Свойства, применение, значение элемента железа

24

Образовательное учреждение

Реферат

Тема: Свойства, применение, значение элемента Железа

Выполнил: .

Проверил: .

Город: 20 г.

Содержание

Введение

История

Происхождение названия

Изотопы

Геохимия железа

Геохимические свойства железа

Минералы железа

Получение

Физические свойства

Химические свойства

Применение

Биологическое значение железа

Заключение

Список литературы

1 Введение

Желемзо -- элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) -- 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.

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8%), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2% углерода) и чугун (более 2% углерода), а так же нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре -- 4,65 % (4-е место после O, Si, Al[2]). Считается также, что железо составляет бомльшую часть земного ядра.

Свойства атома

Атомная масса

(молярная масса) 55,847 а. е. м. (г/моль)

Радиус атома 126 пм

Энергия ионизации

(первый электрон) 759,1(7.87) кДж/моль (эВ)

Электронная конфигурация [Ar] 3d6 4s2

Химические свойства

Ковалентный радиус 117 пм

Радиус иона (+3e) 64 (+2e)74 пм

Электроотрицательность

(по Полингу) 1.83

Электродный потенциал Fe<Fe3+ -0,04 В

Fe<Fe2+ -0,44 В

Степени окисления 6, 3, 2, 0, -2

Термодинамические свойства простого вещества

Плотность 7,874 г/смі

Молярная теплоёмкость 25,14[1] Дж/(K·моль)

Теплопроводность 80,4 Вт/(м·K)

Температура плавления 1 812 K

Теплота плавления 247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль

Температура кипения 3134 K

Теплота испарения ~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль

Молярный объём 7,1 смі/моль

Кристаллическая решётка простого вещества

Структура решётки кубическая объёмноцентрированая

Параметры решётки 2,866 Е

Отношение c/a --

Температура Дебая 460 K

История

Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются IV тыс. до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: "сидер" (а на латыни это слово значит "звездный").

Изделия из железа, полученного искусственно, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию и острова Средиземного моря (4-3 тысячелетие до н. э.). Самый древний железный инструмент из известных -- стальное долото, найденное в каменной кладке пирамиды фараона Хуфу в Египте (построена около 2550 года до н. э.). Железо часто упоминается в древнейших (третье тысячелетие до н. э.) текстах хеттов, основавших свою империю на территории современной Анатолии в Турции. Например, в тексте хеттского царя Анитты (около 1800 года до н. э.) говорится:

Когда на город Пурусханду в поход я пошел, человек из города Пурусханды ко мне поклониться пришел (…?) и он мне 1 железный трон и 1 железный скипетр (?) в знак покорности (?) преподнес.

В этом тексте железо обозначается словом «par-zi-lum» (сравните латинское «ferrum» и русское «железо»), что, скорее всего, значит «олово всадников» -- от древнеарийских слов «PARSA» или «FERSY» (всадник -- сравните этноним «персы», отсюда же шахматная фигура «ферзь», и латинские слова «persona» и «partia»), и корня «ZIL» (олово, и вообще белый металл).

В древности мастерами железных изделий слыли халибы, которых Геродот перечисляет в числе эллинских племен Малой Азии, подвластных Крезу. Халибы жили на севере державы Хеттов, у побережья Черного моря возле устья реки Галис (современный г. Самсун в Турции), и от их имени происходит греч. ЧЬлхвбт -- «сталь». Аристотель описал их способ получения стали: халибы несколько раз промывали речной песок их страны -- видимо, таким способом (теперь это называют флотацией) выделяли тяжёлую железосодержащую фракцию породы, добавляли какое-то огнеупорное вещество, и плавили в печах особой конструкции; полученный таким образом металл имел серебристый цвет и был нержавеющим. Из этого процесса, видимо, возникло и название "руда", которое на латыни значит "мокрый"- то есть, "вымытый".

В качестве сырья для выплавки стали использовались магнетитовые пески, которые часто встречаются по всему побережью Чёрного моря: эти магнетитовые пески состоят из смеси мелких зерен магнетита, титано-магнетита или ильменита, и обломков других пород, так что выплавляемая халибами сталь была легированной, и обладала отличными свойствами. Такой своеобразный способ получения железа не из руды говорит о том, что халибы, в основном, распространили железо как технологический материал, но их способ не мог быть методом повсеместного промышленного производства железных изделий. Однако, их производство послужило толчком для дальнейшего развития металлургии железа.

Судя по греческому названию инструментальных металлов чблкьт (это слово обозначает и бронзу, и железо), можно понять, что арийские племена нашли способ выделки железа во время перехода в Азию через Кавказ, а именно - в Колхиде (др.-греч. КплчЯт), так как другого удобного сухопутного пути из Европы в Азию не было. Пройдя степи Причерноморья, они оставили многочисленные памятники культуры бронзового века (так называемая "пахатно-скотоводческая культура"), и двинулись дальше - на Юг. Конечно же, по пути они искали сырьё для изготовления бронзовых орудий, и так обнаружили свойства причерноморских песков, дающих новый твёрдый металл - железо. Видимо, сперва они приняли его за олово (первые металлурги плохо различали металлы), и это подтверждается так же тем, что название "сталь" в языках северных арийцев (романских, германских, славянских) явно происходит от слова "STANN" через аберрацию N-L, а у римлян это слово обозначало олово. То есть, пытаясь найти олово для бронзы, они обнаружили металл, который оказался крепким и без сплавления с медью, и стали называть его по аналогии с оловом. Найденный тогда способ выплавки стальных изделий не позволял получать их в больших количествах, однако использовался более тысячи лет, пока не была разработана технология выплавки железа из руды, добываемой в копях.

Климент Александрийский в своем энциклопедическом труде «Строматы» упоминает, что по греческим преданиям железо (видимо, выплавка его из руды) было открыто на горе Иде -- так называлась горная цепь возле Трои (в Илиаде она упоминается как гора Ида, с которой Зевс наблюдал за битвой греков с троянцами). Произошло это через 73 года после Девкалионова потопа, а этот потоп, согласно Паросской хронике, был в 1528 году до нашей эры, то есть метод выплавки железа из руды был открыт примерно в 1455 году до н. э. Однако, из описания Климента не ясно, говорит ли он именно об этой горе в Передней Азии (Ида Фригийская у Вергилия), или же о горе Ида на острове Крит, о которой римский поэт Вергилий в Энеиде пишет:

Остров Юпитера, Крета, лежит средь широкого моря,

Нашего племени там колыбель, где высится Ида …

а римляне, как известно, были потомками малоазиатских троянцев, переселившихся в Италию после разрушения Трои. Могила их предводителя Энея до сих пор существует в местечке Пратика-ди-Маре возле Рима, и в ней был обнаружен железный жезл -- символ власти, и другие предметы из железа и бронзы.

Более вероятно, что Климент Александрийский говорит именно о фригийской Иде возле Трои, так как там были найдены древние железные копи и очаги железоделательного производства. Видимо, ознакомившись с методом халибов, древние троянцы развили свой способ выплавки стали из руды, оказавшийся более производительным.

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г.Арешяна стоимости меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1 : 160 : 1280: 6400. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие 3,11 описан «одр железный» рефаимского царя Ога. В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до н. э.) был найден кинжал из железа в золотой оправе -- возможно, подаренный хеттами в дипломатических целях. Но хетты не стремились к широкому распространению железа и его технологий, что видно и из дошедшей до нас переписки египетского фараона и его тестя - царя Хеттов. Фараон просит прислать побольше железа, а царь хеттов уклончиво отвечает, что запасы железа иссякли, а кузнецы заняты на сельскохозяйственных работах, поэтому он не может выполнить просьбу царственного зятя. Как видно, хетты старались использовать свои знания для достижения военных преимуществ, и не давали другим возможности сравняться с ними. Видимо, поэтому железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны и падения державы хеттов, когда благодаря торговой активности греков технология железа стала известной многим, и были открыты железные месторождения и рудники. Так на смену "Бронзовому" веку настал век "Железный".

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл. Например, в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. Это железо ахейцы добывали у троянцев и сопредельных народов (Илиада 7,473), в том числе, у халибов, которые воевали на стороне троянцев:

Прочие мужи ахейские меной вино покупали,

Те за звенящую медь, за седое железо меняли,

Те за воловые кожи или волов круторогих,

Те за своих полонёных. И пир уготовлен веселый…

Возможно, железо было одной из причин, побудивших греков-ахейцев двинуться в Малую Азию, где они узнали секреты его производства. А раскопки в Афинах показали, что уже около 1100 года до н. э. и позднее уже широко были распространены железные мечи, копья, топоры, и даже железные гвозди. В библейской книге Иисуса Навина 17,16 (ср. Судей 14,4) описывается, что филистимляне (библейские "PILISTIM", а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги) имели множество железных колесниц, то есть, в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.

Гомер в «Илиаде» и «Одиссее» называет железо «многотрудный металл», и описыват закалку орудий:

Расторопный ковач, изготовив топор иль секиру,

В воду металл, раскаливши его, чтоб двойную

Он крепость имел, погружает…

Гомер называет железо многотрудным, потому что в древности основным методом его получения был сыродутный процесс: перемежающиеся слои железной руды и древесного угля прокаливались в специальных печах (горнах -- от древнего «Horn» -- рог, труба, первоначально это была просто труба, вырытая в земле, обычно горизонтально в склоне оврага). В горне окислы железа восстанавливаются до металла раскалённым углём, который отбирает кислород, окисляясь до окиси углерода, и в результате такого прокаливания руды с углём получалось тестообразное кричное (губчатое) железо. Крицу очищали от шлаков ковкой, выдавливая примеси сильными ударами молота. Первые горны имели сравнительно низкую температуру -- заметно меньше температуры плавления чугуна, поэтому железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Чтобы получить крепкую сталь приходилось много раз прокаливать и проковывать железную крицу с углём, при этом поверхностный слой металла дополнительно насыщался углеродом и упрочнялся. И хотя это требовало больших трудов, изделия, полученные таким способом, были существенно более крепкими, чем бронзовые.

В дальнейшем научились делать более эффективные печи (в русском языке -- домна, домница) для производства стали, и применили меха для подачи воздуха в горн. Уже римляне умели доводить температуру в печи до плавления стали (около 1400 градусов, а чистое железо плавится при 1535 градусах). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100--1200 градусов, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке), и не обладающий упругостью стали. Первоначально его считали вредным побочным продуктом (англ. pig iron, по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилось, что при повторном прожигании в печи с усиленным продуванием воздуха чугун превращается в сталь хорошего качества, так как лишний углерод выгорает. Такой двухстадийный процесс производства стали из чугуна оказался более простым и выгодным, чем кричный, и этот принцип используется без особых изменений многие века, оставаясь и до наших дней основным способом производства железных материалов.

Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, болг. желязо, укр. залізо, польск. Їelazo, словен. Ћelezo).

Наиболее вероятно, что это название происходит от древнеарийского корня "ZIL", которым обозначали олово и вообще белые металлы (в том числе серебро - "zilber", и название "цинк" получилось из этого же слова аберрацией L-N). От него же, видимо, происходит и санскритское «жальжа», что означает «металл, руда». Другая версия усматривает в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия), третье связывает с греческим словом чблкьт, что означало железо и медь. Есть также связь между словом «желе» и студнеобразной консистенцией «болотной руды», из которой некоторое время добывался металл.

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 (уЯдзспт) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Изотопы

Изотоп железа 56Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд, а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых[3].

Геохимия железа

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 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %.

Геохимические свойства железа

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

По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Са2+ -- другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

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, Fe3О4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O), а также шпатовый железняк (сидерит, карбонат железа(II), FeCO3; содержит около 48 % Fe). 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 Fe(3PO4)2·8H2O, образующий черные удлиненные кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа -- пирит FeS2 (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой -- пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. Содержание железа в морской воде -- 1·10-5--1·10-8%.

Получение

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

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.

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

2C + O2 > 2CO^.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe2O3 > 2Fe + 3CO2^.

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких, как кварц (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 и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

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, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор -- 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.

Физические свойства

Железо -- типичный металл, в свободном состоянии -- серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности -- углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» -- группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

до 769 °C существует б-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ? 1043 K -- точка Кюри для железа)

в температурном интервале 769--917 °C существует в-Fe, который отличается от б-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика

в температурном интервале 917--1394 °C существует г-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой

выше 1394 °C устойчив д-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой

Металловедение не выделяет в-Fe, как отдельную фазу[4], и рассматривает её как разновидность б-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ? 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком -- происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

От абсолютного нуля до 910 єC устойчива б-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в б-железе называется ферритом.

От 910 до 1400 єC устойчива г-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в г-железе называется аустенитом.

От 910 до 1539 єC устойчива д-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решеткой. Твёрдый раствор углерода в д-железе (так же, как и в б-железе) называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный д-феррит и низкотемпературный б-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо-углерод).

В области высоких давлений (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) возникает модификация е-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря б- г переходам кристаллической решетки происходит термообработка стали. Без этого явления железо, как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения -- около 3200 °C.

Химические свойства

Основные степени окисления железа -- +2 и +3.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2О3·хН2О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe3О4, при сгорании в чистом кислороде -- оксид Fe2О3. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200--300 °C. При хлорировании железа (при температуре около 200 °C) образуется летучий FeCl3. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr3. При нагревании FeCl3 и, особенно, FeBr3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа(II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe3I8.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом, образуя карбид Fe3C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) СО, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (з5-С5Н5)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная плёнка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl > FeCl2 + H2^;

Fe + H2SO4 > FeSO4 + H2^.

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа(III):

2Fe + 6H2SO4 > Fe2(SO4)3 + 3SO2^ + 6H2O.

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)2. Оксид железа(III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(ОН)2, основание Fe(ОН)3, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)3 + 3H2SO4 > Fe2(SO4)3 + 6H2O.

Гидроксид железа(III) Fe(ОН)3 проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)3 + 3КОН > К3[Fe(ОН)6].

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)3.

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl3 > 3FeCl2.

При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) до железа(III):

4FeCl2 + O2 + 2H2O > 4Fe(OH)Cl2.

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора -- двойной сульфат аммония и железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2О.

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 -- железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 -- железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) образуются соединения железа(VI) -- ферраты, например, феррат(VI) калия K2FeO4. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа(VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с тиоцианат-ионами SCN-. При взаимодействии ионов Fe3+ с анионами SCN- образуется ярко-красный роданид железа Fe(SCN)3. Другим реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтой кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4- выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

4K4[Fe(CN)6] + 4Fe3+ > 4KFeIII[FeII(CN)6]v + 12K+.

Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe2+ и [Fe(CN)6]3- выпадает осадок турнбулевой сини:

3K3[Fe(CN)6] + 3Fe2+ > 3KFeII[FeIII(CN)6]v + 6K+.

Интересно, что берлинская лазурь и турнбулева синь -- две формы одного и того же вещества, так как в растворе устанавливается равновесие:

KFeIII[FeII(CN)6] - KFeII[FeIII(CN)6].

Применение

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 в черно-белых лазерных принтерах в качестве тонера.

Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствовуют 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.

Биологическое значение железа

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02%), из которых 75% являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

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. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

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.

Неорганические соединения железа 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 внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа -- был потерян «лишний» ноль после запятой).

Суточная потребность человека в железе следующая[5]: дети -- от 4 до 18 мг, взрослые мужчины -- 10 мг, взрослые женщины -- 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности -- 33 мг. 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).

Содержание железа в воде больше 1-2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Заключение

Как индивидуальный представитель периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева, элемент характеризуется уникальными химическими и физическими свойствами

Элемент имеет большое народнохозяйственное значение и играет большую роль в мировой культуре

Список литературы

1. Редкол.:Кнунянц И. Л. (гл. ред.) Химическая энциклопедия: в 5 т. -- Москва: Советская энциклопедия, 1990. -- Т. 2. -- С. 140. -- 671 с. -- 100 000 экз.

2. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. -- 4-е изд., стер. -- М.: Химия, 2000, ISBN 5-7245-1130-4, с. 529

3. Ю.М.Широков, Н.П.Юдин Ядерная физика. Москва. Наука, 1972 г. Глава Ядерная космофизика.

4. Металловедение и термическая обработка стали. Справ. изд. В 3-х т./ Под ред. М. Л. Берштейна, А. Г. Рахштадта -- 4-е изд., перераб. и доп. Т.2. Основы термической обработки. В 2-х кн. Кн.1. М.: Металлургия, 1995. 336с.

5. «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации» МР 2.3.1.2432-08