Ферум як представник металічних елементів побічних підгруп

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України. Черкаський медичний коледж.

Реферат

На тему: Ферум як представник металічних елементів побічних підгруп

Виконав студент

Олексійчук В.В.

Черкаси 2011

План

1. Походження назви

2. Поширення в природі

3. Ізотопи

4. Історія заліза

5. Отримання

6. Фізичні властивості

7. Хімічні властивості

8. Застосування

9. Біологічна роль

Джерела

1. Походження назви

Залімзо -- хімічна речовина, яка складається з феруму -- хімічного елемента з атомним номером 26, що позначається в хімічних формулах символом Fe.

Атомна маса заліза 55,847. Це сріблясто-сірий, пластичний і ковкий метал, який легко окиснюється утворюючи оксиди феруму в вигляді товстої плівлки (іржа) що сповільнюють подальше руйнування заліза. Залізо електропровідний метал. Його твердість за Брінеллем не перевищує 100 HB; модуль Юнга 190-210·103 МПа; модуль зсуву 8,4·103 МПа; границя міцності на розрив 170--210 МПа, границя текучості -- 100 МПа; ударна в'язкість 300 МПа; середня питома теплоємність (273--1273 К) 640,57 Дж/кг·К; густина 7840 кг/м3. На повітрі окиснюється, покриваючись іржею FeO·nH2O. Серед інших породоутворюючих елементів має максимальну атомну масу.

Ймовірною версією своє походження слово «залізо» українською та споріднені терміни у слов'янських мовах (біл. жалеза, рос. железо, цер.-слов. жел?зо, болг. желязо, сербськохорв. жељезо, пол. zelazo, чеськ. zelezo, словен. zelezo) беруть початок від санскритського «джальжа», що означало «метал», «руда»[2].

Наукова назва хімічного елемента і термін у романських мовах (іт. ferro, фр. fer, ісп. hierro, порт. ferro, рум. fier) походить від латинського слова «феррум» (лат. ferrum). Латинське ferrum, скоріш за все, запозичене з якоїсь східної мови, ймовірно з фінікійської (для порівняння івр. barzel, шумерськ. barzal, ассирійськ. parzilla)[3].

Германські мови запозичили назву заліза (готськ. eisarn, англ. iron, нім. Eisen, нід. ijzer, дан. jern, швед. jarn) з кельтських мов [4].

2. Поширення в природі

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

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

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

Розповсюдженість феруму в гірських породах (% за масою): ультраосновні -- 9,85; основні -- 8,56; середні -- 5,85; кислі -- 2,70; лужні -- 3,60; осадові -- 3,33. Відомо понад 300 мінералів, що містять ферум: оксиди, сульфіди, силікати, фосфати, карбонати та ін.

Найважливіші мінерали феруму: гематит Fe2O3 (70% Fe), магнетит Fe3O4 (72,4% Fe), ґетит FeOOH (62,9% Fe), лепідокрокіт FeO(OH) (62,9% Fe), лімоніт -- суміш гідрооксидів Fe з SiO2 та ін. речовинами (40-62% Fe), сидерит FeCO3 (48,2% Fe), ільменіт FeTiO3 (36,8% Fe), шамозит (34-42% FeO), вівіаніт (43,0% FeO), скородит (34,6% Fe2О3), ярозит (47,9% Fe2О3) та ін.

Багаті родовища магнітного залізняку зосереджені на Уралі в районі м. Магнітогорська і в Курській області (так звана Курська магнітна аномалія). Родовища червоного залізняку є в Україні в районі м. Кривий Ріг. 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.

3. Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54Fe (ізотопна поширеність 5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) і 58Fe (0,282%). Так само відомо більше 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найбільш стійкі з яких -- 60Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даних становить 2,6 мільйона років [5]), 55Fe (2,737 року), 59Fe (44,495 доби) і 52Fe (8,275 години); інші ізотопи мають період напіврозпаду менше 10 хвилин [6].

Ізотоп заліза 56Fe відноситься до найбільш стабільних ядер: усі наступні елементи можуть зменшити енергію зв'язку на нуклон шляхом розпаду, а всі попередні елементи, в принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон за рахунок синтезу. Вважають, що залізом закінчується ряд синтезу елементів в ядрах нормальних зірок (див. Залізна зірка), а всі наступні елементи можуть утворитися тільки в результаті вибухів наднових [7].

4. Історія заліза

Використання заліза почалося набагато раніше, ніж його виробництво. Перші залізні вироби мали космічне (метеоритне) походження і були виготовлені з уламків метеоритів ще в III--II тис. до н. е. Час від часу знаходили шматки сірувато-чорного металу, який перековували в кинджал або наконечник списа, що був зброєю міцнішою і пластичнішою, ніж бронза, і довше тримав гостре лезо.

Першим кроком у зародженні металургії заліза було отримання його шляхом відновлення його з окису. Руда перемішувалася з деревним вугіллям і закладалася в піч. При високій температурі, створюваної горінням вугілля, вуглець починав з'єднуватися не тільки з атмосферним киснем, але і з тим, що пов'язаний з атомами заліза. Після вигоряння вугілля в печі залишалася так звана криця -- грудка речовини з домішкою відновленого заліза. Крицю потім знову розігрівали і піддавали обробці куванням, вибиваючи залізо із шлаку. Таке залізо не відрізнялось твердістю та пружністю, у зв'язку з чим мало обмежену область застосування.

Вперше залізо навчилися обробляти народи Анатолії. Давньогрецька традиція вважала відкривачем заліза народ халібів, для яких традиційно використовувалась стійка «батько заліза», і сама назва народу бере початок саме від грецького слова ??????? («залізо»).

«Залізна революція» почалася на рубежі I тисячоліття до н.е. в Ассирії. З VIII століття до н.е. зварне залізо швидко стало поширюватися в Європі. Першими, хто почав на землях сучасної України виплавляти з болотної руди залізо були кіммерійці (VII ст. до н.е.)[8]. У IV - III ст. до н.е. більша частина арсеналу зброї скіфських воїнів -- мечі, кинджали, бойові сокири тощо були виготовлені із заліза. В III столітті до н.е. залізо витіснило бронзу в Галлії, в II столітті нової ери з'явилося у Німеччині, а в VI столітті нашої ери вже широко вживалося в Скандинавії. У Японії залізний вік настав тільки в VIII столітті нашої ери.

Побачити залізо у рідкому стані металурги змогли тільки в XIX столітті, однак, ще на початку I тисячоліття до нової ери -- індійські майстри зуміли вирішити проблему отримання пружної сталі без розплавлення заліза. Таку сталь називали булатом, але через складність виготовлення і відсутності необхідних матеріалів у більшій частині світу ця сталь так і залишилася індійським секретом на тривалий час.

Технологічніший шлях одержання пружної сталі, при якому не потрібні ні особливо чиста руда, ні графіт, ні спеціальні печі, був знайдений в Китаї в II столітті нашої ери. Сталь перековували дуже багато разів, при кожному куванні складаючи пластину вдвічі, внаслідок чого виходив відмінний матеріал для зброї, що отримав назву дамаська сталь, з якого, зокрема, робилися японські катани.

З XVI століття в Європі набув поширення так званий переробний процес в металургії -- технологія, при якій залізо ще при отриманні за рахунок високої температури плавлення і інтенсивного навуглецьовуванния перетворюється в чавун, а вже потім, рідкий чавун, звільняючись від зайвого вуглецю при відпалі в горнах, перероблявся на сталь.

5. Отримання

У промисловості залізо отримують із залізної руди, в основному з гематиту (Fe2O3) і магнетиту (FeO · Fe2O3).

Існують різні способи вилучення заліза з руд. Найбільш поширеним є доменний процес.

Перший етап виробництва -- відновлення заліза вуглецем в доменній печі при температурі 2000 °C. У доменній печі вуглець у вигляді коксу, залізна руда у вигляді агломерату або окатишів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік нагнітається гарячого повітря.

У печі вуглець у вигляді коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню:

У свою чергу, монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб дана реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза(III):

Флюс додається для позбавлення від небажаних домішок (в першу чергу від силікатів; наприклад кварц) у видобутій руді. Типовий флюс містить вапняк (карбонат кальцію) і доломіт (карбонат магнію). Для усунення інших домішок використовують інші флюси.

Дія флюсу (в даному випадку карбонат кальцію) полягає в тому, що при його нагріванні він розкладається до його оксиду:

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак -- метасилікат кальцію:

Шлаки, на відміну від діоксиду кремнію, плавиться в печі. Більш легкий, ніж залізо, шлак плаває на поверхні -- це властивість дозволяє розділяти шлак від металу. Шлаки потім можуть використовуватися при будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий в доменній печі, містить досить багато вуглецю (чавун). Крім таких випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він вимагає подальшої переробки. Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням в мартенівських печах або в конвертерах. Електричні печі використовуються і для виплавки легованих сталей.

Крім доменного процесу, поширений процес прямого отримання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи окатиші. Окатиші обпалюють, і обробляють в шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо:

,

при цьому не відбувається забруднення заліза такими домішками як сірка і фосфор, які є звичайними домішками в кам'яному вугіллі. Залізо береться в твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.

Хімічно чисте залізо виходить електролізом розчинів його солей.

6. Фізичні властивості

Залізо -- блискучий сріблясто-білий важкий метал. Густина його 7,86 т/м3; температура плавлення 1538 °C, температура кипіння 2862 °C. 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. До температури 912 °C існує в алотропній модифікації ?-заліза з об'ємноцентрованою кубічною кристалічною ґраткою, за вищої температури -- ?-заліза із гранецентрованою кубічною ґраткою, вище 1394 °C знову змінює тип ґратки на об'ємноцентровану кубічну.

7. Хімічні властивості

Шматки чистого заліза (99,97%+), очищені методом електролізу.

Ферум належить до восьмої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Його атоми на зовнішній електронній оболонці мають по два електрони, а на передостанній -- 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. 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 монооксид 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

8. Застосування

Чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів та якорів електромашин, як каталізатор хімічних процесів, для виготовлення анодних пластин залізо-нікелевих акумуляторів. Карбонільне залізо використовують для нанесення найтонших плівок і шарів на магнітофонні стрічки та диски носіїв постійної пам'яті, як антианемічний засіб та ін. Залізний порошок використовують при зварюванні, а також для цементації міді.

Залізовуглецеві сплави чавун і сталь -- основний конструкційний матеріал, що застосовується у всіх галузях промисловості. Сталі містять до 2,14% карбону, чавун -- понад 2,14%.

Чавуни

Розрізняють сірий чавун (містить 2-3,5% C, а також, Si і Mn) -- він не дуже твердий, добре відливається у форми, крихкий і при ударі легко розколюється. Графіт у ньому має пластинчасту форму. Сірий чавун йде на виливок машинних станин, махових коліс, каналізаційних труб, плит і т.п. Чавуни з кулястим графітом порівняно з іншими чавунами мають вищу пластичність, ударну в'язкість й одночасно міцність (за що їх називають високоміцними), що насамперед зумовлено кулястою формою графіту, яка забезпечується сфероїдизуванням. Чавун, в якому майже весь вуглець міститься у вигляді цементиту (Fe3C), твердіший (450...550 НВ), має назву білий чавун (містить 2-3,5% C, Si> 1%, Mn-1-1,5% ). Білий чавун використовується для подальшої переробки: при виплавці сталі та отримання шляхом графітизувального відпалу ковкого чавуну.

Сталі

Сталь, на відміну від чавуну, легко піддається куванню та вальцюванню. При швидкому охолодженні (гартуванні) вона виходить дуже твердою, при повільному охолодженні м'якою. М'яку сталь легко обробляти. З неї роблять гайки, болти, дріт, покрівельні матеріали, деталі машин. З твердої і теплостійкої сталі інструментальна сталь виготовляють інструменти для обробки матеріалів. Велике значення мають в сучасній техніці леговані сталі. Вони містять так звані легуючі елементи, до яких відносяться хром, нікель, молібден, ванадій, вольфрам, марганець, мідь, кремній та ін. Легуючі елементи додаються для надання сталям певних властивостей.

Виробництво заліза та його сплавів складає окрему галузь промисловості -- чорну металургію.

Знаходять широке застосування і багато сполук заліза. Так, сульфат заліза (III) використовують при водопідготовці, оксиди та ціанід заліза служать пігментами при виготовленні барвників, семиводний сульфат заліза (залізний купорос) у суміші з мідним купоросом використовується для боротьби із шкідливими грибками в садівництві та будівництві.

9. Біологічна роль

залізо ферум сталь ізотоп хімічний

Ферум життєво важливий хімічний елемент для всіх організмів. В клітинах ферум зазвичай зберігається в центрі метал-протеїнів, оскільки вільний ферум неспецифічно зв'язується із численними хімічними речовинами клітини і може каталізувати утворення токсичних вільних радикалів. Нестача феруму в організмі може призводити до анемії.

У тваринах, рослинах та грибах ферум часто входить до складу гемномго комплексу. Гем -- важлива складова частина цитохромних білків, які грають роль посередиників у окисно-відновлювальних реакціях, та білків, які переносять оксиген -- гемоглобіну, міоглобіну й леггемоглобіну. Неорганічний ферум також може впливати на окисно-відновлювальні реакції у залізо-сіркових кластерах багатьох ензимів, як, наприклад, нітрогенази.

До негемних протеїнів належать ензими монооксигенази метану, які окиснюють метан до метанолу, рибонуклеотид редуктаза, яка відновлює рибозу до деоксирибози, гемеритріни, які відповідають за транспортування й фіксацію оксигену у морських хребетних та пурпурова кислотна фосфатаза, що каталізує гідроліз ефірів фосфору.

У ссавців розподіл феруму в організмі жорстко регулюється, оскільки ферум потенціально токсичний. Розподіл феруму регулюється ще й тому, що його потребують чимало бактерій, тож обмеження доступу бактерій до цього елементу допомагає запобігти інфекції або обмежити її. Вочевидь це причина відносно малої кількості феруму в молоці ссавців. Основу системи регулювання вмісту феруму складає білок трансферин, який зв'язує залізо й транспортує його до кров'яних клітин.

Джерела

1. Глосарій термінів з хімії // Й. Опейда, О. Швайка. Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім.. Л.М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет -- Донецьк:"Вебер", 2008. -- 758 с. ISBN 978-966-335-206-0

2. Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В.С. Білецького. -- Донецьк: «Донбас», 2004. -- ISBN 966-7804-14-3.

3. Ф.А. Деркач «Хімія» Л. 1968

4. Хільчевський В.В. Матеріалознавство і технологія конструкційних матеріалів: Навчальний посібник. К.: Либідь, 2002. -- 328с. ISBN 966-06-0247-2

Размещено на Allbest.ru