Железо, биологическое действие, интересные факты
Железо является четвёртым по распространённости элементом на нашей планете. Содержание его в земной коре составляет почти целых 5% от общей массы. Именно благодаря железу и умению его обрабатывать люди сумели построить современную цивилизацию. Да и сегодня этот всю нашу жизнь мы окружены изделиями из этого металла, и хорошо, что его в недрах нашей планеты ещё много.
1. Итак, Железо (обозначается химическим символом Fe, произносится по-латыни как ferrum) - это серебристо-белый металл. Железо без примесей других элементов мягкое, гибкое и пластичное (его можно вытягивать в тонкую проволоку).
2. На железо приходится около 4,65% всей массы земной коры. Между прочим, среди всех металлов в земной коре только алюминий превосходит его по распространённости. Кстати, каждые 45-47 минут из недр Земли извлекается столько же железа, сколько было добыто золота за всю историю.
3. Самый большой железный метеорит был найден в Намибии (Африка) в 1920 году. Его вес около 66 тонн. Это считается самым большим куском чистого железа на нашей планете.
4. Железо является основным компонентом в составе чугуна и стали. Сталь представляет собой ковкий сплав же¬леза (основа) с углеродом (при содержа¬нии углерода 0,1 -1,5 %). У стали такие же химические свойства, как и у железа. Для улучшения механических свойств сталь обычно подвергают закалке. Для этого ее сначала нагревают докрасна, а потом опускают в холодную жидкость. Это прида¬ет стали большую твердость (закаленная сталь). Чугун - это сплав железа (основа) с углеро¬дом (2-5 %). Из-за повышенного содержа¬ния углерода чугун, как правило, хрупок.
5. В мире насчитывается свыше 300 минералов, в состав которых входит железная руда, промышленные руды содержат до 70% железа.
6. Первое место в мире по добыче железа принадлежит России. Такие руды, как гематит, сидерит и пирит используют для промышленного получения железа. Железо в чистом виде содержится только в метеоритах и нескольких месторождениях на западе Гренландии.
7. В 1813 году во время войны с Наполеоном прусская принцесса Марианна придумала способ пополнения казны. Немецким женщинам предложили обменивать золотые украшения на аналогичные ювелирные предметы из железа, на которых был надпись «Gold gab ich für Eisen» («Золотом отдам я за Железо»). Ношение таких украшений быстро вошло в моду и подчёркивало патриотизм обладательницы. Похожая идея способствовала созданию в том же 1813 году одной из самых знаменитых немецких наград, Железного креста. В отличие от других существующих медалей, Железный крест из драгоценного имел только скромную серебряную оправу.
8. Железо испаряется, если нагреть его до температуры в 2862 градуса. При этом оно становится жидким при нагреве до 1538 градусов.
9. При комнатной температуре железо легко намагничивается. Однако его трудно намагнитить в нагретом виде. Магнитные свойства железа исчезают при температуре около +800 °С.
10. Ржавчина - это просто оксид железа, окисляющегося при контакте с кислородом.
11. Наша кровь имеет красный цвет именно благодаря железу, которое входит в состав красных кровяных телец, переносящих кислород. У некоторых моллюсков аналогичные процессы основаны не на железе, а на меди, поэтому кровь у них голубого цвета.
12. В организме среднестатистического взрослого человека содержится около 5 грамм железа. Ежесуточная норма поступления этого минерала в детский организм должна составлять 8-12 мг. Для взрослой женщины эта норма должна составлять не менее 18 мг, после менопаузы эта норма сокращается до 8-10 мг. Для мужчины достаточно и 8 мг в день. Железо усваивается относительно легко, но для его усвоения необходим витамин С и органические кислоты. Мешают усвоению железа щавелевая кислота, дубильные вещества и повышенное употребления в пищу клетчатки. Также железо не усваивается в присутствии кальция. Обильное употребления чая и кофе препятствует усвоению нашим организмом этого необходимого вещества. Между прочим, Если из организма убрать всё железо человек проживёт не более двух часов.
13. Период полураспада самого долгоживущего изотопа железа достигает 2,6 миллиона лет, а самого короткоживущего - менее 10 минут.
14. В речной воде содержание железа в 100-1000 раз выше, чем в морской.
15. О железе упоминается в Коране. В 57 суре говорится - «... мы низвели вам и железо, в котором сильное зло и многая польза для людей...»
16. Железо полностью растворяется в серной и азотной кислоте.
17. Ледник Тейлора в Антарктиде знаменит Кровавым водопадом. Содержащееся в нем в двухвалентное железо, окисляясь кислородом воздуха, образует красного цвета окись железа, которое придаёт водопаду кроваво-рыжий оттенок. Производят двухвалентное железо бактерии, живущие на глубине под толщей льда.
18. На дне Индийского океана в области гидротермальных источников существуют улитки, раковина которых состоит из трех слоев: арагонита (материала обычного для моллюска), мягкого среднего слоя из органического наполнителя и внешнего из минерала железа. Кроме того, минералы железа входят в состав чешуек, покрывающих ногу улитки.
19. Атомиум - это гигантская молекула железа построенная в Брюсселе в 1958 году. Имеет девять круглых сфер диаметром 18 м, и является увеличенной копией молекулы железа в 165 миллиардов. Высота 102 метра, а суммарный вес этой конструкции превышает 2400 тонн. Туристы могут передвигаться от сферы к сфере по трубам длинна которых составляет 23 метра.
20. Вегетарианцам требуется почти в 2 раза больше железа чем не вегетарианцам.
21. Если еда готовится в чугунной или железной посуде, то содержание железо в еде увеличится от 1.2 до 21 раза.
Железо - это химический элемент, имеющий 26-й атомный номер в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева. Металл серебристо-белого цвета, обозначается символами Fe (от латинского Ferrum). В чистом виде железо является пластичным переходным металлом, применяется человеком в различных сферах с давних пор. Небольшое содержание примесей или добавок делают железо тверже, например, примеси углерода превращают железо в сталь. Железо, встречающееся в природе, является смесью четырех нуклидов, имеющих массовые числами 54 (доля содержания в природной смеси составляет 5,82% по массе), 56 (доля содержания в природной смеси составляет 91,66%), 57 (доля содержания в природной смеси составляет 2,19%) и 58 (доля содержания в природной смеси составляет 0,33%).
Железо стало известно человеку еще в древние времена, однако широкое распространение получила намного позже, т.к. в чистом виде металл встречается крайне редко, а добыча металла из железной руды требует наличия необходимого производственного процесса. Впервые, вероятно, человек познакомился с железом, содержащимся в метеоритах. Так, на древнеегипетском языке железо звучит как «бени-пет» и означает «небесное железо», древнегреческое название «sideros» происходит от латинского «sidus», что означает «небесное тело», хеттинские тексты XIV века до нашей эры вспоминают о железе, как о металле, упавшем с неба.
Способ получения железа из руды был изобретен во II веке до нашей эры в Западной Азии. Затем метод получил широкое распространение в Вавилоне, Греции и Египте. В Древней Руси и Европе железо получали сыродутным способом, в XII - XIII веках более распространенным стал кричный способ, в середине XVIII века широкое распространение получил тигельный процесс, известный в Сирии еще в период раннего средневековья, но забытый, стал развиваться пудлинговый процесс, к концу XVIX века получили развитие процессы, позволяющие получать железо на промышленном уровне: мартеновский бессемеровский и томасовский процессы. Позднее возник электросталеплавильный процесс, позволяющий получать высококачественную сталь.
Железо с его сплавами является важнейшим конструкционным материалом в промышленном производстве и технике. Из стали, т.е. сплава железа с углеродом, изготавливают большую часть конструкций в тяжелой промышленности и машиностроении. Железная дорога, станки, грузовые и легковые автомобили, силовые установки и корпуса судов, а также многие другие конструкции изготавливают по большей части из стали. Производственные масштабы сталепроизводящей и сталепотребляющей отраслей промышленности на сегодняшний день являютсяодним из основных показателей технико-экономического уровня развития региона или государства в целом.
Содержание железной руды в земной коре довольно большое. Залежи руды располагаются по всему земному шару, а добыча и производство металла не составляет каких-то особых сложностей. Железо довольно легко выплавляется из железной руды. Железо стало недорогим и очень распространенным материалом во многом благодаря всеобщей распространенности железной руды, а также относительной несложности обработки руды и производства металла. На основе производятся самые разные конструкционные материалы различные по своим свойствам и характеристикам. К примеру, чугун является прочным металлом с низкой температурой плавления, путем литья металлу можно придать любую необходимую форму. В зависимости от состава сталь может быть прочным и пластичным материалом, используемым в изготовлении, например, профильного проката, который используется в строительстве мостов и морских судов, или тугоплавким и очень твердым металлом, который служит материалом при производстве металлорежущего инструмента и др.
Биологические свойства
За исключением нескольких бактерий, железо, как микроэлемент, играет одну из важнейших ролей в протекании жизнедеятельности всех живых организмов. У животных железо можно встретить в составе многих белков и ферментов, которые участвуют в окислительно-восстановительных реакциях, в основном в процессе дыхания. Железо, как правило, входит в состав ферментов в виде комплекса по названием гем. Данный комплекс присутствует в гемоглобине, являющемся важнейшим белком, обеспечивающим доставку кислорода по крови ко всем органам в организме животных и человека. Именно гемоглобин окрашивает кровь в характерный для нее красный цвет.
В организме здорового человека содержится примерно 5 грамм железа. Более половины этого железа (57%) приходится на гемоглобин в крови, 16% на тканевые ферменты, 7% на миоглобин мышечной ткани, ну и 20 % отлаживается в таких органах как печень, почки, селезенка и костный мозг в качестве запаса.
Гемоглобин является сложным по составу белком, содержащим в том числе и небелковую гем-группу, доля которой занимает примерно 4% всего гемоглобина в организме. Гем является комплексом железа (II) с макроциклическим лигандом-порфирином, гемм имеет характерное плоское строение. В данном комплексе атом Fe связывается с четырьмя донорными атомами А макрокольца таким образом, что атом Fe располагается в самом центре данного порфиринового кольца. Атом железа образует пятую связь с атомом азота имидазольной группы гистидина, то есть аминокислотного остатка глобина.
Те комплексы железа,которые отличны от гема, встречаются, к примеру, в очень важном ферменте рибонуклеотид-редуктаза, участвующем в синтезе ДНК, в ферменте метан-моноксигеназа, превращающим метан в метанол. Неорганические соединения железа встречаются в некоторых представителях царства бактерий, в некоторых случаях они используют железо для связывания азота из воздуха.
Ежесуточная потребность человека в железе составляет примерно 15 миллиграмм. Много железа содержится в сливовом соке, изюме, орехах, кураге, подсолнечных и тыквенных семечках. В проросшей пшенице содержание железа составяляет 1 миллиграмм на 10 грамм веса. Богат железом также и хлеб: с отрубями, хлебные изделия грубого помола и т.д. Следует понимать, что из всего потребляемого с пищей железа, организмом усваивается лишь 20 процентов. Пищевые продукты и витамины растительного происхождения помогают усваиванию железа. Железо совершенно не всасывается, если в пище присутствует фитиновая или щавелевая кислоты.
Если организм испытывает недостаток железа, начинают использовать специальные медицинские препараты на основе лекарственных растений. Когда-то для подобных целей широко применялись обыкновенные железные опилки. История оставила упоминание о том, что граф Бестужев-Рюмин (года жизни 1693–1766) в качестве возбуждающего и общеукрепляющего средства предложил специальные капли, которые являлись ни чем иным, как раствором трихлорида железа, в смеси с этанолом и этиловым эфиром. Такие капли даже получили название от своего создателя «бестужевские капли».В современной медицине для устранения недостатка железа в организме используются препараты в таблетках и капсулах с содержанием железного порошка, а также лекарства на основе ферроцена.
- - Первое железо, как металл, попало в руки человека «с неба». Не зря люди считали железо - небесным металлом, т.к. впервые его добыли из падающих на поверхность земли метеоритов. В древнейших предметах из железа есть существенная доля примесей никеля, именно такое железо содержится в метеоритах. Крупнейший железный метеорит нашли в 1920 году в юго-западной Африке. Метеорит назвали «Гоба», он весил 60 тонн.
- - Железо в организм животных и человека поступает с пищей. Наиболее богаты железом такие продукты, как мясо, печень, яйца, бобовые, крупы, хлеб, свёкла. Интересно заметить, что когда-то в этот список был ошибочно внесен шпинат (по причине опечатки в записях результатов анализа, а именно был утерян «лишний» ноль после разделительной запятой).
- - Многие косвенные данные подтверждают тот факт, что ядро нашей планеты главным образом состоит из сплавов железа. Радиус ядра Земли составляет приблизительно 3470 км, в то время как радиус самой Земли равен 6370 км.
- - В свободном виде железо было обнаружено на луне. Процесс определения возраста лунных минералов при помощи радиоактивных изотопов показал, что они были кристаллизованы примерно 3,2 - 4,2 миллиарда лет назад. Данные цифры приблизительно совпадают с возрастом самых древних минералов, когда-либо обнаруженных на Земле.
- - Неоднократные клинические эксперименты подтвердили тот факт, что крапива отлично справляется с лечением анемии, не уступая при этом синтетическим препаратам железа. В деревне каждая хозяйка знает, что курочки несутся лучше, когда в корм добавляют сушеную крапиву. Народные врачи-травники часто советуют пролечиться свежим соком крапивы, который выжимают из стволов и листьев молодых растений, собрать крапиву нужно перед цветением. Делается это довольно просто: нужно собрать, промыть, пропустить через соковыжималку либо миксер с малым количеством воды, ну а затем просто отжать сок. Полученный сок принимать по три столовые ложки в сутки. Сок крапивы не обладает приятным вкусом, зато он очень полезен. Его можно разбавлять с медом. Крапивный сок хорошо хранится в течение несколько дней в холодильнике.
- - В 1941 году соединенные Штаты Америки вступили в мировую войну. Американская национальная конференция по вопросам питания в условиях военной обороны решила обогащать хлеб и муку железом, во избежание анемии в рядах американского населения. Первым признаком недостатка железа является усталость, а также вызванная этим анемия, а, как известно война усталых людей не терпит! Но есть одно но… В Северной Америке производили лишь белый хлеб и белую муку (таким образом это был чистый крахмал), а вот ценная часть зерна уходила на отходы. В оном килограмме муки грубого помола, изготавливаемой из неочищенных зерен, содержание железа составляет примерно 30 миллиграмм, а в одном килограмме очищенной муки, произведенной из очищенного зерна — 8,2 миллиграмма. В соответствии с тогдашними нормами один килограмм обогащенной муки был должен содержать примерно 26 миллиграмм железа. В период с 1968 по 1970 год началась проверка данной акции в десяти штатах США. Тридцать тысяч семей, употребляющих обогащенные железом муку и хлеб, подвергли тщательному обследованию. В результате у всех у нихбыл обнаружен недостаток железа в организме.
История
Железо известно с древних времен. Самые первые изделия, выполненные из железа, были найдены во время археологических раскопок. Датируются предметы IV тысячами лет до нашей эры, это наследие древнеегипетской и древнешумерской цивилизаций. Железные изделия того времени представляли собой украшения и наконечники для оружия. При изготовлении этих предметов использовали метеоритное железо, а вернее сплав железа с никелем, который встречается в падающих на землю метеоритах. Во многих языках остались реминисценции о железе, как небесном металле.
В Месопотамии, Египте, Анатолии во II -III вв. до н.э. стали появляться первые изделия, выполненные из переплавленного железа, в их составе уже не было никеля. В основном железо использовалось в культовых принадлежностях. Вероятнее всего, в то далекое время железо было самым дорогим металлом, дороже даже золота.
Во времена античной Греции оружие изготавливали в основном из бронзы. Но в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказал, что по окончании соревнования по дискоболу Ахилл наградил победителя железным диском. В середине II века до нашей эры производство железа повсеместно распространялось в Передней Азии (Ближний Восток), но большую часть все же составляли изделия из бронзы.
В XII - X вв. до н.э. в Передней Азии произошел скачок в производстве металлических приспособлений. Теперь оружие и другие предметы производили не из бронзы, а из железа. Такой скачок вероятнее всего был вызван не появлением прогрессивных методов производства железа, а перебоями поставок олова – одного из главных компонентов бронзы. Период массового перехода на производство железных изделий называют Железным веком.
В древние времена основным способом получения железа был сыродутный метод. В специальных горнах прокаливались перемежающиеся слои древесного угля и железной руды. В результате такого прокаливания получалось тестообразное губчатое или кричное железо. Такое железо освобождалось от шлака в процессе ковки. В первых горнах температура была довольно низкой, даже ниже температуры плавления чугуна. Поэтому железо было малоуглеродистым, а, значит, хрупким. Для увеличения прочности металла предметы из железа дополнительно еще раз прокаливали в присутствии угля, в результате поверхность металла насыщалась углеродом, а изделия становились заметно прочнее, намного прочнее таких же изделий из бронзы.
С развитием производства железа стали появляться более совершенные горны (на Руси говорили домны или домница), через какое-то время люди научились достигать температуры плавления чугуна. Изначально чугун считался побочным продуктом, от которого нет никакой пользы. В английском языке есть выражение «pig iron», что в переводе на русский означает «свинское железо» или «чушки», а в свою очередь от слова «чушки» и произошло название «чугун». Спустя какое-то время был обнаружен тот факт, что при дополнительном прожигании чугуна в горне при достижении высокой температуры чугун переплавляется в железо очень высокой прочности. Процесс, состоящий из двух стадий, оказался не только более эффективным, но и более выгодным. Несколько последующих веков использовался именно такой двухстадийный способ.
Первые упоминания о производстве железа из метеоритов в Китае относятся к тому же времени, что и в древнеевропейских странах. Вероятно, начиная с VIII века до нашей эры, там стало развиваться производство изделий из железа. В I веке до нашей эры в Китае научились производить чугун.
Нахождение в природе
По распространенности в природе железо является вторым металлом после алюминия и находится на четвертом месте среди всех элементов, уступаю лишь кислороду, алюминию и кремнию. Содержание химического элемента в земной коре по массе составляет 4,65%. Известно более 300 минералов, содержащихся в составе железных руд (сульфиды, окислы, силикаты, фосфаты, карбонаты, титанаты, и т. д.).
Важнейшие рудные минералы железа: магномагнетит, Титаномагнетит, Магнетит, Гематит, гидрогематит, Сидерит, Гётит, гидрогётит, железистые хлориты (тюрингит шамозит, и т.д.). В промышленных рудах содержание железа составляет16 - 70%. Существуют богатые (менее 50% железа), рядовые (50—25% железа) и бедные (≥ 25% железа) железные руды. В зависимости от того, каков химический состав железной руды, ее применяют для выплавки чугуна после обогащения или в естественном виде. Железные руды, содержание металла в которых менее 50%, обогащаются до 60%, в основном способами магнитной сепарации либо гравитационным обогащением. Рыхлые или сернистые (менее 0,3% серы) богатые руды и концентраты обогащения окусковывают агломерацией, из концентратов производят окатыши. Жедезые руды, которые идут в доменную шихту, не должны содержать S, Р и Cu более 0,1 - 0,3% и As, Sn, Zn, Pb 0,05-0,09%, т.к. могут ухудшиться условия плавки или качество стали. Примесь в железной руде кремния, никеля, титана и вольфрама в большинстве случаев полезна. Mn, Cr и Ni улучшают качество стали, титан и вольфрам попутно извлекаются в процессах обогащения и металлургического передела.
Месторождения железной руды по происхождению разделяют на три группы: магматогенные, метаморфогенные и экзогенные. Магматогенные делятся на: магматические - это дайкообразные, пластообразные и неправильные залежи титаномагнетитов, которые связаны с габбро-пироксенитовыми породами (Лиганга в Танзании, Бушвельдские месторождения в ЮАР), апатито-магнетитовые залежи, которые связаны с сиенитдиоритами и сиенитами (Елливарс и Кируна в Швеции, Лебяжинское на Урале), скарновые или контактово-метасоматические, поялвяются вблизи интрузивных массивов или на контактах, и др.
Экзогенные месторождения: осадочные - механические и химические осадки озерных и морских бассейнов, более редко в дельтах и долинах рек, возникают в процессе местного обогащения соединениями железа вод бассейна, а также в результате сноса в воды железистых продуктов суши; слагают линзы или пласты среди осадочных, реже - вулканогенно-осадочных пород; сюда относят месторождения бурых железняков, часть силикатных руд, сидеритов, (Керченское на Украине, Аятское в Казахстане; Лан-Диль в Германии, и т.д.). Месторождения коры выветривания появляются после выветривания железосодержащих горных пород; различаются элювиальные или остаточные месторождения, где продукты выветривания, обогащены железом (в результате выноса из горной породы других элементов) и остаются на месте (Украина - руды Кривого Рога, Россия - Курская магнитная аномалия, США - район оз. Верхнего) и цементационные (инфильтрационные), здесь железо выносится из выветривающихся пород, а затем отложено заново в пролегающих ниже горизонтах (Россия - Алапаевское месторождение Урала).
Метаморфогенные (или метаморфизованные) месторождения - это преобразованные под высоким давлением и температурой ранее существовавшие, в основном осадочные месторождения. Сидериты и гидроокислы железа при этом, как правило, переходят в магнетит и гематит. Метаморфические процессы могут дополняться гидротермально-метасоматическими образованиями магнетитовых руд. Подобные месторождения есть в России, Индии, Украине, США, Австралии и др.
Применение
Чистое железо применяется довольно ограниченно. Оно используется в производстве сердечников для электрических магнитов, в качестве катализатора при протекании химических процессов, в некоторых других сферах. Но такие сплавы на основе железа, как сталь и чугун, являются основой современной техники во всем мире. Многие соединения железа также находят свое применение. Например, сульфат железа (III ) используется в процессе водоподготовки, цианид и оксиды железа применяют как пигменты в производстве различных красителей, в других областях используются другие соединения железа.
Железо с его сплавами выступает важнейшим конструкционным материалом в промышленном производстве и технике. Практически все конструкции машиностроения и тяжелых отраслей промышленности производятся в основном из сплавов железа с углеродом. Из стали производят и автомобили, и станки, и железные дороги, и корпуса судов с силовыми установками, и каркасы мостов и зданий, и многое другое. По масштабу производства стали можно судить об общем технико-экономическом уровне развития определенного государства или региона. В доле общемирового производства продукции, изготовленной из металла, сталь занимает первое место, имея долю 95%.
Железо иногда может входить в состав и других сплавов в качестве примеси. Например, никелевые сплавы. В производстве устройств долговременной компьютерной памяти, таких как дискеты и жесткие диски, магнитная окись железа является очень важным, даже незаменимым материалом.
Хлоридное железо, т.е. хлорид железа III, радиолюбители используют на практике в процессе травления печатных плат. Железный купорос (десятиводный сульфат железа) вперемешку с медным купоросом используется в строительстве и садоводстве для борьбы с вредными грибками. Железо применяют в качестве анода при производстве железо-никелевых аккумуляторов, а также железо-воздушных аккумуляторов.
В черно-белых лазерных принтерах, которые так распространены сегодня, в качестве тонера используют ультрадисперсный порошок магнетита. Ряд сплавов на основе железа обладают уникальными ферромагнитными свойствами, благодаря чему они нашли широкое применение в электротехнике при производстве различных электродвигателей магнитопроводов трансформаторов.
Для производства сплавов железа ответственного назначения и сталей служат совершенно новые процессы - электрошлаковый переплав, вакуумный процесс, электронно-лучевая и плазменная плавка и т.д. Разрабатываются способы получения стали в агрегатах с непрерывным процессом, что позволит обеспечить автоматизации процесса и полувчения высокого качества металла.
На основе железа изготавливаются материалы, которые способны выдерживать воздействие низких и высоких температур, высоких давлений и вакуума, больших переменных напряжений, агрессивных сред, ядерных излучений и т. д. Объемы производства железа и железных сплавов неуклонно растет.
С древности железо использовалось как художественный материал в Индии, Египте и Месопотамии. Со средневековых времен сохранилось множество произведений искусства выполненных из железа в странах Европы (Италии, Англии, России, Франции и др.) - дверные петли, кованые ограды, настенные кронштейны, флюгера, светцы, оковки сундуков. Изделия кованые насквозь из прутьев, а также предметы, выполненные из просечного листового железа (зачастую имеют слюдяную подкладку) отличаются четким линейно-графическим силуэтом, плоскостными формами, и эффектно просматриваются на фоне света и воздуха. В XX веке железо широко используется при изготовлении оград, решеток, ажурных интерьерных перегородок, монументов, подсвечников, и других элементов внешнего и внутреннего дизайна.
Производство
Производство чугуна
Чугун производят в вертикальных печах, называемых домнами. Чугун получают из шихты, которая содержит кусочки обогащенной руды, в присутствии кокса и флюсов. В доменную печь снизу вдувается обогащенный кислородом воздух. Углерод, содержащийся в коксе сгорает, а диоксид углерода, полученный таким путем, восстанавливается за монооксида счет до избытка углерода. Монооксид углерода, образующийся в печи, в последовательном порядке восстанавливает оксид железа, содержащийся в руде, до железа как металла:
3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2
2Fe 3 O 4 + 2CO = 6FeO + 2CO 2
FeO + CO = Fe + CO 2
CaCO 3 = Ca + CO 2
В результате образуется известь, которая способствует переводу силикатных примесей в жидкий шлак. Доменный процесс дает в результате шлака почти столько же, сколько и смого чугуна.
На сегодняшний день доменная печь является крупным сооружением, производящим 1000 тонн чугуна за сутки. Высота печи, составляет около 30 мметров, а диаметр на уровне заплечиков - около 8 метров. Нижняя часть печи охлаждается водой.
Производство стали
Производство стали представляет собой переплавку чугуна в присутствии окислителей. Во время выплавки стали содержание С снижается до полутора – двух процентов. Оксид FeO, образующийся в условиях окисления, реагирует с примесями и углеродом, окисляя их, при этом восстанавливается до Fe.
В бессемеровском (кислородно-конверторном) методе получения стали используется специальная емкость для выплавки, т.е. конвертер, который представляет собой ретортообразный резервуар.
Внутрь конвертера заливается жидкий чугун, продуваемый смесью кислорода, воздуха и углеводородов, загружают шихту, которая содержит стальной лом, руду, чугун и флюсы, затем подается чистый кислород.
Перед стартом кислородно-конвертерного процесса необходимо наклонить конвертер в сторону загрузочного пролета, а металлоломзасыпается через горловину. После в конвертер заливается жидкий металл из доменной печи, который содержит примерно 1,5% кремния м 4,5% углерода. Углерод окисляется до CO 2 или CO, а кремний до SiO 2 . По загрузочному лотку добавляют известь, чтобы образовался шлак с диоксидом кремния. Вместе со шлаком выводится большая часть кремния
Существует еще и кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера. В днище конвертера фурмы защищаются синхронной продувкой природного газа. Данный процесс протекает быстрее, он производительнее, процесса с верхней продувкой, но он не так эффективен в расплавлении металлолома. Но есть возможность сочетать нижнюю продувку с верхней.
Электрическая печь . Сначала электропечи применялись лишь для выплавки инструментальных и нержавеющих сталей, которые до этого выплавляли в тиглях. Но со временем электропечи заняли играть важное место в производстве стали из металлолома в случаях, когда не нужен передел чугуна. Сейчас около 30% нерафинированной стали производится в электропечах. Самые распространенные - дуговые электропечи. Пол такой печи облицовывают огнеупорным кирпичом, свод охлаждают водой. В своде есть три отверстия, в которые вводят угольные электроды. Между металлоломом и электродами на дне печи возникает дуговой разряд. В крупной печи сила тока достигает размера 100 000 А.Физические свойства
Железо может иметь две кристаллические решетки: α- или γ- объемно-центрированной кубической и гранецентрированной кубической. Ниже температуры 910°С устойчива с α- модификация ОЦК-решёткой (при 20°С а = 2,86645 Å), γ-модификация устойчива при 910°С - 1400°С, ГЦК-решётка (а = 3,64 Å). При достижении 1400°С снова образуется ОЦК-решётка, δ-Fe (а = 2,94 Å), которая устойчива до температуры 1539°С. α - модификация ферромагнитная вплоть до токи Кюри (769°С). Модификации δ-Fe и γ-Fe парамагнитные.
В 1868 Д. К. Черновоткрыл полиморфные превращения железа и стали после нагревания и охлаждения. Углерод образует с железом твёрдые растворы внедрения, где атомы углерода, имеют малый атомный радиус (0,77 Å), они размещаются в междоузлиях кристаллической решётки металла, которая состоит из более крупных атомов. У железа атомный радиус составляет 1,26 Å.
Сочетание закалки и отпуска (нагрева до относительно низкой температуры с целью уменьшения внутреннего напряжения) придает стали требуемое сочетание пластичности и твёрдости.
Физические свойства железа напрямую зависят от чистоты металла. В промышленных материалах железу обычно сопутствуют примеси азота, углерода, кислорода, фосфора, водорода, серы. Даже очень малые концентрации данных примесей существенно изменяют свойства железа. Например, сера вызывает так называемую красноломкость, а фосфор (до 10 -20 % Р) такое свойство как хладноломкость, на пластичность железа влияют углерод и азот, примесь водорода увеличивает хрупкость (водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10 -7 -10 -9 % приводит к сильным изменениям физических свойств металла, а в частности повышается пластичность.
Давайте рассмотрим физические свойства чистого железа (примесей не более 0,01% по массе). Итак, атомный радиус железа составляет 1,26 Å, ионные радиусы Fe3+O,67 Å, Fe2+O,80 Å. Температура плавления 1539 °С, температура кипения примерно 3200 °С, плотность (при 20°С) равна7,874 г/см3. Температурный коэффициент линейного расширения железа (при 20°С) составляет 11,7·10 -6 , теплопроводность металла (при 25°С) равна 74,04 вт/(м*К) =
Теплоёмкость железа сильно зависит от структуры, с температурой изменяется сложным образом. Средняя удельная теплоёмкость железа (при 0-1000°С) составляет 640,57 дж/(кг·К) = . Параметр удельного электрического сопротивления (при 20°С) равен 9,7·10-8ом·м = , Модуль Юнга составляет 190—210·10 3 Мн/м. 2 = = (19-21·10 3 кгс/мм 2), температурный коэффициент электрического сопротивления (при 0-100°С) равен 6,51·10 -3 , температурный коэффициент модуля Юнга равен 4·10 -6 , Кратковременная прочность на разрыв составляет 170-210Мн/м2, модуль сдвига равен 84,0·10 3 Мн/м 2 , относительное удлинение равно 45-55%, твёрдость металла по Бринеллю составляет 350-450 Мн/м 2 , предел текучести равен100Мн/м 2 , и ударная вязкость железа равна 300 Мн/м 2 .
Конфигурация внешней электронной оболочки атома железа имеет вид 3d64s2. Железо имеет переменную валентность (более устойчивы соединения двух- и трехвалентного железа). Железо образует с кислородом окись Fe 2 O 3 , закись FeO, и закись-окись Fe 3 O 4 . При обычной температуре во влажном воздухе железо покрывается рыхлой ржавчиной. Ржавчина по причине своей пористости не препятствует доступу воздуха и влаги к поверхности металла, поэтому она не предохраняет железо от дальнейшего окисления. Из-за разных видов коррозии каждый год теряются миллионы тонн железа. В результате нагревания железа в сухом воздухе выше температуры 200°С его поверхность покрывается тонкой окисной плёнкой, защищающей металл от коррозии в обычной температуре, что и лежит в основании технического способа защиты железа - методе воронения.
Химические свойства
При нагревании железа на водяном паре, металл окисляется с выделением Fe 3 O 4 (при температуре ниже 570°С) либо FeO (при температуре выше 570°С), а также выделением водорода.
Такая гидроокись, как Fe(OH) 2 образуется в результате действия аммиака или едких щелочей на водные растворы солей Fe 2+ в атмосфере азота или водорода, имеет вид белого осадка. Впоследствии соприкосновения с воздухом гидроокись сначала зеленеет, а затем чернеет, ну а после быстро превращается в красно-бурую Fe(OH) 3 . Закись железа FeO проявляет его основные свойства. А Окись Fe 2 O 3 является амфотерной и обладает плохо выраженной окисляющей функцией, реагирует с основными окислами (к примеру, с MgO), образует ферриты, т.е. такие соединения, как Fe2O3·nMeO, которые имеют ферромагнитные свойства, они широко применяются в радиоэлектронике. У шестивалентного железа, которое существует в виде ферратов, также выражены кислотные свойства. К примеру, K 2 FeO 4 , соль, не выделенная в обычном состоянии железной кислоты.
Железо способно легко реагировать с галогеноводородами и галогенами, давая при этом соли. Яркий пример - хлориды FeCl 3 и FeCl 2 . В результате нагревания железа вместе с серой, образуются сульфиды FeS 2 и FeS. У железа есть и карбиды — Fe 2 C (ε-карбид), Fe 3 C (цементит), выпадающие из твёрдых растворов углерода в железе при охлаждении данных растворов. Fe 3 C может также выделяться из раствора углерода в жидком железе если концентрации С будут высокими. Азот, почти, как и углерод, углерод, образует твёрдые растворы внедрения с железом. Из этих растворов выделяют нитриды Fe2N и Fe4N. С водородом железо способно давать только малоустойчивые гидриды, чей состав точно так и не установлен. Вследствие нагревания железо довольно энергично вступает в реакцию с фосфором и кремнием, при этом образуются фосфиды (к примеру, Fe3P) и силициды (к примеру, Fe3Si).
Соединения железа со многими элементами (кислород, сера и другими), которые образуют кристаллическую структуру, обладают переменным составом (например, в составе моносульфида содержание серы может изменяться от 50 до 53,3%). Данное явление объясняется наличием дефектов кристаллической структуры. К примеру, в закиси железа FeO некоторые ионы Fe 2+ в узлах решётки замещаются ионами Fe 3+ . С целью сохранения такого свойства, как электронейтральность, некоторые узлы решётки, которые принадлежат ионам вида Fe 2+ , остаются пустыми, а фаза при обычных условиях записывется формулой Fe 0,947 O.
Величина нормального электродного потенциала железа в водных растворах солей Fe для реакции
Fe <- Fe 2+ +2
Fe -> Fe 2+ +2
равна 0,44 в, а для реакции
Fe <- Fe 3+ +3
Fe -> Fe 3+ +3
равен - 0,036 в. Таким образом, в ряду активностей железо имеет место левее водорода. Элемент может легко растворяться в разбавленных кислотах, выделяя водород и образовывая ионы Fe 2+ .
Довольно своеобразно взаимодействует железо с азотной кислотой. Концентрат азотной кислоты (плотность 1,45 г/см 3) пассивирует железу в результате возникновения на поверхности металла окисной плёнки, а более разбавленная азотная кислотоа растворяет железо, образуя ионы Fe 3+ и Fe 2+ либо, восстанавливается до MH 3 либо N 2 O и N 2 .
Растворы солей двухвалентного железа не устойчивы на воздухе: Fe 2+ со временем окисляется и превращается в Fe 3+ . Водные растворы солей железа в результате процесса гидролиза осуществляют кислую реакцию. Добавка в растворы солей Fe 3+ тиоцианат-ионов SCN способствует появлению яркой кроваво-красной окраски в результате возникновения Fe(SCN) 3 , а это в свою очередь позволяет осуществлять присутствие одной части Fe 3+ в примерно 106-ти частях H 2 O. Для железа характерны образования комплексных соединений.
Химия
ДРАГОЦЕННЫЙ МЕТАЛЛ. В «Географии» древнегреческого писателя Страбона упоминается о том, что африканские народы за один фунт железа отдавали десять фунтов золота . Извлеченное из древнескандинавских гробниц оружие также свидетельствует о драгоценности железа в прошлом - из него сделаны только острия мечей, а все остальные части - из бронзы.
Железо в метеорите
ОРУЖИЕ ИЗ МЕТЕОРИТОВ. С давних времен люди пытались использовать метеоритное железо , хотя сделать это было не просто. Бухарский эмир приказал своим лучшим оружейникам отковать ему меч из куска «небесного железа». Но сколько они ни старались, ничего не получалось. Оружейников казнили. Они погибли из-за того, что нагретый металл не поддавался ковке. Это характерно для никелистого метеоритного железа: оно куется только холодным, а при нагревании становится хрупким.
Несмотря на это, у властителя индийского княжества Джехангира в XVII в. были две сабли, кинжал и наконечник пики из метеоритного железа. Есть сведения, что из этого же материала были изготовлены шпаги Александра I и Боливара - героя Южной Америки.
САМОРОДНЫЙ ЧУГУН. Металлическое железо встречается не только в метеоритах. Еще в 1789 г. в «Словаре коммерческом» Василия Левшина о самородном железе писалось: «Так называется железо, совсем приготовленное природой в недрах земных и совсем очищенное от веществ посторонних настолько, что можно из него ковать без переплавки всякие вещи».
Крупное скопление самородного железа было найдено на южном берегу острова Диско у берегов Гренландии. Оно залегало здесь в извергнутом через пласты каменного угля базальте в виде блесток, зерен и иногда мощных глыб. В отличие от метеоритного железа, всегда содержащего сравнительно много никеля , самородное железо содержит не более 2% никеля, иногда до 0,3% кобальта , около 0,4% меди и до 0,1% платины . Обычно оно исключительно бедно углеродом . Однако возможно образование и самородного чугуна, например в результате контакта раскаленного углерода с железной рудой. В 1905 г. геолог А. А. Иностранцев обнаружил в районе острова Русского на Дальнем Востоке небольшие пластообразные скопления самородного чугуна, находящегося на глубине 30-40 м под скальными породами морского берега. В извлеченных образцах металла содержалось около 3,2% углерода.
УБИТ ИЗ-ЗА ЖЕЛЕЗА. В 1735 г. вогул Степан Чумпин нашел у горы Благодать большой кусок магнитного железняка и показал его горному технику И. Ярцеву. После осмотра месторождения Ярцев помчался с докладом в Екатеринбург. Эта поездка была самым настоящим бегством - по следу Ярцева скакали вооруженные стражники некоронованного короля Урала Демидова, который не допускал и мысли, что новые богатства минуют его. Ярцеву удалось уйти от погони. Первооткрыватели рудника получили вознаграждение от Горной канцелярии, но вскоре Степан Чумпин был убит. Убийца остался непойманным.
КРИСТАЛЛ ЧЕРНОВА. Знаменитый русский металлург Д. К. Чернов (1839-1921) собрал коллекцию кристаллов железа. Некоторые кристаллы, найденные им в стальных слитках, достигали длины 5 мм, большинство же не более 3 мм.
Главной ценностью коллекции был уникальный «кристалл Д. К. Чернова», описанный во многих учебниках по металловедению. Его нашел в груде стального лома шихтового двора подполковник морской артиллерии А. Г. Берсенев, служивший приемщиком на металлургическом заводе. Как удалось выяснить, кристалл вырос в 100-тонном слитке стали. Берсенев подарил его своему учителю Чернову. Чернов тщательно исследовал кристалл. Вес его оказался 3 кг 450 г, длина 39 см, химический состав: 0,78% углерода, 0,255% кремния , 1,055% марганца , 97,863% железа.
Железо в медицине
СТАЛЬНОЕ ВИНО. В старинных журналах можно найти рецепты различных «железных» лекарств. Так, в «Экономическом журнале» за 1783 г. сообщалось: «В некоторых случаях и болезнях и самое железо составляет весьма хорошее лекарство, и принимаются с пользой наимельчайшие оного опилки либо просто, либо обсахаренные». Там же перечисляются другие лекарства того времени: обсахаренное железо, железный снег, железная вода, стальное вино («виноградное кислое вино, как, например, рейнвейн, настоять с железными опилками и получится железное или стальное вино и вкупе весьма хорошее лекарство»).
МАГНИТНЫЕ ЛЕКАРСТВА. В 1835 г. «Журнал мануфактур и торговли», сообщая о товарах, присланных из Вены в Петербург, упоминает металлические намагниченные бруски как средство от зубной и головной боли. Бруски рекомендовалось носить на шее. «Этот способ лечения ныне в моде, - сообщалось в журнале, - и по отзывам врачей, заслуживающим вероятия, помогает весьма многим». В древности и в средние века магнит употребляли не только как наружное, но и как внутреннее. Гален считал магнит слабительным, Авиценна лечил им ипохондриков, Парацельс приготовлял «магнитную манну», Агрикола - магнитную соль, магнитное масло и даже магнитную эссенцию.
Химия железа
Вероятно, вы обратили внимание, что и статья, и заметки об элементе № 26 посвящены главным образом железу-металлу. Это и не удивительно: именно этим прежде всего железо интересно для пас. Но, отдавая должное главному металлу современной техники, нельзя забывать, что: элемент № 26 обладает значительной химической активностью, он образует множество соединений, проявляя обычно валентности 2+ и 3+ ; существуют соли железной кислоты H 2 FeO 4 , но в свободном состоянии эта кислота не получена, так же как и ее ангидрид - FeO 3 ; природное железо состоит из четырех стабильных изотопов с массовыми числами 54, 56, 57 и 58; железо - жизненно важный элемент ; в крови человека 14,5% ее веса приходится на долю гемоглобина - красного пигмента эритроцитов, в центре молекулы которого находится атом железа.
АЛЬФА, БЕТА, ГАММА, ДЕЛЬТА. Железо - полиморфный металл, оно кристаллизуется по-разному в зависимости от температуры. При обычных условиях железо существует в виде кристаллов с объемноцентрированной решеткой. Это привычное нам альфа-железо. При медленном его нагревании наблюдаются странные, на первый взгляд, температурные остановки: тепло продолжает поступать в металл, а температура его не повышается. Первая такая остановка для чистого железа будет при 769, вторая - при 910, третья - при 1401°С. Закон сохранения энергии при этом, конечно, не нарушается. «Исчезнувшее» тепло тратится на перестройки кристаллической решетки. Они сказываются на многих свойствах металла. При 769°С, когда альфа-железо превращается в бета-железо, оно утрачивает свои магнитные свойства. При 910°С происходит обычная перекристаллизация: объемноцентрированная решетка перестраивается в гранецентрированную (это гамма-железо). При 1401°С - последняя перестройка: решетка вновь становится объемноцентрированной, но уже с большими, чем у альфа-железа, размерами элементарных кристаллов. Эта разновидность называется дельта-железом. При охлаждении расплавленного железа те же перестройки происходят в обратном порядке.
Легирование меди железом
Низведенное железо
Слово "также", упоминаемое в тексте аята "Мы также низвели железо " , указывает, что и другие элементы, не только железо , были низведены на Землю из космоса. Кроме того, если рассмотреть особое упоминание железа в данном аяте в свете открытий, сделанных наукой в конце 20-го века, смысл аята приводит нас к очень интересному заключению. Известный микробиолог Майкл Дентон в своей книге “Предназначение природы” приводит такой комментарий:
“Среди всех металлов железо является самым жизненно необходимым и важным для человека . Накопление железа в ядре звезды провоцирует взрыв сверхновой и, таким образом, дает возможность распространяться по всей Вселенной атомам железа , необходимым для жизни. Температура, которую формировали атомы железа , и сила гравитации внутри ядра на первоначальной стадии формирования Земли стали причиной химических изменений Земли и в результате обеспечили предпосылки для развития атмосферы и гидросферы. Расплавленное железо , находящееся внутри ядра Земли, исполняет функцию мощнейшего магнита и формирует магнитный пояс Земли. Благодаря этому поясу формируются высокоэнергетичные пояса Ван Аллена, которые защищают Землю от воздействия испепеляющей космической радиации и от разрушения озонового слоя Земли под воздействием космических лучей...
Если бы не существовало атомов железа , то невозможно было бы само возникновение углеродной основы жизни, не было бы сверхновых звезд, Земля не достигла бы той температуры, что существовала на первоначальном этапе ее формирования, не было бы атмосферы и гидросферы, не было бы защитного магнитного пояса, радиационных поясов Ван Аллена, не существовало бы озонового слоя, не было бы никаких металлов (которые составляют гемоглобин крови человека), не сформировались бы металлы, которые могли бы снизить реактивность кислорода, не происходило бы никаких обменных процессов, способных сопротивляться окислению.
Математический феномен железа
См. также
Примечания
Литература
- Энциклопедический словарь юного физика. М., 1984, 1991
Интересные факты. Железо, нагретое до 5000 градусов Цельсия, становится газообразным. Наиболее вероятно, что это название происходит от древнеарийского корня «ZIL», которым обозначали олово и вообще белые металлы (в том числе серебро - «zilber», и название «цинк» получилось из этого же слова аберрацией L-N). От него же, видимо, происходит и санскритское «жальжа», что означает «металл, руда». 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 %.
Слайд 10 из презентации «Железо»Размеры: 720 х 540 пикселей, формат: .jpg. Чтобы бесплатно скачать слайд для использования на уроке, щёлкните на изображении правой кнопкой мышки и нажмите «Сохранить изображение как...». Скачать всю презентацию «Железо.ppt» можно в zip-архиве размером 553 КБ.
Железо
«Урок Железо» - Конфуций. 3. Измельчила золу до порошка. 4. Перенесла золу в пробирку и добавила 10мл HCI. 5 . Сравнила интенсивность цвета анализируемых растворов. Лабораторный опыт: Результаты исследования: Следите за сбалансированностью своего питания, будьте здоровы! Закрыла пробкой и интенсивно перемешала встряхиванием.
«Соединения железа» - Физические свойства: Чистое железо серебристо-белый пластичный металл. Электронная формула строения атома: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s . Отдавая электроны внешнего уровня, железо окисляется до степени окисления, равной +2. Самый распространенный после алюминия на земном шаре металл – железо. До степени окисления, равной +2, железо окисляется, взаимодействуя со слабыми окислителями.
«Железо металл» - Химические свойства железа. 1 – восстановитель, процесс окисления 1 – окислитель, процесс восстановления. Физические свойства. Методическая разработка урока. Халькопирит с включениями кварца Приморский край. Биологическая роль железа. Основным источником железа для человека является пища. Железо – средний по химической активности металл.
«Химия железа» - Строение простого вещества. Наиболее широко используется в современной промышленности. Зависимость свойств от строения. Взаимодействие железа с простыми веществами. Важен с биологической точки зрения. Свойства вещества. Взаимодействие железа со сложными веществами. К неметаллам. Тест- тренажер. Отношение к простым веществам.
«Свойства железа» - Железо в природе. Реактив. Соединения железа. Железо. Строение атома железа. Свойства железа. Конструирование текста. Нормальное состояние атома железа. Качественная реакция. Формула. Физические свойства. Химические свойства. Лабораторная работа. Третий лишний. Лови ошибку. Проверь себя. Генетические ряды.
Оладьи из кабачков в духовке Оладушки из кабачков в духовке
Ремонт в новой квартире во сне
Что было до Большого взрыва?
Пасьянс любит - не любит Любит не любит гадать на картах онлайн