Какой цвет имеет железо

55,845(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

Железо — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Расположен в 8-й группе (по старой классификации — побочной подгруппе восьмой группы), четвертом периоде периодической системы.

Атом и молекула железа. Формула железа. Строение атома железа

Изотопы и модификации железа

Свойства железа (таблица): температура, плотность, давление и пр.

Физические свойства железа

Химические свойства железа. Взаимодействие железа. Химические реакции с железом

Таблица химических элементов Д.И. Менделеева

Кристаллическая решетка железа

Основными строительными блоками твердых веществ, таких как соль или лед, являются молекулы. Каждая молекула состоит из двух или более атомов, например, натрий+хлор (NaCl), как у поваренной соли и водород+кислород, как у льда (H 2 O). В металлах, однако, такими строительными блоками являются отдельные атомы металла: атомы железа (Fe) в железном прутке или меди (Cu) в медной проволоке.

Как принимать препараты железа? Лечение железодефицитной анемии

Каждое зерно на рисунке 1 есть то, что называется кристаллом. В кристалле, который состоит из атомов, все атомы однородно расположены по слоям. Как показано на рисунке 2, если провести линии, которые соединяют центры атомов, то трехмерные ряды маленьких кубиков заполнят все пространство, занимаемое отдельным зерном. Эту трехмерную структуру и называют кристаллической решеткой атомов.

Рисунок 2 – Кристаллическая решетка железа

Атом и молекула железа. Формула железа. Строение атома железа:

Железо (лат. Ferrum) – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Fe и атомным номером 26. Расположен в 8-й группе (по старой классификации – побочной подгруппе восьмой группы), четвертом периоде периодической системы.

Железо – металл. Относится к группе переходных металлов. Относится к чёрным металлам.

Молекула железа одноатомна.

Химическая формула железа Fe.

Электронная конфигурация атома железа 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2. Потенциал ионизации (первый электрон) атома железа равен 762,47 кДж/моль (7,9024681(12) эВ).

Строение атома железа. Атом железа состоит из положительно заряженного ядра (+26), вокруг которого по четырем оболочкам движутся 26 электронов. При этом 24 электрона находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку железо расположено в четвертом периоде, оболочек всего четыре. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью.

Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внутренняя оболочка представлена s-, р- и d-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внутреннем энергетическом уровне атома железа на 3d-орбитали находится два спаренных и четыре неспаренных электрона.

На внешнем энергетическом уровне атома железа – на s-орбитали находится два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома железа состоит из 26 протонов и 30 нейтронов.

Железо в организме! Как узнать о недостатке или избытке! В каких продуктах много железа

Радиус атома железа (вычисленный) составляет 156 пм.

Атомная масса атома железа составляет 55,845(2) а. е. м.

Железо – один из самых распространённых в земной коре металлов – занимает четвертое место. Содержание в земной коре железа составляет 6,3 % (по массе). По этому показателю железо уступает только кислороду, кремнию и алюминию.

Железо, свойства атома, химические и физические свойства

Кристаллическая структура металлов

Металлическая связь, в отличие от ковалентной связи, не является строго направленной в пространстве и допускает произвольное число взаимодействующих частиц. В результате атомы металлов, стремясь к более выгодной и устойчивой конфигурации, обладающей меньшей свободной энергией, располагаются в пространстве наиболее компактным образом. Этим, в частности, объясняется относительно высокая плотность большинства металлов. Плотным атомным упаковкам металлов соответствуют следующие типы кристаллических структур:

1. Объёмоцентрированная кубическая структура или ОЦК-структура. Такую структуру описывает ОЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:

Рис. 8. Элементарная ячейка ОЦК-структуры.

В узлах этой кристаллической решётки располагаются атомы, а точнее ионы, соответствующего металла. Координационное число в данном случае равно 8 (на ближайшем равном расстоянии от любого атома находится 8 аналогичных атомов). Коэффициент компактности равен 0,68. Это означает, что 68% объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты.

Это достаточно плотное расположение атомов. Базис образуют два атома соответствующего металла (один атом, расположенный в центре ОЦК-ячейки, полностью ей принадлежит, и ещё один атом (8 по ⅛) дают узлы, расположенные в вершинах ячейки). ОЦК-структура наблюдается у таких металлов как Cr, Mo, W, V и др.

2. Гранецентрированная кубическая структура или ГЦК-структура. Эту структуру описывает ГЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:

Рис. 9. Элементарная ячейка ГЦК-структуры.

В узлах решётки также располагаются атомы соответствующих металлов. Координационное число здесь равно 12, а коэффициент компактности имеет значение 0,74. Базис образуют четыре атома металла (каждый атом, расположенный в центре грани принадлежит ячейке только наполовину, а поскольку таких атомов 6, то получается ровно 3; плюс один атом дают вершины ячейки). ГЦК-структура характерна для Al, Cu, Ni, Ag, Au и Pt.

3. Гексагональная плотноупакованная структура или ГПУ-структура. Эту структуру описывает соответствующая ГПУ-решётка. Хотя ГПУ-решётку можно построить и с помощью меньшей по объёму ячейки, в данном случае в качестве элементарной ячейки лучше подойдёт шестигранная призма, которая нагляднее отражает гексагональную симметрию структуры (рис. 10).

Рис. 10. Элементарная ячейка ГПУ-структуры.

Координационное число для такой структуры равно 12 (если за начало отсчёта принять атом, расположенный в центре грани, то на равном ближайшем расстоянии от него находится 6 атомов, плюс по 3 атома сверху и снизу). Коэффициент компактности, как и у ГЦК-структуры, имеет значение 0,74. Это наивысшая степень упаковки атомов. Базис образуют 6 атомов соответствующего металла (3 атома внутри призмы полностью ей принадлежат; атомы в центре верхней и нижней грани принадлежат ячейке только наполовину, а каждый из 12 атомов в вершинах призмы принадлежит рассматриваемой ячейке лишь на 1/6 часть, поскольку находится на пересечении 6 аналогичных ячеек). ГПУ-структура наблюдается у таких металлов как Mg, Zn, Be и др.

Иногда у металлов наблюдается тетрагональная или простая гексагональная структура, но гораздо реже, чем три вышеназванные структуры.

Полиморфизм металлов

Полиморфизм

это такое явление, когда материал в одном интервале температур или давлений имеет одну кристаллическую структуру, а в других интервалах – другую. Иными словами с изменением температуры или давления наблюдается изменение кристаллической структуры материала. Температуру и давление, при которых происходит смена кристаллической структуры материала, называют соответственно температурой и давлением
полиморфного
или
аллотропического превращения
.

Различные кристаллографические модификации одного материала принято обозначать буквами греческого алфавита α, β, g, δ, ε, σ и т.д. Модификацию, наблюдаемую при самых низких температурах, обозначают буквой α, при более высоких температурах – β, и т.д.

Ярким примером полиморфизма у неметаллических материалов является наличие двух кристаллографических модификаций чистого углерода, известных как алмаз и графит. Оба материала являются идентичными по химическому составу и отличаются лишь кристаллической структурой. В результате свойства алмаза и графита оказываются существенно различными. Графит это мягкий, хрупкий и непрозрачный материал, в то время как алмаз является одним из наиболее твёрдых минералов, встречающихся в природе, и, как правило, прозрачен.

Полиморфизм достаточно распространённое явление в мире металлов. Многие из металлов обладают полиморфизмом. Например, у Со с повышением температуры ГПУ-структура перестраивается в ГЦК-структуру, а у Ti ГПУ-структура перестраивается в ОЦК-структуру.

Наиболее ярко полиморфизм проявляется у железа, которое при нагреве два раза меняет свою кристаллическую структуру (рис. 11).

ОЦК ГЦК ОЦК жидкость

α-Fe β-Fe γ-Fe δ-Fe

768 911 1392 1539 Т, °С.

Рис. 11. Кристаллографические модификации железа.

При температурах ниже 768°С железо является ферромагнитным материалом, а при температурах выше 768°С – парамагнитным. Ранее считали, что изменение магнитных свойств железа связано с изменением его кристаллической структуры и поэтому ферромагнитное железо стали обозначать α-Fe, а парамагнитное – β-Fe. Позже выяснилось, что это не так.

И то и другое железо имеют одинаковую ОЦК-структуру. Однако исторически сложившееся подразделение железа на α-Fe и β-Fe сохранили. В настоящее время железо с ОЦК-структурой, наблюдаемое в интервале температур до 911 ° С, называют α-железом.

В интервале температур от 911 до 1392 °С железо имеет ГЦК-структуру. Такое железо обозначают γ-Fe. ГЦК-структура отличается от ОЦК-структуры более высокой плотностью упаковки атомов. Поэтому при нагреве железа до температур выше 911°С наблюдается уменьшение размера (объёма) образца.

В интервале температур от 1392 до 1539°С железо вновь имеет ОЦК-структуру. Однако период кристаллической решётки этого железа чуть больше чем у α-железа. Такое железо обозначают δ-Fe.

При температурах выше 1539°С чистое железо плавиться и превращается в жидкий расплав.

Другим ярким примером полиморфизма металлов является полиморфизм олова. При температурах ниже -30°С белое и пластичное β-олово (β –Sn) превращается в свою α-модификацию, т.е. в α-Sn, которое является серым порошком. Не имея никакого представления о природе данного явления, его, в своё время, назвали «оловянной чумой».

Явление полиморфизма в очередной раз подчёркивает, что свойства материалов определяются не только их химическим составом, но и в значительной степени их структурой.

3. ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕТАЛЛОВ

И СПЛАВОВ ПРИ ЗАТВЕРДЕВАНИИ

Процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое кристаллическое состояниеназывают кристаллизацией

. Обратный процесс называют
плавлением
. Рассмотрим подробно процесс кристаллизации металлов.

СТРУКТУРА

Две модификации кристаллической решетки железа

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a = 2,86). В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла. В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей. При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

Источник: kuban-stan.ru

Самородное железо

Для чистого железа известны три основные полиморфные модификации: α — железо (а0 = 2,86 А), устойчивое до 910°; γ — железо (а0= 3,63 А при 1000°), устойчивое в интервале температур 910—1401°; σ — железо, устойчивое выше 1401°; α — и σ -железо имеют структуру объемноцентрированного куба,γ — железо обладает структурой гранецентрированного куба (плотнейшая кубическая упаковка). Обычно железо образует твердый раствор с никелем, α — железо может содержать до 30% Ni (а0= 2,865—2,875). γ-модификация при наличии Ni устойчива при обыкновенных температурах. Никель, для структуры которого характерна гранецентрированная кубическая ячейка, дает с железом твердые растворы, содержащие до 70% Fe (никель-железо с а0= 3,52—3,60).
По условиям нахождения различают: А) теллурическое, или земное, железо (и никель-железо); Б) метеоритное (космическое) Железо, всегда никелистое (камасит и тэнит).

А. Теллурическое железо (Fe, Ni) и (Ni, Fe)

Происхождение названия

Теллурическое — земное, железо (лат. «теллус», «теллурис» — земля)

Синонимы минерала самородное железо: Сидероферрит (Бар, 1851) — псевдоморфоза по дереву.

Формула самородного железа

Химический состав

Теллурическое железо содержит примеси никеля (Ni) 0,6—2%, кобальта (Со) до 0,3%, меди (Cu) до 0,4%, платины (Pt) до 0,1%, углерода. Самородное железо обычно содержит Ni в твердом растворе. Состав отдельных разновидностей точно не установлен, анализы в основном старые, выполнены на материале, не проверенном минераграфическим и рентгеновским изучением. Установлены незначительные примеси Со, Cu, S, С, Mn, Р, Pt, As, Ge, частью связанные, по-видимому, с механической примесью когенита; отмечалось наличие включений газов (СО и СО2).

Разновидности

Кристаллографическая характеристика

Кристаллическая структура самородного железа — Объёмно-центрированная кубическая решетка (для низкотемпературной модификации)

Форма нахождения в природе

Облик кристаллов. Известны лишь микроскопически мелкие кристаллы феррита.

Двойники у самородного железа по (111) с плоскостью срастания (211), часто повторные.

Зерна, чешуйки, проволокообразные палочки, изогнутые ленты, вкрапленность в породах, иногда крупные сплошные выделения весом до нескольких тонн (феррит), часто в срастании с когенитом.

Физические свойства

Оптические

Цвет стально-серый до железно-черного (феррит), на полированной поверхности — белый, серебряно-белый до серовато-белого (никель-железо).

• Черта серо-черная.
• Блеск металлический.
• Прозрачность Непрозрачно.

Механические

• Твердость 4 (железо) — 5 (никелистые разновидности). Более высокая твердость зависит часто от присутствия когенита. Ковкое.
• Плотность 7,3—7,8 (железо) (вычисл. 7,87); 7,8—8,2 (никель-железо).
• Спайность по (100) совершенная, отдельность и плоскости скольжения по (211). У Ni-содержащих разностей спайность выражена менее ясно или отсутствует.
• Излом крючковатый.

Химические свойства

Слабо-никелистые разности железа легко растворяются в разбавленных НСl и HNO3 с выделением водорода, медленно растворяются в царской водке. Никель-железо медленно растворяется в разбавленной НСl и только слегка подвергается действию царской водки; выделяет металлическую медь из растворов ее солей. В полированных шлифах железо травится разбавленными НСl, HNO3, H2SO4, не травится концентрированной HNO3.

Прочие свойства

Температура плавления чистого Fe 1535°, чистого Ni 1452,6°. При 768° α — железо перестает быть ферромагнитным (точка Кюри), сохраняя свою структуру. При 910° происходит полиморфное превращение, образуется парамагнитное γ — железо; при 1401° превращается в σ — железо.

Искусственное получение

Самородное железо, бедное Ni, отвечает сплавам железа с Ni типа непрерывных твердых растворов со структурой α-железа; богатое Ni — никель-железо — соответствует сплавам Ni — Fe со структурой β-никеля и γ-железа.

Диагностические признаки

Может быть принято за самородное серебро или висмут, от которых отличается магнитностью. От магнитных разновидностей поликсена отличается отношением к кислотам.

Характерна реакция с CuSO4: порошок, промытый водой, подкисленный H2SO4, обрабатывают раствором CuSO4, подкисленным H2SO4; при этом выпадает медь, которая может быть определена под микроскопом в отраженном свете; аваруит и октиббегит этой реакции сразу не дают. Раствор боровольфрамовокислого Cd (жидкость Клейна) в присутствии самородного железа становится темно-фиолетовым. От когенита самородное железо отличается меньшей твердостью и изотропностью. Кроме того, в отличие от когенита, железо (феррит) травится спиртовым раствором пикриновой кислоты (1 : 100); так же действует спиртовой раствор J2. По результатам травления HNO3, НСl не отличимо под микроскопом от оптически похожих самородных серебра, висмута и сурьмы, домейкита, витнеита, дискразита.

Происхождение и нахождение

В заметных скоплениях редкий минерал. Преимущественно встречается в виде мелких зерен в изверженных, метаморфических и осадочных породах.

1) при восстановлении Fe основных (базальтовых) лав в момент их излияния углеродистыми веществами (например, углистым веществом);

2) при кристаллизации или при серпентинизации ультраосновных пород (перидотитов и др.) в результате восстановления Fe магнетита, Fe-содержащих силикатов и сульфидов газовыми восстановителями (например, водородом);

3) в россыпях, осадочных породах и рудах в результате действия восстановителей, главным образом за счет Fe пирита, магнетита и лимонита.

В некоторых базальтовых породах, бедных оливином и магнетитом, довольно обычен феррит в виде мелкой рассеянной вкрапленности зерен и чешуек размером до 0,1 мм, очень редко — в крупных сплошных массах.

Возможно также образование его в болотных рудах в результате восстановительного действия органического вещества. Мелкие выделения неясного происхождения обнаруживаются в красном глубоководном иле.

Изменение минерала

Самародное железо легко окисляется и переходит в окислы железа.

Месторождения

Наиболее известное и крупное месторождение этого типа находится на о-ве Диско у берегов Западной Гренландии (Овифак, Асук и др.) В базальтах наряду с вкрапленностью наблюдаются крупные скопления весом до 25 т. Базальты содержат шаровые включения графита с анортитом, гизингеритом, пирротином, шрейберзитом, шпинелью; железо — типа феррита, бедное никелем. В базальтах Бюля близ Касселя (Германия) самородное железо — феррит — наблюдается в виде ветвистых образований и желвакообразных скоплений (до 5 кг) в сопровождении магнетита, пирротина, диопсида, оливина. В виде вкраплений отдельных зерен и сплошных выделений установлено в габбро-долеритах р. Курейки в Красноярском крае в тесной ассоциации с ильменитом и пирротином (Fe 97,62%).

В Оверни (Франция) обнаружено в трахитах. Имеются также указания на нахождение самородного железа в кварцевых порфирах.
В некоторых ультраосновных породах (перидотитах) наблюдается мелкая вкрапленность феррита и никель-железа наряду с магнетитом, хромитом, пирротином, оливином; особенно обычны разновидности, богатые Ni, в перидотитах, подвергшихся серпентинизации, и в серпентинитах; характерны срастания с пирротином (Прионежский р-н в Карелии). Из кислых глубинных пород, в которых установлены выделения самородного железа, следует указать граниты Бен-Брека (Шотландия).

В платиноносных и золотоносных россыпях встречаются пластинки, зерна и чешуйки феррита, никель-железа типа аваруита или октиббегита (россыпи Средней Азии — р. Варзоб, р. Гава; Урала — р-ны Нижнего и Верхнего Тагила; Новой Зеландии — р. Горж, впадающая в залив Аваруа, и др.).

В некоторых сидеритовых скоплениях мелкие зерна самородного железа неправильной остроугольной формы иногда обнаруживаются внутри выделений бурого железняка, на зернах магнетита, на листочках хлоритов (р.Сысоль в респ. Коми ) п. В кварцевых песчаниках и кварцевых конгломератах самородное железо изредка встречается в виде изогнутых проволокообразных палочек длиной до 0,01 мм, витых лент длиной до 0,5 мм и шириной до 0,08 мм (р. Пижма в бассейне Печоры, Архангельская обл.). Известны также находки самородного железа в каменных углях и антрацитах, частью в тесном срастании с пирротином.

Практическое применение

Встречается в незначительных количествах, вследствие чего обычно практического интереса не представляет. В Индии из самородного железа изготовлен был в древности столб для поклонения. Металл благодаря отсутсвию примесей не ржавеет.

Физические методы исследования

Старинные методы. Под паяльной трубкой железо-никелевые разности при красном калении только размягчаются, при белом калении спекаются; никель-железистые разности плавятся в тонких осколках и темнеют

Б. Железо метеоритное

Камасит — Kamacite — никелистое железо (6—9% Ni). Название камасит происходит от греческого —балка, стержень (Райхенбах,. 1861),

Синононим камасита —балочное железо, тэнита — ленточное железо (Райхенбах, 1861), эдмонсонит (Флайт, 1882). Плессит (Райхенбах, 1861)— тонкая смесь камасита и тэнита.

Тэнит — Taenite — никель-железо (до 48% Ni), тэнит — от Taivia —лента, полоса (Райхенбах, 1861).

Для тэнита состава Fe2Ni предложены названия: никдиферрит (Чирвинский,. 1928), ортотэнит (Бадхью, 1936) и чирвинит (Астапович, 1950); соединение такого- состава установлено в системе Fe-Ni.
Метакамаситом названы метастабильная a-модификация пикелистого железа, и, кроме того, зернистая разновидность плессита (Оуэн, 1940) Метатэнит — тэнит с примесью камасита (Бадхыо, 1936).

Самородное железо космического происхождения слагает массу железных метеоритов. Встречается в большинстве каменных метеоритов. Образует:

а) сплошную массу метеорита;
б) губчатую массу, в которую погружены зерна оливина или других силикатов;
в) зерна и чешуйки, рассеянные в массе метеорита;

г) отдельные кристаллические- индивидуумы с многочисленными двойниковыми пластинками.
Камасит и тэнит всегда находятся в тесном срастании.
Для железных метеоритов из группы октаэдритов характерны системы пересекающихся полос, которые получили названия Видманштеттовых фигур: отдельные полосы состоят из камасита с каемками тэнита, между пересекающимися полосами находится плессит. Видманштеттовы фигуры возникают в результате распада твердого раствора γ -железа и никеля. В срастаниях камасита и тэнита плоскость ромбического додекаэдра (110) камасита параллельна плоскости октаэдра (111) тэнита, что объясняется их структурным сходством.

Физические свойства

Свойства близки к свойствам теллурического железа. Камасит имеет серый цвет. Магнитен. Тэнит белый. При содержании Ni выше 26—30% теряет магнитные свойства.

Твердость увеличивается по мере возрастания содержания Ni.

Химические свойства

По составу метеоритное железо всегда никелистое; содержит также Со, Сu, С, Р, S, из газов — Н.

Камасит под паяльной трубой не плавится; тэнит в тонких осколках плавится и темнеет; как и земное никель-железо, тэнит менее подвержен воздействию кислот, нежели камасит.

Нахождение

Диагностические признаки

От теллурического железа в большинстве случаев отличается ясно выраженными Видманштеттовыми фигурами, выявляемыми на полированных поверхностях травлением HNO з . В теллурическом железе эти фигуры слабо выражены или их нет.

Кристаллооптические свойства в тонких препаратах (шлифах)

В полированных шлифах в отраженном свет железо — белое. Отражательная способность железа из метеорита Атакама (в %): для зеленых лучей — 64, для оранжевых — 59, для красных — 58. Изотропно. По Кундту (1888) показатель преломления железа для красного света 1,81, для белого 1,73, для голубого 1,52. ПоДруде (1890) n=2,36 (Na), коэффициент поглощения 1,36.

Никель-железо под микроскопом изучено недостаточно.

Источник: natural-museum.ru

Fe — Железо

В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят, кроме железа, также кобальт (Co) и никель (Ni). Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.

Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe 2+ — 0,080 нм, иона Fe 3+ — 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.

Железо высокой чистоты — это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механичской обработки.

Физические и химические свойства: при температурах от комнатной и до 917°C, а также в интервале температур 1394-1535°C существует -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394°C устойчиво -Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769°C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное -Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917°C, рассматривают как модификацию железа, а -Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535°C), называют по традиции -Fe (представления о существовании четырех модификаций железа возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535°C, температура кипения 2750°C, плотность 7,87 г/см 3 . Стандартный потенциал пары Fe 2+ /Fe 0 –0,447В, пары Fe 3+ /Fe 2+ +0,771В.

При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe2О3·xН2О.

С кислородом (O) железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe2О3, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe3О4. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы (S) и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора (F) до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl3. Если взаимодействие железа и брома (Br) протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3.

При нагревании FeСl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода (I) образуется иодид Fe3I8.

При нагревании железо реагирует с азотом (N), образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором (P), образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом (C), образуя карбид Fe3C, с кремнием (Si), образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C5H5)2].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2. Оксид железа (III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II)

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, — железокалиевые квасцы, — железоаммонийные квасцы и т.д.

При действии газообразного хлора (Cl) или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия (K): K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe 3+ с тиоцианат-ионами CNS – . При взаимодействии ионов Fe 3+ с анионами CNS – образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)3. Другим реактивом на ионы Fe 3+ служит гексацианоферрат (II) калия (K): (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe 3+ и выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия (K) K3[Fe(CN)6], ранее называвшегося красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe 3+ и выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe 3+ и

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров.

Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию — нагреванию при температуре около 1000°C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей — шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород (O) или воздух, обогащенный кислородом (O)). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом (C) и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие — клетку — и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун — это твердый раствор углерода (C) в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

История получения железа: железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко.

Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО.

Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тысячелетии до нашей эры.

Период с 9 – 7 века до нашей эры, когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку. Усовершенствование способов дутия (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи — домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

Применение железа, его сплавов и соединений: чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.

Биологическая роль: железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа.

Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода (O) и окислительных процессах. Эту функцию железа выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем.

Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение.

При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека.

Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо.

Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

Источник: webelem.ru