Хімічні властивості сполук заліза 2 та 3. III

Чисте залізо одержують різними методами. Найбільше значення мають метод термічного розкладання пентакарбонілу заліза (див. § 193) та електроліз водних розчинів його солей.

У вологому повітрі залізо швидко іржавіє, тобто покривається бурим нальотом оксиду заліза гідратованого, який внаслідок своєї пухкості не захищає залізо від подальшого окислення. У воді залізо інтенсивно корродує; при рясному доступі кисню утворюються гідратні форми оксиду заліза(III):

При нестачі кисню або за його утрудненого доступу утворюється змішаний оксид Fe 3 O 4 (FeO·Fe 2 O 3):

Залізо розчиняється в соляній кислоті будь-якої концентрації:

Аналогічно відбувається розчинення у розведеній сірчаній кислоті:

У концентрованих розчинах сірчаної кислоти залізо окислюється до заліза(III):

Однак у сірчаній кислоті, концентрація якої близька до 100%, залізо стає пасивним та взаємодії практично не відбувається.

У розведених та помірно концентрованих розчинах азотної кислоти залізо розчиняється:

При високих концентраціях HNO 3 розчинення сповільнюється та залізо стає пасивним.

Для заліза характерні два ряди сполук: сполуки заліза(II) та сполуки заліза(III). Перші відповідають оксиду заліза (II), або закису заліза, FeO, другі - оксиду заліза(III), або окису заліза, Fe 2 O 3 .

Крім того, відомі солі залізної кислоти H 2 FeO 4 , в якій ступінь окислення заліза дорівнює +6.

З'єднання заліза (ІІ).

Солі заліза(II) утворюються при розчиненні заліза у розведених кислотах, крім азотної. Найважливіша з них - сульфат заліза(II), або залізний купорос, FeSO 4 ·7H 2 O, що утворює світло-зелені кристали, добре розчинні у воді. На повітрі залізний купорос поступово вивітрюється і одночасно окислюється з поверхні, переходячи в жовто-буру основну сіль заліза (III).

Сульфат заліза(II) одержують шляхом розчинення обрізків сталі в 20-30%-ній сірчаній кислоті:

Сульфат заліза(II) застосовується для боротьби зі шкідниками рослин, у виробництві чорнила та мінеральних фарб, при фарбуванні тканин.

При нагріванні залізного купоросу виділяється вода і утворюється біла маса безводної солі FeSO 4 . При температурах вище 480°C безводна сіль розкладається з виділенням діоксиду та триоксиду сірки; останній у вологому повітрі утворює важкі білі пари сірчаної кислоти:

При взаємодії розчину солі заліза(II) з лугом випадає білий осад гідроксиду заліза(II) Fe(OH) 2 , який на повітрі внаслідок окислення швидко приймає зелене, а потім буре забарвлення, переходячи в гідроксид заліза (III)

Безводний оксид заліза(II) FeO можна отримати у вигляді чорного порошку, що легко окислюється відновленням оксиду заліза(III) оксидом вуглецю(II) при 500°C:

Карбонати лужних металів беруть в облогу з розчинів солей заліза(II) білий карбонат заліза(II) FeCO 3 . При дії води, що містить CO 2 карбонат заліза, подібно карбонату кальцію, частково переходить в більш розчинну кислу сіль Fe(HCO 3)2 . У вигляді цієї солі залізо міститься у природних залізистих водах.

Солі заліза (II) легко можуть бути переведені в солі заліза (III) дією різних окислювачів - азотної кислоти, калію перманганату, хлору, наприклад:

Зважаючи на здатність легко окислюватися, солі заліза (II) часто застосовуються як відновники.

Сполуки заліза (III).

Хлорид заліза (III) FeCl 3 є темно-коричневі з зеленуватим відливом кристали. Ця речовина дуже гігроскопічна; поглинаючи вологу з повітря, воно перетворюється на кристалогідрати, що містять різну кількість води і розпливаються на повітрі. У такому стані хлорид заліза (III) має буро-жовтогарячий колір. У розведеному розчині FeCl3 гідролізується до основних солей. У парах хлорид заліза (III) має структуру, аналогічну структурі хлориду алюмінію (стор. 615) і відповідає формулі Fe 2 Cl 6; помітна дисоціація Fe 2 Cl 6 молекули FeCl 3 починається при температурах близько 500°C.

Хлорид заліза (III) застосовують як коагулянта при очищенні води, як каталізатор при синтезах органічних речовин, у текстильній промисловості.

Сульфат заліза (III) Fe 2 (SO 4)3 - дуже гігроскопічні білі кристали, що розпливаються на повітрі. Утворює кристалогідрат Fe 2 (SO 4)3 · 9H 2 O (жовті кристали). У водних розчинах сульфат заліза (III) сильно гідролізовано. З сульфатами лужних металів і амонію він утворює подвійні солі - галун, наприклад залізоамонійний галун (NH 4) Fe (SO 4)2 · 12H 2 O - добре розчинні у воді світло-фіолетові кристали. При прожарюванні вище 500°C сульфат заліза (III) розкладається відповідно до рівняння:

Сульфат заліза (III) застосовують, як і FeCl 3 як коагулянта при очищенні води, а також для травлення металів. Розчин Fe 2 (SO 4)3 здатний розчиняти Cu 2 S і CuS з утворенням сульфату міді(II), що використовується при гідрометалургійному одержанні міді.

При дії лугів на розчини солей заліза (III) випадає червоно-бурий гідроксид заліза (III) Fe(OH) 3 нерозчинний у надлишку лугу.

Гідроксид заліза (III) - слабша основа, ніж гідроксид заліза (II) це виражається в тому, що солі заліза (III) сильно гідролізуються, а зі слабкими кислотами (наприклад, з вугільною, сірководневою) Fe(OH) 3 солей не утворює . Гідролізом пояснюється і колір розчинів солей заліза (III): незважаючи на те, що Fe 3+ майже безбарвний, розчини, що містять його, пофарбовані в жовто-бурий колір, що пояснюється присутністю гідроксо-іонів заліза або молекул Fe(OH) 3 , які утворюються завдяки гідролізу:

При нагріванні забарвлення темніє, а при додаванні кислот стає світлішим внаслідок придушення гідролізу.

При прожарюванні гідроксид заліза (III), втрачаючи воду, переходить в оксид заліза (III), або окис заліза, Fe 2 O 3 . Оксид заліза (III) зустрічається у природі у вигляді червоного залізняку і застосовується як коричнева фарба – залізний сурик, або мумія.

Характерною реакцією, що відрізняє солі заліза (III) від солей заліза (II), є дія роданіду калію KSCN або роданіду амонію NH 4 SCN на солі заліза. Розчин роданіду калію містить безбарвні іони SCN-, які з'єднуються з іонами Fe(III), утворюючи криваво-червоний, слабо дисоційований роданід заліза(III) Fe(SCN) 3 . При взаємодії з роданідами іонів заліза (II) розчин залишається безбарвним.

Ціаністі сполуки заліза. При дії на розчини солей заліза (II) розчинних ціанідів, наприклад, ціаніду калію, виходить білий осад ціаніду заліза(II):

У надлишку ціаніду калію осад розчиняється внаслідок утворення комплексної солі K 4 гексаціаноферату (II) калію

Гексаціаноферрат(II) калію K 4 ·3H 2 O кристалізується у вигляді великих світло-жовтих призм. Ця сіль називається також жовтою кров'яною сіллю. При розчиненні у воді сіль дисоціює на іони калію та надзвичайно стійкі комплексні іони 4-. Фактично такий розчин зовсім не містить іонів Fe 2+ і не дає реакцій, характерних для заліза(II).

Гексаціаноферрат (II) калію служить чутливим реактивом на іони заліза (III), так як іони 4-, взаємодіючи з іонами Fe 3+ утворюють нерозчинну у воді сіль гексаціаноферрат (II) заліза (III) Fe 4 3 характерного синього кольору; ця сіль отримала назву берлінської блакиті:

Берлінська блакит застосовується як фарба.

При дії хлору або брому на розчин жовтої кров'яної солі аніон її окислюється, перетворюючись на 3-

Сіль K 3, що відповідає цьому аніону, називається гексаціаноферратом(III) калію, або червоною кров'яною сіллю. Вона утворює червоні безводні кристали.

Якщо подіяти гексаціаноферратом(III) калію на розчин солі заліза(II), то виходить осад гексаціаноферрату (III), заліза (І) (турнбулева синь), зовні дуже схожий на берлінську блакить, але має інший склад:

З солями заліза (III) K 3 утворює зеленувато-бурий розчин.

У більшості інших комплексних сполук, як і в розглянутих ціаноферратах, координаційне число заліза(II) та заліза(III) дорівнює шести.

Феріти. При сплавленні оксиду заліза(III) з карбонатами натрію або калію утворюються ферити - солі не отриманої у вільному стані залізистої кислоти HFeO 2 наприклад ферит натрію NaFeO 2:

При розчиненні сплаву у воді виходить червоно-фіолетовий розчин, з якого дією хлориду барію можна осадити нерозчинний у воді феррат барію BaFeO 4 .

Всі ферати - дуже сильні окислювачі (сильніші, ніж перманганати). Відповідна ферратам залізна кислота H 2 FeO 4 та її ангідрид FeO 3 у вільному стані не отримані.

Карбоніли заліза. Залізо утворює леткі сполуки з оксидом вуглецю, які називаються карбонілами заліза. Пентакарбоніл заліза Fe(CO) 5 являє собою блідо-жовту рідину, що кипить при 105°C, нерозчинну у воді, але розчинну у багатьох органічних розчинниках. Fe(CO) 5 отримують пропусканням над порошком заліза при 150-200°C і тиску 10 МПа. Домішки, що містяться в залозі, не вступають у реакції із СО, внаслідок чого виходить дуже чистий продукт. При нагріванні у вакуумі пентакарбоніл заліза розкладається на залізо та СО; це використовується для отримання високочистого порошкового заліза – карбонільного заліза (див. § 193).

Природа хімічних зв'язків у молекулі Fe(CO) 5 розглянута на сторінці 430.

<<< Назад

Вперед >>>

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 реакцію і зі слабкими розчинами кислот, і з 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.

Деталі Категорія: Переглядів: 9555

Залізо, Fe, хімічний елемент, атомна вага 55,84, порядковий номер 26; розташований у VIII групі періодичної системи в одному ряду з кобальтом та нікелем, температура плавлення – 1529°С, температура кипіння – 2450°С; у твердому стані має синювато-сріблястий колір. У вільному вигляді залізо зустрічається лише у метеоритах, які, однак, містять домішки Ni, Р, С та інших елементів. У природі сполуки заліза поширені повсюдно (грунт, мінерали, гемоглобін тварин, хлорофіл рослин), гол. обр. у вигляді оксидів, гідратів оксидів і сірчистих сполук, а також вуглекислого заліза, з яких складається більшість залізних руд.

Хімічно чисте залізо виходить шляхом нагрівання щавлевокислого заліза, причому при 440°С спочатку виходить матовий порошок закису заліза, що має здатність спалахувати повітря (т. зв. пірофоричне залізо); при подальшому відновленні цього закису порошок, що утворився, набуває сірого кольору і втрачає пірофоричні властивості, переходячи в металеве залізо. При відновленні закису заліза при 700°З виділяється залізо у вигляді дрібних кристалів, які потім сплавляються у вакуумі. Інший спосіб отримання хімічно чистого заліза полягає в електролізі розчину солей заліза, наприклад FeSО 4 або FeCl 3 в суміші з MgSО 4 СаСl 2 або NH 4 Cl (при температурі вище 100°С). Однак, при цьому залізо оцлюдує значну кількість електролітичного водню, внаслідок чого набуває твердості. При прожарюванні до 700 ° С водень виділяється, і залізо стає м'яким і ріжеться ножем, як свинець (твердість за шкалою Моса - 4,5). Дуже чисте залізо може бути одержано алюмінотермічним шляхом із чистого окису залізо. (Див. Алюмінотермія). Добре утворені кристали заліза трапляються рідко. У порожнинах великих шматків литого заліза іноді утворюються кристали октаедричної форми. Характерною властивістю заліза є його розм'якшення, тягучість і ковкість при температурі, значно нижчій, ніж температура плавлення. При дії на залізо міцної азотної кислоти (що не містить нижчих оксидів азоту), залізо покривається нальотом оксидів і стає нерозчинним азотної кислоти.

З'єднання заліза

Легко з'єднуючись з киснем, залізо утворює кілька оксидів: FeO - закис заліза, Fe 2 Про 3 - окис заліза, FeО 3 - ангідрид залізної кислоти і FeО 4 - ангідрид надзалізної кислоти. Крім того, залізо утворює ще оксид змішаного типу Fe 3 Про 4 - закис-окис заліза, т.з. залізну окалину. У сухому повітрі, проте, залізо не окислюється; іржа є водними окислами заліза, що утворюються за участю вологи повітря і СО 2 . Закису заліза FeO відповідає гідрат Fe(OH) 2 і цілий ряд солей двовалентного заліза, здатних при окисленні переходити в солі окису заліза, Fe 2 Про 3 , в якій залізо проявляє себе як тривалентний елемент; на повітрі гідрат закису заліза, що відрізняється сильними відновними властивостями, легко окислюється, переходячи в гідрат окису заліза. Гідрат закису заліза слабо розчиняється у воді, і цей розчин має виразно лужну реакцію, що свідчить про основний характер двовалентного заліза. Окис заліза зустрічається в природі (див. залізний сурик), штучно ж м. б. отримана у вигляді червоного порошку при прожарюванні залізного порошку та при випалюванні сірчаного колчедану для отримання сірчистого газу. Безводний окис заліза, Fе 2 O 3 м. б. отримана у двох модифікаціях, причому перехід однієї з них в іншу відбувається при нагріванні та супроводжується значним виділенням тепла (самонажарювання). При сильному прожарюванні Fe 2 Про 3 виділяє кисень і перетворюється на магнітний закис-окис, Fe 3 Про 4 . При дії лугів на розчини солей тривалентного заліза випадає осад гідрату Fe 4 Про 9 H 6 (2Fe 2 Про 3 ·3Н 2 Про); при кип'ятінні його з водою утворюється гідрат Fe 2 Про 3 ·Н 2 Про, що важко розчиняється в кислотах. Залізо утворює сполуки з різними металоїдами: З, Р, S, з галоїдами, а також і з металами, наприклад з Mn, Cr, W, Сu та ін.

Солі заліза поділяються на закисні – двовалентного заліза (феро-солі) та на окисні – тривалентного заліза (фері-солі).

Солі закисного заліза . Хлористе залізо, FeCl 2 виходить при дії сухого хлору на залізо, у вигляді безбарвних листочків; при розчиненні заліза в НСl хлористе залізо утворюється у вигляді гідрату FeCl 2 ·4H 2 O і застосовується у вигляді водних або спиртових розчинів у медицині. Йодисте залізо FeJ 2 виходить із заліза і йоду під водою у вигляді зелених листочків і застосовується в медицині (Sirupus ferri jodati); при подальшій дії йоду утворюється FeJ 3 (Liquor ferri sesquijodati).

Сірчанокисле закисне залізо, залізний купорос, FeSО 4 ·7H 2 Про (зелені кристали) утворюється в природі в результаті окислення піриту та сірчаних колчеданів; ця сіль утворюється також як побічний продукт при виробництві галунів; при вивітрюванні або при нагріванні до 300°С переходить у білу безводну сіль - FeSO 4 ; утворює також гідрати з 5, 4, 3, 2 та 1 частинками води; легко розчиняється у холодній воді (у гарячій до 300%); розчин має кислу реакцію внаслідок гідролізу; на повітрі окислюється, особливо легко в присутності іншої речовини, що окислюється, наприклад, щавлевокислих солей, які FeSО 4 залучає в сполучену реакцію окислення, знебарвлює КМnO 4 ; при цьому процес протікає за наступним рівнянням:

2KMnO 4 + 10FeSO 4 +8H 2 SO 4 = 2MnSО 4 + K 2 SО 4 + 5Fe 2 (SO 4) 2 + 8Н 2 О.

Для цієї мети, однак, застосовується більш постійна на повітрі подвійна сіль Мора (NH 4) 2 Fe(SО 4) 2 ·6Н 2 О. Залізний купорос застосовується в газовому аналізі для визначення окису азоту, що поглинається розчином FeSО 4 з утворенням пофарбованого темно -бурий колір комплексу (FeNО)SO4, а також для отримання чорнила (з дубильними кислотами), як протрава при фарбуванні, для зв'язування смердючих газів (H2S, NH3) у відхожих місцях і т.д.

Закисні солі заліза застосовуються у фотографії завдяки їх здатності відновлювати срібні з'єднання на прихованому зображенні, що зафіксовано на фотографічній платівці.

Вуглекисле залізо, FeCO 3 зустрічається в природі у вигляді сидериту або залізного шпату; одержуване осадженням водних розчинів закисних солей заліза карбонатами вуглекисле залізо легко втрачає 2 і окислюється на повітрі до Fe 2 Про 3 .

Бікарбонат заліза, H 2 Fe(CО 3) 2 розчинний у воді і зустрічається в природі в залізистих джерелах, з яких, окислюючись, виділяється на поверхні землі у вигляді гідрату окису заліза, Fe(OH) 3 , що переходить у бурий залізняк.

Фосфорнокисле залізо, Fе 3 (РО 4) 2 · 8Н 2 O, білий осад; зустрічається в природі злегка забарвлений, внаслідок окислення заліза, у блакитний колір, у вигляді вівіаніту.

Солі окисного заліза . Хлорне залізо FeCl 3 (Fe 2 Cl 6), виходить при дії надлишку хлору на залізо у вигляді гексагональних червоних табличок; хлорне залізо повітря розпливається; з води кристалізується як FeCl 3 ·6Н 2 Про (жовті кристали); розчини мають кислу реакцію; при діалізі поступово гідролізується майже остаточно з утворенням колоїдного розчину гідрату Fe(OH) 3 . FeCl 3 розчиняється в спирті і суміші спирту з ефіром, при нагріванні FeCl 3 ·6H 2 Про розкладається на НСl і Fe 2 O 3 ; застосовується як протрава і як кровоспинний засіб (Liquor ferri sesquichlorati).

Сірчанокисле окисне залізо, Fe 2 (SO 4) 3 в безводному стані має жовтуватий колір, в розчині сильно гідролізується; під час нагрівання розчину випадають основні солі; залізні галун, MFe(SO 4) 2 ·12H 2 O, М - одновалентний лужний метал; найкраще кристалізуються амонійні галун, NH 4 Fe(SО 4) 2 ·12Н 2 Про.

Окисел FeО 3 - ангідрид залізної кислоти, так само як і гідрат цього оксиду H 2 FeО 4 - залізна кислота- у вільному стані не м. б. отримані через їхню крайню неміцність; але в лужних розчинах можуть існувати солі залізної кислоти, ферати (наприклад, K 2 FeО 4), що утворюються при розжарюванні залізного порошку з селітрою або КСlO 3 . Відома також малорозчинна барієва сіль залізної кислоти BaFeО 4 ; т. о., залізна кислота в деяких відносинах дуже нагадує сірчану та хромову кислоти. У 1926 р. київським хіміком Горалевичем описані сполуки оксиду восьмивалентного заліза. надзалізного ангідриду FeО 4 отримані при сплавленні Fe 2 Про 3 з селітрою або бертолетової сіллю у вигляді калієвої солі надзалізної кислоти K 2 FeО 5 ; FeО 4 - газоподібна речовина, що не утворює з водою надзалізної кислоти H 2 FeО 5 яка, однак, м. б. виділено у вільному стані розкладанням кислотами солі K 2 FeО 5 . Барієва сіль BaFeO 5 ·7Н 2 Про, а також кальцієва і стронцієва солі отримані Горалевичем у вигляді білих кристалів, що не розкладаються, що виділяють лише при 250-300°С воду і при цьому зеленіють.

Залізо дає сполуки: з азотом - азотисте залізо(нітрид) Fe 2 N при нагріванні порошку заліза в струмені NH 3 з вуглецем - карбід Fe 3 C при насиченні в електричній печі заліза вугіллям. Крім того, вивчений цілий ряд сполук заліза з окисом вуглецю. карбоніли заліза, наприклад, пентакарбоніл Fe(CO) 5 - злегка пофарбована рідина близько 102,9°С (при 749 мм, питома вага 1,4937), потім помаранчеве тверде тіло Fe 2 (CO) 9 , нерозчинне в ефірі і хлороформі, з питомою вагою 2,085.

Велике значення мають ціаністі сполуки заліза. Крім простих ціанідів Fe(CN) 2 і Fe(CN) 3 , залізо утворює цілу низку комплексних сполук з ціаністими солями, як, наприклад, солі залізистосинеродистої кислоти H 4 Fe(CN) 6 і солі залізосинеродистої кислоти H 3 Fe(CN) 6 , наприклад, червона кров'яна сіль, які, у свою чергу вступають у реакції обмінного розкладання з солями закисного та окисного заліза, утворюючи забарвлені в синій колір сполуки - берлінську блакитну і турнбулову синь. При заміні в солях залізистосинеродистої кислоти H 4 Fe(CN) 6 однієї групи CN на одновалентні групи (NO, NО 2 , NH 3 , SО 3 , СО) утворюються пруссо-солі, наприклад, нітропрусид натрію (нітрожелезистосинеродистий натрій) Na 2 ·2 2 О, одержуваний дією димної HNО 3 на K 4 Fe(CN) 6 з наступною нейтралізацією содою, у вигляді рубіново-червоних кристалів, що відокремлюються кристалізацією від утворюється одночасно селітри; відповідна нітрожелезистосинеродиста кислота H 2 кристалізується також у вигляді темно-червоних кристалів. Нітропрусид натрію застосовується як чутливий реактив на сірководень і сірчисті метали, з якими він дає криваво-червоне, що переходить потім у синє, фарбування. При дії мідного купоросу на нітропрусид натрію утворюється блідо-зелений нерозчинний у воді та в спирті осад, що застосовується для випробування ефірних олій.

Аналітично залізо виявляється дією з його солі, в лужному розчині, жовтої кров'яної солі. Солі тривалентного заліза утворюють у своїй синій осад берлінської блакиті. Солі двовалентного заліза утворюють синій осад турнбулла сині при дії на них червоної кров'яної солі. З роданистим амонієм NH 4 CNS солі тривалентного заліза утворюють розчинне у воді з криваво-червоним фарбуванням роданове залізо Fe(CNS) 3 ; з танніном солі окисного заліза утворюють чорнило. Інтенсивним забарвленням відрізняються також і мідні солі залізистосинеродистої кислоти, які знаходять собі застосування (увахромовий метод) у кольоровій фотографії. Зі сполук заліза, що застосовуються в медицині, крім згаданих галоїдних сполук заліза, мають значення: металеве залізо (F. hydrogenio reductum), лимоннокисле залізо (F. Citricum - 20% Fe), екстракт яблучнокислого заліза (Extractum ferri pomatum), залізний альбумінат Liquor ferri albuminatum), фератин - білкова сполука з 6% заліза; ферратоза – розчин ферратину, карніферрин – з'єднання заліза з нуклеїном (30% Fe); ферратоген з нуклеїну дріжджів (1% Fe), гематоген - 70%-ний розчин гемоглобіну в гліцерині, гемол - гемоглобін, відновлений цинковим пилом.

Фізичні властивості заліза

Існуючі літературі числові дані, що характеризують різні фізичні властивості заліза, коливаються внаслідок проблеми отримання заліза в хімічно чистому стані. Тому найдостовірнішими є дані, отримані для електролітичного заліза, в якому загальний вміст домішок (С, Si, Mn, S, Р) не перевищує 0,01-0,03%. Нижче наведені дані в більшості випадків і відносяться до такого заліза. Для нього температура плавлення дорівнює 1528 ± 3°С (Руер і Клеспер, 1914), a температура кипіння ≈ 2450°С. У твердому стані залізо існує у чотирьох різних модифікаціях - α, β, γ і δ, для яких досить точно встановлені такі температурні межі:

Перехід заліза з однієї модифікації в іншу виявляється на кривих охолодження та нагрівання критичними точками, для яких прийняті такі позначення:

Зазначені критичні точки представлені на фіг. 1 схематичними кривими нагрівання та охолодження. Існування модифікацій δ-, γ- і α-Fe вважається в даний час безперечним, самостійне існування β-Fe оспорюється внаслідок недостатньо різкої відмінності його властивостей від властивостей α-Fe. Всі модифікації заліза кристалізуються у формі куба, причому α, β і δ мають просторові ґрати центрованого куба, а γ-Fe - куба із центрованими гранями. Найбільш виразні кристалографічні характеристики модифікацій заліза отримані на спектрах рентгенівських, як це представлено на фіг. 2 (Вестгрін, 1929 р.). З наведених рентгенограм випливає, що для α-, β- і δ-Fe лінії рентгенівського спектру одні й ті самі; вони відповідають гратам центрованого куба з параметрами 2,87, 2,90 і 2,93 ?, а для γ-Fe спектр відповідає гратам куба з центрованими гранями і параметрами 3,63-3,68 А.

Питома вага заліза коливається не більше від 7,855 до 7,864 (Крос і Гілль, 1927 р.). При нагріванні питома вага заліза падає внаслідок теплового розширення, котрого коефіцієнти збільшуються з температурою, як свідчать дані табл. 1 (Дрізен, 1914 р.).

Зниження коефіцієнтів розширення в інтервалах 20-800°З, 20-900°З, 700-800°З 800- 900°З пояснюється аномаліями в розширенні при переході через критичні точки А С2 і А С3 . Цей перехід супроводжується стисненням, особливо різко вираженим у точці А С3 як показують криві стиснення і розширення на фіг. 3. Плавлення заліза супроводжується розширенням його на 4,4% (Гонда та Енда, 1926). Теплоємність заліза є досить значною порівняно з іншими металами і виражається для різних температурних інтервалів величинами від 0,11 до 0,20 Сal, як показують дані табл. 2 (Обергоффер і Гроссе, 1927) і побудована на підставі їх крива (фіг. 4).

У наведених даних перетворення А 2 А 3 А 4 і плавлення заліза виявляються настільки чітко, що для них легко обчислюються теплові ефекти: А 3 ... + 6,765 Сal, А 4 ... + 2,531 Сal, плавлення заліза... - 64,38 Сal (за С. Уміно, 1926, - 69,20 Сal).

Залізо характеризується приблизно у 6-7 разів меншою теплопровідністю, ніж срібло, та у 2 рази меншою, ніж алюміній; а саме, теплопровідність заліза дорівнює при 0°С - 0,2070, при 100°С - 0,1567, при 200°С - 0,1357 і при 275°С - 0,1120 Cal/см·сек·°С. Найбільш характерними властивостями заліза є магнітні, що виражаються цілим рядом магнітних констант, одержуваних за повного циклу намагнічування заліза. Ці константи для електролітичного заліза виражаються такими значеннями в Гаус (Гумліх, 1909 і 1918 рр.):

При переході через точку А с2 феромагнітні властивості заліза майже зникають і м. б. виявлені лише за дуже точних магнітних вимірах. Практично β-, γ- та δ-модифікації вважаються немагнітними. Електропровідність для заліза при 20°С дорівнює R -1 мом/мм 2 (де R - електричний опір заліза, що дорівнює 0,099 Ω мм 2 /м). Температурний коефіцієнт електроопору а0-100 ° х10 5 коливається в межах від 560 до 660 де

Холодна обробка (прокатка, кування, протяжка, штампування) дуже помітно відбивається на фізичних властивостях заліза. Так, %-ное зміна їх за холодної прокатці виражається такими цифрами (Геренс, 1911 р.): коэрцитивное напруга +323%, магнітний гістерезис +222%, електроопір + 2%, питома вага - 1%, магнітна проникність - 65%. Остання обставина робить зрозумілими ті значні коливання фізичних властивостей, які спостерігаються у різних дослідників: вплив домішок нерідко приєднується ще й вплив холодної механічної обробки.

Про механічні властивості чистого заліза відомо дуже мало. Електролітичне залізо, сплавлене в порожнечі, виявило: тимчасовий опір на розрив 25 кг/мм 2 подовження - 60%, стиснення поперечного перерізу - 85%, твердість по Брінеллю - від 60 до 70.

Структура заліза залежить від вмісту в ньому домішок (хоча б і в незначних кількостях) та попередньої обробки матеріалу. Мікроструктура заліза, як і інших чистих металів, складається з більш менш великих зерен (кристалітів), що носять тут назву фериту

Розміри та різкість їх обрисів залежать гол. обр. від швидкості охолодження заліза: що остання менше, то більше вписувалося розвинені зерна і тим різкіше їх контури. З поверхні зерна бувають пофарбовані найчастіше неоднаково внаслідок неоднакової кристалографії, орієнтування їх і неоднакової травлячої дії реактивів за різними напрямками в кристалі. Нерідко зерна бувають витягнуті в одному напрямку внаслідок механічної обробки. Якщо обробка відбувалася при невисоких температурах, то поверхні зерен з'являються лінії зрушень (лінії Неймана), як наслідок ковзання окремих частин кристаллітів по площинах їх спайности. Ці лінії є одним з ознак наклепу та тих змін у властивостях, про які було згадано вище.

Залізо у металургії

Термін залізо в сучасній металургії присвоюється лише зварювальному залізу, тобто маловуглецевому продукту, що отримується в тістоподібному стані при температурі, недостатній для плавлення заліза, але високої настільки, що окремі частинки його добре зварюються один з одним, даючи після проковування однорідний м'який продукт , не приймаючи загартування. Залізо (у зазначеному значенні слова) виходить: 1) безпосередньо з руди у тістоподібному стані сиродутним процесом; 2) таким же способом, але при нижчій температурі, недостатній для зварювання частинок заліза; 3) переділом чавуну кричним процесом; 4) переділом чавуну пудлінгуванням.

1) Сиродутний процес у наст. час застосовується лише малокультурними народами й у таких місцевостях, куди може (за відсутністю зручних шляхів сполучення) проникнути американське чи європейське залізо, одержуване сучасними способами. Процес ведеться у відкритих сиродутних горнах та печах. Вогкими матеріалами для нього служать залізна руда (звичайно бурий залізняк) та деревне вугілля. Вугілля засипається в горн у тій половині його, куди підводиться дуття, руда ж - купою, з протилежного боку. Окис вуглецю, що утворюється в товстому шарі вугілля, що горить, проходить через всю товщу руди і, маючи високу температуру, відновлює залізо. Відновлення руди відбувається поступово - з поверхні окремих шматків до серцевини. Починаючись з верхніх частин купи, воно прискорюється в міру просування руди в область вищої температури; окис заліза при цьому переходить спочатку в магнітний окис, потім у закис, і, нарешті, на поверхні шматків руди з'являється металеве залізо. У той же час землісті домішки руди (порожня порода) з'єднуються з ще не відновленим закисом заліза і утворюють легкоплавкий залізистий шлак, який витоплюється через щілини металевої оболонки, що утворює шкаралупу в кожному шматку руди. Будучи нагрітими до білокалільного жару, ці шкаралупки зварюються один з одним, утворюючи на дні горна губчасту масу заліза - крицю, пройняту шлаком. Для відокремлення від останнього вийняту з горна крицю розрубують на кілька частин, з яких кожну проковують, підварюючи, після охолодження в тому ж горні смуги або прямо в вироби (речі домашнього вжитку, зброя). В Індії сиродутний процес ведеться і тепер у сиродутних печах, які відрізняються від горнів лише дещо більшою висотою – близько 1,5 м. Стіни печей робляться з глиняної маси (не цегли) і служать лише одну плавку. Дуття подається в піч через одну фурму хутром, що рухається ногами або руками. У порожню піч завантажується деяка кількість деревного вугілля («холостий колоша»), а потім поперемінно, окремими шарами, руда і вугілля, причому кількість першої поступово збільшується до тих пір, поки не дійде до певного досвідом ставлення до вугілля; вага всієї засипаної руди визначається бажаною вагою криці, яка, взагалі кажучи, незначна. Процес відновлення йде так само, як і в горні; залізо теж повністю не відновлюється, і криця, що виходить на ліжі, містить у собі багато залозистого шлаку. Крицю виймають розламанням печі і розрубують на частини, в 2-3 кг вагою. Кожну з них нагрівають у ковальському горні та обробляють під молотом; в результаті виходить чудове м'яке залізо, що служить, між іншим, матеріалом для виготовлення індійської сталі «вуц» (булат). Склад його наступний (у%):

Незначний вміст елементів - домішок заліза - або їх відсутність пояснюється чистотою руди, неповнотою відновлення заліза і низькою температурою в печі. Витрата деревного вугілля завдяки малим розмірам горнів і печей та періодичності їхньої дії дуже великий. У Фінляндії, Швеції та на Уралі залізо виплавляли у сиродутній печі Хусгавеля, в якій можна було регулювати перебіг процесу відновлення та насичення заліза вуглецем; витрата вугілля у ній - до 1,1 на одиницю заліза, вихід якого сягав 90% вмісту їх у руді.

2) У майбутньому слід очікувати розвитку виробництва заліза безпосередньо з руди не застосуванням сиродутного процесу, а відновленням заліза за нормальної температури, недостатньої освіти шлаку і навіть спікання порожньої породи руди (1000°С). Переваги такого процесу – можливість застосування низькосортних видів палива, усунення флюсу та витрати тепла на плавлення шлаку.

3) Отримання зварювального заліза переділом чавуну кричним процесом ведеться в кричних горнах гол. обр. у Швеції (у нас – на Уралі). Для переділу виплавляють спеціальний чавун, т.з. ланкаширський, що дає найменший чад. У його складі: 0,3-0,45% Si, 0,5-0,6% Mn, 0,02 Р,<0,01% S. Такой чугун в изломе кажется белым или половинчатым. Горючим в кричных горнах может служить только древесный уголь.

Процес ведеться слід. обр.: горн, звільнений від крици, але з стиглим шлаком кінця процесу, що залишився на донній дошці, наповнюється вугіллям, гол. обр. сосновим, на який укладається підігрітий продуктами горіння чавун у кількості 165-175 кг (на 3/8 м 2 поперечного перерізу горна припадає 100 кг чавуну). Поворотом клапана в повітропроводі дуття прямує через труби, розташовані в підсвідовому просторі горна, і нагрівається тут до температури 150-200°С, прискорюючи т. о. плавлення чавуну. Чавун, що плаває, весь час підтримується (за допомогою ломів) на вугіллі вище фурм. При такій роботі вся маса чавуну піддається окислювальної дії кисню повітря та вуглекислоти, проходячи зону горіння у вигляді крапель. Велика поверхня їх сприяє швидкому окисленню заліза та його домішок – кремнію, марганцю та вуглецю. Зважаючи на вміст цих домішок, чавун більшою чи меншою мірою втрачає їх, перш ніж збереться на дні горна. Т. до. в шведському горні переробляється малокремнистий і маломарганцевий чавун, то, проходячи обрій фурм, він втрачає весь свій Si і Мn (окисли яких з закисом заліза утворюють основний шлак) і значну частину вуглецю. Плавлення чавуну триває 20-25 хв. Після закінчення цього процесу пускають у горн холодне дуття. Осілий на дно горна метал починає реагувати з стиглими шлаками, що містяться там же, що містять у собі великий надлишок (у порівнянні з кількістю кремнезему) оксидів заліза - Fe 3 Про 4 і FeO, що окислюють вуглець з виділенням окису вуглецю, що призводить в кипіння весь метал. Коли метал загусне (від втрати вуглецю) і «сяде товаром», останній піднімають ломами вище за фурми, пускають знову гаряче дуття і плавлять «товар».

Під час вторинного плавлення метал окислюється киснем як дуття, і шлаків, які з нього витоплюються. На дно горна після першого підйому падає метал досить м'який для того, щоб з окремих найбільш стиглих частин його збирати крицю. Але перш, при вживанні крем'янистих сортів чавуну, доводилося вдаватися до другого і навіть третього підйому товару, що, звичайно, зменшувало продуктивність горна, збільшувало витрату пального та чад заліза. На результати роботи впливали відстань фурм від донної дошки (глибина горна) і нахил фурм: чим крутіше поставлена ​​фурма і менше глибина горна, тим значніша дія окислювальної атмосфери на метал. Більш пологий нахил фурм, як і більша глибина горна, зменшує безпосередню дію кисню дуття, надаючи, тобто, велику роль дії шлаку на домішки заліза; окислення ними йде повільніше, зате без чаду заліза. За будь-яких даних умов найвигідніше становище фурм щодо донної дошки визначається досвідом; у сучасному шведському горні око фурми встановлюється з відривом 220 мм від донної дошки, а нахил фурм змінюється у межах - від 11 до 12°.

Виходить на дні горна криця містить у собі, на відміну від сиродутного, дуже мало механічно захопленого шлаку; що стосується хімічних домішок заліза, то Si, Мn і З м. б. повністю видалені (вказаний аналізами нікчемний вміст Si і Мn входить до складу механічної домішки - шлаку), а сірка - лише частково, окислюючись дмухом під час плавлення. У цей час окислюється і фосфор, йдучи в шлак як фосфорножелезной солі, але остання потім відновлюється вуглецем, і кінцевий метал може містити навіть відносно більше фосфору (від чаду заліза), ніж вихідний чавун. Ось чому для отримання першокласного металу для експорту у Швеції беруть у переділ виключно чистий щодо Р чавун. Вийняту з горна готову крицю розрубують на три частини (кожна 50-55 кг) і обжимають їх під молотом, надаючи вигляду паралелепіпеда.

Тривалість процесу переділу в шведському кричному горні – від 65 до 80 хв.; на добу виходить від 2,5 до 3,5 тонн обтиснутих шматків «на вогонь», при витраті деревного вугілля всього 0,32-0,40 на одиницю готового матеріалу і виході від 89 до 93,5% заданого в переділ чавуну. Останнім часом у Швеції були зроблені вдалі досліди переділу рідкого чавуну, взятого від доменних печей, та прискорення процесу кипіння перемішуванням металу за допомогою механічних граблів; при цьому чад знизився до 7%, а витрата вугілля - до 0,25.

Про хімічний склад шведського та південно-уральського заліза дають поняття такі дані (в %):

З усіх родів заліза, одержуваних промисловими способами, шведське кричне найбільше наближається до хімічно чистого і замість останнього застосовується в лабораторній практиці та дослідницьких роботах. Від сиродутного заліза воно відрізняється своєю однорідністю, як від м'якого мартеновского металу (литого заліза) відсутністю марганцю; йому властива вищий ступінь зварюваності, тягучості та ковкості. Шведське кричне залізо виявляє незначний тимчасовий опір на розрив - всього близько 30 кг/мм 2 при подовженні в 40% і зменшенні поперечного перерізу в 75%. Нині річна продуктивність кричного заліза Швеції впала до 50000 т, оскільки після війни 1914-18 гг. область промислових застосувань при цьому заліза сильно скоротилася. Найбільша кількість його йде на виготовлення (в Англії гол. зр. та в Німеччині) вищих сортів інструментальної та спеціальної сталей; у самій Швеції з нього роблять спеціальний дріт («квітковий»), підковні цвяхи, що добре куються в холодному стані, ланцюги та смугову заготовку для зварних труб. Для останніх двох цілей особливо важливими є властивості кричного заліза: надійна зварюваність, а для труб, крім того, вища стійкість проти іржавіння.

4) Розвиток виробництва заліза кричним процесом тягло у себе винищення лісів; після того як останні в різних країнах були взяті під захист закону, що обмежив їх вирубування річним приростом, Швеція, а потім і Росія - лісисті країни, що рясніють рудами високої якості, - стали головними постачальниками заліза на міжнародному ринку протягом всього 18 ст. У 1784 р. англієць Корт винайшов пудлінгування - процес переділу чавуну на поду вогненної печі, в топці якої спалювалося кам'яне вугілля. Після смерті Корта Роджерс і Голл ввели істотні поліпшення в конструкцію пудлінгової печі, що сприяло швидкому поширенню пудлінгування у всіх промислових країнах і змінило характер і розміри виробництва в них заліза протягом першої половини 19 століття. Цим процесом отримали масу металу, яка знадобилася для будівництва залізниць, залізниць, локомотивів, парових котлів і машин.

Паливом для пудлінгування служить довгопламенне кам'яне вугілля, але там, де його немає, доводилося вдаватися і до бурого вугілля, а в нас на Уралі - до дров. Соснові дрова дають довше полум'я, ніж кам'яне вугілля; воно добре гріє, але вміст вологи в дровах має перевищувати 12%. Згодом на Уралі було застосовано до пудлінгування регенеративну піч Сіменса. Нарешті, у США і в нас (у Волзькому та Камському басейнах) пудлінгові печі працювали на нафті, що розпорошується в робочий простір печі безпосередньо.

Для швидкості переділу та зменшення витрати палива бажано мати холодний пудлінговий чавун; при виплавці його на коксі, однак, у продукті виходить багато сірки (0,2 і навіть 0,3%), а при високому вмісті фосфору в руді – і фосфору. Для звичайних торгових сортів заліза такий чавун з низьким вмістом кремнію (менше 1%), під назвою переділового, виплавлявся насамперед у великій кількості. Деревнокутний чавун, який перероблявся на Уралі та в центральній Росії, не містив сірки і давав продукт, що йшов на виготовлення покрівельного заліза. В даний час пудлінгування служить для виробництва якісного металу за особливими специфікаціями, і тому в пудлінгові печі надходить не звичайний чавун передільний, а високоякісний, наприклад, марганцовий або «гематит» (малофосфористий), або, навпаки, сильнофосфористий для виробництва гайкового заліза. Нижче наведено вміст (в %) головних елементів у деяких сортах чавуну, що застосовуються для пудлінгування:

Пудлінгова піч після закінчення попередньої операції зазвичай має на поду нормальну кількість шлаку для роботи з наступним садом. При переробці кремністого чавуну шлаку залишається в печі багато, і його доводиться спускати; навпаки, білий чавун залишає під печі «сухим», і роботу доводиться починати закиданням на під потрібної кількості шлаку, який беруть з-під молота («стиглий», найбагатший на магнітний окис). На шлак закидається садок чавуну, підігрітий у чавунніку (250-300 кг у ординарних та 500-600 кг у подвійних печах); потім у топку закидають свіжу порцію пального, прочищають колосники, і печі встановлюється повна тяга. Протягом 25-35 хв. чавун плавиться, зазнаючи б. або м. значну зміну у своєму складі. Твердий чавун окислюється киснем полум'я, причому залізо, марганець і кремній дають подвійний силікат, що стікає під печі; чавун, що плавиться, оголює все нові і нові шари твердого чавуну, який теж окислюється і плавиться. В кінці періоду плавлення на поду виходять два рідких шари - чавуну і шлаку, на поверхні зіткнення яких відбувається, хоча і в слабкій мірі, процес окислення вуглецю магнітним окисом заліза, про що свідчать бульбашки окису вуглецю, що виділяються з ванни. Дивлячись за вмістом кремнію і марганцю в чавуні, в розплавленому металі їх залишається неоднакова кількість: в малокремнистому деревокутовому чавуні або білому - коксової плавки - кремній здебільшого вигоряє при плавленні повністю; іноді ж залишається кілька його у металі (0,3-0,25%), як і марганцю. Фосфор теж окислюється тим часом, переходячи у фосфорножелезную сіль. Від зменшення ваги металу при вигоранні названих домішок %-ное вміст вуглецю може навіть зрости, хоча кілька його безсумнівно спалюється киснем полум'я і шлаків, що покривають перші порції розплавленого металу.

Для прискорення вигоряння кількостей кремнію, марганцю і вуглецю вдаються до пудлінгування, тобто перемішування чавуну зі шлаком за допомогою ключки з загнутим під прямим кутом кінцем. Якщо метал рідкий (сірий чавун, сильно вуглецевий), то перемішування не досягає мети, і ванну попередньо роблять густою закиданням в неї холодного стиглого шлаку або зменшенням тяги встановлюють в печі неповне горіння, що супроводжується отриманням полум'я, що сильно копить (томлення). Через кілька хвилин, протягом яких проводять безперервне перемішування, на поверхні ванни з'являються рясні бульбашки окису вуглецю, що горить, - продукту окислення вуглецю чавуну киснем магнітного окису, розчиненого в основному залізистому шлаку. У міру ходу процесу окислення З посилюється і переходить у бурхливе «кипіння» всієї маси металу, яке супроводжується спучуванням її і таким значним збільшенням обсягу, що частина шлаку переливається через поріг робочих отворів. У міру вигоряння підвищується температура плавлення металу, і для того, щоб кипіння тривало, підвищують безперервно температуру в печі. Закінчене за низької температури кипіння дає сирий товар, т. е. високовуглецеву губчасту масу заліза, нездатну зварюватися; у гарячій печі «сідає» стиглий товар. Процес окислення домішок заліза в пудлінгової печі починається за рахунок кисню шлаку, що представляє сплав однокремнеземіка заліза (Fe 2 SiО 4) з магнітним окисом і закисом заліза змінного складу. В англійських печах склад суміші оксидів виражається формулою 5Fe 3 Про 4 ·5 FeО; після закінчення кипіння відношення оксидів у виснаженому шлаку виражається формулою Fe 3 Про 4 ·5FeО, тобто в процесі окислення бере участь 80% всього магнітного окису шлаку. Реакції окиснення м. б. представлені наступними термохімічними рівняннями:

Як видно з цих рівнянь, окислення Si, Р і Мn супроводжується виділенням тепла і, отже, нагріває ванну, тоді як окислення З при відновленні Fe 3 Про 4 FeO поглинає тепло і тому вимагає високої температури. Цим пояснюється порядок видалення домішок заліза і те, що вигоряння вуглецю закінчується швидше гарячої печі. Відновлення Fe 3 Про 4 до металу не відбувається, тому що для цього потрібно більш висока температура, ніж та, при якій йде кипіння.

Сів «товар», щоб стати залізом, що добре зварюється, потребує ще пропарювання: товар залишають на кілька хвилин у печі і час від часу перевертають ломами, причому нижні його частини кладуть нагору; під сукупною дією кисню полум'я та шлаків, що просочують всю масу заліза, вуглець у цей час продовжує вигоряти. Як тільки вийде деяка кількість металу, що добре зварюється, з нього, уникаючи зайвого окислення, починають накочувати криці. Усього накочують у міру встигання товару від 5 до 10 криць (не більше 50 кг кожна); криці витримують (пропарюють) біля порогу в області вищої температури і подають під молот для обтиснення, чим досягається виділення шлаку, і надання їм форми шматка (перетин від 10x10 до 15x15 см), зручної для прокатки у валках. На місце виданих криць переміщуються пересуванням вперед, що йдуть за ними, до останньої. Тривалість процесу при виробництві металу вищої якості (волокнисте залізо) із стиглого (високовуглецевого) деревокутового чавуну була на Уралі така: 1) посадка чавуну – 5 хв., 2) плавлення – 35 хв., 3) томлення – 25 хв., 4) пудлінгування (перемішування) – 20 хв.; 5) пропарювання товару – 20 хв.; 6) накатка та пропарювання криць – 40 хв.; всього – 165 хв. Працюючи на білому чавуні, на звичайне торгове залізо, тривалість процесу скорочувалася (у 3ападній Європі) до 100 і навіть 75 хв.

Що стосується результатів роботи, то в різних металургійних районах вони змінювалися залежно від роду палива, якості чавуну та сорту заліза, що виробляється. Уральські печі, що працювали на дровах, давали вихід придатного заліза на 1 м 3 дров від 0,25 до 0,3 т; витрата нафти в нас на одиницю заліза – 0,3З, кам'яного вугілля у європейських печах – від 0,75 до 1,1. Добова продуктивність великих печей (садка чавуну 600 кг) при роботі на сушених дровах була 4-5 т; вихід матеріалу, придатного для виробництва покрівельного заліза, становив 95-93% кількості чавуну, що надійшов у переділ. У Європі добова продуктивність звичайних печей (садка 250-300 кг) – близько 3,5 т при чаді у 9%, а для високоякісного заліза – 2,5 т при чаді у 11%.

За хімічним складом і фізичними властивостями пудлінгове залізо є набагато гіршим продуктом, ніж кричне, з одного боку, і мартенівське лите - з іншого. Звичайні сорти заліза, що виготовлялися раніше в 3ападній Європі, містили багато сірки і фосфору, тому що вироблялися з нечистих коксових чавунів, а обидві ці шкідливі домішки тільки частиною переходять в шлак; кількість шлаку в пудлінговому залозі - 3-6%, у якісному металі вона вбирається у 2%. Наявність шлаку сильно знижує результати механічних випробувань пудлінгового заліза. Нижче наведено деякі дані у %, що характеризують пудлінгове залізо - звичайне зап.-європейське і гарне уральське:

Цінною властивістю, заради якої і підтримується тепер виробництво пудлінгового заліза, є його чудова зварюваність, що іноді має особливе значення з точки зору безпеки. Специфікаціями ж.-д. товариств наказується виготовлення з пудлінгового заліза зчіпних пристроїв, тяг для перекладних стрілок та болтів. Завдяки кращому опору дії води, що роз'їдає, пудлінгове залізо йде також для виробництва водопровідних труб. З нього виготовляють гайки (фосфористий крупнозернистий метал) і високоякісне волокнисте залізо для заклепок і ланцюгів.

Будова зварювального заліза, що виявляється під мікроскопом навіть за слабкого збільшення, характерна присутністю на фотографічному зображенні чорних і світлих складових; перші належать шлаку, а другі - зернам чи волокнам заліза, отриманим при витяжці металу.

Залізо торгове

Металургійні заводи виготовляють потреб промисловості залізо двох основних видів: 1) листове і 2) сортове.

Листове залізо прокочується нині до 3 м ширини; при товщині 1-3 мм воно називається у нас тонкокатальним; від 3 мм і вище (зазвичай до 40 мм) – котельним, резервуарним, корабельним, дивлячись за призначенням, якому відповідають склад та механічні властивості матеріалу. Найбільш м'яким є котельне залізо; воно містить зазвичай 0,10-0,12% З, 0,4-0,5% Mn, Р і S - кожного трохи більше 0,05%; тимчасовий опір його на розрив не б. більше 41 кг/мм 2 (але й менше 34 кг/мм 2), подовження при розриві - близько 28%. Резервуарне залізо виробляється більш твердим та міцним; воно містить 0,12-0,15%; 0,5-0,7% Мn і трохи більше 0,06% як Р, і S; опір розриву 41-49 кг/мм 2 подовження 25-28%. Довжина листів котельного і резервуарного заліза встановлюється замовленням за розмірами виробу, що склепується з листів (уникаючи зайвих швів і обрізків), але зазвичай вона не перевищує 8 м, оскільки обмежується для тонких листів їх швидким охолодженням під час процесу прокатки, а для охолодження. .

Листове залізо менше 1 мм товщини називається чорною жерстю; воно служить виготовлення білої жерсті як покрівельний матеріал. Для останньої мети у СРСР прокочують листи розмірами 1422x711 мм, вагою 4-5 кг, за товщини 0,5-0,625 мм. Покрівельне залізо випускається заводами в пачках вагою 82 кг. За кордоном чорна бляха класифікується в торгівлі за номерами спеціального калібру - від 20-го до 30-го (нормальна товщина німецької жерсті від 0,875 до 0,22 мм, а англійської - від 1,0 до 0,31 мм). Жесть виготовляється з найм'якшого литого заліза, що містить 0,08-0,10% С, 0,3-0,35% Мn, якщо воно виготовляється з чавуну деревокутової плавки (у нас), і 0,4-0,5% Мn, якщо вихідним матеріалом є коксовий чавун; опір розриву - від 31 до 34 кг/мм 2 подовження - 28-30%. Різновидом листового заліза є хвилясте (гофроване) залізо. Воно поділяється характером хвиль на залізо з низькими і високими хвилями; у першому - відношення ширини хвилі до глибини коливається від 3 до 4, у другому 1-2. Хвилясте залізо роблять товщиною 0,75-2,0 мм і шириною листів 0,72-0,81 м (з низькими хвилями) та 0,4-0,6 м (з високими хвилями). Хвилясте залізо використовується для покрівель, стін легких споруд, жалюзі, а з високими хвилями, крім того, йде для будівництва безстропильних перекриттів.

Сортове залізо ділиться формою поперечного перерізу на два класи: звичайне сортове залізо і фасонне.

До першого класу відноситься залізо кругле (при діаметрі менше 10 мм зване дротом), квадратне, плоске або смугове. Останнє, своєю чергою, ділиться на: власне полосовое - шириною від 10 до 200 мм і товщиною понад 5 мм; обручне - тієї ж ширини, але товщиною від 5 до 1 мм, що вказується № калібру (від 3-го до 19-го нормального німецького та від 6-го до 20-го нового англійського калібру); шинне - від 38 до 51 мм завширшки і до 22 мм завтовшки; універсальне - від 200 до 1000 мм завширшки і не менше 6 мм завтовшки (прокатується в спеціальних валках - універсальних). Як шинне, і обручне залізо випускається заводами скатами, катана дріт - мотками; інші сорти - у вигляді прямих (правлених) смуг, зазвичай не більше 8 м завдовжки (нормально - від 4,5 до 6 м), але за спеціальним замовленням для бетонних конструкцій смуги нарізаються до 18 мм завдовжки, а іноді й більше.

Найголовніші види фасонного заліза: кутове (рівнобоке та нерівнобоке), коробчасте (швелерне), таврове, двотаврове (балки), колонне (квадратне) та зетове залізо; існують також деякі інші менш поширені види фасонного заліза. За нормальним метричним сортиментом розміри фасонного заліза вказуються № профілю (№ - число див. ширини полиці або найбільшої висоти профілю). Кутове нерівнобоке та таврове залізо мають подвійний №; напр., № 16/8 означає кутове з полицями в 16 і 8 см або таврове з полицею в 16 см і висотою тавра 8 см. Найбільш важкі профілі фасонного заліза, що катається у нас: № 15 - кутового, № 30 - коритного, № 40 - Двотавровий.

Склад звичайного сортового заліза, що зварюється: 0,12% С, 0,4% Мn, менше 0,05% Р і S - кожного; опір його розриву 34-40 кг/мм 2; але кругле залізо для заклепок виготовляється з більш м'якого матеріалу складу: менше 0,10%, 0,25-0,35% Мn, близько 0,03% Р і S - кожного. Опір розриву 32-35 кг/мм 2 а подовження 28-32%. Фасонне залізо, що не зварюється, а склепується («будівельна сталь») містить: 0,15 - 0,20% С, 0,5% Мn, до 0,06% Р і S - кожного; його опір розриву 40-50 кг/мм 2 подовження 25-20%. Для виробництва гайок виготовляється залізо (томасівське), що містить близько 0,1%, але від 0,3 до 0,5% Р (чим більше гайки, тим більше Р). За кордоном задоволення потреб спеціальних прокатних заводів у торгівлі звертається напівпродукт - квадратна заготівля, зазвичай 50 x 50 мм у поперечному перерізі.

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.

Залізо(Лат. Ferrum), Fe, хімічний елемент VIII групи періодичної системи, атомний номер 26, атомна маса 55,847. Походження як латинського, і російського назв елемента однозначно встановлено. Природне залізо є сумішшю чотирьох нуклідів з масовими числами 54 (вміст у природній суміші 5,82% за масою), 56 (91,66%), 57 (2,19%) і 58 (0,33%). Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів 3s 2 p 6 d 6 4s 2 . Зазвичай утворює сполуки у ступенях окиснення +3 (валентність III) та +2 (валентність II). Відомі також сполуки з атомами заліза в ступенях окиснення +4, +6 та деяких інших.

У періодичній системі Менделєєва залізо входить у групу VIIIВ. У четвертому періоді, до якого належить і залізо, до цієї групи входять, крім заліза, також кобальт (Co) і нікель (Ni). Ці три елементи утворюють тріаду і мають подібні властивості.

Радіус нейтрального атома заліза 0,126 нм, радіус іона Fe 2+ 0,080 нм, іона Fe 3+ 0,067 нм. Енергії послідовної іонізації атома заліза 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 еВ. Спорідненість до електрона 0,58 ев. За шкалою Полінга електронегативність заліза близько 1,8.

Залізо високої чистоти - це блискучий сріблясто-сірий, пластичний метал, що добре піддається різним способам механічної обробки.

Фізичні та хімічні властивості:при температурах від кімнатної і до 917°C, а також в інтервалі температур 1394-1535°C існує -Fe з об'ємно кубічною центрованою решіткою, при кімнатній температурі параметр решітки а= 0,286645 нм. При температурах 917-1394°C стійко -Fe з кубічними гранецентрованими гратами Т ( а= 0,36468 нм). При температурах від кімнатної до 769 ° C (так звана точка Кюрі) залізо має сильні магнітні властивості (воно, як кажуть, феромагнітно), при більш високих температурах залізо поводиться як парамагнетик. Іноді парамагнітне -Fe з об'ємно кубічною центрованою решіткою, стійке при температурах від 769 до 917°C, розглядають як модифікацію заліза, а -Fe, стійке при високих температурах (1394-1535°C), називають за традицією -Fe (уявлення про існування чотири модифікації заліза виникли тоді, коли ще не існував рентгеноструктурний аналіз і не було об'єктивної інформації про внутрішню будову заліза). Температура плавлення 1535 ° C, температура кипіння 2750 ° C, щільність 7,87 г/см 3 . Стандартний потенціал пари Fe 2+ /Fe 0 ?0,447В, пари Fe 3+ /Fe 2+ +0,771В.

При зберіганні повітря при температурі до 200°C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу та його руйнуванню. Іржа немає постійного хімічного складу, приблизно її хімічну формулу можна записати як Fe 2 Про 3 ·xН 2 Про.

З киснем (O) залізо реагує під час нагрівання. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe 2 Про 3 , при згорянні в чистому кисні оксид Fe 3 Про 4 . Якщо кисень чи повітря пропускати через розплавлене залізо, утворюється оксид FeО. При нагріванні порошку сірки (S) та заліза утворюється сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS.

Залізо при нагріванні реагує з галогенами. Оскільки FeF 3 нелеткий, залізо стійке до дії фтору (F) до температури 200-300°C. При хлоруванні заліза (при температурі близько 200°C) утворюється леткий FeСl 3 . Якщо взаємодія заліза та брому (Br) протікає при кімнатній температурі або при нагріванні та підвищеному тиску парів брому, утворюється FeBr 3 . При нагріванні FeСl 3 і особливо FeBr 3 відщеплюють галоген і перетворюються на галогеніди заліза (II). При взаємодії заліза та йоду (I) утворюється йодид Fe 3 I 8 .

При нагріванні залізо реагує з азотом (N), утворюючи нітрид заліза Fe 3 N, з фосфором (P), утворюючи фосфіди FeP, Fe 2 P і Fe 3 P, з вуглецем (C), утворюючи карбід Fe 3 C, з кремнієм ( Si) , утворюючи кілька силіцидів, наприклад FeSi.

При підвищеному тиску металеве залізо реагує з монооксидом вуглецю ЗІ, причому утворюється рідкий, за звичайних умов легко леткий пентакарбоніл заліза Fe(CO) 5 . Відомі також карбоніли заліза складів Fe 2 (CO) 9 і Fe 3 (CO) 12 . Карбоніли заліза служать вихідними речовинами при синтезі залізоорганічних сполук, у тому числі ферроцену складу.

Чисте металеве залізо стійке у воді та у розведених розчинах лугів. У концентрованій сірчаній та азотній кислотах залізо не розчиняється, тому що міцна оксидна плівка пасивує його поверхню.

З соляною та розведеною (приблизно 20%-ю) сірчаною кислотами залізо реагує з утворенням солей заліза (II):

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

При взаємодії заліза з приблизно 70% сірчаною кислотою реакція протікає з утворенням сульфату заліза (III):

2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O

Оксид заліза (II) FeО має основні властивості, йому відповідає основа Fe(ОН) 2 . Оксид заліза (III) Fe 2 O 3 слабко амфотерен, йому відповідає ще слабкіше, ніж Fe(ОН) 2 , основа Fe(ОН) 3 , яка реагує з кислотами:

2Fe(ОН) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

Гідроксид заліза (III) Fe(ОН) 3 виявляє слабко амфотерні властивості; він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:

Fe(ОН) 3 + КОН = К

Гідроксокомплекси заліза(III), що утворюються при цьому, стійкі в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому осад випадає гідроксид заліза (III) Fe(OH) 3 .

З'єднання заліза (III) у розчинах відновлюються металевим залізом:

Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2

При зберіганні водних розчинів солей заліза (II) спостерігається окислення заліза (II) до заліза (III):

4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2

З солей заліза (II) у водних розчинах стійка сіль Мора ¦ подвійний сульфат амонію та заліза (II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 О.

Залізо (III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO 4) 2 - залізокалієві галун, (NH 4) Fe (SO 4) 2 - залізоамонійні галун і т.д.

При дії газоподібного хлору (Cl) або озону на лужні розчини сполук заліза (III) утворюються сполуки заліза (VI) ферати, наприклад, феррат (VI) калію (K): K 2 FeO 4 . Є повідомлення про отримання під впливом сильних окислювачів сполук заліза (VIII).

Для виявлення в розчині сполук заліза (III) використовують якісну реакцію іонів Fe 3+ з тіоціанат-іонами CNS. При взаємодії іонів Fe 3+ з аніонами CNS утворюється яскраво-червоний роданід заліза Fe(CNS) 3 . Іншим реактивом на іони Fe 3+ служить гексаціаноферрат (II) калію (K) : K 4 (раніше цю речовину називали жовтою кров'яною сіллю). При взаємодії іонів Fe 3+ і 4 випадає яскраво-синій осад.

Реактивом на іони Fe 2+ в розчині може служити розчин гексаціаноферрат (III) калію (K) K 3 раніше називався червоною кров'яною сіллю. При взаємодії іонів Fe 3+ і 3 випадає яскраво-синій осад такого ж складу, як і у разі взаємодії іонів Fe 3+ і 4 .

Сплави заліза з вуглецем:залізо використовується головним чином у сплавах, насамперед у сплавах з вуглецем (C) різних чавунах і сталях. У чавуні вміст вуглецю вище 2,14% за масою (зазвичай на рівні 3,5-4%), у сталях вміст вуглецю нижчий (зазвичай на рівні 0.8-1%).

Чавун одержують у домнах. Домна являє собою гігантський (заввишки до 30-40 м) усічений конус, порожнистий усередині. Стінки домни зсередини викладені вогнетривкою цеглою, товщина кладки становить кілька метрів. Зверху в домну вагонетками завантажують збагачену (звільнену від порожньої породи) залізну руду, відновник кокс (кам'яне вугілля спеціальних сортів, підданий коксуванню ? нагрівання при температурі близько 1000 ° C без доступу повітря), а також плавильні матеріали (вапняк та інші) від виплавлюваного металу домішок шлаку. Знизу в домну подають дуття (чистий кисень (O) або повітря, збагачене киснем (O)). У міру того, як завантажені в домну матеріали опускаються, температура їх піднімається до 1200-1300°C. В результаті реакцій відновлення, що протікають головним чином за участю коксу С та СО:

Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

виникає металеве залізо, яке насичується вуглецем (C) та стікає вниз.

Цей розплав періодично випускають з домни через спеціальний отвір "клітинку" і дають розплаву застигнути в спеціальних формах. Чавун буває білий, так званий передільний (його використовують для отримання сталі) і сірий, або ливарний. Білий чавун - це твердий розчин вуглецю (C) в залозі. У мікроструктурі сірого чавуну можна розрізнити мікрокристалі графіту. Через наявність графіту сірий чавун залишає слід на білому папері.

Чавун тендітний, при ударі він колеться, тому з нього не можна виготовляти пружини, ресори, будь-які вироби, які повинні працювати на вигин.

Твердий чавун легший за розплавлений, так що при його затвердінні відбувається не стиск (як зазвичай при затвердінні металів і сплавів), а розширення. Ця особливість дозволяє виготовляти з чавуну різноманітні виливки, у тому числі використовувати його як матеріал для художнього лиття.

Якщо вміст вуглецю (C) у чавуні знизити до 1,0-1,5%, то утворюється сталь. Сталі бувають вуглецевими (у таких сталях немає інших компонентів, крім Fe і C) і легованими (такі стали містять добавки хрому (Cr) , нікелю (Ni) , молібдену (Mo) , кобальту (Co) та інших металів, що покращують механічні та інші властивості стали).

Сталі одержують, переробляючи чавун і металевий брухт у кисневому конвертері, в електродуговій чи мартенівській печах. При такій переробці знижується вміст вуглецю (C) у сплаві до необхідного рівня, як кажуть, надлишковий вуглець (C) вигоряє.

Фізичні властивості стали суттєво відрізняються від властивостей чавуну: сталь пружна, її можна кувати, прокочувати. Так як сталь, на відміну від чавуну, при твердінні стискається, то отримані сталеві виливки піддають обтиску на прокатних станах. Після прокатки в обсязі металу зникають порожнечі та раковини, що з'явилися при затвердінні розплавів.

Виробництво сталей має у Росії давні глибокі традиції, і отримані нашими металургами стали вирізняються високою якістю.

Історія отримання заліза:залізо грало і відіграє виняткову роль матеріальної історії людства. Перше металеве залізо, яке потрапило до рук людини, мало, ймовірно, метеоритне походження. Руди заліза поширені часто зустрічаються навіть лежить на Землі, але самородне залізо лежить на поверхні вкрай рідко. Ймовірно, ще кілька тисяч років тому людина зауважила, що після горіння багаття в деяких випадках спостерігається утворення заліза з тих шматків руди, які випадково опинилися в багатті. При горінні багаття відновлення заліза з руди відбувається за рахунок реакції руди як безпосередньо з вугіллям, так і з оксидом вуглецю (II) СО, що утворюється при горінні. Можливість отримання заліза з руд суттєво полегшило виявлення того факту, що при нагріванні руди з вугіллям виникає метал, який можна додатково очистити при куванні. Отримання заліза з руди за допомогою сиродутного процесу було винайдено у Західній Азії у 2-му тисячолітті до нашої ери. Період з 9 7 століття до нашої ери, коли у багатьох племен Європи та Азії розвинулася металургія заліза, отримав назву залізного віку, що прийшов на зміну бронзовому віці. Удосконалення способів дуття (природну тягу змінили хутра) та збільшення висоти горна (з'явилися низькошахтні печі – домниці) призвело до отримання чавуну, який стали широко виплавляти у Західній Європі з 14 століття. Отриманий чавун переробляли на сталь. З середини 18 століття у доменному процесі замість деревного вугілля почали використовувати кам'яно-вугільний кокс. Надалі способи отримання заліза з руд були значно вдосконалені, і в даний час для цього використовують спеціальні пристрої домни, кисневі конвертери, електродугові печі.

Знаходження у природі:в земній корі залізо поширене досить широко - на його частку припадає близько 4,1% маси земної кори (4-е місце серед усіх елементів, 2-е серед металів). Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоні залізняки (руда гематит, Fe 2 O 3 ; містить до 70% Fe), магнітні залізняки (руда магнетит, Fe 3 Про 4 ; містить 72,4% Fe), бурі залізняки (руда гідрогетит НFeO 2 · n H 2 O), а також шпатові залізняки (руда сидерит, карбонат заліза, FeСО 3 містить близько 48% Fe). У природі зустрічаються також великі родовища піриту FeS 2 (інші назви сірчаний колчедан, залізний колчедан, дисульфід заліза та інші), але руди з високим вмістом сірки поки практичного значення не мають. За запасами залізняку Росія посідає перше місце у світі. У морській воді 1 · 10 - 5 - 1 · 10 - 8 % заліза.

Застосування заліза, його сплавів та сполук:чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів як каталізатор хімічних процесів для деяких інших цілей. Але сплави заліза - чавун і сталь - складають основу сучасної техніки. Знаходять широке застосування і багато сполук заліза. Так, сульфат заліза (III) використовують при водопідготовці, оксиди і ціанід заліза є пігментами при виготовленні барвників і так далі.

Біологічна роль:залізо є в організмах всіх рослин і тварин як мікроелемент, тобто в дуже малих кількостях (в середньому близько 0,02%). Однак залізобактерії, що використовують енергію окислення заліза (II) у залізо (III) для хемосинтезу, можуть накопичувати у своїх клітинах до 17-20% заліза. Основна біологічна функція заліза - участь у транспорті кисню (O) та окислювальних процесах. Цю функцію заліза виконує у складі складних білків – гемопротеїдів, простетичною групою яких є залізопорфіриновий комплекс – гем. Серед найважливіших гемопротеїдів дихальні пігменти гемоглобін та міоглобін, універсальні переносники електронів у реакціях клітинного дихання, окислення та фотосинезу цитохроми, ферменти каталозу та пероксиду та інших. У деяких безхребетних залізовмісних дихальних пігментів гелоеритрин і хлорокруорин мають відмінну від гемоглобінів будову. При біосинтезі гемопротеїдів залізо переходить до них від білка феритину, що здійснює запас та транспортування заліза. Цей білок, одна молекула якого включає близько 4 500 атомів заліза, концентрується в печінці, селезінці, кістковому мозку та слизовій оболонці кишечника ссавців та людини. Добова потреба людини в залозі (6-20 мг) з надлишком покривається їжею (залізом багаті м'ясо, печінка, яйця, хліб, шпинат, буряк та інші). В організмі середньої людини (маса тіла 70 кг) міститься 4,2 г заліза, в 1 л крові близько 450 мг. При нестачі заліза в організмі розвивається залізиста анемія, яку лікують за допомогою препаратів, що містять залізо. Препарати заліза застосовують і як загальнозміцнюючі засоби. Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може чинити токсичну дію. Залізо також потрібне для нормального розвитку рослин, тому існують мікродобрива на основі препаратів заліза.