Сообщение о железе. Химические свойства железа и его соединений, их применение

Вы знаете, что железо защищает планету от «космических атак»? Благодаря огромным скоплениям этого элемента формируется магнитное поле Земли. Как экран, поле защищает ее от астероидов...

Железо играет роль не только в таких глобальных вещах, но и в нашей повседневной жизни: сталь и большинство сплавов созданы именно на основе этого элемента. Таким образом, всё, от столовых приборов до автомобилей и микроэлектроники, не могло бы работать без железа .

Наконец, без него была бы невозможна и наша жизнь, так как этот минерал входит в состав гемоглобина - содержимого эритроцитов, благодаря которым ткани получают возможность использовать кислород. Еще множество полезных свойств скрывает в себе этот замечательный элемент. Подробнее о том, в чем заключаются функции железа для нашего здоровья - в этой статье.

Содержание железа в продуктах (на 100 г):

Печень 10-20 мг
Дрожжи 18 мг
Морская капуста 16 мг
Чечевица 12 мг
Гречка 8,2 мг
Желток 7,2 мг
Кролик 4,4 мг
Черная икра 2,5 мг

Что собой представляет железо?

Это металл. В составе органов и тканей железо находится в приблизительном количестве 3-5 граммов. Этого немного, но организму вполне хватает такой небольшой дозы для того, чтобы успешно продолжать свое существование. Четыре пятых всего железа приходится на гемоглобин, остальная часть рассеяна по организму и распределена в печени , мышцах, костях и т.д. Некоторая часть внутреннего железа входит в состав ферментов.

Со временем происходит естественная потеря минерала, в связи с чем человеку необходимо постоянное поступление некоторых дозировок железа. Оно теряется с мочой и потовой жидкостью, у женщин расход железа также связан с ежемесячными потерями во время менструаций.

Продукты питания, богатые железом

Элемент настолько распространен в природе, что железо присутствует в составе большинства продуктов питания. Самыми лучшими источниками являются животные - мясо и печень. В них же железо находится в наиболее усвояемой форме. В растительной пище его обычно меньше, чем в животной, но это тоже важный источник поступления минерала. Он присутствует в цитрусовых, гранатах, свекле, гречке, бобовых, орехах, тыкве, яблоках, морской капусте, хурме.

Суточная потребность в железе

Как правило, у мужчин потребность в витаминах и минералах больше, чем у женщин, но в данном случае все не так: более высокие дозировки железа нужны женщинам. Им требуется 18 мг минерала, тогда как мужчинам порядка 10 мг. Для детей норма точно не определена, по разным источникам, она может составлять от 4 до 15 мг.

Увеличение потребности в железе

Повышенная потребность в железе присуща следующим группам лиц:

Женщинам в период после менструаций. Кровопотеря, пусть и небольшая, требует компенсации содержания гемоглобина в крови.
. Беременным и кормящим. В период беременности осуществляется значительный расход железа на построение организма плода, а кормящие матери тратят свое железо на питание ребенка (оно проникает в грудное молоко). Буквально у каждой второй беременной наблюдаются признаки дефицита железа, что говорит о значительном повышении потребности в этом элементе у будущих мам.
. После травм, кровопотерь, серьезных хирургических операций.

Железо - очень ценный элемент. В связи с этим организм научился использовать его повторно. При естественном разрушении старых эритроцитов специальные белки-переносчики захватывают освободившееся железо и переносят его в органы кроветворения, где он снова используется.

Однако потери минерала все равно достаточно велики, так что в повседневной жизни многим людям требуется дополнительное применение железа. Если у Вас потребность в этом элементе повышена, стоит начать прием пищевых добавок с содержанием этого элемента.

Усвоение железа из пищи

Даже в идеальных условиях из пищи всасывается не более 10% поступившего железа. Существует ряд факторов, которые еще больше снижают эту цифру. В то же время, есть определенные факторы, которые всасываемость минерала повышают. Что же определяет степень усвоения железа?

1. Источник. В животных продуктах железо содержится в легкой для усвоения двухвалентной форме. В растительных оно трехвалентное. Чтобы его усвоить и «пустить в ход», организм должен потратить энергию, чтобы восстановить минерал до двухвалентной формы. Именно поэтому большая часть железа, поступившего с гречкой или гранатовым соком, не идет организму на пользу.
2. Здоровье органов пищеварения . При пониженной кислотности желудочного сока, гастрите и энтерите всасываемость железа существенно снижается. При здоровом пищеварительном тракте она оптимальна.
3. Состав пищи.

4. Железо лучше усваивается в присутствии витамина С , органических кислот овощей и фруктов, аминокислот лизина и гистидина, а также некоторых углеводов, таких как фруктоза и сорбит. Таким образом, мясо и печень всегда следует сочетать со свежим овощным салатом.

5. Железо хуже усваивается в присутствии дубильных веществ, пищевых волокон (они «собирают» на себя молекулы железа и выводят их из организма), фитина, щавелевой кислоты. Это означает, что если вы стремитесь получить больше железа, рекомендуется избегать слишком частого употребления таких продуктов как бобовые, щавель, шпинат, отруби. Достаточно сильным антагонистом железа является кальций, содержащие его продукты (главным образом молочные) угнетают его всасывание.

Биологическая роль железа

Функции железа таковы:

Является незаменимым элементом для кроветворения, сырьем для образования дыхательного пигмента гемоглобина и формирования эритроцитов.
. Важен для синтеза гормонов щитовидной железы
. Укрепляет иммунитет , способствует повышению защитных сил организма
. Улучшает работу некоторых витаминов, таких как витамин В6 , В12 , В9
. Улучшает эффекты ряда микроэлементов, таких как кобальт, марганец, медь
. Входит в состав ферментов, обеспечивающих обезвреживание вредных веществ в организме
. Обеспечивает возможность дыхания тканей, а это дает не только оздоровительный, но и косметический эффект. При нормальном поступлении железа в организм у человека остается хорошим состояние кожи, волос, ногтей
. Защищает от переутомления, хронической усталости
. Имеет большое значение в работе нервной системы .

Признаки нехватки железа

Недостаток минерала и необходимость в регулярном применении железа - чрезвычайно распространенное явление. Самым первым и главным признаком дефицита элемента в организме является анемия.

Уменьшение числа эритроцитов и уровня гемоглобина в крови приводит к таким симптомам: слабость, быстрое наступление утомления, неустойчивость к физическим нагрузкам, запоры или диарея, нарушения аппетита и вкуса, онемение и зябкость в конечностях, бледность и сухость кожи, ухудшение состояния ногтей, выпадение волос, ослабление иммунитета и т.д. Зачастую именно эти признаки позволяют догадаться о дефиците железа в организме. Человек обращается к врачу, его обследуют и выявляют анемию.

Признаки избытка железа

Даже при питании продуктами, содержащими высокие концентрации железа, не возникает его избытка. Это связано с тем, что организм самостоятельно «фильтрует» излишки минеральных соединений и берет ровно столько железа, сколько ему нужно.

Гораздо сложнее ему противостоять сверхвысоким дозировкам железа, поступающим с препаратами. Если использовать железосодержащие средства и пищевые добавки слишком интенсивно, возможно возникновение отравления. Оно дает о себе знать рвотой, головной болью, нарушениями стула и другими симптомами.

Избыток железа также наблюдается при редком заболевании под названием гемохроматоз. При этой болезни организм осуществляет патологическое накопление железа, что проявляется серьезными нарушениями со стороны печени и других органов.

Факторы, влияющие на содержание в продуктах железа

Если длительное время проводить кулинарную обработку продуктов, содержание усвояемого железа в них снижается, так как оно переходит в форму, малодоступную для всасывания. Поэтому, если Вы покупаете мясо или печень, выбирайте продукты наивысшего качества, которые не будут слишком жесткими и которые не надо будет слишком долго варить или жарить.

В данной статье будет рассказано о железе, его химических и физических свойствах. Они имеют большое значение для определения способа перевозки железа, его условий хранения, получения, выплавки и т. д.

Железо является одним из наиболее популярных металлов. Но зачастую так называют его сплав с какой-либо примесью, например, с углеродом. Это помогает сохранить пластичность и мягкость самого металла. Показателем в таком составе будет количество чистого металла, углерода и примесей.

Для выплавки стали применяют метод металлизации, который помогает изделию стать более устойчивым к внешним воздействиям, таким как эрозия, коррозия, износ. При этом содержание дополнительной примеси может быть разным.

Углерод

Процент содержания углерода в сплаве может колебаться от 0,2 % до 10%. Это зависит от способа восстановления железа. При этом само количество и степень металлизации могут варьироваться очень широко. В газообразно-восстановительных процессах нитевидный углерод осаждается из газовой фазы на поверхность железа. Но реакция до конца не завершается, и продукт, подвергшийся металлизации, имеет на своей поверхности и в порах сажу, образовавшуюся из углерода.

Фосфор

В процессе прямого восстановления железа количество фосфора не снижается, а процент его содержания при металлизации равен его количеству в исходном сырье. Понизить это может полное обогащение руды, используемой для процесса восстановления. Причем соотношение фосфора и железа зависит от увеличения процента железа, которое ведет к снижению процента содержания фосфора. В большинстве составов он равен 0,010-0,020%, редко 0,030%.

Сера

Сырьем для прямого восстановления железа часто служат окатыши, не подвергшиеся флюсованию, поскольку в них удалена большая часть серы путем окислительного обжига, и тогда главным источником серы будет являться восстановитель.

При исходном твердом восстановителе количество серы в составе металлизованного материала может оказаться высоким. Тогда его понижения можно достичь добавлением известняка и доломита.

В случае газообразного восстановителя на выходе получается продукт с низким процентом серы, до 0,003.

Азот и водород

Азот содержится в малых количествах в руде, что определяет его небольшой процент и в металлизованных материалах, до 0,003%. Количество водорода доходит до 150 куб. см. на 100 гр., причем в стали его процент такой же, как и при выплавке лома.

Цветные металлы

Количество цветных металлов, а именно никеля, хрома, свинца, меди, имеет состав железа прямого восстановления, и часто оно низкое благодаря чистоте сырья. Такой показатель губчатого железа можно сравнить с чугуном. Разница будет лишь в том, что в чугуне есть хром в восстановленном виде.

Титан, хром, ванадий находятся в металлизованных окатышах в составе окислов. В процессе плавки достаточно просто организовать возможность, мешающую восстановить их из шлака. Это дает способность получить металл, в составе которого будет низкий процент содержания титана, хрома и, возможно, марганца.

Железо, состав которого включает в себя олово, свинец, цинк и другие цветные металлы, причем в небольшом и устойчивом проценте, образуется при окислительном процессе обжига окатышей, прямом восстановлении железа и плавке. Все это благодаря малому количеству примесей названных металлов в руде, а также частичному их удалению.

Определено, что удаление цинка возможно при металлизации и плавке. Свинец испаряется во время обжига и восстановления, но в небольшой степени, а главным будет плавильный процесс. Олово, как и сурьма, с трудом удаляются из состава из-за низкого их содержания, или вообще переходят в металл. Исследования, проведенные лабораторным путем, показали, что то, из чего состоит железо, определяется количеством цветных металлов в качестве примесей. Их процент колеблется от менее чем 0,01, как в стали с содержанием никеля, хрома и меди, так до менее 0,001 – в составах с оловом, свинцом, мышьяком, сурьмой и цинком.

Железо – основной конструкционный материал. Металл используется буквально везде – от ракет и подводных лодок до столовых приборов и кованых украшений на решетке. В немалой степени этому способствует элемент в природе. Однако истинной причиной является, все же, его прочность и долговечность.

В данной статье нами будет дана характеристика железа как металла, указаны его полезные физические и химические свойства. Отдельно мы рассказываем, почему железо называют черным металлом, чем оно отличается от других металлов.

Как не странно, но до сих пор иногда возникает вопрос о том, железо — это металл или неметалл. Железо – элемент 8 группы, 4 периода таблицы Д. И. Менделеева. Молекулярная масса 55,8, что довольно много.

Это металл серебристо-серого цвета, довольно мягкий, пластичный, обладающий магнитными свойствами. На деле чистое железо встречается и используется крайне редко, поскольку металл химически активен и вступает в разнообразные реакции.

О том, что такое железо, расскажет это видео:

Понятие и особенности

Железом обычно называют сплав с небольшой долей примесей – до 0,8%, который сохраняет практически все свойства металла. Повсеместное применение находит даже не этот вариант, а сталь и чугун. Свое наименование – черный металл, железо, а, вернее говоря, все тот же чугун и сталь, получили благодаря цвету руды – черному.

Сегодня черными металлами называют сплавы железа: сталь, чугун, феррит, а также марганец, и, иногда, хром.

Железо – очень распространенный элемент. По содержанию в земной коре он занимает 4 место, уступая кислороду, и . В ядре Земли находится 86% железа, и всего 14% – в мантии. В морской воде вещества содержится очень мало – до 0,02 мг/л, в речной воде несколько больше – до 2 мг/л.

Железо – типичный металл, к тому же довольно активный. Он взаимодействует с разбавленными и концентрированными кислотами, но под действием очень сильных окислителей может образовать соли железной кислоты. На воздухе железо быстро покрывается оксидной пленкой, предупреждающей дальнейшую реакцию.

Однако в присутствии влаги вместо оксидной пленки появляется ржавчина, которая благодаря рыхлой структуре дальнейшему окислению не препятствует. Эта особенность – корродирование в присутствии влаги, является главным недостатком железных сплавов. Стоит отметить, что провоцируют коррозии примеси, в то время как химически чистый металл устойчив к воде.

Важные параметры

Чистый металл железо довольно пластичен, хорошо поддается ковке и плохо литью. Однако небольшие примеси углерода значительно увеличивают его твердость и хрупкость. Это качество и стало одной из причин вытеснения бронзовых орудий труда железными.

Если сравнить железные сплавы и , из тех, что были известны в древнем мире, очевидно, что , и по коррозийной стойкости, а, значит, и по долговечности. Однако массовое привело к истощению оловянных рудников. А, так как значительно меньше, чем , перед металлургами прошлого оставался вопрос о замене. И железо заменило бронзу. Полностью последняя была вытеснена, когда появились стали: такого сочетания твердости и упругости, бронза не дает.
Железо образует с кобальтом и триаду железа. Свойства элементов очень близки, ближе, чем у их же аналогов с таким же строение внешнего слоя. Все металлы обладают прекрасными механическими свойствами: легко обрабатываются, прокатываются, протягиваются, их можно ковать и штамповать. Кобальт и не столь реакционноспособны и более устойчивы к коррозии, чем железо. Однако меньшая распространенность этих элементов не позволяет использовать их так же широко, как и железо.
Главным «конкурентом» железу по области использования выступает . Но на деле оба материала обладают совершенно разными качествами. далеко не столь прочен, как железо, хуже вытягивается, не поддается ковке. С другой стороны, металл отличается, куда меньшим весом, что заметно облегчает конструкции.

Электропроводность железа весьма средняя, в то время как алюминий по этому показателю уступает лишь серебру, и золоту. Железо является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность при отсутствии магнитного поля, а и втягивается в магнитное поле.

Столь разные свойства обуславливают абсолютно разные области применения, так что «сражаются» конструкционные материалы очень редко, например, в производстве мебели, где легкость алюминиевого профиля противопоставляется прочности стального.

Преимущества и недостатки железа рассмотрены далее.

Плюсы и минусы

Главное преимущество железа по сравнению с другими конструкционными металлами – распространенность и относительная простота выплавки. Но, учитывая в каком количестве используется железо, это весьма немаловажный фактор.

Преимущества

К плюсам металла относят и другие качества.

Прочность и твердость при сохранении упругости – речь идет не о химически чистом железе, а о сплавах. Причем качества эти варьируются в довольно широких пределах в зависимости от марки стали, способа термообработки, метода получения и так далее.
Разнообразие сталей и ферритов позволяет создать и подобрать материал буквально для любой задачи – от каркаса моста до режущего инструмента. Возможность получения заданных свойств при добавлении очень незначительных примесей – необычайно большое достоинство.
Легкость механической обработки позволяет получить продукцию самого разного вида: прутки, трубы, фасонные изделия, балки, листовое железо и так далее.
Магнитные свойства железа таковы, что металл является основным материалом при получении магнитоприводов.
Стоимость сплавов зависит, конечно, от состава, но все равно значительно ниже, чем у большинства цветных, пусть и с более высокими прочностными характеристиками.
Ковкость железа обеспечивает материалу очень высокие декоративные возможности.

Недостатки

Минусы железных сплавов значительны.

В первую очередь это недостаточная коррозийная стойкость. Специальные виды сталей – нержавеющие, обладают этим полезным качеством, но и стоят намного дороже. Значительно чаще металл защищают с помощью покрытия – металлического или полимерного.
Железо способно накапливать электричество, поэтому изделия из его сплавов подвергаются электрохимической коррозии. Корпуса приборов и машин, трубопроводы должны каким-то образом защищаться – катодная защита, протекторная и так далее.
Металл тяжелый, поэтому железные конструкции заметно утяжеляют объект строительства – здание, железнодорожный вагон, морское судно.

Состав и структура

Железо существует в 4 различных модификациях, отличающихся друг от друга параметрами решетки и структурой. Наличие фаз имеет действительно решающее значение для выплавки, поскольку именно фазовые переходы и их зависимость от легирующих элементов обеспечивает само течение металлургических процессов в этом мире. Итак, речь идет о следующих фазах:

α-фаза устойчива до +769 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой. α-фаза является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствии магнитного поля. Температура в 769 С является точкой Кюри для металла.
β-фаза существует от +769 С до +917 С. Структура модификации та же, но параметры решетки несколько другие. При этом сохраняются практически все физические свойства за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком.
γ — фаза появляется в диапазоне от +917 до +1394 С. Для нее характера гранецентрированная кубическая решетка.
δ-фаза существует выше температуры в +1394 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой.

Выделяют также ε-модификацию, которая появляется при высоком давлении, а также в результате легирования некоторыми элементами. ε -фаза обладает плотноупакованной гексагонической решеткой.

Про физические и химические свойства железа поведает этот видеоролик:

Свойства и характеристики

Очень сильно зависят от его чистоты. Разница между свойствами химически чистого железа и обычного технического, а тем более легированной стали, весьма существенна. Как правило, физические характеристики приводят для технического железа с долей примесей 0,8%.

Необходимо отличать вредные примеси от легирующих добавок. Первые – сера и фосфор, например, придают сплаву хрупкость, не увеличивая твердость или механическую стойкость. Углерод в стали увеличивает эти параметры, то есть, является полезным компонентом.

Плотность железа (г/см3) в некоторой степени зависит от фазы. Так, α-Fe имеет плотность равную 7,87 г/куб. см при нормальной температуре и 7,67 г/куб. см при +600 С. Плотность γ-фазы ниже – 7,59 г/куб. см. а δ-фазы еще меньше – 7,409 г/куб.см.
Температура плавления вещества – +1539 С. Железо относится к умеренно тугоплавким металлам.
Температура кипения – +2862 С.
Прочность, то есть стойкость к нагрузкам разного рода – давление, растяжение, изгиб, регламентируется для каждой марки стали, чугуна и феррита, так что об этих показателях говорить в общем сложно. Так, быстрорежущие стали имеет предел прочности на изгиб равный 2,5–2,8 ГПа. А тот же параметр обычного технического железа составляет 300 МПА.
Твердость по шкале Мооса – 4–5. Специальные стали и химически чистое железо достигают куда более высоких показателей.
Удельное электрическое сопротивление 9,7·10-8 ом·м. Железо проводит ток куда хуже меди или алюминия.
Теплопроводность тоже ниже, чем у этих металлов и зависит от фазового состава. При 25 С составляет 74,04 вт/(м·К)., при 1500 С — 31,8 [Вт/(м.К)].
Железо прекрасно куется, причем как при нормальной, так и повышенной температуре. Чугун и сталь поддаются литью.
Биологически инертным вещество назвать нельзя. Однако токсичность его очень низкая. Связано это, правда, не столько с активностью элемента, сколько с неспособностью человеческого организма хорошо его усвоить: максимум составляет 20% от получаемой дозы.

К экологическим веществам железо отнести нельзя. Однако основной вред окружающей среде причиняет не его отходы, поскольку железо ржавеет и довольно быстро, а отходы производства – шлаки, выделяющиеся газы.

Производство

Железо относится к весьма распространенным элементам, так что и не требует больших расходов. Разрабатываются месторождения как открытым, так и шахтным методом. По сути, все горные руды включают в состав железо, но разрабатываются лишь те, где доля металла достаточно велика. Это богатые руды – красный, магнитный и бурый железняк с долей железо до 74 %, руды со средним содержанием – марказит, например, и бедные руды с долей железа не менее 26% – сидерит.

Богатая руда сразу же отправляется на завод. Породы со средним и низким содержанием обогащаются.

Существует несколько методов получения железных сплавов. Как правило, выплавка любой стали включает получение чугуна. Его выплавляют в доменной печи при температуре 1600 С. Шихту – агломерат, окатыши, загружают вместе с флюсом в печь и продувают горячим воздухом. При этом металл плавится, а кокс горит, что позволяет выжечь нежелательные примеси и отделить шлак.

Для получения стали обычно используют белый чугун – в нем углерод связан в химическое соединение с железом. Наиболее распространены 3 способа:

мартеновский – расплавленный чугун с добавкой руды и скрапа плавят при 2000 С с тем, чтобы уменьшить содержание углерода. Дополнительные ингредиенты, если они есть, добавляют в конце плавки. Таким образом получают самую высококачественную сталь.
кислородно-конвертерный – более производительный способ. В печи толщу чугуна продувают воздухом под давлением в 26 кг/кв. см. Может использоваться смесь кислорода с воздухом или чистый кислород с целью улучшить свойства стали;
электроплавильный – чаще применяется для получения специальных легированных сталей. Чугун палят в электрической печи при температуре в 2200 С.

Сталь можно получить и прямым методом. Для этого в шахтную печь загружают окатыши с большим содержанием железа и при температуре в 1000 С продувают водородом. Последний восстанавливает железо из оксида без промежуточных стадий.

В связи со спецификой черной металлургии на продажу попадает либо руда с определенным содержанием железа, либо готовая продукция – чугун, сталь, феррит. Цена их очень сильно отличается. Средняя стоимость железной руды в 2016 году – богатой, с содержанием элементов более 60%, составляет 50$ за тонну.

Стоимость стали зависит от множества факторов, что порой делает взлеты и падение цен совершено непредсказуемо. Осенью 2016 стоимость арматуры, горяче- и холоднокатаной стали резко возросла благодаря не менее резкому подъему цен на коксующийся уголь – непременного участника выплавки. В ноябре европейские компании предлагает рулон горячекатаной стали по 500 Евро за т.

Область применения

Сфера использования железа и железных сплавов огромна. Проще указать, где металл не применяется.

Строительство – сооружение всех видов каркасов, от несущего каркаса моста, до коробки декоративного камина в квартире, не может обойтись без стали разных сортов. Арматура, прутки, двутавры, швеллеры, уголки, трубы: абсолютно вся фасонная и сортовая продукция используется в строительстве. То же самое касается и листового проката: из него изготавливают кровлю, и так далее.
Машиностроение – по прочности и стойкости к износу со сталью очень мало, что может сравниться, так что детали корпуса абсолютного большинства машин изготавливаются из сталей. Тем более в тех случаях, когда оборудование должно работать в условиях высоких температур и давления.
Инструменты – с помощью легирующих элементов и закалки металлу можно придать твердость и прочность близкую к алмазам. Быстрорежущие стали – основа любых обрабатывающих инструментов.
В электротехнике использование железа более ограничено, именно потому, что примеси заметно ухудшают его электрические свойства, а они и так невелики. Зато металл незаменим в производстве магнитных частей электрооборудования.
Трубопровод – из стали и чугуна изготавливают коммуникации любого рода и вида: отопление, водопроводы, газопроводы, включая магистральные, оболочки для силовых кабелей, нефтепроводы и так далее. Только сталь способна выдерживать столь огромные нагрузки и внутреннее давление.
Бытовое использование – сталь применяется везде: от фурнитуры и столовых приборов до железных дверей и замков. Прочность металла и износостойкость делают его незаменимым.

Железо и его сплавы сочетают в себе прочность, долговечностью стойкость к износу. Кроме того, металл относительно дешев в производстве, что и делает его незаменимым материалом для современного народного хозяйства.

Про сплавы железа с цветными металлами и тяжелыми черными расскажет это видео:

Одним из наиболее распространенных металлов в земной коре после алюминия считается железо. Физические и химические свойства его таковы, что оно обладает отличной электропроводностью, теплопроводностью и ковкостью, имеет серебристо-белый цвет и высокую химическую реакционную способность быстро коррозировать при высокой влажности воздуха или больших температурах. Находясь в мелкодисперсном состоянии, оно в чистом кислороде горит и самовоспламеняется на воздухе.

Начало истории железа

В третьем тысячелетии до н. э. люди стали добывать и научились обрабатывать бронзу и медь. Широкого применения из-за дороговизны они не получили. Продолжались поиски нового металла. История железа началась в первом веке до н. э. В природе его можно встретить только в виде соединений с кислородом. Для получения чистого металла необходимо отделить последний элемент. Расплавить железо долго не удавалось, так как его надо было нагреть до 1539 градусов. И только с появлением сыродутных печей в первом тысячелетии до новой эры стали получать этот металл. На первых порах он был хрупким, содержал много шлаков.

С появлением горнов качество железа значительно улучшилось. Дальнейшую обработку оно проходило в кузнеце, где ударами молота отделялся шлак. Ковка стала одним из главных видов обработки металла, а кузнечное дело незаменимой отраслью производства. Железо в чистом виде - это очень мягкий металл. В основном его используют в сплаве с углеродом. Эта добавка усиливает такое физическое свойство железа, как твердость. Дешевый материал вскоре широко проник во все сферы деятельности человека и сделал переворот в развитии общества. Ведь еще в древние времена железные изделия покрывались толстым слоем золота. Оно имело высокую цену по сравнению с благородным металлом.

Железо в природе

Одного алюминия в литосфере содержится больше, чем железа. В природе его можно встретить только в виде соединений. Трехвалентное железо, вступая в реакцию, окрашивает почву в бурый цвет и придает песку желтоватый оттенок. Оксиды и сульфиды железа разбросаны в земной коре, иногда наблюдаются скопления минералов, из которых впоследствии и добывают металл. Содержание двухвалентного железа в некоторых минеральных источниках придает воде особый привкус.

Ржавая вода, текущая из старых водопроводных труб, окрашивается за счет трехвалентного металла. Его атомы находятся и в организме человека. Они содержатся в гемоглобине (железосодержащем белке) крови, который снабжает организм кислородом и выводит углекислый газ. В составе некоторых метеоритов содержится чистое железо, иногда встречаются целые слитки.

Какими физическими свойствами железо обладает?

Это пластичный серебристо-белого цвета металл с сероватым оттенком, имеющий металлический блеск. Он является хорошим проводником электрического тока и теплоты. Благодаря пластичности он прекрасно поддается ковке и прокатке. Железо не растворяется в воде, но разжижается в ртути, плавится при температуре 1539 и кипит при 2862 градусов по Цельсию, имеет плотность 7,9 г/см³. Особенностью физических свойств железа является то, что металл притягивается магнитом и после аннулирования внешнего магнитного поля хранит намагниченность. Используя эти свойства его можно применять для изготовления магнитов.

Химические свойства

Железо обладает следующими свойствами:

на воздухе и в воде легко окисляется, покрываясь ржавчиной;
в кислороде накаленная проволока горит (при этом образуется окалина в виде оксида железа);
при температуре 700-900 градусов по Цельсию вступает в реакцию с парами воды;
при нагревании реагирует с неметаллами (хлором, серой, бромом);
вступает в реакции с разбавленными кислотами, в результате получаются соли железа и водород;
не растворяется в щелочах;
способно вытеснить металлы из растворов их солей (железный гвоздь, в растворе медного купороса, покрывается красным налетом, - это выделяется медь);
в концентрированных щелочах при кипячении проявляется амфотерность железа.

Особенность свойств

Одним из физических свойств железа является ферромагнитность. На практике с магнитными свойствами этого материала приходится встречаться часто. Это - единственный металл, который обладает такой редкостной чертой.

Под действием магнитного поля происходит намагничивание железа. Сформировавшиеся магнитные свойства металл еще долго сохраняет и сам остается магнитом. Такое исключительное явление объясняется тем, что структура железа содержит большое количество свободных электронов, способных передвигаться.

Запасы и добыча

Одним из самых распространенных элементов на земле является железо. По содержанию в земной коре занимает четвертое место. Известно множество руд, которые содержат его, например, магнитный и бурый железняк. Металл в промышленности получают в основном из руд гематита и магнетита при помощи доменного процесса. Вначале происходит его восстановление углеродом в печи при высокой температуре 2000 градусов по Цельсию.

Для этого сверху в доменную печь подают железную руду, кокс и флюс, а снизу нагнетается поток горячего воздуха. Также применяют и прямой процесс получения железа. Измельченную руду перемешивают со специальной глиной, получая окатыши. Далее их обжигают и с помощью водорода обрабатывают в шахтной печи, где оно легко восстанавливается. Получают твердое железо, а потом переплавляют его в электрических печах. Чистый металл восстанавливают из оксидов при помощи электролиза водных растворов солей.

Преимущества железа

Основные физические свойства вещества железа дают ему и сплавам следующие преимущества перед другими металлами:

Недостатки

Кроме большого числа положительных качеств, есть и ряд отрицательных свойств металла:

Изделия подвержены коррозии. Для устранения этого нежелательного эффекта с помощью легирования получают нержавеющие стали, а в остальных случаях делают специальную антикоррозийную обработку конструкций и деталей.
Железо накапливает статическое электричество, поэтому изделия, содержащие его, подвергаются электрохимической коррозии и также требуют дополнительной обработки.
Удельный вес металла составляет 7,13 г/см³. Это физическое свойство железа придает конструкциям и деталям повышенный вес.

Состав и структура

У железа по кристаллическому признаку есть четыре модификации, которые отличаются структурой и параметрами решетки. Для выплавки сплавов именно наличие фазовых переходов и легирующих добавок имеет существенное значение. Различают следующие состояния:

Альфа-фаза. Она сохраняется до 769 градусов по Цельсию. В этом состоянии железо сохраняет свойства ферромагнетика и обладает объемно-центрированной решеткой кубического типа.
Бета-фаза. Существует при температуре от 769 до 917 градусов по Цельсию. Имеет немного другие параметры решетки, чем в первом случае. Все физические свойства железа остаются прежними за исключением магнитных, их оно утрачивает.
Гамма-фаза. Строение решетки становится гранецентрированным. Такая фаза проявляется в диапазоне 917-1394 градусов Цельсия.
Омега-фаза. Такое состояние металла появляется при температуре выше 1394 градусов Цельсия. От прежней отличается только параметрами решетки.

Железо - самый востребованный металл в мире. Больше 90 процентов всего металлургического производства приходится именно на него.

Применение

Люди начали использовать сначала метеоритное железо, которое ценили выше золота. С тех пор область применения этого металла только расширялась. Ниже представлено применение железа, на основе его физических свойств:

ферромагнитные оксиды используют для производства магнитных материалов: промышленных установок, холодильников, сувениров;
оксиды железа применяют как минеральные краски;
хлорид железа незаменим в радиолюбительской практике;
сульфаты железа используют в текстильной промышленности;
магнитная окись железа - один из важных материалов для производства устройств долговременной компьютерной памяти;
ультрадисперсный порошок железа находит применение в черно-белых лазерных принтерах;
прочность металла позволяет изготовлять оружие и броню;
износостойкий чугун можно использовать для производства тормозов, дисков сцепления, а также деталей для насосов;
жаростойкий - для доменных, термических, мартеновских печей;
жаропрочный - для компрессорного оборудования, дизельных двигателей;
высококачественная сталь используется для газопроводов, корпуса отопительных котлов, сушилок, стиральных и посудомоечных машин.

Заключение

Под железом часто подразумевают не сам метал, а его сплав - низкоуглеродистую электротехническую сталь. Получение чистого железа довольно сложный процесс, и поэтому его используют только для производства магнитных материалов. Как уже отмечалось, что исключительное физическое свойство простого вещества железа - это ферромагнетизм, т. е. способность намагничиваться в присутствии магнитного поля.

Магнитные свойства чистого металла до 200 раз превышают такие же показатели технической стали. На это свойство влияет и зернистость металла. Чем крупнее зерно, тем выше магнитные свойства. В некоторой степени оказывает влияние и механическая обработка. Такое чистое железо, удовлетворяющее этим требованиям, используют для получения магнитных материалов.

Оксидами железа называют соединения железа с кислородом.

Наиболее известны три оксида железа: оксид железа (II) – FeO ,оксид железа (III ) – Fe 2 O 3 и оксид железа (II , III ) – Fe 3 O 4 .

Оксид железа (II)

Химическая формула оксида двухвалентного железа - FeO . Это соединение имеет чёрный цвет.

FeO легко реагирует с разбавленной соляной кислотой и концентрированной азотной кислотой.

FeO + 2HCl → FeCl 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 → Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O

С водой и с солями в реакцию не вступает.

При взаимодействии с водородом при температуре 350 о С и коксом при температуре выше 1000 о С восстанавливается до чистого железа.

FeO +H 2 → Fe + H 2 O

FeO +C → Fe + CO

Получают оксид железа (II) разными способами:

1. В результате реакции восстановления оксида трёхвалентного железа угарным газом.

Fe 2 O 3 + CO → 2 FeO + CO 2

2. Нагревая железо при низком давлении кислорода

2Fe + O 2 → 2 FeO

3. Разлагая оксалат двухвалентного железа в вакууме

FeC 2 O 4 → FeO +CO + CO 2

4. Взаимодействием железа с оксидами железа при температуре 900-1000 о

Fe + Fe 2 O 3 → 3 FeO

Fe + Fe 3 O 4 → 4 FeO

В природе оксид двухвалентного железа существует как минерал вюстит.

В промышленности применяется при выплавке чугуна в домнах, в процессе чернения (воронения) стали. Входит он в состав красителей и керамики.

Оксид железа (III )

Химическая формула Fe 2 O 3 . Это соединение трёхвалентного железа с кислородом. Представляет собой порошок красно-коричневого цвета. В природе встречается как минерал гематит.

Fe 2 O 3 имеет и другие названия: окись железа, железный сурик, крокус, пигмент красный 101, пищевой краситель E172 .

В реакцию с водой не вступает. Может взаимодействовать как с кислотами, так и со щелочами.

Fe 2 O 3 + 6HCl → 2 FeCl 3 + 3H 2 O

Fe 2 O 3 + 2NaOH → 2NaFeO 2 + H 2 O

Оксид железа (III) применяют для окраски строительных материалов: кирпича, цемента, керамики, бетона, тротуарной плитки, линолеума. Добавляют его в качестве красителя в краски и эмали, в полиграфические краски. В качестве катализатора оксид железа используется в производстве аммиака. В пищевой промышленности он известен как Е172.

Оксид железа (II, III )

Химическая формула Fe 3 O 4 . Эту формулу можно написать и по-другому: FeO Fe 2 O 3 .

В природе встречается как минерал магнетит, или магнитный железняк. Он является хорошим проводником электрического тока и обладает магнитными свойствами. Образуется при горении железа и при действии перегретого пара на железо.

3Fe + 2 O 2 → Fe 3 O 4

3Fe + 4H 2 O → Fe 3 O 4 + 4H 2

Нагревание при температуре 1538 о С приводит к его распаду

2Fe 3 O 4 → 6FeO + O 2

Вступает в реакцию с кислотами

Fe 3 O 4 + 8HCl → FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O

Fe 3 O 4 + 10HNO 3 → 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O

Со щелочами реагирует при сплавлении

Fe 3 O 4 + 14NaOH → Na 3 FeO 3 + 2Na 5 FeO 4 + 7H 2 O

Вступает в реакцию с кислородом воздуха

4 Fe 3 O 4 + O 2 → 6Fe 2 O 3

Восстановление происходит при реакции с водородом и монооксидом углерода

Fe 3 O 4 + 4H 2 → 3Fe + 4H 2 O

Fe 3 O 4 + 4CO → 3Fe +4CO 2

Магнитные наночастицы оксида Fe 3 O 4 нашли применение в магнитно-резонансной томографии. Они же используются в производстве магнитных носителей. Оксид железа Fe 3 O 4 входит в состав красок, которые производятся специально для военных кораблей, подводных лодок и другой техники. Из плавленного магнетита изготавливают электроды для некоторых электрохимических процессов.