Что из себя представляет

ЖЕЛЕЗО И ЕГО СОЗДАНИЕ

Железо (лат. Ferrum), химический элемент, атомный номер 26, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырехнуклидов с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s2p6d64s2. Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.

Железо - один из наиболее распространенных элементов: земная кора содержит около 5% железа. Однако лишь сороковая часть этих запасов сконцентрирована в виде месторождений, пригодных для разработки. Основные рудные минералы железа - магнетит, гематит, бурый железняк и сидерит. Само слово «железо» произошло, как полагают одни ученые, от санскритского «джальжа» - металл, руда. Другие считают, что в основе русского названия лежит другой санскритский корень - «жель», означающий «блестеть», «пылать».

Первое железо, попавшее в руки человека, было не земного, а космического происхождения: железо входило в состав метеоритов, падающих на Землю. Поэтому шумеры называли его «небесной медью», а древние копты - «небесным камнем». В эпоху первых династий Ур в Месопотамии железо именовали ан-бар (небесное железо). Египтяне всегда изображали железные предметы синими - цвета неба. В папирусе Эберса (ранее 1500г. до н.э.) о нем говорится как о металле небесного изготовления.

Самый крупный железный метеорит был найден в 1920 г. в юго-западной части Африки. Это метеорит «Гоба», весящий 60 т.

О том, что древние люди пользовались вначале именно железом метеоритного происхождения, свидетельствуют распространенные у некоторых народов мифы о богах, сбросивших с неба железные предметы и орудия, - плуги, топоры. Метеоритное железо подвергается ковке в холодном состоянии, поэтому люди начали изготавливать из него простейшие орудия. Метеоритное железо обрабатывали так же, как и медь. При холодной ковке оно приобретает нужную форму и одновременно становится прочнее и тверже, а отжиг в огне снова делает кованый металл мягким.

«Сыродутое» железо

Несмотря на повсеместное использование железа на земле после бронзового века, способ получения его непосредственно из руды не менялся на протяжении 3000 лет, до тех пор, пока в Европе в XIII в. не изобрели доменную печь. Способ этот назывался «сыродутным», так как «сырую» болотную или луговую руду закладывали в обмазанную глиной яму вместе с древесным углем, а затем через отверстие в нижней части ямы дули ручными, а позднее механическими мехами. В результате этого, окись железа превращалась в металл, а пустая порода стекала вниз, а на самом дне печи скапливались зерна железа, которые, слипаясь, образовывали «крицу», то есть рыхлую губчатую массу, пропитанную шлаками. Раскаленную добела крицу вынимали, быстро проковывали, отжимая из нее шлак, и сваривали в монолитный кусок железа лепешкообразной формы.

Само по себе кричное железо являлось сплавом с углеродом, процентное содержание которого не превышало сотых долей. В наше время название железоуглеродистого сплава зависит от пропорций углерода к металлу: если в железе до 2 % углерода, то оно называется сталью. Стоит отметить, что если углерода меньше 0,25 %, то сплав носит название мягкой стали (малоуглеродистой), а по старой терминологии именно она называлась железом. Когда углерода более 2 %, то железный сплав называют чугуном.

Загадка древней колонны

В Дели стоит знаменитая Кутубская колонна весом около 6,5 т, ее высота 7,5 м, диаметр 42 см у основания и до 30 см у верха. Изготовлена она почти из чистого железа (99,72%), чем и объясняется ее долголетие. До сих пор на ней не обнаружено ржавчины. Колонна была воздвигнута в 415 г. в честь царя Чандрагупты II. По народному поверью, у того, кто прислонится к колонне спиной и сведет за ней руки, исполнится заветное желание.

Как же смогли древние металлурги изготовить эту чудную колонну, перед которой бессильно время? Древняя Индия издавна славилась искусством своих металлургов. О выплавке железа в Индии говорится в Ригведах - священных книгах, относящихся примерно к XIII-XII вв. до н. э. Таким образом, ко времени создания колонны металлургия Индии имела, по крайней мере, полуторатысячелетнюю историю, и железо уже стало применяться для изготовления плугов. По вопросу о способе изготовления замечательной колонны до сих пор нет единого мнения. Некоторые авторы считают, что колонна изготовлена методом сварки отдельных криц массой по 36 кг и последующей их ковкой. По мнению других специалистов, древние металлурги для получения чистого железа растирали губку сварочного железа в порошок и просеивали его. А потом полученный чистый порошок железа нагревали до красного каления и под ударами молота его частицы слипались в одно целое - сейчас это называется методом порошковой металлургии.

Литье

При доменном процессе получаются три вида чугуна: литейный (серый), передельный (белый), специальный чугун (ферросплавы).

Литье из серого литейного чугуна хорошо работает на сжатие, в два раза слабее на изгиб и в три-четыре раза хуже на растяжение, - эти свойства необходимо учитывать при проектировании художественных изделий, предназначенных под отливку. Серый чугун, благодаря своей высокой коррозийной стойкости, чрезвычайно широко применяется в изготовлении изделий экстерьерного характера: парковых декоративных скульптур, ваз и фонтанов, садовых оград, ворот, надгробных плит и решеток. А долговечность и прочность на истирание делают его незаменимым материалом для ступеней и ограждений лестниц. Наконец, исключительно высокие литейные свойства позволяют отливать тончайшие ажурные предметы с красивым черно-коричневым цветом. Превосходно получаются из чугуна и мелкие бытовые предметы: пепельницы, дверные ручки, туалетные принадлежности и даже цепочки для часов.

Кузница

Сталь - самый распространенный сплав из «семейства» железоуглеродистых. С глубокой древности кузнецы научились получать из железной руды не только мягкое железо, но и высокоуглеродистую сталь. В Древней Руси, например, она вместе с железом шла на изготовление сложноузорчатых сварных клинков мечей, кинжалов и ножей. Технология производства данных видов изделий была невероятно сложной и трудоемкой. Не случайно древнерусские кузнецы почитались как особое привилегированное сословие. А в раннюю языческую эпоху их считали самыми могучими, мудрыми и незаменимыми людьми, ибо сам бог грома и молнии Перун был их покровителем и советчиком. В древнерусских письменных источниках сталь именуют специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад». Говоря о железе и стали, невозможно не упомянуть об еще раз об Индии. Из записей одного арабского географа XII в. можно узнать, что в то время Индия славилась производством железа и стали. Оказывается, сталь эта служила непосредственным сырьем для получения из нее тех сортов булата, которые впоследствии использовали кузнецы Персии, Сирии, и Египта при изготовлении клинков мечей и сабель. И получается, что родиной дамасской стали являлся отнюдь не Дамаск, а Индия.

Драгоценнее золота

На Ближнем Востоке и в Китае железо было известно уже за 2400 лет до н.э., а в Египте еще раньше. В Центральной Европе ранний железный век приходится примерно на 1000-450 гг до н.э. Эту эпоху называют гольштаттской по названию города в Австрии, в окрестностях которого археологи нашли много железных предметов.

Одними из первых железо из руды стали получать халибры - легендарный народ, живший в Закавказье около 1500 г. до н. э. В сыродутных горнах железную руду восстанавливали древесным углем и получали ковкое, так называемое кричное железо. В древности у некоторых народов железо ценилось дороже золота. Лишь представители знати могли украшать себя изделиями из железа, причем нередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготавливали даже обручальные кольца. Дошедшие до нас документы рассказывают, что один из египетских фараонов обратился к царю хеттов с просьбой прислать ему железо в обмен на любое количество золота. В египетских гробницах, наряду с другими ценностями, было найдено ожерелье, в котором железные бусы чередовались с золотыми.

Разноцветный металл с узором

Нет ничего необычного в том, что любой из известных нам металлов, подвергаясь какой-либо обработке, может менять цвет. «Палитра» того или иного металла зависит и от степени нагрева, и от самой обработки, и от химических свойств. Но невозможно представить голубое золото или красное серебро. Напротив, железо, а соответственно сталь и чугун во всех своих «ипостасях», имеет несравнимую ни с каким другим металлом цветовую растяжку. В холодном состоянии оно может быть серым, черным, почти белым, голубым, и синим, золотистым и красноватым. Более того, железо является единственным металлом, который может сам себя украшать декоративным орнаментом, проступающим как бы изнутри. Варианты этого фактурного орнамента бесконечны, и их нельзя причислить ни к одному из общеизвестных, так как этот рисунок рождается самим металлом.

ЧТО ИЗ СЕБЯ ПРЕДСТАВЛЯЕТ

Нахождение в природе

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). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe₃О₄; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (рудасидерит, карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS₂ (другие названия - серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10^-5 - 1·10^-8% железа.

Физические и Химические свойства

При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво β-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как γ-модификацию железа, а β-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции δ-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа - α, β, γ и δ - возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7,87 г/см³. Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ -0,447В, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +0,771В.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe₂О₃·хН₂О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂О₃, при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe₃О₄. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeСl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C₅H₅)₂].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)₂. Оксид железа (III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)₂, основание Fe(ОН)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)₃ проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)₃ + КОН = К[Fe(ОН)₄]

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)_3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)Cl₂ Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ - железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ - железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) - ферраты, например, феррат (VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами CNS^-. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами CNS^- образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4- выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4-.

Сплавы железа с углеродом

Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом - различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно - на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию - нагреванию при температуре около 1000 °C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей - шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300 °C.

В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe₂O₃ + 3CО = 2Fe + 3CO₂

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие - летку - и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун - это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

Железо в организме

Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа - участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков - гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс - гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови - около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.