Железо в чистом виде – это пластичный металл серого цвета, легко подвергаемый обработке. И всё же, для человека элемент Fe более практичен в сочетании с углеродом и другими примесями, которые позволяют образовывать металлические сплавы – стали и чугуны. 95% – именно столько всей производимой на планете металлической продукции содержит железо в качестве основного элемента.
Железо: история
Первые железные изделия, изготовленные человеком, датированы учёными IV тыс. до н. э., причем исследования показали, что для их производства использовалось метеоритное железо, для которого характерно 5-30-процентное содержание никеля. Интересно, но пока человечество не освоило добычу Fe путём его переплавки, железо ценилось дороже золота. Объяснялось это тем, что более крепкая и надежная сталь куда больше подходила для изготовления орудий труда и оружия, нежели медь и бронза.
Первый чугун научились получать древние римляне: их печи могли повышать температуру руды до 1400 о С, в то время как чугуну было достаточно 1100-1200 о С. Впоследствии они же получили и чистую сталь, температура плавления которой, как известно, составляет 1535 градуса по Цельсию.
Химические свойства Fe
С чем взаимодействует железо? Железо взаимодействует с кислородом, что сопровождается образованием оксидов; с водой в присутствии кислорода; с серной и соляной кислотами:
- 3Fe+2O 2 = Fe 3 O 4
- 4Fe+3O 2 +6H 2 O = 4Fe(OH) 3
- Fe+H 2 SO 4 = FeSO 4 +H 2
- Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2
Также железо реагирует на щелочи, только если они представляют собой расплавы сильных окислителей. Железо не реагирует с окислителями при обычной температуре, однако всегда начинает вступать в реакцию при её повышении.
Применение железа в строительстве
Применение железа строительной отраслью в наши дни нельзя переоценить, ведь металлоконструкции являются основой абсолютно любого современного строения. В этой сфере Fe используется в составе обычных сталей, литейного чугуна и сварочного железа. Данный элемент находится везде, начиная с ответственных конструкций и заканчивая анкерными болтами и гвоздями.
Возведение строительных конструкций из стали обходится гораздо дешевле, к тому же здесь можно говорить и о более высоких темпах строительства. Это заметно увеличивает использование железа в строительстве, в то время как сама отрасль осваивает применение новых, более эффективных и надежных сплавов на основе Fe.
Использование железа в промышленности
Использование железа и его сплавов – чугуна и стали – это основа современного машино-, станко-, авиа-, приборостроения и изготовления прочей техники. Благодаря цианидам и оксидам Fe функционирует лакокрасочная промышленность, сульфаты железа применяются при водоподготовке. Тяжелая промышленность и вовсе немыслима без использования сплавов на основе Fe+C. Словом, Железо – это незаменимый, но вместе с тем доступный и относительно недорогой металл, который в составе сплавов имеет практически неограниченную сферу применения.
Применение железа в медицине
Известно, что в каждом взрослом человеке содержится до 4 грамм железа. Этот элемент крайне важен для функционирования организма, в частности, для здоровья кровеносной системы (гемоглобин в эритроцитах). Существует множество лекарственных препаратов на основе железа, которые позволяют повышать содержание Fe во избежание развития железодефицитной анемии.
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.
Железо – химический элемент
1. Положение железа в периодической таблице химических элементов и строение его атома
Железо - это d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса Ar (Fe ) = 56; состав атома: 26-протонов; 30 – нейтронов; 26 – электронов.
Схема строения атома:
Электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2
Металл средней активности, восстановитель:
Fe 0 -2 e - → Fe +2 , окисляется восстановитель
Fe 0 -3 e - → Fe +3 , окисляется восстановитель
Основные степени окисления: +2, +3
2. Распространённость железа
Железо – один из самых распространенных элементов в природе . В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию . Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в неокисленном состоянии.
Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.
Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.
Основными железными рудами являются :
магнетит (магнитный железняк) – Fe 3 O 4 содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии:
|
|
|
гематит (железный блеск, кровавик)– Fe 2 O 3 содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе:
|
|
|
лимонит (бурый железняк) – Fe 2 O 3* nH 2 O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму:
пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) – FeS 2 содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.
3. Роль железа в жизни человека и растений
Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO 2 .
Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, и вскоре смазанное место зеленеет.
Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.
4. Физические свойства железа.
Железо – это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 о С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02 -0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозиии хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.
5. Получение железа
Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:
FeO + C = Fe + CO
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O
Опыт "Получение железа алюминотермией"
6. Химические свойства железа
Как элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления. Мы рассмотрим только соединения, в которых железо проявляет степени окисления +2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3
2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II,III) - вещество чёрного цвета:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
C кислородом во влажном воздухе образуется Fe 2 O 3 * nH 2 O
Опыт "Взаимодействие железа с кислородом"
3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H 2 O t˚C → Fe 3 O 4 + 4H 2
4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
Fe + S t˚C → FeS
5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 (разб .) = FeSO 4 + H 2
6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц .) t˚C → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц
.) t˚C → Fe(NO 3) 3
+ 3NO 2 + 3H 2 O
Железо (III)
7. Применение железа.
Основная часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали - сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4% углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.
Чугуны необходимы для производства различных отливок - станин тяжелых машин и т.п.
Изделия из чугуна
Стали используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок, листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для производства различных сортов сталей применяют так называемые легирующие добавки, которыми служат различные металлы: М
Тренажёр №2 - Генетический ряд Fe 3+
Тренажёр №3 - Уравнения реакций железа с простыми и сложными веществами
Задания для закрепления
№1. Составьте
уравнения реакций получения железа из его оксидов Fe 2 O 3 и
Fe 3 O 4 , используя в качестве восстановителя:
а) водород;
б) алюминий;
в) оксид углерода (II).
Для каждой реакции составьте электронный баланс.
№2. Осуществите
превращения по схеме:
Fe 2 O 3 -> Fe - +H2O,
t -> X - +CO, t -> Y - +HCl ->Z
Назовите продукты X, Y, Z?
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.
Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.
Основные степени окисления — +2, +3
Простое вещество железо - ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.
Химические свойства простого вещества — железа:
Ржавление и горение в кислороде
1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °С)
2) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °С)
Fe + S – t° → FeS (600 °С)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°С)
4) В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н 2 SO 4 , при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe +2 постепенно переводится кислородом в Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (разб.) → FeSO 4 + H 2
В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Fе 3+ :
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют
Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди
5) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в из растворов их солей.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:
Fе + 2NaОН (50 %) + 2Н 2 O= Nа 2 ↓+ Н 2
и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.
Техническое железо - сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.
Доменный процесс производства чугуна
Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:
а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд - перевод в оксидную руду:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2 ,800°С, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2 ,500-600°С, -CO 2)
б) сжигание кокса при горячем дутье:
С (кокс) + O 2 (воздух) →СO 2 (600-700°С) СO 2 + С (кокс) ⇌ 2СО (700-1000 °С)
в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:
Fe 2 O 3 →(CO) (Fe II Fe 2 III)O 4 →(CO) FeO→(CO) Fe
г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:
Fе (т) →(C (кокс) 900-1200°С) Fе (ж) (чугун, t пл 1145°С)
В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe 2 С и графит.
Производство стали
Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО 2 , SО 2), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са 3 (РO 4) 2 и СаSiO 3 . Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.
Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:
FеСl 2 → Fе↓ + Сl 2 (90°С) (электролиз)
(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).
Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь - как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.
Оксид железа(II) F еО . Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fе 2+ O 2- . При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:
4FеО ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fе (560-700 °С, 900-1000°С)
FеО + 2НС1 (разб.) = FеС1 2 + Н 2 O
FеО + 4НNO 3 (конц.) = Fе(NO 3) 3 +NO 2 + 2Н 2 O
FеО + 4NаОН =2Н 2 O + N а 4 F е O 3(красн .) триоксоферрат(II) (400-500 °С)
FеО + Н 2 =Н 2 O + Fе (особо чистое) (350°С)
FеО + С (кокс) = Fе + СО (выше 1000 °С)
FеО + СО = Fе + СO 2 (900°С)
4FеО + 2Н 2 O (влага) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН) (t)
6FеО + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 (300-500°С)
Получение в лаборатории : термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:
Fе(ОН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 °С)
FеСОз = FеО + СO 2 (490-550 °С)
Оксид дижелеза (III) – железа( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe 2+ (Fе 3+) 2 (O 2-) 4 . Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик ), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение ). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe 3 O 4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FеО + O 2 (выше 1538 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 8НС1 (разб.) = FеС1 2 + 2FеС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 +10НNO 3 (конц.) =3Fе(NO 3) 3 + NO 2 + 5Н 2 O
(Fe II Fe 2 III)O 4 + O 2 (воздух) = 6Fе 2 O 3 (450-600°С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4Н 2 = 4Н 2 O + 3Fе (особо чистое, 1000 °С)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + СО =ЗFеО + СO 2 (500-800°C)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fе ⇌4FеО (900-1000 °С, 560-700 °С)
Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.
магнетит.
Оксид железа(III) F е 2 О 3 . Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fе 3+) 2 (O 2-) 3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fе 2 O 3 nН 2 О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.
Уравнения важнейших реакций:
6Fе 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °С)
Fе 2 O 3 + 6НС1 (разб.) →2FеС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)
Fе 2 O 3 + 2NaОН (конц.) →Н 2 O+ 2 N а F е O 2 (красн.) диоксоферрат(III)
Fе 2 О 3 + МО=(М II Fе 2 II I)O 4 (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)
Fе 2 O 3 + ЗН 2 =ЗН 2 O+ 2Fе (особо чистое, 1050-1100 °С)
Fе 2 O 3 + Fе = ЗFеО (900 °С)
3Fе 2 O 3 + СО = 2(Fe II Fе 2 III)O 4 + СO 2 (400-600 °С)
Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:
Fе 2 (SO 4) 3 = Fе 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °С)
4{Fе(NO 3) 3 9 Н 2 O} = 2Fе a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36Н 2 O (600-700 °С)
В природе — оксидные руды железа гематит Fе 2 O 3 и лимонит Fе 2 O 3 nН 2 O
Гидроксид железа (II) F е(ОН) 2 . Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.
Уравнения важнейших реакций:
Fе(OН) 2 = FеО + Н 2 O (150-200 °С, в атм.N 2)
Fе(ОН) 2 + 2НС1 (разб.) =FеС1 2 + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + 2NаОН (> 50%) = Nа 2 ↓ (сине-зеленый) (кипячение)
4Fе(ОН) 2 (суспензия) + O 2 (воздух) →4FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O (t)
2Fе(ОН) 2 (суспензия) +Н 2 O 2 (разб.) = 2FеО(ОН)↓ + 2Н 2 O
Fе(ОН) 2 + КNO 3 (конц.) = FеО(ОН)↓ + NO+ КОН (60 °С)
Получение : осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:
Fе 2+ + 2OH (разб.) = F е(ОН) 2 ↓
Fе 2+ + 2(NH 3 Н 2 O) = F е(ОН) 2 ↓ + 2NH 4
Метагидроксид железа F еО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fе — О и Fе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fе 2 O 3 nН 2 O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fе(ОН) 2 . Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.
Соединение состава Fе(ОН) 3 не известно (не получено).
Уравнения важнейших реакций:
Fе 2 O 3 . nН 2 O→(200-250 °С, — H 2 O ) FеО(ОН)→(560-700° С на воздухе, -H2O) →Fе 2 О 3
FеО(ОН) + ЗНС1 (разб.) =FеС1 3 + 2Н 2 O
FeO(OH)→Fe 2 O 3 . nH 2 O -коллоид (NаОН (конц.))
FеО(ОН)→N а 3 [ F е(ОН) 6 ] белый , Nа 5 и К 4 соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КFе III . В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь , или турнбуллева синь :
Fе 2+ + К + + 3- = КFе III ↓
Fе 3+ + К + + 4- = КFе III ↓
Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:
К 3 Fе III - гексацианоферрат (III) калия
К 4 Fе III - гексацианоферрат (II) калия
КFе III - гексацианоферрат (II) железа (Ш) калия
Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fе 3+ является тиоцианат-ион NСS — , железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:
Fе 3+ + 6NСS — = 3-
Этим реактивом (например, в виде соли КNСS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.
