Железо: описание металла, свойства, сферы применения и месторождения

Железо — что это за химический элемент

Простое вещество железо представляет собой ковкий металл с серебристо-белым оттенком, который обладает высокой химической реакционной способностью.

Элемент железо находится в побочной подгруппе VIII группы (или в 8 группе в современной форме периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева), в четвертом периоде. Кристаллическая решетка простого вещества обладает кубической объемоцентрированной структурой.

Железо подвержено коррозии в условиях высокой температуры и повышенной влажности в воздушной среде. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии — самовозгорается и на воздухе. Название «железо» распространяется на сплавы вещества с небольшой концентрацией примесей (до 0,8 %). При этом материал сохраняет мягкость и пластичность. Для практического применения используют типичные сплавы железа с углеродом:

• сталь (до 2,14 вес. % углерода);
• чугун (более 2,14 вес. % углерода);
• нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.).

Благодаря специфическим свойствам металла и его сплавов, железо характеризуют как один из наиболее важных металлов для человека. В природной среде практически невозможно найти железо в чистом виде. Как правило, металл является составным компонентом железо-никелевых метеоритов. Содержание железа в земной коре составляет 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). По мнению ученых, из данного металла в большей степени состоит ядро Земли.

Железо обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Электронная конфигурация железа в основном состоянии:

+26Fe1s22s22p63s23p64s23d6

Происхождение названия, как обозначается

Праславянское želězo (белор. жалеза, укр. залізо, ст. слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, польск. żelazo, чеш. železo, словен. železo) обладает явными сходствами с аналогами в балтийских языках (лит. geležis, латыш. dzelzs). Термин имеет общие корни со словами «железа» и «желвак», что переводится как «округлый камень, окатыш, блямба».

Существует несколько версий дальнейшей этимологии этого понятия, одна из них связывает праслав. želězo с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь. Исходя из другой концепции, želězo родственно словам žely «черепаха» и glazъ «скала», обладающие общей семой «камень». Третья теория предполагает древнее заимствование из неизвестного языка.

Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum. Латинское ferrum (ferzom), по предположениям, заимствовано из какого-то восточного языка. Вероятнее всего, это был финикийский. Ср. ивр. ‏barzel‏‎, шумерск. barzal, ассирийск. parzilla. Отсюда же, скорее всего, баскское burdina.

Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn, англ. iron, нем. Eisen, нидерл. ijzer, дат. jern, швед. järn) из кельтских]. Пракельтское слово isarno- (др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к heshr-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый», «красный», «железо». Согласно другой гипотезе, данное слово восходит к ishro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой».

Древнегреческое понятие σίδηρος, по предположению, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра. Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus — звездный. В действительности, первое железо, которое обнаружил человек, имело метеоритное происхождение. Существует гипотеза, что такое совпадение не является случайностью. В частности, древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, обладают общим происхождением.

Добыча металла

Среди руд, содержащих железо, сырьем для промышленного производства являются:

• гематит;
• гетит;
• магнетит.

Гетит и гидрогетит формируют образования в коре выветривания, размером сотни метров. В зоне шельфа и озерах коллоидные растворы минералов в результате осаждения образуют оолиты (бобовые железные руды).

Пирит и пирротин, широко распространенные в природе минералы железа, используются в качестве сырья для производства серной кислоты.

К часто встречающимся минералам железа относятся также:

• сидерит;
• леллингит;
• марказит;
• ильменит;
• ярозит.

Минерал мелантерит, представляющий собой хрупкие зеленые кристаллы со стеклянным блеском, используется в фармацевтической промышленности для производства железосодержащих препаратов.

Основное месторождение этого металла находится в Бразилии. В последнее время внимание сосредоточивается на разработке конкреций, присутствующих на морском дне, в которых содержатся железо и марганец.

Плавление железа

От чего зависит температура плавления железа?

Производство металла предусматривает различные технологии его извлечения из рудного сырья. Наиболее распространена выплавка железа доменным способом.

Перед тем как выплавлять металл, его восстанавливают в печи при температуре +2000 °C. Для извлечения примесей добавляется флюс, разлагающийся при нагревании до оксида с последующим соединением с диоксидом кремния и образованием шлака.

Кроме доменного способа выплавка железа производится путем обжига измельченной руды с глиной. Из смеси формируются окатыши и обрабатываются в печи с восстановлением водородом. Дальнейшая плавка железа производится в электрических печах.

Изготовление сплавов в печах.

Свойства металла зависят от чистоты материала. Для технически чистого железа температура плавления составляет +1539 °C. Сера является вредной примесью. Извлечь ее можно только из жидкого раствора. Химически чистый материал получают в результате электролиза солей металла.

Сплавы металла

В чистом виде этот материал мягкий, поэтому для повышения прочности в состав вводят углерод.

В металлургии сплавы железа называют черными металлами.

В зависимости от компонентов лигатуры меняются свойства материалов. Температура плавления железа также меняется при наличии лигатурных компонентов.

Удельная теплота плавления стали равна 84 кДж. Этот показатель обозначает, что при температуре плавления стали для перевода 1 кг сплава из кристаллического в жидкое состояние необходимо 84 кДж энергии.

Соединения из различных металлов образуют сплавы. Удельная теплота плавления чугуна составляет 96–140 кДж. Чугун содержит до 4% углерода, 1,5% марганца, до 4,5% кремния и примеси в виде серы и фосфора. Различают белый и серый сплавы.

В белом часть углерода находится в соединении карбида железа. Такой сплав отличается хрупкостью и твердостью. Он предназначается для изготовления конструкций и деталей.

Серый сплав, содержащий углерод в виде графита, легко поддается обработке. Чугун выплавляют из железной руды в доменных печах. Плавление руды сопровождается восстановительной реакцией железа из оксидов углеродом.

Большинство веществ может плавиться с увеличением объема при нагревании. Для чугуна объемом 1000 см³ этот показатель составляет 988–994 см³.

Чугун является сырьем для производства стали, отличающейся содержанием углерода (не выше 2,14%).

По химическому составу различают сталь:

• легированную;
• углеродистую.

Углеродистая сталь содержит примеси серы, фосфора и кремния. Она отличается низкими электротехническими свойствами, низкой прочностью, легко поддается процессу коррозии.

Наличие лигатурных добавок придает стали новые технические свойства. В качестве дополнительных компонентов используют:

• молибден;
• никель;
• вольфрам;
• хром;
• ванадий.

В состав высоколегированной стали входит не более 10% добавок. Сплав отличается прочностью. Технология производства стали из чугуна позволяет получить высококачественный материал для производства:

• металлических конструкций;
• резервуаров;
• посуды;
• армирующих деталей;
• электрооборудования.
  Железо широко применяется во всех сферах жизни человека.

В качестве сырья сталь используется в разных отраслях промышленности. Без нее невозможно представить авиастроение, кораблестроение, автомобильную отрасль и многие другие производственные сферы.

Физические свойства

Прежде чем переходить к валентности железа, необходимо подробнее рассмотреть его физические свойства, так сказать, приглядеться к нему поближе.

Этот металл имеет серебристый цвет, достаточно пластичный, но способен к увеличению твердости путем его взаимодействия с другими элементами (например, с углеродом). Также он обладает магнитными свойствами.

Во влажной среде железо может корродировать, то есть ржаветь. Хотя абсолютно чистый металл устойчивее к влаге, но если в нем есть примеси, именно они провоцируют коррозию.

Железо хорошо взаимодействует с кислотной средой, даже может образовывать соли железной кислоты (при условии сильного окислителя).

В воздушной среде быстро покрывается оксидной пленкой, которая защищает его от взаимодействий.

Химические свойства

Также этот элемент обладает рядом химических свойств. Железо, как и остальные элементы таблицы Менделеева, имеет заряд атомного ядра, который соответствует порядковому номеру +26. А возле ядра вращается 26 электронов.

А вообще, если рассматривать свойства железа – химического элемента, то он является металлом с невысокой активной способностью.

Взаимодействуя с окислителями более слабыми, железо образует соединения, где оно двухвалентно (то есть его степень окисления +2). А если с сильными окислителями, то степень окисления железа достигает +3 (то есть валентность его становится равной 3).

При взаимодействии с химическими элементами, которые не являются металлами, Fe выступает по отношению к ним восстановителем, при этом степень окисления его становиться, кроме +2 и +3, даже +4, +5, +6. Такие соединения имеют очень сильные окислительные свойства.

Как уже отмечалось выше, железо в воздушной среде покрывается оксидной пленкой. А при нагревании скорость реакции повышается и может образоваться оксид железа с валентностью 2 (температура менее 570 градусов по Цельсию) или оксид с валентностью 3 (температурный показатель более 570 градусов).

Взаимодействие Fe с галогенами, приводит к образованию солей. Элементы фтор и хлор окисляют его до +3. Бром же – до +2 или +3 (все зависит от того, какие условия осуществления химического превращения при взаимодействии с железом).

Вступая во взаимодействия с йодом, элемент окисляется до +2.

Нагревая железо и серу, получается сульфид железа с валентностью 2.

Если феррум расплавить и соединить его с углеродом, фосфором, кремнием, бором, азотом, то получатся соединения называемые сплавами.

Железо является металлом, поэтому оно вступает во взаимодействие и с кислотами (об этом кратко также говорилось чуть выше). Например, кислоты серная и азотная, имеющие высокую концентрацию, в среде с пониженной температурой, на железо не оказывают воздействия. Но стоит ей повысится, как происходит реакция, в результате которой железо окисляется до +3.

Чем выше концентрация кислоты, тем большую температуру необходимо дать.

Нагревая 2-х валентное железо в воде, получим его оксид и водород.

Также Fe обладает способностью вытеснять из водных растворов солей металлы, которые имеют пониженную активность. При этом он окисляется до +2.

При повышении температуры, железо восстанавливает металлы из оксидов.

Получение металла

Есть несколько способов получения железа:

1. Прямые способы. Это производство губчатого железа в шахтных и тоннельных печах. Производство железной крицы во вращающихся печах. Возможно получение железа в реакторах кипящего слоя и химико-термический способ.
2. Доменный процесс — распространенный метод. Железная руда и флюс восстанавливаются углеродом кокса, в результате получаем чугун. При надобности из чугуна удаляют примеси (фосфор, сера) и избытки углерода в мартеновских печах или в конвертерах. Легированную сталь получают в электрических печах (ЭПС).
3. Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.

Где используется

Повседневную жизнь трудно представить без металла: железо практично, надежно, дешево. Возможно, когда-нибудь его вытеснит пластик. Сегодня в цене достоинства железного материала.

Сверхчистое железо

Использование феррума в промышленности

Применение и свойства железа тесно связаны. В связи с его ферромагнитностью, его применяют для изготовления магнитов — как более слабых для бытовых целей (сувенирные магниты на холодильник и т. д.), так и более сильных — для промышленных целей. В связи с тем что рассматриваемый металл обладает высокой прочностью и твердостью, его с древности использовали для изготовления оружия, доспехов и других военных и бытовых инструментов. К слову, еще в Древнем Египте было известно метеоритное железо, свойства которого превосходят таковые у обычного металла. Также такое особенное железо использовалось и в Древнем Риме. Из него изготавливали элитное оружие. Щит или меч, выполненный из метеоритного металла, мог иметь только очень богатый и знатный человек.

Вообще, металл, который мы рассматриваем в данной статье, является самым разносторонне используемым среди всех веществ данной группы. Прежде всего, из него изготавливаются сталь и чугун, которые применяются для производства всевозможных изделий, необходимых как в промышленности, так и в повседневной жизни.

Чугуном называется сплав железа и углерода, в котором второго присутствует от 1,7 до 4,5 процента. Если второго меньше, чем 1,7 процента, то такого рода сплав называется сталью. Если углерода в составе присутствует около 0,02 процента, то это уже обыкновенное техническое железо. Присутствие в сплаве углерода необходимо для придания ему большей прочности, термоустойчивости, стойкости к ржавлению.

Кроме того, в стали может содержаться много других химических элементов в качестве примесей. Это и марганец, и фосфор, и кремний. Также в такого рода сплав для придания ему определенных качеств могут быть добавлены хром, никель, молибден, вольфрам и многие другие химические элементы. Виды стали, в которых присутствует большое количество кремния (около четырех процентов), используются в качестве трансформаторных. Те, в составе которых много марганца (вплоть до двенадцати-четырнадцати процентов), находят свое применение при изготовлении деталей железных дорог, мельниц, дробилок и других инструментов, части которых подвержены быстрому стиранию.

Молибден вводят в состав сплава, чтобы сделать его более термоустойчивым — такие стали используются в качестве инструментальных. Кроме того, для получения всем известных и часто используемых в быту в виде ножей и других бытовых инструментов нержавеющих сталей необходимо добавление в сплав хрома, никеля и титана. А для того чтобы получить ударостойкую, высокопрочную, пластичную сталь, достаточно добавить к ней ванадий. При вводе в состав ниобия можно добиться высокой устойчивости к коррозии и воздействию химически агрессивных веществ.

Минерал магнетит, который был упомянут в начале статьи, нужен для изготовления жестких дисков, карт памяти и других устройств подобного типа. Благодаря магнитным свойствам, железо можно найти в устройстве трансформаторов, двигателей, электронных изделий и др. Кроме того, феррум могут добавлять в сплавы прочих металлов для придания им большей прочности и механической устойчивости. Сульфат данного элемента применяют в садоводстве для борьбы с вредителями (наряду с сульфатом меди).

Хлориды железа являются незаменимыми при очистке воды. Кроме того, порошок магнетита используется в черно-белых принтерах. Главный способ применения пирита — получение из него серной кислоты. Данный процесс происходит в лабораторных условиях в три этапа. На первой стадии пирит феррума сжигают, получая при этом оксид железа и диоксид серы. На втором этапе происходит превращение диоксида сульфура в его триоксид при участии кислорода. И на завершающей стадии полученное вещество пропускают через водяной пар в присутствии катализаторов, тем самым и получая серную кислоту.

Другие сферы

Металл применяют в науке, медицине, быту:

• Очистка сточных вод.
• Компонент гарта (полиграфского шрифта).
• Кухонная утварь, столовая посуда.
• Двери, замки.
• Ультрамелким порошком магнетита (окиси металла) заправляют черно-белые принтеры.
• Мебель авангардных стилей.
• Препаратами с железом лечат анемию.
• Садоводы и строители уничтожают грибок смесью медного и железного купороса (семиводный сульфат металла).

Искусственные радиоактивные изотопы – маркер при анализе химико-технологических, биологических процессов.

Биологическое воздействие

Для человека железо как микроэлемент (0,02%) на особом счету: он регулирует клеточное дыхание, входит в состав крови.

Значение для здоровья

Организм взрослого человека содержит 3,5 грамма железа. Из них три четверти входит в гемоглобин крови, остальное распределяется по другим структурам организма.

Недостаток микроэлемента порождает анемичность у человека или животных, хлороз у растений.

Питание

В организм железо доставляется пищей.

Самые богатые микроэлементом продукты обнаружены во всех пищевых группах:

• Хлеб, крупы.
• Печень, мясо.
• Яйца.
• Свекла, листовая зелень.
• Бобовые.
• Сухофрукты, орехи, семечки.

Продукты питания содержат разные виды железа: гемовое и негемовое. Гемовое содержит «животный» ассортимент, негемовое – растительный.

Потребность

Суточная потребность в железе (мг):

• дети – 4-18;
• женщины – 18;
• мужчины – 10.

При беременности норма увеличивается вдвое. Больше требуется анемичным людям и донорам.

Организму легче усваивать гемовое железо, поэтому веганам либо вегетарианцам ежесуточно требуется 30-33 мг.

Избыток железа

Избыток Fe в организме также, как и его нехватка может вызвать ряд проблем со здоровьем, среди которых:

• Проблемы с органами ЖКТ — геморрагический гастроэнтерит, тошнота, отсутствие аппетита, приступы рвоты, боль в эпигастральной области живота, диарея;
• Стоматиты;
• Гемохроматоз;
• Отложение на стенках атеросклеротических бляшек (развитие атеросклероза);
• Повышенная уязвимость перед развитием артрита, диабета, онкологических заболеваний;
• Осложнение течения болезней Альцгеймера и Паркинсона;
• Угнетение антиоксидантной функции в организме;
• Продукция свободных радикалов.

Признаки интоксикации феррумом в среднем появляются при суточной дозе около 200 мг.

Летальной дозой от приема данного микроэлемента может стать – от 3 до 35 г.

Плюсы и минусы

Множество достоинств, но и недостатков не меньше.

Ковкость дает возможность производить декоративные изделия.

Ваша оценка?

Петр Иваныч

Возможно этот человек ответит на ваши вопросы

Задать вопрос