JERN, Fe, kjemisk grunnstoff, atomvekt 55,84, serienummer 26; lokalisert i VIII-gruppen i det periodiske systemet i samme rad med kobolt og nikkel, smeltepunkt - 1529 ° C, kokepunkt - 2450 ° C; i fast tilstand har en blålig-sølv farge. I fri form finnes jern bare i meteoritter, som imidlertid inneholder tilsetninger av Ni, P, C og andre grunnstoffer. I naturen er jernforbindelser vidt spredt over hele (jord, mineraler, dyrehemoglobin, planteklorofyll), Ch. arr. i form av oksider, hydrater av oksider og svovelforbindelser, samt jernkarbonat, som de fleste jernmalmer er sammensatt av.
Kjemisk rent jern oppnås ved å varme opp oksalisk jern, og ved 440 ° C oppnås først et ugjennomsiktig pulver av jernoksid, som har evnen til å antennes i luft (det såkalte pyrofore jernet); ved påfølgende reduksjon av dette oksydet, får det resulterende pulveret en grå farge og mister sine pyrofore egenskaper, og blir til metallisk jern. Under reduksjonen av jernoksyd ved 700°C utfelles jern i form av små krystaller, som deretter smeltes sammen i vakuum. En annen måte å oppnå kjemisk rent jern på er elektrolyse av en løsning av jernsalter, slik som FeSO 4 eller FeCl 3 blandet med MgSO 4, CaCl 2 eller NH 4 Cl (ved temperaturer over 100°C). Men samtidig okkluderer jern en betydelig mengde elektrolytisk hydrogen, som et resultat av at det får hardhet. Ved kalsinering til 700 ° C frigjøres hydrogen, og jern blir mykt og kuttes med en kniv, som bly (hardhet på Mohs-skalaen er 4,5). Svært rent jern kan oppnås aluminotermisk fra rent jernoksid. (se Aluminotermi). Velformede jernkrystaller er sjeldne. Noen ganger dannes oktaedriske krystaller i hulrommene til store støpejernsbiter. En karakteristisk egenskap til jern er dets mykning, formbarhet og duktilitet ved en temperatur som er mye lavere enn smeltepunktet. Når sterk salpetersyre (som ikke inneholder lavere nitrogenoksider) virker på jern, blir jern dekket med et belegg av oksider og blir uløselig i salpetersyre.
Jernforbindelser
Lett å kombinere med oksygen, danner jern flere oksider: FeO - jernoksid, Fe 2 O 3 - jernoksid, FeO 3 - jernsyreanhydrid og FeO 4 - anhydrid av jernsyre. I tillegg danner jern også et oksid av den blandede typen Fe 3 O 4 - jernoksid, den såkalte. jernvekt. I tørr luft oksiderer imidlertid ikke jern; rust er et vandig jernoksid dannet med deltagelse av luftfuktighet og CO 2 . Jernholdig oksid FeO tilsvarer hydrat Fe (OH) 2 og en rekke salter av toverdig jern, i stand til å oksideres til salter av jernoksid, Fe 2 O 3, hvor jern manifesterer seg som et treverdig grunnstoff; i luft blir jernoksidhydrat, som har sterke reduserende egenskaper, lett oksidert og blir til jernoksidhydrat. Jernholdig oksidhydrat er lett løselig i vann, og denne løsningen har en tydelig alkalisk reaksjon, noe som indikerer den grunnleggende karakteren til jernholdig jern. Jernoksid finnes i naturen (se. Jern minium), mens kunstig m. oppnådd i form av et rødt pulver ved å kalsinere jernpulver og ved å brenne svovelkis for å oppnå svoveldioksid. Vannfritt jernoksid, Fe 2 O 3, m. oppnådd i to modifikasjoner, og overgangen fra en av dem til en annen skjer ved oppvarming og er ledsaget av en betydelig frigjøring av varme (selvoppvarming). Ved sterk kalsinering frigjør Fe 2 O 3 oksygen og går over i magnetisk oksid, Fe 3 O 4. Under påvirkning av alkalier på løsninger av jern(III)-jernsalter utfelles et bunnfall av hydrat Fe 4 O 9 H 6 (2Fe 2 O 3 3H 2 O); når det kokes med vann, dannes Fe 2 O 3 · H 2 O-hydrat som er vanskelig å løse opp i syrer. Jern danner forbindelser med forskjellige metalloider: med C, P, S, med halogenider, så vel som med metaller, for eksempel med Mn, Cr, W, Cu, etc.
Jernsalter deles inn i jernholdig - jernholdig jern (ferrosalt) og oksid - jernholdig jern (ferri-salt).
jernholdige salter
jernklorid, FeCl 2 , oppnådd ved innvirkning av tørt klor på jern, i form av fargeløse blader; når jern oppløses i HCl, oppnås jernklorid i form av FeCl 2 4H 2 O-hydrat og brukes i form av vandige eller alkoholiske løsninger i medisin. Jernjodid, FeJ 2 , fås fra jern og jod under vann i form av grønne blader og brukes i medisin (Sirupus ferri jodati); med ytterligere virkning av jod dannes FeJ 3 (Liquor ferri sesquijodati).
jernholdig sulfat, jernholdig sulfat, FeSO 4 7H 2 O (grønne krystaller) dannes i naturen som et resultat av oksidasjon av pyritt og svovelkis; dette saltet dannes også som et biprodukt ved produksjon av alun; når forvitret eller oppvarmet til 300 ° C, blir det til et hvitt vannfritt salt - FeSO 4; danner også hydrater med 5, 4, 3, 2 og 1 vannpartikler; lett løselig i kaldt vann (i varmt vann opptil 300%); løsningen er sur på grunn av hydrolyse; oksiderer i luft, spesielt lett i nærvær av et annet oksiderende stoff, for eksempel oksalsyresalter, som FeSO 4 involverer i en koblet oksidasjonsreaksjon, misfarger KMnO 4; prosessen fortsetter i henhold til følgende ligning:
2KMnO 4 + 10FeSO 4 + 8H 2 SO 4 \u003d 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 5Fe 2 (SO 4) 2 + 8H 2 O.
Til dette formål brukes imidlertid det mer permanente dobbeltsaltet av Mohr (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O. -brun farge på (FeNO) SO 4-komplekset, samt for produksjon av blekk (med garvesyrer), som beis for farging, for binding av illeluktende gasser (H 2 S, NH 3) i latriner, etc.
Jernjernsalter brukes i fotografering på grunn av deres evne til å redusere sølvforbindelser i et latent bilde påtrykt en fotografisk plate.
jernkarbonat, FeCO 3 , forekommer naturlig som sideritt eller jernspar; oppnådd ved utfelling av vandige løsninger av jernjernsalter med karbonater, mister jernkarbonat lett CO 2 og oksideres i luft til Fe 2 O 3.
Jern bikarbonat, H 2 Fe (CO 3) 2, løselig i vann og forekommer naturlig i jernholdige kilder, hvorfra det, oksiderende, frigjøres på jordoverflaten i form av jernoksidhydrat, Fe (OH) 3, og blir til brun jernmalm.
Fosfatjern Fe3(PO4)28H20, hvitt bunnfall; forekommer i naturen litt farget, på grunn av oksidasjon av jern, i en blå farge, i form av vivianitt.
Jernoksidsalter
Jernklorid, FeCl 3 (Fe 2 Cl 6), oppnås ved påvirkning av overskudd av klor på jern i form av sekskantede røde plater; jernklorid oppløses i luft; krystalliserer fra vann i form av FeCl 3 6H 2 O (gule krystaller); løsningene er sure; under dialyse hydrolyseres det gradvis nesten til slutten med dannelse av en kolloidal løsning av Fe (OH) 3 hydrat. FeCl 3 løses opp i alkohol og i en blanding av alkohol og eter, ved oppvarming spaltes FeCl 3 6H 2 O til HCl og Fe 2 O 3; brukes som bandasje og som hemostatisk middel (Liquor ferri sesquichlorati).
Sulfatoksid jern, Fe 2 (SO 4) 3, gulaktig i vannfri tilstand, sterkt hydrolysert i løsning; når løsningen varmes opp, utfelles basiske salter; jernholdig alun, MFe(SO 4) 2 12H 2 O, M - enverdig alkalimetall; ammoniumalun krystalliserer best av alt, NH 4 Fe (SO 4) 2 12H 2 O.
Oksydet FeO 3 er et anhydrid av jernsyre, samt hydratet til dette oksydet H 2 FeO 4 - jernsyre- i fri stat ikke m. oppnådd med tanke på deres ekstreme skjørhet; men i alkaliske løsninger kan det være salter av jernsyre, ferrater (for eksempel K 2 FeO 4), som dannes ved oppvarming av jernpulver med nitrat eller KClO 3. Også kjent tungtløselig bariumsalt av jernsyre BaFeO 4 ; dermed er jernsyre i noen henseender veldig lik svovelsyre og kromsyre. I 1926 beskrev Kiev-kjemikeren Goralevich forbindelser av åtteverdig jernoksid - supraferro anhydrid FeO 4 oppnådd ved å smelte sammen Fe 2 O 3 med saltpeter eller Bertoletsalt i form av kaliumsalt av jernsyre K 2 FeO 5; FeO 4 er et gassformet stoff som ikke danner jernsyre H 2 FeO 5 med vann, som imidlertid kan. isolert i fri tilstand ved dekomponering av salt K 2 FeO 5 med syrer. Bariumsaltet BaFeO 5 7H 2 O, samt kalsium- og strontiumsaltene, ble oppnådd av Goralevich i form av ikke-nedbrytende hvite krystaller som frigjør vann bare ved 250-300 ° C og blir grønne samtidig.
Jern gir forbindelser: med nitrogen - nitrøse jern(nitrid) Fe 2 N når jernpulver varmes opp i en stråle av NH 3, med karbon - Fe 3 C-karbid når jern er mettet med kull i en elektrisk ovn. I tillegg har en rekke forbindelser av jern med karbonmonoksid blitt studert - jernkarbonyler, for eksempel pentakarbonyl Fe(CO) 5 - svakt farget væske med ca. 102,9 ° C (ved 749 mm, egenvekt 1,4937), deretter et oransje faststoff Fe 2 (CO) 9, uløselig i eter og kloroform, med egenvekt 2,085 .
Av stor betydning er jerncyanidforbindelser. I tillegg til enkle cyanider Fe (CN) 2 og Fe (CN) 3, danner jern en rekke komplekse forbindelser med cyanidsalter, som salter av jernsyre H 4 Fe (CN) 6, og salter av jernsyre H 3 Fe (CN) 6, for eksempel rødt blodsalt, som igjen går inn i metabolske nedbrytningsreaksjoner med salter av jern- og oksidjern, og danner blåfargede forbindelser - prøyssisk blå og turnbullblå. Når en CN-gruppe erstattes med monovalente grupper (NO, NO 2, NH 3, SO 3, CO) i saltene av jernholdig syre H 4 Fe (CN) 6, dannes det prusso-salter, for eksempel natriumnitroprussid (nitroferro cyanidnatrium ) Na 2 2H 2 O, oppnådd ved påvirkning av rykende HNO 3 på K 4 Fe (CN) 6, etterfulgt av nøytralisering med soda, i form av rubinrøde krystaller, separert ved krystallisering fra saltpeteren som ble dannet samtidig; den tilsvarende nitroferri-cyansyre H 2 krystalliserer også som mørkerøde krystaller. Natriumnitroprussid brukes som et følsomt reagens for hydrogensulfid og metallsulfider, som gir en blodrød farge, for så å bli blå. Under påvirkning av kobbersulfat på natriumnitroprussid dannes et blekgrønt bunnfall, uløselig i vann og alkohol, som brukes til å teste eteriske oljer.
Analytisk påvises jern av virkningen på dets salter, i en alkalisk løsning, av det gule blodsaltet. Salter av jernholdig jern danner et blått bunnfall av prøyssisk blått. Salter av jernholdig jern danner et blått bunnfall av turnbull blue når de utsettes for rødt blodsalt. Med ammoniumtiocyanat NH 4 CNS danner jern(III)jernsalter vannløselige, blodrøde fargede rhodanjern Fe(CNS) 3 ; med tannin danner jernoksidsalter blekk. Kobbersaltene av jern-cyansyre utmerker seg også ved intens farging, som brukes (uvakrommetoden) i fargefotografering. Av jernforbindelsene som brukes i medisinen, i tillegg til de nevnte jernhalogenidene, er følgende viktige: metallisk jern (F. hydrogenio reductum), jerncitrat (F. Citricum - 20% Fe), eplejernekstrakt (Extractum ferri pomatum) , jernalbuminat ( Liquor ferri albuminatum ), ferratin er en proteinforbindelse med 6 % jern; ferratose - en løsning av ferratin, karniferrin - en forbindelse av jern med nuklein (30% Fe); ferratogen fra gjærnuklein (1% Fe), hematogen - 70% løsning av hemoglobin i glyserol, hemol - hemoglobin redusert med sinkstøv.
Fysiske egenskaper av jern
De numeriske dataene som er tilgjengelige i litteraturen som karakteriserer de ulike fysiske egenskapene til jern, svinger på grunn av vanskeligheten med å få jern i en kjemisk ren tilstand. Derfor er de mest pålitelige dataene oppnådd for elektrolytisk jern, der det totale innholdet av urenheter (C, Si, Mn, S, P) ikke overstiger 0,01-0,03%. Dataene nedenfor refererer i de fleste tilfeller til slik maskinvare. For den er smeltepunktet 1528°C ± 3°C (Ruer og Klesper, 1914), og kokepunktet er ≈ 2450°C. I fast tilstand eksisterer jern i fire forskjellige modifikasjoner - α, β, γ og δ, for hvilke følgende temperaturgrenser er ganske nøyaktig etablert:
Overgangen av jern fra en modifikasjon til en annen oppdages på kjøle- og varmekurvene ved kritiske punkter, for hvilke følgende betegnelser er akseptert:
Disse kritiske punktene er vist i fig. 1 med skjematiske varme- og kjølekurver. Eksistensen av δ-, γ- og α-Fe-modifikasjoner anses for tiden som udiskutabel, mens den uavhengige eksistensen av β-Fe er omstridt på grunn av den utilstrekkelig skarpe forskjellen mellom dens egenskaper og egenskapene til α-Fe. Alle modifikasjoner av jern krystalliserer i form av en terning, og α, β og δ har et romlig gitter av en sentrert kube, og γ-Fe - en terning med sentrerte flater. De mest distinkte krystallografiske egenskapene til jernmodifikasjoner er hentet fra røntgenspektre, som vist i fig. 2 (Westgreen, 1929).
Det følger av de presenterte røntgendiffraksjonsmønstrene at for α-, β- og δ-Fe er linjene i røntgenspekteret de samme; de tilsvarer gitteret til en sentrert kube med parameterne 2.87, 2.90 og 2.93 Ȧ, og for γ-Fe tilsvarer spekteret gitteret til en kube med sentrerte flater og parameterne 3.63-3.68 A.
Egenvekten til jern varierer fra 7.855 til 7.864 (Cross and Gill, 1927). Ved oppvarming avtar egenvekten til jern på grunn av termisk ekspansjon, for hvilken koeffisientene øker med temperaturen, som vist i tabell. 1 (Driesen, 1914).
Nedgangen i ekspansjonskoeffisientene i området 20–800 °C, 20–900 °C, 700–800 °C og 800–900 °C forklares av anomalier i ekspansjonen ved å passere gjennom de kritiske punktene A C2 og En C3. Denne overgangen er ledsaget av sammentrekning, spesielt uttalt ved punktet A C3 som vist ved sammentreknings- og ekspansjonskurvene i fig. 3. Smeltingen av jern er ledsaget av dens ekspansjon med 4,4 % (Gonda og Enda, 1926). Varmekapasiteten til jern er ganske betydelig sammenlignet med andre metaller og er uttrykt for forskjellige temperaturområder fra 0,11 til 0,20 Cal, som vist i tabell. 2 (Obergoffer og Grosse, 1927) og kurven konstruert fra dem (fig. 4).
I de gitte dataene er transformasjonene A 2 , A 3 , A 4 og smeltingen av jern funnet så tydelig at termiske effekter lett kan beregnes for dem: A 3 ... + 6.765 Cal, A 4 ... + 2.531 Cal , jernsmelting ... - 64,38 Cal (ifølge S. Umino, 1926, - 69,20 Cal).
Jern er preget av omtrent 6-7 ganger lavere varmeledningsevne enn sølv, og 2 ganger lavere enn aluminium; nemlig den termiske ledningsevnen til jern er ved 0°C - 0,2070, ved 100°C - 0,1567, ved 200°C - 0,1357 og ved 275°C - 0,1120 Cal/cm·s·°С. De mest karakteristiske egenskapene til jern er magnetiske, uttrykt ved en rekke magnetiske konstanter oppnådd under en fullstendig syklus med jernmagnetisering. Disse konstantene for elektrolytisk jern er uttrykt med følgende verdier i gauss (Gumlich, 1909 og 1918):
Når man passerer gjennom punkt A c2, forsvinner nesten de ferromagnetiske egenskapene til jern og kan bli. oppdaget kun med svært presise magnetiske målinger. I praksis anses β-, γ- og δ-modifikasjoner som ikke-magnetiske. Den elektriske ledningsevnen for jern ved 20°C er R -1 mo m/mm 2 (der R er den elektriske motstanden til jern, lik 0,099 Ω mm 2 /m). Temperaturkoeffisienten for elektrisk motstand a0-100 ° x10 5 varierer fra 560 til 660, hvor
Kaldbearbeiding (rulling, smiing, broaching, stempling) har en veldig merkbar effekt på jernets fysiske egenskaper. Så deres prosentvise endring under kaldvalsing uttrykkes av følgende tall (Gerens, 1911): tvangsspenning + 323 %, magnetisk hysterese + 222 %, elektrisk motstand + 2 %, egenvekt - 1 %, magnetisk permeabilitet - 65 %. Sistnevnte omstendighet gjør forståelig de betydelige svingningene i fysiske egenskaper som observeres av forskjellige forskere: påvirkning av urenheter er ofte ledsaget av påvirkning av kald mekanisk behandling.
Svært lite er kjent om de mekaniske egenskapene til rent jern. Elektrolytisk jern smeltet sammen i et tomrom funnet: strekkstyrke 25 kg / mm 2, forlengelse - 60%, tverrsnittskompresjon - 85%, Brinell-hardhet - fra 60 til 70.
Strukturen til jern avhenger av innholdet av urenheter i det (selv i små mengder) og forbehandlingen av materialet. Mikrostrukturen til jern består, som andre rene metaller, av mer eller mindre store korn (krystallitter), som her kalles ferritt.
Størrelsene og skarpheten til konturene deres avhenger av kap. arr. på jernavkjølingshastigheten: jo lavere sistnevnte, jo mer utviklet er kornene og jo skarpere konturer. Fra overflaten er kornene oftest ulikt farget på grunn av ulik krystallografi, deres orientering og ulik etsevirkning av reagenser i forskjellige retninger i krystallen. Det er ikke uvanlig at korn blir forlenget i én retning som følge av mekanisk bearbeiding. Hvis bearbeidingen foregikk ved lave temperaturer, vises skjærlinjer (Neumann-linjer) på overflaten av kornene som et resultat av at individuelle deler av krystallittene glir langs spaltningsplanene deres. Disse linjene er et av tegnene på herding og de endringene i egenskapene som ble nevnt ovenfor.
Jern i metallurgi
Begrepet jern i moderne metallurgi er kun tilordnet smijern, dvs. et lavkarbonprodukt oppnådd i en deigaktig tilstand ved en temperatur som ikke er tilstrekkelig til å smelte jern, men så høy at dets individuelle partikler er godt sveiset til hverandre, og gir etter smi et homogent, mykt produkt, aksepterer ikke herding. Jern (i den angitte betydningen av ordet) oppnås: 1) direkte fra malmen i en pastalignende tilstand ved en osteblåseprosess; 2) på samme måte, men ved lavere temperatur, utilstrekkelig for sveising av jernpartikler; 3) omfordeling av støpejern ved blomstringsprosessen; 4) omfordeling av støpejern ved puddling.
1) Osteblåseprosess i dag. tid brukes bare av ukulturerte folk og i slike områder der (på grunn av mangelen på praktiske kommunikasjonsmidler) amerikansk eller europeisk jern, oppnådd ved moderne metoder, ikke kan trenge inn. Prosessen utføres i åpne råovner og ovner. Råvarene til den er jernmalm (vanligvis brun jernmalm) og trekull. Kull helles inn i ildstedet i den halvdelen der sprengningen tilføres, mens malmen ligger i en haug, fra motsatt side. Karbonmonoksid dannet i et tykt lag av brennende kull passerer gjennom hele tykkelsen av malmen og reduserer jern, med høy temperatur. Utvinning av malm utføres gradvis - fra overflaten av individuelle stykker til kjernen. Fra toppen av haugen akselererer den når malmen beveger seg inn i et område med høyere temperatur; i dette tilfellet går jernoksid først inn i magnetisk oksid, deretter til oksid, og til slutt vises metallisk jern på overflaten av malmbitene. Samtidig kombineres jordiske urenheter i malmen (råsteinen) med jernoksid som ennå ikke er redusert og danner et lavtsmeltende jernholdig slagg, som smelter gjennom sprekkene i metallskallet, som så å si dannes , et skall i hvert malmstykke. Disse skjellene blir varmet opp til en hvitglødende varme, sveiset til hverandre og danner en svampaktig jernmasse i bunnen av ildstedet - en kritsu, penetrert av slagg. For å skille fra sistnevnte, kuttes kritsa som er tatt ut av ildstedet i flere deler, som hver er smidd, sveiset, etter avkjøling i samme ildsted i strimler eller direkte i produkter (husholdningsartikler, våpen). I India utføres ysteprosessen fortsatt i ysteovner, som bare skiller seg fra ovner i en litt høyere høyde - omtrent 1,5 m. Ovnenes vegger er laget av leirmasse (ikke murstein) og tjener kun en smelting. Eksplosjonen mates inn i ovnen gjennom den ene røren med belg drevet av føtter eller hender. En viss mengde trekull («tomgangshode») lastes inn i en tom ovn, og deretter vekselvis, i separate lag, malm og kull, med mengden av den første gradvis økende inntil den når et visst forhold til kull; vekten av hele malmen som er fylt, bestemmes av ønsket vekt på oppblomstringen, som generelt sett er ubetydelig. Gjenopprettingsprosessen er den samme som i smia; jern er heller ikke fullstendig restaurert, og den resulterende oppblomstringen inneholder mye jernholdig slagg. Kritsu utvinnes ved å bryte ovnen og kuttes i biter, 2-3 kg i vekt. Hver av dem varmes opp i en smie og behandles under en hammer; resultatet er et utmerket mykt jern, som blant annet er materialet for fremstilling av indisk stål "woots" (damaskstål). Sammensetningen er som følger (i%):
Det ubetydelige innholdet av elementer - jernurenheter - eller deres fullstendige fravær forklares av malmens renhet, den ufullstendige reduksjonen av jern og den lave temperaturen i ovnen. Forbruket av trekull på grunn av den lille størrelsen på ovner og ovner og frekvensen av deres handling er svært høy. I Finland, Sverige og Ural ble jern smeltet i Husgavel ostemasovn, hvor det var mulig å kontrollere prosessen med reduksjon og metning av jern med karbon; kullforbruk i det - opptil 1,1 per enhet jern, hvis produksjon nådde 90% av innholdet i malmen.
2) I fremtiden er det nødvendig å forvente utvikling av jernproduksjon direkte fra malm, ikke ved å bruke en råblåseprosess, men ved å redusere jern ved en temperatur som er utilstrekkelig for dannelse av slagg og til og med for sintring av avfallsmalm (1000 °C). Fordelene med en slik prosess er muligheten for å bruke lavverdig brensel, eliminering av fluks og varmeforbruket for slaggsmelting.
3) Produksjonen av smijern ved omfordeling av støpejern ved blomstringsprosessen utføres i de blomstrende ovnene til Ch. arr. i Sverige (vi har - i Ural). For omfordeling smeltes spesielt støpejern, det såkalte. Lancashire, gir minst avfall. Den inneholder: 0,3-0,45 % Si, 0,5-0,6 % Mn, 0,02 P,<0,01% S. Такой чугун в изломе кажется белым или половинчатым. Горючим в кричных горнах может служить только древесный уголь.
Prosessen følges. arr.: ildstedet, befriet fra ropet, men med det modne slagget fra slutten av prosessen igjen på bunnbordet, er fylt med kull, kap. arr. furu, hvorpå støpejern oppvarmet av forbrenningsprodukter legges i mengden 165-175 kg (for 3/8 m 2 av ildstedets tverrsnitt er det 100 kg støpejernsbur). Ved å vri ventilen i luftkanalen ledes sprengningen gjennom rørene som er plassert i ildstedets undertaksrom, og varmes her opp til en temperatur på 150-200 °C, og akselererer dermed. smeltende jern. Det smeltende råjernet støttes hele tiden (ved hjelp av brekkjern) på kullet over rørene. Under slikt arbeid blir hele massen av støpejern utsatt for den oksidative virkningen av atmosfærisk oksygen og karbondioksid, som passerer gjennom forbrenningssonen i form av dråper. Deres store overflate bidrar til rask oksidasjon av jern og dets urenheter - silisium, mangan og karbon. Avhengig av innholdet av disse urenhetene mister støpejern dem i større eller mindre grad før det samler seg i bunnen av ildstedet. Siden støpejern med lavt silisiuminnhold og lavt manganinnhold omarbeides i den svenske smia, mister det, når det passerer tuyere-horisonten, alt Si og Mn (oksydene som danner hovedslaggen med jernholdig oksid) og en betydelig del av karbon. Støpejernssmelting varer 20-25 minutter. På slutten av denne prosessen settes kaldblåsing inn i ovnen. Metallet som har lagt seg til bunnen av ildstedet begynner å reagere med de modne slaggene som ligger der, som inneholder et stort overskudd (sammenlignet med mengden silika) av jernoksider - Fe 3 O 4 og FeO, som oksiderer karbon med frigjøring av karbonmonoksid, som koker hele metallet. Når metallet tykner (fra tap av karbon) og "setter seg ned som en vare", løftes sistnevnte med brekkjern over rørene, varmblåsing startes igjen og "varen" smeltes.
Under den sekundære smeltingen oksideres metallet av oksygenet fra både sprengningen og slaggen som smeltes ut av den. På bunnen av smia, etter den første stigningen, faller metall, mykt nok til å samle kritsu fra noen av de mest modne delene av den. Men før, når du brukte silisiumkvaliteter av støpejern, var det nødvendig å ty til en andre og til og med tredje økning i varer, noe som selvfølgelig reduserte produktiviteten til ovnen, økte drivstofforbruket og jernavfall. Resultatene av arbeidet ble påvirket av avstanden til lansene fra bunnplaten (dybden på ildstedet) og hellingen på lansene: jo brattere stiften er satt og jo mindre dybden på ildstedet, desto større effekt. av den oksiderende atmosfæren på metallet. Den mer slake hellingen av lansene, samt den større dybden av ildstedet, reduserer den direkte virkningen av eksplosjonsoksygenet, og gir dermed en større rolle til virkningen av slagget på jernurenhetene; oksidasjon av dem er langsommere, men uten jerndamp. Under gitte forhold bestemmes den mest fordelaktige plasseringen av lansene i forhold til bunnplaten av erfaring; i en moderne svensk smie er øyet til lansen satt i en avstand på 220 mm fra bunnplaten, og vinkelen på fordynene varierer innenfor nære grenser - fra 11 til 12°.
Sprekken som oppnås i bunnen av ildstedet inneholder, i motsetning til råslaget, svært lite mekanisk medført slagg; når det gjelder de kjemiske urenhetene til jern, så kan Si, Mn og C være. er fullstendig fjernet (det ubetydelige innholdet av Si og Mn angitt av analysene er en del av den mekaniske urenheten - slagg), og svovel oksideres bare delvis ved sprengning under smelting. Samtidig oksideres også fosfor, og etterlater i slaggen i form av fosfor-jernsalt, men sistnevnte reduseres da med karbon, og det endelige metallet kan inneholde enda relativt sett mer fosfor (fra jerndamp) enn det opprinnelige støpejern. Derfor tas det, for å skaffe førsteklasses metall for eksport i Sverige, utelukkende rent råjern i forhold til P inn i omfordelingen. Den ferdige kritsaen som er tatt ut av smia, kuttes i tre deler (hver 50-55 kg) og presses under en hammer, noe som gir utseendet til et parallellepiped.
Varigheten av omfordelingsprosessen i den svenske blomstringen er fra 65 til 80 minutter; fra 2,5 til 3,5 tonn komprimerte stykker "for brann" oppnås per dag, med et forbruk av trekull på bare 0,32-0,40 per enhet ferdig materiale og produksjonen fra 89 til 93,5% av støpejernet spesifisert i omfordelingen. Senest er det gjort vellykkede eksperimenter i Sverige med omdanning av flytende jern hentet fra masovner, og med å akselerere kokeprosessen ved å røre metallet med en mekanisk rive; mens avfallet gikk ned til 7%, og kullforbruket - til 0,25.
Følgende data (i%) gir konseptet med den kjemiske sammensetningen av svensk og søruraljern:
Av alle typer jern som oppnås ved industrielle metoder, er svensk blomstring nærmest kjemisk ren og brukes i stedet for sistnevnte i laboratoriepraksis og forskningsarbeid. Det skiller seg fra råjern i sin ensartethet, og fra det mykeste metallet med åpen ild (støpejern) i fravær av mangan; den er preget av den høyeste grad av sveisbarhet, duktilitet og formbarhet. Svensk blomstrende jern viser ubetydelig strekkfasthet på bare ca. 30 kg/mm 2 , med en forlengelse på 40 % og en reduksjon i tverrsnitt på 75 %. For tiden har den årlige produksjonen av blomstrende jern i Sverige falt til 50 000 tonn, siden etter krigen 1914-18. omfanget av industrielle bruksområder for dette jernet har blitt kraftig redusert. Den største mengden av det brukes til fremstilling (i England, hovedarr. og i Tyskland) av de høyeste kvalitetene av verktøy og spesialstål; i selve Sverige brukes den til å lage spesialtråd ("blomst"), hesteskospiker, godt smidd i kald tilstand, kjettinger og strimmelemner for sveisede rør. For de to siste formålene er egenskapene til blomstrende jern spesielt viktige: pålitelig sveisbarhet, og for rør dessuten den høyeste motstanden mot rust.
4) Utviklingen av jernproduksjon ved blomstringsprosessen innebar ødeleggelse av skoger; etter at de sistnevnte ble tatt under beskyttelse av en lov i forskjellige land, som begrenset deres hogst til en årlig økning, ble Sverige, og deretter Russland - skogkledde land med overflod av malm av høy kvalitet - hovedleverandørene av jern på det internasjonale markedet i hele landet. 18. århundre. I 1784 oppfant engelskmannen Cort puddling - prosessen med omfordeling av støpejern på ildstedet til en brennende ovn, i ovnen som kull ble brent. Etter Corts død introduserte Rogers og Gall betydelige forbedringer i utformingen av puddlingovnen, noe som bidro til den raske spredningen av sølepytt i alle industriland og fullstendig endret arten og omfanget av deres jernproduksjon i løpet av første halvdel av 1800-tallet. Ved denne prosessen oppnådde de massen av metall som var nødvendig for bygging av jernskip, jernbaner, lokomotiver, dampkjeler og biler.
Drivstoffet for puddling er bituminøst kull med lang flamme, men der det ikke er tilgjengelig, måtte vi ty til brunkull, og her i Ural - til ved. Furuved gir lengre flamme enn steinkull; det varmer godt, men fuktighetsinnholdet i veden bør ikke overstige 12 %. Deretter ble Siemens regenererende ovn brukt til puddling i Ural. Til slutt, i USA og i vårt land (i Volga- og Kama-bassengene) drev puddlingovner på olje sprayet direkte inn i ovnens arbeidsrom.
For hastighet på omfordeling og reduksjon av drivstofforbruk, er det ønskelig å ha kaldt puddling støpejern; ved smelting på koks oppnås imidlertid mye svovel i produktet (0,2 og til og med 0,3%), og med høyt innhold av fosfor i malmen, fosfor. For vanlige kommersielle jernkvaliteter ble slikt råjern med lavt silisiuminnhold (mindre enn 1%), kalt råjern, tidligere smeltet i store mengder. Kullstøpejern, som ble omarbeidet i Ural og i det sentrale Russland, inneholdt ikke svovel og ga et produkt som også ble brukt til fremstilling av takjern. For tiden brukes puddling for å produsere metall av høy kvalitet etter spesielle spesifikasjoner, og derfor leveres ikke vanlig råjern til puddlingovner, men høykvalitets, for eksempel mangan eller "hematitt" (fosforfattig), eller, omvendt høyfosfor for produksjon av nøttejern. Nedenfor er innholdet (i %) av hovedelementene i noen kvaliteter av støpejern som brukes til puddling:
Puddlingovnen, ved slutten av forrige operasjon, har vanligvis en normal mengde slagg på bunnen for å jobbe med neste ladning. Ved bearbeiding av sterkt silisiumstøpejern blir det mye slagg igjen i ovnen, og det må senkes; tvert imot, hvitt støpejern blir liggende "tørt" under ovnen, og arbeidet må startes ved å kaste inn den nødvendige mengden slagg, som tas fra under hammeren ("moden", den mest rike på magnetisk oksid) . En jernladning kastes på slagget, oppvarmet i et støpejern (250-300 kg i vanlige og 500-600 kg i doble ovner); deretter kastes en ny porsjon drivstoff inn i ovnen, risten rengjøres og fullt trekk installeres i ovnen. Innen 25-35 min. støpejern smelter, gjennomgår b. eller m. en betydelig endring i sammensetningen. Hardt støpejern oksideres av flammens oksygen, og jern, mangan og silisium gir et dobbeltsilikat som strømmer ned på ildstedet i ovnen; smeltende støpejern eksponerer flere og flere lag med fast støpejern, som også oksiderer og smelter. På slutten av smelteperioden dannes to flytende lag på ildstedet - støpejern og slagg, på kontaktflaten som karbon oksideres, om enn i svak grad, av magnetisk jernoksid, som vist ved bobler av karbonmonoksid slippes ut av badekaret. Avhengig av innholdet av silisium og mangan i støpejern, forblir en ulik mengde av dem i det smeltede metallet: i trekull med lavt silisiuminnhold eller hvitt støpejern - kokssmelting - silisium brenner i de fleste tilfeller helt ut under smelting; noen ganger forblir en viss mengde av det i metallet (0,3-0,25%), så vel som mangan. Fosfor oksideres også på dette tidspunktet, og blir til et fosforholdig jernsalt. Fra en reduksjon i vekten av metallet under utbrenningen av disse urenhetene, kan prosentandelen av karbon til og med øke, selv om noe av det utvilsomt brennes av oksygenet i flammen og slaggen som dekker de første delene av det smeltede metallet.
For å akselerere utbrenningen av de gjenværende mengdene silisium, mangan og karbon, tyr man til puddling, det vil si å blande støpejern med slagg ved hjelp av en kølle med en rettvinklet ende. Hvis metallet er flytende (grått støpejern, svært karbonholdig), når ikke blandingen målet, og badet gjøres først tykt ved å kaste kald moden slagg inn i det, eller ved å redusere skyvekraften, settes ufullstendig forbrenning i ovn, ledsaget av en veldig røykfylt flamme (languishing). Etter noen minutter, hvor kontinuerlig omrøring utføres, vises rikelige bobler av brennende karbonmonoksid på overflaten av badet - et produkt av oksidasjon av støpejernskarbon med oksygen av magnetisk oksid oppløst i det viktigste jernholdige slagget. Etter hvert som prosessen skrider frem, intensiveres oksidasjonen av C og blir til en voldsom "koking" av hele metallmassen, som er ledsaget av svellingen og en så betydelig volumøkning at en del av slaggen renner over gjennom terskelen til metallet. arbeidshull. Når C brenner ut, stiger metallets smeltepunkt, og for at kokingen skal fortsette, økes temperaturen i ovnen kontinuerlig. Koking fullført ved lav temperatur gir et råprodukt, dvs. en svampaktig masse av jern med høyt karbon, som ikke er i stand til å sveise; modne varer "sett deg ned" i en varm ovn. Prosessen med oksidasjon av jernurenheter i en pyttovn begynner med oksygenet til slagget, som er en legering av jernmonosilika (Fe 2 SiO 4) med magnetisk oksid og jernoksid av variabel sammensetning. I engelske ovner er sammensetningen av blandingen av oksider uttrykt med formelen 5Fe 3 O 4 · 5 FeO; ved slutten av kokingen uttrykkes forholdet mellom oksider i det utarmete slagget med formelen Fe 3 O 4 5FeO, det vil si at 80 % av hele det magnetiske oksidet til slagget deltar i oksidasjonsprosessen. Oksidasjonsreaksjoner m. b. representeres av følgende termokjemiske ligninger:
Som man kan se fra disse ligningene, er oksidasjonen av Si, P og Mn ledsaget av frigjøring av varme og varmer derfor opp badet, mens oksidasjonen av C under reduksjonen av Fe 3 O 4 til FeO absorberer varme og derfor krever høy temperatur. Dette forklarer rekkefølgen for fjerning av jernurenheter og det faktum at karbonutbrenning slutter raskere i en varm ovn. Fe 3 O 4 reduseres ikke til metall, fordi dette krever en høyere temperatur enn den der "koking" oppstår.
De krympede "varene", for å bli godt sveiset jern, må fortsatt dampes: varene blir stående i flere minutter i ovnen og fra tid til annen snus de med brekkjern, og de nedre delene plasseres på topp; under den kombinerte virkningen av oksygenet til flammen og slaggen, som impregnerer hele massen av jern, fortsetter karbon på dette tidspunktet å brenne ut. Så snart en viss mengde godt sveiset metall er oppnådd, begynner skrik å rulle ut av det, og unngår overdreven oksidasjon. Totalt rulles fra 5 til 10 kritz når varene modnes (ikke mer enn 50 kg hver); Knekkene holdes (dampes) ved terskelen i området med høyeste temperatur og mates under hammeren for kompresjon, som oppnår separering av slagg, og gir dem formen av et stykke (seksjon fra 10x10 til 15x15) cm), praktisk for å rulle i ruller. Til stedet for utstedte rop, beveger de følgende seg fremover ved å gå fremover, til den siste. Varigheten av prosessen i produksjonen av metall av høyeste kvalitet (fibrøst jern) fra modent (høykarbon) trekullstøpejern i Ural var som følger: 1) planting av støpejern - 5 minutter, 2) smelting - 35 minutter, 3) sylting - 25 minutter, 4) puddling (blanding) - 20 min., 5) damping av varene - 20 min., 6) rifling og damping av kjeksene - 40 minutter, 7) utgivelse av kjeks (10-11 stykker) - 20 minutter; totalt - 165 min. Ved arbeid på hvitt støpejern, på vanlig kommersielt jern, ble prosessens varighet redusert (i Vest-Europa) til 100 og til og med 75 minutter.
Når det gjelder resultatene av arbeidet, varierte de i forskjellige metallurgiske regioner avhengig av type drivstoff, kvaliteten på støpejern og kvaliteten på produsert jern. Uralovnene, som arbeidet på ved, ga et utbytte av brukbart jern per 1 m 3 ved fra 0,25 til 0,3 tonn; oljeforbruk per enhet jern er 0,33, kull i europeiske ovner er fra 0,75 til 1,1. Den daglige produksjonen av våre store ovner (600 kg støpejern) ved arbeid med tørket ved var 4-5 tonn; produksjonen av materiale egnet for produksjon av takjern var 95-93 % av mengden støpejern som ble levert til prosessen. I Europa er den daglige produktiviteten til vanlige ovner (bur 250-300 kg) omtrent 3,5 tonn med et tap på 9%, og for jern av høy kvalitet - 2,5 tonn med et tap på 11%.
Når det gjelder kjemisk sammensetning og fysiske egenskaper, er sølejern et mye dårligere produkt enn blomstrende jern på den ene siden og støpejern på den andre. De vanlige jernkvalitetene som tidligere ble produsert i Vest-Europa inneholdt mye svovel og fosfor, siden de ble produsert av urene koksjern, og begge disse skadelige urenhetene går bare delvis over i slagg; mengden slagg i puddlingjern er 3-6%, i metall av høy kvalitet overstiger den ikke 2%. Tilstedeværelsen av slagg reduserer i stor grad resultatene av mekaniske tester av puddlingjern. Nedenfor er noen data i % som karakteriserer sølepytt - vanlig vesteuropeisk og god Ural:
En verdifull egenskap, for hvilken produksjonen av puddlingjern nå støttes, er dens utmerkede sveisbarhet, som noen ganger er av spesiell betydning fra et sikkerhetssynspunkt. Jernbanespesifikasjoner Samfunn krever produksjon av puddlingjernkoblingsenheter, stenger for overføringsbrytere og bolter. På grunn av sin bedre motstand mot korrosiv virkning av vann, brukes puddling jern også til produksjon av vannrør. Det brukes også til å lage nøtter (fosfor grovt metall) og høykvalitets fibrøst jern for nagler og kjeder.
Strukturen til smijern, oppdaget under et mikroskop selv ved lav forstørrelse, er preget av tilstedeværelsen av svarte og lette komponenter i det fotografiske bildet; førstnevnte tilhører slagget, og sistnevnte til jernkornene eller fibrene som oppnås ved å trekke metallet.
Handel med jern
Metallurgiske anlegg produserer jern av to hovedtyper for industriens behov: 1) ark og 2) høy kvalitet.
Platejern er for tiden rullet opp til 3 m bred; med en tykkelse på 1-3 mm kaller vi det finrullet; fra 3 mm og over (vanligvis opptil 40 mm) - kjele, tank, skip, avhengig av formålet, som tilsvarer materialets sammensetning og mekaniske egenskaper. Det mykeste er kjelejern; den inneholder vanligvis 0,10-0,12% C, 0,4-0,5% Mn, P og S - hver ikke mer enn 0,05%; dens midlertidige motstand mot brudd er ikke b. mer enn 41 kg / mm 2 (men ikke mindre enn 34 kg / mm 2), forlengelse ved brudd - ca 28%. Reservoarjern er gjort mer solid og holdbart; den inneholder 0,12-0,15% C; 0,5-0,7 % Mn og ikke mer enn 0,06 % av både P og S; rivestyrke 41-49 kg/mm 2, forlengelse 25-28%. Lengden på platene av kjele og reservoarjern er satt etter ordre i henhold til dimensjonene til produktet naglet fra arkene (unngå unødvendige sømmer og avskjær), men vanligvis overstiger den ikke 8 m, da den er begrenset for tynne plater av deres raske avkjøling under valseprosessen, og for tykke ark - av vekten av barren .
Platejern mindre enn 1 mm tykt kalles blikkplater; den brukes til å lage blikkplater og som takmateriale. For sistnevnte formål, i USSR, rulles ark med dimensjoner på 1422x711 mm, veier 4-5 kg, med en tykkelse på 0,5-0,625 mm. Takjern produseres av fabrikker i pakker som veier 82 kg. I utlandet er svart tinn klassifisert i handelen i henhold til spesielle kalibertall - fra 20 til 30 (normal tykkelse på tysk tinn er fra 0,875 til 0,22 mm, og engelsk - fra 1,0 til 0,31 mm). Tinn er laget av det mykeste støpejernet, som inneholder 0,08-0,10 % C, 0,3-0,35 % Mn, hvis det er laget av trekullstøpejern (vi har det), og 0,4-0,5 % Mn, hvis utgangsmaterialet er koksgris jern; rivemotstand - fra 31 til 34 kg / mm 2, forlengelse - 28-30%. En rekke platejern er bølgeblikk. Det deles etter bølgenes natur i jern med lave og høye bølger; i den første varierer forholdet mellom bølgebredde og dybde fra 3 til 4, i den andre 1-2. Bølgejern er laget med en tykkelse på 0,75-2,0 mm og en platebredde på 0,72-0,81 m (med lave bølger) og 0,4-0,6 m (med høye bølger). Bølgejern brukes til tak, vegger av lette strukturer, persienner, og med høye bølger, i tillegg brukes det til konstruksjon av tak uten sperrer.
Seksjonsjern er delt inn i to klasser i henhold til tverrsnittsformen: vanlig seksjonsjern og formet.
Den første klassen inkluderer rundt jern (med en diameter på mindre enn 10 mm kalt wire), firkantet, flatt eller stripe. Sistnevnte er på sin side delt inn i: selve stripen - fra 10 til 200 mm bred og mer enn 5 mm tykk; bøyle - samme bredde, men med en tykkelse på 5 til 1 mm, angitt med kalibernummeret (fra 3. til 19. normal tysk og fra 6. til 20. nye engelske kaliber); dekk - fra 38 til 51 mm bredt og opptil 22 mm tykt; universal - fra 200 til 1000 mm bred og minst 6 mm tykk (rullet i spesialruller - universal). Både dekk- og bøylejern produseres av fabrikker i skråninger, rullet wire - i spoler; andre kvaliteter - i form av rette (rettede) strimler, vanligvis ikke mer enn 8 m lange (normal - fra 4,5 til 6 m), men etter spesialbestilling for betongkonstruksjoner kuttes strimler opp til 18 mm lange, og noen ganger mer .
Hovedtypene av formet jern: kantet (likesidet og ulikt), boksformet (kanal), tee, I-bjelke (bjelke), søyle (firkantet) og zetjern; det er også noen andre mindre vanlige typer formet jern. I henhold til vårt vanlige metriske sortiment er dimensjonene til formet jern angitt med profilnummeret (# - tallet, se bredden på hyllen eller maksimal høyde på profilen). Angular unequal og tee-jern har et dobbelt tall; for eksempel betyr nr. 16/8 hjørne med hyller på 16 og 8 cm eller tee med en hylle på 16 cm og en tee høyde på 8 cm - dobbel tee.
Sammensetningen av vanlig sveisbart seksjonsjern: 0,12% C, 0,4% Mn, mindre enn 0,05% P og S - hver; rivemotstanden er 34-40 kg/mm 2 ; men rundjern for nagler er laget av et mykere materiale med sammensetning: mindre enn 0,10 % C, 0,25-0,35 % Mn, ca. 0,03 % P og S hver. Strekkfasthet 32-35 kg/mm 2 og forlengelse 28-32%. Formet ikke sveisbart, men naglet jern ("byggstål") inneholder: 0,15 - 0,20% C, 0,5% Mn, opptil 0,06% P og S - hver; rivemotstanden er 40-50 kg/mm2, forlengelsen er 25-20%. For produksjon av nøtter lages jern (Thomas), som inneholder ca. 0,1 % C, men fra 0,3 til 0,5 % P (jo større nøtter, jo mer P). I utlandet, for å møte behovene til spesielle valseverk, sirkuleres et halvfabrikat i handelen - en firkantet billett, vanligvis 50 x 50 mm i tverrsnitt.
Jern i sin rene form er et grått duktilt metall som lett kan bearbeides. Og likevel, for mennesker, er Fe-elementet mer praktisk i kombinasjon med karbon og andre urenheter som tillater dannelse av metallegeringer - stål og støpejern. 95% - det er hvor mye av alle metallprodukter produsert på planeten inneholder jern som hovedelement.
Jern: historie
De første jernproduktene laget av mennesker er datert av forskere til det 4. årtusen f.Kr. e., og studier har vist at meteorisk jern ble brukt til deres produksjon, som er preget av et nikkelinnhold på 5-30 %. Interessant nok, inntil menneskeheten mestret utvinningen av Fe ved å smelte den, ble jern verdsatt mer enn gull. Dette ble forklart med det faktum at sterkere og mer pålitelig stål var mye mer egnet for fremstilling av verktøy og våpen enn kobber og bronse.
De gamle romerne lærte å lage det første støpejernet: ovnene deres kunne heve malmens temperatur til 1400 ° C, mens 1100-1200 ° C var nok for støpejern. Deretter fikk de også rent stål, smeltepunktet for som, som du vet, er 1535 grader Celsius.
Kjemiske egenskaper til Fe
Hva interagerer jern med? Jern interagerer med oksygen, som er ledsaget av dannelsen av oksider; med vann i nærvær av oksygen; med svovelsyre og saltsyre:
- 3Fe + 2O 2 \u003d Fe 3 O 4
- 4Fe + 3O 2 + 6H 2 O \u003d 4Fe (OH) 3
- Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2
- Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2
Dessuten reagerer jern på alkalier bare hvis de er smelter av sterke oksidasjonsmidler. Jern reagerer ikke med oksidasjonsmidler ved vanlig temperatur, men begynner alltid å reagere når det heves.
Bruk av jern i konstruksjon
Bruken av jern i byggebransjen i dag kan ikke overvurderes, fordi metallkonstruksjoner er grunnlaget for absolutt enhver moderne struktur. I dette området brukes Fe i sammensetningen av konvensjonelle stål, støpejern og smijern. Dette elementet er overalt, fra kritiske strukturer til ankerbolter og spiker. 
Konstruksjonen av bygningskonstruksjoner laget av stål er mye billigere, dessuten kan vi her snakke om høyere konstruksjonsgrader. Dette øker bruken av jern i bygg markant, samtidig som industrien selv mestrer bruken av nye, mer effektive og pålitelige legeringer basert på Fe.
Bruken av jern i industrien
Bruken av jern og dets legeringer - støpejern og stål - er grunnlaget for moderne maskin, maskinverktøy, fly, instrumentproduksjon og produksjon av annet utstyr. Takket være cyanider og Fe-oksider, fungerer malings- og lakkindustrien, jernsulfater brukes i vannbehandling. Tung industri er helt utenkelig uten bruk av legeringer basert på Fe + C. I et ord er jern et uerstattelig, men samtidig tilgjengelig og relativt billig metall, som i sammensetningen av legeringer har et nesten ubegrenset omfang. 
Bruk av jern i medisin
Det er kjent at hver voksen inneholder opptil 4 gram jern. Dette elementet er ekstremt viktig for kroppens funksjon, spesielt for helsen til sirkulasjonssystemet (hemoglobin i røde blodlegemer). Det finnes mange jernbaserte legemidler som lar deg øke innholdet av Fe for å unngå utvikling av jernmangelanemi.
Jern er det åttende elementet i den fjerde perioden i det periodiske systemet. Tallet i tabellen (også kalt atom) er 26, som tilsvarer antall protoner i kjernen og elektroner i elektronskallet. Den er betegnet med de to første bokstavene i dens latinske ekvivalent - Fe (lat. Ferrum - leses som "ferrum"). Jern er det nest vanligste grunnstoffet i jordskorpen, prosentandelen er 4,65 % (det vanligste er aluminium, Al). I sin opprinnelige form er dette metallet ganske sjeldent, oftere utvinnes det fra blandet malm med nikkel.
I kontakt med
Hva er arten av denne forbindelsen? Jern som atom består av et metallkrystallgitter, som sikrer hardheten til forbindelser som inneholder dette elementet og molekylær stabilitet. Det er i forbindelse med dette at dette metallet er en typisk fast kropp, i motsetning til for eksempel kvikksølv.
Jern som et enkelt stoff- sølvfarget metall med egenskaper som er typiske for denne gruppen av elementer: formbarhet, metallisk glans og duktilitet. I tillegg har jern høy reaktivitet. Sistnevnte egenskap er bevist av det faktum at jern korroderer veldig raskt i nærvær av høy temperatur og passende fuktighet. I rent oksygen brenner dette metallet godt, og hvis det knuses til veldig små partikler, vil de ikke bare brenne, men selvantenne.
Ofte kaller vi jern ikke et rent metall, men dets legeringer som inneholder karbon ©, for eksempel stål (<2,14% C) и чугун (>2,14 % C). Også av stor industriell betydning er legeringer, som legeringsmetaller (nikkel, mangan, krom og andre) tilsettes, på grunn av hvilke stålet blir rustfritt, dvs. legert. Dermed blir det, basert på dette, klart hvilken omfattende industriell anvendelse dette metallet har.
Karakteristisk Fe
Kjemiske egenskaper til jern
La oss se nærmere på funksjonene til dette elementet.
Egenskaper til et enkelt stoff
- Oksidasjon i luft ved høy luftfuktighet (korrosiv prosess):
4Fe + 3O2 + 6H2O \u003d 4Fe (OH) 3 - jern (III) hydroksyd (hydroksid)
- Forbrenning av en jerntråd i oksygen med dannelse av et blandet oksid (den inneholder et element med både en oksidasjonstilstand på +2 og en oksidasjonstilstand på +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (jernbelegg). Reaksjonen er mulig ved oppvarming til 160 ⁰C.
- Interaksjon med vann ved høy temperatur (600−700 ⁰C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Reaksjoner med ikke-metaller:
a) Reaksjon med halogener (Viktig! Med denne interaksjonen får den oksidasjonstilstanden til grunnstoffet +3)
2Fe + 3Cl2 \u003d 2FeCl3 - jernklorid
b) Reaksjon med svovel (Viktig! I denne interaksjonen har grunnstoffet en oksidasjonstilstand på +2)
Jern (III) sulfid - Fe2S3 kan oppnås under en annen reaksjon:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
c) Dannelse av svovelkis
Fe + 2S \u003d FeS2 - pyritt. Vær oppmerksom på graden av oksidasjon av elementene som utgjør denne forbindelsen: Fe (+2), S (-1).
- Interaksjon med metallsalter i den elektrokjemiske serien av metallaktivitet til høyre for Fe:
Fe + CuCl2 \u003d FeCl2 + Cu - jern(II)klorid
- Interaksjon med fortynnede syrer (for eksempel saltsyre og svovelsyre):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe+HCl = FeCl2+ H2
Merk at disse reaksjonene produserer jern med en oksidasjonstilstand på +2.
- I ufortynnede syrer, som er de sterkeste oksidasjonsmidlene, er reaksjonen bare mulig ved oppvarming; i kalde syrer passiveres metallet:
Fe + H2SO4 (konsentrert) = Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 + 6H2O
Fe+6HNO3 = Fe(NO3)3+3NO2+3H2O
- De amfotere egenskapene til jern manifesteres bare når de samhandler med konsentrerte alkalier:
Fe + 2KOH + 2H2O \u003d K2 + H2 - kaliumtetrahydroksyferrat (II) utfelles.
Jernfremstillingsprosess i en masovn
- Steking og påfølgende dekomponering av sulfid- og karbonatmalm (isolering av metalloksider):
FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Denne reaksjonen er også det første trinnet i den industrielle syntesen av svovelsyre.
FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).
- Brennende koks (i overskudd):
С (koks) + O2 (luft) —> CO2 (600−700 ⁰C)
CO2+С (koks) —> 2CO (750−1000 ⁰C)
- Gjenvinning av malm som inneholder oksid med karbonmonoksid:
Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)
FeO —> Fe(CO, -CO2)
- Karburering av jern (opptil 6,7%) og smelting av støpejern (t⁰smelting - 1145 ⁰C)
Fe (fast) + C (koks) -> støpejern. Reaksjonstemperaturen er 900−1200 ⁰C.
I støpejern er sementitt (Fe2C) og grafitt alltid til stede i form av korn.
Karakterisering av forbindelser som inneholder Fe
Vi vil studere funksjonene til hver tilkobling separat.
Fe3O4
Blandet eller dobbelt jernoksid, som inneholder et grunnstoff med en oksidasjonstilstand på både +2 og +3. Også Fe3O4 kalles jernoksid. Denne forbindelsen er motstandsdyktig mot høye temperaturer. Reagerer ikke med vann, vanndamp. Nedbrytes av mineralsyrer. Kan reduseres med hydrogen eller jern ved høy temperatur. Som du kan forstå fra informasjonen ovenfor, er det et mellomprodukt i reaksjonskjeden til industriell produksjon av jern.
Direkte jernoksid brukes i produksjon av mineralbasert maling, farget sement og keramiske produkter. Fe3O4 er det som oppnås ved å sverte og blåne stål. Et blandet oksid oppnås ved å brenne jern i luft (reaksjonen er gitt ovenfor). En malm som inneholder oksider er magnetitt.
Fe2O3
Jern(III)oksid, trivielt navn - hematitt, rødbrun forbindelse. Motstandsdyktig mot høye temperaturer. I sin rene form dannes det ikke under oksidasjon av jern med atmosfærisk oksygen. Reagerer ikke med vann, danner hydrater som feller ut. Reagerer dårlig med fortynnede alkalier og syrer. Den kan legeres med oksider av andre metaller, og danner spineller - doble oksider.
Rød jernmalm brukes som råstoff i industriell produksjon av råjern etter masovnsmetoden. Det akselererer også reaksjonen, det vil si at det er en katalysator i ammoniakkindustrien. Det brukes i samme områder som jernoksid. I tillegg ble den brukt som en bærer av lyd og bilder på magnetbånd.
FeOH2
Jern(II)hydroksid, en forbindelse som har både sure og basiske egenskaper, sistnevnte dominerer, det vil si at den er amfoter. Et hvitt stoff som raskt oksiderer i luft, "blir brunt" til jern(III)hydroksid. Dekomponerer når den utsettes for temperatur. Det reagerer med både svake løsninger av syrer og alkalier. Vi vil ikke løses opp i vann. Fungerer som et reduksjonsmiddel i reaksjonen. Det er et mellomprodukt i korrosjonsreaksjonen.
Påvisning av Fe2+ og Fe3+ ioner ("kvalitative" reaksjoner)
Gjenkjennelse av Fe2+ og Fe3+ ioner i vandige løsninger utføres ved bruk av komplekse komplekse forbindelser - henholdsvis K3, rødt blodsalt og K4, gult blodsalt. I begge reaksjonene dannes et bunnfall av mettet blå farge med samme kvantitative sammensetning, men en annen posisjon av jern med en valens på +2 og +3. Dette bunnfallet blir også ofte referert til som prøyssisk blått eller Turnbull blått.
Reaksjon skrevet i ionisk form
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Et godt reagens for å påvise Fe3+ er tiocyanation (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- - disse forbindelsene har en knallrød ("blodig") farge.
Dette reagenset, for eksempel kaliumtiocyanat (formel - KNCS), lar deg bestemme selv en ubetydelig konsentrasjon av jern i løsninger. Så han er i stand til å finne ut om rørene er rustne når han undersøker springvann.
er en del av hemoglobin. Dette komplekse proteinet finnes i røde blodceller, også kjent som røde blodceller. Uten dem ville faktisk ikke blodet vært skarlagenrødt, og det ville ikke vært noe liv.
Røde blodlegemer transporterer karbondioksid og oksygen gjennom hele kroppen. De er avgjørende for livet. Hva mer er nødvendig jern, hva er dets egenskaper og kostnad i bokstavelig og overført betydning?
Kjemiske og fysiske egenskaper til jern
Berørt jern i et kjølig rom? Kulden fra å berøre metallet er et resultat av dets høye varmeledningsevne. Materialet tar umiddelbart energien til kroppen og overfører den til miljøet. Som et resultat blir personen kald.
Elektrisk ledningsevne av jern også på topp. Metallet overfører lett strøm på grunn av de frie elektronene i atomet. Den har 7 lag. De 2 siste har 8 elektroner. Når de er spente, kan de alle være valens, det vil si i stand til å danne nye bindinger.
Eksternt metall jern sølvgrå. Det er innfødte former. rent jern plast og formbar. Den har en uttalt metallisk glans og en gjennomsnittlig hardhet på 4 poeng. 10 poeng er en indikator på den hardeste steinen på jorden - diamant, og talkum er merket med 1 poeng.
Jern er et grunnstoff middels seighet. Metallet koker ved 2860 grader, og mykner ved 1539. I denne tilstanden mister materialet sine ferromagnetiske egenskaper. De er bare iboende i den faste tilstanden til jern. Elementet blir en magnet når det kommer inn i feltet.
Men mer interessant er at etter at metallet forsvinner, forblir metallet en magnet i lang tid. Denne funksjonen skyldes de samme frie elektronene i strukturen til atomet. Ved bevegelse endrer partiklene struktur og egenskaper.
Jern er et kjemisk grunnstoff, som lett reagerer med brom, fluor, klor og andre halogener. Dette er elementene i den 17. gruppen i det periodiske systemet. Under normale forhold fortsetter også interaksjon med oksygen.
Nå om oppvarmingsreaksjonene. Når et metall brennes, dannes dets oksider. Det finnes flere typer av dem: - 2FeO, 2Fe 2 O 3, Fe 3 O 4. Hvilken som vil vise seg avhenger av proporsjonene til de originale elementene og kombinasjonsbetingelsene. Egenskapene til oksider varierer.
Oppvarming starter og reagerer med . Den trenger 6 mol jern og en mol gass. Utbytte - 2 mol nitrid av det 26. elementet. Fosfidet er allerede dannet i kombinasjon med fosfor. Et annet enkelt stoff som kombineres med ferrum er. Det viser seg, selvfølgelig, sulfid. En addisjonsreaksjon finner sted.
Av komplekse stoffer, det vil si bestående av molekyler, jern samhandler med syrer. Metall fortrenger hydrogen fra dem. Det viser seg en erstatning. Så, og interaksjon med svovelsyre etterlater ferrumsulfat og rent hydrogen.
Reaksjoner med er også mulig. Jernet deres gjenopprettes. Det 26. elementet frigjør med andre ord et mindre aktivt metall fra stoffer. Ved å kombinere ferrum, for eksempel med kobbersulfat, oppnås jernsulfat. forblir i sin opprinnelige form.
Bruken av jern
Hvor er jernet anvendt, følger av dens egenskaper. Ferromagnetisme er nyttig ved fremstilling av suvenirer og industrielle installasjoner. Magneter er med andre ord laget av metall, både for kjøleskap og for stor industri. Styrken til materialet, hardheten - en grunn til å bruke det til fremstilling av våpen og rustninger.
Modeller fra meteorisk jern. I kosmiske kropper forbedres egenskapene til ferrum. Derfor er kniver og rustninger spesielt skarpe og holdbare. Tegn på jern meteoritt ble lagt merke til i det gamle Roma.
Kjent og jernlegeringer spesielt støpejern og stål. Ting fra en husholdning, hverdagsnatur er støpt fra dem, for eksempel gjerder, lysthus, tilbehør. Ferrum brukes også til industrielle formål. Interessant nok er sammensetningen av stål og støpejern den samme, proporsjonene er forskjellige. Og der, og der smelter sammen jern med karbon. I stål er gassen mindre enn 1,7 %. I støpejern er karbon fra 1,7 til 4,5%.
Karbon i jernlegeringer spiller rollen som et styrkende element. Det reduserer blandingens mottakelighet for korrosjon og gjør materialet varmebestandig. Andre tilsetningsstoffer tilsettes også stål. Ikke rart det finnes forskjellige merker av legeringer. Med for eksempel produserer de slagfast og samtidig duktilt stål.
I form av klorid brukes det 26. elementet til å rense vann. Metall er også nyttig i medisin. jernbehandling nødvendig for anemi. Dette er mangel på røde blodlegemer og metallet i deres sammensetning. Jernpreparater de er også foreskrevet til pasienter med tuberkulose, isjias, som lider av kramper og neseblødninger.
Det 26. elementet er også nødvendig for normal funksjon av skjoldbruskkjertelen. Vanligvis er dysfunksjonen assosiert med mangel. Han er imidlertid ikke alene om å sikre kjertelens helse.
Mye ferrum og i cellene i leveren. Der er metallet med på å nøytralisere skadelige stoffer, giftstoffer. For å opprettholde menneskekroppen må få minst 20 milligram jern per dag.
Jernutvinning
Jern er et vanlig metall. Det er mange mineraler i naturen, som er basert på det 26. grunnstoffet. Mest ferrum i og. Av dem, og fjerne jern.
Metallreduksjonsreaksjonen utføres. For dette trengs koks, det vil si en forbindelse av karbon. Interaksjonen foregår ved en temperatur på 2000 grader Celsius, i domene.
Masovner unnlates ved restaurering av ferrum med rent hydrogen. Sjaktovner er allerede påkrevd. Såkalte modeller forlenget vertikalt.
Arbeidsrommet til apparatet ligner på en sylinder eller en kjegle. De satte knust jernmalm, blandet med spesielle . Deretter tilsettes hydrogen. Resultatet er det samme - ren ferrum.
jern pris
Kostnaden for metall avhenger av typen produkt. Det meste er laget av ferrumlegeringer, for eksempel takmaterialer. Takbelegg er vanligvis ark. Prisen per kvadratmeter varierer fra 300 til mer enn 600 rubler, avhengig av tykkelsen på jernet.
Takplater er korrugerte, av kompleks geometri og spesiell sammensetning. Enkle lag er billigere. Det er tilbud om å kjøpe 30 ark 2,5 x 1,3 meter for 1000 rubler. Tykkelse - 1,5 mm.
Et rent element i tabletter koster omtrent 1600 rubler for 180-200 stykker. Hvis det kjøpes et ferdig produkt, hvor det er investert manuelt arbeid, kan det være vanskelig å holde seg innenfor titalls, hundretusener. Et slående eksempel er smidde produkter for individuelle bestillinger.
For uvanlige porter, "knekker" møbler, vaser, smeder en betydelig sum. Mesteparten av prisen er ikke det materielle, men menneskelig arbeid, realiseringen av ideen.
Når det gjelder kostnadene for jernholdig malm, er det spurt om rundt 40 amerikanske dollar i Russland per tonn. Dette er prislappen for råvarer med 60 prosent ferruminnhold. Når et rent pulver av det 26. elementet isoleres, ber de for 1000 kilo om ikke mindre enn 560-600 amerikanske dollar.
De fleste firmaer selger engros. Tilbud om å kjøpe bare ett kilo metall er sjeldne. 1000 gram koster ca 1-1,5 dollar. Noen selskaper pakker ferrumpulver i poser på 5, 10, 25 kilo. Salgsannonser lagt ut på Internett.