Желязото е елемент от страничната подгрупа на осма група от четвъртия период на периодичната система от химични елементи на Д. И. Менделеев с атомен номер 26. Означава се със символа Fe (лат. Ferrum). Един от най-често срещаните метали в земната кора (на второ място след алуминия). Метал със средна активност, редуциращ агент.
Основни степени на окисление - +2, +3
Простото вещество желязо е ковък сребристобял метал с висока химическа реактивност: желязото бързо корозира при високи температури или висока влажност на въздуха. Желязото гори в чист кислород, а във фино диспергирано състояние спонтанно се запалва във въздуха.
Химични свойства на просто вещество - желязо:
Ръждясване и изгаряне в кислород
1) Във въздуха желязото лесно се окислява в присъствието на влага (ръждясва):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Нагорещена желязна тел гори в кислород, образувайки скала - железен оксид (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °C)
2) При високи температури (700–900°C) желязото реагира с водна пара:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) Желязото реагира с неметали при нагряване:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)
Fe + S – t° → FeS (600 °C)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700°C)
4) В серията на напрежението той е отляво на водорода, реагира с разредени киселини HCl и H 2 SO 4 и се образуват железни (II) соли и се отделя водород:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (реакциите се провеждат без достъп на въздух, в противен случай Fe +2 постепенно се превръща от кислород в Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (разреден) → FeSO 4 + H 2
В концентрирани окислителни киселини желязото се разтваря само при нагряване, веднага се превръща в катион Fe 3+:
2Fe + 6H 2 SO 4 (конц.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (конц.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(в студена, концентрирана азотна и сярна киселина пасивирам
Железен пирон, потопен в синкав разтвор на меден сулфат, постепенно се покрива с покритие от червена метална мед.
5) Желязото измества металите, разположени вдясно от него, от разтворите на техните соли.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Амфотерните свойства на желязото се проявяват само в концентрирани алкали по време на кипене:
Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O= Na 2 ↓+ H 2
и се образува утайка от натриев тетрахидроксоферат(II).
Технически хардуер- сплави на желязо и въглерод: чугунът съдържа 2,06-6,67% С, стомана 0,02-2,06% С, често присъстват други естествени примеси (S, P, Si) и изкуствено въведени специални добавки (Mn, Ni, Cr), което придава на железните сплави технически полезни свойства - твърдост, термична и корозионна устойчивост, ковкост и др. . .
Процес на производство на чугун в доменна пещ
Процесът на доменна пещ за производство на чугун се състои от следните етапи:
а) подготовка (изпичане) на сулфидни и карбонатни руди - превръщане в оксидна руда:
FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2800°C, -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2 500-600°C, -CO 2)
б) изгаряне на кокс с горещ взрив:
C (кокс) + O 2 (въздух) → CO 2 (600-700 ° C) CO 2 + C (кокс) ⇌ 2 CO (700-1000 ° C)
в) редукция на оксидна руда с въглероден оксид CO последователно:
Fe2O3 →(CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe
г) карбуризация на желязо (до 6,67% С) и топене на чугун:
Fe (t ) →(° С(Кока Кола)900-1200°С) Fe (течност) (чугун, точка на топене 1145°C)
Чугунът винаги съдържа цементит Fe 2 C и графит под формата на зърна.
Производство на стомана
Превръщането на чугун в стомана се извършва в специални пещи (конверторни, отворени, електрически), които се различават по метода на нагряване; температура на процеса 1700-2000 °C. Издухването на обогатен с кислород въздух води до изгаряне на излишния въглерод, както и на сяра, фосфор и силиций под формата на оксиди от чугуна. В този случай оксидите или се улавят под формата на отработени газове (CO 2, SO 2), или се свързват в лесно отделима шлака - смес от Ca 3 (PO 4) 2 и CaSiO 3. За производството на специални стомани в пещта се въвеждат легиращи добавки от други метали.
Касова бележкачисто желязо в промишлеността - електролиза на разтвор на железни соли, например:
FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90°С) (електролиза)
(има и други специални методи, включително редукция на железни оксиди с водород).
Чистото желязо се използва в производството на специални сплави, в производството на сърцевини на електромагнити и трансформатори, чугун - в производството на отливки и стомана, стомана - като конструкционни и инструментални материали, включително устойчиви на износване, топлина и корозия нечий.
Железен(II) оксид Е EO . Амфотерен оксид със силно преобладаване на основни свойства. Черен, има йонна структура Fe 2+ O 2-. При нагряване първо се разлага и след това се образува отново. Не се образува при изгаряне на желязото на въздух. Не реагира с вода. Разлага се с киселини, стопява се с основи. Бавно се окислява във влажен въздух. Редуциран от водород и кокс. Участва в доменния процес на топене на желязо. Използва се като компонент на керамика и минерални бои. Уравнения на най-важните реакции:
4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 °C, 900-1000 °C)
FeO + 2HC1 (разреден) = FeC1 2 + H 2 O
FeO + 4HNO 3 (конц.) = Fe(NO 3) 3 +NO 2 + 2H 2 O
FeO + 4NaOH = 2H 2 O + на 4ЕдО3 (червено.) триоксоферат(II)(400-500 °C)
FeO + H 2 = H 2 O + Fe (изключително чист) (350°C)
FeO + C (кокс) = Fe + CO (над 1000 °C)
FeO + CO = Fe + CO 2 (900°C)
4FeO + 2H 2 O (влага) + O 2 (въздух) → 4FeO(OH) (t)
6FeO + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500°C)
Касова бележка V лаборатории: термично разлагане на съединения на желязо (II) без достъп на въздух:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)
FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 °C)
Дижелезен(III) оксид - желязо( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Двоен оксид. Черно, има йонна структура Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Термично стабилен при високи температури. Не реагира с вода. Разлага се с киселини. Редуциран с водород, горещо желязо. Участва в доменния процес на производство на чугун. Използва се като компонент на минерални бои ( червено олово), керамика, цветен цимент. Продукт от специално окисляване на повърхността на стоманени продукти ( почерняване, посиняване). Съставът съответства на кафява ръжда и тъмен нагар върху желязото. Не се препоръчва използването на брутната формула Fe 3 O 4. Уравнения на най-важните реакции:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (над 1538 °C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8НС1 (разр.) = FeС1 2 + 2FeС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (конц.) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (въздух) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 ° C)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (изключително чист, 1000 °C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 (500-800°C)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fe ⇌4FeO (900-1000 °C, 560-700 °C)
Касова бележка:изгаряне на желязо (виж) във въздуха.
магнетит.
Железен(III) оксид Е e 2 O 3 . Амфотерен оксид с преобладаващи основни свойства. Червено-кафяв, има йонна структура (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Термично стабилен до високи температури. Не се образува при изгаряне на желязото на въздух. Не реагира с вода, от разтвора се утаява кафяв аморфен хидрат Fe 2 O 3 nH 2 O. Реагира бавно с киселини и основи. Редуцирано от въглероден окис, разтопено желязо. Слива се с оксиди на други метали и образува двойни оксиди - шпинели(техническите продукти се наричат ферити). Използва се като суровина при топенето на чугун в процеса на доменни пещи, катализатор при производството на амоняк, компонент на керамика, цветни цименти и минерални бои, при термитно заваряване на стоманени конструкции, като носител на звук и изображение върху магнитни ленти, като полиращ агент за стомана и стъкло.
Уравнения на най-важните реакции:
6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 +O 2 (1200-1300 °C)
Fe 2 O 3 + 6НС1 (разл.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)
Fe 2 O 3 + 2NaOH (конц.) → H 2 O+ 2 нАЕдО 2 (червен)диоксоферат(III)
Fe 2 O 3 + MO=(M II Fe 2 II I)O 4 (M=Cu, Mn, Fe, Ni, Zn)
Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O+ 2Fe (изключително чист, 1050-1100 °C)
Fe 2 O 3 + Fe = 3FeO (900 °C)
3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 + CO 2 (400-600 °C)
Касова бележкав лабораторията - термично разлагане на соли на желязо (III) във въздуха:
Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 °C)
4(Fe(NO 3) 3 9 H 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 °C)
В природата - руди от железен оксид хематит Fe 2 O 3 и лимонит Fe 2 O 3 nH 2 O
Железен(II) хидроксид Е e(OH)2. Амфотерен хидроксид с преобладаващи основни свойства. Бели (понякога със зеленикав оттенък), Fe-OH връзките са предимно ковалентни. Термично нестабилен. Лесно се окислява на въздух, особено когато е мокър (потъмнява). Неразтворим във вода. Реагира с разредени киселини и концентрирани алкали. Типичен редуктор. Междинен продукт при ръждясването на желязото. Използва се при производството на активната маса на желязо-никелови батерии.
Уравнения на най-важните реакции:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, atm.N 2)
Fe(OH) 2 + 2HC1 (разреден) = FeC1 2 + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (синьо-зелен) (кипещ)
4Fe(OH) 2 (суспензия) + O 2 (въздух) → 4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)
2Fe(OH) 2 (суспензия) +H 2 O 2 (разреден) = 2FeO(OH)↓ + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + KNO 3 (конц.) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 °C)
Касова бележка: утаяване от разтвор с основи или амонячен хидрат в инертна атмосфера:
Fe 2+ + 2OH (разреден) = Еe(OH) 2 ↓
Fe 2+ + 2(NH3H2O) = Еe(OH) 2 ↓+ 2NH 4
Железен метахидроксид Е еО(ОН). Амфотерен хидроксид с преобладаващи основни свойства. Светлокафявите, Fe - O и Fe - OH връзки са предимно ковалентни. При нагряване се разлага, без да се топи. Неразтворим във вода. Утаява се от разтвора под формата на кафяв аморфен полихидрат Fe 2 O 3 nH 2 O, който при задържане в разреден алкален разтвор или при изсушаване се превръща в FeO (OH). Реагира с киселини и твърди основи. Слаб окислител и редуциращ агент. Спечен с Fe(OH) 2. Междинен продукт при ръждясването на желязото. Използва се като основа за жълти минерални бои и емайллакове, абсорбер на отпадъчни газове и катализатор в органичния синтез.
Съединението със състав Fe(OH)3 е неизвестно (не е получено).
Уравнения на най-важните реакции:
Fe 2 O 3 . nH 2 O→( 200-250 °C, —з 2 О) FeO(OH)→( 560-700° C на въздух, -H2O)→ Fe 2 O 3
FeO(OH) + ZNS1 (разреден) = FeC1 3 + 2H 2 O
FeO(OH)→ Fe 2 О 3 . nH 2 О-колоид(NaOH (конц.))
FeO(OH)→ на 3 [Еe(OH)6]бяло, Na 5 и K 4 съответно; и в двата случая се утаява син продукт със същия състав и структура, KFe III. В лабораторията тази утайка се нарича пруско синьо, или търнбул синьо:
Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓
Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓
Химични наименования на изходните реагенти и реакционни продукти:
K 3 Fe III - калиев хексацианоферат (III)
K 4 Fe III - калиев хексацианоферат (II)
КFe III - желязо (III) калиев хексацианоферат (II)
В допълнение, добър реагент за Fe 3+ йони е тиоцианатният йон NСS -, желязото (III) се комбинира с него и се появява яркочервен („кървав“) цвят:
Fe 3+ + 6NCS - = 3-
Този реагент (например под формата на KNCS сол) може дори да открие следи от желязо (III) в чешмяната вода, ако премине през железни тръби, покрити с ръжда отвътре.
Постъпления от руди е изобретен на Запад. части от Азия през 2-ро хилядолетие пр.н.е. д.; последвано от използването на разпределени във Вавилон, Египет, Гърция; за замяна на бронз, c. влезе желязо. Според съдържанието в литосферата (4,65 тегл.%) l. се нарежда на 2-ро място сред металите (алуминият е на 1-во място) и образува прибл. 300 минерала (оксиди, сулфиди, силикати, карбонати и др.).
J. може да съществува под формата на три алотропични. модификации: a-Fe с bcc, y-Fe с fcc и 8-Fe с bcc кристален. решетки; a-Fe е феромагнитен до 769 °C (точка на Кюри). Модификациите y~Fe и b-Fe са парамагнитни. Полиморфните трансформации на желязото и стоманата при нагряване и охлаждане са открити през 1868 г. от D.K. Chernov. Fe проявява променлива валентност (съединения на 2- и 3-валентното желязо са най-стабилни) С кислорода желязото образува оксидите FeO, Fe2O3 и Fe3O4 Плътност на течността (със съдържание на примеси< 0,01 мае %) 7,874 г/ /см3, /т=1539"С, /КИЛ*3200«С.
Желязото е най-важният метал в съвременните технологии. В чист вид поради ниската си якост. практичен не се използва Основен масаж. Използва се под формата на много различни по състав и свойства сплави. Делът на сплавите е представлява ~ 95% от всички метални. продукти.
Чисто Fe се получава в малки количества чрез електролиза на водни разтвори на неговите соли или редукция с водород. достатъчно чиста получават директно възстановяване. немедииран от рудни концентрати (заобикаляйки доменната пещ, пещта), водород, природен газ или въглища при ниски температури (гъба Fe, железен прах, метализирани пелети):
Гъбата е получена пореста маса с високо съдържание на желязо. намаляване на оксидите при /< /пл. Сырье - ж. руда, окатыши, железорудный концентрат и прокатная окалина , а восстановитель -углерод (некоксующийся уголь , антрацит , торф, сажа), газы (водород, конверторов., природ, и др. горючие газы) или их сочетание. Г. ж. для выплавки качеств, стали в электропечах, должно иметь степень металлизации рем/реобш ^ 85 % (желат. 92-95 %) и пустой породы < 4-5 %. Содержание углерода зависит от способа произ-ва г. ж. В процессах FIOR, SL-RN и HIB получают г. ж. с 0,2-0,7 % С, в процессе Midrex 0,8-2,5 % С. При газ. восстановлении содерж. 0,01-0,015 % S. Фосфор присутствует в виде оксидов и после расплавления переходит в шлак. Из г. ж., получаемого способами H-Iron, Heganes и Сулинского мет. з-да с 97-99 % FeM механич. измельчением с последующим отжигом изготовляют жел. порошок. Общая пористость г. ж. из руды - 45- 50 %, из окатышей 45-70 %. Насыпная масса - 1,6-2,1 т/м3. Для г. ж. характерна большая уд. поверхность , к-рая, включая внутр. пов-ть открытых пор, сост. 0,2-1 М3/г. Г. ж. имеет по-выш. склонность к вторичному окислению. При темп-pax в печи ниже 550-575 °С охлажд. металлизов. продукт пирофорен (самовозгорается на воздухе при комн. темп-ре). В совр. процессах г. ж. получают при / >700 °C, което намалява неговата активност и позволява да се съхранява на въздух (при липса на влага) без забележимо намаляване на степента на метализация. G. l., произведен по високотемпературна технология - при /> 850 ° C, има ниска склонност към вторично окисляване при навлажняване, което гарантира. безопасното му транспортиране в открити вагони, транспортиране с морски (речен) транспорт, съхранение в открити стекове;
Директно получено желязо - желязо, получено по химичен, електрохимичен път. или химико-термична. начини директно от руда, заобикаляйки доменната пещ, под формата на прах, гъба. желязо (метализирани пелети), кристал или течен метал. Naib, производството на гъби започна да се развива. желязо при 700-1150 °C, използвайки газови методи. възстановяване на руда (пелети) в шахтови пещи и използване на ТВ. гориво в ротация фурни Железен pp с 88-93% FeM се използва като шихта за топене на стомана и с по-високо съдържание (98-99%) за производството на желязо. прах;
Карбонилното желязо е железен прах, получен чрез термична обработка. разлагане на железен пентакарбонил; характеризиращ се с висока чистота;
самородно желязо - желязото, което се среща в природата под формата на минерали. Те се различават според условията, при които се намира телурът. или земни (никел-желязо) и метеоритни (космически) p. и. Телурски. желязото е рядък минерал - модификация на a-Fe, среща се под формата на отделни. люспи, зърна, гъби. маси и клъстери. Състав – тв. разтвор на Fe и Ni (до 30% Ni). Село Метеоритное и. образувани в процесите на космическо формиране. тела и пада на Земята под формата на метеорити; съдържа до 25% Ni. Цвят стоманеносив до черен, металик. блясък, непрозрачен, тв. точки 4-5 по минералогически. скала, y = 7,3-8,2 g/cm3 (в зависимост от съдържанието на Ni). Силно магнитен, добро коване;
Електролитно желязо - желязо, получено по електролитен път. рафиниране; характеризиращ се с висока чистота на примеси (<0,02 % С; 0,01 % О2);
електрическо желязо - използвана в електротехниката стомана (или т.нар. техническо чисто желязо) с общо съдържание. примеси до 0,08-0,10%, включително до 0,05% С.Е.ж. има нисък ритъм. електрически устойчивост, има по-висока загуби, дължащи се на вихрови токове, и следователно използването му като цяло е ограничено. пост магнитни вериги, магнитен поток (полюсни накрайници, магнитни вериги, релета и др.);
A-желязо - нискотемпературна модификация на желязо с bcc решетка (при 20 °C a = 286,645 pm), стабилна< 910 °С; a-Fe ферромагнитно при t < 769 °С (точка Кюри);
Y-желязото е високотемпературна модификация на желязото с fcc решетка (a = 364 pm), стабилна при 910-1400 °C; парамагнитни;
5-желязото е високотемпературна модификация на желязото с bcc решетка (a = 294 pm), стабилна от 1400 °C до tm, парамагнитна.
- Обозначение - Fe (желязо);
- Период - IV;
- Група - 8 (VIII);
- Атомна маса - 55.845;
- Атомен номер - 26;
- Атомен радиус = 126 pm;
- Ковалентен радиус = 117 pm;
- Електронно разпределение - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ;
- температура на топене = 1535°C;
- точка на кипене = 2750°C;
- Електроотрицателност (според Pauling/според Alpred и Rochow) = 1.83/1.64;
- Степен на окисление: +8, +6, +4, +3, +2, +1, 0;
- Плътност (бр.) = 7,874 g/cm3;
- Моларен обем = 7,1 cm3/mol.
Железни съединения:
Желязото е най-разпространеният метал в земната кора (5,1% от масата) след алуминия.
На Земята свободното желязо се намира в малки количества под формата на късчета, както и в паднали метеорити.
Индустриално желязото се добива от находища на желязна руда от желязосъдържащи минерали: магнитна, червена, кафява желязна руда.
Трябва да се каже, че желязото е част от много естествени минерали, причинявайки естествения им цвят. Цветът на минералите зависи от концентрацията и съотношението на железните йони Fe 2+ /Fe 3+, както и от атомите около тези йони. Например наличието на примеси на железни йони влияе на цвета на много скъпоценни и полускъпоценни камъни: топази (от бледожълт до червен), сапфири (от синьо до тъмно синьо), аквамарини (от светло синьо до зеленикаво синьо), и т.н.
Желязото се намира в тъканите на животни и растения, например в тялото на възрастен човек има около 5 g желязо. Желязото е жизненоважен елемент, то е част от протеина хемоглобин, участва в транспорта на кислород от белите дробове до тъканите и клетките. При липса на желязо в човешкото тяло се развива анемия (желязодефицитна анемия).
Ориз. Структура на атома на желязото.
Електронната конфигурация на железния атом е 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (виж Електронна структура на атомите). При образуването на химични връзки с други елементи могат да участват 2 електрона, разположени на външното ниво 4s + 6 електрона от подниво 3d (общо 8 електрона), следователно в съединенията желязото може да приеме степени на окисление +8, +6, +4, +3, +2, +1, (най-често срещаните са +3, +2). Желязото има средна химическа активност.
Ориз. Степени на окисление на желязото: +2, +3.
Физични свойства на желязото:
- сребристо-бял метал;
- в чистата си форма е доста мек и пластичен;
- има добра топло- и електрическа проводимост.
Желязото съществува под формата на четири модификации (те се различават по структурата на кристалната решетка): α-желязо; β-желязо; γ-желязо; δ-желязо.
Химични свойства на желязото
- реагира с кислород, в зависимост от температурата и концентрацията на кислород, могат да се образуват различни продукти или смес от продукти на окисляване на желязо (FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4):
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4; - окисляване на желязо при ниски температури:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; - реагира с водна пара:
3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2; - фино натрошеното желязо реагира при нагряване със сяра и хлор (железен сулфид и хлорид):
Fe + S = FeS; 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3; - при високи температури реагира със силиций, въглерод, фосфор:
3Fe + C = Fe 3 C; - Желязото може да образува сплави с други метали и неметали;
- желязото измества по-малко активните метали от техните соли:
Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu; - С разредени киселини желязото действа като редуциращ агент, образувайки соли:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2; - с разредена азотна киселина желязото образува различни киселинно-редукционни продукти в зависимост от концентрацията си (N 2, N 2 O, NO 2).
Получаване и използване на желязо
Получава се индустриално желязо топенечугун и стомана.
Чугунът е сплав от желязо с примеси на силиций, манган, сяра, фосфор и въглерод. Съдържанието на въглерод в чугуна надвишава 2% (в стоманата по-малко от 2%).
Чисто желязо се получава:
- в кислородни конвертори от чугун;
- редукция на железни оксиди с водород и двувалентен въглероден оксид;
- електролиза на съответните соли.
Чугунът се получава от железни руди чрез редукция на железни оксиди. Топенето на желязо се извършва в доменни пещи. Коксът се използва като източник на топлина в доменна пещ.
Доменната пещ е много сложна техническа конструкция с височина няколко десетки метра. Облицована е с огнеупорни тухли и е защитена с външен стоманен кожух. Към 2013 г. най-голямата доменна пещ е построена в Южна Корея от стоманодобивната компания POSCO в металургичния завод Gwangyang (обемът на пещта след модернизацията е 6000 кубически метра с годишен капацитет от 5 700 000 тона).
Ориз. Доменна пещ.
Процесът на топене на чугун в доменна пещ продължава непрекъснато в продължение на няколко десетилетия, докато пещта достигне своя край.
Ориз. Процесът на топене на желязо в доменна пещ.
- обогатени руди (магнитна, червена, кафява желязна руда) и кокс се изливат през горната част на доменната пещ;
- процесите на редукция на желязото от рудата под въздействието на въглероден оксид (II) протичат в средната част на доменната пещ (рудника) при температура 450-1100 ° C (железните оксиди се редуцират до метал):
- 450-500°C - 3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2;
- 600°C - Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
- 800°C - FeO + CO = Fe + CO 2 ;
- част от двувалентния железен оксид се редуцира от кокс: FeO + C = Fe + CO.
- Успоредно с това протича процесът на редукция на силициевите и мангановите оксиди (включени в желязната руда под формата на примеси); силицият и манганът са част от топещото се желязо:
- SiO 2 + 2C = Si + 2CO;
- Mn 2 O 3 + 3C = 2Mn + 3CO.
- По време на термичното разлагане на варовик (въведен в доменна пещ) се образува калциев оксид, който реагира със силициевите и алуминиевите оксиди, съдържащи се в рудата:
- CaCO 3 = CaO + CO 2;
- CaO + SiO 2 = CaSiO 3;
- CaO + Al 2 O 3 = Ca(AlO 2) 2.
- при 1100°C процесът на редукция на желязото спира;
- под шахтата има пара, най-широката част на доменната пещ, под която има рамо, в което изгаря коксът и се образуват течни продукти на топене - чугун и шлака, които се натрупват в самото дъно на пещта - ковачница;
- В горната част на огнището при температура 1500°C протича интензивно изгаряне на кокс в поток от издухан въздух: C + O 2 = CO 2 ;
- преминавайки през горещ кокс, въглеродният оксид (IV) се превръща във въглероден оксид (II), който е редуциращ агент за желязото (виж по-горе): CO 2 + C = 2CO;
- шлаките, образувани от силикати и калциеви алумосиликати, се намират над чугуна, предпазвайки го от действието на кислорода;
- през специални отвори, разположени на различни нива на огнището, се изхвърлят чугун и шлака;
- По-голямата част от чугуна се използва за по-нататъшна обработка - топене на стомана.
Стоманата се топи от чугун и метален скрап по конверторния метод (методът с отворено огнище вече е остарял, въпреки че все още се използва) или чрез електрическо топене (в електрически пещи, индукционни пещи). Същността на процеса (преработка на чугун) е да се намали концентрацията на въглерод и други примеси чрез окисление с кислород.
Както бе споменато по-горе, концентрацията на въглерод в стоманата не надвишава 2%. Благодарение на това стоманата, за разлика от чугуна, може да се кове и валцува доста лесно, което прави възможно производството на различни продукти от нея, които имат висока твърдост и здравина.
Твърдостта на стоманата зависи от съдържанието на въглерод (колкото повече въглерод, толкова по-твърда е стоманата) в определен клас стомана и условията на топлинна обработка. По време на темпериране (бавно охлаждане) стоманата става мека; При закаляване (бързо охлаждане) стоманата става много твърда.
За да се придадат на стоманата необходимите специфични свойства, към нея се добавят легиращи добавки: хром, никел, силиций, молибден, ванадий, манган и др.
Чугунът и стоманата са най-важните структурни материали в по-голямата част от секторите на националната икономика.
Биологична роля на желязото:
- тялото на възрастен човек съдържа около 5 g желязо;
- желязото играе важна роля във функционирането на хемопоетичните органи;
- желязото е част от много сложни протеинови комплекси (хемоглобин, миоглобин, различни ензими).
Желязото е добре познат химичен елемент. Принадлежи към металите със средна химическа активност. Ще разгледаме свойствата и употребата на желязото в тази статия.
Разпространение в природата
Има доста голям брой минерали, които съдържат желязо. На първо място, това е магнетит. Състои се от седемдесет и два процента желязо. Химичната му формула е Fe 3 O 4. Този минерал се нарича още магнитна желязна руда. Има светлосив цвят, понякога с тъмно сиво, дори черно, с метален блясък. Най-голямото му находище сред страните от ОНД се намира в Урал.
Следващият минерал с високо съдържание на желязо е хематитът - той се състои от седемдесет процента от този елемент. Химичната му формула е Fe 2 O 3. Нарича се още червена желязна руда. Има цвят от червено-кафяв до червено-сив. Най-голямото находище в страните от ОНД се намира в Кривой Рог.
Третият минерал, съдържащ желязо, е лимонитът. Тук желязото е шестдесет процента от общата маса. Това е кристален хидрат, т.е. водните молекули са вплетени в неговата кристална решетка, неговата химическа формула е Fe 2 O 3 .H 2 O. Както подсказва името, този минерал има жълто-кафеникав цвят, понякога кафяв. Той е един от основните компоненти на естествената охра и се използва като пигмент. Нарича се още кафява желязна руда. Най-големите местоположения са Крим и Урал.
Сидеритът, така наречената желязна руда, съдържа четиридесет и осем процента ферум. Химичната му формула е FeCO3. Структурата му е разнородна и се състои от кристали с различни цветове, свързани заедно: сиво, бледозелено, сиво-жълто, кафяво-жълто и др.
Последният често срещан минерал с високо съдържание на желязо в природата е пиритът. Той има следната химична формула: FeS 2. Съдържа желязо четиридесет и шест процента от общата маса. Благодарение на серните атоми този минерал има златисто-жълт цвят.
Много от обсъжданите минерали се използват за получаване на чисто желязо. В допълнение, хематитът се използва в производството на бижута от естествени камъни. Пиритни включвания може да присъстват в бижутата от лапис лазули. Освен това желязото се среща в природата в живите организми - то е един от най-важните компоненти на клетките. Този микроелемент трябва да се доставя на човешкото тяло в достатъчни количества. Лечебните свойства на желязото до голяма степен се дължат на факта, че този химичен елемент е в основата на хемоглобина. Следователно употребата на ферум има добър ефект върху състоянието на кръвта и следователно на целия организъм като цяло.
Желязо: физични и химични свойства
Нека да разгледаме тези два големи раздела по ред. желязото е неговият външен вид, плътност, точка на топене и т.н. Това са всички отличителни черти на веществото, които са свързани с физиката. Химичните свойства на желязото са способността му да реагира с други съединения. Да започнем с първите.
Физични свойства на желязото
В чиста форма при нормални условия е твърдо вещество. Има сребристосив цвят и подчертан метален блясък. Механичните свойства на желязото включват ниво на твърдост четири (средно). Желязото има добра електрическа и топлопроводимост. Последната характеристика може да се усети чрез докосване на железен предмет в студена стая. Тъй като този материал провежда топлината бързо, той премахва по-голямата част от кожата ви за кратък период от време, поради което се чувствате студени.
Ако докоснете например дърво, ще забележите, че неговата топлопроводимост е много по-ниска. Физичните свойства на желязото включват неговите точки на топене и кипене. Първата е 1539 градуса по Целзий, втората е 2860 градуса по Целзий. Можем да заключим, че характерните свойства на желязото са добра пластичност и топимост. Но това не е всичко.
Също така, физичните свойства на желязото включват неговия феромагнетизъм. Какво е? Желязото, чиито магнитни свойства можем да наблюдаваме в практически примери всеки ден, е единственият метал, който има такава уникална отличителна черта. Това се обяснява с факта, че този материал е способен да се магнетизира под въздействието на магнитно поле. И след края на действието на последния, желязото, чиито магнитни свойства току-що са се формирали, остава магнит за дълго време. Това явление може да се обясни с факта, че в структурата на този метал има много свободни електрони, които могат да се движат.
От химическа гледна точка
Този елемент принадлежи към металите със средна активност. Но химичните свойства на желязото са типични за всички други метали (с изключение на тези, които са вдясно от водорода в електрохимичната серия). Той е способен да реагира с много класове вещества.
Да започнем с простите
Ферумът взаимодейства с кислород, азот, халогени (йод, бром, хлор, флуор), фосфор и въглерод. Първото нещо, което трябва да имате предвид, са реакциите с кислорода. При изгаряне на желязо се образуват неговите оксиди. В зависимост от условията на реакцията и пропорциите между двамата участници те могат да варират. Като пример за този вид взаимодействие могат да се дадат следните уравнения на реакцията: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4. А свойствата на железния оксид (както физични, така и химични) могат да варират в зависимост от вида му. Тези видове реакции протичат при високи температури.
Следващото нещо е взаимодействието с азота. Също така може да се случи само при условие на нагряване. Ако вземем шест мола желязо и един мол азот, ще получим два мола железен нитрид. Уравнението на реакцията ще изглежда така: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
При взаимодействие с фосфор се образува фосфид. За провеждане на реакцията са необходими следните компоненти: за три мола ферум - един мол фосфор, в резултат на което се образува един мол фосфид. Уравнението може да се напише по следния начин: 3Fe + P = Fe 3 P.
Освен това сред реакциите с прости вещества може да се разграничи и взаимодействието със сярата. В този случай може да се получи сулфид. Принципът, по който протича процесът на образуване на това вещество, е подобен на описания по-горе. А именно, възниква реакция на добавяне. Всички химични взаимодействия от този вид изискват специални условия, главно високи температури, по-рядко катализатори.
Реакциите между желязо и халогени също са често срещани в химическата промишленост. Това са хлориране, бромиране, йодиране, флуориране. Както става ясно от имената на самите реакции, това е процес на добавяне на хлор/бром/йод/флуорни атоми към железни атоми, за да се образува съответно хлорид/бромид/йодид/флуорид. Тези вещества се използват широко в различни индустрии. В допълнение, ферумът може да се комбинира със силиций при високи температури. Поради разнообразните химични свойства на желязото, то често се използва в химическата промишленост.
Ферум и сложни вещества
От простите вещества преминаваме към тези, чиито молекули се състоят от два или повече различни химични елемента. Първото нещо, което трябва да споменем, е реакцията на ферум с вода. Тук се проявяват основните свойства на желязото. Когато водата се нагрява, тя се образува заедно с желязото (нарича се така, защото когато взаимодейства със същата вода, образува хидроксид, с други думи, основа). Така че, ако вземете един мол от двата компонента, вещества като железен диоксид и водород се образуват под формата на газ с остра миризма - също в моларни пропорции едно към едно. Уравнението за този тип реакция може да бъде написано, както следва: Fe + H 2 O = FeO + H 2. В зависимост от пропорциите, в които се смесват тези два компонента, може да се получи железен ди- или триоксид. И двете вещества са много разпространени в химическата промишленост и се използват и в много други индустрии.
С киселини и соли
Тъй като ферумът е разположен отляво на водорода в серията електрохимични активности на металите, той е в състояние да измести този елемент от съединенията. Пример за това е реакцията на изместване, която може да се наблюдава, когато желязото се добави към киселина. Например, ако смесите желязо и сулфатна киселина (известна също като сярна киселина) със средна концентрация в равни моларни пропорции, резултатът е железен (II) сулфат и водород в равни моларни пропорции. Уравнението за такава реакция ще изглежда така: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.
При взаимодействие със соли се проявяват редуциращите свойства на желязото. Тоест може да се използва за изолиране на по-малко активен метал от сол. Например, ако вземете един мол и същото количество ферум, можете да получите железен (II) сулфат и чиста мед в същите моларни пропорции.
Значение за организма
Един от най-често срещаните химически елементи в земната кора е желязото. Вече го разгледахме, сега нека подходим към него от биологична гледна точка. Ферумът изпълнява много важни функции както на клетъчно ниво, така и на ниво цял организъм. На първо място, желязото е в основата на такъв протеин като хемоглобин. Той е необходим за транспортирането на кислород чрез кръвта от белите дробове до всички тъкани, органи, до всяка клетка на тялото, преди всичко до невроните на мозъка. Следователно полезните свойства на желязото не могат да бъдат надценени.
Освен че влияе върху кръвообразуването, ферумът е важен и за пълното функциониране на щитовидната жлеза (за това е необходим не само йод, както смятат някои). Желязото също участва във вътреклетъчния метаболизъм и регулира имунитета. Ферумът също се намира в особено големи количества в чернодробните клетки, тъй като помага за неутрализиране на вредните вещества. Освен това е един от основните компоненти на много видове ензими в нашето тяло. Ежедневната диета на човек трябва да съдържа от десет до двадесет милиграма от този микроелемент.
Богати на желязо храни
Има много от тях. Те са както от растителен, така и от животински произход. Първите са зърнени храни, бобови растения, зърнени култури (особено елда), ябълки, гъби (бели), сушени плодове, шипки, круши, праскови, авокадо, тиква, бадеми, фурми, домати, броколи, зеле, боровинки, къпини, целина, Вторите са черен дроб и месо. Консумацията на храни с високо съдържание на желязо е особено важна по време на бременност, тъй като тялото на развиващия се плод се нуждае от големи количества от този микроелемент за пълноценен растеж и развитие.
Признаци на дефицит на желязо в организма
Симптомите на твърде малко количество желязо, навлизащо в тялото, са умора, постоянно замръзване на ръцете и краката, депресия, чуплива коса и нокти, намалена интелектуална активност, храносмилателни разстройства, ниска работоспособност и дисфункция на щитовидната жлеза. Ако забележите няколко от тези симптоми, може да си струва да увеличите количеството храни, съдържащи желязо, във вашата диета или да закупите витамини или хранителни добавки, които съдържат ферум. Трябва също така да се консултирате с лекар, ако почувствате някой от тези симптоми твърде остро.
Използване на ферум в промишлеността
Употребите и свойствата на желязото са тясно свързани. Поради своята феромагнитна природа се използва за направата на магнити - както по-слаби за битови цели (сувенирни магнити за хладилник и др.), така и по-силни за промишлени цели. Поради факта, че въпросният метал има висока якост и твърдост, той се използва от древни времена за производството на оръжия, брони и други военни и битови инструменти. Между другото, още в Древен Египет е известно метеоритно желязо, чиито свойства са по-добри от тези на обикновения метал. Това специално желязо е използвано и в Древен Рим. От него са правени елитни оръжия. Щит или меч от метеоритен метал може да притежава само много богат и благороден човек.
Като цяло металът, който разглеждаме в тази статия, е най-универсалният сред всички вещества в тази група. На първо място, от него се произвеждат стомана и чугун, които се използват за производството на всякакви продукти, необходими както в индустрията, така и в ежедневието.
Чугунът е сплав от желязо и въглерод, в която последният присъства от 1,7 до 4,5 процента. Ако второто е по-малко от 1,7 процента, тогава този вид сплав се нарича стомана. Ако в състава има около 0,02 процента въглерод, тогава това вече е обикновено техническо желязо. Наличието на въглерод в сплавта е необходимо, за да й се придаде по-голяма здравина, устойчивост на топлина и устойчивост на ръжда.
Освен това стоманата може да съдържа много други химични елементи като примеси. Това включва манган, фосфор и силиций. Също така, хром, никел, молибден, волфрам и много други химически елементи могат да бъдат добавени към този вид сплав, за да му придадат определени качества. Като трансформаторни стомани се използват видове стомани, съдържащи голямо количество силиций (около четири процента). Тези, които съдържат много манган (до дванадесет до четиринадесет процента), се използват в производството на части за железопътни линии, мелници, трошачки и други инструменти, части от които са обект на бързо износване.
Към сплавта се добавя молибден, за да стане по-устойчива на топлина; такива стомани се използват като инструментални. Освен това, за да се получат неръждаеми стомани, които са добре познати и често използвани в ежедневието под формата на ножове и други домакински инструменти, е необходимо да се добавят хром, никел и титан към сплавта. И за да се получи удароустойчива, високоякостна, пластична стомана, е достатъчно да се добави ванадий към нея. Чрез добавяне на ниобий към състава може да се постигне висока устойчивост на корозия и химически агресивни вещества.
Минералът магнетит, който беше споменат в началото на статията, е необходим за производството на твърди дискове, карти с памет и други устройства от този тип. Благодарение на магнитните си свойства желязото може да се намери в трансформатори, двигатели, електронни продукти и др. Освен това ферумът може да се добавя към сплави от други метали, за да им придаде по-голяма якост и механична стабилност. Сулфатът на този елемент се използва в градинарството за борба с вредителите (заедно с медния сулфат).
Те са незаменими за пречистване на водата. Освен това прахът от магнетит се използва в черно-бели принтери. Основната употреба на пирита е получаването на сярна киселина от него. Този процес протича в лабораторни условия на три етапа. В първия етап железният пирит се изгаря, за да се получат железен оксид и серен диоксид. На втория етап превръщането на серен диоксид в неговия триоксид става с участието на кислород. И на последния етап полученото вещество се пропуска в присъствието на катализатори, като по този начин се получава сярна киселина.
Получаване на желязо
Този метал се добива главно от двата си основни минерала: магнетит и хематит. Това става чрез редуциране на желязото от неговите съединения с въглерод под формата на кокс. Това се прави в доменни пещи, температурата в които достига две хиляди градуса по Целзий. Освен това има метод за редуциране на ферум с водород. За да направите това, не е необходимо да имате доменна пещ. За да приложат този метод, те вземат специална глина, смесват я с натрошена руда и я обработват с водород в шахтова пещ.
Заключение
Свойствата и приложенията на желязото са разнообразни. Това е може би най-важният метал в нашия живот. След като стана известен на човечеството, той зае мястото на бронза, който по това време беше основният материал за производството на всички инструменти, както и оръжия. Стоманата и чугунът в много отношения превъзхождат сплавта от мед и калай по отношение на техните физични свойства и устойчивост на механични натоварвания.
Освен това желязото е по-разпространено на нашата планета от много други метали. той е почти пет процента в земната кора. Това е четвъртият най-разпространен химичен елемент в природата. Също така, този химичен елемент е много важен за нормалното функциониране на тялото на животните и растенията, главно защото хемоглобинът е изграден на негова основа. Желязото е основен микроелемент, чиято консумация е важна за поддържане на здравето и нормалното функциониране на органите. В допълнение към горното, това е единственият метал, който има уникални магнитни свойства. Невъзможно е да си представим живота си без ферум.
Фероксидни катализатори за малинов прах, възпламенителен състав, крамелно гориво.
Метод 1. Получаване на железен оксид Fe 2 O 3 от железен сулфат
Железните оксиди много често се използват като катализатори в пиротехнически съединения. Преди това те можеха да бъдат закупени в магазините. Например монохидратът на железен оксид FeOOH е открит като багрило „жълт пигмент на железен оксид“. Железният оксид Fe 2 O 3 се продаваше под формата на червено олово. В момента се оказва, че не е лесно да се купи всичко това. Трябваше да се притеснявам да го взема у дома. Не съм кой знае какъв химик, но животът ме принуди. Проучих препоръки онлайн. Уви, нормално, т.е. Оказа се трудно да се намери проста и безопасна рецепта за домашна употреба. Имаше само една рецепта, която изглеждаше доста подходяща, но не можах да я намеря отново. Имам списък с приемливи компоненти в главата си. Реших да използвам собствен метод. Колкото и да е странно, резултатът се оказа много приемлив. Резултатът беше съединение с очевидни признаци на железен оксид, много хомогенно и фино диспергирано. Използването му в малинов прах и вторичен възпламенител напълно потвърдиха, че това, което беше необходимо, беше получено.
И така, купуваме го в магазина за градинарство. железен сулфат FeSO4, купуваме хапчета в аптеката хидроперит, три опаковки и запасяване в кухнята сода бикарбонат NaHCO3. Имаме всички съставки, нека започнем да готвим. Вместо таблетки хидроперит можете да използвате разтвор водороден пероксид H 2 0 2, има и в аптеките.
В стъклен съд с обем 0,5 литра се разтварят около 80 g (една трета от опаковката) железен сулфат в гореща вода. Добавете сода за хляб на малки порции, като разбърквате. Образуват се някакви боклуци с много гаден цвят, които много се пенят.
FeSO 4 +2NaHCO 3 =FeCO 3 +Na 2 SO 4 +H 2 O+CO 2
Следователно всичко трябва да се направи в мивката. Добавете сода за хляб, докато пяната почти спре. След леко утаяване на сместа, започваме бавно да изсипваме натрошените таблетки хидроперит. Реакцията отново протича доста бързо с образуването на пяна. Сместа придобива характерен цвят и се появява познатата миризма на ръжда.
2FeCO3 +H2O2 =2FeOOH+2CO2
Продължаваме отново да пълним хидроперита, докато разпенването, тоест реакцията, почти напълно спре.
Оставяме нашия химически съд сам и виждаме как се образува червена утайка - това е нашият оксид, по-точно FeOOH оксид монохидрат или хидроксид. Остава само да се неутрализира връзката. Оставете утайката да се утаи и отцедете излишната течност. След това добавете чиста вода, оставете да престои и отцедете отново. Повтаряме това 3-4 пъти. Накрая изсипете утайката върху хартиена кърпа и изсушете. Полученият прах е отличен катализатор и вече може да се използва в производството на стопини и вторичен възпламенителен състав, „малинови” барут и за катализиране на карамелни ракетни горива. /25.01.2008, kia-soft/
Въпреки това, оригиналната рецепта за "малина" барут определя използването на чист червен оксид Fe 2 O 3. Както показаха експериментите с катализа на карамел, Fe 2 O 3 наистина е малко по-активен катализатор от FeOOH. За да се получи железен оксид, достатъчно е да се калцинира полученият хидроксид върху горещ железен лист или просто в тенекиена кутия. В резултат на това се образува червен Fe 2 O 3 прах.
След като направя муфелната пещ, я калцинирам за 1-1,5 часа при температура 300-350 ° C. Много удобно. /kia-soft 06.12.2007/
P.S.
Независимо изследване на ракетния учен vega показа, че катализаторът, получен по този метод, има повишена активност в сравнение с промишлените фероксиди, което е особено забележимо в горивото от захарен карамел, получено чрез изпаряване.
Метод 2. Получаване на железен оксид Fe 2 O 3 от железен хлорид
Има информация за тази възможност в интернет, например във форума на българските ракетни учени се получава оксид с помощта на бикарбонат, във форума на химиците се споменава за този метод, но не обърнах много внимание, тъй като нямах железен хлорид. Наскоро ми беше напомнено за тази опция от гост на моя сайт RubberBigPepper. Много навреме, тъй като се занимавах активно с електроника и купих хлорид. Реших да тествам тази опция за производство на железен хидроксид. Методът е малко по-скъп финансово и основният компонент железен хлорид е по-труден за получаване, но по отношение на подготовката е по-лесен. Така че имаме нужда железен хлорид FeCl3И сода бикарбонат NaHCO3. Железният хлорид обикновено се използва за ецване на печатни платки и се продава в магазините за радиостанции.
Изсипете две чаени лъжички FeCl3 на прах в чаша гореща вода и разбъркайте, докато се разтвори. Сега бавно добавете сода за хляб, като бъркате непрекъснато. Реакцията протича бързо с бълбукане и образуване на пяна, така че няма нужда да бързате.
FeCl3 +3NaHCO3 =FeOOH+3NaCl+3CO2 +H2O
Разбъркайте, докато спре да бълбука. Стоим и получаваме същия хидроксид FeOOH в утайката. След това неутрализираме съединението, както при първия метод, като източваме разтвора няколко пъти, добавяме вода и утаяваме. Накрая изсушаваме утайката и я използваме като катализатор или за получаване на железен оксид Fe 2 O 3 чрез калциниране (вижте метод 1).
Ето един лесен начин. Добивът е много добър, от две чаени лъжички (~15 g) хлорид получавате 10 g хидроксид. Получените по този метод катализатори са тествани и отговарят напълно на изискванията. /kia-soft 03/11/2010/
P.S.
Не мога да гарантирам 100% надеждност на уравненията на химичните реакции, но по същество те отговарят на протичащи химични процеси. Случаят с Fe(III) хидроксид е особено мътен. Според всички канони Fe (OH) 3 трябва да се утаи. Но в присъствието на пероксид (метод 1) и при повишени температури (метод 2), на теория, настъпва дехидратация на трихидроксида до FeOOH монохидрат. По външен вид точно това се случва. Полученият прах от хидроксид изглежда като ръжда, а основният компонент на ръждата е FeOOH. ***
