Реферат:
Залізо та її роль
Введення
Залізо - (лат. Ferrum), Fe (читається «ферум»), хімічний елемент, атомний номер 26, атомна маса 55,847. Походження як латинського, так і російського назв елемента однозначно не встановлено. Природне залізо представляє собою суміш чотирьох нуклідів з масовими числами 54 (вміст в природному суміші 5,82% за масою), 56 (91,66%), 57 (2,19%) і 58 (0,33%). Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів 3 s 2 p 2 d 6 4s 2. Звичайно утворює з'єднання в ступенях окислення +3 (валентність III) і +2 (валентність II). Відомі також сполуки з атомами заліза в ступенях окислення +4, +6 і деяких інших.
У періодичній системі Менделєєва залізо входить до групи VIIIв. У четвертому періоді, до якого належить і залізо, в цю групу входять, крім заліза, також кобальт і нікель. Ці три елементи утворюють тріаду і володіють подібними властивостями.
Радіус нейтрального атома заліза 0,126 нм, радіус іона Fe2 + - 0,080 нм, іона Fe3 + - 0,067 нм. Енергії послідовної іонізації атома заліза 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 еВ. Спорідненість до електрона 0,58 еВ. За шкалою Полінга електронегативність заліза близько 1,8.
Залізо високої чистоти - це блискучий сріблясто-сірий, пластичний метал, який добре піддається різним способам механічної обробки.
1. Знаходження в природі
У земній корі залізо поширена достатньо широко - на його частку припадає близько 5,1% маси земної кори (4-е місце серед всіх елементів, 2-е серед металів). Відомо велика кількість руд і мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоні залізняки (руда гематит, Fe2O3; містить до 70% Fe), магнітні залізняки (руда магнетит, Fe3О4; містить 72,4% Fe), бурі залізняки (руда гідрогетит НFeO2 · n H2O), а також шпатових залізняки (руда сидерит, карбонат заліза, FeСО3; містить близько 48% Fe). У природі зустрічаються також великі родовища піриту FeS2 (інші назви - сірчаний колчедан, залізний колчедан, дисульфід заліза та інші), але руди з високим вмістом сірки поки практичного значення не мають. У вільному стані залізо знаходять тільки в падаючих на землю метеоритах. За запасами залізних руд Росія займає перше місце в світі. У морській воді 1.10 -5-1 · 10-8% заліза.
2. Історія отримання заліза
Залізо відігравало і відіграє виняткову роль у матеріальній історії людства. Перше металеве залізо, що потрапило в руки людини, мало, ймовірно, метеоритне походження. Руди заліза широко поширені і часто зустрічаються навіть на поверхні Землі, але самородне залізо на поверхні вкрай рідко. Ймовірно, ще кілька тисяч років тому людина помітила, що після горіння багаття в деяких випадках спостерігається утворення заліза з тих шматків руди, які випадково опинилися у вогнищі. При горінні багаття відновлення заліза з руди відбувається за рахунок реакції руди як безпосередньо з вугіллям, так і з утворюється при горінні оксидом вуглецю (II) ЗІ. Можливість отримання заліза з руд істотно полегшило виявлення того факту, що при нагріванні руди з вугіллям виникає метал, який далі можна додатково очистити при куванні. Одержання заліза з руди за допомогою сиродутного процесу було винайдено в Західній Азії в 2-му тисячолітті до нашої ери. Період з 9-7 століття до нашої ери, коли в багатьох племен Європи та Азії розвинулася металургія заліза, отримав назву залізного століття, що прийшов на зміну бронзового віку. Удосконалення способів дуття (природну тягу змінили хутра) та збільшення висоти горна (з'явилися нізкошахтние печі - домниці) призвело до отримання чавуну, який стали широко виплавляти в Західній Європі з 14 століття. Отриманий чавун переробляли в сталь. З середини 18 століття в доменному процесі замість деревного вугілля почали використовувати кам'яно-вугільний кокс. Надалі способи одержання заліза з руд були значно удосконалені, і в даний час для цього використовують спеціальні пристрої - домни, кисневі конвертери, електродугової печі.
3.Фізіческіе і хімічні властивості
При температурах від кімнатної і до 917 ° C, а також в інтервалі температур 1394-1535 ° C існує α-Fe з кубічної об'ємно центрованої гратами, при кімнатній температурі параметр гратки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 ° C стійко α-Fe з кубічної гранецентрованої гратами Т (а = 0,36468 нм). При температурах від кімнатної до 769 ° C (так звана точка Кюрі) залізо має сильними магнітними властивостями (воно, як кажуть, феррімагнітних), при більш високих температурах залізо веде себе як парамагнетик. Іноді парамагнітне -Fe з кубічної об'ємно центрованої гратами, стійке при температурах від 769 до 917 ° C, розглядають як α-модифікацію заліза, а γ-Fe, стійке при високих температурах (1394-1535 ° C), називають за традицією γ- Fe (уявлення про існування чотирьох модифікацій заліза - α, β, γ і δ-виникли тоді, коли ще не існував рентгеноструктурний аналіз і не було об'єктивної інформації про внутрішню будову заліза). Температура плавлення 1535 ° C, температура кипіння 2750 ° C, щільність 7,87 г/см3. Стандартний потенціал пари Fe2 + / Fe0 -0,447 В, пари Fe3 + / Fe2 + +0,771 В.
При зберіганні на повітрі при температурі до 200 ° C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окислювання металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню і вологи до металу і його руйнування. Іржа не має постійного хімічного складу, наближено її хімічну формулу можна записати як Fe2О3 · хН2О.
З киснем залізо реагує при нагріванні. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe2О3, при згорянні в чистому кисні - оксид Fe3О4. Якщо кисень або повітря пропускати через розплавлене залізо, то утворюється оксид FeО. При нагріванні порошку сірки й заліза утвориться сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS.
Залізо при нагріванні реагує з галогенами. Так як FeF3 нелетких, залізо стійко до дії фтору до температури 200-300 ° C. При хлоруванні заліза (при температурі близько 200 ° C) утворюється летючий FeСl3. Якщо взаємодія заліза і брому протікає при кімнатній температурі або при нагріванні і підвищеному тиску парів брому, то утворюється FeBr3. При нагріванні FeСl3 і, особливо, FeBr3 отщепляют галоген і перетворюються на галогеніди заліза (II). При взаємодії заліза і йоду утворюється йодид Fe3I8.
При нагріванні залізо реагує з азотом, утворюючи нітрид заліза Fe3N, з фосфором, утворюючи фосфіди FeP, Fe2P і Fe3P, з вуглецем, утворюючи карбід Fe3C, з кремнієм, утворюючи кілька силіцидів, наприклад, FeSi.
При підвищеному тиску металеве залізо реагує з монооксидом вуглецю СО, причому утворюється рідкий, при звичайних умовах легко летючий пентакарбоніл заліза Fe (CO) 5. Відомі також карбоніли заліза складів Fe2 (CO) 9 і Fe3 (CO) 12. Карбоніли заліза служать вихідними речовинами при синтезі железоорганіческіх сполук, в тому числі і ферроцену складу [Fe (-C5H5) 2].
Чисте металеве залізо стійко в воді і в розбавлених розчинах лугів. У концентрованої сірчаної та азотної кислотах залізо не розчиняється, так як міцна оксидна плівка пасивує його поверхню.
З соляної і розведеної (приблизно 20%-й) сірчаною кислотами залізо реагує з утворенням солей заліза (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При взаємодії заліза з приблизно 70%-й сірчаної кислотою реакція протікає з утворенням сульфату заліза (III):
2Fe + 4H2SO4 = Fe2 (SO4) 3 + SO2 + 4H2O
Оксид заліза (II) FeО володіє основними властивостями, йому відповідає підставу Fe (ОН) 2. Оксид заліза (III) Fe2O3 слабо амфотерами, йому відповідає ще більш слабке, ніж Fe (ОН) 2, підстава Fe (ОН) 3, яке реагує з кислотами:
2Fe (ОН) 3 + 3H2SO4 = Fe2 (SO4) 3 + 6H2O
Гідроксид заліза (III) Fe (ОН) 3 виявляє слабко амфотерні властивості; він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:
Fe (ОН) 3 + КОН = К [Fe (ОН) 4]
Утворені при цьому гидроксокомплекса заліза (III) стійкі в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому в осад випадає гідроксид заліза (III) Fe (OH) 3.
З'єднання заліза (III) у розчинах відновлюються металевим залізом:
Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2
При зберіганні водних розчинів солей заліза (II) спостерігається окислення заліза (II) до заліза (III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4Fe (OH) Cl2
З солей заліза (II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза (II) (NH4) 2Fe (SO4) 2.6 Н2О.
Залізо (III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу квасцов, наприклад, KFe (SO4) 2 - железокаліевие галун, (NH4) Fe (SO4) 2 - залізоамонійний галун і т.д.
При дії газоподібного хлору або озону на лужні розчини сполук заліза (III) утворюються сполуки заліза (VI) - феррати, наприклад, феррат (VI) калію K2FeO4. Є повідомлення про отримання під дією сильних окислювачів сполук заліза (VIII).
Для виявлення в розчині сполук заліза (III) використовують якісну реакцію іонів Fe3 + з тіоціанат-іонами CNS-. При взаємодії іонів Fe3 + з аніонами CNS-утворюється яскраво-червоний роданід заліза Fe (CNS) 3. Іншим реактивом на іони Fe3 + служить гексаціаноферрат (II) калію K4 [Fe (CN) 6] (раніше ця речовина називали жовтої кров'яної сіллю). При взаємодії іонів Fe3 + і [Fe (CN) 6] 4 - випадає яскраво-синій осад.
Реактивом на іони Fe2 + у розчині може служити розчин гексаціаноферрат (III) калію K3 [Fe (CN) 6], раніше називався червоної кров'яної сіллю. При взаємодії іонів Fe3 + і [Fe (CN) 6] 3 - випадає яскраво-синій осад такого ж складу, як і у випадку взаємодії іонів Fe3 + і [Fe (CN) 6] 4 -.
Сплави заліза з вуглецем
Залізо використовується головним чином у сплавах, насамперед у сплавах з вуглецем - різних чавунах і сталях. У чавуні вміст вуглецю вище 2,14% по масі (зазвичай - на рівні 3,5-4%), в сталях вміст вуглецю більш низьке (зазвичай на рівні 0.8-1%).
Чавун одержують у домнах. Домна являє собою гігантський (висотою до 30-40 м) усічений конус, порожнистий усередині. Стінки домни зсередини викладені вогнетривкою цеглою, товщина кладки складає кілька метрів. Зверху в домну вагонетками завантажують збагачену (звільнену від порожньої породи) залізну руду, відновник кокс (кам'яне вугілля спеціальних сортів, підданий коксування - нагрівання при температурі близько 1000 ° C без доступу повітря), а також плавильні матеріали (вапняк та інші), що сприяють відділенню від металу, що виплавляється домішок - шлаку. Знизу в домну подають дуття (чистий кисень або повітря, збагачене киснем). У міру того, як завантажені в домну матеріали опускаються, їх температура піднімається до 1200-1300 ° C. У результаті реакцій відновлення, що протікають головним чином за участю коксу С і СВ:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe2O3 + 3CО = 2Fe + 3CO2
виникає металеве залізо, яке насичується вуглецем і стікає вниз.
Цей розплав періодично випускають з домни через спеціальний отвір - клітку - і дають розплаву застигнути в спеціальних формах. Чавун буває білий, так званий граничний (його використовують для одержання сталі) і сірий, або литтєвий. Білий чавун - це твердий розчин вуглецю в залізі. У мікроструктурі сірого чавуну можна розрізнити мікрокристали графіту. Через наявність графіту сірий чавун залишає слід на білому папері.
Чавун крихкий, при ударі він колеться, тому з нього не можна виготовляти пружини, ресори, будь-які вироби, які повинні працювати на вигин.
Твердий чавун легше розплавленого, так що при його затвердінні відбувається не стиснення (як завжди при затвердінні металів і сплавів), а розширення. Ця особливість дозволяє виготовляти з чавуну різні виливки, в тому числі використовувати його як матеріал для художнього лиття.
Якщо вміст вуглецю в чавуні знизити до 1,0-1,5%, то утворюється сталь. Стали бувають вуглецевими (у таких сталях немає інших компонентів, крім Fe і C) і легованими (такі стали містять добавки хрому, нікелю, молібдену, кобальту та інших металів, що поліпшують механічні та інші властивості сталі).
Стали отримують, переробляючи чавун і металевий лом в кисневому конвертері, в електродуговій або мартенівської печах. При такій переробці знижується вміст вуглецю в сплаві до необхідного рівня, як кажуть, надлишковий вуглець вигоряє.
Фізичні властивості стали істотно відрізняються від властивостей чавуну: сталь пружна, її можна кувати, прокатувати. Тому що сталь, на відміну від чавуну, при затвердінні стискається, то отримані сталеві виливки піддають обтиснення на прокатних станах. Після прокатки в обсязі металу зникають порожнечі і раковини, що з'явилися при затвердінні розплавів.
Виробництво сталей має в Росії давні глибокі традиції, і отримані нашими металургами стали відрізняються високою якістю.
4. Застосування заліза, його сплавів і сполук
Чавун і сталь є сплавами заліза з вуглецем. Чавун містить більше 2,14% вуглецю, а сталь зазвичай містить кілька десятих відсотків вуглецю. Чавун також містить невелику кількість кремнію, фосфору і сірки.
Розрізняють сірий чавун (містить 2-3,5% C, а також, Si і Mn) - він не дуже твердий, добре відливається у форми, крихкий і при ударі легко розколюється. Сірий чавун йде на виливок машинних станин, махових коліс, каналізаційних труб, плит і т.п.
Чавун, в якому майже весь вуглець міститься у вигляді цементиту (Fe 3 C), твердіше і Белі сірого чавуну, він називається білий чавун (містить 2-3,5% C, Si> 1%, Mn-1-1, 5% ). Білий чавун безпосереднього вживання не має і йде в межа на сталь.
Сталь, на відміну від чавуну, легко піддається куванню та прокатки. При швидкому охолодженні вона виходить дуже твердої, при повільному охолодженні м'якою. М'яку сталь легко обробляють. З неї роблять цвяхи, болти, дріт, покрівельне залізо, деталі машин. З твердої сталі виготовляють інструменти. Велике значення мають в сучасній техніці леговані сталі. Вони містять так звані легуючі елементи, до яких відносяться хром, нікель, молібден, ванадій, вольфрам, марганець, мідь, кремній і ін Легуючі елементи додаються для додання стали певних властивостей.
На виробництві використовують сталі з наступними легуючими елементами:
1. Сталі, що містять Cr, - тверді, стійкі до корозії. Використовуються для виготовлення інструментів.
2. Сталі, що містять Ni, - в'язкі, механічно міцні, стійкі до корозії. Застосовуються для виготовлення турбін, вимірювальних приладів, деталей, що використовуються при високих температурах.
3. Сталі, що містять Mn, - мають твердість, механічною міцністю, стійкістю до ударениям, тертя. Використовуються в деталях дробильних установок, для виготовлення залізничних рейок.
4. Сталі, що містять Ti, - жаростійкі, мають міцність до високих температур, стійкі до корозії. Використовується в літаках, ракето-та суднобудуванні.
5. Сталі, що містять вольфрам W, - тверді, жароміцні й зносостійкі. Використовують для виготовлення пив, фрез, штампів, ниток електричних ламп.
6. Сталі, що містять молібден Mo, - еластичні, жаростійкі, стійкі до корозії. Використовуються для виготовлення лопатей турбін, броньових плит.
7. Сталі, що містять кремній Si, - володіють стійкістю до кислот. Використовуються для виготовлення кислототривких автодеталей. Процес насичення кремнієм називається цементацією.
8. Сталі, що містять ванадій V, - володіють високою міцністю, пружністю, стійкістю до ударів. Використовується для виготовлення деталей машин.
9. Азотований сталь - володіє більшою твердістю, ніж цементовий. Витримує нагрівання до 500 градусів, не втрачаючи своєї твердості. Використовується для виготовлення деталей машин.
Чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів, як каталізатор хімічних процесів, для деяких інших цілей. Але сплави заліза - чавун і сталь - становлять основу сучасної техніки. Знаходять широке застосування і багато сполук заліза. Так, сульфат заліза (III) використовують при водопідготовці, оксиди та ціанід заліза служать пігментами при виготовленні барвників і так далі.
5. Залізо в організмі
Залізо присутнє в організмах всіх рослин і тварин як мікроелемент, тобто в дуже малих кількостях (у середньому близько 0,02%). Однак залізобактерій, що використовують енергію окислення заліза (II) в залізо (III) для хемосинтезу, можуть накопичувати в своїх клітинах до 17-20% заліза. Основна біологічна функція заліза - участь у транспорті кисню і окислювальних процесах. Цю функцію виконує заліза у складі складних білків - гемопротеідов, простатичної групою яких є железопорфіріновий комплекс - гем. Серед найважливіших гемопротеідов дихальні пігменти гемоглобін і міоглобін, універсальні переносники електронів в реакціях клітинного дихання, окислення і фотосінеза цитохроми, ферменти каталаза та пероксиду, та інших. У деяких безхребетних залізовмісні дихальні пігменти гелоерітрін і хлорокруорін мають відмінне від гемоглобінів будову. При біосинтезі гемопротеідов залізо переходить до них від білка феритину, що здійснює запасання і транспорт заліза. Цей білок, одна молекула якого включає близько 4 500 атомів заліза, концентрується в печінці, селезінці, кістковому мозку і слизової оболонки кишечнику ссавців і людини. Добова потреба людини в залізі (6-20 мг) з надлишком покривається їжею (залізом багаті м'ясо, печінка, яйця, хліб, шпинат, буряк та інші). В організмі середньої людини (маса тіла 70 кг) міститься 4,2 г заліза, в 1 л крові - близько 450 мг. При нестачі заліза в організмі розвивається залозиста анемія, яку лікують за допомогою препаратів, що містять залізо. Препарати заліза застосовуються і як загальнозміцнюючі засоби. Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може надавати токсичну дію. Залізо також необхідно для нормального розвитку рослин, тому існують мікродобрива на основі препаратів заліза.
6. Залізо в кормі
Залізо зазвичай знаходиться в кормах у вигляді іона Fe 3 +, який пов'язаний з білками або органічними кислотами. За участю аскорбінової кислоти в шлунку тварини Fe 3 + відновлюється в Fe 2 +. Зазвичай лише близько 10% заліза кормів абсорбується в кишечнику, звідки воно надходить в печінку, де частково депонується у складі білка феритину (є депо Fe 3 +).
Феритин синтезується печінкою як глікопротеїн, який може зв'язувати більше 4000 атомів заліза на одну молекулу білка. Гемосидерин є нерозчинним сполукою заліза, похідним феритину; високий вміст заліза, похідним феритину; високий вміст заліза в тканинах викликає токсичний ефект і призводить до гемохроматозу.
Інша частина заліза, що надійшов в організм, у складі трансферину надходить в кістковий мозок на синтез гема.
Роль заліза в організмі велика. Залізо входить в структуру кісткової тканини, шкаралупи. Залізо перебуває у складі каталази, пероксидаз, активних учасників реакцій біологічного окислення. Як компонент гемоглобіну і міоглобіну, залізо необхідно для транспорту кисню і вуглекислоти. Зокрема, із загальної кількості заліза в організмі 60-70% становить залізо у складі гемоглобіну. Як компонент цитохромів та негемінових білків, залізо необхідно для реакцій окисного фосфорилювання. Як компонент важливого лізосомне ферменту мієлопероксидази, залізо бере участь у фагоцитозі і руйнуванні бактерій нейтрофілами. Тому зниження доступності заліза для даного ферменту фагатоцітов може порушити перетравлювальну здатність цих клітин у відношенні бактерій.
Залізо необхідне для підтримки функцій лімфоїдних тканин, куди вона доставляється трансферину, для зв'язування якого на зовнішній мембрані клітин є спеціальні рецептори, вада заліза викликає атрофію лімфоїдних тканин середнього ступеня.
У різних тварин вміст заліза в крові коливається в широких межах (в середньому від 13 до 39 мкМ), дані наведені в Додатку. Ознакою недостатності заліза в організмі є анемія (недокрів'я). Більш часто анемія цієї етіології спостерігається у новонароджених поросят, оскільки в молоці свиноматок зазвичай низький рівень цього елемента.
Недолік заліза у курчат та індичат призводить до гіпохромною анемії. У курчат червоного оперення відзначають повну депігментацію оперення
Залізо та її роль
Введення
Залізо - (лат. Ferrum), Fe (читається «ферум»), хімічний елемент, атомний номер 26, атомна маса 55,847. Походження як латинського, так і російського назв елемента однозначно не встановлено. Природне залізо представляє собою суміш чотирьох нуклідів з масовими числами 54 (вміст в природному суміші 5,82% за масою), 56 (91,66%), 57 (2,19%) і 58 (0,33%). Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів 3 s 2 p 2 d 6 4s 2. Звичайно утворює з'єднання в ступенях окислення +3 (валентність III) і +2 (валентність II). Відомі також сполуки з атомами заліза в ступенях окислення +4, +6 і деяких інших.
У періодичній системі Менделєєва залізо входить до групи VIIIв. У четвертому періоді, до якого належить і залізо, в цю групу входять, крім заліза, також кобальт і нікель. Ці три елементи утворюють тріаду і володіють подібними властивостями.
Радіус нейтрального атома заліза 0,126 нм, радіус іона Fe2 + - 0,080 нм, іона Fe3 + - 0,067 нм. Енергії послідовної іонізації атома заліза 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 еВ. Спорідненість до електрона 0,58 еВ. За шкалою Полінга електронегативність заліза близько 1,8.
Залізо високої чистоти - це блискучий сріблясто-сірий, пластичний метал, який добре піддається різним способам механічної обробки.
1. Знаходження в природі
У земній корі залізо поширена достатньо широко - на його частку припадає близько 5,1% маси земної кори (4-е місце серед всіх елементів, 2-е серед металів). Відомо велика кількість руд і мінералів, що містять залізо. Найбільше практичне значення мають червоні залізняки (руда гематит, Fe2O3; містить до 70% Fe), магнітні залізняки (руда магнетит, Fe3О4; містить 72,4% Fe), бурі залізняки (руда гідрогетит НFeO2 · n H2O), а також шпатових залізняки (руда сидерит, карбонат заліза, FeСО3; містить близько 48% Fe). У природі зустрічаються також великі родовища піриту FeS2 (інші назви - сірчаний колчедан, залізний колчедан, дисульфід заліза та інші), але руди з високим вмістом сірки поки практичного значення не мають. У вільному стані залізо знаходять тільки в падаючих на землю метеоритах. За запасами залізних руд Росія займає перше місце в світі. У морській воді 1.10 -5-1 · 10-8% заліза.
2. Історія отримання заліза
Залізо відігравало і відіграє виняткову роль у матеріальній історії людства. Перше металеве залізо, що потрапило в руки людини, мало, ймовірно, метеоритне походження. Руди заліза широко поширені і часто зустрічаються навіть на поверхні Землі, але самородне залізо на поверхні вкрай рідко. Ймовірно, ще кілька тисяч років тому людина помітила, що після горіння багаття в деяких випадках спостерігається утворення заліза з тих шматків руди, які випадково опинилися у вогнищі. При горінні багаття відновлення заліза з руди відбувається за рахунок реакції руди як безпосередньо з вугіллям, так і з утворюється при горінні оксидом вуглецю (II) ЗІ. Можливість отримання заліза з руд істотно полегшило виявлення того факту, що при нагріванні руди з вугіллям виникає метал, який далі можна додатково очистити при куванні. Одержання заліза з руди за допомогою сиродутного процесу було винайдено в Західній Азії в 2-му тисячолітті до нашої ери. Період з 9-7 століття до нашої ери, коли в багатьох племен Європи та Азії розвинулася металургія заліза, отримав назву залізного століття, що прийшов на зміну бронзового віку. Удосконалення способів дуття (природну тягу змінили хутра) та збільшення висоти горна (з'явилися нізкошахтние печі - домниці) призвело до отримання чавуну, який стали широко виплавляти в Західній Європі з 14 століття. Отриманий чавун переробляли в сталь. З середини 18 століття в доменному процесі замість деревного вугілля почали використовувати кам'яно-вугільний кокс. Надалі способи одержання заліза з руд були значно удосконалені, і в даний час для цього використовують спеціальні пристрої - домни, кисневі конвертери, електродугової печі.
3.Фізіческіе і хімічні властивості
При температурах від кімнатної і до 917 ° C, а також в інтервалі температур 1394-1535 ° C існує α-Fe з кубічної об'ємно центрованої гратами, при кімнатній температурі параметр гратки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 ° C стійко α-Fe з кубічної гранецентрованої гратами Т (а = 0,36468 нм). При температурах від кімнатної до 769 ° C (так звана точка Кюрі) залізо має сильними магнітними властивостями (воно, як кажуть, феррімагнітних), при більш високих температурах залізо веде себе як парамагнетик. Іноді парамагнітне -Fe з кубічної об'ємно центрованої гратами, стійке при температурах від 769 до 917 ° C, розглядають як α-модифікацію заліза, а γ-Fe, стійке при високих температурах (1394-1535 ° C), називають за традицією γ- Fe (уявлення про існування чотирьох модифікацій заліза - α, β, γ і δ-виникли тоді, коли ще не існував рентгеноструктурний аналіз і не було об'єктивної інформації про внутрішню будову заліза). Температура плавлення 1535 ° C, температура кипіння 2750 ° C, щільність 7,87 г/см3. Стандартний потенціал пари Fe2 + / Fe0 -0,447 В, пари Fe3 + / Fe2 + +0,771 В.
При зберіганні на повітрі при температурі до 200 ° C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окислювання металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню і вологи до металу і його руйнування. Іржа не має постійного хімічного складу, наближено її хімічну формулу можна записати як Fe2О3 · хН2О.
З киснем залізо реагує при нагріванні. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe2О3, при згорянні в чистому кисні - оксид Fe3О4. Якщо кисень або повітря пропускати через розплавлене залізо, то утворюється оксид FeО. При нагріванні порошку сірки й заліза утвориться сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS.
Залізо при нагріванні реагує з галогенами. Так як FeF3 нелетких, залізо стійко до дії фтору до температури 200-300 ° C. При хлоруванні заліза (при температурі близько 200 ° C) утворюється летючий FeСl3. Якщо взаємодія заліза і брому протікає при кімнатній температурі або при нагріванні і підвищеному тиску парів брому, то утворюється FeBr3. При нагріванні FeСl3 і, особливо, FeBr3 отщепляют галоген і перетворюються на галогеніди заліза (II). При взаємодії заліза і йоду утворюється йодид Fe3I8.
При нагріванні залізо реагує з азотом, утворюючи нітрид заліза Fe3N, з фосфором, утворюючи фосфіди FeP, Fe2P і Fe3P, з вуглецем, утворюючи карбід Fe3C, з кремнієм, утворюючи кілька силіцидів, наприклад, FeSi.
При підвищеному тиску металеве залізо реагує з монооксидом вуглецю СО, причому утворюється рідкий, при звичайних умовах легко летючий пентакарбоніл заліза Fe (CO) 5. Відомі також карбоніли заліза складів Fe2 (CO) 9 і Fe3 (CO) 12. Карбоніли заліза служать вихідними речовинами при синтезі железоорганіческіх сполук, в тому числі і ферроцену складу [Fe (-C5H5) 2].
Чисте металеве залізо стійко в воді і в розбавлених розчинах лугів. У концентрованої сірчаної та азотної кислотах залізо не розчиняється, так як міцна оксидна плівка пасивує його поверхню.
З соляної і розведеної (приблизно 20%-й) сірчаною кислотами залізо реагує з утворенням солей заліза (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2
При взаємодії заліза з приблизно 70%-й сірчаної кислотою реакція протікає з утворенням сульфату заліза (III):
2Fe + 4H2SO4 = Fe2 (SO4) 3 + SO2 + 4H2O
Оксид заліза (II) FeО володіє основними властивостями, йому відповідає підставу Fe (ОН) 2. Оксид заліза (III) Fe2O3 слабо амфотерами, йому відповідає ще більш слабке, ніж Fe (ОН) 2, підстава Fe (ОН) 3, яке реагує з кислотами:
2Fe (ОН) 3 + 3H2SO4 = Fe2 (SO4) 3 + 6H2O
Гідроксид заліза (III) Fe (ОН) 3 виявляє слабко амфотерні властивості; він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:
Fe (ОН) 3 + КОН = К [Fe (ОН) 4]
Утворені при цьому гидроксокомплекса заліза (III) стійкі в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому в осад випадає гідроксид заліза (III) Fe (OH) 3.
З'єднання заліза (III) у розчинах відновлюються металевим залізом:
Fe + 2FeCl3 = 3FeCl2
При зберіганні водних розчинів солей заліза (II) спостерігається окислення заліза (II) до заліза (III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O = 4Fe (OH) Cl2
З солей заліза (II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза (II) (NH4) 2Fe (SO4) 2.6 Н2О.
Залізо (III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу квасцов, наприклад, KFe (SO4) 2 - железокаліевие галун, (NH4) Fe (SO4) 2 - залізоамонійний галун і т.д.
При дії газоподібного хлору або озону на лужні розчини сполук заліза (III) утворюються сполуки заліза (VI) - феррати, наприклад, феррат (VI) калію K2FeO4. Є повідомлення про отримання під дією сильних окислювачів сполук заліза (VIII).
Для виявлення в розчині сполук заліза (III) використовують якісну реакцію іонів Fe3 + з тіоціанат-іонами CNS-. При взаємодії іонів Fe3 + з аніонами CNS-утворюється яскраво-червоний роданід заліза Fe (CNS) 3. Іншим реактивом на іони Fe3 + служить гексаціаноферрат (II) калію K4 [Fe (CN) 6] (раніше ця речовина називали жовтої кров'яної сіллю). При взаємодії іонів Fe3 + і [Fe (CN) 6] 4 - випадає яскраво-синій осад.
Реактивом на іони Fe2 + у розчині може служити розчин гексаціаноферрат (III) калію K3 [Fe (CN) 6], раніше називався червоної кров'яної сіллю. При взаємодії іонів Fe3 + і [Fe (CN) 6] 3 - випадає яскраво-синій осад такого ж складу, як і у випадку взаємодії іонів Fe3 + і [Fe (CN) 6] 4 -.
Сплави заліза з вуглецем
Залізо використовується головним чином у сплавах, насамперед у сплавах з вуглецем - різних чавунах і сталях. У чавуні вміст вуглецю вище 2,14% по масі (зазвичай - на рівні 3,5-4%), в сталях вміст вуглецю більш низьке (зазвичай на рівні 0.8-1%).
Чавун одержують у домнах. Домна являє собою гігантський (висотою до 30-40 м) усічений конус, порожнистий усередині. Стінки домни зсередини викладені вогнетривкою цеглою, товщина кладки складає кілька метрів. Зверху в домну вагонетками завантажують збагачену (звільнену від порожньої породи) залізну руду, відновник кокс (кам'яне вугілля спеціальних сортів, підданий коксування - нагрівання при температурі близько 1000 ° C без доступу повітря), а також плавильні матеріали (вапняк та інші), що сприяють відділенню від металу, що виплавляється домішок - шлаку. Знизу в домну подають дуття (чистий кисень або повітря, збагачене киснем). У міру того, як завантажені в домну матеріали опускаються, їх температура піднімається до 1200-1300 ° C. У результаті реакцій відновлення, що протікають головним чином за участю коксу С і СВ:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe2O3 + 3CО = 2Fe + 3CO2
виникає металеве залізо, яке насичується вуглецем і стікає вниз.
Цей розплав періодично випускають з домни через спеціальний отвір - клітку - і дають розплаву застигнути в спеціальних формах. Чавун буває білий, так званий граничний (його використовують для одержання сталі) і сірий, або литтєвий. Білий чавун - це твердий розчин вуглецю в залізі. У мікроструктурі сірого чавуну можна розрізнити мікрокристали графіту. Через наявність графіту сірий чавун залишає слід на білому папері.
Чавун крихкий, при ударі він колеться, тому з нього не можна виготовляти пружини, ресори, будь-які вироби, які повинні працювати на вигин.
Твердий чавун легше розплавленого, так що при його затвердінні відбувається не стиснення (як завжди при затвердінні металів і сплавів), а розширення. Ця особливість дозволяє виготовляти з чавуну різні виливки, в тому числі використовувати його як матеріал для художнього лиття.
Якщо вміст вуглецю в чавуні знизити до 1,0-1,5%, то утворюється сталь. Стали бувають вуглецевими (у таких сталях немає інших компонентів, крім Fe і C) і легованими (такі стали містять добавки хрому, нікелю, молібдену, кобальту та інших металів, що поліпшують механічні та інші властивості сталі).
Стали отримують, переробляючи чавун і металевий лом в кисневому конвертері, в електродуговій або мартенівської печах. При такій переробці знижується вміст вуглецю в сплаві до необхідного рівня, як кажуть, надлишковий вуглець вигоряє.
Фізичні властивості стали істотно відрізняються від властивостей чавуну: сталь пружна, її можна кувати, прокатувати. Тому що сталь, на відміну від чавуну, при затвердінні стискається, то отримані сталеві виливки піддають обтиснення на прокатних станах. Після прокатки в обсязі металу зникають порожнечі і раковини, що з'явилися при затвердінні розплавів.
Виробництво сталей має в Росії давні глибокі традиції, і отримані нашими металургами стали відрізняються високою якістю.
4. Застосування заліза, його сплавів і сполук
Чавун і сталь є сплавами заліза з вуглецем. Чавун містить більше 2,14% вуглецю, а сталь зазвичай містить кілька десятих відсотків вуглецю. Чавун також містить невелику кількість кремнію, фосфору і сірки.
Розрізняють сірий чавун (містить 2-3,5% C, а також, Si і Mn) - він не дуже твердий, добре відливається у форми, крихкий і при ударі легко розколюється. Сірий чавун йде на виливок машинних станин, махових коліс, каналізаційних труб, плит і т.п.
Чавун, в якому майже весь вуглець міститься у вигляді цементиту (Fe 3 C), твердіше і Белі сірого чавуну, він називається білий чавун (містить 2-3,5% C, Si> 1%, Mn-1-1, 5% ). Білий чавун безпосереднього вживання не має і йде в межа на сталь.
Сталь, на відміну від чавуну, легко піддається куванню та прокатки. При швидкому охолодженні вона виходить дуже твердої, при повільному охолодженні м'якою. М'яку сталь легко обробляють. З неї роблять цвяхи, болти, дріт, покрівельне залізо, деталі машин. З твердої сталі виготовляють інструменти. Велике значення мають в сучасній техніці леговані сталі. Вони містять так звані легуючі елементи, до яких відносяться хром, нікель, молібден, ванадій, вольфрам, марганець, мідь, кремній і ін Легуючі елементи додаються для додання стали певних властивостей.
На виробництві використовують сталі з наступними легуючими елементами:
1. Сталі, що містять Cr, - тверді, стійкі до корозії. Використовуються для виготовлення інструментів.
2. Сталі, що містять Ni, - в'язкі, механічно міцні, стійкі до корозії. Застосовуються для виготовлення турбін, вимірювальних приладів, деталей, що використовуються при високих температурах.
3. Сталі, що містять Mn, - мають твердість, механічною міцністю, стійкістю до ударениям, тертя. Використовуються в деталях дробильних установок, для виготовлення залізничних рейок.
4. Сталі, що містять Ti, - жаростійкі, мають міцність до високих температур, стійкі до корозії. Використовується в літаках, ракето-та суднобудуванні.
5. Сталі, що містять вольфрам W, - тверді, жароміцні й зносостійкі. Використовують для виготовлення пив, фрез, штампів, ниток електричних ламп.
6. Сталі, що містять молібден Mo, - еластичні, жаростійкі, стійкі до корозії. Використовуються для виготовлення лопатей турбін, броньових плит.
7. Сталі, що містять кремній Si, - володіють стійкістю до кислот. Використовуються для виготовлення кислототривких автодеталей. Процес насичення кремнієм називається цементацією.
8. Сталі, що містять ванадій V, - володіють високою міцністю, пружністю, стійкістю до ударів. Використовується для виготовлення деталей машин.
9. Азотований сталь - володіє більшою твердістю, ніж цементовий. Витримує нагрівання до 500 градусів, не втрачаючи своєї твердості. Використовується для виготовлення деталей машин.
Чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів, як каталізатор хімічних процесів, для деяких інших цілей. Але сплави заліза - чавун і сталь - становлять основу сучасної техніки. Знаходять широке застосування і багато сполук заліза. Так, сульфат заліза (III) використовують при водопідготовці, оксиди та ціанід заліза служать пігментами при виготовленні барвників і так далі.
5. Залізо в організмі
Залізо присутнє в організмах всіх рослин і тварин як мікроелемент, тобто в дуже малих кількостях (у середньому близько 0,02%). Однак залізобактерій, що використовують енергію окислення заліза (II) в залізо (III) для хемосинтезу, можуть накопичувати в своїх клітинах до 17-20% заліза. Основна біологічна функція заліза - участь у транспорті кисню і окислювальних процесах. Цю функцію виконує заліза у складі складних білків - гемопротеідов, простатичної групою яких є железопорфіріновий комплекс - гем. Серед найважливіших гемопротеідов дихальні пігменти гемоглобін і міоглобін, універсальні переносники електронів в реакціях клітинного дихання, окислення і фотосінеза цитохроми, ферменти каталаза та пероксиду, та інших. У деяких безхребетних залізовмісні дихальні пігменти гелоерітрін і хлорокруорін мають відмінне від гемоглобінів будову. При біосинтезі гемопротеідов залізо переходить до них від білка феритину, що здійснює запасання і транспорт заліза. Цей білок, одна молекула якого включає близько 4 500 атомів заліза, концентрується в печінці, селезінці, кістковому мозку і слизової оболонки кишечнику ссавців і людини. Добова потреба людини в залізі (6-20 мг) з надлишком покривається їжею (залізом багаті м'ясо, печінка, яйця, хліб, шпинат, буряк та інші). В організмі середньої людини (маса тіла 70 кг) міститься 4,2 г заліза, в 1 л крові - близько 450 мг. При нестачі заліза в організмі розвивається залозиста анемія, яку лікують за допомогою препаратів, що містять залізо. Препарати заліза застосовуються і як загальнозміцнюючі засоби. Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може надавати токсичну дію. Залізо також необхідно для нормального розвитку рослин, тому існують мікродобрива на основі препаратів заліза.
6. Залізо в кормі
Залізо зазвичай знаходиться в кормах у вигляді іона Fe 3 +, який пов'язаний з білками або органічними кислотами. За участю аскорбінової кислоти в шлунку тварини Fe 3 + відновлюється в Fe 2 +. Зазвичай лише близько 10% заліза кормів абсорбується в кишечнику, звідки воно надходить в печінку, де частково депонується у складі білка феритину (є депо Fe 3 +).
Феритин синтезується печінкою як глікопротеїн, який може зв'язувати більше 4000 атомів заліза на одну молекулу білка. Гемосидерин є нерозчинним сполукою заліза, похідним феритину; високий вміст заліза, похідним феритину; високий вміст заліза в тканинах викликає токсичний ефект і призводить до гемохроматозу.
Інша частина заліза, що надійшов в організм, у складі трансферину надходить в кістковий мозок на синтез гема.
Роль заліза в організмі велика. Залізо входить в структуру кісткової тканини, шкаралупи. Залізо перебуває у складі каталази, пероксидаз, активних учасників реакцій біологічного окислення. Як компонент гемоглобіну і міоглобіну, залізо необхідно для транспорту кисню і вуглекислоти. Зокрема, із загальної кількості заліза в організмі 60-70% становить залізо у складі гемоглобіну. Як компонент цитохромів та негемінових білків, залізо необхідно для реакцій окисного фосфорилювання. Як компонент важливого лізосомне ферменту мієлопероксидази, залізо бере участь у фагоцитозі і руйнуванні бактерій нейтрофілами. Тому зниження доступності заліза для даного ферменту фагатоцітов може порушити перетравлювальну здатність цих клітин у відношенні бактерій.
Залізо необхідне для підтримки функцій лімфоїдних тканин, куди вона доставляється трансферину, для зв'язування якого на зовнішній мембрані клітин є спеціальні рецептори, вада заліза викликає атрофію лімфоїдних тканин середнього ступеня.
У різних тварин вміст заліза в крові коливається в широких межах (в середньому від 13 до 39 мкМ), дані наведені в Додатку. Ознакою недостатності заліза в організмі є анемія (недокрів'я). Більш часто анемія цієї етіології спостерігається у новонароджених поросят, оскільки в молоці свиноматок зазвичай низький рівень цього елемента.
Недолік заліза у курчат та індичат призводить до гіпохромною анемії. У курчат червоного оперення відзначають повну депігментацію оперення