Неорганическая
Органическая
Коллоидная
Биологическая
Биохимия
Токсикологическая
Экологическая
Химическая энциклопедия
Советская энциклопедия
Справочник по веществам
Гетероциклы
Теплотехника
Углеводы
Квантовая химия
Моделирование ХТС
Номенклатура
Таблица Менделеева
Неорганические реакции
Органические реакции
Молярные массы
Форматирование формул
Редактор формул
Уравнивание реакций
Электронное строение атомов
Игра «Таблица Менделеева»
Термодинамические свойства
Конвертер величин
Гальванопара
Форум
Лекарства
Фармацевтика
Термины биохимии
Коды загрязняющих веществ
Стандартизация
Каталог предприятий


Железо

Железо (латинское Ferrum), Fe, химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847; блестящий серебристо-белый металл. Элемент в природе состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%) и 58Fe (0,31%).

  Историческая справка. 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 хеттских текстах 14 в. до н. э. упоминается о железе как о металле, упавшем с неба. В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, французское fer, итальянское ferro).

  Способ получения железа из руд был изобретён в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришёл железный век. 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 (см. Восстановление металлов), устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, 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 (см. 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 железа на поду пламенной отражательной печи (см. 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 железе 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.

  Распространённость в природе. По содержанию в литосфере (4,65% по массе) железо занимает второе место среди металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя около 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты и т. д.). Железо принимает активное участие в магматических, гидротермальных и гипергенных процессах, с которыми связано образование различных типов его месторождений (см. Железные руды). Железометалл 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.

  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.).

  Физические и химические свойства. 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.

  Железо может существовать в виде двух кристаллических решёток: a- и g- объёмноцентрированной кубической (ОЦК) и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910 °С устойчиво a - Fe с ОЦК-решёткой (а = 2,86645  при 20°С). Между 910°С и 1400°С устойчива g-модификация с ГЦК-решёткой (а = 3,64 ). Выше 1400°С вновь образуется ОЦК-решётка d-Fe (а = 2,94 ), устойчивая до температуры плавления (1539°С). a - Fe ферромагнитно вплоть до 769°С (точка Кюри). Модификация g-Fe и d-Fe парамагнитны.

  Полиморфные превращения железа и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов. Углерод образует с железом твёрдые растворы внедрения, в которых 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 наз. 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. Сочетание закалки с отпуском (нагревом до относительно низких температур для уменьшения внутренних напряжений) позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности (см. Железо - углеродистые сплавы. Термическая обработка металлов).

  Физические свойства железа зависят от его чистоты. В промышленных железных 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:

  Атомный радиус 1,26

  Ионные радиусы Fe2+O,80 , Fe3+O,67

  Плотность (20oC) 7,874 г/см3

  tпл 1539°С

  tkип около 3200оС

  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 температурой; средняя удельная теплоёмкость (0-1000oC) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/ (г·град)].

  Удельное электрическое сопротивление (20°С)

  9,7·10-8ом·м [9,7·10-6ом·см]

  Температурный коэффициент электрического сопротивления

  (0—100°С) 6,51·10-3

  Модуль Юнга 190—210·103 Мн/м.2

  (19-21·103кгс/мм2)

  Температурный коэффициент модуля Юнга

  4·10-6

  Модуль сдвига 84,0·103 Мн/м2 [8,4·103кгс/мм2]

  Кратковременная прочность на разрыв

  170-210Мн/м2[17-21кгс/мм2]

  Относительное удлинение 45—55%

  Твёрдость по Бринеллю 350—450 Мн/м2

  [35—45 кгс/мм2]

  Предел текучести 100Мн/м2 [10 кгс/мм2]

  Ударная вязкость 300 Мн/м2 [30 кгс/мм2]

  Конфигурация внешней электронной оболочки атома Fe 3d64s2. Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного железа). С кислородом железо образует закись FeO, окись Fe2O3 и закись-окись Fe3O4 (соединение FeO с Fe2O3, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре железо покрывается рыхлой ржавчиной (Fe2O3·nH2O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн железа (см. Коррозия металлов). 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.

  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 железа с серой образуются сульфиды FeS и FeS2. 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. 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.

  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+.

  Своеобразно взаимодействие железа 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.

  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.

  Получение и применение. 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.

  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 (см. Доменное производство). 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 (см. Мартеновская печь, Конвертер). 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 железа создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство железа и его сплавов постоянно растет. В 1971 в СССР выплавлено 89,3 млн. т чугуна и 121 млн. т стали.

  Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова.

 

  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 в. железо используется для изготовления решёток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.

  Т. Л.

 

  Железо в организме. Железо присутствует в организмах всех животных и в растениях (в среднем около 0,02%); оно необходимо главным образом для кислородного обмена и окислительных процессов. Существуют организмы (т. н. концентраторы), способные накапливать его в больших количествах (например, железобактерии — до 17—20% железа). Почти всё железо в организмах животных и растений связано с белками. Недостаток железа вызывает задержку роста и явления хлороза растений, связанные с пониженным образованием хлорофилла. Вредное влияние на развитие растений оказывает и избыток железа, вызывая, например, стерильность цветков риса и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями растений соединения железа, и растения не получают его в достаточном количестве; 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 (см. Биогеохимические провинции).

  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 с кровью к различным органам и тканям, где депонируется в виде железо-белкового комплекса — ферритина. Основное депо железа в организмепечень и селезёнка. За счёт железо-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.

  В. В. Ковальский.

 

  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.).

 

  Лит.: Общая металлургия, М., 1967; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970; Реми Г., Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 2, М., 1966; Краткая химическая энциклопедия, т. 2, М., 1963; Левинсон Н. Р., [Изделия из цветного и чёрного металла], в кн.: Русское декоративное искусство, т. 1—3, М., 1962—65; Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922—1932, М. — Л., 1940; Граник С., Обмен железа у животных и растений, в сборнике: Микроэлементы, пер. с англ., М., 1962; Диксон М., Уэбб Ф., ферменты, пер. с англ., М., 1966; Neogi P., Iron in ancient India, Calcutta, 1914; Friend J. N., Iron in antiquity, L.,1926; Frank E. B., Old French ironwork, Camb. (Mass.), 1950; Lister R., Decorative wrought ironwork in Great Britain, L., 1960.


Дверная ручка и дверная петля-жиковина. 17 в.


Шкатулка из Великого Устюга. 18 в. Русский музей. Ленинград.


Ворота ограды церкви Вознесения в Коломенском (ныне в черте Москвы). 17 в.


Канделябр из Каталонии. 15 в. Музей Кау Феррат. Барселона.


Флюгер с Владимирской башни Китай-города в Москве. Конец 17 в. Исторический музей. Москва.


Решётка ограды дома Челлеси в Ареццо. 17 в.


Цубы (пластины, отделяющие рукоятку меча от лезвия). 14—16 вв. Национальный музей. Токио.


Решетка ограды церкви Никиты Мученика в Москве. 18 в.


Л. П. Катаев, В. П. Смирнов. Памятник пяти большевикам, расстрелянным в 1918 белогвардейцами, на Острове Залита (Псковское озеро).1967.



     © ХиМиК.ру




Реклама   Обратная связь   Дизайн