Какое особое физическое свойство отличает железо от других металлов

Обновлено: 04.10.2024

Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Смотрите так же:

СТРУКТУРА

Две модификации кристаллической решетки железа

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация – γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а₀ = 3,63), а низкотемпературная – α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a₀ = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.
В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.
При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

СВОЙСТВА

В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, – единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %.

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe₂O₄, Fe₃O₄; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH₂O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe₃(PO₄)₂·8H₂O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде – 1·10 −5 -1·10 −8 %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (FeO·Fe₂O₃).
Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.
Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.
Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах. Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

ПРИМЕНЕНИЕ

Кольцо из железа

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.
Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
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.

Железо – подарок Космоса

Этот черный металл сопровождает человека по жизни. Он есть на Луне, в Космосе, из него состоит земное ядро. Железо дало название целой эре в истории человечества.

Что представляет собой

Железо – это элемент таблицы Менделеева под №26.

Светло-серое блестящее вещество, относится к чёрным металлам.

Международное обозначение – Fe (Ferrum).

Содержит 4 природных стабильных изотопа, лабораторно получены пять радиоактивных единиц.

Железо – единственный породообразующий элемент с переменной валентностью.

Когда было открыто

История знакомства человека с железом начинается с Космоса. Судя по древним (например, древнеегипетским) названиям элемента, это было метеоритное железо. Хеттские тексты упоминают о нем как об «упавшем с неба».

Человек использует металл 6 тысяч лет.

Археологи откопали используемые древними шумерами и египтянами инструменты. Они сделаны из метеоритного железа.

Железные изделия завоевывали мир. Металлу посвящены стихи Гомеровой «Илиады», его упоминают Аристотель и Страбон.

Небесным происхождением обусловлено античное наименование железа: «сидер» («звездный»).

Ученые исследуют потенциал металла постоянно. Так, в 1868 году русский ученый Д. К. Чернов открыл кристаллические модификации вещества.

Физико-химические характеристики

Железо – металл не особо твердый (4-5 по шкале Мооса).

Физические и химические свойства определяются примесями и микроклиматом:

Реагирует с металлами при повышенных температурах.
Чистое железо пластично, не окисляется в воде и на воздухе.
При нахождении в сухом воздухе (не горячее 200°C) покрывается матовой пленкой-оксидом. Она предотвращает коррозию металла.
Наделено свойствами магнита. По этой характеристике железо легко отличить от других металлов.

Вещество с формулой FeO•nH2O – это обычная ржавчина.

Кристаллическая решетка кубическая, но меняет структуру в зависимости от температуры.
Железо, повышенные температуры плюс вода образуют сульфиды, галогениды, фосфиды, титаниды, нитриды.
Не растворяется щелочами.
Взаимодействие с кислотами зависит от концентрации. Разбавленные растворяют металл, концентрированные создают оксидную пленку-щит.

Мокрое либо горячее железо покрывается ржавчиной. Углерод делает его хрупким. Эти недостатки ограничивают применение металла.

Свойства атома
Название, символ, номер	Железо / Ferrum (Fe), 26
Атомная масса (молярная масса)	55,845(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d6 4s2
Радиус атома	126 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус	117 пм
Радиус иона	(+3e) 64 (+2e) 74 пм
Электроотрицательность	1,83 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В
Степени окисления	6, 3, 2, 0
Энергия ионизации (первый электрон)	759,1 (7,87) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.)	7,874 г/см³
Температура плавления	1812 K (1538,85 °C)
Температура кипения	3134 K (2861 °C)
Уд. теплота плавления	247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль
Уд. теплота испарения	~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,14 Дж/(K·моль)
Молярный объём	7,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	2,866 Å
Температура Дебая	460 K
Прочие характеристики
Теплопроводность	(300 K) 80,4 Вт/(м·К)
Номер CAS	7439-89-6

Железо в природе

Железо – четвертый по распространенности элемент на планете и второй среди металлов (после алюминия). Но содержание неравномерно: 86% запасов сосредоточено в ядре планеты, остальное делят мантия и кора.

Самородное железо в природе редкость, почти всегда это минералы.

Самородное железо

Их три сотни, самые известные и богатые железом (% содержание в составе):

(магнитный железняк) – 72. (красный железняк) – 70. , гетит – по 63. (бурый железняк) – 62. (шпатовый железняк) – 48.

Железо обнаружено во всех живых организмах.

Второй источник – метеориты.

Четверть массы вещества каменных метеоритов и 91% железных – это железо.

Как образуется

Железо доставляют на землю не только метеориты.

К образованию вещества причастны вулканы: это базовый компонент сульфидных магматических руд.

Второй источник появления вещества – гидротермальный процесс. Он создает магнетиты, халькопириты, другие минералы.

Месторождения, добыча

Больше всего железных руд у Бразилии, Австралии, США, Канады, Швеции, ФРГ.

Российские залежи сосредоточены на Курской магнитной аномалии.

Железо добывают открытым либо шахтным способом, процесс не особо затратен.

Железо есть во всех породах, но разрабатываются богатые металлом залежи.

Глобальные объемы запасов железной руды – 178 млрд. тонн. Ежегодное производство – около трех млрд. тонн.

Технология получения

Железная руда (магнетит и гематит) отправляется в работу: на обогатительный либо металлургический комбинат.

Железная руда

Чугун выплавляют в доменной печи. При 1610°С загружают шихту (агломерат, окатыши) с флюсом, продувают горячим воздухом. Это позволяет убрать примеси, отделить шлак.

Основные способы получения стали:

Мартеновский. Расплав чугуна, руды, скрапа плавят при 2100°С.

При необходимости в конце плавки добавляются легирующие присадки.

Кислородно-конвертерный. Массив чугуна в печи продувают воздухом под давлением. Используется смесь кислорода с воздухом либо чистый кислород (для сталей с премиальными характеристиками).
Электроплавильный. Чугун сжигают в электропечи при 2250°С. Способ используют для выплавки легированных, других специальных марок сталей.
Прямой. Богатые железом окатыши загружают в печь. Продувают водородом при 1050°С.

Закалка стали – нагрев до раскаленности и охлаждение – делают ее пластичной, твердой.

Производство беспримесного металла основано на электролизе расплава солей вещества.

Железный сплав, в составе которого менее 2% углерода, – это сталь. Более 2% углерода – чугун.

Где используется

Повседневную жизнь трудно представить без металла: железо практично, надежно, дешево. Возможно, когда-нибудь его вытеснит пластик. Сегодня в цене достоинства железного материала.

Сверхчистое железо

Промышленность

Железо нашло применение во всех формах. Сплавы – основа материалов, востребованных промышленностью. Порошок закупается тоннами для сварки, пиротехники, принтеров. Соединения – базис минеральных красок, пигмент при производстве текстиля, чернил.

Без него не обходится ни одна отрасль:

Машиностроение. Корпус машин, механизмов, особенно для работы в экстремальных условиях.
Строительство. Несущие конструкции зданий, сооружений (мостов, башен мобильной связи, др.), арматура. Кровельный материал, профнастил, металлочерепица.
Электротехника. Сердечники электромагнитов, якорей электромашин, пластин аккумуляторов.
Коммуникации. Из стали и чугуна выполнены промышленные и бытовые трубопроводы для перекачки пара, воды, газа, нефти. Это оболочка силовых кабелей.

Железо – анод в железо-никелевых, железо-воздушных аккумуляторах. Из стали сделаны бытовые и профессиональные инструменты.

Другие сферы

Металл применяют в науке, медицине, быту:

Очистка сточных вод.
Компонент гарта (полиграфского шрифта).
Кухонная утварь, столовая посуда.
Двери, замки.
Ультрамелким порошком магнетита (окиси металла) заправляют черно-белые принтеры.
Мебель авангардных стилей.
Препаратами с железом лечат анемию.
Садоводы и строители уничтожают грибок смесью медного и железного купороса (семиводный сульфат металла).

Искусственные радиоактивные изотопы – маркер при анализе химико-технологических, биологических процессов.

Биологическое воздействие

Для человека железо как микроэлемент (0,02%) на особом счету: он регулирует клеточное дыхание, входит в состав крови.

Значение для здоровья

Организм взрослого человека содержит 3,5 грамма железа. Из них три четверти входит в гемоглобин крови, остальное распределяется по другим структурам организма.

Недостаток микроэлемента порождает анемичность у человека или животных, хлороз у растений.

Питание

В организм железо доставляется пищей.

Самые богатые микроэлементом продукты обнаружены во всех пищевых группах:

Хлеб, крупы.
Печень, мясо.
Яйца.
Свекла, листовая зелень.
Бобовые.
Сухофрукты, орехи, семечки.

Продукты питания содержат разные виды железа: гемовое и негемовое. Гемовое содержит «животный» ассортимент, негемовое – растительный.

Потребность

Суточная потребность в железе (мг):

дети – 4-18;
женщины – 18;
мужчины – 10.

При беременности норма увеличивается вдвое. Больше требуется анемичным людям и донорам.

Организму легче усваивать гемовое железо, поэтому веганам либо вегетарианцам ежесуточно требуется 30-33 мг.

Опасность переизбытка

Однако избыток вещества не приветствуется, поскольку «придавливает» образование антиоксидантов в организме.

Использование воды с содержанием железа более 2 мг на литр нежелательно. Если металла больше 200 мг – вода токсична.

По стандартам РФ, в литре воды должно быть не более 0,3 мг железа.

Предупреждение

Опасность для экологии представляют отходы производства – шлаки и выделяющиеся при производстве металла газы.

Железная пыль воспламеняется на воздухе.

На рынок поставляется руда и готовая продукция – чугун, сталь, феррит.

Цена определяется степенью обработки ($ за тонну):

Металл востребован всегда, поэтому колебания цены в зависимости от состояния рынков, конъюнктуры незначительны.

Урок 28 Бесплатно Железо. Часть первая

Железо – элемент восьмой группы периодической системы элементов.

Первооткрыватель железа неизвестен – все знают, что оно использовалось с древнейших времён для изготовления орудий труда.

Самые древние изделия из железа относят к IV веку до н. э.

Первые предметы из железа были украшениями, легко догадаться почему. Одно из названий железа на древнегреческом языке – «сидер» переводится как «звездный». Древние люди не умели получать железо из руд и довольствовались лишь метеоритным железом («даром богов»).

Железо – второй по распространённости металл после алюминия, хотя многие ученые предполагают, что земное ядро, составляющее 32 % массы всей планеты, состоит целиком из железа. В пользу этого говорит наличие у Земли магнитного поля, которое возникает из-за вращения железного ядра.

Да и вообще, по своему составу атом железа – уникален.

Все атомы с большим зарядом ядра, то есть элементы, расположенные в периодической системе после железа, менее устойчивы.

Поэтому ученые считают, что железо – наиболее тяжелый элемент, способный образовываться в звездах при термоядерном синтезе.

Именно поэтому ядро Земли и, скорее всего, большинства других планет состоит именно из железа. Как наиболее тяжелый из «звездных» элементов он собирается в центре планеты под действием её гравитационного поля, образуя ядро.

Но в литосфере железо встречается в основном только в виде соединений (не считая метеоритного).

Наиболее важными природными соединениями железа являются:

красный железняк (гематит) Fe₂O₃

магнитный железняк (магнетит) Fe₃O₄

серный колчедан (пирит) FeS₂

В природных водах и водах некоторых минеральных источников содержатся гидрокарбонат железа Fe(HCO₃)₂ и некоторые другие его соли.

Соединения железа входят в состав живых организмов.

Железо можно получить восстановлением его из железных руд углеродом (коксом), угарным газом, водородом, алюминием, то есть пирометаллургическим способом.

В промышленности используют доменный процесс, в основе которого лежит реакция с углеродом.

Чистое железо – пластичный металл серебристо-белого цвета.

Он отлично прокатывается, из него можно изготовить листы тоньше папиросной бумаги.

Плотность железа 7,87 г/см 3 , температура плавления 1539 °С.

В отличие от многих других металлов, железо обладает магнитными свойствами.

Магнитные свойства железа связаны со строением атома, а именно распределением электронов по оболочкам.

В периодической системе железо находится в «триаде» элементов:

железо

кобальт

никель

Все три элемента обладают близкими физическими свойствами и строением атома.

Все они являются ферромагнитными, то есть длительное время способны сохранять намагниченность.

Пройти тест и получить оценку можно после входа или регистрации

Химические свойства железа

Химические свойства любого элемента зависят, в первую очередь, от строения ядра, а точнее, от распределения электронов по электронным уровням.

Железо находится в побочной подгруппе VIII группы Периодической системы химических элементов.

Для таких атомов валентными являются и электроны внешнего слоя, и часть электронов предвнешнего уровня.

На предвнешнем уровне атома железа 14 электронов.

Схема строения атома железа такова:

В химических реакциях атомы железа кроме двух электронов внешнего слоя могут отдавать один электрон с предвнешнего слоя и переходить в степень окисления +3.

Кроме того, степень окисления +3 для железа наиболее устойчива.

При обычных условиях железо малоактивно (не взаимодействует даже с активными окислителями), но при нагревании, особенно в мелко раздробленном состоянии, оно становится активным и реагирует почти со всеми неметаллами.

Очень мелкий порошок железа называют «пирофорное железо», оно способно самовоспламеняться на воздухе.

При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной (смешанный) оксид железа (II, III) Fe₃O₄ (FeO x Fe₂O₃)

Активные неметаллы (фтор, хлор, бром) окисляют железо до устойчивой степени окисления +3, а менее активные – сера, йод – до степени окисления +2:

Железо находится в середине ряда активности металлов, поэтому оно относится к металлам средней активности.

С водой активно реагирует только раскалённое железо.

Железо реагирует с большинством кислот, в том числе с соляной, с разбавленными серной и азотной, вытесняя из них водород и окисляясь до степени окисления +2.

Но концентрированные азотная и серная кислоты при обычной температуре пассивируют железо: образуют на его поверхности плотную пленку, которая препятствует дальнейшей химической реакции.

Поэтому концентрированные азотную и серную кислоты спокойно перевозят в стальных цистернах.

Железо вытесняет (восстанавливает) металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов их солей. Например, медь:

Эту реакцию вы можете провести сами.

Растворите в воде немного медного купороса (можно купить в хозяйственном магазине или в магазине, где продаётся всё для сада и огорода) и опустите в этот раствор железный гвоздь.

Медь будет покрывать гвоздь прямо на глазах – реакция идет довольно быстро.

Железо

Читайте также: