Желязо - свойствата на химични елементи
Желязо (лат Ferrum.), Fe, химичен елемент от VIII група на периодичната таблица; атомен номер 26, атомно тегло 55,847; блестящ сребрист бял метал. Елемент в природата се състои от четири стабилни изотопи: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) и 58 Fe (0,31%).
Исторически информация. Желязо е позната още от праисторически времена, но широко разпространеното използване на намери много по-късно, тъй като в свободно състояние се среща в природата са изключително редки, и то все от руди стана възможно само при определено ниво на технологично развитие. Вероятно за първи път човек, запознат с мълниеносното желязо, както е видно от името му на езиците на древните народи: древноегипетското "Бени домашния любимец" означава "желязо на небето"; Древногръцки sideros, свързани с Латинска Сириус (родени смъртни случаи Сидерис.) - една звезда, небесно тяло. В хетски текстове от 14-ти век преди новата ера. д. Той спомена за желязото да е с метал, който падна от небето. В латинските запазени коренът на името, дадено от римляните (например Франция. Фер, итал.) Феро.
Метод за получаване на желязо от руди е изобретен в Западна Азия през 2 хилядолетие преди Христа. д. последвано от използването на желязо разпространение във Вавилон, Египет, Гърция; заменен от бронзовата епоха дойде желязната епоха. Омир (в 23-та песен "Илиада") казва, че Ахил награден диск на желязо победител Kritsa в състезанието по хвърляне на диск. В Европа и Древна Русия в продължение на много векове желязо, се получава по syrodutnyh процес. Желязна руда е намалена с въглен в ковашки, подредени в ямата; в ковашки силфонни налягане с въздух, продуктът за намаляване - Krizia удари с чук, разделени от шлаката и от различни фалшифицирани продукти. Като методи за подобряване на взрив и увеличаване на височината на температурата на процеса огнище увеличава и част от желязото е газо- навъглеродените, се получава желязо; Тази сравнително чуплив продукт се счита за отпадъчен продукт. Оттук и името на желязо "прасето", "просташки желязото" - инж. чугун. По-късно, се наблюдава, че при натоварване в рог не е желязна руда и желязо и стомана цъфтеж нисковъглеродна се получава, и процес на два етапа се оказа по-изгодно, отколкото syrodutnyh. При метода на 12-13 века bloomery е вече широко разпространена.
Разпределение на Iron в природата. Според съдържанието на земната кора (4.65 тегловни%) желязо нарежда на второ място сред метали (първата алуминий). Това мигрира енергично в кората, образувайки около 300 минерали (оксиди, сулфиди, силикати, карбонати, титанати, фосфати и други подобни. Г.). Желязо участва активно в магмени, хидротермични и суперген процеси, които са свързани с образуването на различни видове полетата. Желязо - алкалоземни метали дълбочина, се натрупва ранните етапи на кристализация, в ултрабазични (9.85%) и основна (8.56%) скали (в гранити това само 2.7%). В биосферата, желязо се натрупва в много морски и континентални седименти, образувайки седиментни руда.
Важна роля се играе в геохимия реакции Iron редокс - преход 2-валентна желязо в 3-валентна и обратно. В биосферата, в присъствието на органични вещества, Fe3 + се редуцира до Fe2 + и лесно мигрира, докато се окислява среща с кислород Fe2 +, образувайки акумулации хидроксиди 3-валентна желязо. Широкото съединение 3-валентна желязо са червено, жълто, кафяв цвят. Това определя цвета на много седиментни скали и тяхното име - "образуване оцветена в червено" (червено и кафяво глинеста почва и глина, жълт пясък, и т.н. ...).
Физичните свойства на желязо. Iron стойност в текущата изкуството се определя не само от неговия широко разпространена в природата, а по-скоро комбинация от ценни свойства. Това е пластмаса, лесно изкована в студена и топла държавата, се поддава на подвижния, щамповане и изготвен. Възможност за разтваряне на въглерод и други елементи е основа за производство на различни железни сплави.
Желязо може да съществува в две кристални решетки: α- и γ-центрирана кубична (Ск) и лицето центрирана кубична (FCC). Под 910 ° С е стабилен α-Fe Ск (с = 2,86645Å при 20 ° С). Между 910 ° С и 1400 ° С γ-модификация стабилен FCC (а = 3.64Å). Над 1400 ° С отново се образува Ск решетка δ-Fe (а = 2,94Å), Устойчив на точката на топене (1539 ° С). а-Fe феромагнитен до 769 ° С (точка на Кюри). Модификации у-Fe и δ-Fe парамагнитен.
Физичните свойства на желязо зависят от неговата чистота. В промишлени железни материали жлеза обикновено се придружава примес въглерод, азот, кислород, водород, сяра, фосфор. Дори и при много ниски концентрации на тези примеси значително променя свойствата на метала. Така, сяра е така наречената крехкост, фосфор (дори 10 2% Р) - крехкост при ниски температури; въглерод и азот намаляване на еластичността и крехкост на водород увеличава Желязо (т. н. Водородът крехкост). Намаляването на съдържанието на онечистване до 10 -7 - 10 -9% води до значителни промени в свойствата на метал, по-специално за подобряване на еластичността.
Атомното радиуса на 1.26Å
Йонната радиусите на Fe2 + 0,80Å, Fe 3+ 0.67Å
Плътност (20 ° С) 7 874 гр / см 3
точка на кипене от около 3200 ° С
Температурен коефициент на линейно разширение (20 ° С) 11,7 х 10 -6
Топлопроводимостта (25 ° С) 74.04 W / (m · K) [0177 кал / (см · сек · ° С)]
Желязо топлина мощност зависи от неговата структура и сложен начин варира с температурата; средната специфична топлина (0-1000 ° C) 640.57 J / (кг · К) [0,153 кал / (г · ° С)].
Електрическото съпротивление (20 ° С) 9.7 х 10 ома -8-т
Температурен коефициент (0-100 ° С) 6.51 х 10 -3
модул на 190-210 х 10 3 MN / т2 на Юнг (19-21 х 10 3 кгс / mm 2)
Коефициентът на температура на модул на 4 х 10 -6 Янг
Модулът на срязване 84,0 х 10 3 MN / т2
Кратко якост на опън 170-210 MN / т2
Удължение 45-55%
Твърдост по Бринел от 350-450 MN / т2
Добив сила 100 MN / т2
ударна якост 300 MN / т2
Химичните свойства на желязо. Конфигурацията на външната обвивка електрон на атом 3d 6 4s 2. желязо показва променлива валентност (най-стабилно съединение, 2- и 3-валентна желязо). С формите кислородни оксид желязо (II) FeO, оксид (III) Fe2 О3 и оксид (II, III) Fe3 O4 (съединение FeO в Fe2 О3. Като структура шпинел). В влажен въздух при обикновена температура е покрита желязо ръжда насипно (Fe2 О3 · пН2 О). Поради тяхната порьозност ръжда не пречи на достъпа на кислород и влага към метала и поради това не се предотврати по-нататъшно окисление. В резултат на това различни видове корозия, милиони тонове желязо се губят годишно. При нагряване на желязо в сух въздух над 200 ° С е покрит с най-тънкия оксид филм, който защитава метала от корозия при обикновени температури; Това е основата на метод техническа защита на Iron - пилеене на пари. При нагряване в желязо пара се окислява до получаване Fe3 O4 (под 570 ° С) или FeO (над 570 ° С) и водород еволюция.
Хидроксид Fe (ОН) 2 се формира като бяла утайка чрез действието на натриева основа или амоняк във воден разтвор на Fe 2+ соли в атмосфера на водород или азот. В контакт с въздуха Fe (ОН) 2 първия зелено, накрая бързо потъмнява и става Fe (ОН) 3 червено-кафяво хидроксид. Оксид FeO показва основните свойства. Оксид Fe2 О3 amfoteren и има функция слаба киселина; взаимодействие с повече основни оксиди (например, MgO, образува ферит -. Съединения от типа Fe2 О3 · nMeO, като феромагнитни свойства и се използва широко в областта на електрониката киселинни свойства са изразени и 6-валентна желязо съществуваща под формата на ферат, например К2 FeO4. соли не са изолирани в свободна киселина състояние желязо.
Желязо реагира лесно с халогени и водородни халиди, даващи соли, като например хлориди, FeCl2 и FeCl3. При нагряване с образуваната сяра желязо сулфиди FeS и FeS2. Желязо карбиди - Fe3 C (цементит) и Fe2 C (д-карбид) - падат на твърд разтвор на въглерод на желязо по време на охлаждането. Fe3 С се разпределя като разтвори на въглерод в течното желязо при високи концентрации S. азот, въглерод, той дава с желязо твърди разтвори; нитриди от тях са Fe4 N и Fe2 N. с желязо водородни хидриди дава само ниска стабилност, съставът на която не е точно установена. При загряване на желязо енергично реагира с силиций и фосфор, образувайки силицид (например, Fe3 Si и фосфиди (например, Fe3 P).
Желязо Нормално потенциал електрод във водни разтвори на негови соли за реакцията Fe = Fe2 + + 2е е -0.44 V, и за реакцията Fe = Fe 3+ + 3д е равна -0.036. По този начин, в серия от активен желязо означава ляво на водород. Това е лесно разтворим в разредени киселини с отделяне на Н2 и образуват Fe2 + йони. Желязо особено взаимодействие с азотна киселина. Концентрирана HNO3 (плътност 1,45 гр / см 3), поради появата passivates желязото на повърхността си защитен филм оксид; повече разредена HNO3 да образуват разтваря железни йони Fe 2+ или Fe 3+. възстановяване или NH3 до N2 и N2 О. Разтворите на солите на 2-валентна желязо нестабилен във въздуха - Fe2 + постепенно окислени до Fe 3+. Водни разтвори на соли на желязо чрез хидролиза са киселинни. Добавянето на соли на разтвори Fe 3+ SCN- тиоцианатни йони дава светло кръвно-червен цвят поради възникване на Fe (SCN) 3, която позволява да се открие присъствието на 1 част от Fe 3+ около 10 6 части вода. Желязо характеризира с образуването на комплексни съединения.
Производството на желязо. Чисто желязо, получен в относително малки количества чрез електролиза на водни разтвори на техните соли или техни оксиди чрез редукция с водород. Постепенно увеличаване на производството на достатъчно чисто желязо чрез директно намаляване на неговите рудни концентрати, водород, природен газ или въглища при относително ниски температури.
материали, базирани на желязо са в състояние да издържат на високи и ниски температури и високо налягане, вакуум корозивна среда, голям променливото напрежение, ядрена радиация, и т. П. производството на желязо и неговите сплави се увеличава.
Iron като художествен материал, използван още от древността в Египет, Месопотамия, Индия. От Средновековието са оцелели множество високо художествено желязо в Европа (Англия, Франция, Италия, България и други) - ковано желязо, панти, скоби за стена, weathervanes, ковано желязо сандъци, svettsy. Ковани чрез изделия от пръчки и изделия оребрена ламарина (често с слюдести облицовки) различни плоски форми, ясно линеен графичен силует и ефективно скринирани за светлина и фон. В желязо на 20-ти век, използван за производството на решетки, огради, ажурна вътрешни прегради, свещници, паметници.
Желязо в организма. Желязото е налице във всички организми в растения и животни (средно от около 0.02%); е необходимо главно за обмен на кислород и окислителни процеси. Има организми (така наречените центрове), които могат да се натрупват в големи количества (например железни бактерии - до 17-20% желязо). Почти всички от желязо в тялото на животни и растения, свързани с протеини. Недостигът на желязо води до спиране на растежа и хлороза на растенията явления, свързани с намалена образуването на хлорофил. Вредното влияние върху развитието на растенията и има натрупване на желязо, което води до, например, стерилни цветя ориз и хлороза. В алкални почви образува недостъпна за корените на растенията асимилация на железни съединения, и растенията не го получават в достатъчни количества; в кисели почви желязо съединение става разтворим в излишък. С недостиг или излишък в почвата усвоим желязо съединение растителни заболявания могат да се появят върху големи площи.
В животни и хора Iron идва от храна (най-богатите в техните черния дроб, месо, яйца, боб, хляб, зърнени храни, спанак, цвекло). Обикновено дадено лице получава дажба на 60-110 мг желязо, което значително надвишава дневната норма. Абсорбция на входящо храна желязо се появява в горната част на тънките черва, където се в съответните форми на протеина навлиза в кръвния поток и се носи от кръвта на различните органи и тъкани, където депозирани под формата на желязо-протеинов комплекс - феритин. Основни запасите от желязо в организма - черния дроб и далака. Поради синтеза на феритин железни съединения тяло: се синтезира в костния мозък дихателната пигмент хемоглобин, мускул - миоглобин, цитохроми в различни тъкани и други желязо-съдържащи ензими. Желязото се освобождава от тялото главно през стената на дебелото черво (при хора от около 6-10 мг на ден) и в по-малка степен от бъбреците. Нуждата от желязо варира в зависимост от възрастта и физическото състояние. 1 кг тегло необходимо за деца - 0,6, 0,1-възрастни и бременни - 0.3 мг желязо на ден. Животните се нуждаят за желязо е около (1 kg диета сухо вещество): за млечни крави - най-малко 50 мг, за отглеждане - 30-50 мг; за прасета - до 200 мг, за бременни свине - 60 мг.