Железо

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Желе́зо — химический элемент с атомным номером 26 в периодической системе, обозначается символом Fe (лат. Ferrum), серебристо-белого цвета. В чистом виде пластичный переходный металл, с давних пор широко применяемый человеком. Небольшие примеси или добавки резко увеличивают твёрдость железа, так следы углерода превращают его в сталь.

[править] История

Железо известно с древнейших времён.

Древнейшие изделия из железа найденные при археологических раскопках датируются примерно IV тыс. до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Изделия из железа того времени это наконечники для стрел и украшения. В них использовалось метеоритное железо, точнее, сплав железа и никеля, из которого состоят метеориты. Реминисценции о небесном происхождении железа остались во многих языках.

Между II и III тыс. до н. э. в Месопотамии, Анатолии и Египте появляются первые предметы изготовленные из переплавленного железа (определяется по отсутствию никеля в составе). Тем не менее, железо использовалось в основном в культовых предметах. Вероятно, железо в те времена было очень дорогим — более дорогим, чем золото.

Во времена «Илиады» оружие было в основном бронзовым, тем не менее Гомер (в 23-й песне «Илиады») рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. Между 1600 и 1200 годами до н. э. производство железа развивалось на Ближнем Востоке, однако по распространенности железо все ещё значительно уступало бронзе.

В период между XII и X веками до н. э. на Ближнем Востоке произошёл резкий скачок в производстве инструментов и оружия — переход от использования бронзы к использованию железа. Вероятно, столь быстрый переход был вызван не столько прогрессом в производстве железа, сколько перебоями в доставке олова — одного из компонентов бронзы. Период времени после начала массовой обработки железа принято называть железным веком.

Основным методом получения железа в древние времена был сыродутный процесс, в котором перемежающиеся слои железной руды и древесного угля прокаливались в специальных горнах. После прокаливания руды получалось тестообразное кричное или губчатое железо, от шлака его освобождали ковкой. Первые горны имели сравнительно низкую температуру — заметно меньшую температуры плавления чугуна, в результате чего железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Поэтому иногда приходилось еще раз прокаливать изделия из железа в присутствии угля, при этом поверхностный слой металла дополнительно насыщался углеродом и упрочнялся. Изделия, полученные таким способом, были заметно более надежны, чем бронзовые.

В дальнейшем строились всё более эффективные горны (по-русски: домна, домница) для производства железа, вскоре температура в них стала достаточной для образования чугуна. Первоначально его считали вредным побочным продуктом (англ. pig iron, по-русски свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун). Потом обнаружилось, что при повторном прожигании в горне в условиях сильного дутья чугун превращается в железо хорошего качества. При этом двухстадийный процесс производства железа оказался более выгодным. Этот способ просуществовал без особых изменений многие века.

Первые сведения об использовании метеоритного железа в Китае относятся примерно к тему же времени, что и в Европе. Железоделательное производство, вероятно, начало развиваться там с VIII века до н. э. Производство чугуна там началось в I веке до н. э.

Есть мнение, что способы производства стали и чугуна были занесены в Европу монголами через Россию.

Подробнее смотрите: История железа.

[править] Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (бел. жалеза,болг. желязо, укр. залізо, польск. Żelazo, словенск. Železo). Одна из версий связывает это слово с санскритским «жальжа», что означает «металл, руда». Другая версия усматривает в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (т. к. железо в основном употреблялось на изготовление оружия), третье связывает с греческим словом χαλχοσ, что означало железо и медь.

Праславянское *žel-zo, скорее всего, родственно старо-славянскому «желы» — «черепаха», и греческому χέλυς — «черепаха». Как и русские слова — «желва́к», «голова́», польское «gɫaz» — «камень» с общим исходным значением «камень». (Трубачёв)

Европейские iron (англ.), Eisen (нем.) происходят от санскритского «исира» — крепкий, сильный. Латинское ferrum происходит от fars — быть твёрдым.

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 для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение. Есть мнение, что английское и немецкое название железа (iron и Eisen) соответственно происходят от этрусского «айзари» — боги, небо.

[править] Геохимия железа

Гидротермальный источник с железистой водой. Окислы железа окрашивают воду в бурый цвет.

Изотоп железа-56 считается наиболее стабильным ядром: все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд, все последующие элементы образуются только в результате взрывов сверхновых.

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 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %.

[править] Геохимические свойства

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Окисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Закисное железо Fe₂O₃ характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe₂₊ близок к ионам Mg и Са — другим главными элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, Ca во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

[править] Минералы железа

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.

В качестве руд железа в основном используются окислы и гидроокислы: магнетит, гематит и гётит . Кроме того, промышленное значение имеет карбонат железа — сидерит и сульфиды — пирит и пиротин.

[править] Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄). 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 кокса окисляется до оксида углерода(угарного газа) кислородом воздуха:

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких, как песок (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь)

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак.

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода. Поэтому конечный продукт доменного производства (чугун) требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод удаляют из чугуна дожиганием в мартеновских печах или в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

[править] Физические свойства

Внешний вид железа

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

• до 917 °С существует α-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
• в температурном интервале 769—917 °С существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами кристаллической решётки и магнитными свойствами
• в температурном интервале 917—1394 °С существует γ-Fe с гранецентрированной кубической решёткой
• выше 1394 °С устойчив δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности.

[править] Химические свойства

Основные степени окисления железа — 2 и 3.

[править] Применение

Железная руда

Железо — самый употребляемый металл, на него приходится до 95 % мирового производства металлов.

• Железо — основной компонент стали и чугуна — важнейших конструкционных материалов. Конструкционное использование железа — основное.
• Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
• Магнитная окись железа — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п. Также железо входит в большинство магнитных сплавов.
• Хлорид железа III (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
• 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.

[править] Биологическая роль

Железо играет важную роль в жизни практически всех организмов, за исключением некоторых бактерий.

В организме животных железо входит в состав множества ферментов и белков, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях, главным образом в процессе дыхания. Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Неорганическое железо встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесен в этот список (из-за опечатки в результатах анализа — был потерян «лишний» 0 после запятой).

Потребность человека в железе на 1 кг веса следующая: дети — 0,6 мг, взрослые — 0,1 мг и беременные — 0,3 мг железа в сутки, у женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (Гематоген, Ферроплекс).

Передозировка железа угнетает антиоксидатную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

[править] См. также

Категория:Соединения железа

[править] Ссылки

На Викискладе есть раздел по теме
Железо

• Железо на Webelements
• Железо в Популярной библиотеке химических элементов

   

Эта статья входит в число хороших статей русскоязычного раздела Википедии.