Железо является химическим элементом периодической таблицы Д.И. Менделеева с атомным номером 26 и условным обозначением Fe. Железо в свободном виде и при нормальных условиях представляет собой серебристо-белый, относительно мягкий, ковкий и химически активный металл.
Открытие
Такой химический элемент как железо был известен человечеству с древнейших времен. В честь этого элемента был назван целый период в истории человечества, который имел название «железный век», и характеризовался массовым изготовлением оружия и орудий труда из данного материала. Этот период в истории человечества начинался приблизительно в 1200 году до Нашей эры, но так же следует отметить что знакомство человека с этим металлом началось задолго до этого периода, потому что метеоритное железо было обнаружено в древнеегипетских гробницах времен III тысячелетия до Нашей эры.
Массовое производство изделий из железа началось с периода 1200 года до Нашей эры. С этого момента были широко распространены гоночные печи или гоночные фабрики с пристроенными кузницами.
Вблизи современной Болоньи, археологами были обнаружены изделия из железа(наконечники копья), возраст которых приблизительно датируется VI веком до Нашей Эры. Далее технологии плавильного дела начали набирать обороты и в период 3 — 5 столетия начали усовершенствоваться плавильные печи. До 18 века плавильные печи являлись единственным способом обработки железа. Эти печи могли к этому времени раскаляться до температуры около 1200°C. Это значит, что полностью плавить железо они все-таки еще не умели, потому что температура плавления железа составляет 1536°C.
Уже в начале XVIII века начали появляться печи способные полностью плавить железную руду. В это время плавильная индустрия начала активно развиваться и в это время свершилась так называемая «промышленная революция». Появилась возможность в промышленных масштабах производить некоторые виды сталей и чугун.
Интересное:
Характеристики
| Физические характеристики | |
|---|---|
| Состояние при Н.У. | Твердое |
| Температура плавления | 1536 ° С |
| Точка кипения | 2861 °С |
| Плотность при Н.У. | 7,874 г/см 3 |
| Твердость по шкале Мооса | 4 |
| Критическая точка | — |
| Мол. теплота плавления | 13,81 кДж/моль |
| Мол. теплота испарения | 340 кДж/моль |
| Мол. теплоемкость | 25,10 Дж/(моль·К) |
| Молярный объем | 7,1 см 3 ·моль -1 |
| Химические характеристики | |
|---|---|
| Атомный номер(Z) | 26 |
| Атомная масса | 55,845 |
| Электронная конфигурация | 3d⁶4s² |
| Радиус атома | 126 пм |
| Ковалентный радиус | 132 пм |
| Степени окисления | 0, +2, +3, +1, +4, +6, +8, +7 |
| Радиус иона | 77 пм |
| Электроотрицательность | 1,83 (шкала Полинга) |
| Энергия ионизации | 759,1 кДж/моль |
| Изотопы | ⁵⁴Fe, ⁵⁵Fe, ⁵⁶Fe, ⁵⁷Fe, ⁵⁸Fe, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Fe; |
Интересное:
Добыча и производство
Железо является очень распространенным химическим элементом, который встречается в больших количествах как в звездном пространстве так и на Земле. По оценкам ученых земное ядро, как и ядра других кремниевых планет, по меньшей мере на 35% состоят из сплавов железа. Массовая доля железа на планете Земля сотавляет порядка 28,8%, что делает его вторым по распространенности химическим элементом.
Самородное железо редко встречается на поверхности земной коры из-за его высокой реакционной способности. Большая часть железа в земной коре соединяется с различными другими элементами, образуя несколько сотен различных минералов железа. Основной костяк экономически важных минералов составляют преимущественно оксиды железа, такие как гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4) и сидерит (FeCO3), лимонит (Fe2O3·n H2O) и гетит ( FeO•OH ). Данные минералы иногда называют железными рудами, которые впоследствие перерабатываются для соответствующих нужд применений.
В промышленности железо получают в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3) в доменных печах. Для этого железо восстанавливают углеродом при температуре 2000°C. В доменной печи углерод в виде кокса совместно с железной рудой и флюсом подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха. В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода по химической формуле:
2C + O2 → 2CO↑
В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III) согласно формуле:
3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2
Флюс добавляется для очищения железа от примесей в виде силикатов и тому подобное. Самое чистое железо получают методом электролиза его солей. Ежегодная добыча железных руд составляет порядка 1500 млн тонн, которые в последствие перерабатываются в чистое железо, чугун и сталь.
Интересное:
Применение
Применение железа является наиболее распространенным среди остальных металлов, так как его доступность в разы выше остальных, а цена соответственно ниже. Из этого химического элемента изготавливается огромное количество разнородных изделий. В числе таковых могут быть производственные станки, автомобили, корабли, самолеты, железнодорожные вагоны, конструкционные элементы зданий, различного рода инструменты, электрические приборы и многое многое другое. Поскольку чистое железо довольно мягкое, его чаще всего комбинируют с легирующими элементами для получения стали.
Чистое железо имеет достаточно ограниченный круг применений, который относится к материалам для катализаторов, таких как процесс Габера-Боша при синтезе аммиака или синтез Фишера-Тропша. Железо наряду с кобальтом и никелем является одним из трех ферромагнитных металлов, свойства которых позволяют широкомасштабное использование электромагнетизма в генераторах, трансформаторах, дросселях, реле и электродвигателях. Сплавы с элементным составом высокой чистоты обладают особыми улучшенными свойствами, такими как пластичность, предел прочности, ударная вязкость, усталостная прочность, термостойкость и коррозионная стойкость. Этот факт значительно расширяет круг применений данного элемента.
Железные производные, такие как сталь, чугун, оксиды, сульфиды и сульфаты, имеют огромное количество собственных применений во всех возможных сферах человеческой жизнедеятельности. В энергетической отрасли железо применяется для изготовления анодов железо-никелиевых и железо-воздушных аккумуляторов. Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий. Порошок железа используется как поглотитель кислорода при упаковке некоторых продуктов питания, что помогает продлить их срок хранения. Магнетит является важным материалом в производстве устройств долговременной компьютерной памяти, таких как жёсткие диски и другие внешние накопители.
Перечислить все возможные применения такого химического элемента как железо и его производных просто не представляется возможным из-за огромного их количества.
Интересное:
Безопасность
Железо как химический элемент не представляет опасности для человеческого организма, а наоборот является важным его компонентом. В организме человека и животных железо окисляется до ионов 2+ и 3+. Будучи центральным атомом кофактора гема b в гемоглобине, миоглобине и цитохромах, он отвечает за транспорт и хранение кислорода, а также за перенос электронов у многих животных и людей. В этих белках он окружен плоским порфириновым кольцом.
Железо также является компонентом железо-серных комплексов (так называемых железо-серных кластеров) во многих ферментах, таких как нитрогеназы, гидрогеназы или комплексы дыхательной цепи. Третий важный класс ферментов железа — это так называемые негемовые ферменты железа. Эти белки выполняют задачи в различных организмах: активацию кислорода, транспорт кислорода, окислительно-восстановительные реакции и гидролиз. Трехвалентное железо столь же важно, как центральный ион в ферменте каталазе, который расщепляет клеточный яд перекиси водорода, который вырабатывается во время метаболизма в пероксисомах клеток. Ионы железа также являются катализатором окисления органических соединений в особых условиях. Эта реакция Фентона считается одним из важнейших источников активных форм кислорода в клетках при избытке железа, которое играет роль в различных заболеваниях и старении.
Не смотря на огромное количество функций, которые выполняет данный элемент в организме человека все должно находиться в гармонии. Уровень железа (Fe) в сыворотке крови является важным показателем здоровья, отклонение от которого может сулить серьезными проблемами. Для разового потребления опасной дозой считается 30 мг чистого железа, так как может вызвать серьезные проблемы со здоровьем у детей.