Żelazo jest pierwiastkiem bocznej podgrupy ósmej grupy czwartego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych D.I. Mendelejewa o liczbie atomowej 26. Jest oznaczony symbolem Fe (łac. Ferrum). Jeden z najpowszechniejszych metali w skorupie ziemskiej (drugie miejsce po aluminium). Metal o średniej aktywności, środek redukujący.
Główne stopnie utlenienia - +2, +3
Prosta substancja żelaza 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.
Właściwości chemiczne prostej substancji - żelaza:
Rdzewieje i pali się w tlenie
1) W powietrzu żelazo łatwo utlenia się w obecności wilgoci (rdzewienie):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3
Gorący drut żelazny spala się w tlenie, tworząc kamień - tlenek żelaza (II, III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 °C)
2) W wysokich temperaturach (700–900°C) żelazo reaguje z parą wodną:
3Fe + 4H 2O – t° → Fe 3O 4 + 4H 2
3) Żelazo reaguje z niemetalami po podgrzaniu:
2Fe+3Cl 2 →2FeCl 3 (200 °C)
Fe + S – t° → FeS (600 °C)
Fe+2S → Fe +2 (S2-1) (700°C)
4) W szeregu napięciowym, znajdujący się na lewo od wodoru, reaguje z rozcieńczonymi kwasami HCl i H 2 SO 4, tworzą się sole żelaza(II) i wydziela się wodór:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (reakcje prowadzi się bez dostępu powietrza, w przeciwnym razie Fe +2 jest stopniowo przekształcany przez tlen w Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (rozcieńczony) → FeSO 4 + H 2
W stężonych kwasach utleniających żelazo rozpuszcza się dopiero po podgrzaniu i natychmiast przekształca się w kation Fe 3+:
2Fe + 6H 2 SO 4 (stęż.) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (stęż.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(w zimnych, stężonych kwasach azotowym i siarkowym pasywować
Żelazny gwóźdź zanurzony w niebieskawym roztworze siarczanu miedzi stopniowo pokrywa się powłoką z czerwonej metalicznej miedzi.
5) Żelazo wypiera metale znajdujące się po jego prawej stronie z roztworów ich soli.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu
Amfoteryczne właściwości żelaza pojawiają się tylko w stężonych alkaliach podczas wrzenia:
Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O= Na 2 ↓+ H 2
i tworzy się osad tetrahydroksżelazianu(II) sodu.
Sprzęt techniczny- stopy żelaza i węgla: żeliwo zawiera 2,06-6,67% C, stal 0,02-2,06% C, często występują inne naturalne zanieczyszczenia (S, P, Si) oraz sztucznie wprowadzane specjalne dodatki (Mn, Ni, Cr), co nadaje stopom żelaza właściwości przydatne technicznie - twardość, odporność termiczną i korozyjną, ciągliwość itp. . .
Proces produkcji żelaza w wielkim piecu
Proces wielkopiecowy do produkcji żeliwa składa się z następujących etapów:
a) przygotowanie (prażenie) rud siarczkowych i węglanowych - konwersja do rudy tlenkowej:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2800°C, -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2500-600°C, -CO 2)
b) spalanie koksu gorącym podmuchem:
C (koks) + O 2 (powietrze) → CO 2 (600-700 ° C) CO 2 + C (koks) ⇌ 2 CO (700-1000 ° C)
c) redukcja rudy tlenkowej tlenkiem węgla CO sekwencyjnie:
Fe2O3 →(CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 →(CO) FeO →(CO) Fe
d) nawęglanie żelaza (do 6,67% C) i topienie żeliwa:
Fe (t ) →(C(koks)900-1200°С) Fe (ciecz) (żeliwo, temperatura topnienia 1145°C)
Żeliwo zawsze zawiera cementyt Fe 2 C i grafit w postaci ziaren.
Produkcja stali
Przeróbka żeliwa na stal odbywa się w specjalnych piecach (konwertorowych, martenowskich, elektrycznych), które różnią się sposobem ogrzewania; temperatura procesu 1700-2000°C. Nadmuch powietrza wzbogaconego w tlen powoduje wypalenie nadmiaru węgla, a także siarki, fosforu i krzemu w postaci tlenków z żeliwa. W tym przypadku tlenki albo są wychwytywane w postaci gazów spalinowych (CO 2, SO 2), albo wiązane w łatwo oddzielający się żużel - mieszaninę Ca 3 (PO 4) 2 i CaSiO 3. Aby wyprodukować stale specjalne, do pieca wprowadza się dodatki stopowe innych metali.
Paragon czyste żelazo w przemyśle - elektroliza roztworu soli żelaza, na przykład:
FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90°С) (elektroliza)
(istnieją inne specjalne metody, w tym redukcja tlenków żelaza wodorem).
Czyste żelazo wykorzystywane jest do produkcji stopów specjalnych, do produkcji rdzeni elektromagnesów i transformatorów, żeliwo – do produkcji odlewów i stali, stal – jako materiały konstrukcyjne i narzędziowe, w tym odporne na zużycie, ciepło i korozję te.
Tlenek żelaza(II). F EO . Tlenek amfoteryczny o dużej przewadze właściwości zasadowych. Czarny, ma strukturę jonową Fe 2+ O 2- . Po podgrzaniu najpierw rozkłada się, a następnie ponownie tworzy. Nie powstaje, gdy żelazo spala się w powietrzu. Nie reaguje z wodą. Rozkłada się z kwasami, łączy się z zasadami. Powoli utlenia się w wilgotnym powietrzu. Redukowany wodorem i koksem. Uczestniczy w procesie wielkopiecowym wytapiania żelaza. Stosowany jest jako składnik ceramiki i farb mineralnych. Równania najważniejszych reakcji:
4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 °C, 900-1000 °C)
FeO + 2HC1 (rozcieńczony) = FeCl2 + H2O
FeO + 4HNO 3 (stęż.) = Fe(NO 3) 3 +NO 2 + 2H 2 O
FeO + 4NaOH = 2H 2 O + N4FmiO3(czerwony.) trioksżelazian (II)(400-500°C)
FeO + H 2 = H 2 O + Fe (bardzo czysty) (350°C)
FeO + C (koks) = Fe + CO (powyżej 1000 °C)
FeO + CO = Fe + CO2 (900°C)
4FeO + 2H 2 O (wilgoć) + O 2 (powietrze) →4FeO(OH) (t)
6FeO + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500°C)
Paragon V laboratoria: rozkład termiczny związków żelaza (II) bez dostępu powietrza:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C)
FeCO3 = FeO + CO2 (490-550 °C)
Tlenek diżelaza(III) - żelazo( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . Podwójny tlenek. Czarny, ma strukturę jonową Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. Termostabilny aż do wysokich temperatur. Nie reaguje z wodą. Rozkłada się z kwasami. Zredukowany wodorem, gorącym żelazem. Uczestniczy w procesie wielkopiecowym produkcji żeliwa. Stosowany jako składnik farb mineralnych ( Czerwony przewód), ceramika, kolorowy cement. Produkt specjalnego utleniania powierzchni wyrobów stalowych ( czernienie, niebieszczenie). Skład odpowiada brunatnej rdzy i ciemnej łusce żelaza. Nie zaleca się stosowania wzoru brutto Fe 3 O 4. Równania najważniejszych reakcji:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (powyżej 1538 °C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8НС1 (rozcieńczony) = FeС1 2 + 2FeС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (stęż.) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (powietrze) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 ° C)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (bardzo czysty, 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)
Paragon: spalanie żelaza (patrz) w powietrzu.
magnetyt.
Tlenek żelaza(III). F mi 2 O 3 . Tlenek amfoteryczny z przewagą właściwości zasadowych. Czerwono-brązowy, ma strukturę jonową (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. Stabilny termicznie do wysokich temperatur. Nie powstaje, gdy żelazo spala się w powietrzu. Nie reaguje z wodą, z roztworu wytrąca się brązowy amorficzny hydrat Fe 2 O 3 nH 2 O. Wolno reaguje z kwasami i zasadami. Zredukowany przez tlenek węgla, stopione żelazo. Łączy się z tlenkami innych metali i tworzy podwójne tlenki - spinele(produkty techniczne nazywane są ferrytami). Wykorzystywany jest jako surowiec do wytopu żeliwa w procesie wielkopiecowym, katalizator przy produkcji amoniaku, składnik ceramiki, cementów barwionych i farb mineralnych, przy spawaniu termitowym konstrukcji stalowych, jako nośnik dźwięku i obrazu na taśmach magnetycznych, jako środek polerski do stali i szkła.
Równania najważniejszych reakcji:
6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (1200-1300 °C)
Fe 2 O 3 + 6НС1 (rozcień.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)
Fe 2 O 3 + 2NaOH (stęż.) →H 2 O+ 2 NAFmiO 2 (czerwony)dioksżelazian (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 (bardzo czysty, 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)
Paragon w laboratorium - rozkład termiczny soli żelaza (III) w powietrzu:
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)
W naturze - rudy tlenku żelaza krwawień Fe 2 O 3 i limonit Fe2O3nH2O
Wodorotlenek żelaza(II). F e(OH) 2 . Wodorotlenek amfoteryczny z przewagą właściwości zasadowych. Białe (czasami z zielonkawym odcieniem), wiązania Fe-OH są przeważnie kowalencyjne. Termicznie niestabilny. Łatwo utlenia się na powietrzu, zwłaszcza gdy jest mokry (ciemnieje). Nierozpuszczalne w wodzie. Reaguje z rozcieńczonymi kwasami i stężonymi zasadami. Typowy reduktor. Produkt pośredni w rdzewieniu żelaza. Stosowany jest do produkcji masy czynnej akumulatorów żelazowo-niklowych.
Równania najważniejszych reakcji:
Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 °C, atm. N 2)
Fe(OH) 2 + 2HC1 (rozcieńczony) = FeCl 2 + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (niebiesko-zielony) (wrzenie)
4Fe(OH) 2 (zawiesina) + O 2 (powietrze) →4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)
2Fe(OH) 2 (zawiesina) + H 2 O 2 (rozcieńczony) = 2FeO(OH) ↓ + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + KNO 3 (stęż.) = FeO(OH) ↓ + NO+ KOH (60 °C)
Paragon: wytrącanie z roztworu alkaliami lub hydratem amoniaku w obojętnej atmosferze:
Fe2+ + 2OH (rozcieńczony) = Fe(OH)2 ↓
Fe2+ + 2(NH3H2O) = Fe(OH)2 ↓+ 2NH 4
Metawodorotlenek żelaza F eO(OH). Wodorotlenek amfoteryczny z przewagą właściwości zasadowych. Jasnobrązowe wiązania Fe - O i Fe - OH są przeważnie kowalencyjne. Po podgrzaniu rozkłada się bez topienia. Nierozpuszczalne w wodzie. Wytrąca się z roztworu w postaci brązowego amorficznego polihydratu Fe 2 O 3 nH 2 O, który przechowywany w rozcieńczonym roztworze alkalicznym lub po wysuszeniu zamienia się w FeO(OH). Reaguje z kwasami i stałymi zasadami. Słaby środek utleniający i redukujący. Spiekane z Fe(OH) 2. Produkt pośredni w rdzewieniu żelaza. Stosowany jest jako baza do żółtych farb i emalii mineralnych, pochłaniacz gazów odlotowych oraz katalizator w syntezie organicznej.
Związek o składzie Fe(OH) 3 jest nieznany (nie otrzymany).
Równania najważniejszych reakcji:
Fe 2 O 3 . nH2O →( 200–250 °C, —H 2 O) FeO(OH) →( 560-700° C w powietrzu, -H2O)→Fe 2 O 3
FeO(OH) + ZNS1 (rozcieńczony) = FeCl 3 + 2H 2 O
FeO(OH) → Fe 2 O 3 . nH 2 O-koloid(NaOH (stężony))
FeO(OH) → N3 [Fe(OH) 6]biały, odpowiednio Na5 i K4; w obu przypadkach wytrąca się niebieski produkt o tym samym składzie i strukturze, KFe III. W laboratorium osad ten nazywa się Błękit pruski, Lub niebieski Turnbull:
Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓
Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓
Nazwy chemiczne wyjściowych odczynników i produktów reakcji:
K 3 Fe III - heksacyjanożelazian (III) potasu
K 4 Fe III - heksacyjanożelazian (II) potasu
КFe III - heksacyjanożelazian (II) żelaza (III) potasu
Ponadto dobrym odczynnikiem dla jonów Fe 3+ jest jon tiocyjanianowy NСS -, żelazo (III) łączy się z nim i pojawia się jasnoczerwony („krwawy”) kolor:
Fe 3+ + 6NCS - = 3-
Odczynnik ten (na przykład w postaci soli KNCS) może nawet wykryć ślady żelaza (III) w wodzie wodociągowej, jeśli przejdzie ona przez żelazne rury pokryte od wewnątrz rdzą.
Wpływy kasowe z rud wynaleziono na Zachodzie. części Azji w II tysiącleciu p.n.e. mi.; następnie użycie Rozpowszechniane w Babilonie, Egipcie, Grecji; zastąpić brązy, ok. przyszło żelazo. Według zawartości w litosferze (4,65% wag.) l. zajmuje drugie miejsce wśród metali (aluminium zajmuje pierwsze miejsce) i stanowi ok. 300 minerałów (tlenki, siarczki, krzemiany, węglany itp.).
J. może występować w postaci trzech alotropich. modyfikacje: a-Fe z bcc, y-Fe z fcc i 8-Fe z bcc krystaliczny. kraty; a-Fe jest ferromagnetykiem do 769°C (punkt Curie). Modyfikacje y~Fe i b-Fe są paramagnetykami. Polimorficzne przemiany żelaza i stali podczas ogrzewania i chłodzenia odkrył w 1868 roku D.K. Chernov. Fe wykazuje zmienną wartościowość (związki najbardziej stabilne są żelazo 2- i 3-wartościowe. Z tlenem żelazo tworzy tlenki FeO, Fe2O3 i Fe3O4. Gęstość cieczy (z zawartością zanieczyszczeń< 0,01 мае %) 7,874 г/ /см3, /т=1539"С, /КИЛ*3200«С.
Żelazo jest najważniejszym metalem we współczesnej technologii. W czystej postaci ze względu na niską wytrzymałość. praktyczny nieużywany Podstawowy masaż. Stosowany jest w postaci stopów bardzo różniących się składem i właściwościami. Udział stopów jest stanowi ~ 95% wszystkich metali. produkty.
Czysty Fe otrzymuje się w małych ilościach poprzez elektrolizę wodnych roztworów jego soli lub redukcję wodorem. Wystarczający czysty otrzymać bezpośrednią renowację. niezapośredniczone z koncentratów rudy (z pominięciem wielkiego pieca, pieca), wodoru, gazu ziemnego lub węgla w niskich temperaturach (gąbka Fe, proszek żelaza, pelety metalizowane):
Otrzymane żelazo gąbczaste jest porowatą masą o dużej zawartości żelaza. redukcja tlenków przy /< /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, co zmniejsza jego aktywność i pozwala na przechowywanie go na powietrzu (przy braku wilgoci) bez zauważalnego spadku stopnia metalizacji. G. l., produkowany w technologii wysokotemperaturowej - w / > 850°C, ma niską skłonność do wtórnego utleniania po zwilżeniu, co zapewnia. jego bezpieczny transport w wagonach otwartych, transport drogą morską (rzekową), składowanie w otwartych stosach;
Żelazo otrzymywane bezpośrednio - żelazo otrzymywane chemicznie, elektrochemicznie. lub chemiczno-termiczne. sposoby bezpośrednio z rudy, z pominięciem wielkiego pieca, w postaci proszku, gąbki. żelazo (metalizowane granulki), kryształ lub ciekły metal. Naib, produkcja gąbek zaczęła się rozwijać. żelazo w temperaturze 700-1150°C metodami gazowymi. odzysk rudy (pelletu) w piecach szybowych i przy wykorzystaniu TV. paliwo w rotacji piekarniki PP żelazny zawierający 88-93% FeM stosowany jest jako wsad do wytopu stali, a z wyższą zawartością (98-99%) do produkcji żelaza. proszek;
Żelazo karbonylowe to proszek żelaza otrzymywany w wyniku obróbki termicznej. rozkład pentakarbonylu żelaza; charakteryzuje się wysoką czystością;
żelazo rodzime – żelazo występujące w przyrodzie w postaci minerałów. Rozróżnia się je ze względu na warunki, w jakich występuje tellur. lub ziemski (nikiel-żelazo) i meteorytowy (kosmiczny) str. I. Telluryczny. żelazo to rzadki minerał – modyfikacja a-Fe, występująca w postaci oddzielnej. łuski, ziarna, gąbki. masy i skupienia. Skład - telewizor. roztwór Fe i Ni (do 30% Ni). Wioska Meteorytnoje I. powstałe w procesach formacji kosmicznej. ciała i spada na Ziemię w postaci meteorytów; zawiera do 25% Ni. Kolor stalowo-szary do czarnego, metaliczny. połysk, nieprzezroczysty, telewizor. punkty 4-5 w mineralogii. skala, y = 7,3-8,2 g/cm3 (w zależności od zawartości Ni). Silnie magnetyczne, dobre kucie;
Żelazo elektrolityczne – żelazo otrzymywane elektrolitycznie. rafinacja; charakteryzuje się dużą czystością zanieczyszczeń (<0,02 % С; 0,01 % О2);
żelazo elektryczne – stal stosowana w elektrotechnice (lub tzw. żelazo techniczne czyste) o całkowitej zawartości. zanieczyszczenia do 0,08-0,10%, w tym do 0,05% S.E.zh. ma niski rytm. elektryczny odporność, ma wyższą straty spowodowane prądami wirowymi, dlatego jego zastosowanie jest ogólnie ograniczone. obwody magnetyczne, strumień magnetyczny (nabiegunniki, obwody magnetyczne, przekaźniki itp.);
Żelazo A - niskotemperaturowa modyfikacja żelaza siatką bcc (w 20°C a = 286,645 pm), stabilna< 910 °С; a-Fe ферромагнитно при t < 769 °С (точка Кюри);
Żelazo Y to wysokotemperaturowa modyfikacja żelaza z siatką fcc (a = 364 pm), stabilną w temperaturze 910-1400 °C; paramagnetyczny;
Żelazo 5 to wysokotemperaturowa modyfikacja żelaza o siatce bcc (a = 294 pm), stabilna od 1400 °C do tm, paramagnetyczna.
- Oznaczenie - Fe (Żelazo);
- Okres - IV;
- Grupa - 8 (VIII);
- Masa atomowa - 55,845;
- Liczba atomowa - 26;
- Promień atomowy = 126 pm;
- Promień kowalencyjny = 117 pm;
- Rozkład elektronów - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ;
- temperatura topnienia = 1535°C;
- temperatura wrzenia = 2750°C;
- Elektroujemność (wg Paulinga/wg Alpreda i Rochowa) = 1,83/1,64;
- Stan utlenienia: +8, +6, +4, +3, +2, +1, 0;
- Gęstość (nr.) = 7,874 g/cm3;
- Objętość molowa = 7,1 cm3/mol.
Związki żelaza:
Żelazo jest zaraz po aluminium najobficiej występującym metalem w skorupie ziemskiej (5,1% masowych).
Na Ziemi wolne żelazo występuje w małych ilościach w postaci bryłek, a także w upadłych meteorytach.
Przemysłowo żelazo wydobywa się ze złóż rud żelaza z minerałów zawierających żelazo: rudy magnetycznej, czerwonej, brązowej.
Należy powiedzieć, że żelazo wchodzi w skład wielu naturalnych minerałów, powodując ich naturalny kolor. Kolor minerałów zależy od stężenia i stosunku jonów żelaza Fe 2+ /Fe 3+, a także od atomów otaczających te jony. Na przykład obecność zanieczyszczeń jonami żelaza wpływa na kolor wielu kamieni szlachetnych i półszlachetnych: topazy (od bladożółtego do czerwonego), szafiry (od niebieskiego do ciemnoniebieskiego), akwamaryny (od jasnoniebieskiego do zielonkawoniebieskiego), itp.
Żelazo występuje w tkankach zwierząt i roślin, na przykład w organizmie osoby dorosłej znajduje się około 5 g żelaza. Żelazo jest niezbędnym pierwiastkiem, wchodzi w skład białka hemoglobiny, uczestnicząc w transporcie tlenu z płuc do tkanek i komórek. Przy braku żelaza w organizmie człowieka rozwija się anemia (niedokrwistość z niedoboru żelaza).
Ryż. Struktura atomu żelaza.
Konfiguracja elektronowa atomu żelaza to 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (patrz Elektronowa struktura atomów). W tworzeniu wiązań chemicznych z innymi pierwiastkami mogą brać udział 2 elektrony znajdujące się na zewnętrznym poziomie 4s + 6 elektronów podpoziomu 3d (w sumie 8 elektronów), dlatego w związkach żelazo może przyjmować stopnie utlenienia +8, +6, +4, +3, +2, +1 (najczęstsze to +3, +2). Żelazo ma średnią aktywność chemiczną.
Ryż. Stopnie utlenienia żelaza: +2, +3.
Właściwości fizyczne żelaza:
- srebrno-biały metal;
- w czystej postaci jest dość miękki i plastyczny;
- ma dobrą przewodność cieplną i elektryczną.
Żelazo występuje w postaci czterech modyfikacji (różnią się budową sieci krystalicznej): α-żelazo; β-żelazo; γ-żelazo; δ-żelazo.
Właściwości chemiczne żelaza
- reaguje z tlenem, w zależności od temperatury i stężenia tlenu, mogą powstawać różne produkty lub mieszanina produktów utleniania żelaza (FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4):
3Fe + 2O 2 = Fe 3O 4; - utlenianie żelaza w niskich temperaturach:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; - reaguje z parą wodną:
3Fe + 4H 2O = Fe 3O 4 + 4H 2; - drobno pokruszone żelazo reaguje po podgrzaniu z siarką i chlorem (siarczek i chlorek żelaza):
Fe + S = FeS; 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3; - w wysokich temperaturach reaguje z krzemem, węglem, fosforem:
3Fe + C = Fe 3C; - Żelazo może tworzyć stopy z innymi metalami i niemetalami;
- żelazo wypiera mniej aktywne metale z ich soli:
Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu; - W przypadku rozcieńczonych kwasów żelazo działa jako środek redukujący, tworząc sole:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2; - przy rozcieńczonym kwasie azotowym żelazo tworzy różne produkty redukcji kwasu, w zależności od jego stężenia (N 2, N 2 O, NO 2).
Pozyskiwanie i wykorzystanie żelaza
Otrzymuje się żelazo przemysłowe wytapianieżeliwa i stali.
Żeliwo jest stopem żelaza z domieszkami krzemu, manganu, siarki, fosforu i węgla. Zawartość węgla w żeliwie przekracza 2% (w stali poniżej 2%).
Czyste żelazo otrzymuje się:
- w konwertorach tlenu wykonanych z żeliwa;
- redukcja tlenków żelaza wodorem i dwuwartościowym tlenkiem węgla;
- elektroliza odpowiednich soli.
Żeliwo otrzymuje się z rud żelaza poprzez redukcję tlenków żelaza. Wytapianie żelaza odbywa się w wielkich piecach. Koks stosowany jest jako źródło ciepła w wielkim piecu.
Wielki piec to bardzo złożona konstrukcja techniczna, wysoka na kilkadziesiąt metrów. Jest wyłożony cegłami ogniotrwałymi i chroniony zewnętrzną stalową obudową. Od 2013 roku największy wielki piec w Korei Południowej zbudowała huta POSCO w Zakładzie Metalurgicznym w Gwangyang (objętość pieca po modernizacji wynosiła 6 000 metrów sześciennych przy rocznej wydajności 5 700 000 ton).
Ryż. Wielki piec.
Proces wytapiania żeliwa w wielkim piecu trwa nieprzerwanie przez kilka dziesięcioleci, aż do wygaśnięcia pieca.
Ryż. Proces wytapiania żelaza w wielkim piecu.
- wzbogacone rudy (rudy magnetyczne, czerwone, brunatne) i koks wlewa się przez szczyt wielkiego pieca;
- procesy redukcji żelaza z rudy pod wpływem tlenku węgla (II) zachodzą w środkowej części wielkiego pieca (kopalni) w temperaturze 450-1100°C (tlenki żelaza ulegają redukcji do metalu):
- 450-500°C - 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 ;
- 600°C - Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2;
- 800°C - FeO + CO = Fe + CO2;
- część dwuwartościowego tlenku żelaza jest redukowane przez koks: FeO + C = Fe + CO.
- Równolegle zachodzi proces redukcji tlenków krzemu i manganu (zawartych w rudzie żelaza w postaci zanieczyszczeń), krzem i mangan wchodzą w skład topiącego się żelaza:
- SiO2 + 2C = Si + 2CO;
- Mn2O3 + 3C = 2Mn + 3CO.
- Podczas termicznego rozkładu wapienia (wprowadzanego do wielkiego pieca) powstaje tlenek wapnia, który reaguje z zawartymi w rudzie tlenkami krzemu i glinu:
- CaCO3 = CaO + CO2;
- CaO + SiO2 = CaSiO3;
- CaO + Al 2 O 3 = Ca(AlO 2) 2.
- w temperaturze 1100°C proces redukcji żelaza zostaje zatrzymany;
- poniżej szybu znajduje się para, najszersza część wielkiego pieca, poniżej której znajduje się pobocze, w którym wypala się koks i tworzą się ciekłe produkty hutnicze – żeliwo i żużel, które gromadzą się na samym dnie pieca – tzw. kuźnia;
- W górnej części paleniska w temperaturze 1500°C następuje intensywne spalanie koksu w strumieniu wdmuchiwanego powietrza: C + O 2 = CO 2 ;
- przechodząc przez gorący koks, tlenek węgla (IV) przekształca się w tlenek węgla (II), który jest środkiem redukującym żelazo (patrz wyżej): CO 2 + C = 2CO;
- żużle utworzone przez krzemiany i glinokrzemiany wapnia osadzają się nad żeliwem, chroniąc je przed działaniem tlenu;
- przez specjalne otwory umieszczone na różnych poziomach paleniska odprowadzane jest żeliwo i żużel;
- Większość żeliwa wykorzystywana jest do dalszej obróbki – wytapiania stali.
Stal wytapia się z żeliwa i złomu metodą konwertorową (metoda martenowska jest już przestarzała, choć nadal stosowana) lub metodą wytapiania elektrycznego (w piecach elektrycznych, indukcyjnych). Istotą procesu (obróbki żeliwa) jest zmniejszenie stężenia węgla i innych zanieczyszczeń poprzez utlenianie tlenem.
Jak wspomniano powyżej, stężenie węgla w stali nie przekracza 2%. Dzięki temu stal w przeciwieństwie do żeliwa daje się dość łatwo kuć i walcować, co pozwala na wykonanie z niej różnorodnych wyrobów charakteryzujących się dużą twardością i wytrzymałością.
Twardość stali zależy od zawartości węgla (im więcej węgla, tym twardsza stal) w danym gatunku stali i warunkach obróbki cieplnej. Podczas odpuszczania (powolnego chłodzenia) stal staje się miękka; Po hartowaniu (szybkie chłodzenie) stal staje się bardzo twarda.
Aby nadać stali wymagane specyficzne właściwości, dodaje się do niej dodatki stopowe: chrom, nikiel, krzem, molibden, wanad, mangan itp.
Żeliwo i stal są najważniejszymi materiałami konstrukcyjnymi w zdecydowanej większości sektorów gospodarki narodowej.
Biologiczna rola żelaza:
- organizm dorosłego człowieka zawiera około 5 g żelaza;
- żelazo odgrywa ważną rolę w funkcjonowaniu narządów krwiotwórczych;
- żelazo wchodzi w skład wielu złożonych kompleksów białkowych (hemoglobina, mioglobina, różne enzymy).
Żelazo jest dobrze znanym pierwiastkiem chemicznym. Należy do metali o średniej aktywności chemicznej. W tym artykule przyjrzymy się właściwościom i zastosowaniu żelaza.
Występowanie w przyrodzie
Istnieje dość duża liczba minerałów zawierających żelazo. Po pierwsze, jest to magnetyt. Zawiera siedemdziesiąt dwa procent żelaza. Jego wzór chemiczny to Fe 3 O 4. Minerał ten nazywany jest także magnetyczną rudą żelaza. Ma jasnoszary kolor, czasem z ciemnoszarym, a nawet czarnym, z metalicznym połyskiem. Jego największe złoże wśród krajów WNP znajduje się na Uralu.
Kolejnym minerałem o dużej zawartości żelaza jest hematyt – składa się w siedemdziesięciu procentach z tego pierwiastka. Jego wzór chemiczny to Fe 2 O 3. Nazywana jest także czerwoną rudą żelaza. Ma kolor od czerwono-brązowego do czerwono-szarego. Największe złoże w krajach WNP znajduje się w Krzywym Rogu.
Trzecim minerałem zawierającym żelazo jest limonit. Tutaj żelazo stanowi sześćdziesiąt procent całkowitej masy. Jest to hydrat krystaliczny, to znaczy w jego sieć krystaliczną wplecione są cząsteczki wody, jego wzór chemiczny to Fe 2 O 3 .H 2 O. Jak sama nazwa wskazuje, minerał ten ma żółtobrązową barwę, czasem brązową. Jest jednym z głównych składników naturalnej ochry i jest stosowany jako pigment. Nazywana jest także rudą żelaza brunatnego. Największe lokalizacje to Krym i Ural.
Syderyt, tak zwana ruda żelaza dźwigarowego, zawiera czterdzieści osiem procent żelaza. Jego wzór chemiczny to FeCO3. Jego struktura jest niejednorodna i składa się z połączonych ze sobą kryształów o różnych kolorach: szarym, jasnozielonym, szaro-żółtym, brązowo-żółtym itp.
Ostatnim powszechnie występującym w przyrodzie minerałem o dużej zawartości żelaza jest piryt. Ma następujący wzór chemiczny: FeS 2. Zawiera żelazo w czterdzieści sześć procent całkowitej masy. Dzięki atomom siarki minerał ten ma złotożółtą barwę.
Wiele z omawianych minerałów wykorzystuje się do otrzymania czystego żelaza. Ponadto hematyt wykorzystuje się do produkcji biżuterii z kamieni naturalnych. W biżuterii z lapisu lazuli mogą występować inkluzje pirytu. Ponadto żelazo występuje w przyrodzie w organizmach żywych – jest jednym z najważniejszych składników komórek. Mikroelement ten musi być dostarczany organizmowi człowieka w odpowiednich ilościach. Lecznicze właściwości żelaza wynikają w dużej mierze z faktu, że ten pierwiastek chemiczny jest podstawą hemoglobiny. Dlatego stosowanie żelaza ma dobry wpływ na stan krwi, a co za tym idzie, całego organizmu jako całości.
Żelazo: właściwości fizyczne i chemiczne
Przyjrzyjmy się kolejno tym dwóm dużym secjom. żelazo to jego wygląd, gęstość, temperatura topnienia itp. To znaczy wszystkie charakterystyczne cechy substancji związane z fizyką. Właściwości chemiczne żelaza to jego zdolność do reagowania z innymi związkami. Zacznijmy od tych pierwszych.
Właściwości fizyczne żelaza
W czystej postaci w normalnych warunkach jest ciałem stałym. Ma srebrnoszary kolor i wyraźny metaliczny połysk. Właściwości mechaniczne żelaza obejmują poziom twardości cztery (średni). Żelazo ma dobrą przewodność elektryczną i cieplną. Tę ostatnią cechę można wyczuć dotykając żelaznego przedmiotu w chłodni. Ponieważ materiał ten szybko przewodzi ciepło, w krótkim czasie usuwa jego większość ze skóry, dlatego odczuwasz zimno.
Jeśli dotkniesz np. drewna, zauważysz, że jego przewodność cieplna jest znacznie niższa. Właściwości fizyczne żelaza obejmują jego temperaturę topnienia i wrzenia. Pierwsza to 1539 stopni Celsjusza, druga to 2860 stopni Celsjusza. Możemy stwierdzić, że charakterystycznymi właściwościami żelaza są dobra ciągliwość i topliwość. Ale to nie wszystko.
Właściwości fizyczne żelaza obejmują także jego ferromagnetyzm. Co to jest? Żelazo, którego właściwości magnetyczne możemy zaobserwować na praktycznych przykładach na co dzień, jest jedynym metalem posiadającym tak wyjątkową cechę wyróżniającą. Wyjaśnia to fakt, że materiał ten ma zdolność namagnesowania pod wpływem pola magnetycznego. A po zakończeniu działania tego ostatniego żelazo, którego właściwości magnetyczne właśnie się ukształtowały, pozostaje magnesem przez długi czas. Zjawisko to można wytłumaczyć faktem, że w strukturze tego metalu znajduje się wiele wolnych elektronów, które są w stanie się poruszać.
Z chemicznego punktu widzenia
Pierwiastek ten należy do metali o średniej aktywności. Ale właściwości chemiczne żelaza są typowe dla wszystkich innych metali (z wyjątkiem tych, które znajdują się na prawo od wodoru w szeregu elektrochemicznym). Może reagować z wieloma klasami substancji.
Zacznijmy od prostych
Ferrum oddziałuje z tlenem, azotem, halogenami (jodem, bromem, chlorem, fluorem), fosforem i węglem. Pierwszą rzeczą do rozważenia są reakcje z tlenem. Podczas spalania żelaza powstają jego tlenki. W zależności od warunków reakcji i proporcji pomiędzy obydwoma uczestnikami, można je zmieniać. Jako przykład tego rodzaju interakcji można podać następujące równania reakcji: 2Fe + O 2 = 2FeO; 4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3; 3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4. Właściwości tlenku żelaza (zarówno fizyczne, jak i chemiczne) mogą się różnić w zależności od jego rodzaju. Tego typu reakcje zachodzą w wysokich temperaturach.
Następną rzeczą jest interakcja z azotem. Może to również nastąpić tylko pod warunkiem ogrzewania. Jeśli weźmiemy sześć moli żelaza i jeden mol azotu, otrzymamy dwa mole azotku żelaza. Równanie reakcji będzie wyglądać następująco: 6Fe + N 2 = 2Fe 3 N.
Podczas interakcji z fosforem powstaje fosforek. Do przeprowadzenia reakcji potrzebne są następujące składniki: na trzy mole żelaza - jeden mol fosforu, w wyniku czego powstaje jeden mol fosforku. Równanie można zapisać w następujący sposób: 3Fe + P = Fe 3 P.
Ponadto wśród reakcji z substancjami prostymi można wyróżnić także interakcję z siarką. W takim przypadku można uzyskać siarczek. Zasada, według której zachodzi proces powstawania tej substancji, jest podobna do opisanej powyżej. Mianowicie zachodzi reakcja addycji. Wszelkie tego typu oddziaływania chemiczne wymagają specjalnych warunków, głównie wysokich temperatur, rzadziej katalizatorów.
Reakcje pomiędzy żelazem i halogenami są również powszechne w przemyśle chemicznym. Są to chlorowanie, bromowanie, jodowanie, fluoryzacja. Jak wynika z nazw samych reakcji, jest to proces dodawania atomów chloru/bromu/jodu/fluoru do atomów żelaza z wytworzeniem odpowiednio chlorku/bromku/jodku/fluorku. Substancje te są szeroko stosowane w różnych gałęziach przemysłu. Ponadto żelazo może łączyć się z krzemem w wysokich temperaturach. Ze względu na różnorodne właściwości chemiczne żelaza, jest ono często wykorzystywane w przemyśle chemicznym.
Żelazo i substancje złożone
Od prostych substancji przechodzimy do tych, których cząsteczki składają się z dwóch lub więcej różnych pierwiastków chemicznych. Pierwszą rzeczą, o której należy wspomnieć, jest reakcja żelazowa z wodą. Tutaj ujawniają się podstawowe właściwości żelaza. Kiedy woda jest podgrzewana, tworzy się razem z żelazem (jest to tak zwane, ponieważ w interakcji z tą samą wodą tworzy wodorotlenek, czyli zasadę). Tak więc, jeśli weźmiemy jeden mol obu składników, substancje takie jak dwutlenek żelaza i wodór utworzą się w postaci gazu o ostrym zapachu - również w proporcjach molowych jeden do jednego. Równanie tego typu reakcji można zapisać w następujący sposób: Fe + H 2 O = FeO + H 2. W zależności od proporcji zmieszania tych dwóch składników można otrzymać dwu- lub trójtlenek żelaza. Obie te substancje są bardzo powszechne w przemyśle chemicznym i znajdują zastosowanie także w wielu innych gałęziach przemysłu.
Z kwasami i solami
Ponieważ żelazo znajduje się na lewo od wodoru w szeregu aktywności elektrochemicznej metali, jest w stanie wypierać ten pierwiastek ze związków. Przykładem tego jest reakcja wypierania, którą można zaobserwować po dodaniu żelaza do kwasu. Na przykład, jeśli zmieszasz żelazo i kwas siarczanowy (znany również jako kwas siarkowy) o średnim stężeniu w równych proporcjach molowych, otrzymasz siarczan żelaza (II) i wodór w równych proporcjach molowych. Równanie takiej reakcji będzie wyglądać następująco: Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.
Podczas interakcji z solami pojawiają się właściwości redukujące żelaza. Oznacza to, że można go zastosować do wyizolowania mniej aktywnego metalu z soli. Na przykład, jeśli weźmiesz jeden mol i taką samą ilość żelaza, możesz otrzymać siarczan żelaza (II) i czystą miedź w tych samych proporcjach molowych.
Znaczenie dla organizmu
Jednym z najpowszechniejszych pierwiastków chemicznych w skorupie ziemskiej jest żelazo. Już się temu przyglądaliśmy, teraz podejdźmy do tego z biologicznego punktu widzenia. Ferrum pełni bardzo ważne funkcje zarówno na poziomie komórkowym, jak i na poziomie całego organizmu. Przede wszystkim żelazo jest podstawą takiego białka jak hemoglobina. Jest niezbędny do transportu tlenu przez krew z płuc do wszystkich tkanek, narządów, do każdej komórki organizmu, przede wszystkim do neuronów mózgu. Dlatego nie można przecenić dobroczynnych właściwości żelaza.
Oprócz wpływu na tworzenie krwi, żelazo jest również ważne dla pełnego funkcjonowania tarczycy (do tego potrzebny jest nie tylko jod, jak niektórzy uważają). Żelazo bierze także udział w metabolizmie wewnątrzkomórkowym i reguluje odporność. Ferrum występuje także w szczególnie dużych ilościach w komórkach wątroby, gdyż pomaga neutralizować szkodliwe substancje. Jest także jednym z głównych składników wielu rodzajów enzymów w naszym organizmie. Codzienna dieta człowieka powinna zawierać od dziesięciu do dwudziestu miligramów tego mikroelementu.
Pokarmy bogate w żelazo
Dużo ich. Są zarówno pochodzenia roślinnego, jak i zwierzęcego. Do pierwszych należą zboża, rośliny strączkowe, zboża (zwłaszcza gryka), jabłka, grzyby (białe), suszone owoce, dzika róża, gruszki, brzoskwinie, awokado, dynia, migdały, daktyle, pomidory, brokuły, kapusta, borówki, jeżyny, seler, itd. Drugie to wątroba i mięso. Spożywanie pokarmów bogatych w żelazo jest szczególnie ważne w czasie ciąży, ponieważ organizm rozwijającego się płodu potrzebuje dużych ilości tego pierwiastka śladowego do pełnego wzrostu i rozwoju.
Oznaki niedoboru żelaza w organizmie
Objawy zbyt małej ilości żelaza dostającego się do organizmu to zmęczenie, ciągłe marznięcie dłoni i stóp, depresja, łamliwe włosy i paznokcie, zmniejszona aktywność intelektualna, zaburzenia trawienia, niska wydajność i dysfunkcja tarczycy. Jeśli zauważysz kilka z tych objawów, może warto zwiększyć w diecie ilość pokarmów zawierających żelazo lub zaopatrzyć się w witaminy lub suplementy diety zawierające żelazo. Należy również skonsultować się z lekarzem, jeśli którykolwiek z tych objawów wystąpi zbyt ostro.
Zastosowanie żelaza w przemyśle
Zastosowania i właściwości żelaza są ze sobą ściśle powiązane. Ze względu na swój ferromagnetyczny charakter wykorzystuje się go do produkcji magnesów - zarówno słabszych do celów domowych (pamiątkowe magnesy na lodówkę itp.), jak i silniejszych do celów przemysłowych. Ze względu na to, że metal ten charakteryzuje się dużą wytrzymałością i twardością, od czasów starożytnych był używany do produkcji broni, zbroi i innych narzędzi wojskowych i domowych. Nawiasem mówiąc, nawet w starożytnym Egipcie znane było żelazo meteorytowe, którego właściwości przewyższały właściwości zwykłego metalu. Tego specjalnego żelaza używano także w starożytnym Rzymie. Robiono z niego elitarną broń. Tarczę lub miecz wykonany z metalu meteorytowego mógł posiadać jedynie bardzo bogaty i szlachetny człowiek.
Ogólnie rzecz biorąc, metal, który rozważamy w tym artykule, jest najbardziej wszechstronny spośród wszystkich substancji w tej grupie. Przede wszystkim wytwarza się z niego stal i żeliwo, z których powstają wszelkiego rodzaju wyroby potrzebne zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym.
Żeliwo to stop żelaza i węgla, w którym ten ostatni występuje w ilości od 1,7 do 4,5 proc. Jeśli drugi jest mniejszy niż 1,7 procent, wówczas ten rodzaj stopu nazywa się stalą. Jeśli w kompozycji znajduje się około 0,02 procent węgla, jest to już zwykłe żelazo techniczne. Obecność węgla w stopie jest konieczna, aby zapewnić mu większą wytrzymałość, odporność na ciepło i odporność na rdzę.
Ponadto stal może zawierać wiele innych pierwiastków chemicznych jako zanieczyszczenia. Należą do nich mangan, fosfor i krzem. Do tego rodzaju stopu można dodać chrom, nikiel, molibden, wolfram i wiele innych pierwiastków chemicznych, aby nadać mu określone właściwości. Jako stale transformatorowe stosuje się gatunki stali zawierające dużą ilość krzemu (około czterech procent). Te zawierające dużo manganu (do dwunastu do czternastu procent) wykorzystywane są do produkcji części dla kolei, młynów, kruszarek i innych narzędzi, których części ulegają szybkiemu ścieraniu.
Do stopu dodaje się molibden, aby uczynić go bardziej odpornym na ciepło; takie stale są stosowane jako stale narzędziowe. Ponadto, aby otrzymać stale nierdzewne, które są dobrze znane i często stosowane w życiu codziennym w postaci noży i innych narzędzi gospodarstwa domowego, należy do stopu dodać chrom, nikiel i tytan. A żeby otrzymać odporną na uderzenia, wysokowytrzymałą, ciągliwą stal, wystarczy dodać do niej wanad. Dodając do kompozycji niob, można uzyskać wysoką odporność na korozję i substancje agresywne chemicznie.
Magnetyt mineralny, o którym wspomniano na początku artykułu, jest niezbędny do produkcji dysków twardych, kart pamięci i innych urządzeń tego typu. Ze względu na swoje właściwości magnetyczne żelazo można znaleźć w transformatorach, silnikach, produktach elektronicznych itp. Ponadto żelazo można dodawać do stopów innych metali, aby nadać im większą wytrzymałość i stabilność mechaniczną. Siarczan tego pierwiastka stosowany jest w ogrodnictwie do zwalczania szkodników (wraz z siarczanem miedzi).
Są niezbędne do oczyszczania wody. Ponadto proszek magnetytowy jest stosowany w drukarkach czarno-białych. Głównym zastosowaniem pirytu jest otrzymywanie z niego kwasu siarkowego. Proces ten przebiega w warunkach laboratoryjnych w trzech etapach. W pierwszym etapie piryt żelazowy spala się w celu wytworzenia tlenku żelaza i dwutlenku siarki. W drugim etapie przemiana dwutlenku siarki w jego trójtlenek następuje przy udziale tlenu. Na ostatnim etapie powstałą substancję przepuszcza się w obecności katalizatorów, wytwarzając w ten sposób kwas siarkowy.
Zdobywanie żelaza
Metal ten wydobywa się głównie z dwóch głównych minerałów: magnetytu i hematytu. Odbywa się to poprzez redukcję żelaza z jego związków węglem w postaci koksu. Odbywa się to w wielkich piecach, w których temperatura sięga dwóch tysięcy stopni Celsjusza. Ponadto istnieje metoda redukcji żelaza wodorem. Aby to zrobić, nie jest konieczne posiadanie wielkiego pieca. Aby wdrożyć tę metodę, biorą specjalną glinę, mieszają ją z pokruszoną rudą i poddają obróbce wodorem w piecu szybowym.
Wniosek
Właściwości i zastosowania żelaza są różnorodne. To być może najważniejszy metal w naszym życiu. Stając się znanym ludzkości, zajął miejsce brązu, który w tamtym czasie był głównym materiałem do produkcji wszystkich narzędzi, a także broni. Stal i żeliwo pod wieloma względami przewyższają stop miedzi i cyny pod względem właściwości fizycznych i odporności na naprężenia mechaniczne.
Ponadto na naszej planecie żelaza występuje więcej niż wielu innych metali. w skorupie ziemskiej znajduje się prawie pięć procent. Jest czwartym pod względem liczebności pierwiastkiem chemicznym w przyrodzie. Ponadto ten pierwiastek chemiczny jest bardzo ważny dla prawidłowego funkcjonowania organizmu zwierząt i roślin, przede wszystkim dlatego, że na jego bazie zbudowana jest hemoglobina. Żelazo jest niezbędnym pierwiastkiem śladowym, którego spożycie jest ważne dla utrzymania zdrowia i prawidłowego funkcjonowania narządów. Oprócz powyższego jest to jedyny metal posiadający unikalne właściwości magnetyczne. Nie sposób sobie wyobrazić naszego życia bez żelaza.
Katalizatory nadtlenkowe do proszku malinowego, skład zapalnika, paliwo kramelowe.
Metoda 1. Otrzymywanie tlenku żelaza Fe 2 O 3 z siarczanu żelazawego
Tlenki żelaza są bardzo często stosowane jako katalizatory w związkach pirotechnicznych. Wcześniej można było je kupić w sklepach. Na przykład stwierdzono, że monohydrat tlenku żelaza FeOOH jest barwnikiem „żółtym pigmentem tlenku żelaza”. Tlenek żelaza Fe 2 O 3 sprzedawany był w postaci ołowiu czerwonego. Obecnie okazuje się, że nie jest łatwo to wszystko kupić. Musiałem się martwić, czy dostanę go do domu. Nie jestem wielkim chemikiem, ale życie mnie zmusiło. Szukałem rekomendacji w Internecie. Niestety, normalne, tj. Znalezienie prostego i bezpiecznego przepisu do użytku domowego okazało się trudne. Był tylko jeden przepis, który wydawał się całkiem odpowiedni, ale nie mogłem go znaleźć ponownie. Mam w głowie listę akceptowalnych komponentów. Postanowiłem zastosować własną metodę. Co dziwne, wynik okazał się bardzo akceptowalny. W rezultacie powstał związek z wyraźnymi oznakami tlenku żelaza, bardzo jednorodny i drobno zdyspergowany. Jego zastosowanie w proszku malinowym i zapalnik wtórny całkowicie potwierdziło, że uzyskano to, co było potrzebne.
Kupujemy go więc w sklepie ogrodniczym. siarczan żelaza FeSO 4, kupujemy pigułki w aptece hydroperyt, trzy paczki i robienie zapasów w kuchni soda oczyszczona NaHCO3. Mamy wszystkie składniki, zaczynamy gotować. Zamiast tabletek hydroperytu można zastosować rozwiązanie nadtlenek wodoru H 2 0 2, dostępny także w aptekach.
W szklanym pojemniku o pojemności 0,5 litra rozpuść około 80 g (jedna trzecia opakowania) siarczanu żelaza w gorącej wodzie. Mieszając, dodawaj małymi porcjami sodę oczyszczoną. Tworzy się jakiś śmieci o bardzo nieprzyjemnym kolorze, który mocno się pieni.
FeSO4 +2NaHCO3 =FeCO3 +Na2SO4 +H2O+CO2
Dlatego wszystko należy zrobić w zlewie. Dodaj sodę oczyszczoną, aż piana prawie przestanie się pienić. Po lekkim ostudzeniu masy zaczynamy powoli wsypywać pokruszone tabletki hydroperytu. Reakcja ponownie przebiega dość szybko z utworzeniem piany. Mieszanka nabiera charakterystycznego koloru i pojawia się znajomy zapach rdzy.
2FeCO3 +H2O2 =2FeOOH+2CO2
Kontynuujemy ponowne napełnianie hydroperytu, aż pienienie, czyli reakcja, prawie całkowicie ustanie.
Zostawiamy nasze naczynie chemiczne w spokoju i obserwujemy jak tworzy się czerwony osad – jest to nasz tlenek, a dokładniej monohydrat tlenku FeOOH, czyli wodorotlenek. Pozostaje tylko zneutralizować połączenie. Pozwól osadowi osiąść i spuść nadmiar płynu. Następnie dodać czystą wodę, odstawić i ponownie odcedzić. Powtarzamy to 3-4 razy. Na koniec wysypać osad na papierowy ręcznik i osuszyć. Powstały proszek jest doskonałym katalizatorem i może być już stosowany do produkcji stopin i kompozycji zapalników wtórnych, prochu „malinowego” oraz do katalizowania karmelowych paliw rakietowych. /25.01.2008, kia-soft/
Jednak oryginalny przepis na proch „malinowy” precyzuje użycie czystego czerwonego tlenku Fe 2 O 3. Jak wykazały eksperymenty z katalizą karmelu, Fe 2 O 3 jest rzeczywiście nieco bardziej aktywnym katalizatorem niż FeOOH. Aby otrzymać tlenek żelaza, wystarczy kalcynować powstały wodorotlenek na gorącej blasze żelaznej lub po prostu w puszce blaszanej. W rezultacie powstaje czerwony proszek Fe 2 O 3.
Po wykonaniu pieca muflowego wypalam go przez 1-1,5 godziny w temperaturze 300-350°C. Bardzo wygodnie. /kia-soft 06.12.2007/
P.S.
Niezależne badania naukowca zajmującego się rakietami Vegi wykazały, że otrzymany tą metodą katalizator ma zwiększoną aktywność w porównaniu do nadtlenków przemysłowych, co jest szczególnie widoczne w paliwie karmelowym otrzymywanym przez odparowanie.
Metoda 2. Otrzymywanie tlenku żelaza Fe 2 O 3 z chlorku żelaza
Informacje o takiej możliwości można znaleźć w Internecie, np. na forum bułgarskich naukowców zajmujących się rakietami, tlenek uzyskano za pomocą wodorowęglanu, na forum chemików wspomniano o tej metodzie, ale nie zwróciłem na to zbytniej uwagi, ponieważ nie miałem Chlorek żelaza. Niedawno gość na mojej stronie RubberBigPepper przypomniał mi o tej opcji. Bardzo na czasie, ponieważ aktywnie zajmowałem się elektroniką i kupowałem chlorek. Postanowiłem przetestować tę opcję produkcji wodorotlenku żelaza. Metoda jest nieco droższa finansowo, a główny składnik chlorek żelaza jest trudniejszy do uzyskania, ale pod względem przygotowania jest łatwiejszy. Więc potrzebujemy chlorek żelazowy FeCl 3 I soda oczyszczona NaHCO3. Chlorek żelazowy jest powszechnie używany do trawienia płytek drukowanych i jest sprzedawany w sklepach radiowych.
Do szklanki gorącej wody wsyp dwie łyżeczki proszku FeCl3 i mieszaj aż do rozpuszczenia. Teraz powoli dodawaj sodę oczyszczoną, cały czas mieszając. Reakcja przebiega szybko z bulgotaniem i pienieniem, więc nie ma potrzeby się spieszyć.
FeCl3 +3NaHCO3 =FeOOH+3NaCl+3CO2 +H2O
Mieszaj, aż bąbelki ustaną. Stoimy i otrzymujemy ten sam wodorotlenek FeOOH w osadzie. Następnie neutralizujemy związek, podobnie jak w pierwszym sposobie, kilkukrotnie odsączając roztwór, dodając wodę i osadzając. Na koniec osad suszymy i wykorzystujemy jako katalizator lub do otrzymania tlenku żelaza Fe 2 O 3 poprzez kalcynację (patrz metoda 1).
Oto prosty sposób. Wydajność jest bardzo dobra, z dwóch łyżeczek (~15 g) chlorku otrzymuje się 10 g wodorotlenku. Katalizatory otrzymane tą metodą zostały przebadane i są w pełni zgodne z wymaganiami. /kia-soft 03.11.2010/
P.S.
Nie mogę zagwarantować 100% wiarygodności równań reakcji chemicznych, ale w istocie odpowiadają one zachodzącym procesom chemicznym. Sprawa wodorotlenku Fe(III) jest szczególnie niejasna. Według wszystkich kanonów Fe(OH) 3 powinien się wytrącić. Ale w obecności nadtlenku (metoda 1) i w podwyższonych temperaturach (metoda 2) teoretycznie następuje odwodnienie triwodorotlenku do monohydratu FeOOH. Sądząc po wyglądzie zewnętrznym, dokładnie tak się dzieje. Powstały proszek wodorotlenkowy wygląda jak rdza, a głównym składnikiem rdzy jest FeOOH. ***
