Железо – основной конструкционный материал. Металл используется буквально везде – от ракет и подводных лодок до столовых приборов и кованых украшений на решетке. В немалой степени этому способствует элемент в природе. Однако истинной причиной является, все же, его прочность и долговечность.

В данной статье нами будет дана характеристика железа как металла, указаны его полезные физические и химические свойства. Отдельно мы рассказываем, почему железо называют черным металлом, чем оно отличается от других металлов.

Как не странно, но до сих пор иногда возникает вопрос о том, железо — это металл или неметалл. Железо – элемент 8 группы, 4 периода таблицы Д. И. Менделеева. Молекулярная масса 55,8, что довольно много.

Это металл серебристо-серого цвета, довольно мягкий, пластичный, обладающий магнитными свойствами. На деле чистое железо встречается и используется крайне редко, поскольку металл химически активен и вступает в разнообразные реакции.

О том, что такое железо, расскажет это видео:

Понятие и особенности

Железом обычно называют сплав с небольшой долей примесей – до 0,8%, который сохраняет практически все свойства металла. Повсеместное применение находит даже не этот вариант, а сталь и чугун. Свое наименование – черный металл, железо, а, вернее говоря, все тот же чугун и сталь, получили благодаря цвету руды – черному.

Сегодня черными металлами называют сплавы железа: сталь, чугун, феррит, а также марганец, и, иногда, хром.

Железо – очень распространенный элемент. По содержанию в земной коре он занимает 4 место, уступая кислороду, и . В ядре Земли находится 86% железа, и всего 14% – в мантии. В морской воде вещества содержится очень мало – до 0,02 мг/л, в речной воде несколько больше – до 2 мг/л.

Железо – типичный металл, к тому же довольно активный. Он взаимодействует с разбавленными и концентрированными кислотами, но под действием очень сильных окислителей может образовать соли железной кислоты. На воздухе железо быстро покрывается оксидной пленкой, предупреждающей дальнейшую реакцию.

Однако в присутствии влаги вместо оксидной пленки появляется ржавчина, которая благодаря рыхлой структуре дальнейшему окислению не препятствует. Эта особенность – корродирование в присутствии влаги, является главным недостатком железных сплавов. Стоит отметить, что провоцируют коррозии примеси, в то время как химически чистый металл устойчив к воде.

Важные параметры

Чистый металл железо довольно пластичен, хорошо поддается ковке и плохо литью. Однако небольшие примеси углерода значительно увеличивают его твердость и хрупкость. Это качество и стало одной из причин вытеснения бронзовых орудий труда железными.

• Если сравнить железные сплавы и , из тех, что были известны в древнем мире, очевидно, что , и по коррозийной стойкости, а, значит, и по долговечности. Однако массовое привело к истощению оловянных рудников. А, так как значительно меньше, чем , перед металлургами прошлого оставался вопрос о замене. И железо заменило бронзу. Полностью последняя была вытеснена, когда появились стали: такого сочетания твердости и упругости, бронза не дает.
• Железо образует с кобальтом и триаду железа. Свойства элементов очень близки, ближе, чем у их же аналогов с таким же строение внешнего слоя. Все металлы обладают прекрасными механическими свойствами: легко обрабатываются, прокатываются, протягиваются, их можно ковать и штамповать. Кобальт и не столь реакционноспособны и более устойчивы к коррозии, чем железо. Однако меньшая распространенность этих элементов не позволяет использовать их так же широко, как и железо.
• Главным «конкурентом» железу по области использования выступает . Но на деле оба материала обладают совершенно разными качествами. далеко не столь прочен, как железо, хуже вытягивается, не поддается ковке. С другой стороны, металл отличается, куда меньшим весом, что заметно облегчает конструкции.

Электропроводность железа весьма средняя, в то время как алюминий по этому показателю уступает лишь серебру, и золоту. Железо является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность при отсутствии магнитного поля, а и втягивается в магнитное поле.

Столь разные свойства обуславливают абсолютно разные области применения, так что «сражаются» конструкционные материалы очень редко, например, в производстве мебели, где легкость алюминиевого профиля противопоставляется прочности стального.

Преимущества и недостатки железа рассмотрены далее.

Плюсы и минусы

Главное преимущество железа по сравнению с другими конструкционными металлами – распространенность и относительная простота выплавки. Но, учитывая в каком количестве используется железо, это весьма немаловажный фактор.

Преимущества

К плюсам металла относят и другие качества.

• Прочность и твердость при сохранении упругости – речь идет не о химически чистом железе, а о сплавах. Причем качества эти варьируются в довольно широких пределах в зависимости от марки стали, способа термообработки, метода получения и так далее.
• Разнообразие сталей и ферритов позволяет создать и подобрать материал буквально для любой задачи – от каркаса моста до режущего инструмента. Возможность получения заданных свойств при добавлении очень незначительных примесей – необычайно большое достоинство.
• Легкость механической обработки позволяет получить продукцию самого разного вида: прутки, трубы, фасонные изделия, балки, листовое железо и так далее.
• Магнитные свойства железа таковы, что металл является основным материалом при получении магнитоприводов.
• Стоимость сплавов зависит, конечно, от состава, но все равно значительно ниже, чем у большинства цветных, пусть и с более высокими прочностными характеристиками.
• Ковкость железа обеспечивает материалу очень высокие декоративные возможности.

Недостатки

Минусы железных сплавов значительны.

• В первую очередь это недостаточная коррозийная стойкость. Специальные виды сталей – нержавеющие, обладают этим полезным качеством, но и стоят намного дороже. Значительно чаще металл защищают с помощью покрытия – металлического или полимерного.
• Железо способно накапливать электричество, поэтому изделия из его сплавов подвергаются электрохимической коррозии. Корпуса приборов и машин, трубопроводы должны каким-то образом защищаться – катодная защита, протекторная и так далее.
• Металл тяжелый, поэтому железные конструкции заметно утяжеляют объект строительства – здание, железнодорожный вагон, морское судно.

Состав и структура

Железо существует в 4 различных модификациях, отличающихся друг от друга параметрами решетки и структурой. Наличие фаз имеет действительно решающее значение для выплавки, поскольку именно фазовые переходы и их зависимость от легирующих элементов обеспечивает само течение металлургических процессов в этом мире. Итак, речь идет о следующих фазах:

• α-фаза устойчива до +769 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой. α-фаза является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствии магнитного поля. Температура в 769 С является точкой Кюри для металла.
• β-фаза существует от +769 С до +917 С. Структура модификации та же, но параметры решетки несколько другие. При этом сохраняются практически все физические свойства за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком.
• γ — фаза появляется в диапазоне от +917 до +1394 С. Для нее характера гранецентрированная кубическая решетка.
• δ-фаза существует выше температуры в +1394 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой.

Выделяют также ε-модификацию, которая появляется при высоком давлении, а также в результате легирования некоторыми элементами. ε -фаза обладает плотноупакованной гексагонической решеткой.

Про физические и химические свойства железа поведает этот видеоролик:

Свойства и характеристики

Очень сильно зависят от его чистоты. Разница между свойствами химически чистого железа и обычного технического, а тем более легированной стали, весьма существенна. Как правило, физические характеристики приводят для технического железа с долей примесей 0,8%.

Необходимо отличать вредные примеси от легирующих добавок. Первые – сера и фосфор, например, придают сплаву хрупкость, не увеличивая твердость или механическую стойкость. Углерод в стали увеличивает эти параметры, то есть, является полезным компонентом.

• Плотность железа (г/см3) в некоторой степени зависит от фазы. Так, α-Fe имеет плотность равную 7,87 г/куб. см при нормальной температуре и 7,67 г/куб. см при +600 С. Плотность γ-фазы ниже – 7,59 г/куб. см. а δ-фазы еще меньше – 7,409 г/куб.см.
• Температура плавления вещества – +1539 С. Железо относится к умеренно тугоплавким металлам.
• Температура кипения – +2862 С.
• Прочность, то есть стойкость к нагрузкам разного рода – давление, растяжение, изгиб, регламентируется для каждой марки стали, чугуна и феррита, так что об этих показателях говорить в общем сложно. Так, быстрорежущие стали имеет предел прочности на изгиб равный 2,5–2,8 ГПа. А тот же параметр обычного технического железа составляет 300 МПА.
• Твердость по шкале Мооса – 4–5. Специальные стали и химически чистое железо достигают куда более высоких показателей.
• Удельное электрическое сопротивление 9,7·10-8 ом·м. Железо проводит ток куда хуже меди или алюминия.
• Теплопроводность тоже ниже, чем у этих металлов и зависит от фазового состава. При 25 С составляет 74,04 вт/(м·К)., при 1500 С — 31,8 [Вт/(м.К)].
• Железо прекрасно куется, причем как при нормальной, так и повышенной температуре. Чугун и сталь поддаются литью.
• Биологически инертным вещество назвать нельзя. Однако токсичность его очень низкая. Связано это, правда, не столько с активностью элемента, сколько с неспособностью человеческого организма хорошо его усвоить: максимум составляет 20% от получаемой дозы.

К экологическим веществам железо отнести нельзя. Однако основной вред окружающей среде причиняет не его отходы, поскольку железо ржавеет и довольно быстро, а отходы производства – шлаки, выделяющиеся газы.

Производство

Железо относится к весьма распространенным элементам, так что и не требует больших расходов. Разрабатываются месторождения как открытым, так и шахтным методом. По сути, все горные руды включают в состав железо, но разрабатываются лишь те, где доля металла достаточно велика. Это богатые руды – красный, магнитный и бурый железняк с долей железо до 74 %, руды со средним содержанием – марказит, например, и бедные руды с долей железа не менее 26% – сидерит.

Богатая руда сразу же отправляется на завод. Породы со средним и низким содержанием обогащаются.

Существует несколько методов получения железных сплавов. Как правило, выплавка любой стали включает получение чугуна. Его выплавляют в доменной печи при температуре 1600 С. Шихту – агломерат, окатыши, загружают вместе с флюсом в печь и продувают горячим воздухом. При этом металл плавится, а кокс горит, что позволяет выжечь нежелательные примеси и отделить шлак.

Для получения стали обычно используют белый чугун – в нем углерод связан в химическое соединение с железом. Наиболее распространены 3 способа:

• мартеновский – расплавленный чугун с добавкой руды и скрапа плавят при 2000 С с тем, чтобы уменьшить содержание углерода. Дополнительные ингредиенты, если они есть, добавляют в конце плавки. Таким образом получают самую высококачественную сталь.
• кислородно-конвертерный – более производительный способ. В печи толщу чугуна продувают воздухом под давлением в 26 кг/кв. см. Может использоваться смесь кислорода с воздухом или чистый кислород с целью улучшить свойства стали;
• электроплавильный – чаще применяется для получения специальных легированных сталей. Чугун палят в электрической печи при температуре в 2200 С.

Сталь можно получить и прямым методом. Для этого в шахтную печь загружают окатыши с большим содержанием железа и при температуре в 1000 С продувают водородом. Последний восстанавливает железо из оксида без промежуточных стадий.

В связи со спецификой черной металлургии на продажу попадает либо руда с определенным содержанием железа, либо готовая продукция – чугун, сталь, феррит. Цена их очень сильно отличается. Средняя стоимость железной руды в 2016 году – богатой, с содержанием элементов более 60%, составляет 50$ за тонну.

Стоимость стали зависит от множества факторов, что порой делает взлеты и падение цен совершено непредсказуемо. Осенью 2016 стоимость арматуры, горяче- и холоднокатаной стали резко возросла благодаря не менее резкому подъему цен на коксующийся уголь – непременного участника выплавки. В ноябре европейские компании предлагает рулон горячекатаной стали по 500 Евро за т.

Область применения

Сфера использования железа и железных сплавов огромна. Проще указать, где металл не применяется.

• Строительство – сооружение всех видов каркасов, от несущего каркаса моста, до коробки декоративного камина в квартире, не может обойтись без стали разных сортов. Арматура, прутки, двутавры, швеллеры, уголки, трубы: абсолютно вся фасонная и сортовая продукция используется в строительстве. То же самое касается и листового проката: из него изготавливают кровлю, и так далее.
• Машиностроение – по прочности и стойкости к износу со сталью очень мало, что может сравниться, так что детали корпуса абсолютного большинства машин изготавливаются из сталей. Тем более в тех случаях, когда оборудование должно работать в условиях высоких температур и давления.
• Инструменты – с помощью легирующих элементов и закалки металлу можно придать твердость и прочность близкую к алмазам. Быстрорежущие стали – основа любых обрабатывающих инструментов.
• В электротехнике использование железа более ограничено, именно потому, что примеси заметно ухудшают его электрические свойства, а они и так невелики. Зато металл незаменим в производстве магнитных частей электрооборудования.
• Трубопровод – из стали и чугуна изготавливают коммуникации любого рода и вида: отопление, водопроводы, газопроводы, включая магистральные, оболочки для силовых кабелей, нефтепроводы и так далее. Только сталь способна выдерживать столь огромные нагрузки и внутреннее давление.
• Бытовое использование – сталь применяется везде: от фурнитуры и столовых приборов до железных дверей и замков. Прочность металла и износостойкость делают его незаменимым.

Железо и его сплавы сочетают в себе прочность, долговечностью стойкость к износу. Кроме того, металл относительно дешев в производстве, что и делает его незаменимым материалом для современного народного хозяйства.

Про сплавы железа с цветными металлами и тяжелыми черными расскажет это видео:

Есть ли чистое железо?

В книге профессора В.С. Меськина о производстве высококачественной стали можно прочесть: “Технические свойства химически чистого железа еще неизвестны, так как до сих пор химически чистое железо не получено даже в лабораторных условиях”. Удивительно, не правда ли? В мире ежегодно производятся сотни миллионов тонн стали и, оказывается, люди не могут увидеть чистого железа.

Многие полученные ранее данные о структуре и свойствах железа и его сплавов устарели, так как были определены на недостаточно чистых образцах. Механические, электрические и химические свойства чистейшего железа отличаются от свойств технического железа. Поэтому металловедам очень важно получить чистейшие металлические кристаллы и исследовать их свойства. Сейчас закладываются основы металловедения железа и стали особо высокой чистоты, что, бесспорно, скажется на различных областях техники. Член‑корреспондент АН СССР Е.М. Савицкий считал, что вся новая техника построена на вновь выявленных свойствах материалов.

Изучая чистое железо, выяснили, что оно имеет хорошие магнитные свойства. Магнитная проницаемость его в десятки раз выше, чем обычного технически чистого железа, содержащего около 0,665% примесей. Коэрцитивная же сила ниже, чем у технически чистого железа. Это объясняется тем, что указанное свойство в высшей степени чувствительно к малейшим искажениям кристаллической решетки, вызываемым примесями. Чистое железо обладает очень высокой стойкостью против коррозии. Другие свойства с увеличением чистоты железа изменяются значительно слабее.

Говоря о чистом железе, интересно отметить, что, кроме самородков золота и платины, встречается в природе и самородное железо. Оно упоминается в “Словаре коммерческом” В. Левшина (1789 год): “Так называется железо, совсем приуготовленное природою в недрах земных и совсем очищенное от веществ посторонних столько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи. Г. Руель получил через Восточно‑индийскую компанию кусок такого самородного железа из Сенегала, где находится оное в превеликих глыбах. Сей ученый химик ковал оное в прутки и нашел, что оное без переплавки на всякую поделку способно. В Сибири во многих местах находят самородное железо”.

Появление самородных металлов на поверхности планеты и до сих пор одна из самых запутанных загадок природы. Геологи считают, что легче найти самородки золота или платины, чем чистое железо. Каждая такая находка считается сенсацией. В 1982 году экспедиция советских геологов в отрогах Кураминского хребта в Киргизии в магматической породе обнаружила самородный хром, рассыпанный мельчайшими шариками, а рядом – выделения самородного железа, когенита и муссанита – тоже редких минералов. Глубинное происхождение самородков подтверждено изотопным анализом. Самородки образовались на глубине около 60 километров и были вынесены наверх потоком магмы.

В природе есть еще два весьма редко встречающихся естественных железоникелевых сплава: аварюст (FeNi 2) и жозефенит (Fe 3 Ni 5), которые найдены в виде гранул и мелкой гальки. Самородное железо встречается очень редко и потому практического значения не имеет. В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля, самородное имеет не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта, около 0,4% меди и до 0,1% платины, оно обычно очень бедно углеродом.

Однако при известных условиях происходит и образование самородного чугуна, например вследствие контакта раскаленного углерода с железной рудой. В 1905 году геолог А.А. Иностранцев обнаружил в районе Русского острова на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скопления самородного чугуна, находящегося на глубине 30–40 метров под скальными породами морского берега. В извлеченных через буровую скважину образцах чугуна оказалось около 3,2% углерода, 1,55% кремния и 0,66% марганца.

Образование самородного железа в земной коре связывают с процессами застывания магмы. Выделяется оно из окислов или сульфидов железа в результате восстановительных процессов, протекающих при наличии в магме углерода. Поэтому вместе с самородным железом находят минерал когенит – железоникелевый карбид (FeNiCO) 3 C. По мнению А.А. Иностранцева, самородный чугун с Русского острова образовался в результате извержения огненно‑жидкого потока горной породы – кварцевого порфира на поверхность обнаженных слоев каменного угля, среди которых имелось несколько слоев железной руды. В присутствии этой естественной шихты под влиянием высоких температур и без доступа воздуха произошло выделение из каменного угля углеводородов и оксида углерода. Эти соединения химически взаимодействовали со слоями железной руды, превращая их в массу чугуна. Какая же все‑таки степень чистоты железа достигнута в наши дни? В наиболее чистом, карбонильном железе содержится всего 0,00016% примесей. Много ли это? В известной железной колонне в Дели, славящейся чистотой железа, примесей содержится 0,28000%, то есть в 1750 раз больше.

Железо стоит на втором месте (4,7% в Земной коре) после алюминия по запасам и распространенности на планете. Оно обнаружено еще на заре человеческого общества и до сих пор не теряет своего значения и повсюду используется.

Чаще всего железо находят в богатых металлом рудах, которые можно относительно легко добывать и перерабатывать. В чистом виде железо находили только в метеоритах, а в соединениях оно присутствует в сульфидах, силикатах и оксидах.

Характеристика железа

Физические свойства

Железо - это серебристо-белый металл с сероватым оттенком. В чистом виде пластичен, но непрочен. При добавлении в него различных добавок (например, углерода) твердость и хрупкость сплава повышается. Железо хорошо проводит электричество, тепло и обладает мощными магнитными свойствами, то есть под действием магнитного поля оно намагничивается и потом само становится магнитом.

Железо особенно важно для живых организмов. Оно способствует дыхательным процессам и входит в состав гемоглобина крови (477 мг/л). Это значит, что железо участвует в процессе доставки кислорода от органов дыхания к тканям.

Находясь в воде и на влажном воздухе железо меркнет и ржавеет, а при температуре 1539°С легко плавится и поддается ковке. При высоких температурах железо реагирует с паром воды.

Железо образует 300 разнообразных минералов (карбонаты, сульфиды и т.д.) и энергично мигрирует в земной коре. Его называют металлом земных недр, так как он копится в кристаллизации магмы.

Химические свойства

Железо - металл со средней степенью химической активности. На воздухе, на нем образуется защитная пленка, которая препятствует коррозии и ржавлению. Если воздух влажный, железо окисляется и покрывается ржавчиной.

Растворяется в разведенной соляной или серной кислотах, с выделением водорода. Вытесняет из растворов солей металлы. Во время нагревания взаимодействует с неметаллами.

Соединения и нахождение железа в природе

В естественных водах, среднее содержание железа (в интервале 0,01-26 мг/л). Кроме того, животные особи, бактерии и растения содержат его в своих организмах. Даже в тканях и внутренних органах людей есть железо, поступающее в организм вместе с едой. Потребность в нем для взрослого человека составляет 11-30мг. Избыток железа приводит к гемохроматозу и серьезным нарушениям внутренних органов.

Так как месторождения железных руд возникают в разных геологических условиях, то и состав руд и условия их расположения разнообразны.

Железо содержится во многих рудах:

Гематит (железный блеск, красный железняк),

Пирит (серный колчедан) и гетит,

Магнетит (магнитный железняк),

Сидерит и гидрогенит.

Круговорот железа в природе

(На примере круговорота серы и других соединений в природе )

За счет жизнедеятельности железобактерий (нитевидные бактерии и одиночные железобактерии) происходит круговорот железа в природе. Они окисляют железо до гидроксида железа, а углерод получают из углекислоты. Таким образом, железобактерии получают энергию для своей жизнедеятельности, а после смерти осаждаются в почве в виде болотной руды.

Области применения железа

В чистом виде железо непрочно, поэтому практически не применяется. Его используют для выработки электромагнитов, как катализатор химических реакций и др.

Основное применение этот металл находит в виде сплавов. На их долю приходится 95% всей металлопродукции. Железо основной компонент стали и чугуна. В стали меньше углерода, чем в чугуне, и поэтому она более пластична и устойчива к резким ударным нагрузкам железа.

Так же железо входит в состав никелевых и других сплавов, использующихся в электротехнике, железо-воздушных аккумуляторах и железо - никелевых аккумуляторах.

На основе железа производятся материалы, которые могут выдерживать действие низкой и повышенной температуры, агрессивной среды, ядерных излучений, вакуума и высоких давлений и т. п.

Железо относится к группе тех металлов, которые очень широко применяются во всех областях народного и бытового хозяйства. Чугун и сталь стали основой современной техники. С их участием произошло развитие тяжелой промышленности, разнообразного наземного транспорта и др.

Большие запасы железа в России, Австралии, Канаде, Казахстане, Индии, Франции, США, Венесуэле и ЮАР.

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. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после ).

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а 0 = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a 0 = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

1. В интервале температур от самых низких до 910°С -а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
2. В интервале температур от 910 до 1390°С - аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
3. В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) - д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.
В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.
При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

СВОЙСТВА

В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа - это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая - 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа - хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, — единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Железо - один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %.

В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало - в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe 2 O 4 , Fe 3 O 4 ; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH 2 O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe 3 (PO 4) 2 ·8H 2 O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде — 1·10 −5 -1·10 −8 %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO·Fe 2 O 3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовыхлавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe 1-x S) и когенит (Fe 3 C), что объясняют как восстановление углеродом (в том числе и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO) n . В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.
Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

ПРИМЕНЕНИЕ

Железо - один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов - важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов - например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) - важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Железо (англ. Iron) — Fe

КЛАССИФИКАЦИЯ

Hey’s CIM Ref1.57

Желе́зо - элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) - 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.
На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре - 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, укр. залізо, ст.-слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, польск. żelazo, чеш. železo, словен. železo).
Одна из этимологий связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень». Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка.
Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum . Латинское ferrum (Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn,англ. iron, нем. Eisen, нидерл. ijzer,дат. jern, швед. järn) из кельтских.
Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h1esh2r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish2ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой».
Древнегреческое слово σίδηρος, возможно, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра.
Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus - звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO·Fe 2 O 3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода. В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III). Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.
Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида. Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак - метасиликат кальция. Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности - это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.
Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.
Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.