Железо – двадцать шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение – Fe от латинского «ferrum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 26.
Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.
К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe3O4, красный железняк Fe2O3, бурый железняк 2Fe2O3×3H2O и шпатовый железняк FeCO3.
Железо – серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты – от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.
Рис. 1. Железо. Внешний вид.
Атомная и молекулярная масса железа
Относительной молекулярная масса вещества (Mr) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (Ar) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.
В каких продуктах есть ЖЕЛЕЗО, и чем грозит его дефицит?
Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.
Аллотропия и аллотропные модификации железа
Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая – кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 o С и от 1394 o С до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5 o С. Между 912 o С и от 1394 o С устойчиво γ-железо.
Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912 o С и выше 1394 o С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394 o С – больше.
Изотопы железа
Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54 Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.
Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60 Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.
Ионы железа
Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:
Молекула и атом железа
В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:
Энергия ионизации атома, эВ
Источник: ru.solverbook.com
ЖЕЛЕЗО — металл № 1 в мире
Первым железом, который попал в руки человека, был металл метеоритного происхождения. Люди уже умели плавить металлы, и быстро оценили преимущества звездного металла. Потом железосодержащие минералы обнаружили на земле. Изделия из этого металла настолько изменили жизнь, что эпоху после Бронзового века назвали Железным веком.
История
История железа уходит в тысячелетия. Около 3500 лет назад, как писал А. Азимов,
«техника выплавки … железа была разработана в кавказских предгорьях».
Сверхчистое железо
Там находилось Хеттское царство. Воинственные хетты охраняли секрет выплавки пуще глаза, потому цена железа бывала выше цен на золото в десятки раз. Владеющие железным оружием почти автоматически выходили победителями в боях. А войны в основном шли за территории.
С изобретением сварного оружия пришел век чёрного металла.
В мирной жизни дел у железных орудий хватало: срубить избу, обтесать камень, вспахать поле.
Свойства
Железо (Ferrum, в формулах обозначается Fe) — химически активный элемент, относится к металлам. В таблице Менделеева имеет атомный № 26. Ferrum — черный металл.
Физические характеристики сильно зависят от чистоты металла.
Важно: нужно отличать вредные примеси от полезных. Так, фосфор и сера ухудшают характеристики железа. Углерод улучшает твердость и механическую прочность.
Железо имеет 4 модификации; их различие в структуре и кристаллической решетке.
| Железо / Ferrum (Fe), 26 |
| 55,845(2)[1] а. е. м. (г/моль) |
| [Ar] 3d6 4s2 |
| 126 пм |
| 117 пм |
| (+3e) 64 (+2e) 74 пм |
| 1,83 (шкала Полинга) |
| Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В |
| 6, 3, 2, 0 |
| 759,1 (7,87) кДж/моль ( эВ ) |
| 7,874 г/см³ |
| 1812 K (1538,85 °C) |
| 3134 K (2861 °C) |
| 247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль |
| ~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль |
| 25,14[2] Дж/(K·моль) |
| 7,1 см³/моль |
| кубическая объёмноцентрированная |
| 2,866 Å |
| 460 K |
| (300 K) 80,4 Вт/(м·К) |
| 7439-89-6 |
Рекомендуем: НИОБИЙ — мифы и реальность
Химические свойства железа:
- Степени окисления +2, +3.
- В присутствии влаги воздуха корродирует, причем слой ржавчины не мешает дальнейшему разрушению металла. Постоянной формулы ржавчина не имеет, общая ее формула Fe2O3·x H2O.
- Концентрированные растворы H2SO4 и HNO3 пассивируют поверхность железа, образуют оксидную пленку.
- При взаимодействии с неметаллами образуют нитриды, фосфиды, силициды, карбиды железа.
- Реагирует с металлами, восстанавливая их из растворов солей.
- Железная кислота в свободном виде не существует; ее соли — ферраты — обладают сильными окислительными свойствами. Эти свойства используют для обеззараживания воды.
Минералы
Железа в виде соединений и минералов на Земле много. Это второй по распространенности металл.
Железные руды делятся на 11 промышленных типов.
Железная руда
Гордимся: Россия имеет больше всех стран железных руд.
Получение металла
Есть несколько способов получения железа:
- 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.
- 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).
- Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.
Плюсы и минусы
Множество достоинств, но и недостатков не меньше.
| Достоинства | Недостатки |
| Легкая механическая обработка | Высокая плотность; изделия получаются тяжелыми |
| Твердость, упругость, прочность — лучшие свойства сплавов | Коррозия металла в присутствии влаги |
| Возможность получать заданные свойства сплавов при добавлении малого количества примесей | Склонность к электрохимическому корродированию |
Рекомендуем: ЛАТУНЬ — сплав из легендарной Атлантиды
Ковкость дает возможность производить декоративные изделия.
Сплавы
Ориентироваться в море сплавов железа (сталей, чугунов) помогает маркировка. Она поможет определить состав сплава, количество углерода и легирующие элементы, отличить их свойства.
Общую характеристику можно дать по химическому составу: это углеродистая и легированная стали.
Стали делят по применению:
| Вид и марки стали | Применение |
| Строительная Ст0-3 | Вторичные элементы конструкций, малоответственные делали (перила, настилы) |
| Строительная Ст3 | Можно использовать для несущих конструкций, но при плюсовых температурах |
| Конструкционная Ст20 | Малонагруженные детали |
| Легированная 10ХСНД | Используют в сварных конструкциях судо- и вагоностроения, химическом машиностроении |
| Легированная 18ХГТ | Выдерживает ударные нагрузки, высокое давление |
| Легированная 09Г2С | Для работы под давлением, при температурах от -70 до +450 градусов. |
Применение
Более 90% всего металлургического производства занимает железо и его сплавы.
Продукция из сталей и чугунов — незаменимая и бóльшая часть конструкционных материалов, а это здания, мосты, железные дороги и многое другое.
Применение соединений железа:
- двух- и трехвалентное железо используют в качестве коагулянта в системах водоочистки;
- аноды в железо-никелевых и железо-воздушных аккумуляторах изготовлены из самого известного черного металла;
- магнетит в виде ультрадисперсного порошка применяют в черно-белых лазерных принтерах;
- FeCl3 применяют радиолюбители (травят печатные платы);
- магнетит незаменим в изготовлении носителей памяти (жесткие диски).
Сферы применения железа
Для большинства организмов без железа нет жизни; при его помощи кислород доставляется к каждой клетке организма. Недостаток железа влечет за собой хлорозы у растений и железодефицитные анемии у животных.
Познавательно: убеждение, что яблоко на разрезе темнеет от входящего в них железа — миф.
Купить — в листах и порошке
Цена листового железа 26900 руб/тонну; порошок ПЖР от 85 рублей за килограмм.
Похожие публикации
Рекомендуем: ХРОМ — блеск и защита
Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!
Источник: themineral.ru
1. Железо: строение атома, получение, физические и химические свойства
Железо — химический элемент (№) (26), расположенный в побочной подгруппе (VIII) группы, в четвёртом периоде.
Это (d)-элемент. В его атоме на (d)-орбиталях третьего электронного слоя находится (6) электронов, а на (s)-орбитали четвёртого слоя — (2) электрона: 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 6 4 s 2 .
Электронно-графическая схема атома железа выглядит следующим образом:
В образовании химических связей участвуют электроны внешнего и предвнешнего уровней, поэтому у железа переменные степени окисления. Наиболее устойчивы соединения со степенями окисления (+2), (+3).
Нахождение в природе и получение
По содержанию в природе железо занимает второе место среди всех металлов (после алюминия) и первое — среди металлов (B)-групп. Важнейшие железные руды: красный железняк (гематит) Fe 2 O 3 , магнитный железняк (магнетит) Fe 3 O 4 , бурый железняк (лимонит) Fe 2 O 3 ⋅ H 2 O , железный колчедан (пирит) FeS 2 .
Рис. (1). Гематит
Рис. (2). Магнетит
Рис. (3). Лимонит
Рис. (4).
Пирит
Для получения железа используют пирометаллургию, его восстанавливают коксом и угарным газом:
Fe 2 O 3 + 3 CO = t 2 Fe + 3 CO 2 .
Из железной руды в доменных печах получают чугун, который затем перерабатывают в сталь.
Рис. (5). Чугун
Рис. (6). Сталь
В качестве восстановителя также используется водород:
Fe 2 O 3 + 3 H 2 = t 2 Fe + 3 H 2 O .
Физические свойства железа
Чистое железо — пластичный серебристо-серый металл, обладающий магнитными свойствами. Железо относится к тяжёлым тугоплавким металлам; его плотность составляет (7,874) г/см³, а температура плавления — (1539 °C).
Химические свойства
В ряду активности железо располагается до водорода, относится к металлам средней активности. Во влажном воздухе оно реагирует с кислородом и водой и постепенно покрывается ржавчиной:
Fe + O 2 + H 2 O → Fe 2 O 3 ⋅ n H 2 O .
Железо вступает в реакции с неметаллами.
Реагенты
Характеристика реакций
Уравнения реакций
2 Fe + 3 Cl 2 = t 2 FeCl 3
3 Fe + 2 O 2 = t Fe 3 O 4
Fe + S = t FeS
Железо реагирует с водой и вытесняет водород из кислот, реагирует с растворами некоторых солей, а также восстанавливает ионы Fe 3 + до Fe 2 + .
Железо пассивируется концентрированными азотной и серной кислотами, но при нагревании окисляется ими до соединений железа (+3).
Источник: www.yaklass.ru