Какие свойства проявляет металлическое железо
Железо – химический элемент
Дополнительно в учебнике “Фоксфорд”
1. Положение железа в
периодической таблице химических элементов и строение его атома
Железо
– это d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса Ar(Fe) = 56; состав атома: 26-протонов;
30 – нейтронов; 26 – электронов.
Схема
строения атома:
Электронная
формула: 1s22s22p63s23p63d64s2
Металл
средней активности, восстановитель:
Fe0-2e-→Fe+2, окисляется восстановитель
Fe0-3e-→Fe+3, окисляется восстановитель
Основные
степени окисления: +2, +3
2. Распространённость
железа
Железо – один из
самых распространенных элементов в природе. В земной коре его массовая доля составляет 5,1%,
по этому показателю оно уступает только
кислороду, кремнию и алюминию. Много железа находится и в небесных телах,
что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта,
которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в
неокисленном состоянии.
Железные
руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят
сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят
соединения железа.
Железо
входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют
железные руды с содержанием железа 30-70% и более.
Основными железными
рудами являются:
магнетит (магнитный железняк) – Fe3O4 содержит 72%
железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии:
гематит (железный блеск, кровавик)– Fe2O3содержит до
65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе:
|
|
лимонит (бурый железняк) – Fe2O3*nH2O
содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму:
пирит (серный колчедан, железный
колчедан, кошачье золото) – FeS2
содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.
3. Роль железа в жизни
человека и растений
Биохимики
открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в
состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого
гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого
в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого
человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина.
Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном
направлении – CO2.
Железо
необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе
фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют
белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый
цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо,
и вскоре смазанное место зеленеет.
Так
от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют
листья растений и ярко румянятся щеки человека.
4. Физические свойства железа.
Железо
– это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539оС. Очень
пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется.
Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому
применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических
машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами
термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и
прокатки.
Различают
химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути,
представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02 -0,04% углерода,
а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо
содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый,
блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое
железо устойчиво к коррозии и хорошо
сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих
драгоценный свойств.
5. Получение железа
Восстановлением
из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:
FeO + C =
Fe + CO
Fe2O3
+ 3CO = 2Fe + 3CO2
Fe2O3
+ 3H2 = 2Fe + 3H2O
Опыт “Получение железа алюминотермией”
6. Химические свойства железа
Как
элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления.
Мы рассмотрим только соединения, в которых железо проявляет степени окисления
+2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда
соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.
1) На воздухе железо легко
окисляется в присутствии влаги (ржавление):
4Fe +
3O2 + 6H2 O = 4Fe(OH)3
2) Накалённая железная проволока
горит в кислороде, образуя окалину – оксид железа (II,III) – вещество чёрного цвета:
3Fe +
2O2 = Fe3O4
C кислородом во влажном воздухе образуется Fe2O3*nH2O
Опыт “Взаимодействие железа с кислородом”
3) При высокой
температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H2O t˚C→
Fe3O4 + 4H2
4) Железо
реагирует с неметаллами при нагревании:
2Fe + 3Br2 t˚C→
2FeBr3
Fe + S t˚C→ FeS
5) Железо
легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных
условиях:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H2SO4(разб.) = FeSO4
+ H2
6) В концентрированных кислотах –
окислителях железо растворяется только при нагревании
2Fe + 6H2SO4(конц.) t˚C→
Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O
Fe + 6HNO3(конц.) t˚C→ Fe(NO3)3
+ 3NO2 + 3H2O
На холоде
концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо!
Опыт “Взаимодействие железа с концентрированными кислотами”
7) Железо
вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.
Fe +
CuSO4 = FeSO4 + Cu
8) Качественные реакции на
Железо (II)
Железо (III)
7. Применение железа.
Основная
часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали —
сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4%
углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.
Чугуны
необходимы для производства различных отливок — станин тяжелых машин и т.п.
Изделия из чугуна
Стали
используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок,
листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для
производства различных сортов сталей применяют так называемые легирующие
добавки, которыми служат различные металлы: Мn, Сr, Мо и другие, улучшающие
качество стали.
Изделия из стали
“ПОЯВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА”
ЭТО ИНТЕРЕСНО
ТРЕНАЖЁРЫ
Тренажёр №1
– Генетический ряд Fe 2+
Тренажёр №2
– Генетический ряд Fe 3+
Тренажёр №3
– Уравнения реакций железа с простыми и сложными веществами
Задания для закрепления
№1. Составьте
уравнения реакций получения железа из его оксидов Fe2O3 и
Fe3O4 , используя в качестве восстановителя:
а) водород;
б) алюминий;
в) оксид углерода (II).
Для каждой реакции составьте электронный баланс.
№2. Осуществите
превращения по схеме:
Fe2O3 -> Fe -+H2O,
t -> X -+CO, t-> Y -+HCl-> Z
Назовите продукты X, Y, Z?
Источник
Чистое железо (99,97%), очищенное методом электролиза
Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).
СТРУКТУРА
Две модификации кристаллической решетки железа
Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а0 = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a0 = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:
- В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
- В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
- В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.
При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.
В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.
При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна
СВОЙСТВА
Железная руда
В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, — единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.
ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА
Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %.
Железо
В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде — 1·10−5-1·10−8 %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.
ПРОИСХОЖДЕНИЕ
Самородное железо
Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовыхлавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe1-xS) и когенит (Fe3C), что объясняют как восстановление углеродом (в том числе и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)n. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.
Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов — железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.
ПРИМЕНЕНИЕ
Кольцо из железа
Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.
Железо (англ. Iron) — Fe
| Молекулярный вес | 55.85 г/моль |
| Происхождение названия | возможно англо-саксонского происхождения |
| IMA статус | действителен, описан впервые до 1959 (до IMA) |
КЛАССИФИКАЦИЯ
Hey’s CIM Ref1.57
| Strunz (8-ое издание) | 1/A.07-10 |
| Nickel-Strunz (10-ое издание) | 1.AE.05 |
| Dana (7-ое издание) | 1.1.17.1 |
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Цвет минерала | железно-черный |
| Цвет черты | серый |
| Прозрачность | непрозрачный |
| Блеск | металлический |
| Спайность | несовершенная по {001} |
| Твердость (шкала Мооса) | 4,5 |
| Излом | в зазубринах |
| Прочность | ковкий |
| Плотность (измеренная) | 7.3 — 7.87 г/см3 |
| Радиоактивность (GRapi) | 0 |
| Магнетизм | ферромагнетик |
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Тип | изотропный |
| Цвет в отраженном свете | белый |
| Люминесценция в ультрафиолетовом излучении | не флюоресцентный |
КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
| Точечная группа | m3m (4/m 3 2/m) — изометрический — гексаоктаэдральный |
| Пространственная группа | Im3m (I4/m 3 2/m) |
| Сингония | кубическая |
| Параметры ячейки | a = 2.8664Å |
| Двойникование | (111) также в пластинчатых массах {112} |
| Морфология | в маленьких пузырьках |
mineralpro.ru
13.07.2016
Источник
Железо – основной конструкционный материал. Металл используется буквально везде – от ракет и подводных лодок до столовых приборов и кованых украшений на решетке. В немалой степени этому способствует элемент в природе. Однако истинной причиной является, все же, его прочность и долговечность.
В данной статье нами будет дана характеристика железа как металла, указаны его полезные физические и химические свойства. Отдельно мы рассказываем, почему железо называют черным металлом, чем оно отличается от других металлов.
Что такое железо
Как не странно, но до сих пор иногда возникает вопрос о том, железо — это металл или неметалл. Железо – элемент 8 группы, 4 периода таблицы Д. И. Менделеева. Молекулярная масса 55,8, что довольно много.
Это металл серебристо-серого цвета, довольно мягкий, пластичный, обладающий магнитными свойствами. На деле чистое железо встречается и используется крайне редко, поскольку металл химически активен и вступает в разнообразные реакции.
О том, что такое железо, расскажет это видео:
Понятие и особенности
Железом обычно называют сплав с небольшой долей примесей – до 0,8%, который сохраняет практически все свойства металла. Повсеместное применение находит даже не этот вариант, а сталь и чугун. Свое наименование – черный металл, железо, а, вернее говоря, все тот же чугун и сталь, получили благодаря цвету руды – черному.
Сегодня черными металлами называют сплавы железа: сталь, чугун, феррит, а также марганец, и, иногда, хром.
Железо – очень распространенный элемент. По содержанию в земной коре он занимает 4 место, уступая кислороду, кремнию и алюминию. В ядре Земли находится 86% железа, и всего 14% – в мантии. В морской воде вещества содержится очень мало – до 0,02 мг/л, в речной воде несколько больше – до 2 мг/л.
Железо – типичный металл, к тому же довольно активный. Он взаимодействует с разбавленными и концентрированными кислотами, но под действием очень сильных окислителей может образовать соли железной кислоты. На воздухе железо быстро покрывается оксидной пленкой, предупреждающей дальнейшую реакцию.
Однако в присутствии влаги вместо оксидной пленки появляется ржавчина, которая благодаря рыхлой структуре дальнейшему окислению не препятствует. Эта особенность – корродирование в присутствии влаги, является главным недостатком железных сплавов. Стоит отметить, что провоцируют коррозии примеси, в то время как химически чистый металл устойчив к воде.
Важные параметры
Чистый металл железо довольно пластичен, хорошо поддается ковке и плохо литью. Однако небольшие примеси углерода значительно увеличивают его твердость и хрупкость. Это качество и стало одной из причин вытеснения бронзовых орудий труда железными.
- Если сравнить железные сплавы и бронзу, из тех, что были известны в древнем мире, очевидно, что бронза превосходила их и по прочности, и по коррозийной стойкости, а, значит, и по долговечности. Однако массовое изготовление бронзовых предметов привело к истощению оловянных рудников. А, так как олово распространено значительно меньше, чем медь, перед металлургами прошлого оставался вопрос о замене. И железо заменило бронзу. Полностью последняя была вытеснена, когда появились стали: такого сочетания твердости и упругости, бронза не дает.
- Железо образует с кобальтом и никелем триаду железа. Свойства элементов очень близки, ближе, чем у их же аналогов с таким же строение внешнего слоя. Все металлы обладают прекрасными механическими свойствами: легко обрабатываются, прокатываются, протягиваются, их можно ковать и штамповать. Кобальт и никель не столь реакционноспособны и более устойчивы к коррозии, чем железо. Однако меньшая распространенность этих элементов не позволяет использовать их так же широко, как и железо.
- Главным «конкурентом» железу по области использования выступает алюминий и его сплавы. Но на деле оба материала обладают совершенно разными качествами. Алюминий далеко не столь прочен, как железо, хуже вытягивается, не поддается ковке. С другой стороны, металл отличается, куда меньшим весом, что заметно облегчает конструкции.
Электропроводность железа весьма средняя, в то время как алюминий по этому показателю уступает лишь серебру, меди и золоту. Железо является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность при отсутствии магнитного поля, а алюминий – типичный парамагнетик и втягивается в магнитное поле.
Столь разные свойства обуславливают абсолютно разные области применения, так что «сражаются» конструкционные материалы очень редко, например, в производстве мебели, где легкость алюминиевого профиля противопоставляется прочности стального.
Преимущества и недостатки железа рассмотрены далее.
Плюсы и минусы
Главное преимущество железа по сравнению с другими конструкционными металлами – распространенность и относительная простота выплавки. Но, учитывая в каком количестве используется железо, это весьма немаловажный фактор.
Преимущества
К плюсам металла относят и другие качества.
- Прочность и твердость при сохранении упругости – речь идет не о химически чистом железе, а о сплавах. Причем качества эти варьируются в довольно широких пределах в зависимости от марки стали, способа термообработки, метода получения и так далее.
- Разнообразие сталей и ферритов позволяет создать и подобрать материал буквально для любой задачи – от каркаса моста до режущего инструмента. Возможность получения заданных свойств при добавлении очень незначительных примесей – необычайно большое достоинство.
- Легкость механической обработки позволяет получить продукцию самого разного вида: прутки, трубы, фасонные изделия, балки, листовое железо и так далее.
- Магнитные свойства железа таковы, что металл является основным материалом при получении магнитоприводов.
- Стоимость сплавов зависит, конечно, от состава, но все равно значительно ниже, чем у большинства цветных, пусть и с более высокими прочностными характеристиками.
- Ковкость железа обеспечивает материалу очень высокие декоративные возможности.
Недостатки
Минусы железных сплавов значительны.
- В первую очередь это недостаточная коррозийная стойкость. Специальные виды сталей – нержавеющие, обладают этим полезным качеством, но и стоят намного дороже. Значительно чаще металл защищают с помощью покрытия – металлического или полимерного.
- Железо способно накапливать электричество, поэтому изделия из его сплавов подвергаются электрохимической коррозии. Корпуса приборов и машин, трубопроводы должны каким-то образом защищаться – катодная защита, протекторная и так далее.
- Металл тяжелый, поэтому железные конструкции заметно утяжеляют объект строительства – здание, железнодорожный вагон, морское судно.
Состав и структура
Железо существует в 4 различных модификациях, отличающихся друг от друга параметрами решетки и структурой. Наличие фаз имеет действительно решающее значение для выплавки, поскольку именно фазовые переходы и их зависимость от легирующих элементов обеспечивает само течение металлургических процессов в этом мире. Итак, речь идет о следующих фазах:
- α-фаза устойчива до +769 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой. α-фаза является ферромагнетиком, то есть, сохраняет намагниченность в отсутствии магнитного поля. Температура в 769 С является точкой Кюри для металла.
- β-фаза существует от +769 С до +917 С. Структура модификации та же, но параметры решетки несколько другие. При этом сохраняются практически все физические свойства за исключением магнитных: железо становится парамагнетиком.
- γ — фаза появляется в диапазоне от +917 до +1394 С. Для нее характера гранецентрированная кубическая решетка.
- δ-фаза существует выше температуры в +1394 С, обладает объемно-центрированной кубической решеткой.
Выделяют также ε-модификацию, которая появляется при высоком давлении, а также в результате легирования некоторыми элементами. ε -фаза обладает плотноупакованной гексагонической решеткой.
Далее мы расскажем, какова плотность, и чему равна удельная теплоемкость железа.
Про физические и химические свойства железа поведает этот видеоролик:
Свойства и характеристики
Физические качества металла очень сильно зависят от его чистоты. Разница между свойствами химически чистого железа и обычного технического, а тем более легированной стали, весьма существенна. Как правило, физические характеристики приводят для технического железа с долей примесей 0,8%.
Необходимо отличать вредные примеси от легирующих добавок. Первые – сера и фосфор, например, придают сплаву хрупкость, не увеличивая твердость или механическую стойкость. Углерод в стали увеличивает эти параметры, то есть, является полезным компонентом.
- Плотность железа (г/см3) в некоторой степени зависит от фазы. Так, α-Fe имеет плотность равную 7,87 г/куб. см при нормальной температуре и 7,67 г/куб. см при +600 С. Плотность γ-фазы ниже – 7,59 г/куб. см. а δ-фазы еще меньше – 7,409 г/куб.см.
- Температура плавления вещества – +1539 С. Железо относится к умеренно тугоплавким металлам.
- Температура кипения – +2862 С.
- Прочность, то есть стойкость к нагрузкам разного рода – давление, растяжение, изгиб, регламентируется для каждой марки стали, чугуна и феррита, так что об этих показателях говорить в общем сложно. Так, быстрорежущие стали имеет предел прочности на изгиб равный 2,5–2,8 ГПа. А тот же параметр обычного технического железа составляет 300 МПА.
- Твердость по шкале Мооса – 4–5. Специальные стали и химически чистое железо достигают куда более высоких показателей.
- Удельное электрическое сопротивление 9,7·10-8 ом·м. Железо проводит ток куда хуже меди или алюминия.
- Теплопроводность тоже ниже, чем у этих металлов и зависит от фазового состава. При 25 С составляет 74,04 вт/(м·К)., при 1500 С — 31,8 [Вт/(м.К)].
- Железо прекрасно куется, причем как при нормальной, так и повышенной температуре. Чугун и сталь поддаются литью.
- Биологически инертным вещество назвать нельзя. Однако токсичность его очень низкая. Связано это, правда, не столько с активностью элемента, сколько с неспособностью человеческого организма хорошо его усвоить: максимум составляет 20% от получаемой дозы.
К экологическим веществам железо отнести нельзя. Однако основной вред окружающей среде причиняет не его отходы, поскольку железо ржавеет и довольно быстро, а отходы производства – шлаки, выделяющиеся газы.
Производство
Железо относится к весьма распространенным элементам, так что его добыча относительно проста и не требует больших расходов. Разрабатываются месторождения как открытым, так и шахтным методом. По сути, все горные руды включают в состав железо, но разрабатываются лишь те, где доля металла достаточно велика. Это богатые руды – красный, магнитный и бурый железняк с долей железо до 74 %, руды со средним содержанием – марказит, например, и бедные руды с долей железа не менее 26% – сидерит.
Богатая руда сразу же отправляется на завод. Породы со средним и низким содержанием обогащаются.
Существует несколько методов получения железных сплавов. Как правило, выплавка любой стали включает получение чугуна. Его выплавляют в доменной печи при температуре 1600 С. Шихту – агломерат, окатыши, загружают вместе с флюсом в печь и продувают горячим воздухом. При этом металл плавится, а кокс горит, что позволяет выжечь нежелательные примеси и отделить шлак.
Для получения стали обычно используют белый чугун – в нем углерод связан в химическое соединение с железом. Наиболее распространены 3 способа:
- мартеновский – расплавленный чугун с добавкой руды и скрапа плавят при 2000 С с тем, чтобы уменьшить содержание углерода. Дополнительные ингредиенты, если они есть, добавляют в конце плавки. Таким образом получают самую высококачественную сталь.
- кислородно-конвертерный – более производительный способ. В печи толщу чугуна продувают воздухом под давлением в 26 кг/кв. см. Может использоваться смесь кислорода с воздухом или чистый кислород с целью улучшить свойства стали;
- электроплавильный – чаще применяется для получения специальных легированных сталей. Чугун палят в электрической печи при температуре в 2200 С.
Сталь можно получить и прямым методом. Для этого в шахтную печь загружают окатыши с большим содержанием железа и при температуре в 1000 С продувают водородом. Последний восстанавливает железо из оксида без промежуточных стадий.
В связи со спецификой черной металлургии на продажу попадает либо руда с определенным содержанием железа, либо готовая продукция – чугун, сталь, феррит. Цена их очень сильно отличается. Средняя стоимость железной руды в 2016 году – богатой, с содержанием элементов более 60%, составляет 50$ за тонну.
Стоимость стали зависит от множества факторов, что порой делает взлеты и падение цен совершено непредсказуемо. Осенью 2016 стоимость арматуры, горяче- и холоднокатаной стали резко возросла благодаря не менее резкому подъему цен на коксующийся уголь – непременного участника выплавки. В ноябре европейские компании предлагает рулон горячекатаной стали по 500 Евро за т.
Область применения
Сфера использования железа и железных сплавов огромна. Проще указать, где металл не применяется.
- Строительство – сооружение всех видов каркасов, от несущего каркаса моста, до коробки декоративного камина в квартире, не может обойтись без стали разных сортов. Арматура, прутки, двутавры, швеллеры, уголки, трубы: абсолютно вся фасонная и сортовая продукция используется в строительстве. То же самое касается и листового проката: из него изготавливают кровлю, металлочерепицу, профнастил и так далее.
- Машиностроение – по прочности и стойкости к износу со сталью очень мало, что может сравниться, так что детали корпуса абсолютного большинства машин изготавливаются из сталей. Тем более в тех случаях, когда оборудование должно работать в условиях высоких температур и давления.
- Инструменты – с помощью легирующих элементов и закалки металлу можно придать твердость и прочность близкую к алмазам. Быстрорежущие стали – основа любых обрабатывающих инструментов.
- В электротехнике использование железа более ограничено, именно потому, что примеси заметно ухудшают его электрические свойства, а они и так невелики. Зато металл незаменим в производстве магнитных частей электрооборудования.
- Трубопровод – из стали и чугуна изготавливают коммуникации любого рода и вида: отопление, водопроводы, газопроводы, включая магистральные, оболочки для силовых кабелей, нефтепроводы и так далее. Только сталь спо