Otrzymywanie chemicznie czystego żelaza. Właściwości chemiczne i fizyczne żelaza, zastosowanie

Znany ludziom od czasów starożytnych: naukowcy przypisują starożytne przedmioty gospodarstwa domowego wykonane z tego materiału IV tysiącleciu p.n.e.

Nie można sobie wyobrazić życia człowieka bez żelaza. Uważa się, że żelazo jest wykorzystywane do celów przemysłowych częściej niż inne metale. Z niego wykonane są najważniejsze konstrukcje. Żelazo występuje także w małych ilościach we krwi. To właśnie zawartość dwudziestego szóstego pierwiastka zabarwia krew na czerwono.

Właściwości fizyczne żelaza

Żelazo spala się w tlenie tworząc tlenek:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Po podgrzaniu żelazo może reagować z niemetalami:

Również w temperaturze 700-900°C reaguje z parą wodną:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.

Związki żelaza

Jak wiadomo, tlenki żelaza posiadają jony o dwóch stopniach utlenienia: +2 i +3. Świadomość tego jest niezwykle ważna, ponieważ dla różnych pierwiastków będą prowadzone zupełnie inne reakcje jakościowe.

Jakościowe reakcje na żelazo

Potrzebna jest reakcja jakościowa, aby można było łatwo określić obecność jonów jednej substancji w roztworach lub zanieczyszczeń innej. Rozważmy reakcje jakościowe żelaza dwuwartościowego i trójwartościowego.

Jakościowe reakcje na żelazo (III)

Zawartość jonów żelaza w roztworze można oznaczyć za pomocą zasady. Jeśli wynik jest dodatni, powstaje zasada - wodorotlenek żelaza (III) Fe(OH)₃.


Wodorotlenek żelaza (III) Fe(OH)₃

Powstała substancja jest nierozpuszczalna w wodzie i ma brązowy kolor. To brązowy osad może wskazywać na obecność jonów żelaza w roztworze:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Jony Fe(III) można również oznaczyć za pomocą K₃.

Roztwór chlorku żelaza miesza się z żółtawym roztworem soli krwi. W rezultacie widać piękny niebieskawy osad, który będzie wskazywał na obecność jonów żelaza w roztworze. Znajdziesz spektakularne eksperymenty badające właściwości żelaza.

Jakościowe reakcje na żelazo (II)

Jony Fe²⁺ reagują z czerwoną solą krwi K₄. Jeśli po dodaniu soli wytrąci się niebieskawy osad, oznacza to, że jony te są obecne w roztworze.


(tzw. żelazo meteorytowe, które zawiera ponad 90% Fe). W związkach z tlenem i innymi pierwiastkami jest szeroko rozpowszechniony w wielu minerałach i rudach. Jest trzecim pod względem liczebności pierwiastkiem w skorupie ziemskiej (5,00%) (po krzemie i aluminium); Uważa się, że jądro Ziemi składa się głównie z żelaza. Głównymi minerałami są hematyt (czerwona ruda żelaza) Fe 2 O 3; limonit Fe 2 O 3 ·nH 2 O (n = 1 - 4), zawarty np. w rudzie bagiennej; magnetyt (magnetyczna ruda żelaza) Fe 3 O 4 i syderyt FeCO 3 . Najpopularniejszym minerałem żelaza, chociaż nie jest źródłem jego produkcji, jest piryt (piryt siarki, piryt żelaza) FeS 2, który ze względu na swój żółty połysk nazywany jest czasami złotem głupców lub złotem kota, chociaż w rzeczywistości często zawiera drobne domieszki miedzi , złoto, kobalt i inne metale.

WŁAŚCIWOŚCI ŻELAZA
Liczba atomowa 26
Masa atomowa 55,847
Izotopy:
stabilny 54, 56, 57, 58
nietrwały 52, 53, 55, 59
Temperatura topnienia, °C 1535
Temperatura wrzenia, °C 3000
Gęstość, g/cm3 7,87
Twardość (Mohsa) 4,0-5,0
Zawartość w skorupie ziemskiej,% (mas.) 5,00
Stan utlenienia:
Charakterystyka +2, +3
inne znaczenia +1, +4, +6

Fabuła

Żelazo (pierwiastek) było znane i stosowane już w czasach prehistorycznych. Pierwsze żelazne przedmioty prawdopodobnie wytwarzano z żelaza meteorytowego w postaci amuletów, biżuterii i narzędzi pracy. Około 3500 lat temu człowiek odkrył sposób na redukcję czerwonej ziemi zawierającej tlenek żelaza do metalu. Od tego czasu z żelaza wykonano ogromną liczbę różnych produktów. Odegrał ważną rolę w rozwoju kultury materialnej ludzkości. Obecnie żelazo wytapia się głównie (95%) z rud w postaci żeliwa i stali i w stosunkowo małych ilościach otrzymuje się je poprzez redukcję metalizowanych granulek, natomiast czyste żelazo otrzymuje się poprzez termiczny rozkład jego związków lub elektrolizę soli .

Nieruchomości

Żelazo metaliczne jest szarobiałą, błyszczącą, twardą, plastyczną substancją. Żelazo krystalizuje w trzech modyfikacjach (α, γ, δ). α-Fe ma sześcienną sieć krystaliczną skupioną wokół ciała, chemicznie stabilną do 910°C. W temperaturze 910°C α-Fe przekształca się w γ-Fe, które jest stabilne w zakresie 910-1400°C; γ-Fe krystalizuje w sześciennej sieci krystalicznej skupionej na ścianie. W temperaturach powyżej 1400°C tworzy się δ-Fe z siecią zasadniczo podobną do siatki α-Fe. Żelazo jest ferromagnetykiem, łatwo ulega namagnesowaniu, ale traci swoje właściwości magnetyczne po usunięciu pola magnetycznego. Wraz ze wzrostem temperatury właściwości magnetyczne żelaza pogarszają się i powyżej 769°C magnesowanie jest praktycznie niemożliwe (czasami żelazo w zakresie 769-910°C nazywane jest -Fe); γ-Fe nie jest materiałem magnetycznym.

Stosowanie

Żelazo- jeden z najbardziej przydatnych metali w stopie z węglem (stal, żeliwo) - podstawa o wysokiej wytrzymałości dla materiałów konstrukcyjnych. Jako materiał o właściwościach magnetycznych żelazo wykorzystywane jest na rdzenie elektromagnesów i tworniki maszyn elektrycznych, a także na warstwy i błony na taśmach magnetycznych. Czyste żelazo jest katalizatorem procesów chemicznych i składnikiem leków stosowanych w medycynie.

Żelazo jako składnik chemiczny organizmu

Żelazo jest niezbędnym składnikiem chemicznym wielu kręgowców, bezkręgowców i niektórych roślin. Wchodzi w skład hemu (barwnika erytrocytów – czerwonych krwinek) hemoglobiny we krwi, tkance mięśniowej, szpiku kostnym, wątrobie i śledzionie. Każda cząsteczka hemoglobiny zawiera 4 atomy żelaza, które są zdolne do tworzenia odwracalnego i słabego wiązania z tlenem, tworząc oksyhemoglobinę. Krew zawierająca oksyhemoglobinę krąży po całym organizmie, dostarczając tlen do tkanek potrzebnych do oddychania komórkowego. Dlatego żelazo jest niezbędne do oddychania i tworzenia czerwonych krwinek. Mioglobina (lub hemoglobina mięśniowa) dostarcza tlen do mięśni. Całkowita ilość żelaza w organizmie człowieka (średnia waga 70 kg) wynosi 3-5 g. Z tej ilości 65% Fe znajduje się w hemoglobinie. Do utrzymania prawidłowego metabolizmu przeciętnego dorosłego człowieka wymagane jest 10 do 20 mg Fe dziennie. Czerwone mięso, jaja, żółtko, marchew, owoce, wszelka pszenica i zielone warzywa dostarczają organizmowi głównie żelaza w normalnej diecie; W przypadku anemii związanej z niedoborem żelaza w organizmie należy przyjmować suplementy żelaza.

Żelazo jako substancja chemiczna element

Z chemicznego punktu widzenia żelazo jest metalem dość aktywnym, wykazującym charakterystyczne stopnie utlenienia +2, +3, rzadziej +1, +4, +6. Łączy się bezpośrednio z niektórymi pierwiastkami, z S tworzy FeS – siarczek żelaza(III), z halogenami, z wyjątkiem jodu, – halogenki żelaza(III), takie jak FeCl 3. Łatwo utleniony; z tlenem wytwarza tlenki FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 (FeO + Fe 2 O 3), łatwo koroduje (rdza). Wypiera wodór z pary wodnej w wysokich temperaturach. Rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach (np. HCl, H 2 SO 4, HNO 3), wypierając wodór i tworząc sole Fe(II) (odpowiednio FeCl 2, FeSO 4, Fe(NO 3) 2). W średnio stężonych H 2 SO 4 i HNO 3 żelazo rozpuszcza się tworząc sole Fe(III), a w silnie stężonych ulega pasywacji i nie reaguje. Pasywność żelaza można najwyraźniej wytłumaczyć tworzeniem się na jego powierzchni warstwy tlenku żelaza, która jednak łatwo ulega zniszczeniu poprzez proste skrobanie.

Korozja żelaza

Rdzewienie żelaza (atmosferyczna korozja żelaza)- jest to jego utlenianie przez tlen atmosferyczny. Reakcja zachodzi w obecności jonów soli rozpuszczonych w wodzie oraz jonów powstałych podczas dysocjacji kwasu węglowego, produktu oddziaływania atmosferycznego dwutlenku węgla i wilgoci. W rezultacie tworzy się luźna czerwona rdza lub uwodniony tlenek o składzie Fe 2 O 3 nH 2 O.

Znajomości

Złożone połączenia

Pierwiastki i materiały chemiczne
Pierwiastki chemiczne

Brazhnikova Alla Michajłowna,

Gimnazjum nr 332 GBOU

Dzielnica Newska w Sankt Petersburgu

W tym podręczniku omówiono pytania na temat „Chemia żelaza”. Oprócz tradycyjnych zagadnień teoretycznych poruszane są zagadnienia wykraczające poza poziom podstawowy. Zawiera pytania do samokontroli, które umożliwiają uczniom sprawdzenie poziomu opanowania odpowiedniego materiału edukacyjnego w ramach przygotowań do egzaminu Unified State Exam.

ROZDZIAŁ 1. ŻELAZO - PROSTA SUBSTANCJA.

Struktura atomu żelaza .

Żelazo jest pierwiastkiem D, znajdującym się w drugorzędnej podgrupie VIII grupy układu okresowego. Najpopularniejszy metal w przyrodzie Po aluminium Wchodzi w skład wielu minerałów: brunatnej rudy żelaza (hematyt) Fe 2 O 3, magnetycznej rudy żelaza (magnetyt) Fe 3 O 4, pirytu FeS 2.

Struktura elektronowa : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Wartościowość : II, III, (IV).

Stany utlenienia: 0, +2, +3, +6 (tylko w żelazianach K 2 FeO 4).

Właściwości fizyczne.

Żelazo jest błyszczącym, srebrzystobiałym metalem o t.t. - 1539 0 C.

Paragon.

Czyste żelazo można otrzymać poprzez redukcję tlenków wodorem po podgrzaniu, a także przez elektrolizę roztworów jego soli. Proces wielkopiecowy - produkcja żelaza w postaci stopów z węglem (żeliwo i stal):

1) 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO → 3FeO + CO 2

3) FeO + CO → Fe + CO2

Właściwości chemiczne.

I. Oddziaływanie z substancjami prostymi – niemetalami

1) Z chlorem i siarką (po podgrzaniu). Silniejszy utleniacz, chlor, utlenia żelazo do Fe 3+, a słabszy utleniacz, chlor, utlenia go do Fe 2+:

2Fe2 + 3Cl → 2FeCl 3

2) Z węglem, krzemem i fosforem (w wysokiej temperaturze).

3) W suchym powietrzu utlenia się tlenem, tworząc kamień - mieszaninę tlenków żelaza (II) i (III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3)

II. Interakcja z substancjami złożonymi.

1) Korozja (rdzewienie) żelaza zachodzi w wilgotnym powietrzu:

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

W wysokich temperaturach (700–900 0 C) przy braku tlenu żelazo reaguje z parą wodną, ​​wypierając z niej wodór:

3Fe+ 4H 2O → Fe 3O 4 + 4H 2

2) Wypiera wodór z rozcieńczonych kwasów solnych i siarkowych:

Fe+ 2HCl = FeCl2 + H2

Fe + H 2 SO 4 (rozcieńczony) = FeSO 4 + H 2

Wysoko stężone kwasy siarkowy i azotowy nie reagują z żelazem w zwykłych temperaturach ze względu na jego pasywację.

Za pomocą rozcieńczonego kwasu azotowego żelazo utlenia się do Fe 3+, produkty redukcji HNO 3 zależą od jego stężenia i temperatury:

8Fe + 30HNO 3(ultrarozcieńczony) →8Fe(NO 3) 3 + 3NH 4NO 3 + 9H 2 O

Fe + 4HNO 3(rozcieńcz.) → Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Fe + 6HNO 3(stęż.) → (temperatura) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

3) Reakcja z roztworami soli metali znajdującymi się na prawo od żelaza w elektrochemicznym szeregu napięć metali:

Fe + CuSO 4 → Fe SO 4 + Cu

ROZDZIAŁ2. ZWIĄZKI ŻELAZA (II).

Tlenek żelaza(II) .

Tlenek FeO jest czarnym proszkiem, nierozpuszczalnym w wodzie.

Paragon.

Redukcja z tlenku żelaza (III) w temperaturze 500 0 C poprzez działanie tlenku węgla (II):

Fe 2 O 3 + CO → 2FeO + CO 2

Właściwości chemiczne.

Tlenek zasadowy, odpowiada wodorotlenkowi Fe(OH) 2: rozpuszcza się w kwasach, tworząc sole żelaza (II):

FeO+ 2HCl → FeCl 2 + H 2 O

Wodorotlenek żelaza (II).

Wodorotlenek żelaza Fe(OH) 2 jest zasadą nierozpuszczalną w wodzie.

Paragon.

Wpływ zasad na sole żelaza () bez dostępu powietrza:

FeSO 4 + NaOH → Fe(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4

Właściwości chemiczne.

Wodorotlenek Fe(OH)2 ma właściwości zasadowe i jest dobrze rozpuszczalny w kwasach mineralnych, tworząc sole.

Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 →FeSO 4 + 2H 2 O

Po podgrzaniu rozkłada się:

Fe(OH) 2 → (temperatura) FeO+ H 2 O

Właściwości redoksowe.

Związki żelaza (II) wykazują dość silne właściwości redukujące i są stabilne tylko w obojętnej atmosferze; w powietrzu (powoli) lub w roztworze wodnym pod wpływem utleniaczy (szybko) przekształcają się w związki żelaza (III):

4 Fe(OH) 2 (wytrącony)+ O 2 + 2H 2 O → 4 Fe(OH) 3 ↓

2FeCl 2 + Cl 2 → 2FeCl 3

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 → 5 Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O

Związki żelaza (II) mogą również działać jako środki utleniające:

FeO+ CO → (temperatura) Fe+ CO

ROZDZIAŁ 3. ZWIĄZKI ŻELAZA (III).

Tlenek żelaza(III)

Tlenek Fe 2 O 3 jest najbardziej stabilnym naturalnym związkiem żelaza zawierającym tlen. Jest to tlenek amfoteryczny, nierozpuszczalny w wodzie. Powstaje podczas prażenia pirytu FeS 2 (patrz 20.4 „Otrzymywanie SO 2”).

Właściwości chemiczne.

1) Rozpuszczając się w kwasach, tworzy sole żelaza (III):

Fe 2 O 3 + 6HCl → 2FeCl 3 + 3H 2 O

2) Po stopieniu z węglanem potasu tworzy ferryt potasu:

Fe 2 O 3 + K 2 CO 3 → (temperatura) 2KFeO 2 + CO 2

3) Pod wpływem środków redukujących działa jako środek utleniający:

Fe 2 O 3 + 3H 2 → (temperatura) 2Fe+ 3H 2 O

Wodorotlenek żelaza (III)

Wodorotlenek żelaza Fe(OH) 3 jest czerwono-brązową substancją, nierozpuszczalną w wodzie.

Paragon.

Fe 2 (SO 4) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

Właściwości chemiczne.

Wodorotlenek Fe(OH) 3 jest słabszą zasadą niż wodorotlenek żelaza (II) i ma słabą amfoteryczność.

1) Rozpuszcza się w słabych kwasach:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

2) Po ugotowaniu w 50% roztworze NaOH tworzy się

Fe(OH) 3 + 3NaOH → Na 3

Sole żelaza (III).

Podlega silnej hydrolizie w roztworze wodnym:

Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2+ + H +

Fe 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O ↔ Fe(OH)SO 4 + H 2 SO 4

Wystawione na działanie silnych środków redukujących w roztworze wodnym wykazują właściwości utleniające, zamieniając się w sole żelaza (II):

2FeCl 3 + 2KI → 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl

Fe 2 (SO 4) 3 + Fe → 3 Fe

ROZDZIAŁ4. REAKCJE JAKOŚCIOWE.

Jakościowe reakcje na jony Fe 2+ i Fe 3+.

  1. Odczynnikiem dla jonu Fe 2+ jest heksacyjanożelazian (III) potasu (czerwona sól krwi), który daje wraz z nim intensywnie niebieski osad soli mieszanej - heksacyjanożelazianu (III) potasu żelaza (II) lub Turnbull w kolorze niebieskim:

FeCl 2 + K 3 → KFe 2+ ↓ + 2KCl

  1. Odczynnikiem dla jonu Fe 3+ jest jon tiocyjanianowy (jon rodankowy) CNS -, którego oddziaływanie z solami żelaza (III) powoduje powstanie krwistoczerwonej substancji - tiocyjanianu żelaza (III):

FeCl 3 + 3KCNS → Fe(CNS) 3 + 3KCl

3)Jony Fe 3+ można również wykryć za pomocą heksacyjanożelazianu (II) potasu (żółta sól krwi). W tym przypadku powstaje nierozpuszczalna w wodzie substancja o intensywnie niebieskim kolorze - heksacyjanożelazian potasu (II) lub Błękit pruski:

FeCl 3 + K 4 → KFe 3+ ↓ + 3KCl

ROZDZIAŁ 5. MEDYCZNE I BIOLOGICZNE ZNACZENIE ŻELAZA.

Rola żelaza w organizmie.

Żelazo uczestniczy w tworzeniu hemoglobiny we krwi, w syntezie hormonów tarczycy, w ochronie organizmu przed bakteriami. Jest niezbędny do tworzenia komórek ochronnych układu odpornościowego i jest niezbędny do „pracy” witamin z grupy B.

Żelazo wchodzi w skład ponad 70 różnych enzymów, w tym oddechowych, które zapewniają procesy oddychania w komórkach i tkankach oraz biorą udział w neutralizacji obcych substancji dostających się do organizmu człowieka.

Hematopoeza. Hemoglobina.

Wymiana gazowa w płucach i tkankach.

Niedokrwistość z niedoboru żelaza.

Brak żelaza w organizmie prowadzi do chorób takich jak anemia i niedokrwistość.

Niedokrwistość z niedoboru żelaza (IDA) to zespół hematologiczny charakteryzujący się upośledzoną syntezą hemoglobiny wynikającą z niedoboru żelaza i objawiający się anemią i syderopenią. Głównymi przyczynami IDA są utrata krwi oraz brak pożywienia i napojów bogatych w hem.

Pacjent może odczuwać zmęczenie, duszność i kołatanie serca, zwłaszcza po wysiłku fizycznym, często zawroty głowy i bóle głowy, szum w uszach, a nawet możliwe jest omdlenie. Osoba staje się drażliwa, sen jest zakłócony, a koncentracja spada. Ponieważ przepływ krwi do skóry jest zmniejszony, może rozwinąć się zwiększona wrażliwość na zimno. Objawy wynikają również z przewodu pokarmowego - gwałtowny spadek apetytu, zaburzenia dyspeptyczne (nudności, zmiany w charakterze i częstotliwości stolca).

Żelazo jest integralną częścią ważnych kompleksów biologicznych, takich jak hemoglobina (transport tlenu i dwutlenku węgla), mioglobina (magazynowanie tlenu w mięśniach), cytochromy (enzymy). Dorosły organizm zawiera 4-5 g żelaza.

WYKAZ WYKORZYSTANYCH BIBLIOGRAFII:

  1. K.N. Zelenin, wicep. Sergutin, O.V. Słód „Zdajemy egzamin z chemii doskonale”. Elbl-SPb LLC, 2001.
  2. K.A. Makarov „Chemia medyczna”. Wydawnictwo Państwowego Uniwersytetu Medycznego w Petersburgu, 1996.
  3. N.L. Glinki „Chemia ogólna”. Leningrad „Chemia”, 1985.
  4. V.N. Doronkin, A.G. Bierieżnaja, T.V. Sazhneva, V.A. Lutyjewa „Chemia. Testy tematyczne przygotowujące do egzaminu Unified State Exam.” Wydawnictwo „Legion”, Rostów nad Donem, 2012.

Ciało ludzkie zawiera około 5 g żelaza, większość (70%) wchodzi w skład hemoglobiny we krwi.

Właściwości fizyczne

W stanie wolnym żelazo jest srebrzystobiałym metalem o szarawym odcieniu. Czyste żelazo jest plastyczne i ma właściwości ferromagnetyczne. W praktyce zwykle stosuje się stopy żelaza - żeliwo i stal.


Fe jest najważniejszym i najpowszechniejszym pierwiastkiem z dziewięciu d-metali podgrupy VIII grupy. Razem z kobaltem i niklem tworzy „rodzinę żelaza”.


Tworząc związki z innymi pierwiastkami, często wykorzystuje 2 lub 3 elektrony (B = II, III).


Żelazo, podobnie jak prawie wszystkie pierwiastki d grupy VIII, nie wykazuje wyższej wartościowości równej numerowi grupy. Jego maksymalna wartościowość sięga VI i pojawia się niezwykle rzadko.


Najbardziej typowymi związkami są te, w których atomy Fe znajdują się na stopniach utlenienia +2 i +3.


Metody otrzymywania żelaza

1. Żelazo techniczne (stopowe z węglem i innymi zanieczyszczeniami) otrzymuje się w procesie karbotermicznej redukcji jego naturalnych związków według następującego schematu:




Powrót do zdrowia następuje stopniowo, w 3 etapach:


1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2


2) Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2


3) FeO + CO = Fe + CO2


Żeliwo powstające w tym procesie zawiera ponad 2% węgla. Następnie żeliwo wykorzystuje się do produkcji stali – stopów żelaza zawierających poniżej 1,5% węgla.


2. Bardzo czyste żelazo otrzymuje się jednym z następujących sposobów:


a) rozkład pentakarbonylu Fe


Fe(CO) 5 = Fe + 5СО


b) redukcja czystego FeO wodorem


FeO + H2 = Fe + H2O


c) elektroliza wodnych roztworów soli Fe +2


FeC 2 O 4 = Fe + 2 CO 2

szczawian żelaza(II).

Właściwości chemiczne

Fe jest metalem o średniej aktywności i wykazuje ogólne właściwości charakterystyczne dla metali.


Unikalną cechą jest zdolność „rdzewienia” w wilgotnym powietrzu:



W przypadku braku wilgoci i suchego powietrza żelazo zaczyna reagować zauważalnie dopiero w temperaturze T > 150°C; podczas kalcynacji powstaje „łuska żelaza” Fe 3 O 4:


3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4


Żelazo nie rozpuszcza się w wodzie przy braku tlenu. W bardzo wysokich temperaturach Fe reaguje z parą wodną, ​​wypierając wodór z cząsteczek wody:


3Fe + 4H2O(g) = 4H2


Mechanizmem rdzewienia jest korozja elektrochemiczna. Produkt rdzy przedstawiony jest w uproszczonej formie. W rzeczywistości tworzy się luźna warstwa mieszaniny tlenków i wodorotlenków o zmiennym składzie. W odróżnieniu od folii Al 2 O 3 warstwa ta nie chroni żelaza przed dalszym zniszczeniem.

Rodzaje korozji


Ochrona żelaza przed korozją


1. Oddziaływanie z halogenami i siarką w wysokich temperaturach.

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3


2Fe + 3F 2 = 2FeF 3



Fe + Ja 2 = FeI 2



Tworzą się związki, w których dominuje wiązanie jonowe.

2. Oddziaływanie z fosforem, węglem, krzemem (żelazo nie łączy się bezpośrednio z N2 i H2, ale je rozpuszcza).

Fe + P = Fe x P y


Fe + C = Fe x C y


Fe + Si = Fe x Si y


Tworzą się substancje o zmiennym składzie, np. berthollidy (w związkach dominuje kowalencyjny charakter wiązania)

3. Interakcja z kwasami „nieutleniającymi” (HCl, H 2 SO 4 rozcieńcz.)

Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2


Ponieważ Fe znajduje się w szeregu aktywności na lewo od wodoru (E° Fe/Fe 2+ = -0,44 V), jest w stanie wypierać H2 ze zwykłych kwasów.


Fe + 2HCl = FeCl2 + H2


Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

4. Interakcja z kwasami „utleniającymi” (HNO 3, H 2 SO 4 stężony)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+


Stężone HNO 3 i H 2 SO 4 „pasywują” żelazo, dzięki czemu w zwykłych temperaturach metal się w nich nie rozpuszcza. Przy silnym ogrzewaniu następuje powolne rozpuszczanie (bez uwalniania H2).


W sekcji Żelazo HNO 3 rozpuszcza się, przechodzi do roztworu w postaci kationów Fe 3+, a anion kwasowy ulega redukcji do NO*:


Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O


Bardzo dobrze rozpuszczalny w mieszaninie HCl i HNO 3

5. Stosunek do zasad

Fe nie rozpuszcza się w wodnych roztworach zasad. Reaguje ze stopionymi zasadami tylko w bardzo wysokich temperaturach.

6. Oddziaływanie z solami metali mniej aktywnych

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu


Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. Reakcja z gazowym tlenkiem węgla (t = 200°C, P)

Fe (proszek) + 5CO (g) = Fe 0 (CO) 5 pentakarbonyl żelaza

Związki Fe(III).

Fe 2 O 3 - tlenek żelaza (III).

Czerwono-brązowy proszek, n.d. R. w H 2 O. W naturze - „czerwona ruda żelaza”.

Metody uzyskania:

1) rozkład wodorotlenku żelaza (III).


2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O


2) wypalanie pirytu


4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3


3) rozkład azotanów


Właściwości chemiczne

Fe 2 O 3 jest tlenkiem zasadowym wykazującym oznaki amfoteryczności.


I. Główne właściwości przejawiają się w zdolności do reagowania z kwasami:


Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZN 2 O


Fe2O3 + 6HCl = 2FeCl3 + 3H2O


Fe 2 O 3 + 6HNO 3 = 2Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O


II. Słabe właściwości kwasowe. Fe 2 O 3 nie rozpuszcza się w wodnych roztworach zasad, ale po stopieniu ze stałymi tlenkami, zasadami i węglanami tworzy ferryty:


Fe 2 O 3 + CaO = Ca(FeO 2) 2


Fe 2 O 3 + 2 NaOH = 2 NaFeO 2 + H 2 O


Fe 2 O 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2


III. Fe 2 O 3 – surowiec do produkcji żelaza w metalurgii:


Fe 2 O 3 + ZS = 2Fe + ZSO lub Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2

Fe(OH) 3 - wodorotlenek żelaza (III).

Metody uzyskania:

Otrzymywany przez działanie zasad na rozpuszczalne sole Fe 3+:


FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl


W momencie przygotowania Fe(OH) 3 jest czerwono-brązowym, śluzowo-bezpostaciowym osadem.


Wodorotlenek Fe(III) powstaje także podczas utleniania Fe i Fe(OH) 2 w wilgotnym powietrzu:


4Fe + 6H 2O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3


4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3


Wodorotlenek Fe(III) jest końcowym produktem hydrolizy soli Fe 3+.

Właściwości chemiczne

Fe(OH) 3 jest bardzo słabą zasadą (znacznie słabszą niż Fe(OH) 2). Wykazuje zauważalne właściwości kwasowe. Zatem Fe(OH) 3 ma charakter amfoteryczny:


1) reakcje z kwasami zachodzą łatwo:



2) świeży osad Fe(OH) 3 rozpuszcza się w gorącym stęż. roztwory KOH lub NaOH z tworzeniem kompleksów hydroksylowych:


Fe(OH) 3 + 3KOH = K 3


W roztworze zasadowym Fe(OH) 3 można utlenić do nadżelazianów (sole kwasu żelazawego H 2 FeO 4 nie uwalniane w stanie wolnym):


2Fe(OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2O

Sole Fe 3+

Najbardziej praktyczne są: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe(NO 3) 3, Fe(SCN) 3, K 3 4 - żółta sól krwi = Fe 4 3 Błękit pruski (ciemnoniebieski osad)


b) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 tiocyjanian Fe(III) (krwawoczerwony roztwór)

Definicja. Fabuła. Geochemia. Właściwości żelaza. Miejsce urodzenia. Fizyczne i chemiczne właściwości. Znajomości. Stosowanie żelaza.

Żelazo

Żelazo jest pierwiastkiem ósmej grupy (według starej klasyfikacji wtórnej podgrupy ósmej grupy) czwartego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych. I. Mendelejew o liczbie atomowej 26. Oznaczone symbolem Fe(łac. Ferrum). Jeden z najpowszechniejszych metali w skorupie ziemskiej (drugie miejsce po aluminium).
Żelazo o prostej substancji (numer CAS: 7439-89-6) to kowalny srebrnobiały metal o wysokiej reaktywności chemicznej: żelazo szybko koroduje w wysokich temperaturach lub przy wysokiej wilgotności powietrza. Żelazo spala się w czystym tlenie, a w stanie drobno rozproszonym samorzutnie zapala się w powietrzu.
Właściwie żelazo nazywa się zwykle jego stopami o niskiej zawartości zanieczyszczeń (do 0,8%), które zachowują miękkość i plastyczność czystego metalu. Jednak w praktyce częściej stosuje się stopy żelaza z węglem: stal (do 2,14% wag. węgla) i żeliwo (ponad 2,14% wag. węgla), a także stal nierdzewną (stopową) z dodatkami metali stopowych (chrom, mangan, nikiel itp.). Połączenie specyficznych właściwości żelaza i jego stopów sprawia, że ​​jest to „metal nr 1” pod względem znaczenia dla człowieka.
W naturze żelazo rzadko występuje w czystej postaci, najczęściej występuje w meteorytach żelazowo-niklowych. Zawartość żelaza w skorupie ziemskiej wynosi 4,65% (4. miejsce po O, Si, Al). Uważa się również, że żelazo stanowi większość jądra Ziemi.

Fabuła.Żelazo, jako materiał narzędziowy, znane jest już od czasów starożytnych. Najstarsze przedmioty żelazne znalezione podczas wykopalisk archeologicznych pochodzą z IV tysiąclecia p.n.e. mi. i należą do starożytnych cywilizacji sumeryjskiej i starożytnego Egiptu. Wykonywane są one z żelaza meteorytowego, czyli stopu żelaza i niklu (zawartość tego ostatniego waha się od 5 do 30%), biżuterii z grobowców egipskich (ok. 3800 r. p.n.e.) oraz sztyletu z sumeryjskiego miasta Ur (ok. 3100 p.n.e.).e.). Podobno jedna z nazw żelaza w języku greckim i łacińskim pochodzi od niebiańskiego pochodzenia żelaza meteorytowego: „sider” (co oznacza „gwiezdny”).

Wyroby z żelaza otrzymywanego w drodze wytapiania znane są od czasów osiedlenia się plemion aryjskich od Europy po Azję, wyspy Morza Śródziemnego i dalej (przełom IV i III tysiąclecia p.n.e.). Najstarsze znane narzędzia żelazne to ostrza stalowe spotykane w kamieniarka piramidy Cheopsa w Egipcie (zbudowana ok. 2530 r. p.n.e.). Jak wykazały wykopaliska na Pustyni Nubijskiej, już w tym czasie Egipcjanie próbując oddzielić wydobywane złoto od ciężkiego piasku magnetytowego, kalcynowali rudę otrębami i podobnymi substancjami zawierającymi węgla. W rezultacie na powierzchnię roztopionego złota unosiła się warstwa ciasta żelaza, które poddano osobnej obróbce. Z tego żelaza wykuwano narzędzia, m.in. te znajdujące się w piramidzie Cheopsa. Jednak po wnuku Cheopsa Menkaure (2471 r.) -2465 p.n.e.) w Egipcie zamieszanie: szlachta pod wodzą kapłanów boga Ra obaliła panującą dynastię i rozpoczął się skok uzurpatorów, zakończony wstąpieniem na tron ​​faraona kolejnej dynastii Userkara, którego kapłani uznany za syna i wcielenie samego boga Ra (od tego czasu stał się to oficjalny status faraonów). Podczas tego zamieszania wiedza kulturalna i techniczna Egipcjan podupadła, a wraz z upadkiem sztuki budowania piramid zatracono technologię produkcji żelaza do tego stopnia, że ​​później, podczas eksploracji Półwyspu Synaj w poszukiwaniu miedzi, rudy Egipcjanie nie zwracali uwagi na istniejące tam złoża rudy żelaza i otrzymywali żelazo od sąsiednich Hetytów i Mitannijczyków.
Jako pierwszy opanował metodę wytapiania żelaza Hatti, na co wskazuje najstarsza (II tysiąclecie p.n.e.) wzmianka o żelazie w tekstach Hetytów, którzy założyli swoje imperium na terytorium Huttów (współczesna Anatolia w Turcji). I tak tekst hetyckiego króla Anitty (około 1800 r. p.n.e.) mówi:
W starożytności Khalibowie byli znani jako mistrzowie wyrobów żelaznych. Legenda o Argonautach (ich wyprawa w Kolchidzie miała miejsce około 50 lat przed wojną trojańską) głosi, że król Kolchidy Eet dał Jazonowi żelazny pług, aby mógł orać pole Aresa i jego poddanych, Kalibrów , są opisane:
Nie orają ziemi, nie sadzą drzew owocowych, nie pasą stad na bogatych łąkach; wydobywają rudę i żelazo z nieuprawnej ziemi i wymieniają za nią żywność. Dzień nie zaczyna się dla nich bez ciężkiej pracy, cały dzień spędzają w ciemności nocy i gęstym dymie...
Arystoteles opisał ich metodę produkcji stali: „Khalibowie kilkakrotnie przemywali piasek rzeczny swojego kraju, uwalniając w ten sposób czarny koncentrat (ciężką frakcję składającą się głównie z magnetytu i hematytu) i wytapiali go w piecach; Otrzymany w ten sposób metal miał srebrzystą barwę i był nierdzewny.”
Jako surowiec do wytopu stali stosowano piaski magnetytowe, które często występują wzdłuż całego wybrzeża Morza Czarnego: piaski te magnetytowe składają się z mieszaniny drobnych ziaren magnetytu, magnetytu tytanowego lub ilmenitu oraz fragmentów innych skał, dzięki czemu stal wytapiana przez Khalibów była stopowa i miała doskonałe właściwości. Ta unikalna metoda pozyskiwania żelaza sugeruje, że Khalibowie jedynie rozpowszechnili żelazo jako materiał technologiczny, jednak ich metoda nie mogła być metodą na powszechną przemysłową produkcję wyrobów żelaznych. Jednak ich produkcja stała się impulsem do dalszego rozwoju hutnictwa żelaza.
Klemens Aleksandryjski w swoim encyklopedycznym dziele „Stromata” wspomina, że ​​według legend greckich na górze Ida odkryto żelazo (najwyraźniej wytapiane z rudy) – tak nazywało się pasmo górskie w pobliżu Troi (w Iliadzie jest ono wymieniane jako Góra Ida , z którego Zeus obserwował bitwę Greków z Trojanami). Stało się to 73 lata po powodzi Deucalion, a powódź ta, według Kroniki Parian, miała miejsce w roku 1528 p.n.e. e., czyli metodę wytapiania żelaza z rudy odkryto około 1455 roku p.n.e. mi. Z opisu Klemensa nie wynika jednak jasno, czy chodzi mu o tę konkretną górę w Azji Zachodniej (Ida Frygijska u Wergiliusza), czy też o górę Idę na Krecie, o której rzymski poeta Wergiliusz pisze w Eneidzie jako o przodku siedziba trojanów:
„Wyspa Jowisza, Kreta, leży pośrodku szerokiego morza,
Tam, gdzie rodzi się Ida, ma swoją kolebkę nasze plemię…”
Bardziej prawdopodobne jest, że Klemens Aleksandryjski mówi konkretnie o Idzie frygijskiej w pobliżu Troi, ponieważ znaleziono tam starożytne kopalnie żelaza i ośrodki jego produkcji. Pierwsze pisemne wzmianki o żelazie znajdują się na glinianych tabliczkach z archiwów egipskich faraonów Amenhotepa III i Echnatona i datowane są na ten sam okres (1450-1400 p.n.e.). Wspomina się w nim o produkcji żelaza na południu Zakaukazia, które Grecy nazywali Kolchidą (i możliwe, że słowo „kolhidos” może być modyfikacją słowa „halibos”) – a mianowicie to, co król kraju Mitanni i władca Armenii i Zakaukazia Południowego wysłał do egipskiego faraona Amenhotepa II „wraz z 318 nałożnicami, sztyletami i pierścieniami z dobrego żelaza”. Hetyci również przekazali te same dary faraonom.
W bardzo starożytnych czasach żelazo było cenione bardziej niż złoto i według opisu Strabona plemiona afrykańskie dawały 10 funtów złota za 1 funt żelaza, a według badań historyka G. Areshyana koszt miedzi, srebra, złota a żelazo wśród starożytnych Hetytów miało stosunek 1: 160: 1280: 6400. W tamtych czasach żelazo było używane jako metal jubilerski, z niego robiono trony i inne regalia władzy królewskiej: na przykład biblijna Księga Powtórzonego Prawa 3.11 opisuje „żelazne łoże” króla Refaimów, Oga.
W grobowcu Tutanchamona (ok. 1350 r. p.n.e.) odnaleziono żelazny sztylet w złotej oprawie, prawdopodobnie będący prezentem od Hetytów dla celów dyplomatycznych. Ale Hetyci nie dążyli do powszechnego rozpowszechniania żelaza i jego technologii, jak widać z korespondencji, która do nas dotarła między egipskim faraonem Tutanchamonem a jego teściem Hattusilem, królem Hetytów. Faraon prosi o przysłanie więcej żelaza, a król Hetytów wymijająco odpowiada, że ​​zapasy żelaza się wyczerpały, a kowale są zajęci rolnictwem, więc nie może spełnić prośby królewskiego zięcia i wysyła tylko jeden sztylet wykonany z „dobrego żelaza” (czyli stali). Jak widać Hetyci starali się wykorzystać swoją wiedzę do osiągnięcia przewagi militarnej, nie dając innym możliwości dogonienia ich. Najwyraźniej dlatego wyroby żelazne rozpowszechniły się dopiero po wojnie trojańskiej i upadku potęgi hetyckiej, kiedy dzięki działalności handlowej Greków technologia żelaza stała się znana wielu osobom, odkryto nowe złoża i kopalnie żelaza. Zatem epokę „brązu” zastąpiono epoką „żelaza”.
Według opisów Homera, chociaż w czasie wojny trojańskiej (ok. 1250 r. p.n.e.) broń wykonywano głównie z miedzi i brązu, żelazo było już powszechnie znane i cieszyło się dużym popytem, ​​choć bardziej jako metal szlachetny. Na przykład w 23. pieśni Iliady Homer mówi, że Achilles wręczył zwycięzcy zawodów w rzucie dyskiem żelazny dysk. Achajowie wydobywali to żelazo od Trojan i ludów sąsiednich (Iliada 7.473), w tym od Khalibów.
Być może żelazo było jednym z powodów, które skłoniły Greków Achajów do przeniesienia się do Azji Mniejszej, gdzie poznali tajniki jego produkcji. A wykopaliska w Atenach wykazały, że już około 1100 roku p.n.e. mi. a później żelazne miecze, włócznie, topory, a nawet żelazne gwoździe były już powszechne. Biblijna księga Jozuego 17:16 (por. Sędziów 14:4) opisuje, że Filistyni (biblijni „PILISTIM”, a były to plemiona proto-greckie spokrewnione z późniejszymi Hellenami, głównie Pelazgami) posiadali wiele żelaznych rydwanów, czyli: w tym W tym czasie żelazo było już powszechnie stosowane w dużych ilościach.
Homer nazywa żelazo trudnym, ponieważ w starożytności główną metodą jego produkcji był proces rozdmuchiwania sera: naprzemienne warstwy rudy żelaza i węgla drzewnego kalcynowano w specjalnych piecach (piece - od starożytnego „Rogu” - róg, rura, pierwotnie było to po prostu rura wkopana w ziemię, zwykle poziomo w zboczu wąwozu). W kuźni tlenki żelaza są redukowane do metalu za pomocą gorącego węgla, który pochłania tlen, utleniając się do tlenku węgla i w wyniku takiej kalcynacji rudy węglem otrzymuje się ciastowate żelazo krychinowe (gąbczaste). Kritsę oczyszczono z żużla poprzez kucie, wyciskanie zanieczyszczeń silnymi uderzeniami młotka. Pierwsze kuźnie charakteryzowały się stosunkowo niską temperaturą - zauważalnie niższą od temperatury topnienia żeliwa, dlatego żelazo okazało się stosunkowo niskowęglowe. Aby otrzymać mocną stal, konieczne było wielokrotne kalcynowanie i kucie żelaznego rdzenia z węglem, przy czym wierzchnia warstwa metalu była dodatkowo nasycana węglem i wzmacniana. W ten sposób uzyskano „dobre żelazo” – i choć wymagało to wiele pracy, to otrzymane w ten sposób wyroby były znacznie mocniejsze i twardsze od brązowych.
Później nauczyli się wytwarzać wydajniejsze piece (po rosyjsku – wielki piec, domna) do produkcji stali, a do dostarczania powietrza do pieca używali miechów. Już Rzymianie wiedzieli, jak doprowadzić temperaturę w piecu do topienia stali (około 1400 stopni, a czyste żelazo topi się w temperaturze 1535 stopni). W ten sposób otrzymuje się żeliwo o temperaturze topnienia 1100-1200 stopni, które jest bardzo kruche w stanie stałym (nawet nie nadaje się do kucia) i nie ma elastyczności stali. Początkowo uważano je za szkodliwy produkt uboczny, ale później odkryto, że żeliwo po ponownym stopieniu w piecu przy zwiększonym przepływie powietrza, w wyniku wypalenia nadmiaru węgla, zamienia się w dobrej jakości stal. Ten dwuetapowy proces wytwarzania stali z żeliwa okazał się prostszy i bardziej opłacalny od procesu krytycznego, a zasada ta stosowana jest bez większych zmian przez wiele stuleci, pozostając do dziś główną metodą wytwarzania materiałów żelaznych.

Izotopy

Naturalne żelazo składa się z czterech stabilnych izotopów: 54Fe (liczba izotopowa 5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) i 58Fe (0,282%). Znanych jest także ponad 20 niestabilnych izotopów żelaza o liczbach masowych od 45 do 72, z których najbardziej stabilne to 60Fe (okres półtrwania według danych zaktualizowanych w 2009 roku wynosi 2,6 mln lat), 55Fe (2,737 lat), 59Fe (44,495 dni) i 52Fe (8,275 godzin); inne izotopy mają okres półtrwania krótszy niż 10 minut.
Izotop żelaza 56Fe jest jednym z najbardziej stabilnych jąder: wszystkie poniższe pierwiastki mogą zmniejszyć energię wiązania na nukleon w wyniku rozpadu, a wszystkie poprzednie pierwiastki w zasadzie mogą zmniejszyć energię wiązania na nukleon w wyniku fuzji. Uważa się, że żelazo kończy serię syntezy pierwiastków w jądrach normalnych gwiazd, a wszystkie kolejne pierwiastki mogą powstać dopiero w wyniku wybuchów supernowych.

Geochemia żelaza

Żelazo jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków w Układzie Słonecznym, zwłaszcza na planetach ziemskich, w szczególności na Ziemi. Znaczna część żelaza planet ziemskich znajduje się w jądrach planet, gdzie jego zawartość szacuje się na około 90%. Zawartość żelaza w skorupie ziemskiej wynosi 5%, a w płaszczu około 12%. Spośród metali żelazo ustępuje jedynie aluminium pod względem obfitości w korze. Jednocześnie około 86% całego żelaza znajduje się w rdzeniu, a 14% w płaszczu. Zawartość żelaza wzrasta znacząco w mafijnych skałach magmowych, gdzie jest kojarzona z piroksenem, amfibolem, oliwinem i biotytem. Żelazo gromadzi się w stężeniach przemysłowych podczas niemal wszystkich procesów egzogennych i endogennych zachodzących w skorupie ziemskiej. Woda morska zawiera żelazo w bardzo małych ilościach, 0,002-0,02 mg/l. W wodzie rzecznej jest nieco wyższa – 2 mg/l.

Właściwości geochemiczne żelaza

Najważniejszą cechą geochemiczną żelaza jest obecność kilku stopni utlenienia. Żelazo w postaci obojętnej – metalicznej – stanowi rdzeń ziemi, prawdopodobnie występuje w płaszczu i bardzo rzadko występuje w skorupie ziemskiej. Żelazo żelazne FeO jest główną formą żelaza występującą w płaszczu i skorupie. Tlenek żelaza Fe2O3 jest charakterystyczny dla najwyżej położonych, najbardziej utlenionych części skorupy ziemskiej, zwłaszcza skał osadowych.
Pod względem właściwości krystalicznych jon Fe2+ jest zbliżony do jonów Mg2+ i Ca2+ – innych głównych pierwiastków, które stanowią znaczną część wszystkich skał ziemskich. Ze względu na podobieństwo krystaliczno-chemiczne żelazo zastępuje w wielu krzemianach magnez i częściowo wapń. W tym przypadku zawartość żelaza w minerałach o zmiennym składzie zwykle wzrasta wraz ze spadkiem temperatury.
Minerały żelaza. Żelazo jest dość rozpowszechnione w skorupie ziemskiej - stanowi około 4,1% masy skorupy ziemskiej (4. miejsce wśród wszystkich pierwiastków, 2. wśród metali). W płaszczu i skorupie ziemskiej żelazo koncentruje się głównie w krzemianach, jego zawartość jest znaczna w skałach zasadowych i ultrazasadowych, a niewielka w skałach kwaśnych i pośrednich.
Znanych jest wiele rud i minerałów zawierających żelazo. Największe znaczenie praktyczne mają rudy żelaza czerwonego (hematyt Fe2O3; zawiera do 70% Fe), rudy żelaza magnetycznego (magnetyt, FeFe2O4, Fe3O4; zawierają 72,4% Fe), rudy żelaza brunatnego lub limonit (odpowiednio getyt i hydrogoetyt FeOOH i FeOOH nH2O). Goethyt i hydrogoetyt spotykane są najczęściej w skorupach wietrzących, tworząc tzw. „żelazne kapelusze”, których miąższość sięga kilkuset metrów. Mogą być również pochodzenia osadowego, wypadają z roztworów koloidalnych w jeziorach lub obszarach przybrzeżnych mórz. W tym przypadku powstają rudy żelaza oolitowe lub strączkowe. Często występuje w nich wiwianit Fe3(PO4)2·8H2O tworzący czarne wydłużone kryształy i radialne agregaty.
Siarczki żelaza są również szeroko rozpowszechnione w przyrodzie - piryt FeS2 (siarka lub piryt żelaza) i pirotyn. Nie są to rudy żelaza - piryt wykorzystuje się do produkcji kwasu siarkowego, a pirotyn często zawiera nikiel i kobalt.
Rosja zajmuje pierwsze miejsce na świecie pod względem zasobów rudy żelaza.
Zawartość żelaza w wodzie morskiej wynosi 1,10–5–1,10–8%.
Inne powszechnie występujące minerały żelaza:

  • Syderyt – FeCO3 – zawiera około 35% żelaza. Ma żółtawo-biały (w przypadku zabrudzenia szary lub brązowy odcień). Gęstość wynosi 3 g/cm3, a twardość 3,5-4,5 w skali Mohsa.
  • Markasyt – FeS2 – zawiera 46,6% żelaza. Występuje w postaci żółtych, mosiężnych, bipiramidalnych, rombowych kryształów o gęstości 4,6-4,9 g/cm3 i twardości 5-6 w skali Mohsa.
  • Löllingit – FeAs2 – zawiera 27,2% żelaza i występuje w postaci srebrzystobiałych bipiramidalnych rombowych kryształów. Gęstość wynosi 7-7,4 g/cm3, twardość 5-5,5 w skali Mohsa.
  • Mispickel – FeAsS – zawiera 34,3% żelaza. Występuje w postaci białych, jednoskośnych pryzmatów o gęstości 5,6-6,2 g/cm3 i twardości 5,5-6 w skali Mohsa.
  • Melantheryt - FeSO4 · 7H2O - występuje rzadziej w przyrodzie i jest zielonym (lub szarym z powodu zanieczyszczeń) kryształami jednoskośnymi o szklistym połysku i kruchymi. Gęstość wynosi 1,8-1,9 g/cm3.
  • Wiwianit - Fe3(PO4)2 8H2O - występuje w postaci niebieskoszarych lub zielonoszarych jednoskośnych kryształów o gęstości 2,95 g/cm3 i twardości 1,5-2 w skali Mohsa.

Główne złoża

Według US Geological Survey (szacunki z 2011 r.) potwierdzone światowe zasoby rudy żelaza wynoszą około 178 miliardów ton. Główne złoża żelaza znajdują się w Brazylii (1. miejsce), Australii, USA, Kanadzie, Szwecji, Wenezueli, Liberii, Ukrainie, Francji, Indiach. W Rosji żelazo wydobywa się w Kursskiej Anomalii Magnetycznej (KMA), Półwyspie Kolskim, Karelii i Syberii, na Ukrainie - Krivbass, obwód Połtawy, Półwysep Kerczeński. W ostatnim czasie znaczącą rolę zyskały denne osady oceaniczne, w których żelazo wraz z manganem i innymi cennymi metalami występuje w postaci konkrecji.

Paragon. Przemysłowo żelazo otrzymuje się z rud żelaza, głównie hematytu (Fe2O3) i magnetytu (FeO Fe2O3).

Istnieją różne sposoby wydobywania żelaza z rud. Najbardziej powszechnym jest proces domenowy.
Pierwszym etapem produkcji jest redukcja żelaza węglem w wielkim piecu w temperaturze 2000°C. W wielkim piecu węgiel w postaci koksu, ruda żelaza w postaci aglomeratu lub peletek oraz topnik (taki jak wapień) podawane są z góry i spotykane są ze strumieniem wymuszonego gorącego powietrza z dołu.
W piecu węgiel w postaci koksu utlenia się do tlenku węgla. Tlenek ten powstaje podczas spalania przy braku tlenu:

Z kolei tlenek węgla redukuje żelazo z rudy. Aby przyspieszyć tę reakcję, podgrzany tlenek węgla przepuszcza się przez tlenek żelaza (III):

Topnik dodaje się, aby pozbyć się niepożądanych zanieczyszczeń (głównie krzemianów, na przykład kwarcu) z wydobywanej rudy. Typowy topnik zawiera wapień (węglan wapnia) i dolomit (węglan magnezu). Aby usunąć inne zanieczyszczenia, stosuje się inne topniki.
Efekt topnika (w tym przypadku węglanu wapnia) polega na tym, że po podgrzaniu rozkłada się na tlenek:

Tlenek wapnia łączy się z dwutlenkiem krzemu tworząc żużel – metakrzemian wapnia:

Żużel, w przeciwieństwie do dwutlenku krzemu, topi się w piecu. Żużel lżejszy od żelaza unosi się na powierzchni - ta właściwość pozwala oddzielić żużel od metalu. Żużel można następnie wykorzystać w budownictwie i rolnictwie. Roztopione żelazo produkowane w wielkim piecu zawiera dość dużo węgla (żeliwa). Z wyjątkiem przypadków, w których żeliwo jest wykorzystywane bezpośrednio, wymaga ono dalszej obróbki.
Nadmiar węgla i inne zanieczyszczenia (siarka, fosfor) są usuwane z żeliwa poprzez utlenianie w piecach martenowskich lub konwertorach. Do wytapiania stali stopowych wykorzystuje się także piece elektryczne.
Oprócz procesu wielkopiecowego powszechny jest proces bezpośredniej produkcji żelaza. W tym przypadku wstępnie pokruszoną rudę miesza się ze specjalną gliną, tworząc pelety. Pelety są wypalane i poddawane obróbce w piecu szybowym gorącymi produktami konwersji metanu, które zawierają wodór. Wodór łatwo redukuje żelazo:
,
w tym przypadku żelazo nie zostaje zanieczyszczone takimi zanieczyszczeniami jak siarka i fosfor, które są powszechnymi zanieczyszczeniami węgla. Żelazo otrzymuje się w postaci stałej, a następnie topi się w piecach elektrycznych.
Chemicznie czyste żelazo otrzymuje się przez elektrolizę roztworów jego soli.

Właściwości fizyczne

Żelazo jest typowym metalem, w stanie wolnym ma srebrzystobiałą barwę z szarawym odcieniem. Czysty metal jest plastyczny, różne zanieczyszczenia (w szczególności węgiel) zwiększają jego twardość i kruchość. Ma wyraźne właściwości magnetyczne. Często wyróżnia się tzw. „żelazną triadę” – grupę trzech metali (żelazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni) o podobnych właściwościach fizycznych, promieniach atomowych i wartościach elektroujemności.
Żelazo charakteryzuje się polimorfizmem, posiada cztery modyfikacje krystaliczne:

  • do 769°C występuje α-Fe (ferryt) o siatce sześciennej skupionej wokół ciała i właściwościach ferromagnetycznych (769°C ≈ 1043 K – punkt Curie dla żelaza);
  • w zakresie temperatur 769–917 °C występuje β-Fe, który różni się od α-Fe jedynie parametrami sieci sześciennej skupionej na ciele oraz właściwościami magnetycznymi paramagnetyku;
  • w zakresie temperatur 917–1394 °C występuje γ-Fe (austenit) z siatką sześcienną skupioną na powierzchni;
  • powyżej 1394 ° C δ-Fe z sześcienną siatką skupioną na ciele jest stabilny.

Metalurgia nie rozróżnia β-Fe jako oddzielnej fazy i uważa ją za odmianę α-Fe. Gdy żelazo lub stal nagrzeje się powyżej punktu Curie (769°C ≈ 1043 K), ruch termiczny jonów zaburza orientację spinowych momentów magnetycznych elektronów, ferromagnetyk staje się paramagnetyczny – następuje przejście fazowe drugiego rzędu, ale nie następuje przejście fazowe pierwszego rzędu ze zmianą podstawowych parametrów fizycznych kryształów.
W przypadku czystego żelaza pod normalnym ciśnieniem z punktu widzenia metalurgii istnieją następujące stabilne modyfikacje:

  • od zera absolutnego do 910 ° C modyfikacja α z sześcienną siecią krystaliczną (bcc) skupioną na ciele jest stabilna;
  • od 910 do 1400 °C modyfikacja γ z sześcienną siecią krystaliczną (fcc) centrowaną na ścianie jest stabilna;
  • od 1400 do 1539 ° C modyfikacja δ za pomocą sześciennej sieci krystalicznej skupionej na ciele (bcc) jest stabilna.

Obecność węgla i pierwiastków stopowych w stali znacząco zmienia temperatury przejść fazowych (patrz diagram fazowy żelazo-węgiel).Stały roztwór węgla w żelazie α i δ nazywany jest ferrytem. Czasami rozróżnia się wysokotemperaturowy δ-ferryt i niskotemperaturowy α-ferryt (lub po prostu ferryt), chociaż ich struktura atomowa jest taka sama. Stały roztwór węgla w żelazie γ nazywany jest austenitem.

  • W obszarze wysokich ciśnień (ponad 13 GPa, 128,3 tys. atm.) pojawia się modyfikacja żelaza ε o sześciokątnej siatce gęsto upakowanej (hcp).

Zjawisko polimorfizmu jest niezwykle ważne dla hutnictwa stali. To dzięki przejściom α-γ w sieci krystalicznej następuje obróbka cieplna stali. Bez tego zjawiska żelazo jako podstawa stali nie zyskałoby tak szerokiego zastosowania.
Żelazo jest metalem średnio ogniotrwałym. W szeregu standardowych potencjałów elektrod żelazo plasuje się przed wodorem i łatwo reaguje z rozcieńczonymi kwasami. Zatem żelazo należy do metali o aktywności pośredniej.
Temperatura topnienia żelaza wynosi 1539°C, temperatura wrzenia 2862°C.

Właściwości chemiczne

Charakterystyczne stany utlenienia

Żelazo charakteryzuje się stopniami utlenienia żelaza - +2 i +3.
Stopień utlenienia +2 odpowiada czarnemu tlenkowi FeO i zielonemu wodorotlenkowi Fe(OH)2. Mają charakter podstawowy. W solach Fe(+2) występuje jako kation. Fe(+2) jest słabym środkiem redukującym.
Stopień utlenienia +3 odpowiada czerwonobrązowemu tlenkowi Fe2O3 i brązowemu wodorotlenkowi Fe(OH)3. Mają charakter amfoteryczny, chociaż kwaśny, a ich podstawowe właściwości są słabo wyrażone. Zatem jony Fe3+ ulegają całkowitej hydrolizie nawet w środowisku kwaśnym. Fe(OH)3 rozpuszcza się (i nawet nie całkowicie) tylko w stężonych alkaliach. Fe2O3 reaguje z zasadami dopiero po stopieniu, dając ferryty (formalne sole kwasu HFeO2, który nie występuje w postaci wolnej):

Żelazo (+3) najczęściej wykazuje słabe właściwości utleniające.
Stany utlenienia +2 i +3 łatwo zmieniają się między sobą, gdy zmieniają się warunki redoks.
Ponadto istnieje tlenek Fe3O4, formalny stopień utlenienia żelaza, który wynosi +8/3. Jednakże tlenek ten można również uznać za ferryt żelaza (II) Fe+2(Fe+3O2)2.
Istnieje również stopień utlenienia +6. Odpowiedni tlenek i wodorotlenek nie występują w postaci wolnej, ale otrzymuje się sole - żelazoany (na przykład K2FeO4). Żelazo (+6) występuje w nich w formie anionu. Żelazany są silnymi utleniaczami.

Związki żelaza(II).

Tlenek żelaza(II) FeO ma właściwości zasadowe, odpowiada mu zasada Fe(OH)2. Sole żelaza (II) mają jasnozielony kolor. Podczas przechowywania, zwłaszcza w wilgotnym powietrzu, brązowieją w wyniku utlenienia do żelaza (III). Ten sam proces zachodzi podczas przechowywania wodnych roztworów soli żelaza (II):

Spośród soli żelaza(II) najbardziej stabilna w roztworach wodnych jest sól Mohra – podwójna amonowa i siarczan żelaza(II) (NH4)2Fe(SO4)2 · 6H2O.
Heksacyjanożelazian(III) potasu K3 (sól z czerwonej krwi) może służyć jako odczynnik dla jonów Fe2+ w roztworze. Kiedy jony Fe2+ i 3− oddziałują, wytrąca się heksacyjanożelazian (III) potasu i żelaza (II) (błękit pruski):

który przekształca się wewnątrzcząsteczkowo w heksacyjanożelazian (II) potasu i żelaza (III):

Do ilościowego oznaczania żelaza (II) w roztworze stosuje się fenantrolinę Phen, która tworzy z żelazem (II) czerwony kompleks FePhen3 (maksymalna absorpcja światła – 520 nm) w szerokim zakresie pH (4-9).

Związki żelaza(III).

Tlenek żelaza(III) Fe2O3 jest słabo amfoteryczny, towarzyszy mu jeszcze słabsza zasada niż Fe(OH)2, Fe(OH)3, która reaguje z kwasami:

Sole Fe3+ mają skłonność do tworzenia krystalicznych hydratów. W nich jon Fe3+ jest zwykle otoczony sześcioma cząsteczkami wody. Sole te mają kolor różowy lub fioletowy.
Jon Fe3+ ulega całkowitej hydrolizie nawet w środowisku kwaśnym. Przy pH>4 jon ten prawie całkowicie wytrąca się w postaci Fe(OH)3:

Przy częściowej hydrolizie jonu Fe3+ powstają wielopierścieniowe okso- i hydroksyokacje, przez co roztwory brązowieją.
Podstawowe właściwości wodorotlenku żelaza(III) Fe(OH)3 są bardzo słabo wyrażone. Może reagować tylko ze stężonymi roztworami zasad:

Powstałe hydroksykompleksy żelaza (III) są trwałe tylko w roztworach silnie zasadowych. Roztwory rozcieńczone wodą ulegają zniszczeniu i wytrąca się Fe(OH)3.
W połączeniu z zasadami i tlenkami innych metali Fe2O3 tworzy różnorodne ferryty:

Związki żelaza(III) w roztworach są redukowane przez metaliczne żelazo:

Żelazo(III) ma zdolność tworzenia podwójnych siarczanów z pojedynczo naładowanymi kationami, takimi jak ałun, np. KFe(SO4)2 – ałun żelazowo-potasowy, (NH4)Fe(SO4)2 – ałun żelazowo-amonowy itp.
Do jakościowego wykrywania związków żelaza(III) w roztworze wykorzystuje się jakościową reakcję jonów Fe3+ z nieorganicznymi tiocyjanianami SCN−. W tym przypadku tworzy się mieszanina jasnoczerwonych kompleksów żelaza tiocyjanianów 2+, +, Fe(SCN)3, -. Skład mieszaniny (a co za tym idzie intensywność jej zabarwienia) zależy od różnych czynników, dlatego metoda ta nie ma zastosowania do dokładnego jakościowego oznaczania żelaza.
Kolejnym wysokiej jakości odczynnikiem do usuwania jonów Fe3+ jest heksacyjanożelazian(II) potasu K4 (żółta sól krwi). Kiedy jony Fe3+ i 4− oddziałują, powstaje jasnoniebieski osad heksacyjanożelazianu (II) potasu i żelaza (III):

Jony Fe3+ oznacza się ilościowo poprzez tworzenie czerwonych (w środowisku lekko kwaśnym) lub żółtych (w środowisku lekko zasadowym) kompleksów z kwasem sulfosalicylowym. Reakcja ta wymaga odpowiedniego doboru buforów, ponieważ niektóre aniony (w szczególności octan) tworzą mieszane kompleksy z żelazem i kwasem sulfosalicylowym o własnych właściwościach optycznych.

Związki żelaza(VI).

Żelazany to sole kwasu żelazawego H2FeO4, które nie występują w postaci wolnej. Są to związki o barwie fioletowej, przypominające nadmanganianami właściwościami utleniającymi i siarczanami rozpuszczalnością. Żelazany otrzymuje się przez działanie gazowego chloru lub ozonu na zawiesinę Fe(OH)3 w zasadach:

Żelazany można również otrzymać przez elektrolizę 30% roztworu alkalicznego na żelaznej anodzie:

Żelazany są silnymi utleniaczami. W środowisku kwaśnym rozkładają się z wydzieleniem tlenu:

Właściwości utleniające nadżelazianów wykorzystuje się do dezynfekcji wody.

Aplikacja

Żelazo jest jednym z najczęściej używanych metali, stanowiącym aż 95% światowej produkcji metalurgicznej.

  • Żelazo jest głównym składnikiem stali i żeliwa – najważniejszych materiałów konstrukcyjnych.
  • Żelazo może być częścią stopów na bazie innych metali - na przykład niklu.
  • Magnetyczny tlenek żelaza (magnetyt) jest ważnym materiałem w produkcji urządzeń pamięci długotrwałej komputera: dysków twardych, dyskietek itp.
  • Ultradrobny proszek magnetytowy jest stosowany w wielu czarno-białych drukarkach laserowych zmieszany z granulkami polimeru jako tonerem. Wykorzystuje to zarówno czarny kolor magnetytu, jak i jego zdolność do przylegania do namagnesowanej rolki transferowej.
  • Unikalne właściwości ferromagnetyczne wielu stopów na bazie żelaza przyczyniają się do ich szerokiego zastosowania w elektrotechnice na rdzenie magnetyczne transformatorów i silników elektrycznych.
  • Chlorek żelaza (III) (chlorek żelaza) jest stosowany w amatorskiej praktyce radiowej do trawienia płytek drukowanych.
  • Heptat siarczanu żelazawego (siarczan żelazawy) zmieszany z siarczanem miedzi służy do zwalczania szkodliwych grzybów w ogrodnictwie i budownictwie.
  • Żelazo służy jako anoda w akumulatorach żelazowo-niklowych i żelazowo-powietrznych.
  • Wodne roztwory chlorków żelazawych i żelazowych, a także ich siarczanów stosuje się jako koagulanty w procesach oczyszczania wód naturalnych i ściekowych w uzdatnianiu wody w przedsiębiorstwach przemysłowych.