Главные свойства железа как вещества

Железо — свойства атома и сплавов

Атомы — Lego природы.

Разделы страницы о железе:

• Железо как химический элемент (железо в физико-химических процессах)
  • Атом железа (краткие сведения)
  • Физические и химические свойства железа (как материала и вещества)
• Железо как минерал (железо в геологии)
  • Распространение железа и типы железных руд
  • Определение (обнаружение) железа
• Железо как материал (железо в технологиях)
  • Историческая справка о добыче и использовании железе
  • Получение железа
  • Применение железа
• Железо как органический микроэлемент (железо в организме и медицине)
  • Недостаток и избыток железа в почве и растениях
  • Потребность в железе в организмах животных и человека
  • Применение железа в медицине и фармакологии
• Сетевые обзоры о железе
• Библиография по железу

Железо как химический элемент (железо в физико-химических процессах)

Атом железа (краткие сведения)

Железо (Fe — от лат. Ferrum) — химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый пластичный металл.

Элемент в природе состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%) и 58Fe (0,31%).

Физические и химические свойства железа

Значение железа в современной технике определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии, поддаётся прокатке, штамповке и волочению. Способность растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных железных сплавов.

Атомные свойства железа

• Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов — 2,62.10-28 [?] м2.
• Конфигурация внешних электронных оболочек 3d64s2.
• Степени окисления +2 и +3 (наиболее характерны), +1, +4, +6, +8.
• Энергия ионизации при последовательном переходе от Fe0 к Fe5+ 7,893, 16,183, 30,65, 57,79 эВ.
• Сродство к электрону 0,58 эВ.
• Электроотрицательность по Полингу 1,8.
• ⚛ Атомный радиус 1,26 [0,126 нм?].
• Ионные радиусы (в нм, в скобках указаны координационные числа) [Ионные радиусы Fe2+ O,80, Fe3+ O,67 ?]:
  • для Fe2+ 0,077 (4), 0,092 (6), 0,106 (8);
  • для Fe3+ 0,063 (4), 0,079 (6), 0,092 (8).

Физические свойства железа как вещества

Физические свойства железа зависят от его чистоты. В промышленных ферро-материалах железу, как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает т. н. красноломкость, фосфор (даже 10-20% Р) — хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость железа (т.н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10-7—10-9% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.

Ниже приводятся физические свойства железа, относящиеся, в основном, к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:

• Плотность (в г/см3):
  • a-Fe 7,87 (20℃), 7,67 (600°С);
  • g-Fe 7,59 (1000°С);
  • d-Fe 7,409;
  • жидкого железа 7,024 (1538°С), 6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С).

  Уравнение температурной зависимости плотности жидкого карбонильного железа: d = 8,618 — 8,83.10-4T г/см3.

• Температура плавления 1539°С [1535°С ?]. DH0 плавления 16,6 кДж/моль.
• Температура кипения около 3200°С [2750°С ?]. DH0 испарения 354,3 кДж/моль.
• Температурный коэффициент линейного расширения (20 °С) 11,7·10-6.
• Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·К) [0,177 (кал/см·сек·град)].
• Теплоёмкость железа зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температуроq. Теплоемкость медленно увеличивается с ростом температуры до 523 К, затем резко возрастает, достигая максимума в точке Кюри, после чего снижается. С0р 25,14 Дж/(моль.К); S0298 27,30 Дж/(моль.К) [?]. Средняя удельная теплоёмкость (0-1000°С) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/(г·град)].
• Теплопроводность [Вт/(м.К)]:
  • 132 (100 К), 80,3 (300 К), 69,4 (400 К), 32,6 (1000 К), 31,8 (1500 К);
  • для армко-железа 74,7 (273 К), 72,8 (298 К), 67,6 (373 К).
• Для 99,99%-ного железа g в атмосфере Не 1,72 Н/м (1535°С); динамич. вязкость в интервале 1535-1700°С изменяется от 6,8.10-4 до 5,6.10-4 Па.с.
• Для 99,99%-ного железа r 0,0327 мкОм.см (4,2 К), 9,71 мкОм.см (293 К), температурный коэф. r 6,51.10-3 К-1 (273-373 К);
• Модуль Юнга 190—210·103 Мн/м.2 (19-21·103 кгс/мм2).
• Температурный коэффициент модуля Юнга 4·10-6.
• Модуль сдвига 84,0·103 Мн/м2 [8,4·103 кгс/мм2].
• Кратковременная прочность на разрыв 170-210 Мн/м2 [17-21 кгс/мм2].
• Относительное удлинение 45—55%.
• Твёрдость по Бринеллю 350—450 Мн/м2 [35—45 кгс/мм2].
• Предел текучести 100 Мн/м2 [10 кгс/мм2].
• Ударная вязкость 300 Мн/м2 [30 кгс/мм2].
• Удельное электрическое сопротивление (20°С) 9,7·10-8 ом·м [9,7·10-6 ом·см].
• Температурный коэффициент электрического сопротивления (0—100°С) 6,51·10-3.
• Температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,1125 К.
• Магнитная проницаемость 1,45.106 (для монокристалла).
• Магнитная индукция насыщения 2,18 Тл.
• Коэрцитивная [?] сила 5-6 А/м (для карбонильного железа).
• ур-ние температурной зависимости давления пара: lgp (в мм рт.ст.) = — 19710/T — l,271gT + 13,27 (1808-3023 К);
• температурный коэф. линейного расширения 12.10-6 К-1 (298 К),
• ур-ние его температурной зависимости: a = 11,3.10-6 + 17,6.10-8t — 1,68.10-11t2 oС-1 (0-800°С).
• Для особо чистого железа ( . При нагревании железа в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты железа — воронения. При нагревании в водяном паре железо окисляется с образованием Fe3O4 (ниже 570°С) или FeO (выше 570°С) и выделением водорода.

  В сухом воздухе при т-рах до 200 °С на поверхности компактного железа образуется тончайшая оксидная пленка, защищающая металл от дальнейшего окисления . Выше 200 °С скорость коррозии железа увеличивается, образуется слой окалины; внутр. зона ее состоит из вюстита FеxО (х = 0,89-0,95), поверх него лежит слой Fe3O4, затем Fe2O3. Ржавление железа (атмосферная коррозия) во влажном воздухе, особенно содержащем капли морской воды, идет быстрее; ржавчина содержит также и гидроксиды железа, в основном FeO(OH).

  Гидроокись Fe (OH)2 образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака на водные растворы солей Fe2+ в атмосфере водорода или азота. При соприкосновении с воздухом Fe (OH)2 сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурую гидроокись Fe (OH)3. Закись FeO проявляет основные свойства. Окись Fe2O3 амфотерна и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными окислами (например, с MgO), она образует ферриты — соединения типа Fe2O3·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного железа, существующего в виде ферратов, например K2FeO4, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.

  Железо легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl2 и FeCl3. При нагревании железо особенно легко реагирует с Сl2, т. к. образующийся FeCl3 летуч и не создает на поверхности металла защитной пленки. Напротив, FeF3 нелетуч, поэтому компактное железо устойчиво к действию F2 до 250-300 °С.

  При нагревании железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS2. Р-ция железа с S экзотермична, начинается при слабом нагревании, при этом образуется нестехиометрический сульфид, близкий по составу к FeS. В природе распространен минерал пирит FeS2 .

  Азот, подобно углероду, даёт с железом твёрдые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe4N и Fe2N.

  С водородом железо даёт лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен.

  При нагревании железо энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe3Si) и фосфиды (например, Fe3P).

  Соединения железа с многими элементами (О, S и др.), образующие кристаллическую структуру, имеют переменный состав (так, содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это обусловлено дефектами кристаллической структуры. Например, в закиси железа часть ионов Fe2+ в узлах решётки замещена ионами Fe3+; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решётки, принадлежавшие ионам Fe2+, остаются пустыми и фаза (вюстит) [?] в обычных условиях имеет формулу Fe0,947O.

  Своеобразно взаимодействие железо с азотной кислотой. Концентрированная HNO3 (плотность 1,45 г/см3) пассивирует железо вследствие возникновения на его поверхности защитной окисной плёнки; более разбавленная HNO3 растворяет железо с образованием ионов Fe2+ или Fe3+, восстанавливаясь до MH3 или N2O и N2.

  Железо образует два ряда солей — соед. Fe(II) и Fe(III). Соли Fe(II) гидролизуются, в числе продуктов гидролиза образуются разл. полиядерные комплексы; на воздухе окисляются до Fe(III). Более устойчивы двойные соли, напр., соль Мора FeSO4.(NH4)2SO4.6H2O , и комплексные. В водном р-ре Fe2+ образует аквакомплексы, напр., состава [Fe(H2O)6]2+ , часто сохраняющиеся и в высших кристаллогидратах солей. Р-ры солей Fe2+ практически бесцветны, т. к. окраска [Fe(H2O)6]2+ очень слабая (зеленоватая). При действии Na2CO3 на р-ры Fe2+ осаждается карбонат FeCO3, который при действии избытка СО2 переходит в р-р в виде Fe(HCO3)2. Наиб. прочные комплексы Fe(II) — цианистые, напр. K4[Fe(CN)6] . Соли Fe(II) — восстановители в водных р-рах.

  Соли Fe(III) образуются при окислении солей Fe(II) и др. способами; гидролизуются (с образованием разл. полиядерных комплексов) сильнее, чем соли Fe(II). Гидратир. ион Fe3+ почти бесцветен, но р-ры солей Fe3+ обычно имеют бурую окраску из-за образования гидроксосоединений. Р-ры Fe3+ с MNCS дают кроваво-красный р-р тиоцианата Fe(NCS)3, с K4[Fe(CN)6] — ярко-синий осадок берлинской лазури (турнбулевой сини) приблизительного состава KFeIII[FeII(CN)6]. При взаимод. р-ров солей Fe(III) с (NH4)2C2O4 образуется оксалат Fe2(C2O4)3 (т. разл. 100°С), применяемый для получения светокопировальной бумаги. Сульфат Fe(III) образует двойные сульфаты . Амминокомплексы Fe(II) и Fe(III) образуются при действии NH3 на безводные соли; водой разлагаются.

  Степень окисления +6 железо проявляет в ферратах(VI), напр. BaFeO4, K2FeO4, +4 — в тетранитрозиле Fe(NO)4, который образуется при действии NO на железо при повышенном давлении, и ферратах(IV) составов MIIFeO3, MI2FeO3, MI4FeO4, легко образующихся в водных щелочных средах при окислении О2. При анодном растворении железа при высоких плотностях тока образуется феррат(VШ) неопределенного состава.

  Растворы железа

  Железо — металл умеренной химической активности. Стандартный электродный потенциал Fe2+/Fe0 -0,447 В, Fe3+/Fe0 -0,037 В, Fе3+/Fе2+ +0,771 В.

  Нормальный электродный потенциал железа в водных растворах его солей для реакции составляет — 0,44 в, а для реакции равен — 0,036 в. Т. о., в ряду активностей железо стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением H2 и образованием ионов Fe2+.

  Железо не раств. в воде и р-рах холодных щелочей, реагирует с разбавленными кислотами, образуя соли Fe(II), и горячими конц. р-рами щелочей. Конц. HNO3 и H2SO4 пассивируют железо благодаря образованию нерастворимой в кислотах оксидной пленки.

  Растворы солей 2-валентного железа на воздухе неустойчивы — Fe2+ постепенно окисляется до Fe3+. Водные растворы солей железа вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe3+ тиоцианат-ионов SCN- даёт яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe (SCN)3, что позволяет открывать присутствие 1 части Fe3+ примерно в 106 частях воды. Для железа характерно образование комплексных соединений.

  Жидкое железо неограниченно растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti, хорошо растворяет V, Сr и Pt, ограниченно — Mo, Sn, С, S, P, As, H2, N2, О2, не растворяет Pb, Ag, Bi.

  Азот в малых концентрациях образует с железом твердые р-ры внедрения, в больших — нитриды Fe2N и др. При нормальном давлении ок. 917°С р-римость N2 в a-Fe до 0,01 ат. %, в g-Fe ок. 0,1 ат. %.

  Железо способно поглощать Н2 при травлении кислотами и в процессе катодного выделения железа при электролизе. Адсорбируясь на дефектах структуры, водород резко снижает прочность и пластичность железа (т. наз. водородная хрупкость). Твердое железо поглощает Н2 с образованием твердых р-ров внедрения. Р-римость Н2 в железе при комнатной т-ре менее 0,005%, в расплавленном железе — почти в 25 раз больше. Гидриды железа существуют только при высоких давлениях Н2; известны гидриды интерметаллидов железа, напр. TiFeH2 . С СО железо образует железа карбонилы, в которых железо формально проявляет нулевую степень окисления.

  Фосфор при малых концентрациях дает с железом ограниченные твердые растворы, при больших концентрациях — фосфиды, из которых наиб. устойчивы Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2.

  Твёрдые растворы внедрения железа с углеродом

  Углерод образует с железом твердые растворы внедрения — феррит и мартенсит с a-Fe, аустенит с g-Fe. В них атомы С, имеющие небольшой атомный радиус (0,77), размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26). Твёрдый раствор углерода в g-Fe называется аустенитом, а в a-Fe — ферритом. Насыщенный твёрдый раствор углерода в g-Fe содержит 2,0% С по массе при 1130°С; a-Fe растворяет всего 0,02— 0,04%С при 723°С, и менее 0,01% при комнатной температуре. Поэтому при закалке аустенита образуется мартенсит — пересыщенный твёрдый раствор углерода в a-Fe, очень твёрдый и хрупкий.

  В сплавах железа углерод присутствует также в виде графита и цементита Fe3C. В зависимости от содержания С в железе различают: мягкое железо ( .

  Карбиды железа — Fe3C (цементит) и Fe2C (e-карбид) — выпадают из твёрдых растворов углерода в железе при охлаждении. Fe3C выделяется также из растворов углерода в жидком железе при высоких концентрациях С.

  Железо как минерал (железо в геологии)

  Распространение железа

По содержанию в литосфере (4,65% по массе) железо занимает второе место среди металлов (на первом — алюминий). Это один из самых распространенных элементов в природе. Оно принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений железных руд . Энергично мигрируя в земной коре, железо образует свыше 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.).

Важную роль в геохимии железа играют окислительно-восстановительные реакции — переход 2-валентного железа в 3-валентное и обратно. В биосфере при наличии органических веществ Fe3+ восстанавливается до Fe2+ и легко мигрирует, а при встрече с кислородом воздуха Fe2+ окисляется, образуя скопления гидроокисей 3-валентного железа. Широко распространённые соединения 3-валентного железа имеют красный, жёлтый, бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и их наименование — «красно-цветная формация» (красные и бурые суглинки и глины, жёлтые пески и т. д.).

Железо — металл земных глубин, оно накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере железо накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные руды.

Железо входит в состав гемоглобина.

Типы железных руд

Промышленное значение имеют руды с содержанием Fe свыше 16%. Поэтому важнейшими рудными минералами железа являются:

1. магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 (содержит 72,4% Fe),
2. гематит (железный блеск, красный железняк) Fe2O3 (70% Fe),
3. гётит a-FeO(OH), или Fe2O3.H2O,
4. лепидокрокит g-FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe2O3.xH2O (ок. 62% Fe),
5. сидерит FeCO3 (48,2% Fe),
6. ильменит FeTiO3 (36,8% Fe).

Наряду с полезными примесями — Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co — железные руды содержат и вредные примеси — S, P и др. Железо входит в состав прир. силикатов, значительные скопления которых могут иметь пром. значение для произ-ва железа или его соед.

Различают след. осн. типы железных руд.

1. Бурые железняки — руды гидроксидов Fe(III) (главный минерал — гётит); содержат до 66,1% Fe (чаще 30-55%); имеют осадочное происхождение. Крупнейшие месторождения в СССР, во Франции, в Гвинее.
2. Гематитовые руды, или красные железняки (главный минерал — гематит); содержат обычно 50-65% Fe. Для них характерно залегание богатых руд поверх мощных толщ бедных (30-40% Fe) магнетитовых кварцитов. Крупнейшие месторождения в СССР, США, Канаде, Бразилии, Венесуэле.
3. Магнетитовые руды, или магнитные железняки (главный минерал -магнетит); содержат чаще всего до 45-60% Fe. Верх. горизонты магнетитовых рудных тел обычно частично окислены до гематита (полумартиты и мартиты). Крупнейшие месторождения в СССР и Швеции.
4. Силикатные руды (25-40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна. В Германии, Югославии, Чехии и ряде др. стран Европы, относятся к группе зеленых слюд-хлоритов.

Главные минералы — шамозит Fe4(Fe, Al)2[Al2Si2O10](OH)8 и тюрингит (Mg, Fe)3,5Al1,5[Si2,5Al1,5O10](ОН)6.nН2О — содержат до 42% Fe. Важнейшие месторождения в ГДР, Австрии и др. Мировые разведанные запасы железных руд составляют 231,9 млрд. т, или 93 млрд. т в пересчете на железо (1980). По запасам железных руд (балансовым — св. 100 млрд. т) СССР занимает первое место в мире. Наиб. запасы железных руд (в млрд. т), кроме СССР, сосредоточены в Бразилии (34), Канаде (26), Австрии (21), США (17), Индии (13), ЮАР (9), Швеции (4,5) и во Франции (4). Перспективно использование бедных железом горных пород и железомарганцевых конкреций. Мировые запасы последних оцениваются в 3000 млрд. т (1984). Теллурич. железо образуется в результате восстановления оксидов и сульфидов железа углеродом из железистой магмы и при подземных пожарах угля, контактирующего с пластами руды. В чрезвычайно редких случаях железо встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO (аналог которого в технике называют вюститом), а также в виде самородного железа — метеорного и теллурического (земного происхождения).

Железо как материал (железо в технологиях)

Историческая справка о железе

Железо было известно ещё в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определённом уровне развития техники.

Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным железом, о чём свидетельствуют его названия на языках древних народов:

• древнеегипетское «бени-пет» означает «небесное железо»;
• древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (родительный падеж sideris) — звезда, небесное тело.
• В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, французское fer, итальянское ferro).

В хеттских текстах 14 в. до н. э. упоминается о железе. как о металле, упавшем с неба.

Способ получения железа из руд был изобретён в западной части Азии [Закавказье?] во II тысячелетии до н.э.. Затем применение железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции. Так на смену бронзовому веку пришёл железный век [после окончания Троянской войны в 12-м веке до н.э., когда секрет производства железа узнали от хеттов]. Гомер (в 23-й песне «Илиады») рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска.

В Европе и Древней Руси в течение многих веков железо получали по сыродутному процессу. Железную руду восстанавливали древесным углём в горне (восстановление металлов), устроенном в яме. Затем в горн мехами нагнетали воздух, а продукт восстановления — крицу ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия.

По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть железа науглероживалась, т. е. получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна «чушка», «свинское железо» — английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой двухстадийный процесс (кричный передел) оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12—13 вв. кричный способ был уже широко распространён. В 14 в. чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь («домницу»), а затем и в доменную печь.

В середине 18 в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлические шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы.

В последней четверти 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в железо на поду пламенной отражательной печи (пудлингование).

Промышленный переворот 18 — начала 19 вв., изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в железе и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства железа не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 в., когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы.

В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.

Определение (обнаружение) железа

Качественно Fe(II) обнаруживают по образованию берлинской лазури с K3[Fe(CN)6], Fe(III) — пo образованию ее же с K2[Fe(CN)6] или Fe(CNS)3 с тиоцианатом аммония или К.

Количественно Fe(II) определяют с помощью дихроматометрии или перманганатометрии, Fе(Ш) — иодометрич. или комплексонометрич. титрованием с трилоном Б и индикатором (сульфосалициловая кислота), Fe(II) и Fe(III) — колориметрически с сульфосалициловой кислотой. Для определения железа используют также спектральный, рентгенофлуоресцентный и термометрич. методы, мёссбауэровскую спектроскопию и др. Примеси в железе определяют методами газового анализа, масс-спектрометрическим, активационным, кондуктометрическим, спектральным и др.

Получение железа

Схема металлургич. передела железных руд включает дробление, измельчение, обогащение магнитной сепарацией (до содержания Fe 64-68%), получение концентрата (74-83% Fe), плавку; осн. массу железа выплавляют в виде чугуна и стали . Технически чистое железо, или армко-железо (0,02% С, 0,035% Мn, 0,14% Сr, 0,02% S, 0,015% Р), выплавляют из чугуна в сталеплавильных печах или кислородных конвертерах. Чистое железо получают: восстановлением оксидов железа твердым (коксик, кам.-уг. пыль), газообразным (Н2, СО, их смесь, прир. конвертированный газ) или комбинир. восстановителем; электролизом водных р-ров или расплавов солей железа; разложением пентакарбонила Fe(CO)5 (карбонильное железо). Сварочное, или кричное, железо производят окислением примесей малоуглеродистой стали железистым шлаком при 1350°С или восстановлением из руд твердым углеродом. Восстановлением оксидов железа при 750-1200°С получают губчатое железо (97-99% Fe) — пористый агломерат частиц железа; пирофорно; в горячем состоянии поддается обработке давлением. Карбонильное железо (до 0,00016% С) получают разложением Fe(CO)5 при 300 °С в среде NH3 с послед. восстановит. отжигом в среде Н2 при 500-600 °С; порошок с размером частиц 1-15 мкм; перерабатывается методами порошковой металлургии. Особо чистое железо получают зонной плавкой и др. методами.

Чистое железо получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Разрабатывается способ непосредственного получения железа из руд электролизом расплавов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого железа путём его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах.

Применение железа

Технически чистое железо — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Карбонильное железо используют для нанесения тончайших пленок и слоев на магнитофонные ленты, как катализатор, антианемическое средство и др. Из губчатого железа выплавляют высококачественные стали. Железный порошок используют для сварки, а также для цементации меди. Искусственные радиоактивные изотопы 55Fe (T1/2 2,6 ч) и 59Fe (Tl/2 45,6 сут) — изотопные индикаторы.

Железо — важнейший металл современной техники. В чистом виде железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов железа приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) — чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железных руд . Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путём окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом S, Р, О) и добавления легирующих элементов . Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и др. элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов железа особо ответственного назначения служат новые процессы — вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и др. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.

На основе желеха создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т.п.

Использование железа как художественного материала

Железо как художественный материал использовалось с древности в Египте (подставка для головы из гробницы Тутанхамона около Фив, середина 14 в. до н. э., Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамии (кинжалы, найденные около Кархемиша, 500 до н.э., Британский музей, Лондон), Индии (железная колонна в Дели, 415).

Со времён средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из железа в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и др.) — кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного листового железа (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами, чётким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на свето-воздушном фоне.

В 20 веке железо используется для изготовления решёток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.

Железо в организме и медицине

Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем, около 0,02%); оно необходимо, главным образом, для кислородного обмена и окислительных процессов. Почти всё железо в организмах животных и растений связано с белками. Существуют организмы (т.н. концентраторы), способные накапливать его в больших количествах, например, железобактерии — до 17—20% железа [видимо, из их отложений и возникло затем большинство железных руд].

Недостаток и избыток железа в почве и растениях

В земной коре железа сравнительно много — в среднем 4,2%. В разных почвах количество его сильно колеблется, приблизительно в пределах 1—5%. Особенно много железа в южных субтропических почвах (в западной части Грузии и южной части Азербайджана), где окиси железа нередко накопляется до 20 и более процентов. [Недаром в этих местах племя халибов впервые научилось добывать железо]

Среднее содержание железа в растениях приблизительно 0,02%. Общее количество этого элемента в урожаях разных культур колеблется от 1 до 10 кг на гектар.

В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения железа, и растения не получают его в достаточном количестве [а значит, и животные, и люди]. В кислых почвах железо переходит в растворимые соединения в избыточном количестве. При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений железа, заболевания растений могут наблюдаться на значительных территориях (в некоторых биогеохимических провинциях).

Недостаток железа вызывает задержку роста и явление хлороза растений, связанное с пониженным образованием хлорофилла. При хлорозе листовые пластинки равномерно вначале бледнеют, а затем приобретают желтоватую окраску. Особую чувствительность к недостатку железа обнаруживают почти все плодовые деревья, ягодники и виноград. Страдают также, но в меньшей степени, некоторые полевые и овощные культуры (овес, кукуруза, картофель, томаты и др.).

Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток железа, вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз.

Потребность в железе в организмах животных и человека

В животных организмах железо входит в состав окислительных ферментов и красящего вещества крови (гемоглобин), в котором его количество доходит до 0,47%. Очень важна роль железа в процессах тканевого дыхания, нарушение которых приводит к быстрой гибели животных и человека.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, шпинат, свёкла). В норме человек получает с рационом 60—110 мг железа, что значительно превышает его суточную потребность. Всасывание поступившего с пищей железа происходит в верхнем отделе тонких кишок, откуда оно в связанной с белками форме поступает в кровь и разносится к органам и тканям, где депонируется в виде железо-белкового комплекса — ферритина. Основное депо железа в организме — печень и селезёнка.

За счёт железа ферритина происходит синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах — миоглобин, в различных тканях — цитохромы и др. железосодержащие ферменты.

Выделяется железо из организма, главным образом, через стенку толстых кишок (у человека около 6—10 мг в сутки) и в незначительной степени почками.

Потребность организма в железе меняется с возрастом и физическим состоянием. На 1 кг веса необходимо детям — 0,6, взрослым — 0,1 и беременным — 0,3 мг железа в сутки. У животных потребность в железе ориентировочно составляет (на 1 кг сухого вещества рациона): для дойных коров — не менее 50 мг, для молодняка — 30—50 мг, для поросят — до 200 мг, для супоросных свиней — 60 мг.

Применение железа в медицине и фармакологии

В медицине лекарственные препараты железа (восстановленное железо, лактат железа, глицерофосфат железа, сульфат 2-валентного железа, таблетки Бло, раствор яблочнокислого железа, ферамид, гемостимулин и др.) используют при лечении заболеваний, сопровождающихся недостатком железа в организме (железодефицитная анемия), а также как общеукрепляющие средства (после перенесённых инфекционных заболеваний и др.).

Изотопы железа (52Fe, 55Fe и 59Fe) применяют как индикаторы при медико-биологических исследованиях и диагностике заболеваний крови (анемии, лейкозы, полицитемия и др.).

Источник