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.
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.