Свойства железа

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Железо

Железо -- после алюминия самый распространенный в природе металл. Содержание железа в земной коре составляет 4,65%. Основными минералами железа являются следующие:

1) магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 содержит до 72% железа -- большие месторождения этой руды в нашей стране находятся на Урале;

2) гематит (красный железняк) Fe2O3 содержит до 70% железа, наиболее мощное месторождение -- Криворожское;

3) лимонит (бурый железняк) Fe2O3*Н2О содержит до 60% железа, крупные месторождения в Крыму и на Урале;

4) пирит FeS2 содержит примерно 46% железа;

5) сидерит (шпатовый железняк) содержит 48% железа.

Известны другие минералы железа, но менее богатые им.

Руды, содержащие менее 45% железа, относятся к бедным рудам и обычно в промышленных целях не используются. Железо входит также в состав животных и растительных организмов. Так, в организме человека железо входит в состав гемоглобина, который является компонентом крови.

2. Физические свойства

Железо в свободном состоянии представляет собой серебристо-белый блестящий металл. Обладает хорошей пластичностью. Железо обладает ярко выраженными ферромагнитными свойствами, т.е. под воздействием магнитного поля намагничивается и по прекращении действия поля сохраняет магнитные свойства, само становится магнитом. Железо состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 54, 56 (основной), 57 и 58. Применяют радиоактивные изотопы 5526Fe и 5926Fe.



3. Химические свойства

Железо, отдавая два внешних электрона, проявляет степень окисления +2; отдавая три электрона (два внешних и один сверхоктетный с предпоследнего энергетического уровня), проявляет степень окисления +3.

Fe-2e-Fe+2 Fe-3e-Fe+3

Электронные структуры 3d- и 4s-орбиталей атома железа и ионов Fe+2 и Fe+3 можно изобразить так:

Другие степени окисления для железа не характерны.

* По химическим свойствам железо является весьма активным металлом. В сухом воздухе при температуре до 200°С на поверхности компактного железа образуется тончайшая оксидная пленка, защищающая металл от дальнейшего окисления.

При воздействии влаги и кислорода воздуха подвергается сильной коррозии и покрывается рыхлой пленкой ржавчины, представляющей собой гидроксиды железа, которые не защищают его от дальнейшего окисления. Железо постепенно окисляется по всей своей массе:

минерал железо сплав химический

4Fe+3O2+6Н2O=4Fe(OH)3

Разработан ряд методов защиты этого ценнейшего металла от коррозии.

При слабом нагревании железо взаимодействует с хлором и другими галогенами, проявляя степень окисления +3:

2Fe+3Cl2 = 2FeCl3

Железо при нагревании реагирует с серой:

Fe+S=FeS

При высокой температуре -- с углем, кремнием, фосфором:

3Fe+C=Fe3C

Карбид железа называется цементит. Это твердое вещество серого цвета, очень хрупкое и тугоплавкое.

Раскаленное железо в чистом кислороде энергично сгорает с образованием железной окалины:

4Fe+3O2=2Fe2O3

В ряду напряжений железо располагается левее водорода. Оно легко подвергается действию разбавленных кислот, превращаясь в соль железа (II):

Fe+2HCl=FeCl2+H2

С концентрированными серной и азотной кислотами железо не реагирует. Эти кислоты создают на поверхности металла такую прочную и плотную пленку оксида, что металл становится совершенно пассивным и уже не вступает в другие реакции.

Растворяется железо в разбавленной азотной кислоте, образуя соль железа (III), воду и продукт восстановления азотной кислоты--NH4NO3:

8Fe+30HNO3=8Fe(NO3)3+3NH4NO3+9H2O

При высокой температуре (700-900°С) железо реагирует с парами воды:

3Fe+4Н2O=Fe3O4+4Н2

С металлами и неметаллами железо образует сплавы, имеющие исключительное большое значение в народном хозяйстве.

Важнейшими сплавами железа являются его сплавы с углеродом -- различные чугуны и стали. Основное отличие чугуна от стали -- в содержании углерода: в чугуне содержится более 2% углерода, в стали менее 1,5-2%.

Большое значение имеют ферросплавы: ферросилиций (сплав железа с кремнием), феррохром (сплав железа с хромом), ферромарганец (сплав железа с марганцем).

Ферросплавы содержат от 10 до 50% соответствующего компонента. Ферросплавы применяются в основном при «раскислении» стали и как легирующие примеси.

Среди чугунов различают литейные и передельные. Литейный чугун используется для отливок различных деталей, передельный переплавляется на сталь, так как обладает очень высокой твердостью, не поддается обработке. Передельный чугун белого цвета, а литейный -- серого. Передельный чугун содержит больше марганца.

Стали бывают углеродистые и легированные. Углеродистые стали обычно представляют собой сплав железа с углеродом, а легированные содержат легирующие добавки, т.е. примеси других металлов, придающие стали более ценные свойства. Ванадий придает стали ковкость, упругость, устойчивость при закалке, вольфрам и молибден -- твердость и жаропрочность. Стали с добавками циркония очень упруги и пластичны, их используют для изготовления броневых плит. Примеси марганца делают сталь устойчивой к удару и трению. Бор повышает режущие свойства инструментальных сталей.

Иногда даже незначительные примеси редких металлов при. дают стали новые свойства. Если выдержать стальную деталь в порошке бериллия при температуре 900-1000°С, то твердость и износоустойчивость стали сильно повышается.

Хромоникелиевые, или, как их еще называют, нержавеющие, стали устойчивы к коррозии. Сильно вредят стали примеси серы и фосфора -- они делают металл хрупким.

4. Получение железа и его сплавов

Чистое металлическое железо может быть получено путем восстановления оксида железа Fe2O3 водородом при нагревании. В настоящее время разработаны методы, которые позволяют получить железо, содержащее 10-6% примесей. Однако на практике железо в основном используется не в чистом виде, а в виде сплавов с углеродом и другими компонентами (чугуны и стали).

Промышленным производством чугунов и сталей занимается черная металлургия, которая перерабатывает руды железа. При переработке руд сначала получают чугун, а затем чугун переводят в сталь.

Восстановление железных руд и получение чугуна осуществляют в доменных печах. Это сложное сооружение объемом 5000 м3 и высотой до 80 м с внутренней обкладкой из огнеупорного кирпича и стальным внешним кожухом (для прочности). Схема устройства доменной печи приведена на рис. 26. Верхняя половина домны называется шахтой, верхнее отверстие -- колошником, самая широкая часть -- распаром, нижняя часть -- горном.

Исходные материалы: шихта -- руда, содержащая оксид железа, кокс, флюсы (плавки). Кокс служит источником теплоты, а также используется для получения восстановителя -- оксида углерода (II). Флюсы превращают пустую породу в легкоплавкие соединения -- шлаки. Например, для связывания песка добавляют карбонаты, в случае же содержания в пустой породе известняков в состав флюсов вводят песок:

SiO2 + СаСO3=CaSiO3+CO2

Домну загружают через колошник исходными материалами (чередующимися слоями кокса и железной руды, смешанной с флюсом).

Горение и необходимая температура поддерживаются вдуванием через специальные отверстия в горне горячего воздуха. Производительность домны повышается примерно на 1/3 при вдувании воздуха, обогащенного кислородом, т.е. при применении кислородного дутья.

В верхней части горна, где температура достигает 1500°С, происходит интенсивное сгорание кокса в струе вдуваемого воздуха, нагретого до 600-800°С: С+O2=СО2

Оксид углерода (IV), проходя через раскаленный кокс, превращается в оксид углерода (II):

СO2+С=2СО

Оксид углерода (II) постепенно восстанавливает руду. При температуре 450-500°С из оксида железа (III) Fe2O3 образуется оксид железа (II-III) Fe3O4:

3Fe2O3+СО=2Fe3O4+СO2

а при температуре примерно 700°С оксид железа (II) восстанавливается до свободного металла:

FeO+CO=Fe+CO2

Наряду с оксидом углерода (II) при высоких температурах в восстановлении оксида железа участвует и кокс: FeO+С=Fe+CO

Восстановление железа из руды заканчивается примерно при 1100°С. При этой температуре частично восстанавливаются кремний, марганец и фосфор и их соединения, содержащиеся в руде в виде примесей. Эти процессы можно выразить уравнениями:

SiO2+2С=Si+2CO

MnO+С=Mn+СО

Са3(РO4)2+5С=2Р+3СаО+5СО

Сера, содержащаяся в исходных материалах в виде соединений (CaSO4, FeS2 и др.), частично превращается в сульфид железа FeS, хорошо растворимый в чугуне.

Восстановленное железо постепенно опускается вниз и, соприкасаясь с раскаленным коксом и оксидом углерода (II), образует карбид железа (цементит):

3Fe+С=Fe3C

3Fe+2СО=Fe3C+СО2

При этом температура плавления науглероженного железа понижается до 1200°С. Расплавленное железо растворяет в себе углерод, цементит, кремний, марганец, фосфор, серу и образует жидкий чугун.

Жидкий чугун и шлак стекают в горн, причем шлак, как более легкий, собирается над чугуном, предохраняя его от действия кислорода. Чугун и шлак выпускают через отверстия, расположенные на разных уровнях.

Выходящий из домны газ называется колошниковым, или доменным. Он содержит около 30% оксида углерода (II), азот, оксид углерода (IV) и используется для накаливания специальных сооружений -- доменных воздухонагревателей (кауперов), в которых подаваемый в домну воздух подогревается до 600-800°С.

Сталь выплавляется в печах трех видов -- в мартеновских регенеративных печах, бессемеровских конверторах и электропечах.

Мартеновская печь, в отличие от доменной, не действует непрерывно. Главная ее часть -- ванна, куда через окна специальной машиной загружают необходимые материалы. Ванна специальными ходами соединена с регенераторами, которые служат для нагрева горючих газов и воздуха, подающихся в печь. Нагревание происходит за счет продуктов горения, которые время от времени пропускаются через регенераторы. Поскольку их несколько, то работают они по очереди и по очереди нагреваются. Мартеновская печь может выдавать до 500 т стали за одну плавку (см. рис. 27).

Шихта мартеновской печи весьма разнообразна: в ее состав входят чугун, металлолом, руда, такие же флюсы, как и в доменном процессе. Как и в доменном процессе, при выплавке стали воздух и горючие газы подогревают в регенераторах за счет тепла отходящих газов. Топливом в мартеновских печах является либо мазут, распыляемый форсунками, либо горючие газы, которые в настоящее время применяются особо широко. Топливо здесь служит только для поддержания высокой температуры в печи.

Процесс выплавки стали принципиально отличается от доменного процесса, так как доменный процесс -- процесс восстановительный, а выплавка стали -- окислительный, цель которого -- понизить содержание углерода путем его окисления в массе металла. При этом протекают довольно сложные процессы.

Кислород, содержащийся в руде и поступающий с воздухом в печь для сжигания газообразного топлива, окисляет углерод и другие элементы, содержащиеся в железе (Si, Mn, P, S), а также значительное количество железа, превращая его в основном в оксид железа (II):



2Fe+O2=2FeO

Содержащиеся в чугуне марганец, кремний или какие-либо примеси других металлов при высокой температуре восстанавливают полученный оксид железа (II) снова до металлического железа согласно уравнениям:

Si+2FeO = SiO2+2Fe

Mn+FeO=MnO+Fe

Аналогично реагирует с оксидом железа (II) и углерод:

С+FeO=Fe+CO

В конце процесса для восстановления оставшегося оксида железа (II) (или, как говорят, для его «раскисления») добавляют раскислители -- ферросплавы. Имеющиеся в них добавки марганца, кремния восстанавливают оставшийся оксид железа (II) по приведенным выше уравнениям. После этого плавка заканчивается. Плавка в мартеновских печах ведется 8-10 часов.

Бессемеровский конвертор -- печь очень высокой производительности. Так как конвертор работает без затрат топлива, этот способ производства стали занимает значительное место в металлургии. Конвертор -- грушевидный стальной сосуд емкостью 20-30 т, футерованный изнутри огнеупорным кирпичом. Каждая плавка в конверторе продолжается 12-15 минут. Конвертор имеет ряд недостатков; в частности, он может работать только на жидком чугуне. Это связано с тем, что окисление углерода ведется воздухом, пропускаемым через всю массу жидкого чугуна, что значительно ускоряет плавку и усиливает окисление. Естественно, «угар» железа в этом случае особенно велик. В то же время короткий промежуток плавки не позволяет ее регулировать, добавлять легирующие примеси, поэтому в конверторах выплавляют главным образом углеродистые стали. В конце плавки подачу воздуха прекращают и, как и в мартеновском процессе, добавляют раскислители (см. рис. 28).

В электропечах выплавляется легированная сталь специальных сортов, главным образом с высокой температурой плавления, содержащая кобальт, хром, вольфрам и другие добавки.

Готовую сталь направляют в прокатку. Там на огромных станах -- блюмингах и слябингах -- обжимают раскаленные стальные болванки с помощью валков, позволяющих изготовлять из стального слитка разнообразные формы.

Железо в виде сплавов широко применяется в народном хозяйстве. Без него не обходится ни одна отрасль.

Из стали изготовляют автомобили, инструменты, арматуру для железобетонных конструкций, жесть для консервных коробок и кровельное листовое железо, корабли и мосты, сельскохозяйственные машины и балки, трубы и ряд бытовых изделий. В целях экономии черных металлов в настоящее время по мере возможности стараются их заменять синтетическими материалами.



5. Оксиды железа (II), (II)-(III), (III)

Гидроксиды и соли железа (II), (III). Ферраты, ферриты. Комплексные соединения железа

Для железа наиболее характерны два ряда соединений: соединения железа (II) и железа (III). Известно также небольшое число соединений железа (VI).

Оксид железа (II) FeO -- черный, легко окисляющийся порошок. Получают его восстановлением оксида железа (III) оксидом углерода (II) при 500°С:

Fe2O3+СО=2FeO+СО2

FeO проявляет свойства основного оксида: легко растворяется в кислотах, образуя соли железа (II):

Оксид железа (III) Fe2O3 -- самое устойчивое природное кислородсодержащее соединение железа.

Является амфотерным оксидом. При сплавлении Fe2O3 с оксидами, гидроксидами или карбонатами металлов образуются ферриты:

Fe2O3+2NaOH=2NaFeO2+Н2О Fe2O3+Na2CO3=2NaFeO2+CO2

Растворяясь в кислотах, оксид железа (III) образует соли железа(III):

Fe2O3+6НСl=2FeCl3+3Н2О

Оксид железа (II-III) Fe3O4 встречается в природе в виде минерала магнетита.

Он хороший проводник тока, поэтому используется для изготовления электродов.

Получают взаимодействием железа с водяным паром ниже 570°С:

3Fe+4Н2O=Fe3O4+4H2

Оксид железа (II-III) Fe3O4 иным образом можно записать как FeO*Fe2O3.

Оксидам соответствуют гидроксиды железа.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 представляет собой твердое вещество, но в чистом виде его можно получить лишь тогда, когда растворы реагирующих веществ не содержат растворенного кислорода и если реакцию вести в отсутствие кислорода воздуха:

FeSO4+2NaOH=Fe(OH)2+Na2SO4

На воздухе гидроксид железа (II) неустойчив, при соприкосновении с ним сначала зеленеет, затем буреет, переходя в гидроксид железа (III):

4Fe(OH)2+О2+2Н2O=4Fe(OH)3

Гидроксид железа (II) Fe(OH)2 является нерастворимым гидроксидом и проявляет основные свойства, хорошо растворяясь в минеральных кислотах и образуя соли железа (II):

Fe(OH)2+H2SO4=FeSO4+2Н2О

Гидроксид железа (III) Fe(OH)3 в виде красно-бурого осадка может быть получен окислением Fe(OH)2 либо действием щелочей на соли железа (III):



FeCl3+3NaOH=Fe(OH)3+3NaCl

Гидроксид железа (III) трудно растворим, является более слабым основанием, чем гидроксид железа (II). Это объясняется тем, что у Fe2+ меньше заряд иона и больше его радиус, чем у Fe3+, a значит, Fe2+ слабее удерживает гидроксид-ионы, т.е. Fe(OH)2 более легко диссоциирует. Гидроксид железа (III) обладает слабовыраженной амфотерностью: растворяется в разбавленных кислотах:

Fe(OH)3+3НСl=FeCl3+3Н2О

а при сплавлении со щелочами или основными оксидами образует ферриты:

Fe(OH)3+3NaOH=NaFeO2+2Н2О

Соли двухвалентного железа могут быть получены растворением металлического железа, гидроксида, карбоната или сульфида железа (II) в разбавленных кислотах без доступа воздуха:

Fe+2НСl=FeCl2+Н2О

Соли железа (II) гидролизуются незначительно:

Fe2++Н2ОFe(OH)++Н+

Среди солей железа (II) наибольшее значение имеет железный купорос FeSO4*7Н2О, в состав которого входит семь молекул кристаллизационной воды. Железный купорос хорошо растворяется в воде. Его применяют для борьбы с вредителями сельского хозяйства, а также для изготовления красителей.

Соли трехвалентного железа могут быть получены окислением порошка железа галогенами, окислением солей железа (II), растворением оксида или гидроксида железа (III) на воздухе:

2Fe+3Cl2=2FeCl3

Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O

Соли железа (III) сильно гидролизуются водой, и их водные растворы имеют кислую реакцию:

FeCl3+НОНFe(OH)Cl2+HCl Fe3++НОНFe(OH)2++Н+

Из солей железа (III) наибольшее значение имеют хлорид железа (III) FeCl3, представляющий собой весьма гигроскопические оранжевые кристаллы, которые при хранении поглощают воду и расплываются в коричневую кашицу; ионагидрат сульфата железа (III) Fe2(SO4)3*9Н2О, используемый как коагулянт, а также для травления металлов; ионагидрат нитрата железа (III) Fe(NO3)3*9Н2О, используемый как протрава при крашении хлопчатобумажных тканей и утяжелитель шелка.

Соли железа (II) легко переходят в соли железа (III), например, при нагревании с азотной кислотой или с перманганатом калия в присутствии серной кислоты:

6FeSO4+2HNO3+3H2SO4=3Fe2(SO4)3+2NO+4H2O

Окисление солей железа (II) в соли железа (III) может происходить под действием кислорода воздуха при хранении этих соединений, но только этот процесс очень длительный.

Кроме того, следует отметить также две важные комплексные соли, в которых железо входит в состав анионов: гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] и гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6], которые являются реактивами на катионы Fe3+ и Fe2+ соответственно.

Гексацианоферрат (II) калия K4[Fe(CN)6] (желтая кровяная кровь) является важным реактивом для обнаружения ионов железа Fe3+ в растворе:

K4[Fe(CN)6] 4К++[Fe(CN)6]4-

Получающиеся ионы [Fe(CN)6]4- могут взаимодействовать с ионами Fe3+, образуя характерный темно-синий осадок гексацианоферрата (II) железа (III), называемый часто берлинской лазурью:

3[Fe(CN)6]4-+4Fe3+=Fe4[Fe(CN)6]3

Гексацианоферрат (III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль) является реактивом на катионы Fe2+:

K3[Fe(CN)6]3K++[Fe(CN)6]3-

и при взаимодействии иона [Fe(CN)6]3- с катионами Fe2+ выпадает темно-синий осадок гексацианоферрата (III) железа (II), называемый часто турнбулевой синью:

2[Fe(CN)6]3-+Fe2+=Fe3[Fe(CN)6]2

Катионы Fe3+ могут быть обнаружены также с помощью бесцветного раствора роданида аммония NH4SCN:



NH4SCNNH4++SCN-

Ионы SCN- образуют с катионом Fe3+ соединение кроваво-красного цвета -- роданит железа Fe(SCN)3(плохо диссоциирующий):

Fe3++3SCN-=Fe(SCN)3

Известно также небольшое число соединений железа (VI) -- ферраты, например феррат калия K2FeO4, феррат бария BaFeO4, которые могут быть получены окислением оксида железа (III) при нагревании с нитратом и гидроксидом калия:

Fe2O3+4КОН+3KNO3=2K2FeO4+3KNO2+2H2O или при легком нагревании с бромом и щелочью:

Ферраты в окислительно-восстановительных реакциях могут быть только окислителями.

Размещено на Allbest

...