Властивості заліза

ЗАЛІЗО (Ferrum), Fe – хім. елемент VII групи періодичної системи елементів; ат. н. 26, ат. м. 55,847. Блискучий сріблясто-білий метал. У з’єднаннях виявляє ступеня окислення +2 і +3, рідше +6. Природне Ж. складається з стабільних ізотопів 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%) і 58Fe (0,31%). Отримані радіоактивні ізотопи 52Fe, 53Fe, 56Fe, 59Fe і 60Fe з періодами напіврозпаду відповідно 8,3 год, 8,9 хв 2,9 року, 45 днів і 8,4 ч. Ж, відомо з найдавніших часів, проте тривалий час використовувався лише метал метеоритного походження. Виготовлення виробів з Ж. (гл. Обр. Прикрас) почалося в першій половині третього тисячоліття до н. е. У 2-му тисячолітті до н. е. було створено спосіб произова достатньо твердого металу. У Європі й у Давній Русі до середини 14 в. Ж. отримували в сиродутних горнах прямим відновленням руди деревним вугіллям (сиродутний процес), отримуючи губку (крицю), з до-рій потім виковували різні вироби. Надалі, у міру удосконалення способів дуття і збільшення висоти плавильних печей, Ж. науглероживается, перетворюючись на чавун, к-рий спочатку вважали відходом произова.
Поступово чавун навчилися переробляти в сталь. Такий двоступінчастий переділ виявився більш економічним і продуктивним і з 15-16 ст. майже повністю замінив одноступенчатую схему произова Ж. і сталі. В середині 19 ст. були розроблені бесемерівський, Томас-ський і мартенівський способи переділу чавуну в сталь, поповнили згодом електросталеплавильним, киснево-конверторним і ін. способами. За вмістом у земній корі (4,65%) Ж. займає четверте місце після кисню, кремнію і алюмінію. У земних глибинах зміст його зростає. У земній корі Ж. сформувалося в різні мінерали, яких брало налічується близько 300: оксиди, сульфіди, силікати, карбонати, фосфати і т. Д. Найважливіші рудні мінерали: магнетит Fe304, гематит Fe203, лимонит Fe20 – Н20, сидерит FeC03, а також сполуки з сіркою і миш’яком. У вигляді гідроксидів Ж. накопичується у мн. морських і континентальних опадах, утворюючи осадові руди.
Неокислену (самородне)
Ж.- у вигляді теллурического земного або метеоритного – зустрічається в природі рідко. Ж.- пластичний
метал, легко піддається куванні, прокатці, штампуванню і волочіння. Його кристалічні модифікації: альфа-, гамма – і дельта-залізо. До т-ри 769 ° С стійко альфа-залізо, вище т-ри 769 ° С (Кюрі точка) воно зберігає кристалічну структуру, однак втрачає феромагнетизм, переходячи в дельта-залізо; при т-рі 911 ° С переходить в гамма-залізо, а при т-рі 1 400 ° С гамма-залізо перетворюється на дельта-залізо. Немагнітну модифікацію заліза, стійку в інтервалі т-р 769-911 ° С, нерідко зв. бета-залізом. Однак його структура тотожна високотемпературної модифікації дельта-заліза і не може розглядатися як самостійна. Зовнішня електронна оболонка атома Ж. має 3d⁶4s² електронів. Наявність незаповненого 3d шару і його відносні розміри визначають багато фіз. і хім. св-ва елемента. Так, взаємодія нескомпенсованих спінів чотирьох з шести електронів сусідніх атомів на невеликих відстанях, властивих альфа-залозу, створює області спонтанної намагніченості (домени), що визначають феромагнетизм. Зі збільшенням міжатомних відстаней обмінна взаємодія послаблюється, що призводить до раз упорядкуванню областей і зникнення феромагнетизму при т-рі 769 ° С. Зосередження чотирьох електронів в металі та їх взаємодія з катіонами призводять до перекриття d6 орбіталей і появі спрямованих зв’язків, властивих об’емноцентрірованной-ної кубічної структурі альфа – в дельта-заліза. Якщо перекриття в гамма-залозі немає, координаційне число збільшується до 12. Фіз. св-ва чистого Ж.: tпл 1536 ° С; tкип 2880 ° С; коеф. теплопровід кістки (т-ра 25 ° С) 0,177 кал / см – сек – град-1, ср питома теплоємність (т-ра 0-1000 ° С) 0,153 кал / г – град; температурний коеф. лінійного розширення (т-ра 20 ° С)
11,7 – 10-6 град-1 питомий електричний опір (т-ра 20 ° С) 9.7 – 10 ом – см; температ. коеф. електр. опору (0-100 ° С) 6,51 – 10-3 град-1. Багато св-ва залежать від чистоти металу.
У хім. відношенні залізо – метал середньої активності: якщо немає вологи, його компактні зразки не реагують помітно навіть з такими окислювачами, як кисень, сірка, хлор і бром. Тільки високодисперсне (ПІРОФОРНА) Ж. може самозайматися. При нагріванні інтенсивність взаємодії швидко зростає. З кисневих з’єднань відомі: FeO (точніше вюстит FexO – Нестехіометричні з’єднання нерем. Складу, стійке вище т-ри 572 ° С), Fe304 і Fe203. При т-рі 200-300 ° С на повітрі Ж. покривається щільною окисной плівкою, що захищає його від корозії (див. Корозія металів). Чисте Ж. при звичайних т розчинах стійко на повітрі і у воді. Технічне Ж. і заліза сплави під впливом парів води, вуглекислого газу і кисню корродируют, покриваючись тендітним пористим шаром гідроокису FeO x x nН20 – іржею, не захищає метал від корозії. Від неї щорічно втрачається близько 30% видобутого Ж. і сталі, з яких брало у вигляді металобрухту йдуть в переплав, а втрачається безповоротно. Розчинність вуглецю в альфа-залозі при кімнатній т-рі – близько 2 – 10-5%, а при т-рі 738 ° С становить 0,02%. У гамма-залозі при т-рі тисячі сто п’ятьдесят три ° С розчиняється до 2,11% С.
Твердий розчин вуглецю в альфа-залозі (ферит) і в гамма-залозі (аустеніт) є розчинами впровадження. Залежно від вмісту вуглецю сплави Ж. підрозділяють на сталі і чавуни. При швидкому охолодженні аустеніту утворюється пересичений твердий розчин вуглецю в альфа-залозі (мартенсит), що володіє високою твердістю і крихкістю. Подальший відпустку (нагрівання до т-ри 500-550 ° С і витримка) дозволяє отримати регульовану поєднання хутро. міцності і пластичності. При порівняно швидкому охолодженні із залізовуглецевих розплавів виділяються карбіди: Fe3С (цементит), рідше Fe2C (епсилон-карбід), а при повільному – графіт. Найбільш стійки нітриди Fe4N і Fe2N. З’єднання Ж. з воднем (гідриди) малостойки. З’єднання з сіркою мають перем. склад: у FexS міститься від 50 до 53,3 ат.% S.
При нагріванні з кремнієм, фосфором, алюмінієм і титаном Ж. утворює відповідно силіциди, фосфіди, алюмини-ди і титаніди. Ж. добре розчиняється в розбавлених к-тах і практично не розчиняється в лугах. Водні розчини його солей мають кислу реакцію. Ж. схильне до утворення комплексних сполук. Чисте Ж. отримують відновленням з оксидів (залізо ПІРОФОРНА), електролізом водних розчинів його солей (залізо електролітичне), розкладанням пента кар боніла Fe (СО) 5 при нагріванні до т-ри 250 ° С (див. Залізо карбонильное). Для произова особливо чистого заліза (99,99% Fe) вдаються до зонної плавці та ін. Спец. способам. Технічно чисте Ж. (армко-желе-зо), що містить близько 0,16% домішок (вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору, сірки та ін.), Виілав-ляють, окислюючи компоненти чавуну, в мартенівських, двухванних сталеплавильних печах і в кисневих конверторах.
Зварювальне, або крічное, Ж. отримують, окислюючи домішки маловуглецевої сталі залозистим шлаком при т-рі 1350 ° С або відновленням з руд твердим вуглецем. Відновленням при т-рі до 1200 ° С отримують залізо губчасте. Осн. масу Ж. виплавляють у вигляді сталей і чавунів Технічно чисте Ж. застосовують для виготовлення сердечників електромагнітів, якорів електр. машин та ін. Чисте Ж. використовують як каталізатор, для дослідницьких цілей і для виготовлення медичних препаратів. Порошок Ж., отримані відновленням окислів, карбонільним та іншими способами, переробляють методами порошкової металургії в різні вироби, листи, смуги, стрічки та ін. Залізний порошок у великих кількостях використовують при зварюванні, а також для цементації міді. Губчате і крічное Ж. застосовують для произова високоякісних сталей. Ж. – складова частина залізобетону і железографіта. Окисли Ж. служать мінеральними фарбами, а феромагнітні Fe304 і v-Fe203 використовують для произова магнітних матеріалів. З солей широко застосовують сульфати, напр. FeS04 X X 7Н20 – в текстильній проммсти, в произове берлінської блакиті, чорнила, мінеральних фарб, FeS04 – коагулянт для очищення у ди. Покриття залізом знайшло застосування в поліграфії – для виготовлення кліше, в автомобільній і тракторній Прометей – для відновлення зношених деталей машин і ін. На частку сплавів Ж. припадає приблизно 95% всієї металевої продукції.
Природна суміш складається з чотирьох стабільних ізотопів заліза: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%), 58Fe (0,31%). Штучні ізотопи 55Fe і 59Fe застосовується як радіоактивні індикатори (період напіврозпаду 2,94 року і 45,1 дня).
За поширеністю на землі залізо поступається серед металів тільки алюмінію. У літосфері його міститься 4,0%, в самородному стані зустрічається рідко. Основні залізні руди: магнітний залізняк (магнетит) Fe3O4, червоний залізняк (гематит) Fe2O3, бурий залізняк (лимонит) 2Fe2O3 ⋅ 3H2O, шпатовий залізняк (сидерит) FeCO3. Залізний колчедан (пірит) FeS2 переробляють на сірчану кислоту. Залізо отримують з руд шляхом відновлення, розплавлене залізо розчиняє надлишок вуглецю і виходить, сплав званий чавун.
Хімічний процес отримання залоза складається:
При неповному згорянні коксу утворюється оксид вуглецю (II):
C + O2 = CO2 ↑
CO2 + C = 2CO ↑
Оксид заліза відновлюється оксидом вуглецю (II) вільного заліза:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O3 + CO2 ↑
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2 ↑
FeO + CO = Fe + CO2 ↑
Чавун містить близько 93% заліза і 4% вуглець, а також домішки кремнію, марганцю, фосфору і сірки. Сірий чавун містить вуглець у вигляді графіту, а білий у вигляді цементиту Fe3C. З більш м’якого і в’язкого сірого чавуну відливають чавунні вироби. Білий, важко піддається обробці чавун переробляють на сталь, окислюючи вуглець киснем повітря в конвертерах, мартенівських або електропечах. Метал з вмістом вуглецю 0,3 – 2% називають твердою сталлю. М’яка сталь (або залізо) містить вуглець менше 0,3%.
У електропечах, що дозволяють краще регулювати процес, виплавляють спеціальні леговані сталі. Легуючими добавками до них можуть бути хром, марганець, нікель, молібден, вольфрам, ванадій і т. д.
Такі стали набувають твердість і в’язкість, жаростійкість, кислототривкість, протикорозійні та інші цінні властивості. Серед них розрізняють машинобудівні та інструментальні сталі.
Поверхня сталевих виробів іноді піддають цементування (насичення вуглецем), азотуванню (нагрівання в атмосфері аміаку), ціанування (збагачення вуглецем і азотом). У результаті цього поверхню виробів набуває твердість, стійкість до стирання і корозії.
Чисте залізо – сріблясто – білий, м’який метал, добре піддається обробці, легко намагнічується і розмагнічується. Його отримують електролізом розчинів солей заліза або термічним розкладанням пентакарбонила заліза:
[Fe (CO) 5 = Fe + 5CO ↑
Відомі чотири поліморфні модифікації заліза. Поліморфні перетворення заліза супроводжуються зміною кристалічної решітки і фізичних властивостей заліза.
При звичайних температурах залізо не взаємодіє навіть з самими активними неметалами (фтор, хлор, бром, йод, киснем, сіркою, фосфором), але при нагріванні реагує з ними енергійно. У вологому повітрі технічне залізо покривається іржею (FeOOH). Воно легко розчиняється в соляній кислоті, в розведеною сірчаної та азотної кислотах, але концентровані сірчана і азотна кислоти Пасивуючі заліза. У лугах (крім гарячих концентрованих розчинів) воно нерастворимо.
У стійких з’єднаннях залізо проявляє ступені окислення +2 і +3, має два простих оксиду і один змішаний – оксид заліза (II, III) Fe3O4 (FeO ⋅ Fe2O3).
Оксид заліза (II) FeO – чорний порошок. Він взаємодіє з кислотами, утворюючи солі заліза (II), проявляючи основні властивості.
Гідроксид заліза (II) Fe (OH) 2 осаджують, діючи лугами на розчини солі заліза (II):
FeSO4 + 2NaOH = Fe (OH) 2 ↑ + Na2SO4
Гідроксид заліза (II) амфотерен, частково розчиняється в сильно лужних середовищах. Це біла речовина легко окислюється киснем повітря до червоно – бурого гідроксиду заліза (III):
4Fe (OH) 2 + O2 + 2H2O = 4Fe (OH) 3
Гідроксид заліза (II) легко розчиняється в кислотах.
Оксид заліза (III) Fe2O3 – червоно – бурий порошок, володіє основними властивостями (з ознаками амфотерности), утворює з кислотами солі заліза (III). Але при сплаву з карбонатом натрію (або лугами) Fe2O3 проявляє кислотні властивості і дає солі метажелезістой кислоти HFeO2 – ферити, наприклад, ферит натрію NaFeO2:
Fe2O3 + Na2CO3 = 2NaFeO2 + CO2 ↑
Гідроксид заліза (III) Fe (OH) 3 випадає при дії лугів на його заліза (III) у вигляді червоно – бурого осаду:
Fe2 (SO4) 3 + 6NaOH = 2Fe (OH) 3 ↓ + 3Na2SO4
Склад осаду не завжди відповідає своїй формулі Fe (OH) 3 вважається, що залізо (III) частково осідає у вигляді HFeO3. Гідроксид заліза (III) проявляє основні властивості, розчиняться в кислотах. Також він проявляє помітні властивості амфотерности з гарячими концентрованими розчинами лугів. При розчиненні гідроксиду заліза (III) в лужному середовищі виходять солі залізної кислоти – ферати K2FeO4.
У заліза добре виражена здатність утворювати комплексні сполуки. Міцним комплексний аніон [Fe (CN) 6] виходить при взаємодії солей заліза (II) з ціанідами:
FeSO4 + 6KCN = K4 [Fe (CN) 6] + K2SO4
Образующееся комплексне з’єднання – гексациано – (II) феррат калію (жовта кров’яна сіль) з солями заліза (III) дає інтенсивно синій осад берлінської блакиті:
4FeCl3 + 3K4 [Fe (CN) 6] = Fe4 [Fe (CN) 6] 3 ↓ + 12KCl
Гексаціано – (III) феррат калію або червона кров’яна сіль, K3 [Fe (CN) 6] також виділяє з розчинів солей заліза (II) синій осад:
3FeSO4 + 2K3 [Fe (CN) 6] = Fe3 [Fe (CN) 6] 2 ↓ + 3K2SO4
які раніше називали турнбуллевой синню.
Солі заліза (III) з роданидами утворюють криваво – червоні комплекси:
Fe³ ᐩ + SCNˉ = [Fe (SCN)] ²ᐩ
При високих концентрації роданид – іонів виходять комплексні сполуки з великим числом лігандів, наприклад K3 [Fe (SCN) 6].
Координаційне число заліза в комплексних сполуках дорівнює шести.
Солі заліза мають практичне значення. Сульфат заліза (II) або залізний купорос, FeSO4 + 7H2O – сільськогосподарський ядохимикат. Сіль мора (NH4) 2SO4 – FeSO4 – 6H2O або сульфат амонію – заліза (II), застосовується в хімічному аналізі.
Велико біологічне значення заліза, так як воно складова частина гемоглобіну крові, в організмі людини міститься близько 3 грамів заліза. Іони заліза беруть участь а процесі перенесення кисню гемоглобіном від легких до тканин і органів. Крім того, залізо міститься в печінці і селезінці людини і тварин. Його недолік викликає захворювання. Залізо необхідний і рослинам, воно бере участь в окисно – відновних процесах, в кисневому обміні. При нестачі заліза в грунті рослини хворіють, сповільнюється синтез хлорофілу, затримується їх ріст і розвиток.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.50 out of 5)

Властивості заліза