Неорганическая химия

 Главная   Общая  Неорганическая  Органическая  Физическая  Поиск реакции 

Железо

Общая характеристика

Железо – элемент побочной подгруппы VIII группы Периодической системы. В природе – четыре стабильных изотопа железа с массовыми числами 54, 56, 57 и 58. В естественном железе преобладает 56Fe – мольная доля 91,68%. По распространенности в земной коре железо занимает 4-е место – его массовая доля 4,65%.

В природе встречается как в свободном состоянии – железные метеориты, так и в виде минералов, из которых наибольшее значение имеют бурый железняк FeOOHH2O, красный железняк Fe2O3, магнитный железняк Fe3O4, шпатовый железняк или сидерит FeCO3.

Электронное строение внешнего уровня атома железа 3s23p63d64s2. В соединениях железо проявляет степени окисления от 0 до +7, наиболее устойчивы +2, +3, +6.

Физические свойства

Металл серо-стального цвета, температура плавления 1539oС,кипения 2870oС, плотность 7,8г/см3. До температуры 912oС устойчива –модификация железа (кубическая объемноцентрированная решетка), в интервале 912-1394oС - -железо (кубическая гранецентрированная решетка) и от 1394oC до плавления – снова -железо. Металлическое железо пластично. Является ферромагнетиком, при 769oС (температура Кюри) ферромагнитные свойства железа исчезают.

Химические свойства

Железо – металл средней химической активности. При нагревании взаимодействует почти со всеми неметаллами, например, сгорает в атмосфере хлора:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

или кислорода, при этом, в зависимости от исходного состояния железа, образуются разные продукты. Например, компактный металл образует железную окалину:

3Fe + 2O2 = Fe3O4

а порошок – оксид железа (III):

4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
После предварительного нагревания железо экзотермически реагирует с серой:

Fe + S = FeS

C углеродом, кремнием, фосфором, азотом железо образует как твердые растворы, так и металлоподобные соединения, в которых атомы неметалла внедряются в пустоты кристаллической решетки железа, например Fe3C, Fe3Si, Fe3P, Fe4N, Fe2N. Твердость подобных соединений обычно значительно выше твердости чистого железа. При растворении водорода в железе оно становится хрупким – это явление называют «водородная хрупкость железа».В присутствии влаги на железо уже при комнатной температуре взаимодействует с кислородом воздуха (ржавеет):

2Fe + 3/2O2 + xH2O = Fe2O3xH2O

Железо легко растворяется в разбавленных растворах кислот, образуя соли железа (II), например:

Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4(20%) = FeSO4 + H2

Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо.

В обычных условиях железо в щелочах не растворяется.

Получение

Основной способ получения железа – восстановление его оксидов углеродом. С точки зрения химии процесс не менялся со времен его открытия (II-тысячелетие до нашей эры), менялось только его техническое оформление. В настоящее время используется доменный процесс, проводимый в вертикальных печах – домнах, заполняемых смесью железной руды и кокса. В нижнюю часть домны вдувают воздух, иногда обогащенный кислородом. При этом углерод окисляется:

С + О2 = СО2

Поднимаясь вверх через слой кокса и руды, СО2 восстанавливается до СО:

СО2 + С = 2СО

Который восстанавливает руду:

3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
FeO + CO = Fe + CO2

Расплавленное железо стекает в нижнюю часть доменной печи, откуда его периодически сливают. Попутно из примесей, содержащихся в руде, образуется смесь силикатов и фосфатов, в основном кальция, называемая шлаком. Железо, получаемое таким способом, содержит значительные количества углерода, в технологии его называют чугуном. Для переработки железа в сталь используют мартеновский, конвертерный («бессемеровский») и некоторые другие процессы. В древности, когда вместо кокса использовали древесный уголь и не доводили получаемое железо до плавления – для очистки от шлака использовали проковку образовавшегося железа – качество получаемого металла было значительно выше современного, что позволяло сразу использовать его для изготовления изделий (например, «булатная» сталь).

Применение

Железо – главный конструкционный металл современной технологии. Применяется железо в основном в виде сплавов – чугунов и сталей.



    © Короленко М.В., 2009-2016                      *7741*25*127*

          Индекс цитирования          Эта страница помогла? Покажите ее друзьям!