Интересные факты. Железо, нагретое до 5000 градусов Цельсия, становится газообразным. Наиболее вероятно, что это название происходит от древнеарийского корня «ZIL», которым обозначали олово и вообще белые металлы (в том числе серебро - «zilber», и название «цинк» получилось из этого же слова аберрацией L-N). От него же, видимо, происходит и санскритское «жальжа», что означает «металл, руда». Железо - один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %.
Слайд 10 из презентации «Железо»Размеры: 720 х 540 пикселей, формат: .jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Скачать всю презентацию «Железо.ppt» можно в zip-архиве размером 553 КБ.
Железо
«Урок Железо» - Конфуций. 3. Измельчила золу до порошка. 4. Перенесла золу в пробирку и добавила 10мл HCI. 5 . Сравнила интенсивность цвета анализируемых растворов. Лабораторный опыт: Результаты исследования: Следите за сбалансированностью своего питания, будьте здоровы! Закрыла пробкой и интенсивно перемешала встряхиванием.
«Соединения железа» - Физические свойства: Чистое железо серебристо-белый пластичный металл. Электронная формула строения атома: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s . Отдавая электроны внешнего уровня, железо окисляется до степени окисления, равной +2. Самый распространенный после алюминия на земном шаре металл – железо. До степени окисления, равной +2, железо окисляется, взаимодействуя со слабыми окислителями.
«Железо металл» - Химические свойства железа. 1 – восстановитель, процесс окисления 1 – окислитель, процесс восстановления. Физические свойства. Методическая разработка урока. Халькопирит с включениями кварца Приморский край. Биологическая роль железа. Основным источником железа для человека является пища. Железо – средний по химической активности металл.
«Химия железа» - Строение простого вещества. Наиболее широко используется в современной промышленности. Зависимость свойств от строения. Взаимодействие железа с простыми веществами. Важен с биологической точки зрения. Свойства вещества. Взаимодействие железа со сложными веществами. К неметаллам. Тест- тренажер. Отношение к простым веществам.
«Свойства железа» - Железо в природе. Реактив. Соединения железа. Железо. Строение атома железа. Свойства железа. Конструирование текста. Нормальное состояние атома железа. Качественная реакция. Формула. Физические свойства. Химические свойства. Лабораторная работа. Третий лишний. Лови ошибку. Проверь себя. Генетические ряды.
Железо - это химический элемент, имеющий 26-й атомный номер в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. Металл серебристо-белого цвета, обозначается символами Fe (от латинского Ferrum). В чистом виде железо является пластичным переходным металлом, применяется человеком в различных сферах с давних пор. Небольшое содержание примесей или добавок делают железо тверже, например, примеси углерода превращают железо в сталь. Железо, встречающееся в природе, является смесью четырех нуклидов, имеющих массовые числами 54 (доля содержания в природной смеси составляет 5,82% по массе), 56 (доля содержания в природной смеси составляет 91,66%), 57 (доля содержания в природной смеси составляет 2,19%) и 58 (доля содержания в природной смеси составляет 0,33%).
Железо стало известно человеку еще в древние времена, однако широкое распространение получила намного позже, т.к. в чистом виде металл встречается крайне редко, а добыча металла из железной руды требует наличия необходимого производственного процесса. Впервые, вероятно, человек познакомился с железом, содержащимся в метеоритах. Так, на древнеегипетском языке железо звучит как «бени-пет» и означает «небесное железо», древнегреческое название «sideros» происходит от латинского «sidus», что означает «небесное тело», хеттинские тексты XIV века до нашей эры вспоминают о железе, как о металле, упавшем с неба.
Способ получения железа из руды был изобретен во II веке до нашей эры в Западной Азии. Затем метод получил широкое распространение в Вавилоне, Греции и Египте. В Древней Руси и Европе железо получали сыродутным способом, в XII - XIII веках более распространенным стал кричный способ, в середине XVIII века широкое распространение получил тигельный процесс, известный в Сирии еще в период раннего средневековья, но забытый, стал развиваться пудлинговый процесс, к концу XVIX века получили развитие процессы, позволяющие получать железо на промышленном уровне: мартеновский бессемеровский и томасовский процессы. Позднее возник электросталеплавильный процесс, позволяющий получать высококачественную сталь.
Железо с его сплавами является важнейшим конструкционным материалом в промышленном производстве и технике. Из стали, т.е. сплава железа с углеродом, изготавливают большую часть конструкций в тяжелой промышленности и машиностроении. Железная дорога, станки, грузовые и легковые автомобили, силовые установки и корпуса судов, а также многие другие конструкции изготавливают по большей части из стали. Производственные масштабы сталепроизводящей и сталепотребляющей отраслей промышленности на сегодняшний день являютсяодним из основных показателей технико-экономического уровня развития региона или государства в целом.
Содержание железной руды в земной коре довольно большое. Залежи руды располагаются по всему земному шару, а добыча и производство металла не составляет каких-то особых сложностей. Железо довольно легко выплавляется из железной руды. Железо стало недорогим и очень распространенным материалом во многом благодаря всеобщей распространенности железной руды, а также относительной несложности обработки руды и производства металла. На основе производятся самые разные конструкционные материалы различные по своим свойствам и характеристикам. К примеру, чугун является прочным металлом с низкой температурой плавления, путем литья металлу можно придать любую необходимую форму. В зависимости от состава сталь может быть прочным и пластичным материалом, используемым в изготовлении, например, профильного проката, который используется в строительстве мостов и морских судов, или тугоплавким и очень твердым металлом, который служит материалом при производстве металлорежущего инструмента и др.
Биологические свойства
За исключением нескольких бактерий, железо, как микроэлемент, играет одну из важнейших ролей в протекании жизнедеятельности всех живых организмов. У животных железо можно встретить в составе многих белков и ферментов, которые участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, в основном в процессе дыхания. Железо, как правило, входит в состав ферментов в виде комплекса по названием гем. Данный комплекс присутствует в гемоглобине, являющемся важнейшим белком, обеспечивающим доставку кислорода по крови ко всем органам в организме животных и человека. Именно гемоглобин окрашивает кровь в характерный для нее красный цвет.
В организме здорового человека содержится примерно 5 грамм железа. Более половины этого железа (57%) приходится на гемоглобин в крови, 16% на тканевые ферменты, 7% на миоглобин мышечной ткани, ну и 20 % отлаживается в таких органах как печень, почки, селезенка и костный мозг в качестве запаса.
Гемоглобин является сложным по составу белком, содержащим в том числе и небелковую гем-группу, доля которой занимает примерно 4% всего гемоглобина в организме. Гем является комплексом железа (II) с макроциклическим лигандом-порфирином, гемм имеет характерное плоское строение. В данном комплексе атом Fe связывается с четырьмя донорными атомами А макрокольца таким образом, что атом Fe располагается в самом центре данного порфиринового кольца. Атом железа образует пятую связь с атомом азота имидазольной группы гистидина, то есть аминокислотного остатка глобина.
Те комплексы железа,которые отличны от гема, встречаются, к примеру, в очень важном ферменте рибонуклеотид-редуктаза, участвующем в синтезе ДНК, в ферменте метан-моноксигеназа, превращающим метан в метанол. Неорганические соединения железа встречаются в некоторых представителях царства бактерий, в некоторых случаях они используют железо для связывания азота из воздуха.
Ежесуточная потребность человека в железе составляет примерно 15 миллиграмм. Много железа содержится в сливовом соке, изюме, орехах, кураге, подсолнечных и тыквенных семечках. В проросшей пшенице содержание железа составяляет 1 миллиграмм на 10 грамм веса. Богат железом также и хлеб: с отрубями, хлебные изделия грубого помола и т.д. Следует понимать, что из всего потребляемого с пищей железа, организмом усваивается лишь 20 процентов. Пищевые продукты и витамины растительного происхождения помогают усваиванию железа. Железо совершенно не всасывается, если в пище присутствует фитиновая или щавелевая кислоты.
Если организм испытывает недостаток железа, начинают использовать специальные медицинские препараты на основе лекарственных растений. Когда-то для подобных целей широко применялись обыкновенные железные опилки. История оставила упоминание о том, что граф Бестужев-Рюмин (года жизни 1693–1766) в качестве возбуждающего и общеукрепляющего средства предложил специальные капли, которые являлись ни чем иным, как раствором трихлорида железа, в смеси с этанолом и этиловым эфиром. Такие капли даже получили название от своего создателя «бестужевские капли».В современной медицине для устранения недостатка железа в организме используются препараты в таблетках и капсулах с содержанием железного порошка, а также лекарства на основе ферроцена.
- - Первое железо, как металл, попало в руки человека «с неба». Не зря люди считали железо - небесным металлом, т.к. впервые его добыли из падающих на поверхность земли метеоритов. В древнейших предметах из железа есть существенная доля примесей никеля, именно такое железо содержится в метеоритах. Крупнейший железный метеорит нашли в 1920 году в юго-западной Африке. Метеорит назвали «Гоба», он весил 60 тонн.
- - Железо в организм животных и человека поступает с пищей. Наиболее богаты железом такие продукты, как мясо, печень, яйца, бобовые, крупы, хлеб, свёкла. Интересно заметить, что когда-то в этот список был ошибочно внесен шпинат (по причине опечатки в записях результатов анализа, а именно был утерян «лишний» ноль после разделительной запятой).
- - Многие косвенные данные подтверждают тот факт, что ядро нашей планеты главным образом состоит из сплавов железа. Радиус ядра Земли составляет приблизительно 3470 км, в то время как радиус самой Земли равен 6370 км.
- - В свободном виде железо было обнаружено на луне. Процесс определения возраста лунных минералов при помощи радиоактивных изотопов показал, что они были кристаллизованы примерно 3,2 - 4,2 миллиарда лет назад. Данные цифры приблизительно совпадают с возрастом самых древних минералов, когда-либо обнаруженных на Земле.
- - Неоднократные клинические эксперименты подтвердили тот факт, что крапива отлично справляется с лечением анемии, не уступая при этом синтетическим препаратам железа. В деревне каждая хозяйка знает, что курочки несутся лучше, когда в корм добавляют сушеную крапиву. Народные врачи-травники часто советуют пролечиться свежим соком крапивы, который выжимают из стволов и листьев молодых растений, собрать крапиву нужно перед цветением. Делается это довольно просто: нужно собрать, промыть, пропустить через соковыжималку либо миксер с малым количеством воды, ну а затем просто отжать сок. Полученный сок принимать по три столовые ложки в сутки. Сок крапивы не обладает приятным вкусом, зато он очень полезен. Его можно разбавлять с медом. Крапивный сок хорошо хранится в течение несколько дней в холодильнике.
- - В 1941 году соединенные Штаты Америки вступили в мировую войну. Американская национальная конференция по вопросам питания в условиях военной обороны решила обогащать хлеб и муку железом, во избежание анемии в рядах американского населения. Первым признаком недостатка железа является усталость, а также вызванная этим анемия, а, как известно война усталых людей не терпит! Но есть одно но… В Северной Америке производили лишь белый хлеб и белую муку (таким образом это был чистый крахмал), а вот ценная часть зерна уходила на отходы. В оном килограмме муки грубого помола, изготавливаемой из неочищенных зерен, содержание железа составляет примерно 30 миллиграмм, а в одном килограмме очищенной муки, произведенной из очищенного зерна — 8,2 миллиграмма. В соответствии с тогдашними нормами один килограмм обогащенной муки был должен содержать примерно 26 миллиграмм железа. В период с 1968 по 1970 год началась проверка данной акции в десяти штатах США. Тридцать тысяч семей, употребляющих обогащенные железом муку и хлеб, подвергли тщательному обследованию. В результате у всех у нихбыл обнаружен недостаток железа в организме.
История
Железо известно с древних времен. Самые первые изделия, выполненные из железа, были найдены во время археологических раскопок. Датируются предметы IV тысячами лет до нашей эры, это наследие древнеегипетской и древнешумерской цивилизаций. Железные изделия того времени представляли собой украшения и наконечники для оружия. При изготовлении этих предметов использовали метеоритное железо, а вернее сплав железа с никелем, который встречается в падающих на землю метеоритах. Во многих языках остались реминисценции о железе, как небесном металле.
В Месопотамии, Египте, Анатолии во II -III вв. до н.э. стали появляться первые изделия, выполненные из переплавленного железа, в их составе уже не было никеля. В основном железо использовалось в культовых принадлежностях. Вероятнее всего, в то далекое время железо было самым дорогим металлом, дороже даже золота.
Во времена античной Греции оружие изготавливали в основном из бронзы. Но в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказал, что по окончании соревнования по дискоболу Ахилл наградил победителя железным диском. В середине II века до нашей эры производство железа повсеместно распространялось в Передней Азии (Ближний Восток), но большую часть все же составляли изделия из бронзы.
В XII - X вв. до н.э. в Передней Азии произошел скачок в производстве металлических приспособлений. Теперь оружие и другие предметы производили не из бронзы, а из железа. Такой скачок вероятнее всего был вызван не появлением прогрессивных методов производства железа, а перебоями поставок олова – одного из главных компонентов бронзы. Период массового перехода на производство железных изделий называют Железным веком.
В древние времена основным способом получения железа был сыродутный метод. В специальных горнах прокаливались перемежающиеся слои древесного угля и железной руды. В результате такого прокаливания получалось тестообразное губчатое или кричное железо. Такое железо освобождалось от шлака в процессе ковки. В первых горнах температура была довольно низкой, даже ниже температуры плавления чугуна. Поэтому железо было малоуглеродистым, а, значит, хрупким. Для увеличения прочности металла предметы из железа дополнительно еще раз прокаливали в присутствии угля, в результате поверхность металла насыщалась углеродом, а изделия становились заметно прочнее, намного прочнее таких же изделий из бронзы.
С развитием производства железа стали появляться более совершенные горны (на Руси говорили домны или домница), через какое-то время люди научились достигать температуры плавления чугуна. Изначально чугун считался побочным продуктом, от которого нет никакой пользы. В английском языке есть выражение «pig iron», что в переводе на русский означает «свинское железо» или «чушки», а в свою очередь от слова «чушки» и произошло название «чугун». Спустя какое-то время был обнаружен тот факт, что при дополнительном прожигании чугуна в горне при достижении высокой температуры чугун переплавляется в железо очень высокой прочности. Процесс, состоящий из двух стадий, оказался не только более эффективным, но и более выгодным. Несколько последующих веков использовался именно такой двухстадийный способ.
Первые упоминания о производстве железа из метеоритов в Китае относятся к тому же времени, что и в древнеевропейских странах. Вероятно, начиная с VIII века до нашей эры, там стало развиваться производство изделий из железа. В I веке до нашей эры в Китае научились производить чугун.
Нахождение в природе
По распространенности в природе железо является вторым металлом после алюминия и находится на четвертом месте среди всех элементов, уступаю лишь кислороду, алюминию и кремнию. Содержание химического элемента в земной коре по массе составляет 4,65%. Известно более 300 минералов, содержащихся в составе железных руд (сульфиды, окислы, силикаты, фосфаты, карбонаты, титанаты, и т. д.).
Важнейшие рудные минералы железа: магномагнетит, Титаномагнетит, Магнетит, Гематит, гидрогематит, Сидерит, Гётит, гидрогётит, железистые хлориты (тюрингит шамозит, и т.д.). В промышленных рудах содержание железа составляет16 - 70%. Существуют богатые (менее 50% железа), рядовые (50—25% железа) и бедные (≥ 25% железа) железные руды. В зависимости от того, каков химический состав железной руды, ее применяют для выплавки чугуна после обогащения или в естественном виде. Железные руды, содержание металла в которых менее 50%, обогащаются до 60%, в основном способами магнитной сепарации либо гравитационным обогащением. Рыхлые или сернистые (менее 0,3% серы) богатые руды и концентраты обогащения окусковывают агломерацией, из концентратов производят окатыши. Жедезые руды, которые идут в доменную шихту, не должны содержать S, Р и Cu более 0,1 - 0,3% и As, Sn, Zn, Pb 0,05-0,09%, т.к. могут ухудшиться условия плавки или качество стали. Примесь в железной руде кремния, никеля, титана и вольфрама в большинстве случаев полезна. Mn, Cr и Ni улучшают качество стали, титан и вольфрам попутно извлекаются в процессах обогащения и металлургического передела.
Месторождения железной руды по происхождению разделяют на три группы: магматогенные, метаморфогенные и экзогенные. Магматогенные делятся на: магматические - это дайкообразные, пластообразные и неправильные залежи титаномагнетитов, которые связаны с габбро-пироксенитовыми породами (Лиганга в Танзании, Бушвельдские месторождения в ЮАР), апатито-магнетитовые залежи, которые связаны с сиенитдиоритами и сиенитами (Елливарс и Кируна в Швеции, Лебяжинское на Урале), скарновые или контактово-метасоматические, поялвяются вблизи интрузивных массивов или на контактах, и др.
Экзогенные месторождения: осадочные - механические и химические осадки озерных и морских бассейнов, более редко в дельтах и долинах рек, возникают в процессе местного обогащения соединениями железа вод бассейна, а также в результате сноса в воды железистых продуктов суши; слагают линзы или пласты среди осадочных, реже - вулканогенно-осадочных пород; сюда относят месторождения бурых железняков, часть силикатных руд, сидеритов, (Керченское на Украине, Аятское в Казахстане; Лан-Диль в Германии, и т.д.). Месторождения коры выветривания появляются после выветривания железосодержащих горных пород; различаются элювиальные или остаточные месторождения, где продукты выветривания, обогащены железом (в результате выноса из горной породы других элементов) и остаются на месте (Украина - руды Кривого Рога, Россия - Курская магнитная аномалия, США - район оз. Верхнего) и цементационные (инфильтрационные), здесь железо выносится из выветривающихся пород, а затем отложено заново в пролегающих ниже горизонтах (Россия - Алапаевское месторождение Урала).
Метаморфогенные (или метаморфизованные) месторождения - это преобразованные под высоким давлением и температурой ранее существовавшие, в основном осадочные месторождения. Сидериты и гидроокислы железа при этом, как правило, переходят в магнетит и гематит. Метаморфические процессы могут дополняться гидротермально-метасоматическими образованиями магнетитовых руд. Подобные месторождения есть в России, Индии, Украине, США, Австралии и др.
Применение
Чистое железо применяется довольно ограниченно. Оно используется в производстве сердечников для электрических магнитов, в качестве катализатора при протекании химических процессов, в некоторых других сферах. Но такие сплавы на основе железа, как сталь и чугун, являются основой современной техники во всем мире. Многие соединения железа также находят свое применение. Например, сульфат железа (III ) используется в процессе водоподготовки, цианид и оксиды железа применяют как пигменты в производстве различных красителей, в других областях используются другие соединения железа.
Железо с его сплавами выступает важнейшим конструкционным материалом в промышленном производстве и технике. Практически все конструкции машиностроения и тяжелых отраслей промышленности производятся в основном из сплавов железа с углеродом. Из стали производят и автомобили, и станки, и железные дороги, и корпуса судов с силовыми установками, и каркасы мостов и зданий, и многое другое. По масштабу производства стали можно судить об общем технико-экономическом уровне развития определенного государства или региона. В доле общемирового производства продукции, изготовленной из металла, сталь занимает первое место, имея долю 95%.
Железо иногда может входить в состав и других сплавов в качестве примеси. Например, никелевые сплавы. В производстве устройств долговременной компьютерной памяти, таких как дискеты и жесткие диски, магнитная окись железа является очень важным, даже незаменимым материалом.
Хлоридное железо, т.е. хлорид железа III, радиолюбители используют на практике в процессе травления печатных плат. Железный купорос (десятиводный сульфат железа) вперемешку с медным купоросом используется в строительстве и садоводстве для борьбы с вредными грибками. Железо применяют в качестве анода при производстве железо-никелевых аккумуляторов, а также железо-воздушных аккумуляторов.
В черно-белых лазерных принтерах, которые так распространены сегодня, в качестве тонера используют ультрадисперсный порошок магнетита. Ряд сплавов на основе железа обладают уникальными ферромагнитными свойствами, благодаря чему они нашли широкое применение в электротехнике при производстве различных электродвигателей магнитопроводов трансформаторов.
Для производства сплавов железа ответственного назначения и сталей служат совершенно новые процессы - электрошлаковый переплав, вакуумный процесс, электронно-лучевая и плазменная плавка и т.д. Разрабатываются способы получения стали в агрегатах с непрерывным процессом, что позволит обеспечить автоматизации процесса и полувчения высокого качества металла.
На основе железа изготавливаются материалы, которые способны выдерживать воздействие низких и высоких температур, высоких давлений и вакуума, больших переменных напряжений, агрессивных сред, ядерных излучений и т. д. Объемы производства железа и железных сплавов неуклонно растет.
С древности железо использовалось как художественный материал в Индии, Египте и Месопотамии. Со средневековых времен сохранилось множество произведений искусства выполненных из железа в странах Европы (Италии, Англии, России, Франции и др.) - дверные петли, кованые ограды, настенные кронштейны, флюгера, светцы, оковки сундуков. Изделия кованые насквозь из прутьев, а также предметы, выполненные из просечного листового железа (зачастую имеют слюдяную подкладку) отличаются четким линейно-графическим силуэтом, плоскостными формами, и эффектно просматриваются на фоне света и воздуха. В XX веке железо широко используется при изготовлении оград, решеток, ажурных интерьерных перегородок, монументов, подсвечников, и других элементов внешнего и внутреннего дизайна.
Производство
Производство чугуна
Чугун производят в вертикальных печах, называемых домнами. Чугун получают из шихты, которая содержит кусочки обогащенной руды, в присутствии кокса и флюсов. В доменную печь снизу вдувается обогащенный кислородом воздух. Углерод, содержащийся в коксе сгорает, а диоксид углерода, полученный таким путем, восстанавливается за монооксида счет до избытка углерода. Монооксид углерода, образующийся в печи, в последовательном порядке восстанавливает оксид железа, содержащийся в руде, до железа как металла:
3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2
2Fe 3 O 4 + 2CO = 6FeO + 2CO 2
FeO + CO = Fe + CO 2
CaCO 3 = Ca + CO 2
В результате образуется известь, которая способствует переводу силикатных примесей в жидкий шлак. Доменный процесс дает в результате шлака почти столько же, сколько и смого чугуна.
На сегодняшний день доменная печь является крупным сооружением, производящим 1000 тонн чугуна за сутки. Высота печи, составляет около 30 мметров, а диаметр на уровне заплечиков - около 8 метров. Нижняя часть печи охлаждается водой.
Производство стали
Производство стали представляет собой переплавку чугуна в присутствии окислителей. Во время выплавки стали содержание С снижается до полутора – двух процентов. Оксид FeO, образующийся в условиях окисления, реагирует с примесями и углеродом, окисляя их, при этом восстанавливается до Fe.
В бессемеровском (кислородно-конверторном) методе получения стали используется специальная емкость для выплавки, т.е. конвертер, который представляет собой ретортообразный резервуар.
Внутрь конвертера заливается жидкий чугун, продуваемый смесью кислорода, воздуха и углеводородов, загружают шихту, которая содержит стальной лом, руду, чугун и флюсы, затем подается чистый кислород.
Перед стартом кислородно-конвертерного процесса необходимо наклонить конвертер в сторону загрузочного пролета, а металлоломзасыпается через горловину. После в конвертер заливается жидкий металл из доменной печи, который содержит примерно 1,5% кремния м 4,5% углерода. Углерод окисляется до CO 2 или CO, а кремний до SiO 2 . По загрузочному лотку добавляют известь, чтобы образовался шлак с диоксидом кремния. Вместе со шлаком выводится большая часть кремния
Существует еще и кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера. В днище конвертера фурмы защищаются синхронной продувкой природного газа. Данный процесс протекает быстрее, он производительнее, процесса с верхней продувкой, но он не так эффективен в расплавлении металлолома. Но есть возможность сочетать нижнюю продувку с верхней.
Электрическая печь . Сначала электропечи применялись лишь для выплавки инструментальных и нержавеющих сталей, которые до этого выплавляли в тиглях. Но со временем электропечи заняли играть важное место в производстве стали из металлолома в случаях, когда не нужен передел чугуна. Сейчас около 30% нерафинированной стали производится в электропечах. Самые распространенные - дуговые электропечи. Пол такой печи облицовывают огнеупорным кирпичом, свод охлаждают водой. В своде есть три отверстия, в которые вводят угольные электроды. Между металлоломом и электродами на дне печи возникает дуговой разряд. В крупной печи сила тока достигает размера 100 000 А.Физические свойства
Железо может иметь две кристаллические решетки: α- или γ- объемно-центрированной кубической и гранецентрированной кубической. Ниже температуры 910°С устойчива с α- модификация ОЦК-решёткой (при 20°С а = 2,86645 Å), γ-модификация устойчива при 910°С - 1400°С, ГЦК-решётка (а = 3,64 Å). При достижении 1400°С снова образуется ОЦК-решётка, δ-Fe (а = 2,94 Å), которая устойчива до температуры 1539°С. α - модификация ферромагнитная вплоть до токи Кюри (769°С). Модификации δ-Fe и γ-Fe парамагнитные.
В 1868 Д. К. Черновоткрыл полиморфные превращения железа и стали после нагревания и охлаждения. Углерод образует с железом твёрдые растворы внедрения, где атомы углерода, имеют малый атомный радиус (0,77 Å), они размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, которая состоит из более крупных атомов. У железа атомный радиус составляет 1,26 Å.
Сочетание закалки и отпуска (нагрева до относительно низкой температуры с целью уменьшения внутреннего напряжения) придает стали требуемое сочетание пластичности и твёрдости.
Физические свойства железа напрямую зависят от чистоты металла. В промышленных материалах железу обычно сопутствуют примеси азота, углерода, кислорода, фосфора, водорода, серы. Даже очень малые концентрации данных примесей существенно изменяют свойства железа. Например, сера вызывает так называемую красноломкость, а фосфор (до 10 -20 % Р) такое свойство как хладноломкость, на пластичность железа влияют углерод и азот, примесь водорода увеличивает хрупкость (водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10 -7 -10 -9 % приводит к сильным изменениям физических свойств металла, а в частности повышается пластичность.
Давайте рассмотрим физические свойства чистого железа (примесей не более 0,01% по массе). Итак, атомный радиус железа составляет 1,26 Å, ионные радиусы Fe3+O,67 Å, Fe2+O,80 Å. Температура плавления 1539 °С, температура кипения примерно 3200 °С, плотность (при 20°С) равна7,874 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения железа (при 20°С) составляет 11,7·10 -6 , теплопроводность металла (при 25°С) равна 74,04 вт/(м*К) =
Теплоёмкость железа сильно зависит от структуры, с температурой изменяется сложным образом. Средняя удельная теплоёмкость железа (при 0-1000°С) составляет 640,57 дж/(кг·К) = . Параметр удельного электрического сопротивления (при 20°С) равен 9,7·10-8ом·м = , Модуль Юнга составляет 190—210·10 3 Мн/м. 2 = = (19-21·10 3 кгс/мм 2), температурный коэффициент электрического сопротивления (при 0-100°С) равен 6,51·10 -3 , температурный коэффициент модуля Юнга равен 4·10 -6 , Кратковременная прочность на разрыв составляет 170-210Мн/м2, модуль сдвига равен 84,0·10 3 Мн/м 2 , относительное удлинение равно 45-55%, твёрдость металла по Бринеллю составляет 350-450 Мн/м 2 , предел текучести равен100Мн/м 2 , и ударная вязкость железа равна 300 Мн/м 2 .
Конфигурация внешней электронной оболочки атома железа имеет вид 3d64s2. Железо имеет переменную валентность (более устойчивы соединения двух- и трехвалентного железа). Железо образует с кислородом окись Fe 2 O 3 , закись FeO, и закись-окись Fe 3 O 4 . При обычной температуре во влажном воздухе железо покрывается рыхлой ржавчиной. Ржавчина по причине своей пористости не препятствует доступу воздуха и влаги к поверхности металла, поэтому она не предохраняет железо от дальнейшего окисления. Из-за разных видов коррозии каждый год теряются миллионы тонн железа. В результате нагревания железа в сухом воздухе выше температуры 200°С его поверхность покрывается тонкой окисной плёнкой, защищающей металл от коррозии в обычной температуре, что и лежит в основании технического способа защиты железа - методе воронения.
Химические свойства
При нагревании железа на водяном паре, металл окисляется с выделением Fe 3 O 4 (при температуре ниже 570°С) либо FeO (при температуре выше 570°С), а также выделением водорода.
Такая гидроокись, как Fe(OH) 2 образуется в результате действия аммиака или едких щелочей на водные растворы солей Fe 2+ в атмосфере азота или водорода, имеет вид белого осадка. Впоследствии соприкосновения с воздухом гидроокись сначала зеленеет, а затем чернеет, ну а после быстро превращается в красно-бурую Fe(OH) 3 . Закись железа FeO проявляет его основные свойства. А Окись Fe 2 O 3 является амфотерной и обладает плохо выраженной окисляющей функцией, реагирует с основными окислами (к примеру, с MgO), образует ферриты, т.е. такие соединения, как Fe2O3·nMeO, которые имеют ферромагнитные свойства, они широко применяются в радиоэлектронике. У шестивалентного железа, которое существует в виде ферратов, также выражены кислотные свойства. К примеру, K 2 FeO 4 , соль, не выделенная в обычном состоянии железной кислоты.
Железо способно легко реагировать с галогеноводородами и галогенами, давая при этом соли. Яркий пример - хлориды FeCl 3 и FeCl 2 . В результате нагревания железа вместе с серой, образуются сульфиды FeS 2 и FeS. У железа есть и карбиды — Fe 2 C (ε-карбид), Fe 3 C (цементит), выпадающие из твёрдых растворов углерода в железе при охлаждении данных растворов. Fe 3 C может также выделяться из раствора углерода в жидком железе если концентрации С будут высокими. Азот, почти, как и углерод, углерод, образует твёрдые растворы внедрения с железом. Из этих растворов выделяют нитриды Fe2N и Fe4N. С водородом железо способно давать только малоустойчивые гидриды, чей состав точно так и не установлен. Вследствие нагревания железо довольно энергично вступает в реакцию с фосфором и кремнием, при этом образуются фосфиды (к примеру, Fe3P) и силициды (к примеру, Fe3Si).
Соединения железа со многими элементами (кислород, сера и другими), которые образуют кристаллическую структуру, обладают переменным составом (например, в составе моносульфида содержание серы может изменяться от 50 до 53,3%). Данное явление объясняется наличием дефектов кристаллической структуры. К примеру, в закиси железа FeO некоторые ионы Fe 2+ в узлах решётки замещаются ионами Fe 3+ . С целью сохранения такого свойства, как электронейтральность, некоторые узлы решётки, которые принадлежат ионам вида Fe 2+ , остаются пустыми, а фаза при обычных условиях записывется формулой Fe 0,947 O.
Величина нормального электродного потенциала железа в водных растворах солей Fe для реакции
Fe <- Fe 2+ +2
Fe -> Fe 2+ +2
равна 0,44 в, а для реакции
Fe <- Fe 3+ +3
Fe -> Fe 3+ +3
равен - 0,036 в. Таким образом, в ряду активностей железо имеет место левее водорода. Элемент может легко растворяться в разбавленных кислотах, выделяя водород и образовывая ионы Fe 2+ .
Довольно своеобразно взаимодействует железо с азотной кислотой. Концентрат азотной кислоты (плотность 1,45 г/см 3) пассивирует железу в результате возникновения на поверхности металла окисной плёнки, а более разбавленная азотная кислотоа растворяет железо, образуя ионы Fe 3+ и Fe 2+ либо, восстанавливается до MH 3 либо N 2 O и N 2 .
Растворы солей двухвалентного железа не устойчивы на воздухе: Fe 2+ со временем окисляется и превращается в Fe 3+ . Водные растворы солей железа в результате процесса гидролиза осуществляют кислую реакцию. Добавка в растворы солей Fe 3+ тиоцианат-ионов SCN способствует появлению яркой кроваво-красной окраски в результате возникновения Fe(SCN) 3 , а это в свою очередь позволяет осуществлять присутствие одной части Fe 3+ в примерно 106-ти частях H 2 O. Для железа характерны образования комплексных соединений.
Железо является четвёртым по распространённости элементом на нашей планете. Содержание его в земной коре составляет аж целых 5% от общей массы . Но, не смотря на это железо не сформировалось на нашей планете самостоятельно.
История появления этого химического элемента на Земле связана с колоссальными звёздами. В результате взрыва новой или сверхновой звезды образуется огромная масса астероидов, которые содержат большое количества железа. Эти астероиды кружат в космическом пространстве, пока не попадут в поле притяжения какого-нибудь космического тела.
Из всего этого следует вывод, что железо имеет неземное происхождение и попало на Землю из космоса вмести с метеоритами.
Без такого химического элемента, как железо, зарождение жизни на Земле было бы невозможно.
Большую часть ядра нашей планеты составляет расплавленное железо. Оно создаёт электромагнитное поле, которое защищает нашу планету от всевозможных негативных воздействий из космоса (например таких, как солнечная радиация)
Именно благодаря оксиду железа земля имеет такой коричневый цвет.
В природе очень редко можно встретить железо в чистом виде. Чистое железо попадает на Землю из космоса, так называемое метеоритное железо. В основном железо встречается в виде соединений с другими химическими элементами — железными рудами. Железо в руде представлено в виде окисей и закисей. Хорошая железная руда содержит до 57% железа и выше.
Железо в быту
В быту мы используем сплавы железа с углеродом – чугун и сплавы железа с другими металлами – всевозможные марки сталей.
Человечество использует железо очень давно, но в глубокой древности использовалось в основном метеоритное железо
. Находки из этого металла дотируются 8-12 веком до нашей эры.
Выплавлять железо из руды умели в Индии, Анатолии и на Кавказе ещё в 12 веке до нашей эры, но «железная революция произошла где-то в первом тысячелетии до нашей эры. Железо стало быстро распространяться по всему миру вытисняя из обихода такие металлы, как бронза.
В наши дни металлургическое производство служит основой тяжелой промышленности, но выплавлять сталь только из одного металлолома пока не научились. Сталь выплавляют из чугуна с добавлением металлического лома.
Железо в организме человека
В человеческом организме содержится примерно 5 граммов этого металла.
Железо играет очень важную роль в нашем организме. За транспортировку и доставку всех питательных веществ ко всем нашим органам отвечает такой белок, как гемоглобин, основу которого составляет железо. Железо отвечает за энергию в нашем организме. Самостоятельно вырабатывать этот химический элемент наш организм не умеет. Железо мы получаем извне с продуктами питания.
Согласно статистике до 70% людей недополучают железо в полном объёме, а железодефицитной анемией страдают более 20% нашего народонаселения. Лёгкие формы этого вида анемии практически не имеют симптомов, но оказывают значительное воздействие на здоровье человека.
Ежесуточная норма поступления этого минерала в детский организм должна составлять 8-12 мг. Для взрослой женщины эта норма должна составлять не менее 18 мг , после менопаузы эта норма сокращается до 8-10 мг. Для мужчины достаточно и 8 мг в день.
Железо усваивается относительно легко, но для его усвоения необходим витамин С и органические кислоты. Мешают усвоению железа щавелевая кислота, дубильные вещества и повышенное употребления в пищу клетчатки. Также железо не усваивается в присутствии кальция. Обильное употребления чая и кофе препятствует усвоению нашим организмом этого необходимого вещества.
При недостатке железа проявляется сонливость, апатия и не желание что-либо делать. Снижается иммунитет, увеличивается выпадение волос и ломкость ногтей и учащается сердцебиение.
При переизбытке этого минерала в организме могут проявляться запоры, расстройство желудка, тошнота и рвота.
Несколько интересных фактов
- Именно благодаря железу цвет нашей крови красный. У некоторых морских обитателей те функции, которые в нашем организме исполняет железо, выполняет другой элемент – медь. Поэтому цвет их крови голубой.
- Если из организма убрать всё железо человек проживёт не более двух часов.
- О железе упоминается в Коране. В 57 суре говорится – «.. мы низвели вам и железо, в котором сильное зло и многая польза для людей..»
- В чистом виде железо — это очень пластичный металл.
- В столице Индии стоит колонна из чистого железа, происхождение которой для учёных до сих пор остаётся загадкой.
- Если нагреть железо чуть выше 800 градусов оно потеряет свои магнитные свойства. Этот эффект называется – «Точкой Кюри».
- Именно благодаря магнитным свойствам оксида железа появилась возможность записывать на плёнку ауди и видео записи.
- В древней Европе носить украшения из железа могли только представители знати.
- Самый большой железный метеорит был найден в Намибии (Африка) в 1920 году. Его вес около 66 т. Это считается самым большим куском чистого железа на нашей планете.
- Кроме оксида железа в железной руде содержится более 300 минералов.
- Железо полностью растворяется в серной и азотной кислоте.
- В глубокой древности железо ценилось дороже золота.
- В одном фрукте граната содержится суточная норма железа для человека.
- При температуре 1535 градусов железо начинает плавиться.
- Ржавчина есть ничто иное, как окись железа.
Железо играет важную роль в жизни практически всех организмов, за исключением некоторых бактерий. В организме животных железо входит в состав множества ферментов и белков, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях, главным образом в процессе дыхания. Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине - важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.
В организме человека содержится около 5 г железа. Из них 57% приходится на гемоглобин крови, 7% – на миоглобин мышц, 16% связаны с тканевыми ферментами, а 20% – это запас, отложенный в печени, селезёнке, костном мозге и почках.
Гемоглобин – сложный по составу белок, содержащий и небелковую гем -группу, на долю которого приходится около 4% массы гемоглобина. Гем представляет собой комплекс железа (II) с макроциклическим лигандом – порфирином и имеет плоское строение. В этом комплексе атом железа связан с четырьмя донорными атомами азота макрокольца так, что атом железа находится в центре этого порфиринового кольца. Пятую связь атом железа образует с атомом азота имидазольной группы гистидина – аминокислотного остатка глобина (рис. 4).
Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК. Неорганическое железо встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.
Суточная норма потребности человека составляет около 15 мг железа. Много железа в сливовом соке, кураге, изюме, орехах, тыквенных и подсолнечных семечках. В 10 г проросшей пшеницы содержится 1 мг железа. Черный хлеб, отруби, хлеб грубого помола также богаты железом. Следует учесть, что организмом усваивается всего лишь 10% от всего железа, получаемого с пищей. Витамины и пищевые продукты растительного происхождения способствуют усвоению железа, а в присутствии щавелевой и фитиновой кислот железо не всасывается.
При недостаточном поступлении железа в организм используют содержащие его лекарственные препараты. Для этих целей когда-то применяли даже обычные железные опилки. Из истории известно, что граф А.П.Бестужев-Рюмин (1693–1766) предложил в качестве укрепляющего и возбуждающего средства капли (они получили название «бестужевские»), представлявшие собой раствор трихлорида железа в смеси этанола и этилового эфира. Сейчас для устранения дефицита железа обычно используют порошкообразное железо в таблетках или капсулах и препараты на основе ферроцена.
- В организм животных и человека железо поступает с пищей, наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла. Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесен в этот список (из-за опечатки в результатах анализа - был потерян «лишний» ноль после запятой).
- На основании косвенных данных можно заключить, что ядро Земли представляет собой главным образом сплав железа. Его радиус приблизительно равен 3470 км, тогда как радиус Земли составляет 6370 км.
- Железо в свободном виде обнаружено на луне. Определение возраста лунных минералов с помощью радиоактивных изотопов показало, что они кристаллизовались от 3.2 до 4.2 миллиардов лет назад. Это приблизительно совпадает с возрастом древнейших минералов, обнаруженных на Земле.
Сегодня железо востребовано в различных сферах жизнедеятельности человека. Это прочный и практичный материал, который легко поддается обработке. Из железа создают опорные конструкции, технику и бытовые изделия. К сожалению, железо боится негативного влияния влаги, поэтому его поверхность покрывают специальным раствором или подвергают обработке. Далее предлагаем прочитать больше интересных и захватывающих фактов про железо, чтобы с пользой провести свободное время.
1. Железо - это металл серебристо-белого цвета.
2. В железе отсутствуют примеси, поэтому оно является довольно пластичным металлом.
3. Магнитными свойствами обладает этот металл.
4. Свои магнитные свойства железо теряет в нагретом виде.
5. Всего в несколько местах встречается этот металл в чистом виде.
6. В Гренландии можно найти залежи железа.
7. В состав гемоглобина входит железо.
8. В организме человека железо обеспечивает процессы газообмена.
9. Полностью растворяться в кислоте способен этот металл.
10. Оцинкованные листы производятся из чистого железа.
11. Для борьбы с анемией используют препараты с содержанием железа.
12. Чтобы сделать материал более прочным, железо сначала разжигают до красного цвета.
13. Сталь - это сплав углерода с железом.
14. Чугун - это еще один материал, который происходит от железа и углерода.
15. «С неба» попало в руки первому человеку железо.
16. Метеориты содержат довольно большое количество железа.
17. В 1920 году нашли самый железный метеорит.
18. С пищей поступает железо в организм человека и животных.
19. Яйца, печень и мясо имеют наибольшее содержание железа.
20. Из сплава железа состоит ядро нашей планеты.
21. На Луне было обнаружено железо в свободном виде.
22. В крапиве присутствует высокое содержание железа.
23. В Америке в военные годы заставляли обогащать муку железом для военных.
24. Примерно с 1000 до 450 гг. до н. э. продолжается железный век в Европе.
25. Железными изделиями имели право украшать себя только представители знати в Европе.
26. В древнем Риме из железа изготавливали кольца.
27. Во время археологических раскопок были найдены первые изделия из железа.
28. Метеоритное железо использовалось при изготовлении древних изделий.
29. Первые изделия из железа были найдены во II-III вв. до н.э. в Месопотамии.
30. В Азии распространилось производство железных изделий в середине II века до нашей эры.
31. Прыжок в производстве металлических приспособлений состоялся в XII-X вв. до н.э. в Передней Азии.
32. Железным веком называют период массового изделия предметов из железа.
33. Сыродутный метод был основным способом производства железа в древние времена.
34. Чтобы железо было более прочным, его дополнительно разжигали с углем.
35. Люди научились со временем развития железа изготовлять из него чугун.
36. Производство изделий из железа начало развиваться в Китае начиная с VIII века до нашей эры.
37. Вторым металлом после алюминия является железо за распространением в мире.
38. Более 4,65% составляет по массе в земной коре содержание химического элемента железа.
39. В своем составе железную руду содержит более 300 минералов.
40. До 70% может составлять содержание железа в промышленных рудах.
41. В большинстве разбавленных кислотах растворяется железная руда.
42. Для производства электромагнитных станций используется железо.
43. Легко намагничивается железо при комнатной температуре.
44. При температуре +800 градусов Цельсия теряются магнитные свойства железа.
45. Железо можно ковать.
46. Более износостойким делается железо в процессе ковки.
47. На три группы по происхождению делятся месторождения железной руды.
48. Железо может легко вступать в различные химические реакции.
49. С углеродом, фосфором или серой легко вступает в реакцию железо.
50. Железо способно окисляться при контакте с влажным воздухом.
51. Ковкий сплав железа представляет собой сталь.
52. Обычно сталь подвергают закалке для повышения механических свойств.
53. Такие же химические свойства у стали, как и у железа.
54. Для производства оружия и инструментов используется сталь.
55. Сплавом углерода и железа является чугун.
56. При выплавке стали используют чугун.
57. Со времени расселения арийских племен уже были известны изделия из железа.
58. Дороже чем золото в древности ценилось железо.
59. От лат. sidereus – звездный, происходит название природного карбоната железа.
60. В космосе на других планетах было найдено большое количество железной руды.
61. Под действием соленой воды железо быстрее ржавеет.
62. Железо боится воздействия воды и других негативных факторов внешней среды.
63. Шестым распространенным металлом в мире является именно железо.
64. В оправу из золота в древности помещались изделия из железа.
65. Еще со второго тысячелетия до нашей эры производилось железо в Египте.
66. Самым крепким считалось прежде железо всех известных металлов.
67. В Азии и Европе в начале нашей эры уже производили изделия из железа.
68. Очень редким и дорогим было, когда-то метеоритное железо.
69. Из чистого железа сделана древняя колонна в Индии.
70. Человек начинает болеть, если в организме не хватает железа.
71. Яблоки и печень богаты на содержание железа.
72. Железо необходимо для нормальной жизни всех живых существ на земле.
73. В современном мире железо широко используется для создания предметов быта.
74. С помощью железа производилось оружие, которое помогало в ожесточенных боях.
75. Достаточно большое количество железа в организме может привести к возникновению заболевания.
76. В гранате содержится достаточное количество железа для суточной нормы человека.
77. Без железа не может прожить ни один живой организм.
78. В современном мире существует большое количество поговорок о железе.
79. Большинство мостов в мире сделано из железа.
80. В состав современных металлических конструкций входит железо.
81. Существовало такое время, когда за железом охотились почти все жители земли с целью наживы.
82. Подковы для лошади делают из железа.
83. В древние времена считался самым счастливым оберегом из железа.
84. В Западной Азии был изобретен способ создания железа.
85. Железный век пришел на смену Бронзовому периоду в Греции.
86. С помощью древесного угля создают железо.
87. Специальный процесс для плавки железа был изобретен в 20 веке.
88. В виде двух кристаллических решеток может существовать железо.
89. Электролизом водных растворов его солей получают незначительное количество железа.
90. В настоящее время слово «железо» стало широко использовать в различных афоризмах.
92. На основе железа создаются материалы, которые выдерживают высокие температуры.
93. В древней Индии широко использовалось железо.
94. Пищей для крови и иммунитета является пища богата на содержания железа.
95. С физиологическими возможностями и возрастом человека меняется потребность организма в железе.
96. Температура плавления железа составляет 1535 градусов Цельсия.
97. Основные лекарственные препараты в своем составе содержат железо.
98. Через грудное молоко происходит наибольшее всасывание железа в организм ребенка.
99. Даже цыплята болеют анемией, при недостаточном количестве железа.
100. Различные болезни желудка провоцирует отсутствие в организме железа.