Елемент як забрудник навколишнього середовища
Вступ
Залі́зо — хімічна речовина, яка складається з феруму — хімічного елемента з атомним номером 26, що позначається в хімічних формулах символом Fe (від латинського ferrum, що в перекладі означає «залізо»).
Атомна маса заліза 55,847. Це сріблясто-сірий, пластичний і ковкий метал, який легко окиснюється, утворюючи оксиди феруму у вигляді товстої плівки (іржі), що сповільнюють подальше руйнування заліза. Залізо електропровідний метал. Його твердість за Брінеллем не перевищує 100 HB; модуль Юнга 190–210·103 МПа; модуль зсуву 8,4·103 МПа; границя міцності на розрив 170–210 МПа, границя текучості — 100 МПа; ударна в'язкість 300 МПа; середня питома теплоємність(273–1273 К) 640,57 Дж/кг·К; густина 7840 кг/м³. На повітрі окиснюється, вкриваючись іржею FeO·nH2O. Серед інших породоутворюючих елементів має максимальну атомну масу.
1. Розповсюдження в природі
За поширеністю у природі ферум посідає друге місце серед металів (після алюмінію). На нього припадає 5,10% масиземної кори. За вмістом у земній корі ферум посідає 4-е місце. Зустрічається він виключно у вигляді сполук. Вільне залізо знаходять лише в метеоритах.
Ферум — поширений елемент метеоритної речовини: в кам'яних метеоритах міститься до 25%, а в залізних 90,85 мас.% Fe. Космічна поширеність заліза близька до його вмісту в фотосфері Сонця — 627 г/т. Частка феруму в речовині Землі досить велика — 38,8%. Найбідніша на ферум поверхня Землі.
Найважливішими природними сполуками феруму, що мають промислове значення, є магнітний залізняк Fe3O4,червоний залізняк Fe2O3, бурий залізняк Fe2O3 · nH2O та пірит FeS2. Оксиди феруму служать рудами, з яких добувають залізо, а пірит — сировиною для сульфатно-кислотного виробництва.
Поширеність феруму в гірських породах (% за масою): ультраосновні — 9,85; основні — 8,56; середні — 5,85; кислі — 2,70; лужні — 3,60; осадові — 3,33. Відомо понад 300 мінералів, що містять ферум: оксиди, сульфіди, силікати,фосфати, карбонати та ін.
Найважливіші мінерали феруму: гематит Fe2O3 (70% Fe), магнетит Fe3O4 , ґетит FeOOH (62,9% Fe),лепідокрокіт FeO(OH) (62,9% Fe), лімоніт — суміш гідрооксидів Fe з SiO2 та інші. Багаті родовища магнітного залізняка зосереджені на Уралі поблизу м. Магнітогорська та в Курській області (так званаКурська магнітна аномалія). Родовища червоного залізняка є в Україні поблизу м. Кривий Ріг. Родовища бурого залізняка зосереджені на Керченському півострові. Крім того, потужні родовища залізних руд виявлено і в інших місцях — на Кольському півострові, в Сибіру і на Далекому Сході.
2. Фізичні властивості
Залізо — блискучий сріблясто-білий важкий метал. Густина його 7,86 т/м³; температура плавлення 1538 °C, температура кипіння 2862 °C. Залізо досить пластичне.
Воно легко кується,штампується, витягується в дріт і вальцюється в тонкі листи, легко намагнічується і розмагнічується. Вище температури Кюрі (770 °C) втрачає феромагнітні властивості.
3. Хімічні властивості
Ферум належить до восьмої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Його атоми на зовнішній електронній оболонці мають по два електрони, а на передостанній — 14 електронів. Атоми феруму можуть легко втрачати два електрони і перетворюватись у двовалентні катіони Fe2+. Вони можуть втрачати і три електрони (один з передостанньої оболонки) і перетворюватись у тривалентні катіони Fe3+. Таким чином, залізо утворює два ряди сполук. Сполуки тривалентного феруму стійкіші.
У сухому повітрі за звичайної температури залізо досить стійке, але у вологому швидко іржавіє, вкриваючись товстим шаром іржі. Іржа є сумішшю оксидів і гідроксидів феруму. Основну частину іржі складає сесквіоксид заліза Fe2O3 і тригідроксид заліза Fe(OH)3. Крім того, до її складу входить монооксид заліза FeO, дигідроксид заліза Fe(OH)2 та інші сполуки. Процес ржавіння заліза можна зобразити такими приблизними рівняннями:
· 2Fe + O2 + 2Н2О = 2Fe(OH)2
· 4Fe(OH)2 + O2 + 2Н2О = 4Fe(OH)3
· Fe(OH)2 = FeO + H2O
· 2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
Іржа досить крихка і пориста. Тому вона не може ізолювати метал від атмосфери, через що процес ржавіння відбувається безперервно. При високій температурі залізо легко сполучається з киснем, утворюючи окалину Fe3O4 (FeO · Fe2O3). В атмосфері кисню розжарена залізна дротина горить яскравим полум'ям, утворюючи теж окалину Fe3O4. При нагріванні залізо може легко реагувати з хлором, сіркою та іншими неметалами:
· 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl 3
· Fe + S = FeS
В електрохімічному ряді напруг залізо стоїть лівіше від водню, тому воно легко реагує з розведеними хлоридною і сульфатною кислотами:
· Fe + 2HCl = FeCl2 + Н2 ↑
· Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 ↑
З розведеною нітратною кислотою залізо теж легко реагує:
· Fe + HNO3 + 3HNO3 = Fe (NO3)3 + 2H2O + NO ↑
Але з концентрованою нітратною і концентрованою сульфатною кислотами без нагрівання залізо не реагує. Воно стає «пасивним», вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка не розчиняється в кислотах і ізолює метал від дії кислоти. Завдяки цьому концентровану нітратну і концентровану сульфатну кислоту можна зберігати і транспортувати в залізній тарі.
Залізо може відновлювати менш активні метали з розчинів їхніх солей.
Шляхи отримання
У промисловості залізо отримують із залізної руди, в основному з гематиту, також з піриту та магнетиту (Fe2O3) і магнетиту (FeO · Fe2O3).
Існують різні способи отримання заліза з руд. Найпоширенішим є доменний процес.
Перший етап виробництва — відновлення заліза вуглецем у доменній печі за температури 2000 °C. У доменну піч вуглець (у вигляді коксу), залізна руда (у вигляді агломерату або окатишів) і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу нагнітається гаряче повітря.
У печі вуглець у вигляді коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Цей оксид утворюється під час горіння в умовах нестачі кисню:
У свою чергу, монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза(III):
Флюс додається для позбавлення від небажаних домішок (в першу чергу від силікатів, наприклад, кварцу) у видобутій руді. Типовий флюс містить вапняк (карбонат кальцію) і доломіт (карбонат магнію). Для усунення інших домішок використовують інші флюси.
Дія флюсу (у наведеному випадку — карбонат кальцію) полягає в тому, що під час нагрівання він розкладається до його оксиду:
Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак — метасилікат кальцію:
Шлак, на відміну від діоксиду кремнію, плавиться в печі. Легший, ніж залізо, шлак плаває на поверхні — ця властивість дозволяє відділяти шлак від металу. Шлаки потім можуть застосовуватися у будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий у доменній печі (чавун), містить досить багато вуглецю . Крім тих випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він вимагає подальшої переробки.
Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням у мартенівських печах або в конвертерах. Електричні печі застосовуються для виплавки легованих сталей.
Крім доменного процесу, поширений процес прямого отримання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи окатиші. Окатиші обпалюють і обробляють в шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:
при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками, як сірка і фосфор, які є звичайними для кам'яного вугілля. Залізо утворюється в твердому вигляді і надалі переплавляється в електричних печах.
Хімічно чисте залізо добувають електролізом розчинів його солей.
Застосування
Чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів та якорів електромашин, як каталізатор хімічних процесів, для виготовлення анодних пластин залізо-нікелевих акумуляторів. Карбонільне залізо використовують для нанесення найтонших плівок і шарів на магнітофонні стрічки і диски носіїв постійної пам'яті, як антианемічний засіб та ін. Залізний порошок використовують при зварюванні, а також для цементації міді. Залізо може входити до складу сплавів на основі інших металів - наприклад, нікелевих. Водні розчини хлоридів двовалентного і тривалентного заліза, а також його сульфатів використовуються як коагулянт у процесах очищення природних і стічних вод на водопідготовці промислових підприємств.
Залізовуглецеві сплави чавун і сталь — основний конструкційний матеріал, що застосовується у всіх галузях промисловості. Виробництво заліза та його сплавів становить більше 90% виробництва всіх металів і утворює окрему галузь промисловості — чорну металургію.
Чавуни
Розрізняють сірий чавун — він не дуже твердий, добре відливається у форми, крихкий і при ударі легко розколюється. Графіт у ньому має пластинчасту форму. Сірий чавун йде на виливок машинних станин, махових коліс, каналізаційних труб, плит тощо Чавуни з кулястим графітом порівняно з іншими чавунами мають вищу пластичність, ударну в'язкість й одночасно міцність (за що їх називають високоміцними), що насамперед зумовлено кулястою формою графіту.
Білий чавун — в якому майже весь вуглець міститься у вигляді цементиту (Fe3C). Білий чавун використовується для подальшої переробки: при виплавці сталі та отримання шляхом графітизувального відпалу ковкого чавуну.
5.2. Сталі
Сталь, на відміну від чавуну, легко піддається куванню. При швидкому охолодженні (гартуванні) вона виходить дуже твердою, при повільному охолодженні м'якою. М'яку сталь легко обробляти. З неї роблять гайки, болти, дріт, покрівельні матеріали, деталі машин. З твердої і теплостійкої сталі інструментальної сталі виготовляють інструменти для оброблювання матеріалів. Велике значення мають у сучасній техніці леговані сталі. Вони містять так звані легуючі елементи, до яких належать хром, нікель, молібден, ванадій,вольфрам, марганець, мідь, кремній та ін. Легуючі елементи додаються для надання сталям певних властивостей.
Елемент як забрудник навколишнього середовища
Забруднення навколишнього середовища - небажана зміна її властивостей в результаті антропогенного надходження різних речовин і з'єднань. Воно призводить або може призвести в майбутньому до шкідливого впливу на літосферу, гідросферу, атмосферу, на рослинний і тваринний світ, на будівлі, конструкції, матеріали, на саму людину. Воно пригнічує здатність природи до самовідновлення своїх властивостей.
Головними джерелами сполук заліза в поверхневих водах є процеси хімічного вивітрювання гірських порід, що супроводжуються їх механічним руйнуванням і розчиненням. У процесі взаємодії з мінеральними й органічними речовинами, які містяться в природних водах, утворюється складний комплекс сполук заліза, що знаходяться у воді в розчиненому, колоїдному і зваженому стані.
У водопідготовці залізо є одним з головних елементів забруднення води. Для очищення води від заліза використовують фільтри з різними фільтруючими завантаженнями. Значні кількості заліза надходять з підземним стоком і зі стічними водами підприємств металургійної, металообробної, текстильної, лакофарбової промисловості та з сільськогосподарськими стоками. Вміст заліза у воді вище 1-2 мг/л значно погіршує органолептичні властивості, надаючи їй неприємний в'язкий смак, і робить воду малопридатною для використання в технічних цілях.
Залізо, як важкий метал бере участь у біологічних процесах і в певних кількостях є необхідними для функціонування рослин, тварин і людини мікроелементами. З іншого боку, важкі метали та їх сполуки можуть мати шкідливий вплив на організм людини, здатні накопичуватися в тканинах, викликаючи ряд захворювань.
7. Біологічна роль
Ферум життєво важливий хімічний елемент для всіх організмів. В клітинах ферум зазвичай зберігається в центрі метал-протеїнів, оскільки вільний ферум неспецифічно зв'язується із численними хімічними речовинами клітини і може каталізувати утворення токсичних вільних радикалів. Нестача феруму в організмі може призводити до анемії.
У тваринах, рослинах та грибах ферум часто входить до складу гемного комплексу. Гем — важлива складова частина цитохромних білків, які відіграють роль посередиників у окисно-відновлювальних реакціях, та білків, які переносять оксиген — гемоглобіну, міоглобіну й леггемоглобіну.
У ссавців розподіл феруму в організмі жорстко регулюється, оскільки ферум потенційно токсичний. Розподіл феруму регулюється ще й тому, що його потребують чимало бактерій, тож обмеження доступу бактерій до цього елемента допомагає запобігти інфекції або обмежити її. Вочевидь, це причина відносно малої кількості феруму в молоці ссавців. Основу системи регулювання вмісту феруму складає білок трансферин, який зв'язує залізо й транспортує його до кров'яних клітин.
8. Біогеохімічний цикл
Біогеохімічний цикл сполуки заліза у вирішальній мірі залежить від умов зволоження, реакції середовища, аерування грунту, умов розкладання органічної речовини.
Відомо що сполуки заліза в грунтах з промивним типом водного режиму мігрують у вертикальному напрямку і утворюють іллювіальні горизонти. Важливу роль відіграє створення анаеробних умови, обумовлюючи утворення сполук двовалентного заліза. Вирішальне значення мають агресивні фульвокислоти, що руйнують грунтові мінерали і утворюють із залізом легкорухливі комплексні сполуки. У результаті, наприклад, в гллево-підзолистих грунтах за рік на площі 1 м2 може бути мобілізовано, переміщено і затримано від 150 до 2500 мг заліза. У перерахунку на 1 га це становить від 1,5 до 25 тонн.
З'єднання заліза активно мігрують з боковим внутрішньогрунтовим стоком, утворюючи скупчення конкрецій, пластів полуторних окислів у болотах, лугових і глейових грунтах, в мілководних озерах і лагунах. На схилах по ходу руху темно-забарвлених залізисто-гумусових вод не рідко спостерігається утворення грунтоводних латерирів. Все це свідчить про здатність цих сполук мігрувати на дуже великі відстані. Осадження заліза в акумулятивних ландшафтах відбувається у вигляді бурого осаду карбонату заліза, оксидів різного ступеня гідратованості, у вигляді фосфатів і гуматів. У степах і пустелях в умовах лужного середовища ці елементи мігрують слабо.
Залізо по кларку займає друге місце після алюмінію серед металів і четверте серед всіх елементів земної кори. Його кларк складає 4,65.
Залізо активно залучаеться до біологічного круговороту, оскільки входить до складу багатьох ферментів. Залізо бере участь в утворенні хлорофілу, його нестача позначається на інтенсивності процесів фотосинтезу і проявляється захворюванням, яке називається хлороз. В живих організмах залізо входить до складу гемоглобіну в крові. У тваринних організмах кларк заліза в живій речовині – 1х10-1. Після відмирання організмів і їх мінералізації в грунті частина цих елементів закріплюється в грунті, інша ж частина виноситься в природні води. Повертаючись в грунт вони починають новий біогеохімічний цикл, але він в значній мірі ускладнюється техногенними процесами.
Схема кругообігу заліза наведена на рисунку 1.
| Жива речовина (гемоглобін крові, ферменти) |
| Природні води (ріки, озера, моря, океани) |
| Грунти (оксиди, гідрооксиди, глинисті мінерали, органо-мінеральні комплекси) |
| Акумуляція металів |
| Кора вивітрювання |
| Відходи виробництва |
| Рис. 1. Схема кругообігу заліза |
| Видобуток корисних копалин |
Висновок
Назва “Ферум” походить від лат. “firmus” – міцний. Залізо – один з металів, відомий людству ще з ІХ – VII ст. Першим джерелом заліза були метеорити, згодом люди навчились виплавляти його з руд.
Ферум – другий (після Алюмінію) за поширенням метал та четвертий (після Оксигену, Силіцію та Алюмінію) у земній корі (5,2%) елемент. Зустрічається у вільному стані (метеоритне залізо) та у вигляді сполук. Найважливішими з них є: магнітний залізняк (магнетит) Fe3O4, червоний залізняк (гематит)Fe2O3, бурий залізняк (лимоніт) Fe2O3·nH2O, залізний колчедан (пірит) FeS2, шпатовий залізняк (сидерит) FeСO3, гетит FeO(OH). У водах багатьох мінеральних джерел міститься Fe(НСO3)2 і деякі інші солі.
Чисте залізо – сріблясто-білий метал, з хорошою тепло- та електропровідністю, пластичний, ковкий.
Деякі властивості Феруму і заліза
| Характеристика | Ферум і залізо |
| Порядковий номер | |
| Атомна маса | |
| Конфігурація зовнішнього електронного рівня | 3d64s2 |
| Густина, г/см3 | 7,87 |
| Температура плавлення, 0С | |
| Температура кипіння, 0С |
Залізо виявляє феромагнітні властивості (речовини, що притягуються магнітом). Механічні властивості заліза визначаються наявністю домішок, зі зростанням їх кількості якість металу погіршується.
Ферум є складовою багатьох ферментів, які забезпечують процеси тканинного дихання. Ферум — необхідний елемент для кровотворення. Але пр цьому у водопідготовці залізо є одним з головних елементів забруднення води, внаслідок хімічного вивітрювання гірських порід.
Використані джерела інформації
1. В. В. Хільчевський «Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів»: Навчальний посібник. К.: Либідь, 2002. — 328с.
2. Й. Опейда, О. Швайка. – «Глосарій термінів з хімії» // Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет — Донецьк: «Вебер», 2008. — 758 с.
3. Деркач, Ф. А. «Хiмiя»: посiб. для вступн. до вузiв / Ф. А. Деркач. – Львів : Вид-во Львiвського ун-ту, 1968. – 312 с.
4. http://n-t.ru/ri/ps/pb026.htm