Железо

ЖЕЛЕЗО, Fe (а. iron; н. Eisen; ф. fer; и. hierro), — химический элемент VIII группы периодической системы элементов Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Природное железо состоит из 4 стабильных изотопов: ⁵⁴Fe (5,84%), ⁵⁶Fe (91,68%), ⁵⁷Fe (2,17%) и ⁵⁸Fe (0,31%). Получены радиоактивные изотопы ⁵²Fe, ⁵³Fe, ⁵⁵Fe, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Fe. Железо известно с доисторических времён. Впервые человек, вероятно, познакомился с метеоритным железом, т.к. древнеегипетское название железа "бени-пет" означает небесное железо. В хеттских текстах встречается упоминание о железе как о металле, упавшем с неба.

Физические свойства железа

Железо — серебристо-серый пластичный металл. Кристаллические модификации а-, g- и d-Fe открыты в 1868 Д. К. Черновым. До f 1042К кристаллическая решётка объёмно-центрированная кубическая, параметр решётки а = 0,2 86645 нм — а-Fe, между t 1173 и 1673К — гранецентрированная, а = 0,3 637 нм — g-Fe, выше f 1673К — объёмно-центрированная, а = 0,2 925 нм — d-Fe, между f 1042 и 1173К – объёмно-центрированная, а = 0,2 895 нм — d-Fe (иногда называется бета — b). Модификации g- и d-Fe парамагнитны. Физические свойства железа зависят от содержания примесей. При общем содержании примесей менее 0,01% по массе — плотность (293,15К) 7,84•10³ кг/м³; tnл1536°С, энтальпия плавления 13,77 кДж/моль; t кипения 2880°С; энтальпия испарения 350,02 кДж/моль; коэффициент теплопроводности (298К) 74,04 Вт/м К; удельное электрическое сопротивление (293 К) 9,7•10^-8 Ом/м; температурный коэффициент электрического сопротивления (273-373 К) 6,51•10^-3К^-1, относительное удлинение 45-55%; температурный коэффициент линейного расширения (293 К) 11,7•10^-6К^-1, твёрдость по Бринеллю 350-450 МПа; модуль Юнга 190-210•10³ МПа; модуль сдвига 8,4•10^-3 МПа; кратковременная прочность на разрыв 170-210 МПа, предел текучести 100 МПа; ударная вязкость 300 МПа; средняя удельная теплоёмкость (273-1273 К) 640,57 Дж/кг•К, молекулярный объём 7,093•10^-6 м3/моль.

Химические свойства железа

Степени окисления железа +2, +3, +1, +4, +6. Наиболее устойчивы соединения двух- и трёхвалентного железа. Химически чистое железо при нормальной температуре стойко к окислению на воздухе и в воде. При отсутствии влаги не реагирует заметно с кислородом, серой, бромом, хлором; во влажном воздухе окисляется, покрываясь ржавчиной FeO•nH₂О. При нагревании в присутствии воды окисляется с образованием Fe₃О₄ (до 845К) или FeO (выше 845К) и выделением водорода. При нагревании в сухом воздухе при 473-573К покрывается тончайшей оксидной плёнкой, которая защищает металл от коррозии (технический метод защиты железа от коррозии — воронение). Реагируя при повышенных температурах и в присутствии воды с S, Р, Cl, N, Ti, образует галогениды, сульфиды, фосфиды, нитриды, титаниды железа. Хорошо растворяется в разбавленных кислотах и практически не растворяется в щелочах. При взаимодействии с концентрированными кислотами Н₂SO₄ и HNO₃ покрывается защитной оксидной плёнкой. Склонно к образованию комплексных соединений. Закись железа FeO проявляет основные свойства, оксид Fe₂О₃ — амфотерен, обладает слабо выраженной кислотной функцией, реагирует с более основными окислами, образуя ферриты Fe₂О₃•nMeO, имеющие ферромагнитные свойства. Кислотные свойства выражены и у Fe⁺⁶, существующего в виде ферратов, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты. Водные растворы солей железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Водные растворы солей двухвалентного железа на воздухе неустойчивы, Fe²⁺ окисляется до Fe³⁺. Растворимость углерода в а-Fe при комнатной температуре 2•10^-5%, при t 1110К 0,02%; в g-F при t 1426К растворяется 2,11% углерода. Твёрдый раствор углерода в g-Fe называется аустенитом, а углерода в а-Fe — ферритом. При закалке аустенита образуется мартенсит, пересыщенный твёрдый раствор углерода. Сочетание закалки с нагревом до относительно низких температур позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Железо в природе

По содержанию в земной коре (4,65%) железо занимает 4-е место. Среди других породообразующих элементов имеет максимальный атмосферный вес. Железо — сидерофильный элемент. Ведущий элемент метеоритного вещества: в каменных метеоритах содержится 25, в железных — 90,85% по массе Fe. Космическая распространённость железа близка к его содержанию в фотосфере Солнца — 627 г/т. Содержание железа для Земли в целом выше, чем для земной коры (38,8%). Наиболее бедны железом верхние оболочки Земли: в атмосфере фактически не содержится железо (лишь в метеорной и земной пыли), в гидросфере — 1•10^-6%, в почве — 3,8%, в растениях (золе) — 1,0%, в живом веществе — 1•10^-2%. Распространённость железа в горных породах (% по массе): ультраосновные — 9,85; основные — 8,56; средние — 5,85; кислые — 2,70; щелочные — 3,60; осадочные — 3,33 (по А. П. Виноградову).

Неокисленное железо в виде теллурического (земного) или метеоритного встречается в природе редко. Известно свыше 300 минералов, содержащих железо: оксиды, сульфиды, силикаты, фосфаты, карбонаты и др. Важнейшие минералы железа: гематит Fe₂О₃ (70% Fe), магнетит Fe₂О₄ (72,4% Fe), гётит FeOOH (62,9% Fe), лепидокрокит FeO(OH) (62,9% Fe), лимонит — смесь гидрооксидов Fe с SiO₂ и другими веществами (40-62% Fe), сидерит FeCO₃ (48,2% Fe), ильменит FeTiO₃ (36,8% Fe), шамозит (Fe²⁺Fe³⁺)₃ AlSi₃O₁₀(OH)₂(Fe, Mg)₃•(О,OH)₆ (34-42% FeO); вивианит Fe₃(PO₄)₂•8Н₂О(43,0% FeO), скородит Fe(AsO₄)•2Н₂О (34,6% Fe₂О₃), ярозит KFe₃(SO₄)₂(OH)₆ (47,9% Fe₂О₃) и др. Возможность отделения окисножелезных расплавов от силикатных — первопричина концентрации железа в магматическом процессе. В сульфидных магматических рудах железо — один из главных компонентов. Высокотемпературный контактово-метасоматический процесс приводит к формированию магнетитовых месторождений в скарнах. В переносе железа большая роль принадлежит хлоридным комплексам. В гидротермальном процессе повсеместно распространены сульфиды железа. В высокотемпературных гидротермальных жилах присутствуют магнетит, пирротин, халькопирит

Железо — единственный породообразующий элемент с переменной валентностью. Отношение оксидного железа к закисному устойчиво растёт с увеличением кремнекислотности расплавов. Ещё больший рост происходит в щелочных системах, где минерал, содержащий трёхвалентное железо — эгирин, (Na,Fe)Si₂О₆, становится породообразующим. В метаморфическом процессе железо, по-видимому, мало подвижно. Содержание железа в современных океанических осадках близко к содержаниям в древних глинистых породах и глинистых сланцах. Основные генетические типы месторождений и схемы обогащения смотреть в статье железные руды.

Получение железа

Чистое железо получают восстановлением из оксидов (железо пирофорное), электролизом водных растворов его солей (железо электролитическое), разложением пентакарбонила железа Fe(CO)₅ при нагревании до t 250°С. Особо чистое железо (99,99%) получают с помощью зонной плавки. Технически чистое железо (около 0,16% примесей углерода, кремния, марганца, фосфора, серы и др.) выплавляют, окисляя компоненты чугуна в мартеновских сталеплавильных печах и в кислородных конверторах. Сварочное или кирпичное железо получают, окисляя примеси малоуглеродистой стали железным шлаком или путём восстановления руд твёрдым углеродом. Основную массу железа выплавляют в виде сталей (до 2% углерода) или чугунов (свыше 2% углерода).

Применение железа

Железоуглеродистые сплавы — основа конструкции материалов, применяющихся во всех отраслях промышленности. Техническое железо — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Железный порошок в больших количествах применяется при сварке. Оксиды железа — минеральные краски; ферромагнитные Fe₃О₄, g-Fe используются для производства магнитных материалов. Сульфат FeSO₄•7Н₂О применяется в текстильной промышленности, в производстве берлинской лазури, чернил; FeSO4 — коагулянт для очистки воды. Железо используется также в полиграфии, медицине (как антианемическое средство); искусственные радиоактивные изотопы железа — индикаторы при исследовании химико-технологических и биологических процессов.