Железо

История

Железо известно с древнейших времён.

Археологические раскопки находят изделия из железа датируемые примерно IV тыс. до н. э. и относящиеся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизации. Поделки из железа того времени включают наконечники для стрел и украшения. В них использовалось метеоритное железо, точнее сплав железа и никеля, из которого состоят метеориты. Упоминание о небесном происхождении железа осталось во многих языках.

Между II и III тыс. до н. э. в Месопотамии, Анатолии и Египте появляются первые предметы изготовленные из переплавленного железа (определяется по отсутствию никеля в составе). Тем не менее, железо использовалось в основном в культовых предметах. Вероятно, железо в те времена было очень дорогим — более дорогим чем золото.

Во времена «Илиады» оружие было в основном бронзовым, тем не менее Гомер (в 23-й песне «Илиады») рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. Между 1600 и 1200 годом до н. э. производство железа развивалось на Ближнем Востоке, однако железо все ещё значительно уступало по распространению бронзе.

В период между XII и X веком до н. э. на Ближнем Востоке произошёл резкий скачок в производстве инструментов и оружия — от использования бронзы к использованию железа. Вероятно, столь быстрый переход был вызван не столько прогрессом в производстве железа сколько перебоями в доставке олова одного из компонент бронзы. Период времени после начала массовой обработки железа принято называть Железным веком.

Основным методом получения железа в древние времена был сыродутный процесс, в котором перемежающиеся слои железной руды и древесного угля загружались в специальные горны, после прокаливания руды получалось тестообразное кричное или губчатое железо, его освобождали от шлака ковкой. Первые горны имели сравнительно невысокую температуру, заметно меньшую температуры плавления чугуна, в результате железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Поэтому иногда приходилось еще раз прокаливать изделия из железа в присутствии угля, при этом поверхностный слой металла слегка насыщался углеродом и упрочнялся. Изделия, полученные таким способом уже были заметно более надежны, чем бронзовые.

В дальнейшем строились всё более эффективные горны (по-русски домницы) для производства железа, вскоре температура в них стала достаточной для образования чугуна. Первоначально его считали вредным побочным продуктом (, по-русски свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун). Потом обнаружилось, что при повторном прожигании в горне в условиях сильного дутья чугун превращается в железо хорошего качества. При этом двухстадийный процесс производства железа оказался более выгодным. Этот двухстадийный способ просуществовал без особых изменений много веков.

Первые сведения об употреблении метеоритного железа в Китае относятся примерно к тем же временам что и в Европе. Железоделательное производство, вероятно, начало развиваться там с VIII века до н. э. Производство чугуна там началось в I веке до н. э.

Есть мнение, что производство стали и чугуна было занесено в Европу монголами через Россию.

Подробнее смотрите: История железа.

Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (бел. жалеза,болг. желязо, укр. залізо, польск. Żelazo, словенск. Železo). Одна из версий связывает это слово с санскритским «жальжа», что означает «металл, руда». Другая версия усматривает в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (т. к. железо в основном употреблялось на изготовление оружия), третье связывает с греческим словом χαλχοσ, что означало железо и медь.

Европейские iron (англ.), Eisen (нем.) происходят от санскритского «исира» — крепкий, сильный. Латинское ferrum происходит от fars — быть твёрдым.

Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос для железа и латинское sidus звезда, вероятно, имеют общее происхождение. Есть мнение что английское и немецкое название железа (iron и Eisen) соответственно происходят от этрусского «айзари» — боги, небо.

Геохимия железа

IronInRocksMakeRiverRed.jpg

Изотоп железа 56 считается наиболее стабильным ядром, все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд, все последующие элементы образуются только в результате взрывов сверхновых.

Железо — один из самых распространённых элементов в солнечной системе, особенно на планетах земной и группы, в часности на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90%. Содежание железа в земной коре составляет 5%, а в мантии около 12%. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию.

В основном железо встречается в природе в виде окислов магнетита, гематита и гётита (см. также железная руда). Кроме того промышленное значение имеет карбонат железа — сидерит, и сульфиды — пирит и пиротин.

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро земли, возможно присутствует в мантии и очень радко встречается в земной коре. Окисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Закисное железо Fe₂O₃ характерно для самых верхних, наиболее окисленных частей земной коры, в частности, осадочных пород.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄). 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.

В печи углерод кокса окисляется до оксида углерода(угарного газа) кислородом воздуха:

2 C + O₂ → 2 CO

В свою очередь угарный газ восстанавливает железо из руды :

3 CO + Fe₂O₃ → 2 Fe + 3 CO₂

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как песок (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь)

CaCO₃ → CaO + CO₂

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния образуя шлак.

CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий чем железо шлак плавает на поверхности, его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи содержит довольно много углерода. Поэтому конечный продукт доменного производства чугун, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод удаляют из чугуна дожиганием в мартеновских печах или в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Физические свойства

Железо - типичный металл.

Химические свойства

Основные степени окисления железа - 2 и 3.

Применение

LightningVolt Iron Ore Pellets.jpg Железо — самый употребляемый металл, на него приходится до 95% мирового производства металлов.

Железо основной компонент стали и чугуна — важнейших конструкционных материалов. Конструкционное использование железа — основное.
Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
Магнитная окись железа важный в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет, и т. п. Также железо входит в большинство магнитных сплавов.
Хлорид железа III (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
Сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве

Биологическая роль

Железо играет важную роль в жизни практически всех организмов, за исключением некоторых бактерий.

В организме животных железо входит в состав множества ферментов и белков, участвующих в окислительно-восстановительных реакциях, главным образом в процессе дыхания. Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных.

Комплексы железа отличные от гема встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

Неорганическое железо встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесен в этот список (из-за опечатки в результатах анализа - был потерян "лишний" 0 после запятой).

Потребность человека в железе на 1 кг веса следующая: дети — 0,6 мг, взрослые — 0,1 мг и беременные — 0,3 мг железа в сутки, у женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа поступающего с пищей вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (Гематоген, Ферроплекс, ).

Передозировка железа угнетает антиоксидатную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

См. также

Категория:Соединения железа

Ссылки

Химические элементы | Железо | Металлы

Gourt Home::Gourt :: Железо