химический каталог




ЖЕЛЕЗО

Автор Химическая энциклопедия г.р. И.Л.Кнунянц

ЖЕЛЕЗО (Ferrum) Fe, химический элемент VIII гр. периодической системы, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Состоит из четырех стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fе (2,17%), 58Fe (0,31%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для природные смеси изотопов 2,62* 10 - 28 м2. Конфигурация внешний электронных оболочек 3d64s2; степени окисления +2 и +3 (наиболее характерны), +1, +4, +6, +8; энергия ионизации при последоват. переходе от Fe0 к Fe5+ 7,893, 16,183, 30,65, 57,79 эВ; сродство к электрону 0,58 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,8; атомный радиус 0,126 нм, ионные радиусы (в нм, в скобках указаны ко-ординац. числа) для Fe2+ 0,077 (4), 0,092 (6), 0,106 (8), для Fe3+ 0,063 (4), 0,079 (6), 0,092 (8). Железо - один из самых распространенных элементов в природе, его содержание в земной коре составляет 4,65% по массе. Известно св. 300 минералов, из которых слагаются месторождения железных рудельная Пром. значение имеют руды с содержанием Fe св. 16%. Важнейшие рудные минералы железа: магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 (содержит 72,4% Fe), гематит (железный блеск, красный железняк) Fe2O3 (70% Fe), гётит a -FeO(OH), или Fe2O3 * H2O, лепидокрокит g -FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe2O3 * xH2O (около 62% Fe), сидерит FeCO3 (48,2% Fe), ильменит FeTiO3 (36,8% Fe). Наряду с полезными примесями - Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co - железные руды содержат и вредные примеси - S, P и др. Железо входит в состав природные силикатов, значительные скопления которых могут иметь пром. значение для производства ЖЕЛЕЗО или его соединение Различают следующей основные типы железных рудельная Бурые железняки - руды гидроксидов Fe(III) (главный минерал - гётит); содержат до 66,1% Fe (чаще 30-55%); имеют осадочное происхождение. Крупнейшие месторождения в СССР, во Франции, в Гвинее. Гематитовые руды, или красные железняки (главный минерал - гематит); содержат обычно 50-65% Fe. Для них характерно залегание богатых руд поверх мощных толщ бедных (30-40% Fe) магнетитовых кварцитов. Крупнейшие месторождения в СССР, США, Канаде, Бразилии, Венесуэле. Магнетитовые руды, или магнитные железняки (главный минерал -магнетит); содержат чаще всего до 45-60% Fe. Верх. горизонты магнетитовых рудных тел обычно частично окислены до гематита (полумартиты и мартиты). Крупнейшие месторождения в СССР и Швеции. Силикатные руды (25-40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна в ГДР, Югославии, ЧССР и ряде др. стран Европы, относятся к группе зеленых слюд-хлоритов. Главные минералы - шамозит Fe4(Fe, Al)2[Al2Si2O10](OH)8 и тюрингит (Mg, Fe)3,5Al1,5[Si2,5Al1,5O10](ОН)6 * nН2О - содержат до 42% Fe. Важнейшие месторождения в ГДР, Австрии и др. Мировые разведанные запасы железных руд составляют 231,9 млрд. т, или 93 млрд. т в пересчете на ЖЕЛЕЗО (1980). По запасам железных руд (балансовым - св. 100 млрд. т) СССР занимает первое место в мире. Наиб. запасы железных руд (в млрд. т), кроме СССР, сосредоточены в Бразилии (34), Канаде (26), Австрии (21), США (17), Индии (13), ЮАР (9), Швеции (4,5) и во Франции (4). Перспективно использование бедных железом горных пород и железомарганцевых конкреций. Мировые запасы последних оцениваются в 3000 млрд. т (1984). В чрезвычайно редких случаях железо встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO (аналог которого в технике называют вюститом), а также в виде самородного ЖЕЛЕЗО - метеорного и теллурического (земного происхождения). Теллурич. ЖЕЛЕЗО образуется в результате восстановления оксидов и сульфидов ЖЕЛЕЗО углеродом из железистой магмы и при подземных пожарах угля, контактирующего с пластами руды. ЖЕЛЕЗО входит в состав гемоглобина.
Свойства. Железо - блестящий серебристо-белый пластичный металл. При обычном давлении существует в четырех кристаллич. модификациях. До 917 °С существует a-Fe с объемноцентрир. кубич. решеткой (а = 0,286645 нм, z = 2, пространств. группа Im3m); a -Fe ферромагнитно, но при 769 °С (точка Кюри) переходит в парамагн. состояние без изменения сингонии и др. свойств, кроме магнитных; D H0 перехода 1,72 кДж/моль. Парамагн. ЖЕЛЕЗО ( b -Fe) устойчиво в интервале 769-917 °С. В интервале 917-1394 °С существует g -Fe с гранецентрир. кубич. решеткой (при 950 °С а = 0,3656 нм, z = 4, пространств. группа Fm3m); D H0 перехода b : g 0,91 кДж/моль. Выше 1394°С существует d -Fe с объемноцентрир. кубич. решеткой (при 1425°С а = 0,293 нм, z = 2, пространств. группа Im3m); D H0 перехода g : d 0,63 кДж/моль. При высоких давлениях существует e -Fe с гексагон. плотноупакованной решеткой, которое также образуется и при нормальном давлении при легировании железа рядом элементов. Ниже приводятся данные о физических свойствах ЖЕЛЕЗО с общим содержанием примесей не более 0,01%. Температура плавления 1535 °С ( D H0пл 16,6 кДж/моль), температура кипения 2750 °С ( D H0исп 354,3 кДж/моль). Плотн. (в г/см3): a -Fe 7,87 (20 °С), 7,67 (600 °С); g -Fe 7,59 (1000 °С); d -Fe 7,409; жидкого ЖЕЛЕЗО 7,024 (1538°С), 6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С); уравение температурной зависимости плотности жидкого карбонильного ЖЕЛЕЗО (см. ниже): d = 8,618 - 8,83 * 10 - 4T г/см3. Теплоемкость медленно увеличивается с ростом температуры до 523 К, затем резко возрастает, достигая максимума в точке Кюри, после чего снижается; С0р 25,14 Дж/(моль * К); S0298 27,30 Дж/(моль * К); уравение температурной зависимости давления пара: lgp (в мм рт. ст.) = - 19710/T - l,271gT + 13,27 (1808-3023 К); температурный коэффициент линейного расширения 12 * 10 - 6 К - 1 (298 К), уравение его температурной зависимости: a = 11,3 * 10 - 6 + 17,6 * 10 - 8t - 1,68 * 10 - 11t2 oС - 1 (0-800°С). Теплопроводность [Вт/(м * К)], 132 (100 К), 80,3 (300 К), 69,4 (400 К), 32,6 (1000 К), 31,8 (1500 К); для армко-Ж. (см. ниже) 74,7 (273 К), 72,8 (298 К), 67,6 (373 К). Для 99,99%-ного ЖЕЛЕЗО g в атмосфере Не 1,72 Н/м (1535°С); динамич. вязкость в интервале 1535-1700°С изменяется от 6,8 * 10 - 4 до 5,6 * 10 - 4 Па * с. Для 99,99%-ного ЖЕЛЕЗО r 0,0327 мкОм * см (4,2 К), 9,71 мкОм * см (293 К), температурный коэффициент r 6,51 * 10 - 3 К - 1 (273-373 К); температура перехода в сверхпроводящее состояние 0,1125 К. Магн. проницаемость 1,45 * 106 (для монокристалла), магн. индукция насыщения 2,18 Тл; коэрцитивная сила 5-6 А/м (для карбонильного железа). Для особо чистого железа (<10 - 7% С + N, 10 - 5% О, < 10 - 5% S) s раст 50 МПа, предел текучести 20 МПа при скорости деформации 5 * 10 - 4 с - 1 и размере зерна 1 мм; ударная вязкость более 300 Дж/см2; температура перехода в хрупкое состояние -85°С; для совершенных кристаллов ("усов") s раст 13,4 ГПа. Твердость по Моосу 4-5. Для отожженного образца относит. удлинение 40-50%, модуль сдвига 76,4-78,4 ГПа, твердость по Бринеллю 588-686 МПа. Железо - металл умеренной химический активности. Стандартный электродный потенциал Fe2+/Fe0 -0,447 В, Fe3+/Fe0 -0,037 В, Fе3+/Fе2+ +0,771 В. Жидкое железо неограниченно растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti, хорошо растворяет V, Сr и Pt, ограниченно - Mo, Sn, С, S, P, As, H2, N2, О2, не растворяет Pb, Ag, Bi. С углеродом образует твердые растворы внедрения - феррит и мартенсит с a -Fe, аустенит с g -Fe. В железа сплавах углерод присутствует также в виде графита и цементита Fe3C (см. табл.). В зависимости от содержания С в ЖЕЛЕЗО различают: мягкое ЖЕЛЕЗО (< 0,2% С), сталь (0,2-1,7% С) и чугун (1,7-5% С). В сухом воздухе при температурах до 200 °С на поверхности компактного ЖЕЛЕЗО образуется тончайшая оксидная пленка, защищающая металл от дальнейшего окисления. Выше 200 °С скорость коррозии ЖЕЛЕЗО увеличивается, образуется слой окалины; внутр. зона ее состоит из вюстита FеxО (х = 0,89-0,95), поверх него лежит слой Fe3O4, затем Fe2O3. Ржавление ЖЕЛЕЗО (атм. коррозия) во влажном воздухе, особенно содержащем капли морской воды, идет быстрее; ржавчина содержит также и гидроксиды ЖЕЛЕЗО, в основные FeO(OH). О кислородных соединений ЖЕЛЕЗО см. Железа оксиды. ЖЕЛЕЗО не растворим в воде и растворах холодных щелочей, реагирует с разбавленый кислотами, образуя соли Fe(II), и горячими конц. растворами щелочей. Конц. HNO3 и H2SO4 пассивируют ЖЕЛЕЗО благодаря образованию нерастворимой в кислотах оксидной пленки. Азот в малых концентрациях образует с ЖЕЛЕЗО твердые растворы внедрения, в больших - нитриды Fe2N и др. При нормальном давлении около 917°С растворимость N2 в a -Fe до 0,01 ат. %, в g -Fe около 0,1 ат. %. ЖЕЛЕЗО способно поглощать Н2 при травлении кислотами и в процессе катодного выделения ЖЕЛЕЗО при электролизе. Адсорбируясь на дефектах структуры, водород резко снижает прочность и пластичность ЖЕЛЕЗО (так называемой водородная хрупкость). Твердое ЖЕЛЕЗО поглощает Н2 с образованием твердых растворов внедрения. Растворимость Н2 в ЖЕЛЕЗО при комнатной температуре менее 0,005%, в расплавленном ЖЕЛЕЗО - почти в 25 раз больше. Гидриды ЖЕЛЕЗО существуют только при высоких давлениях Н2; известны гидриды интерметаллидов ЖЕЛЕЗО, например TiFeH2 (см. Гидриды). С СО ЖЕЛЕЗО образует железа карбонилы, в которых ЖЕЛЕЗО формально проявляет нулевую степень окисления. При нагревании ЖЕЛЕЗО реагирует с галогенами, особенно легко с Сl2, т. к. образующийся FeCl3 летуч (см. Железа хлориды) и не создает на поверхности металла защитной пленки. Напротив, FeF3 нелетуч, поэтому компактное ЖЕЛЕЗО устойчиво к действию F2 до 250-300 °С.

Реакция ЖЕЛЕЗО с S экзотермична, начинается при слабом нагревании, при этом образуется нестехиометрич. сульфид, близкий по составу к FeS. В природе распространен минерал пирит FeS2 (см. Железа сульфиды). Фосфор при малых концентрациях дает с ЖЕЛЕЗО ограниченные твердые растворы, при больших концентрациях - фосфиды, из которых наиболее устойчивы Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2. ЖЕЛЕЗО образует два ряда солей - соединение Fe(II) и Fe(III). Соли Fe(II) гидролизуются, в числе продуктов гидролиза образуются различные полиядерные комплексы; на воздухе окисляются до Fe(III). Более устойчивы двойные соли, например, соль Мора FeSO4 * (NH4)2SO4 * 6H2O (см. Железа сульфаты), и комплексные. В водном растворе Fe2+ образует аквакомплексы, например, состава [Fe(H2O)6]2+ , часто сохраняющиеся и в высших кристаллогидратах солей. Растворы солей Fe2+ практически бесцветны, т. к. окраска [Fe(H2O)6]2+ очень слабая (зеленоватая). При действии Na2CO3 на растворы Fe2+ осаждается карбонат FeCO3, который при действии избытка СО2 переходит в раствор в виде Fe(HCO3)2. Наиб. прочные комплексы Fe(II) - цианистые, например K4[Fe(CN)6] (см. Калия гексацианоферраты). Соли Fe(II) - восстановители в водных растворах. Соли Fe(III) образуются при окислении солей Fe(II) и др. способами; гидролизуются (с образованием различные полиядерных комплексов) сильнее, чем соли Fe(II). Гидратир. ион Fe3+ почти бесцветен, но растворы солей Fe3+ обычно имеют бурую окраску из-за образования гидроксосоединений. Растворы Fe3+ с MNCS дают кроваво-красный раствор тиоцианата Fe(NCS)3, с K4[Fe(CN)6] - ярко-синий осадок берлинской лазури (турнбулевой сини) приблизительного состава KFeIII[FeII(CN)6]. При взаимодействие растворов солей Fe(III) с (NH4)2C2O4 образуется оксалат Fe2(C2O4)3 (т. различные 100°С), применяемый для получения светокопировальной бумаги. Сульфат Fe(III) образует двойные сульфаты (см. Квасцы). Амминокомплексы Fe(II) и Fe(III) образуются при действии NH3 на безводные соли; водой разлагаются. Степень окисления +6 ЖЕЛЕЗО проявляет в ферратах(VI), например BaFeO4, K2FeO4, +4 - в тетранитрозиле Fe(NO)4, который образуется при действии NO на ЖЕЛЕЗО при повыш. давлении, и ферратах(IV) составов MIIFeO3, MI2FeO3, MI4FeO4, легко образующихся в водных щелочных средах при окислении О2. При анодном растворении ЖЕЛЕЗО при высоких плотностях тока образуется феррат(VШ) неопределенного состава. Об органическое соединениях ЖЕЛЕЗО см. Железоорганические соединения, Ферроцен.
Получение. Схема металлургич. передела железных руд включает дробление, измельчение, обогащение магн. сепарацией (до содержания Fe 64-68%), получение концентрата (74-83% Fe), плавку; основные массу ЖЕЛЕЗО выплавляют в виде чугуна и стали (см. Железа сплавы). Технически чистое ЖЕЛЕЗО, или армко-Ж. (0,02% С, 0,035% Мn, 0,14% Сr, 0,02% S, 0,015% Р), выплавляют из чугуна в сталеплавильных печах или кислородных конвертерах. Чистое ЖЕЛЕЗО получают: восстановлением оксидов ЖЕЛЕЗО твердым (коксик, кам.-уг. пыль), газообразным (Н2, СО, их смесь, природные конвертированный газ) или комбинир. восстановителем; электролизом водных растворов или расплавов солей ЖЕЛЕЗО; разложением пентакарбонила Fe(CO)5 (карбонильное ЖЕЛЕЗО). Сварочное, или кричное, ЖЕЛЕЗО производят окислением примесей малоуглеродистой стали железистым шлаком при 1350°С или восстановлением из руд твердым углеродом. Восстановлением оксидов ЖЕЛЕЗО при 750-1200°С получают губчатое ЖЕЛЕЗО (97-99% Fe) - пористый агломерат частиц ЖЕЛЕЗО; пирофорно; в горячем состоянии поддается обработке давлением. Карбонильное ЖЕЛЕЗО (до 0,00016% С) получают разложением Fe(CO)5 при 300 °С в среде NH3 с последующей восстановит. отжигом в среде Н2 при 500-600 °С; порошок с размером частиц 1-15 мкм; перерабатывается методами порошковой металлургии. Особо чистое ЖЕЛЕЗО получают зонной плавкой и др. методами.
Определение. Качественно Fe(II) обнаруживают по образованию берлинской лазури с K3[Fe(CN)6], Fe(III) - пo образованию ее же с K2[Fe(CN)6] или Fe(CNS)3 с тиоцианатом аммония или К. Количественно Fe(II) определяют с помощью дихроматометрии или перманганатометрии, Fе(Ш) - иодометрич. или комплексонометрич. титрованием с трилоном Б и индикатором (сульфосалициловая кислота), Fe(II) и Fe(III) - колориметрически с сульфосалициловой кислотой. Для определения ЖЕЛЕЗО используют также спектральный, рентгенофлуоресцентный и термометрич. методы, мёссбауэровскую спектроскопию и др. Примеси в ЖЕЛЕЗО определяют методами газового анализа, масс-спектрометрическим, активационным, кондуктометрическим, спектральным и др.
Применение. Технически чистое ЖЕЛЕЗО - материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Карбонильное ЖЕЛЕЗО используют для нанесения тончайших пленок и слоев на магнитофонные ленты, как катализатор, антианемич. ср-во и др. Из губчатого ЖЕЛЕЗО выплавляют высококачеств. стали. Железный порошок используют для сварки, а также для цементации меди. Искусств. радиоактивные изотопы 55Fe (T1/2 2,6 ч) и 59Fe (Tl/2 45,6 сут) - изотопные индикаторы. Лит.. Федоров А. А., Новые методы анализа металлических порошков и шлаков, М., 1971, с. 62-109. 226-36; Каменецкая Д. С., Пилецкая И. Б., Ширяев В. И., Железо высокой степени чистоты. М., 1978; Каспарова О. В. [и др.], "Защита металлов". 1985, т. 21. № 3. с. 339-45; Перфильев Ю. Д. [и др.]. "Докл. АН СССР". 1987. т. 296, № 6, с. 1406-09. См. также лит. при ст. Железа сплавы. Е. Ф. Вегман.

Химическая энциклопедия. Том 2 >> К списку статей


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]    [обратная связь]

 

 

Реклама
Кликните, закажите с промокодом "Галактика" - 300 руб скидка - Canon i-SENSYS LBP7110Cw с доставкой по Москве и по 100 городам России.
щув3
сковородки отличного качества
концерты imagine dragons

Рекомендуемые книги

Введение в химию окружающей среды.

Книга известных английских ученых раскрывает основные принципы химии окружающей среды и их действие в локальных и глобальных масштабах. Важный аспект книги заключается в раскрытии механизма действия природных геохимических процессов в разных масштабах времени и влияния на них человеческой деятельности. Показываются химический состав, происхождение и эволюция земной коры, океанов и атмосферы. Детально рассматриваются процессы выветривания и их влияние на химический состав осадочных образований, почв и поверхностных вод на континентах. Для студентов и преподавателей факультетов биологии, географии и химии университетов и преподавателей средних школ, а также для широкого круга читателей.

Химия и технология редких и рассеянных элементов.

Книга представляет собой учебное пособие по специальным курсам для студентов химико-технологических вузов. В первой части изложены основы химии и технологии лития, рубидия, цезия, бериллия, галлия, индия, таллия. Во второй части книги изложены основы химии и технологии скандия, натрия, лантана, лантаноидов, германия, титана, циркония, гафния. В третьей части книги изложены основы химии и технологии ванадия, ниобия, тантала, селена, теллура, молибдена, вольфрама, рения. Наибольшее внимание уделено свойствам соединений элементов, имеющих значение в технологии. В технологии каждого элемента описаны важнейшие области применения, характеристика рудного сырья и его обогащение, получение соединений из концентратов и отходов производства, современные методы разделения и очистки элементов. Пособие составлено по материалам, опубликованным из советской и зарубежной печати по 1972 год включительно.

 

 



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100

Copyright © 2001-2012
(29.03.2017)