Залізо - елемент побічної підгрупи восьмої групи четвертого періоду періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва з атомним номером 26. Позначається символом Fe (лат. Ferrum). Один із найпоширеніших у земній корі металів (друге місце після алюмінію). Метал середньої активності, відновник.
Основні ступені окислення - +2, +3
Проста речовина залізо - кування метал сріблясто-білого кольору з високою хімічною реакційною здатністю: залізо швидко корродує при високих температурах або при високій вологості на повітрі. У чистому кисні залізо горить, а в дрібнодисперсному стані самозаймається і на повітрі.
Хімічні властивості простої речовини – заліза:
Іржавіння та горіння в кисні
1) На повітрі залізо легко окислюється у присутності вологи (іржавіння):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Розжарений залізний дріт горить у кисні, утворюючи окалину - оксид заліза (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °С)
2) За високої температури (700–900°C) залізо реагує з парами води:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Залізо реагує з неметалами при нагріванні:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °С)
Fe + S - t ° → FeS (600 ° С)
Fe+2S → Fe+2 (S2-1) (700°С)
4) У ряді напруг стоїть лівіше водню, реагує з розведеними кислотами НСl і Н 2 SO 4 при цьому утворюються солі заліза(II) і виділяється водень:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакції проводяться без доступу повітря, інакше Fe +2 поступово перекладається киснем у Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (розб.) → FeSO 4 + H 2
У концентрованих кислотах-окислювачах залізо розчиняється тільки при нагріванні, воно відразу переходить у катіон Fе 3+ :
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(на холоді концентровані азотна та сірчана кислоти пасивують
Залізний цвях, занурений у блакитний розчин мідного купоросу, поступово покривається нальотом червоної металевої міді.
5) Залізо витісняє метали, що стоять правіше за нього з розчинів їх солей.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Амфотерність заліза проявляється лише у концентрованих лугах при кип'ятінні:
Fе + 2NaОН (50 %) + 2Н 2 O = Nа 2 ↓+ Н 2
і утворюється осад тетрагідроксоферату (II) натрію.
Технічне залізо- сплави заліза з вуглецем: чавун містить 2,06-6,67%, сталь 0,02-2,06% С, часто присутні інші природні домішки (S, Р, Si) і штучно спеціальні добавки (Мn, Ni, Сr), що наводять сплавам заліза технічно корисні властивості - твердість, термічну і корозійну стійкість, ковкість та ін .
Доменний процес виробництва чавуну
Доменний процес виробництва чавуну становлять такі стадії:
а) підготовка (випалювання) сульфідних і карбонатних руд - переведення в оксидну руду:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2,800°С, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2 ,500-600°С, -CO 2)
б) спалювання коксу при гарячому дутті:
С (кокс) + O 2 (повітря) →С 2 (600-700 ° С) С 2 + С (кокс) ⇌ 2СО (700-1000 ° С)
в) відновлення оксидної руди чадним газом СО послідовно:
Fe 2 O 3 →(CO)(Fe II Fe 2 III)O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe
г) навуглерожування заліза (до 6,67 % С) та розплавлення чавуну:
Fе (т ) →(C(кокс)900-1200 ° С) Fе (ж) (чавун, t пл 1145 ° С)
У чавуні завжди у вигляді зерен є цементит Fe 2 С і графіт.
Виробництво сталі
Переділ чавуну в сталь проводиться у спеціальних печах (конвертерних, мартенівських, електричних), що відрізняються способом обігріву; температура процесу 1700–2000 °С. Продування повітря, збагаченого киснем, призводить до вигоряння з чавуну надлишкового вуглецю, а також сірки, фосфору та кремнію у вигляді оксидів. При цьому оксиди або уловлюються у вигляді газів, що відходять (СО 2 , SО 2), або зв'язуються в легко відокремлюваний шлак - суміш Са 3 (РO 4) 2 і СаSiO 3 . Для отримання спеціальних сталей у піч вводять легуючі добавки інших металів.
Отриманнячистого заліза в промисловості - електроліз розчину солей заліза, наприклад:
FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 (90°С) (електроліз)
(Існують й інші спеціальні методи, у тому числі відновлення оксидів заліза воднем).
Чисте залізо застосовується у виробництві спеціальних сплавів, при виготовленні сердечників електромагнітів та трансформаторів, чавун - у виробництві лиття та сталі, сталь - як конструкційний та інструментальний матеріали, у тому числі зносо-, жаро- та корозійно-стійкі.
Оксид заліза(II) F еО . Амфотерний оксид з великою перевагою основних властивостей. Чорний, має іонну будову Fе 2+ O 2- . При нагріванні спочатку розкладається, потім знову утворюється. Чи не утворюється при згорянні заліза на повітрі. Чи не реагує з водою. Розкладається кислотами, сплавляється із лугами. Повільно окислюється у вологому повітрі. Відновлюється воднем, коксом. Бере участь у доменному процесі виплавки чавуну. Застосовується як компонент кераміки та мінеральних фарб. Рівняння найважливіших реакцій:
4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fе (560-700 °С, 900-1000 °С)
FеО + 2НС1 (розб.) = FеС1 2 + Н 2 O
FеО + 4НNO 3 (конц.) = Fе(NO 3) 3 +NO 2 + 2Н 2 O
FеО + 4NаОН = 2Н 2 O + Nа 4FеO3 (червоний.) тріоксоферрат(II)(400-500 ° С)
FеО + Н 2 = Н 2 O + Fе (особливо чисте) (350 ° С)
FеО + С (кокс) = Fе + СО (вище 1000 ° С)
FеО + СО = Fе + СО 2 (900 ° С)
4FеО + 2Н 2 O (волога) + O 2 (повітря) →4FеО(ВІН) (t)
6FеО + O 2 = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 ° С)
Отриманняв лабораторії: термічне розкладання з'єднань заліза (II) без доступу повітря:
Fе(ОН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 ° С)
FеСОз = FеО + СО 2 (490-550 ° С)
Оксид діжелеза (III) – заліза ( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Подвійний оксид. Чорний, має іонну будову Fe 2+ (Fе 3+) 2 (O 2-) 4 . Термічно стійка до високих температур. Чи не реагує з водою. Розкладається кислотами. Відновлюється воднем, розпеченим залізом. Бере участь у доменному процесі виробництва чавуну. Застосовується як компонент мінеральних фарб ( залізний сурик), кераміки, кольорового цементу. Продукт спеціального окиснення поверхні сталевих виробів ( чорніння, вороніння). За складом відповідає коричневій іржі та темній окалині на залозі. Застосування брутто-формули Fe3O4 не рекомендується. Рівняння найважливіших реакцій:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FеО + O 2 (вище 1538 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 8НС1 (розб.) = FеС1 2 + 2FеС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 +10НNO 3 (конц.) =3Fе(NO 3) 3 + NO 2 + 5Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 + O 2 (повітря) = 6Fе 2 O 3 (450-600 ° С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Fе (особливо чисте, 1000 ° С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + СО =ЗFеО + СО 2 (500-800°C)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fе ⇌4FеО (900-1000 °С, 560-700 °С)
Отримання:згоряння заліза на повітрі.
магнетит.
Оксид заліза(III) F е 2 Про 3 . Амфотерний оксид з величезним переважанням основних властивостей. Червоно-коричневий, має іонну будову (Fе 3+) 2 (O 2-) 3. Термічно стійкий до високих температур. Чи не утворюється при згорянні заліза на повітрі. Не реагує з водою, з розчину випадає бурий аморфний гідрат Fе 2 O 3 nН 2 Про. Повільно реагує з кислотами та лугами. Відновлюється монооксидом вуглецю, розплавленим залізом. Сплавляється з оксидами інших металів і утворює подвійні оксиди. шпинелі(Технічні продукти називаються феритами). Застосовується як сировина при виплавці чавуну в доменному процесі, каталізатор у виробництві аміаку, компонент кераміки, кольорових цементів та мінеральних фарб, при термітному зварюванні сталевих конструкцій, як носій звуку та зображення на магнітних стрічках, як полірувальний засіб для сталі та скла.
Рівняння найважливіших реакцій:
6Fе 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °С)
Fе 2 O 3 + 6НС1 (розб.) →2FеС1 3 + ДТ 2 O (t) (600 ° С, р)
Fе 2 O 3 + 2NaОН (конц.) →Н 2 O+ 2 NаFеO 2 (червоний.)діоксоферрат(III)
Fе 2 Про 3 + МО = (М II Fе 2 II I) O 4 (М = Су, Мn, Fе, Ni, Zn)
Fе 2 O 3 + ДТ 2 =ДТ 2 O + 2Fе (особливо чисте, 1050-1100 ° С)
Fе 2 O 3 + Fе = ЗFеО (900 °С)
3Fе 2 O 3 + СО = 2(Fe II Fе 2 III)O 4 + СО 2 (400-600 °С)
Отриманняв лабораторії - термічне розкладання солей заліза (III) на повітрі:
Fе 2 (SO 4) 3 = Fе 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 ° С)
4(Fе(NO 3) 3 9 Н 2 O) = 2Fе a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36Н 2 O (600-700 °С)
У природі – оксидні руди заліза гематит Fе 2 O 3 і лимоніт Fе 2 O 3 nН 2 O
Гідроксид заліза (ІІ) F е(ВІН) 2 . Амфотерний гідроксид з величезним переважанням основних властивостей. Білий (іноді із зеленуватим відтінком), зв'язки Fе - ВІН переважно ковалентні. Термічно нестійкий. Легко окислюється на повітрі, особливо у вологому стані (темніє). Нерозчинний у воді. Реагує із розведеними кислотами, концентрованими лугами. Типовий відновник. Проміжний продукт при іржавінні заліза. Застосовується у виготовленні активної маси залізонікелевих акумуляторів.
Рівняння найважливіших реакцій:
Fе(ON) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 ° С, в атм.N 2)
Fе(ОН) 2 + 2НС1 (розб.) = FеС1 2 + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + 2NаОН (> 50%) = Na 2 ↓ (синьо-зелений) (кип'ятіння)
4Fе(ОН) 2 (суспензія) + O 2 (повітря) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)
2Fе(ОН) 2 (суспензія) +Н 2 O 2 (розб.) = 2FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + КNO 3 (конц.) = FеО(ОН)↓ + NO+ КОН (60 °С)
Отримання: осадження з розчину лугами або гідратом аміаку в інертній атмосфері:
Fе 2+ + 2OH (розб.) = Fе(ОН) 2 ↓
Fе 2+ + 2(NH 3 Н 2 O) = Fе(ОН) 2 ↓+ 2NH 4
Метагідроксід заліза F еО(ВІН). Амфотерний гідроксид з величезним переважанням основних властивостей. Світло-коричневий, зв'язки Fе - Про і Fе - ВІН переважно ковалентні. Під час нагрівання розкладається без плавлення. Нерозчинний у воді. Осідає з розчину у вигляді бурого аморфного полігідрату Fе 2 O 3 nН 2 O, який при витримуванні під розведеним лужним розчином або при висушуванні переходить у FеО(ОН). Реагує із кислотами, твердими лугами. Слабкий окислювач та відновник. Спікається з Fе(ОН) 2 . Проміжний продукт при іржавінні заліза. Застосовується як основа жовтих мінеральних фарб і емалей, поглинач газів, що відходять, каталізатор в органічному синтезі.
З'єднання складу Fе(ОН) 3 не відоме (не отримано).
Рівняння найважливіших реакцій:
Fе 2 O 3 . nН 2 O→( 200-250 ° С, -H 2 O) FеО(ОН)→( 560-700 ° С на повітрі, -H2O)→Fе 2 Про 3
FеО(ОН) + ЗНС1 (розб.) = FеС1 3 + 2Н 2 O
FeO(OH)→ Fe 2 O 3 . nH 2 O-колоїд(NаОН (конц.))
FеО(ОН)→ Nа 3 [Fе(ВІН) 6 ]білий, Nа 5 і 4 відповідно; в обох випадках випадає синій продукт однакового складу та будови, КFе III. У лабораторії цей осад називають берлінська блакить, або турнбульова синь:
Fе 2+ + К + + 3- = КFе III ↓
Fе 3+ + К + + 4- = КFе III ↓
Хімічні назви вихідних реактивів та продукту реакцій:
До 3 Fе III - гексаціаноферрат (III) калію
До 4 Fе III - гексаціаноферрат (II) калію
КFе III - гексаціаноферрат (II) заліза (Ш) калію
Крім того, хорошим реактивом на іони Fе 3+ є тіоціанат-іон NСS - , залізо (III) з'єднується з ним, і з'являється яскраво-червоне («криваве») забарвлення:
Fе 3+ + 6NСS - = 3-
Цим реактивом (наприклад, у вигляді солі КNСS) можна виявити навіть сліди заліза (III) у водопровідній воді, якщо вона проходить через залізні труби, вкриті зсередини іржею.
Залізо - восьмий елемент четвертого періоду таблиці Менделєєва. Його номер у таблиці (також його називають атомним) 26, що відповідає числу протонів в ядрі та електронів в електронній оболонці. Позначається першими двома літерами свого латинського еквівалента – Fe (лат. Ferrum – читається як «ферум»). Залізо - другий за поширеністю елемент у земній корі, відсотковий вміст - 4,65% (найпоширеніший - алюміній, Al). У самородному вигляді цей метал зустрічається досить рідко, частіше його видобувають із змішаної руди з нікелем.
Вконтакте
Яка ж природа цієї сполуки? Залізо як атом складається з металевих кристалічних грат, за рахунок чого забезпечується твердість сполук, що містять цей елемент, і молекулярна стійкість. Саме у зв'язку з цим даний метал – типове тверде тіло на відміну, наприклад, від ртуті.
Залізо як проста речовина- метал сріблястого кольору з типовими для цієї групи елементів властивостями: ковкість, металевий блиск та пластичність. Крім цього, залізо має високу реакційну активність. Про останню властивість свідчить той факт, що залізо дуже швидко піддається корозії за наявності високої температури та відповідної вологості. У чистому кисні цей метал добре горить, а якщо розфарбувати його на дуже дрібні частинки, то вони не просто горітимуть, а самозайматимуться.
Найчастіше залізом ми називаємо не чистий метал, яке сплави, що містять вуглець ©, наприклад, сталь (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Також важливе промислове значення мають сплави, які додаються легуючі метали (нікель, марганець, хром та інші), рахунок них сталь стає нержавіючої, т. е. легованої. Таким чином, тому стає зрозумілим, яке велике промислове застосування має цей метал.
Характеристика Fe
Хімічні властивості заліза
Розглянемо докладніше особливості цього елемента.
Властивості простої речовини
- Окислення на повітрі при високій вологості (корозійний процес):
4Fe+3O2+6H2O = 4Fe (OH)3 - гідроксид (гідроокис) заліза (III)
- Горіння залізного дроту в кисні з утворенням змішаного оксиду (в ньому присутній елемент і зі ступенем окиснення +2, і ступенем окиснення +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (залізна окалина). Реакція можлива під час нагрівання до 160 ⁰C.
- Взаємодія з водою за високої температури (600-700 ⁰C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Реакції з неметалами:
а) Реакція з галогенами (Важливо! При даній взаємодії набуває ступінь окислення елемента +3)
2Fe+3Cl2 = 2FeCl3 - хлорид тривалентного заліза
б) Реакція із сіркою (Важливо! При даній взаємодії елемент має ступінь окислення +2)
Сульфід заліза (III) - Fe2S3 можна отримати в ході іншої реакції:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
в) Утворення піриту
Fe+2S = FeS2 – пірит. Зверніть увагу на ступінь окислення елементів, що становлять цю сполуку: Fe (+2), S (-1).
- Взаємодія із солями металів, що стоять в електрохімічному ряду активності металів праворуч від Fe:
Fe+CuCl2 = FeCl2+Cu - хлорид заліза (II)
- Взаємодія з розведеними кислотами (наприклад, соляною та сірчаною):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe+HCl = FeCl2+ H2
Зверніть увагу, що в цих реакціях виходить залізо зі ступенем окислення +2.
- У нерозведених кислотах, які є найсильнішими окислювачами, реакція можлива лише при нагріванні, у холодних кислотах метал пасивується:
Fe+H2SO4 (концентрована) = Fe2 (SO4)3+3SO2+6H2O
Fe+6HNO3 = Fe (NO3)3+3NO2+3H2O
- Амфотерні властивості заліза проявляються лише при взаємодії з концентрованими лугами:
Fe+2KOH+2H2O = K2+H2 - тетрагідроксиферат (II) калію випадає в осад.
Процес виробництва чавуну в доменній печі
- Випалення та подальше розкладання сульфідних і карбонатних руд (виділення оксидів металу):
FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Ця реакція також є першим етапом промислового синтезу сірчаної кислоти.
FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550-600 ⁰C, -CO2).
- Спалювання коксу (надлишку):
С (кокс) + O2 (пов.) -> CO2 (600-700 ⁰C)
CO2+С (кокс) -> 2CO (750-1000 ⁰C)
- Відновлення руди, що містить оксид, чадним газом:
Fe2O3 -> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 -> FeO (CO, -CO2)
FeO -> Fe (CO, -CO2)
- Навуглерожування заліза (до 6,7%) та розплавлення чавуну (t⁰плавлення - 1145 ⁰C)
Fe (твердий) + С (кокс) -> чавун. Температура реакції – 900-1200 ⁰C.
У чавуні завжди є у вигляді зерен цементит (Fe2C) і графіт.
Характеристика сполук, що містять Fe
Вивчимо особливості кожного з'єднання окремо.
Fe3O4
Змішаний або подвійний оксид заліза, що має у своєму складі елемент зі ступенем окиснення як +2 так і +3. Також Fe3O4 називають залізною окалиною. Ця сполука стійко переносить високі температури. Чи не вступає реакцію з водою, парами води. Піддається розкладанню мінеральними кислотами. Можливо відновлено воднем чи залізом за високої температури. Як ви могли зрозуміти з вищевикладеної інформації, є проміжним продуктом у ланцюжку реакція промислового виробництва чавуну.
Безпосередньо ж залізну окалину застосовують у виробництві фарб на мінеральній основі, кольорового цементу та виробів із кераміки. Fe3O4 - це те, що виходить при чорнінні та вороненні сталі. Отримують змішаний оксид шляхом згоряння заліза повітря (реакція наведена вище). Руда, що містить оксиди, є магнетитом.
Fe2O3
Оксид заліза (III), тривіальна назва - червоний залізняк, поєднання червоно-коричневого кольору. Стійко до дії високих температур. У чистому вигляді не утворюється при окисненні заліза киснем повітря. Не входить у реакцію з водою, утворює гідрати, що випадають осад. Погано реагує з розведеними лугами та кислотами. Може сплавлятися з оксидами інших металів, утворюючи шпинелі – подвійні оксиди.
Червоний залізняк застосовується як сировина при промисловому одержанні чавуну доменним способом. Також прискорює реакцію, тобто є каталізатором в аміачній промисловості. Застосовується в тих же областях, що й залізна окалина. Плюс до цього використовувався як носій звуку та картинки на магнітних стрічках.
FeOH2
Гідроксид заліза (ІІ), з'єднання, що володіє як кислотними, так і основними властивостями, переважають останні, тобто є амфотерним. Речовина білого кольору, що швидко окислюється на повітрі, «буріє», до гідроксиду заліза (III). Зазнає розпаду при дії температури. Вступає в реакцію і зі слабкими розчинами кислот і зі лугами. У воді не розчинний. У реакції виступає у ролі відновника. Є проміжним продуктом реакції корозії.
Виявлення іонів Fe2+ та Fe3+ («якісні» реакції)
Розпізнавання іонів Fe2+ та Fe3+ у водних розчинах виробляють за допомогою складних комплексних сполук - K3, червона кров'яна сіль, та K4, жовта кров'яна сіль, відповідно. В обох реакціях випадає осад насиченого синього кольору з однаковим кількісним складом, але різним положенням заліза з валентністю +2 та +3. Цей осад також часто називають берлінською блакитною або турнбулевою синьою.
Реакція, записана в іонному вигляді
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Хороший реактив для виявлення Fe3+ - тіоціанат-іон (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- — ці сполуки мають яскраво-червоне («криваве») забарвлення.
Цей реактив, наприклад, тіоціанат калію (формула - KNCS) дозволяє визначити навіть мізерно малу концентрацію заліза в розчинах. Так, він здатний при дослідженні водопровідної води визначити, чи не заіржавіли труби.
Залізо – основний конструкційний матеріал. Метал використовується буквально скрізь – від ракет та підводних човнів до столових приладів та кованих прикрас на ґратах. Неабиякою мірою цьому сприяє елемент у природі. Однак справжньою причиною є все ж таки його міцність і довговічність.
У цій статті нами буде дано характеристику заліза як металу, вказано його корисні фізичні та хімічні властивості. Окремо ми розповідаємо чому залізо називають чорним металом, чим воно відрізняється від інших металів.
Як не дивно, але досі іноді виникає питання про те, залізо це метал або неметал. Залізо – елемент 8 групи, 4 періоди таблиці Д. І. Менделєєва. Молекулярна маса 558, що досить багато.
Це метал сріблясто-сірого кольору, досить м'який, пластичний, що має магнітні властивості. Насправді чисте залізо зустрічається і використовується вкрай рідко, оскільки метал хімічно активний і входить у різноманітні реакції.
Про те, що таке залізо, розповість це відео:
Поняття та особливості
Залізом зазвичай називають сплав із невеликою часткою домішок – до 0,8%, який зберігає практично всі властивості металу. Повсюдне застосування знаходить навіть цей варіант, а сталь і чавун. Своє найменування – чорний метал, залізо, а, точніше кажучи, той самий чавун і сталь, отримали завдяки кольору руди – чорному.
Сьогодні чорними металами називають сплави заліза: сталь, чавун, ферит, а також марганець, і іноді хром.
Залізо дуже поширений елемент. За вмістом у земній корі він займає 4 місце, поступаючись кисню, та . У ядрі Землі перебуває 86% заліза, і лише 14% – у мантії. У морській воді речовини міститься дуже мало – до 0,02 мг/л, у річковій воді трохи більше – до 2 мг/л.
Залізо – типовий метал, причому досить активний. Він взаємодіє з розведеними та концентрованими кислотами, але під дією дуже сильних окислювачів може утворити солі залізної кислоти. На повітрі залізо швидко покривається оксидною плівкою, що запобігає подальшій реакції.
Однак у присутності вологи замість оксидної плівки з'являється іржа, яка завдяки пухкій структурі подальшого окислення не перешкоджає. Ця особливість – кородування у присутності вологи, є основним недоліком металевих сплавів. Слід зазначити, що провокують корозії домішки, тоді як хімічно чистий метал стійкий до води.
Важливі параметри
Чистий метал залізо досить пластичний, добре піддається ковці та погано лиття. Однак невеликі домішки вуглецю значно збільшують його твердість та крихкість. Ця якість стала однією з причин витіснення бронзових знарядь праці залізними.
- Якщо порівняти залізні сплави і , з тих, що були відомі в стародавньому світі, очевидно, що , і за корозійною стійкістю, а значить, і за довговічністю. Однак масове призвело до виснаження олов'яних копалень. А оскільки значно менше, ніж , перед металургами минулого залишалося питання про заміну. І залізо замінило бронзу. Цілком остання була витіснена, коли з'явилися сталі: такого поєднання твердості та пружності, бронза не дає.
- Залізо утворює з кобальтом та тріаду заліза. Властивості елементів дуже близькі, ближче, ніж у їх аналогів з такою ж будовою зовнішнього шару. Всі метали мають чудові механічні властивості: легко обробляються, прокочуються, простягаються, їх можна кувати і штампувати. Кобальт і настільки реакційноздатні і стійкіші до корозії, ніж залізо. Однак менша поширеність цих елементів не дозволяє використовувати їх так само широко, як залізо.
- Головним «конкурентом» залозу в галузі використання виступає . Але насправді обидва матеріали мають зовсім різні якості. далеко не настільки міцний, як залізо, гірше витягується, не піддається кування. З іншого боку, метал відрізняється значно меншою вагою, що помітно полегшує конструкції.
Електропровідність заліза дуже середня, тоді як алюміній за цим показником поступається лише сріблу та золоту. Залізо є феромагнетиком, тобто зберігає намагніченість за відсутності магнітного поля, а й втягується в магнітне поле.
Такі різні властивості обумовлюють абсолютно різні сфери застосування, так що «борються» конструкційні матеріали дуже рідко, наприклад, у виробництві меблів, де легкість алюмінієвого профілю протиставляється міцності сталевого.
Переваги та недоліки заліза розглянуті далі.
Плюси і мінуси
Головна перевага заліза в порівнянні з іншими конструкційними металами – поширеність та відносна простота виплавки. Але, враховуючи в якій кількості використовується залізо, це дуже важливий фактор.
Переваги
До плюсів металу відносять інші якості.
- Міцність і твердість при збереженні пружності – не про хімічно чистому залозі, йдеться про сплавах. Причому ці якості варіюються в досить широких межах залежно від марки сталі, способу термообробки, методу отримання і так далі.
- Різноманітність сталей та феритів дозволяє створити та підібрати матеріал буквально для будь-якого завдання – від каркаса моста до ріжучого інструменту. Можливість отримання заданих властивостей при додаванні дуже незначних домішок – надзвичайно велика перевага.
- Легкість механічної обробки дозволяє отримати продукцію різного виду: прутки, труби, фасонні вироби, балки, листове залізо і таке інше.
- Магнітні властивості заліза такі, що метал є основним матеріалом для отримання магнитоприводов.
- Вартість сплавів залежить, звичайно, від складу, але все одно значно нижча, ніж у більшості кольорових, нехай і з вищими характеристиками міцності.
- Ковкість заліза забезпечує матеріалу дуже високі декоративні можливості.
Недоліки
Мінуси металевих сплавів значні.
- Насамперед це недостатня корозійна стійкість. Спеціальні види сталей – нержавіючі, мають цю корисну якість, але й коштують набагато дорожче. Значно частіше метал захищають за допомогою покриття – металевого чи полімерного.
- Залізо здатне накопичувати електрику, тому вироби з його сплавів зазнають електрохімічної корозії. Корпуси приладів та машин, трубопроводи повинні якимось чином захищатися – катодна захист, протекторна тощо.
- Метал важкий, тому залізні конструкції помітно ускладнюють об'єкт будівництва – будинок, залізничний вагон, морське судно.
Склад та структура
Залізо існує в 4 різних модифікаціях, що відрізняються один від одного параметрами решітки та структурою. Наявність фаз має дійсно вирішальне значення для виплавки, оскільки саме фазові переходи та їх залежність від легуючих елементів забезпечує саму течію металургійних процесів у цьому світі. Отже, йдеться про наступні фази:
- α-фаза стійка до +769 С, має об'ємно-центровані кубічні грати. α-фаза є феромагнетиком, тобто зберігає намагніченість у відсутності магнітного поля. Температура 769 С є точкою Кюрі для металу.
- β-фаза існує від +769 до +917 С. Структура модифікації та ж, але параметри решітки дещо інші. При цьому зберігаються практично всі фізичні властивості за винятком магнітних: залізо стає парамагнетиком.
- γ - фаза з'являється в діапазоні від +917 до +1394 С. Для неї характеру гранецентровані кубічні грати.
- δ-фаза існує вище температури +1394 С, має об'ємно-центровані кубічні грати.
Вирізняють також ε-модифікацію, яка з'являється при високому тиску, а також у результаті легування деякими елементами. ε-фаза має щільноупаковані гексагонічні грати.
Про фізичні та хімічні властивості заліза розповість цей відеоролик:
Властивості та характеристики
Дуже сильно залежить від його чистоти. Різниця між властивостями хімічно чистого заліза та звичайного технічного, а тим більше легованої сталі, дуже суттєва. Як правило, фізичні характеристики наводять для технічного заліза з часткою домішок 0,8%.
Необхідно відрізняти шкідливі домішки від добавок, що легують. Перші – сірка та фосфор, наприклад, надають сплаву крихкості, не збільшуючи твердість або механічну стійкість. Вуглець у сталі збільшує ці параметри, тобто є корисним компонентом.
- Щільність заліза (г/см3) певною мірою залежить від фази. Так, α-Fe має густину рівну 7,87 г/куб. см при нормальній температурі та 7,67 г/куб. см при +600 С. Щільність -фази нижче - 7,59 г/куб. див. а -фази ще менше - 7,409 г/куб.см.
- Температура плавлення речовини - 1539 С. Залізо відноситься до помірно тугоплавких металів.
- Температура кипіння - 2862 С.
- Міцність, тобто стійкість до різного роду навантажень – тиск, розтяг, вигин, регламентується для кожної марки сталі, чавуну і фериту, так що про ці показники говорити загалом складно. Так, швидкорізальні сталі має межу міцності на вигин рівний 2,5-2,8 ГПа. А той самий параметр звичайного технічного заліза становить 300 МПА.
- Твердість за шкалою Мооса – 4-5. Спеціальні сталі та хімічно чисте залізо досягають куди вищих показників.
- Питомий електричний опір 9,7 · 10-8 ом · м. Залізо проводить струм куди гірше за мідь або алюміній.
- Теплопровідність також нижча, ніж у цих металів і залежить від фазового складу. При 25°С становить 74,04 Вт/(м·К)., при 1500°С — 31,8 [Вт/(м.К)].
- Залізо чудово кується, причому як за нормальної, і підвищеної температурі. Чавун та сталь піддаються лиття.
- Біологічно інертну речовину назвати не можна. Однак його токсичність дуже низька. Пов'язано це, щоправда, й не так з активністю елемента, як із нездатністю людського організму добре його засвоїти: максимум становить 20% від отримуваної дози.
До екологічних речовин залізо віднести не можна. Однак основну шкоду навколишньому середовищу завдає не його відходів, оскільки залізо іржавіє і досить швидко, а відходи виробництва – шлаки, гази, що виділяються.
Виробництво
Залізо належить до дуже поширених елементів, отже й вимагає великих витрат. Розробляються родовища як відкритим, і шахтним методом. По суті, всі гірські руди включають до складу залізо, але розробляють лише ті, де частка металу досить велика. Це багаті руди – червоний, магнітний і бурий залізняк із часткою залізо до 74 %, руди із середнім вмістом – марказит, наприклад, і бідні руди із часткою заліза щонайменше 26% – сидерит.
Багата руда одразу ж вирушає на завод. Породи із середнім та низьким вмістом збагачуються.
Існує кілька методів одержання залізних сплавів. Як правило, виплавка будь-якої сталі включає одержання чавуну. Його виплавляють у доменній печі при температурі 1600 С. Шихту – агломерат, котуни, завантажують разом із флюсом у піч і продувають гарячим повітрям. При цьому метал плавиться, а кокс горить, що дозволяє випалити небажані домішки та відокремити шлак.
Для одержання сталі зазвичай використовують білий чавун – у ньому вуглець зв'язаний у хімічну сполуку із залізом. Найбільш поширені 3 способи:
- мартенівський - розплавлений чавун з добавкою руди і скрапу плавлять при 2000 З тим, щоб зменшити вміст вуглецю. Додаткові інгредієнти, якщо вони є, додають наприкінці плавки. Таким чином одержують саму високоякісну сталь.
- киснево-конвертерний - найбільш продуктивний метод. У печі товщу чавуну продувають повітрям під тиском 26 кг/кв. см. Може використовуватися суміш кисню з повітрям або чистий кисень з метою покращення якості сталі;
- електроплавильний – найчастіше застосовується для отримання спеціальних легованих сталей. Чавун палять в електричній печі при температурі 2200 С.
Сталь можна одержати і прямим методом. Для цього в шахтну піч завантажують котуни з великим вмістом заліза і при температурі 1000 С продують воднем. Останній відновлює залізо із оксиду без проміжних стадій.
У зв'язку зі специфікою чорної металургії продаж потрапляє або руда з певним вмістом заліза, або готова продукція – чавун, сталь, ферит. Ціна їх дуже відрізняється. Середня вартість залізняку в 2016 році – багатої, з вмістом елементів понад 60%, становить 50$ за тонну.
Вартість сталі залежить від безлічі факторів, що часом робить злети та падіння цін скоєно непередбачувано. Восени 2016 року вартість арматури, гаряче- та холоднокатаної сталі різко зросла завдяки не менш різкому підйому цін на коксівне вугілля – неодмінного учасника виплавки. У листопаді європейські компанії пропонує рулон гарячекатаної сталі по 500 євро за т.д.
Галузь застосування
Сфера використання заліза та залізних сплавів величезна. Простіше вказати, де метал не застосовується.
- Будівництво – спорудження всіх видів каркасів, від каркаса моста, що несе, до коробки декоративного каміна в квартирі, не може обійтися без сталі різних сортів. Арматура, прутки, двотаври, швелери, куточки, труби: абсолютно вся фасонна та сортова продукція використовується у будівництві. Те саме стосується і листового прокату: з нього виготовляють покрівлю, і так далі.
- Машинобудування – за міцністю та стійкістю до зносу зі сталлю дуже мало, що може зрівнятися, так що деталі корпусу абсолютної більшості машин виготовляються зі сталей. Тим більше у тих випадках, коли обладнання має працювати в умовах високих температур та тиску.
- Інструменти – за допомогою легуючих елементів та загартування металу можна надати твердість та міцність близьку до алмазів. Швидкорізальні сталі – основа будь-яких обробних інструментів.
- В електротехніці використання заліза більш обмежене, саме тому, що домішки помітно погіршують його електричні властивості, а вони й так невеликі. Зате метал незамінний у виробництві магнітних частин електроустаткування.
- Трубопровід – із сталі та чавуну виготовляють комунікації будь-якого роду та виду: опалення, водопроводи, газопроводи, включаючи магістральні, оболонки для силових кабелів, нафтопроводи тощо. Тільки сталь здатна витримувати такі величезні навантаження і внутрішній тиск.
- Побутове використання – сталь застосовується скрізь: від фурнітури та столових приладів до залізних дверей та замків. Міцність металу та зносостійкість роблять його незамінним.
Залізо та його сплави поєднують у собі міцність, довговічністю стійкість до зносу. Крім того, метал відносно дешевий у виробництві, що робить його незамінним матеріалом для сучасного народного господарства.
Про сплави заліза з кольоровими металами та важкими чорними розповість це відео:
Залізо – всім відомий хімічний елемент. Він відноситься до середніх за хімічною активністю металів. Властивості та застосування заліза ми розглянемо у цій статті.
Поширеність у природі
Існує досить багато мінералів, до складу яких входить ферум. Насамперед, це магнетит. Він на сімдесят два відсотки складається із заліза. Його хімічна формула - Fe 3 O 4 . Цей мінерал ще називають магнітний залізняк. Він має світло-сірий колір, іноді з темно-сірим, аж до чорного, з металевим блиском. Найбільше його родовище серед країн СНД знаходиться на Уралі.
Наступний мінерал із високим вмістом заліза – гематит – він на сімдесят відсотків складається з даного елемента. Його хімічна формула - Fe 2 O 3 . Його ще називають червоним залізняком. Він має забарвлення від червоно-коричневого до червоно-сірого. Найбільше родовище на території країн СНД знаходиться у Кривому Розі.
Третій за змістом ферум мінерал - лимоніт. Тут заліза шістдесят відсотків загальної маси. Це кристалогідрат, тобто в його кристалічну решітку вплетені молекули води, його хімічна формула - Fe2O3.H2O. Як відомо з назви, цей мінерал має жовто-коричневий колір, зрідка бурий. Він є однією з головних складових природних охр і використовується як пігмент. Його також називають бурий залізняк. Найбільші місця залягання – Крим, Урал.
У сидериті, так званому шпатовому залізняку, сорок вісім відсотків феруму. Його хімічна формула - FeCO3. Його структура неоднорідна і складається із сполучених разом кристалів різного кольору: сірих, блідо-зелених, сіро-жовтих, коричнево-жовтих та ін.
Останній мінерал, що часто зустрічається в природі, з високим вмістом феруму — пірит. Він має таку хімічну формулу FeS 2 . Заліза у ньому знаходиться сорок шість відсотків від загальної маси. Завдяки атомам сірки цей мінерал має золотисто-жовте забарвлення.
Багато з розглянутих мінералів використовуються для отримання чистого заліза. Крім того, гематит використовують у виготовленні прикрас із натурального каміння. Вкраплення піриту можуть бути в прикрасах з лазуриту. Крім цього, у природі залізо зустрічається у складі живих організмів – воно є одним із найважливіших компонентів клітини. Цей мікроелемент обов'язково має надходити в організм людини у достатній кількості. Лікувальні властивості заліза багато в чому пов'язані з тим, що цей хімічний елемент є основою гемоглобіну. Тому вживання ферум добре позначається на стані крові, а отже, і всього організму в цілому.
Залізо: фізичні та хімічні властивості
Розглянемо по порядку два ці великі розділи. заліза - це його зовнішній вигляд, щільність, температура плавлення і т. д. Тобто всі відмінності речовини, пов'язані з фізикою. Хімічні властивості заліза - це його здатність вступати в реакцію з іншими сполуками. Почнемо із перших.
Фізичні властивості заліза
У чистому вигляді за нормальних умов це тверда речовина. Воно має сріблясто-сірий колір і яскраво виражений металевий блиск. Механічні властивості заліза включають рівень твердості по Вона дорівнює чотирьом (середня). Залізо має хорошу електропровідність і теплопровідність. Останню особливість можна відчути, торкнувшись залізного предмета в холодному приміщенні. Так як цей матеріал швидко проводить тепло, він за короткий проміжок часу забирає більшу його частину з шкіри, і тому ви відчуваєте холод.
Доторкнувшись, наприклад, до дерева, можна відзначити, що його теплопровідність набагато нижча. Фізичні властивості заліза - це його температури плавлення і кипіння. Перша складає 1539 градусів за шкалою Цельсія, друга – 2860 градусів за Цельсієм. Можна дійти невтішного висновку, що характерні властивості заліза — хороша пластичність і легкоплавкость. Але це ще далеко не все.
Також до фізичних властивостей заліза входить і його феромагнітність. Що це таке? Залізо, магнітні властивості якого ми можемо спостерігати на практичних прикладах щодня, - єдиний метал, що має таку унікальну відмінність. Це тим, що цей матеріал здатний намагнічуватися під впливом магнітного поля. А після припинення дії останнього залізо, магнітні властивості якого щойно сформувалися, ще надовго залишається магнітом. Такий феномен можна пояснити тим, що в структурі даного металу є безліч вільних електронів, які здатні пересуватися.
З погляду хімії
Цей елемент відноситься до металів середньої активності. Але хімічні властивості заліза є типовими і для всіх інших металів (крім тих, які знаходяться правіше водню в електрохімічному ряду). Воно здатне реагувати з багатьма класами речовин.
Почнемо з простих
Феррум вступає у взаємодію Космосу з кілородом, азотом, галогенами (йодом, бромом, хлором, фтором), фосфором, карбоном. Перше, що потрібно розглянути, – реакції з оксигеном. При спалюванні ферум утворюються його оксиди. Залежно від умов проведення реакції та пропорцій між двома учасниками вони можуть бути різноманітними. Як приклад такого роду взаємодій можна навести такі рівняння реакцій: 2Fe + O2 = 2FeO; 4Fe + 3O2 = 2Fe2O3; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 . І властивості оксиду заліза (як фізичні, і хімічні) можуть бути різноманітними, залежно з його різновиду. Такі реакції відбуваються при високих температурах.
Наступне – взаємодія з азотом. Воно також може статися лише за умови нагрівання. Якщо взяти шість молей заліза та один моль азоту, отримаємо два молі нітриду заліза. Рівняння реакції виглядатиме так: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
При взаємодії із фосфором утворюється фосфід. Для проведення реакції необхідні такі компоненти: три моля феруму - один моль фосфору, у результаті утворюється один моль фосфіду. Рівняння можна записати так: 3Fe + P = Fe 3 P.
Крім того, серед реакцій із простими речовинами можна також виділити взаємодію із сіркою. При цьому можна одержати сульфід. Принцип, яким відбувається процес утворення даної речовини, подібний описаним вище. Саме відбувається реакція приєднання. Для всіх хімічних взаємодій подібні потрібні спеціальні умови, в основному це високі температури, рідше — каталізатори.
Також поширені у хімічній промисловості реакції між залізом та галогенами. Це хлорування, бромування, йодування, фторування. Як відомо з назв самих реакцій, це процес приєднання до атомів феруму атомів хлору/брому/йоду/фтору з утворенням хлориду/броміду/йодиду/фториду відповідно. Дані речовини широко використовують у різноманітних галузях промисловості. Крім того, ферум здатний з'єднуватися з кремнієм при високих температурах. Завдяки тому, що хімічні властивості заліза різноманітні, його часто використовують у хімічній галузі промисловості.
Феррум та складні речовини
Від простих речовин перейдемо до тих, молекули яких складаються із двох і більше різних хімічних елементів. Перше, що треба згадати, – реакцію феруму з водою. Тут виявляються основні властивості заліза. При нагріванні води разом із залізом утворюється (називається він так тому, що при взаємодії з тією ж водою утворює гідроксид, інакше кажучи – основу). Отже, якщо взяти по одному молю обох компонентів, утворюються такі речовини, як діоксид феруму та водень у вигляді газу з різким запахом – також у молярних пропорціях один до одного. Рівняння такого роду реакції можна записати так: Fe + H 2 O = FeO + H 2 . Залежно від пропорцій, в яких змішати ці два компоненти, можна отримати ді-або триоксид заліза. Обидві ці речовини дуже поширені у хімічній промисловості, а також використовуються в багатьох інших галузях.
З кислотами та солями
Оскільки ферум знаходиться лівіше водню в електрохімічному ряду активності металів, він здатний витісняти цей елемент зі сполук. Приклад цього є реакція заміщення, яку можна спостерігати при додаванні заліза до кислоти. Наприклад, якщо змішати в однакових молярних пропорціях залізо та сульфатну кислоту (вона ж сірчана) середньої концентрації, в результаті отримаємо сульфат заліза (ІІ) та водень у однакових молярних пропорціях. Рівняння такої реакції виглядатиме таким чином: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2 .
При взаємодії із солями виявляються відновлювальні властивості заліза. Тобто за допомогою нього можна виділити менш активний метал із солі. Наприклад, якщо взяти один моль і стільки ж феруму, можна отримати сульфат заліза (ІІ) і чисту мідь в однакових молярних пропорціях.
Значення для організму
Один із найпоширеніших у земній корі хімічних елементів — залізо. ми вже розглянули, тепер підійдемо до нього з біологічної точки зору. Феррум виконує дуже важливі функції як у клітинному рівні, і лише на рівні всього організму. Насамперед залізо є основою такого білка, як гемоглобін. Він необхідний для транспортування кисню по крові від легень до всіх тканин, органів, до кожної клітини організму, насамперед до нейронів головного мозку. Тому корисні властивості заліза неможливо переоцінити.
Крім того, що він впливає на кровотворення, ферум також важливий для повноцінного функціонування щитовидної залози (для цього потрібен не тільки йод, як деякі вважають). Також залізо бере участь у внутрішньоклітинному обміні речовин, регулює імунітет. Ще ферум особливо великої кількості міститься у клітинах печінки, оскільки допомагає нейтралізувати шкідливі речовини. Також він є одним із головних компонентів багатьох видів ферментів нашого організму. У добовому раціоні людини має бути від десяти до двадцяти міліграм даного мікроелемента.
Продукти, багаті на залізо
Таких чимало. Вони є як рослинного, і тваринного походження. Перші - це злаки, бобові, крупи (особливо гречка), яблука, гриби (білі), сухофрукти, шипшина, груші, персики, авокадо, гарбуз, мигдаль, фініки, помідори, броколі, капуста, чорниця, ожина, селера та ін. Другі - печінка, м'ясо. Вживання продуктів з високим вмістом заліза особливо важливе в період вагітності, оскільки організм плода, що формується, вимагає великої кількості даного мікроелемента для повноцінного росту і розвитку.
Ознаки нестачі в організмі заліза
Симптомами надто малої кількості феруму, що надходить в організм, є втома, постійне замерзання рук і ніг, депресії, ламкість волосся та нігтів, зниження інтелектуальної активності, травні розлади, низька працездатність, порушення в роботі щитовидної залози. Якщо ви помітили кілька цих симптомів, то варто збільшити кількість продуктів із вмістом заліза у своєму раціоні або купити вітаміни або харчові добавки з вмістом феруму. Також обов'язково потрібно звернутися до лікаря, якщо якісь із цих симптомів ви відчуваєте надто гостро.
Використання феруму у промисловості
Застосування та властивості заліза тісно пов'язані. У зв'язку з його феромагнітністю, його застосовують для виготовлення магнітів - як слабших для побутових цілей (сувенірні магніти на холодильник і т. д.), так і сильніших - для промислових цілей. У зв'язку з тим, що аналізований метал має високу міцність і твердість, його з давніх-давен використовували для виготовлення зброї, обладунків та інших військових та побутових інструментів. До речі, ще в Стародавньому Єгипті було відомо метеоритне залізо, характеристики якого перевершують такі у стандартного металу. Також таке особливе залізо використовувалося й у Стародавньому Римі. З нього виготовляли елітну зброю. Щит або меч, виконаний з метеоритного металу, міг мати тільки дуже багата і знатна людина.
Взагалі, метал, який ми розглядаємо в цій статті, є різнобічно використовується серед усіх речовин цієї групи. Насамперед, з нього виготовляються сталь та чавун, які застосовуються для виробництва різноманітних виробів, необхідних як у промисловості, так і у повсякденному житті.
Чавуном називається сплав заліза та вуглецю, в якому другого присутній від 1,7 до 4,5 відсотка. Якщо другого менше, ніж 1,7 відсотка, то такий сплав називається сталлю. Якщо вуглецю у складі є близько 0,02 відсотка, це вже звичайне технічне залізо. Присутність у сплаві вуглецю необхідна надання йому більшої міцності, термостійкості, стійкості до іржавінню.
Крім того, в сталі може міститися багато інших хімічних елементів як домішки. Це марганець, і фосфор, і кремній. Також у такого роду сплав для надання йому певних якостей можуть бути додані хром, нікель, молібден, вольфрам та багато інших хімічних елементів. Види сталі, в яких присутня велика кількість кремнію (близько чотирьох відсотків), використовуються як трансформаторні. Ті, у складі яких багато марганцю (аж до дванадцяти-чотирнадцяти відсотків), знаходять своє застосування при виготовленні деталей залізниць, млинів, дробарок та інших інструментів, частини яких схильні до швидкого стирання.
Молібден вводять до складу сплаву, щоб зробити його більш термостійким – такі сталі використовуються як інструментальні. Крім того, для отримання всім відомих і часто використовуваних у побуті у вигляді ножів та інших побутових інструментів нержавіючих сталей необхідне додавання до сплаву хрому, нікелю та титану. А щоб отримати ударостійку, високоміцну, пластичну сталь, досить додати до неї ванадій. При введенні до складу ніобію можна досягти високої стійкості до корозії та впливу хімічно агресивних речовин.
Мінерал магнетит, згаданий на початку статті, потрібен для виготовлення жорстких дисків, карток пам'яті та інших пристроїв подібного типу. Завдяки магнітним властивостям, залізо можна знайти у пристрої трансформаторів, двигунів, електронних виробів та ін. Крім того, ферум можуть додавати до сплавів інших металів для надання їм більшої міцності та механічної стійкості. Сульфат даного елемента застосовують у садівництві для боротьби зі шкідниками (поряд із сульфатом міді).
Чи є незамінними при очищенні води. Крім того, порошок магнетиту використовується у чорно-білих принтерах. Головний спосіб застосування піриту - отримання з нього сірчаної кислоти. Цей процес відбувається в лабораторних умовах у три етапи. На першій стадії пірит феруму спалюють, отримуючи при цьому оксид заліза та діоксид сірки. На другому етапі відбувається перетворення діоксиду сульфуру на його триоксид за участю кисню. І на завершальній стадії отриману речовину пропускають через у присутності каталізаторів, тим самим і отримуючи сірчану кислоту.
Отримання заліза
В основному видобувають цей метал із двох основних його мінералів: магнетиту та гематиту. Роблять це за допомогою відновлення заліза з його сполук вуглецем як коксу. Робиться це в доменних печах, температура яких досягає двох тисяч градусів за шкалою Цельсія. Крім того, є спосіб відновлення ферум воднем. Для цього необов'язкова наявність доменної печі. Для здійснення цього методу беруть спеціальну глину, змішують її з подрібненою рудою та обробляють воднем у шахтній печі.
Висновок
Властивості та застосування заліза різноманітні. Це, мабуть, найважливіший у нашому житті метал. Ставши відомим людству, він зайняв місце бронзи, яка на той момент була основним матеріалом для виготовлення всіх знарядь праці та зброї. Сталь і чавун багато в чому перевершують метал міді з оловом з погляду своїх фізичних властивостей, стійкості до механічних впливів.
Крім того, залізо на нашій планеті більш поширене, ніж багато інших металів. його у земній корі становить майже п'ять відсотків. Це четвертий за поширеністю у природі хімічний елемент. Також цей хімічний елемент дуже важливий для нормального функціонування організму тварин і рослин, насамперед тому, що на його основі побудовано гемоглобін. Залізо є найважливішим мікроелементом, вживання якого важливе для підтримки здоров'я та нормальної роботи органів. Крім вищепереліченого, це єдиний метал, який має унікальні магнітні властивості. Без феруму неможливо уявити наше життя.
Одним із найпоширеніших металів у земній корі після алюмінію вважається залізо. Фізичні та хімічні властивості його такі, що воно має відмінну електропровідність, теплопровідність і ковкість, має сріблясто-білий колір і високу хімічну реакційну здатність швидко корозувати при високій вологості повітря або великих температурах. Перебуваючи в дрібнодисперсному стані, воно в чистому кисні горить і самозаймається на повітрі.
Початок історії заліза
У третьому тисячолітті до зв. е. люди почали добувати і навчилися обробляти бронзу та мідь. Широкого застосування через дорожнечу вони не отримали. Продовжувалися пошуки нового металу. Історія заліза почалася першому столітті до зв. е. У природі його можна зустріти лише у вигляді сполук із киснем. Для одержання чистого металу необхідно відокремити останній елемент. Розплавити залізо довго не вдавалося, оскільки його треба було нагріти до 1539 градусів. І лише з появою сиродутних печей у першому тисячолітті до нової ери стали отримувати цей метал. Спочатку він був тендітним, містив багато шлаків.
З появою горнів якість заліза значно покращала. Подальшу обробку воно проходило у ковалі, де ударами молота відділявся шлак. Кування стало одним із головних видів обробки металу, а ковальська справа незамінною галуззю виробництва. Залізо у чистому вигляді – це дуже м'який метал. В основному його використовують у сплаві з вуглецем. Ця добавка посилює таку фізичну властивість заліза, як твердість. Дешевий матеріал незабаром широко проник у всі сфери діяльності і зробив переворот у розвитку суспільства. Адже ще за давніх часів залізні вироби покривалися товстим шаром золота. Воно мало високу ціну, порівняно з благородним металом.
Залізо у природі
Одного алюмінію в літосфері міститься більше заліза. У природі його можна зустріти лише як сполук. Тривалентне залізо, вступаючи в реакцію, забарвлює ґрунт у бурий колір і надає піску жовтуватий відтінок. Оксиди та сульфіди заліза розкидані в земній корі, іноді спостерігаються скупчення мінералів, з яких згодом і видобувають метал. Зміст двовалентного заліза у деяких мінеральних джерелах надає воді особливого присмаку.
Іржава вода, що тече зі старих водопровідних труб, забарвлюється за рахунок тривалентного металу. Його атоми перебувають і в організмі людини. Вони містяться в гемоглобіні (залізовмісному білку) крові, який забезпечує організм киснем і виводить вуглекислий газ. У складі деяких метеоритів міститься чисте залізо, іноді трапляються цілі зливки.
Якими фізичними властивостями залізо має?
Це пластичний сріблясто-білого кольору метал із сіруватим відтінком, що має металевий блиск. Він є гарним провідником електричного струму та теплоти. Завдяки пластичності він чудово піддається ковці та прокатці. Залізо не розчиняється у воді, але розріджується в ртуті, плавиться за температури 1539 і кипить при 2862 градусів за Цельсієм, має щільність 7,9 г/см³. Особливістю фізичних властивостей заліза і те, що метал притягується магнітом і після анулювання зовнішнього магнітного поля зберігає намагніченість. Використовуючи ці властивості, його можна застосовувати для виготовлення магнітів.
Хімічні властивості
Залізо має такі властивості:
- на повітрі та у воді легко окислюється, покриваючись іржею;
- у кисні напружений дріт горить (при цьому утворюється окалина у вигляді оксиду заліза);
- при температурі 700-900 градусів за Цельсієм вступає у реакцію з парами води;
- при нагріванні реагує з неметалами (хлором, сіркою, бромом);
- вступає в реакції з розведеними кислотами, в результаті виходять солі заліза та водень;
- не розчиняється у лугах;
- здатне витіснити метали з розчинів їх солей (залізний цвях, у розчині мідного купоросу, що покривається червоним нальотом, - це виділяється мідь);
- у концентрованих лугах при кип'ятінні проявляється амфотерність заліза.
Особливість властивостей
Однією з фізичних властивостей заліза є феромагнітність. Насправді з магнітними властивостями цього матеріалу доводиться зустрічатися часто. Це - єдиний метал, який має таку рідкісну рису.
Під впливом магнітного поля відбувається намагнічування заліза. Магнітні властивості, що сформувалися, метал ще довго зберігає і сам залишається магнітом. Таке виняткове явище пояснюється тим, що структура заліза містить велику кількість вільних електронів, здатних пересуватися.
Запаси та видобуток
Одним із найпоширеніших елементів на землі є залізо. За змістом у земній корі посідає четверте місце. Відомо безліч руд, які містять його, наприклад, магнітний та бурий залізняк. Метал у промисловості отримують переважно з руд гематиту та магнетиту за допомогою доменного процесу. Спочатку відбувається його відновлення вуглецем у печі за високої температури 2000 градусів за Цельсієм.
Для цього зверху доменну піч подають залізну руду, кокс і флюс, а знизу нагнітається потік гарячого повітря. Також застосовують і прямий процес одержання заліза. Подрібнену руду перемішують із спеціальною глиною, отримуючи котуни. Далі їх випалюють і за допомогою водню обробляють у шахтній печі, де воно легко відновлюється. Отримують тверде залізо, та був переплавляють їх у електричних печах. Чистий метал відновлюють із оксидів за допомогою електролізу водних розчинів солей.
Переваги заліза
Основні фізичні властивості речовини заліза дають йому та сплавам такі переваги перед іншими металами:
Недоліки
Крім великої кількості позитивних якостей, є і ряд негативних властивостей металу:
- Вироби схильні до корозії. Для усунення цього небажаного ефекту за допомогою легування одержують нержавіючі сталі, а в інших випадках роблять спеціальну антикорозійну обробку конструкцій та деталей.
- Залізо накопичує статичну електрику, тому вироби, що містять її, піддаються електрохімічній корозії і вимагають додаткової обробки.
- Питома вага металу становить 7,13 г/см3. Ця фізична властивість заліза надає конструкціям та деталям підвищеної ваги.
Склад та структура
Залізо за кристалічною ознакою має чотири модифікації, які відрізняються структурою і параметрами решітки. Для виплавки сплавів саме наявність фазових переходів та легуючих добавок має важливе значення. Розрізняють такі стани:
- Альфа-фаза. Вона зберігається до 769 градусів за Цельсієм. У цьому стані залізо зберігає властивості феромагнетика і має об'ємно-центровані грати кубічного типу.
- Бетафаза. Існує при температурі від 769 до 917 градусів за Цельсієм. Має трохи інші параметри ґрат, ніж у першому випадку. Усі фізичні властивості заліза залишаються колишніми крім магнітних, їх воно втрачає.
- Гамма-фаза. Будова ґрат стає гранецентрованим. Така фаза проявляється у діапазоні 917-1394 градусів Цельсія.
- Омегафаза. Такий стан металу виникає при температурі вище 1394 градусів Цельсія. Від колишньої відрізняється лише параметрами ґрат.
Залізо - найпопулярніший метал у світі. Понад 90 відсотків всього металургійного виробництва припадає саме на нього.
Застосування
Люди почали використовувати спочатку метеоритне залізо, яке цінували вище за золото. З того часу сфера застосування цього металу тільки розширювалася. Нижче наведено застосування заліза, на основі його фізичних властивостей:
- феромагнітні оксиди використовують для виробництва магнітних матеріалів: промислових установок, холодильників, сувенірів;
- оксиди заліза застосовують як мінеральні фарби;
- хлорид заліза незамінний у радіоаматорській практиці;
- сульфати заліза використовують у текстильній промисловості;
- магнітний окис заліза - один із важливих матеріалів для виробництва пристроїв довгострокової комп'ютерної пам'яті;
- ультрадисперсний порошок заліза знаходить застосування у чорно-білих лазерних принтерах;
- міцність металу дозволяє виготовляти зброю та броню;
- зносостійкий чавун можна використовувати для гальм, дисків зчеплення, а також деталей для насосів;
- жаростійкий – для доменних, термічних, мартенівських печей;
- жароміцний – для компресорного обладнання, дизельних двигунів;
- Високоякісна сталь використовується для газопроводів, корпусу опалювальних котлів, сушарок, пральних та посудомийних машин.
Висновок
Під залізом часто мають на увазі не сам метал, а його сплав - низьковуглецеву електротехнічну сталь. Отримання чистого заліза є досить складним процесом, і тому його використовують тільки для виробництва магнітних матеріалів. Як зазначалося, що виняткове фізичне властивість простої речовини заліза - це феромагнетизм, т. е. здатність намагнічуватися у присутності магнітного поля.
Магнітні властивості чистого металу до 200 разів перевищують такі ж показники технічної сталі. На цю властивість впливає і зернистість металу. Чим більше зерно, тим вище магнітні властивості. Певною мірою впливає і механічна обробка. Таке чисте залізо, що відповідає цим вимогам, використовують для отримання магнітних матеріалів.