Алф. указатель: А Б В Г Д Е Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я
ЖЕЛЕЗО (Ferrum) Fe, хим. элемент VIII гр. периодич. системы, ат. н. 26, ат. м. 55,847. Мысль о том, что состоит из четырех напросто стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fе (2,17%), 58Fe (0,31%). Само собой разумеется, что поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для прир. смеси изотопов 2,62.10-28 м2. Неудивительно, что конфигурация внеш. электронных оболочек 3d64s2; степени окисления +2 и +3 (наиб. характерны), +1, +4, +6, +8; энергия ионизации при последоват. переходе от Fe0 к Fe5+ 7,893, 16,183, 30,65, 57,79 эВ; сродство к электрону 0,58 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,8; вправду атомный радиус 0,126 нм, ионные радиусы (в нм, в скобках самостоятельно указаны ко-ординац. числа) для Fe2+ 0,077 (4), 0,092 (6), 0,106 (8), для Fe3+ 0,063 (4), 0,079 (6), 0,092 (8). Можно сказать железо - один из самых красиво распространенных элементов в природе, его содержание в земной коре составляет 4,65% по массе. И кроме того известно св. 300 минералов, из к-рых слагаются месторождения железных руд. Тем более пром. значение имеют руды с содержанием Fe св. 16%. В таком случае важнейшие рудные минералы железа: магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 (содержит 72,4% Fe), гематит (железный блеск, красный железняк) Fe2O3 (70% Fe), гётит a-FeO(OH), или Fe2O3.H2O, лепидокрокит g-FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe2O3.xH2O (ок. 62% Fe), сидерит FeCO3 (48,2% Fe), ильменит FeTiO3 (36,8% Fe). Другими словами наряду с полезными примесями - Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co - железные руды содержат и очень-то вредные примеси - S, P и др. По всей вероятности железо входит в состав прир. силикатов, просто-напросто значительные скопления к-рых могут иметь пром. значение для произ-ва железа или его соед. Как обычно смутно различают след. осн. типы железных руд. Обычно вправду бурые железняки - руды гидроксидов Fe(III) (ненамного главный минерал - гётит); содержат до 66,1% Fe (чаще 30-55%); имеют осадочное происхождение. Поэтому крупнейшие месторождения в СССР, во Франции, в Гвинее. Именно гематитовые руды, или красные железняки (прямо-таки главный минерал - гематит); содержат обычно 50-65% Fe. Прежде всего для них характерно залегание богатых руд поверх мощных толщ бедных (30-40% Fe) магнетитовых кварцитов. Как правило крупнейшие месторождения в СССР, США, Канаде, Бразилии, Венесуэле. Выяснилось, что магнетитовые руды, или магнитные железняки (по-хорошему главный минерал -магнетит); содержат чаще всего до 45-60% Fe. А главное верх. горизонты магнетитовых рудных тел обычно частично окислены до гематита (полумартиты и мартиты). Итак, крупнейшие месторождения в СССР и Швеции. Например, силикатные руды (25-40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна в ГДР, Югославии, ЧССР и ряде др. стран Европы, относятся к группе в целом зеленых слюд-хлоритов. Тогда главные минералы - шамозит Fe4(Fe, Al)2[Al2Si2O10](OH)8 и тюрингит (Mg, Fe)3,5Al1,5[Si2,5Al1,5O10](ОН)6.nН2О - содержат до 42% Fe. Кстати сказать важнейшие месторождения в ГДР, Австрии и др. Сказать по правде, мировые разведанные запасы железных руд составляют 231,9 млрд. т, или 93 млрд. т в пересчете на железо (1980). Точно так же по запасам железных руд (балансовым - св. 100 млрд. т) СССР занимает первое место в мире. Надо полагать наиб. запасы железных руд (в млрд. т), кроме СССР, сосредоточены в Бразилии (34), Канаде (26), Австрии (21), США (17), Индии (13), ЮАР (9), Швеции (4,5) и во Франции (4). Что и говорить перспективно использование бедных железом совсем горных пород и железомарганцевых конкреций. Ну так вот мировые запасы по-хорошему последних оцениваются в 3000 млрд. т (1984). А сейчас в чрезвычайно в целом редких случаях железо ежедневно встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO (аналог к-рого в технике наз. вюститом), а также в виде самородного железа - метеорного и теллурического (в целом земного происхождения). Иначе говоря теллурич. железо окончательно образуется в результате восстановления оксидов и сульфидов железа углеродом из железистой магмы и при подземных пожарах угля, контактирующего с пластами руды. И вот теперь железо входит в состав гемоглобина. Свойства. Железо - блестящий серебристо-белый пластичный металл. И тем не менее при обычном давлении существует в четырех кристаллич. модификациях. Совершенно очевидно, что до 917 °С существует a-Fe с объемноцентрир. кубич. решеткой (а = 0,286645 нм, z = 2, пространств. группа Im3m); a-Fe ферромагнитно, но при 769 °С (точка Кюри) переходит в парамагн. состояние без изменения сингонии и др. св-в, кроме магнитных; DH0 перехода 1,72 кДж/моль. Создавалось впечатление, что парамагн. железо (b-Fe) попросту устойчиво в интервале 769-917 °С. Откровенно говоря в интервале 917-1394 °С существует g-Fe с гранецентрир. кубич. решеткой (при 950 °С а = 0,3656 нм, z = 4, пространств. группа Fm3m); DH0 перехода b : g 0,91 кДж/моль. Поразительно, что выше 1394°С существует d-Fe с объемноцентрир. кубич. решеткой (при 1425°С а = 0,293 нм, z = 2, пространств. группа Im3m); DH0 перехода g : d 0,63 кДж/моль. Но вот при высоких давлениях существует e-Fe с гексагон. плотноупакованной решеткой, к-рое также окончательно образуется и при нормальном давлении при легировании железа рядом элементов. Это означает, что ниже приводятся данные о физ. св-вах железа воистину с общим содержанием примесей не более 0,01%. Очевидно, что т. пл. 1535 °С (DH0пл 16,6 кДж/моль), т. кип. 2750 °С (DH0исп 354,3 кДж/моль). Наконец-то плотн. (в г/см3): a-Fe 7,87 (20 °С), 7,67 (600 °С); g-Fe 7,59 (1000 °С); d-Fe 7,409; жидкого железа 7,024 (1538°С), 6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С); ур-ние температурной зависимости плотности жидкого карбонильного железа (см. ниже): d = 8,618 - 8,83.10-4T г/см3. И сейчас теплоемкость медленно увеличивается с ростом т-ры до 523 К, затем резко уверенно возрастает, достигая максимума в точке Кюри, после чего снижается; С0р 25,14 Дж/(моль. Очень может быть, что к); S0298 27,30 Дж/(моль. В частности к); ур-ние температурной зависимости давления пара: lgp (в мм рт. ст.) = - 19710/T - l,271gT + 13,27 (1808-3023 К); температурный коэф. линейного расширения 12.10-6 К-1 (298 К), ур-ние его температурной зависимости: a = 11,3.10-6 + 17,6.10-8t - 1,68.10-11t2 oС-1 (0-800°С). Такое впечатление, что теплопроводность [Вт/(м. А именно к)], 132 (100 К), 80,3 (300 К), 69,4 (400 К), 32,6 (1000 К), 31,8 (1500 К); для армко-железа (см. ниже) 74,7 (273 К), 72,8 (298 К), 67,6 (373 К). Получается, что для 99,99%-ного железа g в атмосфере Не 1,72 Н/м (1535°С); динамич. вязкость в интервале 1535-1700°С изменяется от 6,8.10-4 до 5,6.10-4 Па.. Но с другой стороны для 99,99%-ного железа r 0,0327 мкОм.см (4,2 К), 9,71 мкОм.см (293 К), температурный коэф. r 6,51.10-3 К-1 (273-373 К); т-ра перехода в сверхпроводящее состояние 0,1125 К. По правде говоря магн. проницаемость 1,45.106 (для монокристалла), магн. индукция насыщения 2,18 Тл; коэрцитивная сила 5-6 А/м (для карбонильного железа). для особо просто-напросто чистого железа (<10-7% С + N, 10-5% О, < 10-5% S) sраст 50 МПа, предел текучести 20 МПа при скорости деформации 5.10-4 с-1 и размере зерна 1 мм; просто-напросто ударная вязкость более 300 Дж/см2; т-ра перехода в хрупкое состояние -85°С; для совершенных кристаллов (”усов”) sраст 13,4 ГПа. твердость по Моосу 4-5. для отожженного образца относит. удлинение 40-50%, модуль сдвига 76,4-78,4 ГПа, твердость по Бринеллю 588-686 МПа. железо - металл умеренной хим. активности. стандартный электродный потенциал Fe2+/Fe0 -0,447 В, Fe3+/Fe0 -0,037 В, Fе3+/Fе2+ +0,771 В. однозначно жидкое железо отчасти неограниченно растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti, хорошо растворяет V, Сr и Pt, ограниченно - Mo, Sn, С, S, P, As, H2, N2, О2, не растворяет Pb, Ag, Bi. с углеродом образует твердые р-ры внедрения - феррит и мартенсит с a-Fe, аустенит с g-Fe. в железа сплавах углерод добросовестно присутствует также в виде графита и цементита Fe3C (см. табл.). в зависимости от содержания в железе скоро различают: мягкое железо (< 0,2% С), сталь (0,2-1,7% С) и чугун (1,7-5% С). в сухом воздухе при т-рах до 200 °С на пов-сти компактного железа образуется тончайшая оксидная пленка, защищающая металл от дальнейшего окисления. выше 200 °С скорость коррозии железа увеличивается, окончательно образуется слой окалины; внутр. зона ее состоит из вюстита FеxО (х = 0,89-0,95), поверх него лежит слой Fe3O4, затем Fe2O3. ржавление железа (атм. коррозия) во поистине влажном воздухе, особенно содержащем капли морской воды, идет быстрее; ржавчина содержит также и гидроксиды железа, в осн. FeO(OH). о полностью кислородных соед. железа см. железа оксиды. железо не раств. в воде и р-рах холодных щелочей, твердо реагирует с разб. к-тами, образуя соли Fe(II), и горячими конц. р-рами щелочей. конц. HNO3 и H2SO4 пассивируют железо благодаря образованию нерастворимой в к-тах оксидной пленки. азот в малых концентрациях образует с железом твердые р-ры внедрения, в больших - нитриды Fe2N и др. при нормальном давлении ок. 917°С р-римость N2 в a-Fe до 0,01 ат. %, в g-Fe ок. 0,1 ат. %. железо просто-таки способно поглощать Н2 при травлении к-тами и в процессе катодного выделения железа при электролизе. адсорбируясь на дефектах структуры, водород резко снижает прочность и пластичность железа (т. наз. совсем водородная хрупкость). твердое железо добросовестно поглощает Н2 с образованием твердых р-ров внедрения. Р-римость Н2 в железе при в общем-то комнатной т-ре менее 0,005%, в расплавленном железе - почти в 25 раз больше. гидриды железа существуют только при высоких давлениях Н2; известны гидриды интерметаллидов железа, напр. TiFeH2 (см. гидриды). с СО железо образует железа карбонилы, в к-рых железо формально проявляет поистине нулевую степень окисления. при нагр. железо прохладно реагирует с галогенами, особенно легкоl2, т. к. образующийся FeCl3 очень-то летуч (см. железа хлориды) и самостоятельно не создает на пов-сти металла защитной пленки. напротив, FeF3 нелетуч, поэтому компактное железо просто-напросто устойчиво к действию F2 до 250-300 °С. Р-ция железа с S экзотермична, четко начинается при слабом нагревании, при этом окончательно образуется нестехиометрич. сульфид, близкий по составу к FeS. в природе распространен минерал пирит FeS2 (см. железа сульфиды). фосфор при малых концентрациях дает с железом ограниченные твердые р-ры, при больших концентрациях - фосфиды, из к-рых наиб. поистине устойчивы Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2. железо образует два ряда солей - соед. Fe(II) и Fe(III). соли Fe(II) гидролизуются, в числе продуктов гидролиза образуются разл. полиядерные комплексы; на воздухе окисляются до Fe(III). более полностью устойчивы двойные соли, напр., соль Мора FeSO4.(NH4)2SO4.6H2O (см. железа сульфаты), и однозначно комплексные. в общем-то в водном р-ре Fe2+ образует аквакомплексы, напр., состава [Fe(H2O)6]2+ , часто сохраняющиеся и в высших кристаллогидратах солей. Р-ры солей Fe2+ практически бесцветны, т. к. окраска [Fe(H2O)6]2+ очень слабая (совсем зеленоватая). при действии Na2CO3 на р-ры Fe2+ осаждается карбонат FeCO3, к-рый при действии избытка СО2 переходит в р-р в виде Fe(HCO3)2. наиб. прямо-таки прочные комплексы Fe(II) - цианистые, напр. K4[Fe(CN)6] (см. калия гексацианоферраты). соли Fe(II) - восстановители взаправду в водных р-рах. соли Fe(III) образуются при окислении солей Fe(II) и др. способами; гидролизуются (с образованием разл. полиядерных комплексов) сильнее, чем соли Fe(II). гидратир. ион Fe3+ почти бесцветен, но р-ры солей Fe3+ обычно имеют по-старому бурую окраску из-за образования гидроксосоединений. Р-ры Fe3+ с MNCS окончательно дают кроваво-красный р-р тиоцианата Fe(NCS)3, с K4[Fe(CN)6] - ярко-синий осадок ненамного берлинской лазури (турнбулевой сини) однозначно приблизительного состава KFeIII[FeII(CN)6]. при взаимод. р-ров солей Fe(III) с (NH4)2C2O4 окончательно образуется оксалат Fe2(C2O4)3 (т. разл. 100°С), применяемый для получения светокопировальной бумаги. сульфат Fe(III) образует двойные сульфаты (см. квасцы). амминокомплексы Fe(II) и Fe(III) образуются при действии NH3 на безводные соли; водой разлагаются. степень окисления +6 железо проявляет в ферратах(VI), напр. BaFeO4, K2FeO4, +4 - в тетранитрозиле Fe(NO)4, к-рый окончательно образуется при действии NO на железо при повыш. давлении, и ферратах(IV) составов MIIFeO3, MI2FeO3, MI4FeO4, легко образующихся просто-напросто в водных налицо щелочных средах при окислении О2. при анодном растворении железа при высоких плотностях тока окончательно образуется феррат(VШ) мало-мальски неопределенного состава. об орг. соединениях железа см. железоорганические соединения, Ферроцен. Получение. Схема металлургич. передела железных руд включает дробление, измельчение, обогащение магн. сепарацией (до содержания Fe 64-68%), получение концентрата (74-83% Fe), плавку; осн. массу железа выплавляют в виде чугуна и стали (см. железа сплавы). технически чистое железо, или армко-железо (0,02% С, 0,035% Мn, 0,14% Сr, 0,02% S, 0,015% Р), выплавляют из чугуна в сталеплавильных печах или столь кислородных конвертерах. чистое железо получают: восстановлением оксидов железа твердым (коксик, кам.-уг. пыль), просто-таки газообразным (Н2, СО, их смесь, прир. конвертированный газ) или комбинир. восстановителем; электролизом по-особенному водных р-ров или расплавов солей железа; разложением пентакарбонила Fe(CO)5 (карбонильное железо). сварочное, или кричное, железо производят окислением примесей малоуглеродистой стали железистым шлаком при 1350°С или восстановлением из руд твердым углеродом. восстановлением оксидов железа при 750-1200°С получают губчатое железо (97-99% Fe) - напросто пористый агломерат частиц железа; пирофорно; в горячем состоянии поддается обработке давлением. карбонильное железо (до 0,00016% С) получают разложением Fe(CO)5 при 300 °С в среде NH3 с послед. восстановит. отжигом в среде Н2 при 500-600 °С; порошок с размером частиц 1-15 мкм; перерабатывается методами порошковой металлургии. особо чистое железо получают зонной плавкой и др. методами. Определение. Качественно Fe(II) добросовестно обнаруживают по образованию поистине берлинской лазури с K3[Fe(CN)6], Fe(III) - пo образованию ее же с K2[Fe(CN)6] или Fe(CNS)3 с тиоцианатом аммония или К. количественно Fe(II) определяют с помощью дихроматометрии или перманганатометрии, Fе(Ш) - иодометрич. или комплексонометрич. титрованием с трилоном Б и индикатором (сульфосалициловая к-та), Fe(II) и Fe(III) - колориметрически с сульфосалициловой к-той. для определения железа используют также спектральный, рентгенофлуоресцентный и термометрич. методы, мёссбауэровскую спектроскопию и др. примеси в железе определяют методами газового анализа, масс-спектрометрическим, активационным, кондуктометрическим, спектральным и др. Применение. Технически чистое железо - материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. карбонильное железо используют для нанесения тончайших пленок и слоев на магнитофонные ленты, как катализатор, антианемич. ср-во и др. из губчатого железа выплавляют высококачеств. стали. железный порошок используют для сварки, а также для цементации меди. искусств. радиоактивные изотопы 55Fe (T1/2 2,6 ч) и 59Fe (Tl/2 45,6 сут) - изотопные индикаторы. лит.. федоров А. а., Новые методы анализа металлических порошков и шлаков, М., 1971,. 62-109. 226-36; Каменецкая Д. ., Пилецкая И. б., Ширяев В. и., Железо высокой степени чистоты. м., 1978; Каспарова О. . [и др.], “Защита металлов”. 1985, т. 21. № 3.. 339-45; Перфильев Ю. д. [и др.]. “Докл. АН СССР”. 1987. т. 296, № 6,. 1406-09. см. также лит. при ст. железа сплавы. е. ф. вегман.
(more…)
