima. Brzorezni čelici su osnova bilo kojeg alata za obradu.
- U elektrotehnici je upotreba gvožđa ograničenija, upravo zato što nečistoće znatno pogoršavaju njegova električna svojstva, koja su ionako niska. Ali metal je neophodan u proizvodnji magnetnih dijelova električne opreme.
- Cjevovodi - komunikacije bilo koje vrste i vrste izrađuju se od čelika i lijevanog željeza: grijanje, vodovod, plinovodi, uključujući glavne vodove, omote za električne kablove, naftovode i tako dalje. Samo čelik može izdržati takva ogromna opterećenja i unutrašnji pritisak.
- Upotreba u domaćinstvu – čelik se koristi svuda: od okova i pribora za jelo do željeznih vrata i brava. Čvrstoća metala i otpornost na habanje čine ga nezamjenjivim.
Gvožđe i njegove legure kombinuju snagu, izdržljivost i otpornost na habanje. Osim toga, metal je relativno jeftin za proizvodnju, što ga čini nezamjenjivim materijalom za modernu nacionalnu ekonomiju.
Ovaj video će vam reći o legurama željeza s obojenim i teškim željeznim metalima:
Gvožđe je dobro poznati hemijski element. Spada u metale srednje hemijske aktivnosti. U ovom članku ćemo pogledati svojstva i upotrebu željeza.
Prevalencija u prirodi
Postoji prilično veliki broj minerala koji sadrže željezo. Prije svega, to je magnetit. To je sedamdeset dva posto gvožđa. Njegova hemijska formula je Fe 3 O 4. Ovaj mineral se još naziva i magnetna željezna ruda. Ima svijetlo sive boje, ponekad sa tamno sivom, čak i crnom, sa metalnim sjajem. Njegovo najveće nalazište među zemljama ZND nalazi se na Uralu.
Sljedeći mineral s visokim sadržajem željeza je hematit - sastoji se od sedamdeset posto ovog elementa. Njegova hemijska formula je Fe 2 O 3. Naziva se i crvena željezna ruda. Ima boju u rasponu od crveno-smeđe do crveno-sive. Najveće nalazište u zemljama ZND nalazi se u Krivoj Rogu.
Treći mineral koji sadrži željezo je limonit. Ovdje željezo čini šezdeset posto ukupne mase. Ovo je kristalni hidrat, odnosno molekuli vode su utkani u njegovu kristalnu rešetku, njegova hemijska formula je Fe 2 O 3 .H 2 O. Kao što naziv govori, ovaj mineral ima žuto-smeđu boju, ponekad i smeđu. Jedan je od glavnih sastojaka prirodnog okera i koristi se kao pigment. Naziva se i smeđom željeznom rudom. Najveće lokacije su Krim i Ural.
Siderit, takozvana šparovska željezna ruda, sadrži četrdeset osam posto željeza. Njegova hemijska formula je FeCO3. Njegova struktura je heterogena i sastoji se od kristala različitih boja povezanih zajedno: sive, blijedozelene, sivo-žute, smeđe-žute itd.
Posljednji mineral s visokim sadržajem željeza u prirodi je pirit. Ima sledeću hemijsku formulu: FeS 2. Sadrži željezo četrdeset šest posto ukupne mase. Zahvaljujući atomima sumpora, ovaj mineral ima zlatno-žutu boju.
Mnogi minerali o kojima se govori koriste se za dobijanje čistog gvožđa. Osim toga, hematit se koristi u proizvodnji nakita od prirodnog kamenja. Inkluzije pirita mogu biti prisutne u nakitu od lapis lazulija. Osim toga, željezo se u prirodi nalazi u živim organizmima – ono je jedna od najvažnijih komponenti stanica. Ovaj mikroelement mora biti dostavljen u ljudski organizam u dovoljnim količinama. Ljekovita svojstva gvožđa u velikoj mjeri su posljedica činjenice da je ovaj hemijski element osnova hemoglobina. Stoga upotreba feruma dobro utiče na stanje krvi, a samim tim i cijelog organizma u cjelini.
Gvožđe: fizička i hemijska svojstva
Pogledajmo redom ova dva velika odjeljka. gvožđe je njegov izgled, gustina, tačka topljenja, itd. Odnosno, sve karakteristične osobine supstance koje su povezane sa fizikom. Hemijska svojstva gvožđa su njegova sposobnost da reaguje sa drugim jedinjenjima. Počnimo s prvima.
Fizička svojstva gvožđa
U svom čistom obliku u normalnim uslovima je čvrsta materija. Srebrno-sive je boje i izraženog metalnog sjaja. Mehanička svojstva gvožđa uključuju nivo tvrdoće četiri (srednja). Gvožđe ima dobru električnu i toplotnu provodljivost. Posljednju osobinu možete osjetiti dodirivanjem željeznog predmeta u hladnoj prostoriji. Budući da ovaj materijal brzo provodi toplotu, u kratkom vremenskom periodu uklanja većinu sa vaše kože, zbog čega vam je hladno.
Ako dodirnete, na primjer, drvo, primijetit ćete da je njegova toplinska provodljivost mnogo niža. Fizička svojstva željeza uključuju njegove tačke topljenja i ključanja. Prva je 1539 stepeni Celzijusa, druga 2860 stepeni Celzijusa. Možemo zaključiti da su karakteristična svojstva željeza dobra duktilnost i taljivost. Ali to nije sve.
Također, fizička svojstva željeza uključuju njegov feromagnetizam. Šta je to? Gvožđe, čija magnetna svojstva svakodnevno možemo posmatrati na praktičnim primerima, jedini je metal koji ima tako jedinstvenu karakterističnu osobinu. To se objašnjava činjenicom da je ovaj materijal sposoban magnetizirati pod utjecajem magnetskog polja. I nakon završetka djelovanja potonjeg, željezo, čija su magnetska svojstva upravo formirana, ostaje magnet dugo vremena. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da u strukturi ovog metala postoji mnogo slobodnih elektrona koji se mogu kretati.
Sa hemijske tačke gledišta
Ovaj element spada u metale srednje aktivnosti. Ali hemijska svojstva gvožđa su tipična za sve druge metale (osim onih koji su desno od vodonika u elektrohemijskom nizu). Sposoban je da reaguje sa mnogim klasama supstanci.
Počnimo s jednostavnim
Ferum stupa u interakciju s kisikom, dušikom, halogenima (jod, brom, hlor, fluor), fosforom i ugljikom. Prva stvar koju treba uzeti u obzir su reakcije s kisikom. Kada se željezo sagorijeva, nastaju njegovi oksidi. U zavisnosti od uslova reakcije i proporcija između dva učesnika, oni se mogu menjati. Kao primjer ovakve interakcije mogu se dati sljedeće jednačine reakcije: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4. I svojstva željeznog oksida (i fizička i kemijska) mogu varirati, ovisno o njegovoj vrsti. Ove vrste reakcija se javljaju na visokim temperaturama.
Sljedeća stvar je interakcija sa dušikom. Također se može pojaviti samo pod uvjetom grijanja. Ako uzmemo šest molova željeza i jedan mol dušika, dobićemo dva mola željeznog nitrida. Jednačina reakcije će izgledati ovako: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
U interakciji s fosforom nastaje fosfid. Za izvođenje reakcije potrebne su sljedeće komponente: za tri mola željeza - jedan mol fosfora, kao rezultat toga, formira se jedan mol fosfida. Jednačina se može napisati na sljedeći način: 3Fe + P = Fe 3 P.
Osim toga, među reakcijama s jednostavnim tvarima može se razlikovati i interakcija sa sumporom. U ovom slučaju se može dobiti sulfid. Princip po kojem se odvija proces formiranja ove tvari sličan je gore opisanim. Naime, dolazi do reakcije adicije. Sve hemijske interakcije ove vrste zahtevaju posebne uslove, uglavnom visoke temperature, ređe katalizatore.
Reakcije između gvožđa i halogena su takođe česte u hemijskoj industriji. To su hloriranje, bromiranje, jodiranje, fluoriranje. Kao što je jasno iz naziva samih reakcija, ovo je proces dodavanja atoma hlora/broma/joda/fluora atomima gvožđa da bi se formirao hlorid/bromid/jodid/fluorid, respektivno. Ove supstance se široko koriste u raznim industrijama. Osim toga, ferum se može kombinirati sa silicijumom na visokim temperaturama. Zbog različitih hemijskih svojstava gvožđa, često se koristi u hemijskoj industriji.
Željez i složene supstance
Od jednostavnih supstanci prelazimo na one čije se molekule sastoje od dva ili više različitih kemijskih elemenata. Prva stvar koju treba spomenuti je reakcija feruma sa vodom. Tu se javljaju osnovna svojstva gvožđa. Kada se voda zagrije, ona nastaje zajedno sa željezom (tako se zove jer u interakciji sa istom vodom stvara hidroksid, drugim riječima, bazu). Dakle, ako uzmete jedan mol obje komponente, tvari kao što su željezov dioksid i vodik nastaju u obliku plina oštrog mirisa - također u molarnim omjerima jedan prema jedan. Jednačina za ovu vrstu reakcije može se napisati na sljedeći način: Fe + H 2 O = FeO + H 2. U zavisnosti od omjera u kojima su ove dvije komponente pomiješane, može se dobiti željezni di- ili trioksid. Obje ove supstance su vrlo česte u hemijskoj industriji, a koriste se i u mnogim drugim industrijama.
Sa kiselinama i solima
Budući da se ferum nalazi lijevo od vodonika u nizu elektrohemijskih aktivnosti metala, sposoban je istisnuti ovaj element iz jedinjenja. Primjer za to je reakcija istiskivanja koja se može uočiti kada se željezo doda kiselini. Na primjer, ako pomiješate željezo i sulfatnu kiselinu (također poznatu kao sumporna kiselina) srednje koncentracije u jednakim molarnim omjerima, rezultat je željezo (II) sulfat i vodik u jednakim molarnim omjerima. Jednačina za takvu reakciju će izgledati ovako: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.
Prilikom interakcije sa solima, pojavljuju se redukcijska svojstva željeza. Odnosno, može se koristiti za izolaciju manje aktivnog metala iz soli. Na primjer, ako uzmete jedan mol i istu količinu feruma, možete dobiti željezo (II) sulfat i čisti bakar u istim molarnim omjerima.
Važnost za organizam
Jedan od najčešćih hemijskih elemenata u zemljinoj kori je gvožđe. Već smo ga pogledali, sada pristupimo sa biološke tačke gledišta. Ferrum obavlja vrlo važne funkcije kako na ćelijskom nivou tako i na nivou cijelog organizma. Prije svega, željezo je osnova takvog proteina kao što je hemoglobin. Neophodan je za transport kiseonika kroz krv od pluća do svih tkiva, organa, do svake ćelije u telu, prvenstveno do neurona mozga. Stoga se korisna svojstva gvožđa ne mogu precijeniti.
Osim što utiče na stvaranje krvi, ferum je važan i za puno funkcioniranje štitne žlijezde (za to nije potreban samo jod, kako neki vjeruju). Gvožđe takođe učestvuje u unutarćelijskom metabolizmu i reguliše imunitet. Ferrum se također nalazi u posebno velikim količinama u stanicama jetre, jer pomaže u neutralizaciji štetnih tvari. Takođe je jedna od glavnih komponenti mnogih vrsta enzima u našem tijelu. Dnevna ishrana osobe treba da sadrži od deset do dvadeset miligrama ovog mikroelementa.
Hrana bogata gvožđem
Ima ih mnogo. Oni su i biljnog i životinjskog porijekla. Prvi su žitarice, mahunarke, žitarice (posebno heljda), jabuke, pečurke (bele), sušeno voće, šipak, kruške, breskve, avokado, bundeva, bademi, urme, paradajz, brokoli, kupus, borovnice, kupine, celer, itd. Drugi su džigerica i meso. Konzumacija hrane bogate gvožđem posebno je važna tokom trudnoće, jer su organizmu fetusa u razvoju potrebne velike količine ovog elementa u tragovima za pun rast i razvoj.
Znakovi nedostatka gvožđa u organizmu
Simptomi premalo feruma ulaska u organizam su umor, stalno smrzavanje ruku i stopala, depresija, lomljiva kosa i nokti, smanjena intelektualna aktivnost, probavni poremećaji, slab rad i disfunkcija štitne žlijezde. Ako primijetite nekoliko od ovih simptoma, možda bi bilo vrijedno povećati količinu hrane koja sadrži željezo u vašoj prehrani ili kupiti vitamine ili dijetetske suplemente koji sadrže željezo. Takođe bi trebalo da se obratite lekaru ako neki od ovih simptoma osetite preakutno.
Upotreba željeza u industriji
Upotreba i svojstva gvožđa su usko povezani. Zbog svoje feromagnetne prirode koristi se za izradu magneta - kako slabih za kućne potrebe (magneti za suvenire za frižidere i sl.), tako i jačih za industrijske potrebe. Zbog činjenice da je dotični metal visoke čvrstoće i tvrdoće, od davnina se koristio za izradu oružja, oklopa i drugih vojnih i kućnih alata. Inače, još u starom Egiptu bilo je poznato meteoritsko željezo čija su svojstva bila superiornija od običnog metala. Ovo posebno gvožđe se koristilo i u starom Rimu. Od njega je napravljeno elitno oružje. Štit ili mač napravljen od metala meteorita mogao je posjedovati samo vrlo bogata i plemenita osoba.
Općenito, metal koji razmatramo u ovom članku je najsvestraniji među svim supstancama u ovoj grupi. Prije svega, od njega se izrađuju čelik i lijevano željezo koji se koriste za proizvodnju svih vrsta proizvoda potrebnih kako u industriji tako iu svakodnevnom životu.
Liveno željezo je legura željeza i ugljika, u kojoj je potonjeg prisutno od 1,7 do 4,5 posto. Ako je drugi manji od 1,7 posto, onda se ova vrsta legure naziva čelik. Ako je u sastavu prisutno oko 0,02 posto ugljika, onda je to već obično tehničko željezo. Prisustvo ugljika u leguri neophodno je da bi se dobila veća čvrstoća, otpornost na toplinu i otpornost na rđu.
Osim toga, čelik može sadržavati mnoge druge kemijske elemente kao nečistoće. To uključuje mangan, fosfor i silicijum. Takođe, ovoj vrsti legure mogu se dodati hrom, nikl, molibden, volfram i mnogi drugi hemijski elementi koji joj daju određene kvalitete. Kao transformatorski čelici koriste se vrste čelika koje sadrže veliku količinu silicija (oko četiri posto). Oni koji sadrže mnogo mangana (do dvanaest do četrnaest posto) koriste se u proizvodnji dijelova za željeznice, mlinova, drobilica i drugih alata, čiji su dijelovi podložni brzom habanju.
Molibden se dodaje leguri kako bi bila otpornija na toplinu; takvi se čelici koriste kao alatni čelici. Osim toga, da bi se dobili nehrđajući čelici, koji su dobro poznati i često se koriste u svakodnevnom životu u obliku noževa i drugih kućnih alata, potrebno je u leguru dodati krom, nikl i titan. A da bi se dobio otporan na udarce, visoke čvrstoće, duktilni čelik, dovoljno je dodati vanadij. Dodavanjem niobija u sastav može se postići visoka otpornost na koroziju i hemijski agresivne supstance.
Mineral magnetit, koji je spomenut na početku članka, potreban je za proizvodnju tvrdih diskova, memorijskih kartica i drugih uređaja ove vrste. Zbog svojih magnetnih svojstava, gvožđe se može naći u transformatorima, motorima, elektronskim proizvodima itd. Osim toga, ferum se može dodati legurama drugih metala kako bi im dao veću čvrstoću i mehaničku stabilnost. Sulfat ovog elementa se koristi u vrtlarstvu za suzbijanje štetočina (zajedno sa bakrenim sulfatom).
Neophodni su za prečišćavanje vode. Osim toga, prah magnetita se koristi u crno-bijelim štampačima. Glavna upotreba pirita je dobivanje sumporne kiseline iz njega. Ovaj proces se odvija u laboratorijskim uslovima u tri faze. U prvoj fazi, ferum pirit se spaljuje kako bi se dobio željezni oksid i sumpor dioksid. U drugoj fazi dolazi do pretvaranja sumpor-dioksida u njegov trioksid uz sudjelovanje kisika. I u završnoj fazi, rezultirajuća tvar se propušta u prisustvu katalizatora, čime se proizvodi sumporna kiselina.
Dobivanje gvožđa
Ovaj metal se uglavnom dobija iz dva glavna minerala: magnetita i hematita. To se postiže redukcijom željeza iz njegovih spojeva ugljikom u obliku koksa. To se radi u visokim pećima, temperatura u kojima dostiže dvije hiljade stepeni Celzijusa. Osim toga, postoji metoda za redukciju željeza vodonikom. Da biste to učinili, nije potrebno imati visoku peć. Za implementaciju ove metode uzimaju specijalnu glinu, miješaju je s drobljenom rudom i tretiraju je vodikom u osovinskoj peći.
Zaključak
Svojstva i upotreba gvožđa su različiti. Ovo je možda najvažniji metal u našim životima. Pošto je postao poznat čovječanstvu, zauzeo je mjesto bronce, koja je u to vrijeme bila glavni materijal za izradu svih alata, kao i oružja. Čelik i liveno gvožđe su na mnogo načina superiorniji od legure bakra i kalaja po svojim fizičkim svojstvima i otpornosti na mehanička opterećenja.
Osim toga, željeza je na našoj planeti više od mnogih drugih metala. ima skoro pet posto u zemljinoj kori. To je četvrti najzastupljeniji hemijski element u prirodi. Takođe, ovaj hemijski element je veoma važan za normalno funkcionisanje organizma životinja i biljaka, pre svega zato što se na njegovoj osnovi gradi hemoglobin. Gvožđe je esencijalni element u tragovima, čija je konzumacija važna za održavanje zdravlja i normalno funkcionisanje organa. Pored navedenog, ovo je jedini metal koji ima jedinstvena magnetna svojstva. Nemoguće je zamisliti naš život bez feruma.
Gvožđe se smatra jednim od najčešćih metala u zemljinoj kori posle aluminijuma. Njegova fizička i hemijska svojstva su takva da ima odličnu električnu provodljivost, toplotnu provodljivost i savitljivost, ima srebrno-bijelu boju i visoku hemijsku reaktivnost i može brzo korodirati pri visokoj vlažnosti ili visokim temperaturama. Budući da je u fino raspršenom stanju, gori u čistom kiseoniku i spontano se pali na vazduhu.
Početak istorije gvožđa
U trećem milenijumu pne. e. ljudi su počeli kopati i naučili da obrađuju bronzu i bakar. Nisu bili široko korišteni zbog visoke cijene. Potraga za novim metalom se nastavila. Istorija gvožđa počela je u prvom veku pre nove ere. e. U prirodi se može naći samo u obliku jedinjenja sa kiseonikom. Da biste dobili čisti metal, potrebno je odvojiti posljednji element. Bilo je potrebno dosta vremena da se gvožđe otopi, jer je trebalo da se zagreje na 1539 stepeni. I tek s pojavom peći za proizvodnju sira u prvom mileniju prije nove ere počeli su dobivati ovaj metal. U početku je bio krhak i sadržavao je mnogo otpada.
S pojavom kovačnica, kvaliteta željeza se značajno poboljšala. Dalje je obrađivan u kovačnici, gdje se šljaka odvajala udarcima čekića. Kovanje je postalo jedna od glavnih vrsta obrade metala, a kovačko zanatstvo nezaobilazna grana proizvodnje. Gvožđe u svom čistom obliku je veoma mekan metal. Uglavnom se koristi u leguri s ugljikom. Ovaj aditiv poboljšava fizička svojstva gvožđa, kao što je tvrdoća. Jeftin materijal ubrzo je naširoko prodro u sve sfere ljudske djelatnosti i napravio revoluciju u razvoju društva. Uostalom, čak iu davna vremena, proizvodi od željeza bili su prekriveni debelim slojem zlata. Imao je visoku cijenu u odnosu na plemeniti metal.
Gvožđe u prirodi
Litosfera sadrži više aluminijuma nego gvožđa. U prirodi se može naći samo u obliku jedinjenja. Željezno željezo, reagirajući, pretvara tlo u smeđu boju i daje pijesku žućkastu nijansu. Oksidi željeza i sulfidi su rasuti u zemljinoj kori, ponekad postoje nakupine minerala iz kojih se metal naknadno izdvaja. Sadržaj obojenog gvožđa u nekim mineralnim izvorima daje vodi poseban ukus.
Zarđala voda koja teče iz starih vodovodnih cijevi obojena je trovalentnim metalom. Njegovi atomi se takođe nalaze u ljudskom tijelu. Nalaze se u hemoglobinu (proteini koji sadrži željezo) u krvi, koji opskrbljuje tijelo kisikom i uklanja ugljični dioksid. Neki meteoriti sadrže čisto željezo, ponekad se nađu i cijeli ingoti.
Koja fizička svojstva ima gvožđe?
To je duktilni srebrno-bijeli metal sa sivkastom nijansom i metalnim sjajem. Dobar je provodnik električne struje i toplote. Zbog svoje duktilnosti, savršeno je pogodan za kovanje i valjanje. Gvožđe se ne rastvara u vodi, već se ukapljuje u živi, topi se na temperaturi od 1539 i ključa na 2862 stepena Celzijusa i ima gustinu od 7,9 g/cm³. Posebnost fizičkih svojstava željeza je u tome što metal privlači magnet i, nakon poništavanja vanjskog magnetskog polja, zadržava magnetizaciju. Koristeći ova svojstva, može se koristiti za izradu magneta.
Hemijska svojstva
Gvožđe ima sledeća svojstva:
- na zraku i vodi lako oksidira, prekrivajući se hrđom;
- u kisiku, vruća žica gori (i kamenac se formira u obliku željeznog oksida);
- na temperaturi od 700-900 stepeni Celzijusa, reaguje sa vodenom parom;
- kada se zagrije, reagira s nemetalima (hlor, sumpor, brom);
- reagira s razrijeđenim kiselinama, što rezultira solima željeza i vodikom;
- ne otapa se u alkalijama;
- sposoban je istisnuti metale iz otopina njihovih soli (gvozdeni čavao u otopini bakrenog sulfata postaje prekriven crvenim premazom - to je oslobađanje bakra);
- U koncentrisanim alkalijama pri ključanju se manifestuje amfoternost gvožđa.
Svojstva karakteristika
Jedna od fizičkih osobina željeza je feromagnetnost. U praksi se često susreću magnetna svojstva ovog materijala. Ovo je jedini metal koji ima tako rijetku osobinu.
Pod uticajem magnetnog polja, gvožđe se magnetizuje. Metal zadržava svoja formirana magnetna svojstva dugo vremena i sam ostaje magnet. Ovaj izuzetan fenomen objašnjava se činjenicom da struktura gvožđa sadrži veliki broj slobodnih elektrona koji se mogu kretati.
Rezerve i proizvodnja
Jedan od najčešćih elemenata na Zemlji je gvožđe. Po sadržaju u zemljinoj kori zauzima četvrto mjesto. Postoje mnoge poznate rude koje ga sadrže, na primjer, magnetna i smeđa željezna ruda. Metal se u industriji proizvodi uglavnom od hematitnih i magnetitnih ruda postupkom visoke peći. Prvo se redukuje ugljenikom u peći na visokoj temperaturi od 2000 stepeni Celzijusa.
Da bi se to postiglo, željezna ruda, koks i fluks se unose u visoku peć odozgo, a mlaz vrućeg zraka se ubrizgava odozdo. Koristi se i direktan proces za dobijanje gvožđa. Zdrobljena ruda se miješa sa posebnom glinom kako bi se formirale pelete. Zatim se peku i tretiraju vodonikom u osovinskoj peći, gdje se lako obnavlja. Dobijaju čvrsto željezo, a zatim ga tope u električnim pećima. Čisti metal se redukuje iz oksida elektrolizom vodenih otopina soli.
Prednosti gvožđa
Osnovna fizička svojstva gvožđa daju njemu i njegovim legurama sledeće prednosti u odnosu na druge metale:
Nedostaci
Pored velikog broja pozitivnih kvaliteta, postoji i niz negativnih svojstava metala:
- Proizvodi su podložni koroziji. Kako bi se otklonio ovaj neželjeni učinak, nehrđajući čelici se proizvode legiranjem, au drugim slučajevima na konstrukcijama i dijelovima se provodi posebna antikorozivna obrada.
- Gvožđe akumulira statički elektricitet, pa su proizvodi koji ga sadrže podložni elektrohemijskoj koroziji i također zahtijevaju dodatnu obradu.
- Specifična težina metala je 7,13 g/cm³. Ovo fizičko svojstvo gvožđa daje strukturama i delovima veću težinu.
Sastav i struktura
Gvožđe ima četiri kristalne modifikacije koje se razlikuju po strukturi i parametrima rešetke. Za topljenje legura od velikog je značaja prisustvo faznih prelaza i legirajućih aditiva. Razlikuju se sljedeća stanja:
- Alfa faza. Traje do 769 stepeni Celzijusa. U ovom stanju, željezo zadržava svojstva feromagneta i ima kubičnu rešetku usmjerenu na tijelo.
- Beta faza. Postoji na temperaturama od 769 do 917 stepeni Celzijusa. Ima nešto drugačije parametre rešetke nego u prvom slučaju. Sva fizička svojstva gvožđa ostaju ista, osim magnetnih, koje ono gubi.
- Gama faza. Struktura rešetke postaje lice centrirana. Ova faza se pojavljuje u rasponu od 917-1394 stepeni Celzijusa.
- Omega faza. Ovo stanje metala se javlja na temperaturama iznad 1394 stepena Celzijusa. Od prethodnog se razlikuje samo po parametrima rešetke.
Gvožđe je najtraženiji metal na svetu. Više od 90 posto ukupne metalurške proizvodnje otpada na njega.
Aplikacija
Ljudi su prvo počeli koristiti meteoritsko željezo, koje je bilo cijenjeno više od zlata. Od tada se obim ovog metala samo proširio. Sljedeće su namjene željeza na osnovu njegovih fizičkih svojstava:
- feromagnetni oksidi se koriste za proizvodnju magnetnih materijala: industrijske instalacije, frižideri, suveniri;
- oksidi željeza se koriste kao mineralne boje;
- željezni hlorid je nezamjenjiv u radioamaterskoj praksi;
- Željezni sulfati se koriste u tekstilnoj industriji;
- magnetni željezni oksid je jedan od važnih materijala za proizvodnju dugotrajnih kompjuterskih memorijskih uređaja;
- ultrafini željezni prah se koristi u crno-bijelim laserskim štampačima;
- čvrstoća metala omogućava proizvodnju oružja i oklopa;
- lijevano željezo otporno na habanje može se koristiti za proizvodnju kočnica, diskova kvačila i dijelova za pumpe;
- otporan na toplinu - za visoke peći, termo peći, ložište;
- otporan na toplinu - za kompresorsku opremu, dizel motore;
- visokokvalitetni čelik se koristi za plinovode, kućišta kotlova za grijanje, sušilica, mašina za pranje i pranje sudova.
Zaključak
Željezo često ne znači sam metal, već njegovu leguru - niskougljični električni čelik. Dobivanje čistog željeza je prilično složen proces, pa se stoga koristi samo za proizvodnju magnetnih materijala. Kao što je već napomenuto, izuzetno fizičko svojstvo gvožđa jednostavne supstance je feromagnetizam, odnosno sposobnost magnetizacije u prisustvu magnetnog polja.
Magnetska svojstva čistog metala su i do 200 puta veća od tehničkih čelika. Na ovo svojstvo utiče i veličina zrna metala. Što je zrno veće, to su veća magnetna svojstva. Mehanička obrada također ima utjecaja u određenoj mjeri. Tako čisto željezo koje ispunjava ove zahtjeve koristi se za proizvodnju magnetnih materijala.