Залізо та його властивості

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

На тему: «Залізо та його властивості»

Реферат підготував

Студент 1-курсу

Групи ФТ-02

Пась Олександр

Київ 2010

План

1. Загальні відомості

а) Поширення в природі

б) Залізо та його сплави

2. Фізичні властивості

3. Хімічні властивості

1. Загальна інформація

Залізо (рос. железо, англ. iron, нім. Eisen n) - Символ (Fe). Ферум - металічний елемент побічної підгрупи VІІІ групи 4 періоду періодичної системи хімічних елементів. Він є представником d-елементів. На зовнішньому енергетичному рівні атома Феруму знаходиться два s-електрони, а на перед зовнішньому енергетичному рівні відбувається заповнення d-підрівня. У своїх сполуках Ферум здатен проявляти ступені окиснення +2 та +3. Масова частка Феруму в земній корі становить 5 %. Він займає четверте місце по розповсюдженості в природі. Найважливішими залізними рудами є: магнетит Fе3О4, гематит Fe2О3, лімоніт -- Fe2O3 · nH2O, сидерит FеСО3, пірит FеS2. ат.н. 26, ат.м. 55,847. Сріблясто-сірий, пластичний і ковкий метал. Легко окислюється утворюючи оксиди. Електропровідний. за Брінеллем 350-450 МПа; модуль Юнга 190 210х103 МПа; модуль зсуву 8,4х10-3 МПа; короткочасна міцність на розрив 170-210 МПа, межа текучості 100 МПа; ударна в'язкість 300 МПа; сер. питома теплоємність (273-1273 К) 640,57 Дж/кг·К; густина 7,84. На повітрі окислюється, покриваючись іржею FeO·nH2O. Серед інш. породоутворюючих елементів має макс. ат. вагу.

а) Поширення в природі

Залізо за поширеністю в природі займає друге місце серед металів (після ). На нього припадає 5,10% маси земної кори. За вмістом в земній корі З. займає 4-е місце. Зустрічається воно винятково у вигляді різних сполук. Вільне залізо знаходять лише в метеоритах.

З. - поширений елемент метеоритної речовини: в кам. метеоритах міститься 25, а в залізних 90,85 мас.% Fe. Космічна поширеність З. близька до його вмісту в фотосфері Сонця - 627 г/т. Середньо планетна частка З. в речовині Землі велика - 38,8%. Найбідніша на З. поверхня Землі.

Найважливішими природними сполуками заліза, що мають промислове значення, є Fe3O4, Fe2O3, Fe2O3 nH2O та FeS2. Оксиди заліза служать рудами, з яких добувають залізо, а пірит -- сировиною для сульфатно-кислотного виробництва.

Розповсюдженість З. в гірських породах (% за масою): ультра основні - 9,85; основні - 8,56; середні - 5,85; кислі - 2,70; лужні - 3,60; осадові - Багаті родовища магнітного залізняку зосереджені на Уралі в районі м.

Магнітогорська і в Курській області (так звана ). Родовища червоного залізняку є в Україні в районі м. . Родовища бурого залізняку зосереджені на Керченському півострові. Крім того, потужні родовища залізних руд виявлені і в інших місцях -- на Кольському півострові, в Сибіру і на Далекому Сході.

Ферум є біологічно важливим елементом. Він міститься в організмах усіх тварин і в рослинах. Ферум входить до складу цитоплазми рослин, бере участь у процесі фотосинтезу. В організмі дорослої людини міститься десь 4 г Феруму. Він накопичується здебільшого в печінці, кістковому мозку, селезінці. Але основна частина Феруму входить до складу гемоглобіну - червоного пігменту крові, який виконує функцію переносу кисню від легень до тканин, а в зворотному напрямку -- вуглекислого газу. Нестача Феруму призводить до небезпечної хвороби -- недокрів'я. Тому обов'язково треба вживати харчові продукти, багаті на Ферум: петрушку, печінку, телятину, гречку, курагу тощо.

б) Залізо та його сплави

Залізо -- найважливіший метал сучасної техніки. У чистому вигляді залізо майже не використовується, але приблизно 90 % металів, що використовуються людством -- це сплави на основі заліза. Заліза виплавляється у світі дуже багато, приблизно в 50 разів більше, ніж алюмінію, не говорячи вже про інші метали. На основі заліза створюють сплави, які здатні витримувати вплив високих і низьких температур, вакууму і високих тисків, агресивних середовищ тощо. Сплави заліза широко застосовують як конструкційні та художні матеріали.

Залізо - один з найбільш розповсюджених в природі металевих елементів. Технічно чисте залізо - сріблясто-білий тугоплавкий пластичний метал з досить високими міцністю і твердістю. Однак через високу вартість очищення металу від домішок застосування заліза у виробництві товарів народного споживання обмежена. Використовують, головним чином, залізовуглецевих сплавів сталі і чавуни. Сталі містять вуглецю не більше 2,14%, а чавуни понад 2,14%.

Сталі за хімічним складом поділяють на вуглецеві і леговані. Вуглецеві сталі, крім вуглецю, містять у невеликих кількостях тільки неминучі домішки кремній, марганець, сірку і фосфор. У леговані сталі входять, крім того, добавки кольорових металів хрому, нікелю, молібдену, ванадію, вольфраму та ін Хімічний склад істотно впливає на властивості сталі та її застосування у виробництві товарів народного споживання. Так, у міру збільшення концентрації вуглецю зростають твердість і крихкість сталі. Тому практичне використання знаходять тільки сталі, що містять не більше 1,3% вуглецю, тому що при більшій кількості його крихкість металу зростає настільки, що знижується надійність виробів в експлуатації.

Кремній - підвищує твердість і покращує пружні властивості металу. Із сталі, що містить до 2% кремнію, виготовляють пружини та ресори.

Марганець - збільшує твердість і міцність сталі, її зносостійкість. Тому з марганцевої сталі виготовляють пили особливо високої якості, добре чинить опір стирання.

Сірка і фосфор - шкідливі домішки. Сірка викликає красноломкость (розтріскування металу при механічній обробці в гарячому стані), погіршує пластичність, знижує корозійну стійкість сталі. Фосфор обумовлює хладноломкость сталі, тобто розтріскування при механічній дії в умовах зниженої температури.

Хром - збільшує твердість і зносостійкість сталі. При вмісті хрому понад 13% сталь набуває стійкості до корозії. З такої, порівняно недорогий, нержавіючої сталі виготовляють ножі та столові прилади.

Нікель - зміцнює сталь, підвищує її ударну в'язкість і знижує хладноломкость. При спільному введенні значної кількості хрому і нікелю сталь набуває жаро прочне і високу корозійну стійкість в кислому середовищі. Тому хромонікелеві стали застосовують для виготовлення посуду і столових приладів.

Молібден, ванадій і вольфрам - додають стали високу твердість і красностойкость, тобто здатність зберігати твердість при нагріванні до червоного. Ці так звані швидкорізальні сталі використовують для виготовлення металорізальних інструментів і різців. Вуглецеві сталі, в залежності від вмісту вуглецю, підрозділяють на конструкційні (вуглецю не більше 0,75%) та інструментальні (вуглецю 0,7-1,3%). Конструкційні сталі використовують для виготовлення посуду, приладів для вікон і дверей, кріпильних виробів, нагрівальних та освітлювальних приладів і т. д. Інструментальні стали знаходять застосування у виробництві інструментів, ножів, ножиці та ін. У залежності від вмісту шкідливих домішок (сірки і фосфору), розрізняють вуглецеві сталі звичайної якості, якісні та високоякісні. Для сталі звичайної якості вміст шкідливих компонентів або зовсім не обмежується (група А), або концентрація кожного з них повинна бути не більше 0,07% (групи Б і В). У якісних сталях вміст сірки і фосфору не повинно перевищувати 0,04%. Особливо сильно обмежено вміст сірки (не більше 0,02%) і фосфору (не більше 0,03%) в сталях високоякісних, з яких виготовляють деталі, що піддаються термічній обробці.

Дуже шкідливий вплив на властивості сталі надає кисень, він викликає красноломкость, знижує пластичність і в'язкість металу. Тому в процесі отримання сталь розкислють добавками марганцю, кремнію, алюмінію.

За ступенем розкислення розрізняють сталь спокійну (сп), напів спокійну (пс) і киплячу (кп). Спокійна сталь розкисла повністю, напів спокійна кілька менше, а яке кипить не повністю, і при розливанні з неї виділяється окис вуглецю (сталь «кипить»).

Спокійна сталь - щільна в Киеве, однорідна по складу, відрізняється високими механічними властивостями. Напів спокійна сталь за будовою і властивостями займає проміжне положення між спокійною і киплячій сталлю.

У киплячій стали багато дрібних раковин, що знижує її міцні показники, зате вище вихід металу, що дешевше; дрібні раковини при прокатці заварюються. Крім того, яке кипить сталь відрізняється високою пластичністю, бо містить мінімальну кількість кремнію і марганцю (киплячу сталь розкислють тільки алюмінієм). Тому, для виготовлення виробів з листової сталі методом холодного штампування (сталева посуд, корпуса побутової газової апаратури, керосинок, керогаз, холодильників тощо), переважно кипляча сталь, а для виготовлення деталей, що піддаються при експлуатації значним навантаженням (інструменти, ножі, деталі побутових машин і т. д.), застосовують спокійну або напівспокійну сталь.

Властивості матеріалу істотно впливають на якість та ціну виробів, тому в стандартах на метало хазяйські товари зазначаються рекомендований для їх виробництва марки металу. У маркуванні стали відбиваються основні ознаки її класифікації, що визначають властивості металу.

У маркуванні конструкційних сталей звичайної якості літерами Б або В (група А в позначенні марки не вказується) вказують групи. Букви Ст. в марці означають «сталь», цифри від 0 до 6 - умовний номер марки, якому відповідають або певні механічні властивості (група А), або хімічний склад (група Б), або те й інше (група В). Для позначення ступеня розкислення у марці сталі, після номера додають індекси сп, пс, кп. Якщо індексу немає, то сталь даної марки випускається тільки спокійною.

Якісні конструкційні сталі маркують двозначними числами, що показують середній вміст вуглецю в сотих долях відсотка. До марки киплячої сталі додають індекс кп (08 кп). При підвищеному вмісті марганцю (0,71%) в кінці марки ставлять букву Г (65Г).

Інструментальні вуглецеві сталі маркують буквою У і числом (від 7 до 13), що показує середній вміст вуглецю в десятих частках відсотка. В марці високоякісних сталей повинна бути літера А (У7А, УЯА і т. Л.)

Леговані стали поділяють за призначенням на конструкційні, інструментальні і з особливими властивостями. Конструкційні сталі застосовують для виготовлення відповідальних деталей машин, коли потрібне поєднання високої міцності, твердості і зносостійкості з пластичністю і в'язкістю. З легованих інструментальних сталей виготовляють такі металообробні інструменти, як свердла в Києве, ножівкові полотна в Києве, напильники, мітчики, плашки. До сталей з особливими властивостями відносять корозійностійкі (нержавіючі), жароміцні, зносостійкі і т.п. Для товарів народного споживання (посуду, ножів, столових приладів, лез для безпечних бритв і т. д.) використовують, головним чином, нержавіючі сталі.

Чавун - сплав заліза з вуглецем (вміст більше 2,14%) та іншими елементами. Виробляють чавун виплавкою із залізних руд в доменних печах.

Чавуни за призначенням підрозділяють на переробні, ливарні, високоміцні, ковкі, леговані. Для виготовлення товарів народного споживання використовують головним чином сірий ливарний чавун. Вироби з чавуну дешевше аналогічних виробів із сталі або кольорових металів. Однак чавун крихкий, що необхідно мати на увазі при зберіганні, транспортуванні та експлуатації чавунних виробів. Маркування сірого ливарного чавуну складається з букв і чисел: СЧ 00, СЧ 12-28, СЧ 38-60. Букви означають «сірий чавун», перше число - межа міцності при розтягу, а другий - при згині в кгс / мм. Механічні властивості чавуну марки СЧ 00 стандартом не нормуються. З сірого чавуну виготовляють посуд, замки, м'ясорубки, пічні прилади, радіатори центрального опалення та т. д.

2. Фізичні властивості

Залізо -- блискучий сріблясто-білий важкий ,електропровідний метал . Його густина 7,86 т/м3; температура плавлення 1538 °C ,середня питома теплоємність (273-1273 К) 640,57 Дж/кг·К. Залізо досить пластичне. Воно легко кується, штампується, витягується в дріт і прокатується в тонкі листи, легко намагнічується і розмагнічується. Вище температури Кюрі (770 °C) втрачає феромагнітні властивості. Його твердість за Брінеллем не перевищує 100 H ; модуль Юнга 190-210x103 МПа ; модуль зсуву 8,4х10-3 МПа ; короткочасна міцність на розрив 170-210 МПа , межа текучості - 100 МПа ; ударна в'язкість 300 МПа ;; густина 7,84 .

3. Хімічні властивості

Чисте залізо -- сріблясто-білий блискучий метал з температурою плавлення 1535 ?С і густиною 7,87 г/см3. Від інших металів залізо відрізняється магнітними властивостями. Залізо є дуже пластичним металом і легко піддається обробці.

d - елемент VІІІ групи; порядковий номер 26; атомна маса елементу становить 56; (), 26е.

Метал середньої активності, відновник. Основні ступені окиснення - +2, +3.

Ферум належить до восьмої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Його атоми на зовнішній електронній оболонці мають по два електрони, а на передостанній мають по 14 електронів. Атоми феруму можуть легко втрачати два електрони і перетворюватись у двовалентні катіони Fe2+. Вони можуть втрачати і три електрони (один з передостанньої оболонки) і перетворюватись у тривалентні катіони Fe3+. Таким чином, залізо утворює два ряди сполук. Сполуки тривалентного феруму стійкіші.

Залізо згоряє в кисні. Продукт цієї реакції - залізна ожарина:

3Fe + 2O2 = Fe3O4.

У сухому повітрі при звичайній температурі залізо досить стійке, але у вологому швидко ржавіє, вкриваючись товстим шаром іржі. Іржа є сумішшю оксидів і гідроксидів феруму. Найбільшу частину іржі складає сесквіоксид заліза Fe2O3 і тригідроксид заліза Fe(OH)3 . Крім того, до її складу входить моно оксид заліза FeO, дигідроксид заліза Fe(OH)2 та інші сполуки. Процес ржавіння заліза можна зобразити такими приблизними рівняннями:

2Fe + O2 + 2Н2О = 2Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + O2 + 2Н2О = 4Fe(OH)3

Fe(OH)2 = FeO + H2O

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

Іржа досить крихка і пориста. Тому вона не може ізолювати метал від атмосфери, через що процес ржавіння відбувається безперервно. При високій температурі залізо легко сполучається з киснем, ; утворюючи окалину Fe3O4 (FeO · Fe2O3) . В атмосфері кисню розжарена залізна дротина горить яскравим полум'ям, утворюючи теж окалину Fe3O4. При нагріванні залізо може легко реагувати з хлором, сіркою та іншими неметалами:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Fe + S = FeS

В електрохімічному ряді напруг залізо стоїть лівіше від водню, тому воно легко реагує з розведеними хлоридною і сульфатною кислотами:

Fe + 2HCl = FeCl2 + Н2 ^

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 ^

З розведеною нітратною кислотою залізо теж легко реагує:

Fe + HNO3 + 3HNO3 = Fe (NO3)3 + 2H2O + NO ^

Але з концентрованою нітратною і концентрованою сульфатною кислотами без нагрівання залізо не реагує. Воно стає «пасивним», вкриваючись тонкою оксидною плівкою, яка не розчиняється в кислотах і ізолює метал від дії кислоти. Завдяки цьому концентровану нітратну і концентровану сульфатну кислоту можна зберігати і транспортувати в залізній тарі.

Залізо може відновлювати менш активні метали з розчинів їхніх солей,наприклад:

Fe + CuSO4=FeSO4 + Cu.

залізо чавун сталь текучість

До температури 912 °C існує в алотропній модифікації б-заліза з об'ємноцентрованою кубічною кристалічною ґраткою, за вищої температури -- г-заліза із гранецентрованою кубічною ґраткою, вище 1394 °C знову змінює тип ґратки на об'ємноцентровану кубічну.

Залізо належить до металів середньої активності. Хімічно чисте залізо стійке до корозії. Однак незначні частки домішок позбавляють його цієї властивості.

Залізо реагує і з іншими неметалами -- галогенами, сіркою, вуглецем. При взаємодії з сильними окисниками, наприклад, хлором утворюються сполуки Феруму з ступенем окиснення +3:

2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3,

а при взаємодії з менш активними окисниками утворюються сполуки зі ступенем окиснення Феруму +2:

Fe + S = FeS.

За високої температури залізо реагує з водяною парою. У результаті реакції утворюються залізна ожарина і водень:

3Fe + 4H2O Fe3O4 + 4H2^.

Залізо реагує з розчинами кислот з утворенням солей і виділенням газуватого водню:

Fe + H2SO4 = FeSO4 +H2^.

Під дією концентрованих сульфатної та нітратної кислот на поверхні заліза утворюється щільна оксидна плівка; тому ці концентровані кислоти можна зберігати і транспортувати у сталевих цистернах.

Залізо заміщує менш активні метали при взаємодії з розчинами їх солей:

Fe + CuSO4 = FeSO4 +Cu.

На вологому повітрі залізо зазнає корозії. Її продуктом є іржа. Унаслідок своєї пористості іржа не перешкоджає доступу кисню й вологи до металу, що призводить до подальшого руйнування металу.

Размещено на Allbest.ru