Первым железом, который попал в руки человека, был металл метеоритного происхождения. Люди уже умели плавить металлы, и быстро оценили преимущества звездного металла. Потом железосодержащие минералы обнаружили на земле. Изделия из этого металла настолько изменили жизнь, что эпоху после Бронзового века назвали Железным веком.
Содержание
История
История железа уходит в тысячелетия. Около 3500 лет назад, как писал А. Азимов,
«техника выплавки … железа была разработана в кавказских предгорьях».
Там находилось Хеттское царство. Воинственные хетты охраняли секрет выплавки пуще глаза, потому цена железа бывала выше цен на золото в десятки раз. Владеющие железным оружием почти автоматически выходили победителями в боях. А войны в основном шли за территории.
С изобретением сварного оружия пришел век чёрного металла.
Свойства
Железо (Ferrum, в формулах обозначается Fe) — химически активный элемент, относится к металлам. В таблице Менделеева имеет атомный № 26. Ferrum — черный металл.
Физические характеристики сильно зависят от чистоты металла.
Железо имеет 4 модификации; их различие в структуре и кристаллической решетке.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Железо / Ferrum (Fe), 26 |
| Атомная масса (молярная масса) |
55,845(2)[1] а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Ar] 3d6 4s2 |
| Радиус атома | 126 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 117 пм |
| Радиус иона | (+3e) 64 (+2e) 74 пм |
| Электроотрицательность | 1,83 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В |
| Степени окисления | 6, 3, 2, 0 |
| Энергия ионизации (первый электрон) |
759,1 (7,87) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 7,874 г/см³ |
| Температура плавления | 1812 K (1538,85 °C) |
| Температура кипения | 3134 K (2861 °C) |
| Уд. теплота плавления | 247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | ~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 25,14[2] Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 7,1 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая объёмноцентрированная |
| Параметры решётки | 2,866 Å |
| Температура Дебая | 460 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 80,4 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7439-89-6 |
Химические свойства железа:
- Степени окисления +2, +3.
- В присутствии влаги воздуха корродирует, причем слой ржавчины не мешает дальнейшему разрушению металла. Постоянной формулы ржавчина не имеет, общая ее формула Fe2O3·x H2O.
- Концентрированные растворы H2SO4 и HNO3 пассивируют поверхность железа, образуют оксидную пленку.
- При взаимодействии с неметаллами образуют нитриды, фосфиды, силициды, карбиды железа.
- Реагирует с металлами, восстанавливая их из растворов солей.
- Железная кислота в свободном виде не существует; ее соли — ферраты — обладают сильными окислительными свойствами. Эти свойства используют для обеззараживания воды.
Минералы
Железа в виде соединений и минералов на Земле много. Это второй по распространенности металл.
| Железосодержащие минералы | Название, содержание Fe (в %%) |
| Гематит (красный железняк) | До 70 |
| Магнетит (магнитный железняк) | 72 |
| Сидерит | 35 |
| Марказит | Больше 46 |
| Миспикель | 34 |
| Гётит | 62,9 |
Железные руды делятся на 11 промышленных типов.
Получение металла
Есть несколько способов получения железа:
- Прямые способы. Это производство губчатого железа в шахтных и тоннельных печах. Производство железной крицы во вращающихся печах. Возможно получение железа в реакторах кипящего слоя и химико-термический способ.
- Доменный процесс — распространенный метод. Железная руда и флюс восстанавливаются углеродом кокса, в результате получаем чугун. При надобности из чугуна удаляют примеси (фосфор, сера) и избытки углерода в мартеновских печах или в конвертерах. Легированную сталь получают в электрических печах (ЭПС).
- Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.
Плюсы и минусы
Множество достоинств, но и недостатков не меньше.
| Достоинства | Недостатки |
| Легкая механическая обработка | Высокая плотность; изделия получаются тяжелыми |
| Твердость, упругость, прочность — лучшие свойства сплавов | Коррозия металла в присутствии влаги |
| Возможность получать заданные свойства сплавов при добавлении малого количества примесей | Склонность к электрохимическому корродированию |
Ковкость дает возможность производить декоративные изделия.
Сплавы
Ориентироваться в море сплавов железа (сталей, чугунов) помогает маркировка. Она поможет определить состав сплава, количество углерода и легирующие элементы, отличить их свойства.
Стали делят по применению:
| Вид и марки стали | Применение |
| Строительная Ст0-3 | Вторичные элементы конструкций, малоответственные делали (перила, настилы) |
| Строительная Ст3 | Можно использовать для несущих конструкций, но при плюсовых температурах |
| Конструкционная Ст20 | Малонагруженные детали |
| Легированная 10ХСНД | Используют в сварных конструкциях судо- и вагоностроения, химическом машиностроении |
| Легированная 18ХГТ | Выдерживает ударные нагрузки, высокое давление |
| Легированная 09Г2С | Для работы под давлением, при температурах от -70 до +450 градусов. |
Применение
Более 90% всего металлургического производства занимает железо и его сплавы.
Применение соединений железа:
- двух- и трехвалентное железо используют в качестве коагулянта в системах водоочистки;
- аноды в железо-никелевых и железо-воздушных аккумуляторах изготовлены из самого известного черного металла;
- магнетит в виде ультрадисперсного порошка применяют в черно-белых лазерных принтерах;
- FeCl3 применяют радиолюбители (травят печатные платы);
- магнетит незаменим в изготовлении носителей памяти (жесткие диски).
Для большинства организмов без железа нет жизни; при его помощи кислород доставляется к каждой клетке организма. Недостаток железа влечет за собой хлорозы у растений и железодефицитные анемии у животных.
Купить — в листах и порошке
Цена листового железа 26900 руб/тонну; порошок ПЖР от 85 рублей за килограмм.
