Oksidirani oblik željeza. Željezo - opća karakteristika elementa, kemijska svojstva željeza i njegovih spojeva. dnevne potrebe za željezom

Željezo je glavni konstrukcijski materijal. Metal se koristi doslovno posvuda - od raketa i podmornica do pribora za jelo i kovanih ukrasa na roštilju. U velikoj mjeri to olakšava element u prirodi. Međutim, pravi razlog je ipak njegova snaga i izdržljivost.

U ovom članku ćemo okarakterizirati željezo kao metal, naznačiti njegova korisna fizikalna i kemijska svojstva. Zasebno, kažemo zašto se željezo naziva crnim metalom, kako se razlikuje od drugih metala.

Koliko god čudno izgledalo, još uvijek se ponekad postavlja pitanje je li željezo metal ili nemetal. Željezo je element 8. skupine, 4 razdoblja tablice D. I. Mendeljejeva. Molekularna težina je 55,8, što je dosta.

Ovo je srebrno-sivi metal, prilično mekan, duktilan, s magnetskim svojstvima. Zapravo, čisto željezo se nalazi i koristi iznimno rijetko, budući da je metal kemijski aktivan i ulazi u razne reakcije.

O tome što je željezo, ovaj će video reći:

Koncept i značajke

Željezo se obično naziva legura s malim udjelom nečistoća - do 0,8%, koja zadržava gotovo sva svojstva metala. Čak ni ova opcija nije široko rasprostranjena, već čelik i lijevano željezo. Njegovo ime - crni metal, željezo, točnije, sve isto lijevano željezo i čelik, dobio je zbog boje rude - crne.

Danas se legure željeza nazivaju željeznim metalima: čelik, lijevano željezo, ferit, kao i mangan, a ponekad i krom.

Željezo je vrlo čest element. Po sadržaju u zemljinoj kori zauzima 4. mjesto, iza kisika, i. Jezgra Zemlje sadrži 86% željeza, a samo 14% - u plaštu. U morskoj vodi tvar sadrži vrlo malo - do 0,02 mg / l, u riječnoj vodi malo više - do 2 mg / l.

Željezo je tipičan metal, i također prilično aktivan. Reagira s razrijeđenim i koncentriranim kiselinama, ali pod djelovanjem vrlo jakih oksidacijskih sredstava može stvarati soli željeza. Na zraku se željezo brzo prekriva oksidnim filmom koji sprječava daljnju reakciju.

Međutim, u prisutnosti vlage umjesto oksidnog filma pojavljuje se hrđa, koja zbog svoje labave strukture ne sprječava daljnju oksidaciju. Ova značajka - korozija u prisutnosti vlage - glavni je nedostatak željeznih legura. Vrijedi napomenuti da nečistoće izazivaju koroziju, dok je kemijski čisti metal otporan na vodu.

Važni parametri

Čisto metalno željezo je prilično duktilno, dobro se podvrgava kovanju i loše se lijeva. Međutim, male nečistoće ugljika značajno povećavaju njegovu tvrdoću i lomljivost. Ta je kvaliteta postala jedan od razloga istiskivanja brončanog oruđa željeznim.

• Ako usporedimo željezne legure i, od onih koje su bile poznate u antičkom svijetu, očito je da, iu pogledu otpornosti na koroziju, a samim tim i u pogledu trajnosti. Međutim, masa je dovela do iscrpljivanja rudnika kositra. A, budući da je mnogo manje od, metalurzi prošlosti imali su pitanje zamjene. I željezo je zamijenilo broncu. Potonji je potpuno istisnut kada se pojavio čelik: bronca ne daje takvu kombinaciju tvrdoće i elastičnosti.
• Željezo tvori željezni trijadu s kobaltom. Svojstva elemenata su vrlo bliska, bliža od njihovih kolega s istom strukturom vanjskog sloja. Svi metali imaju izvrsna mehanička svojstva: lako se obrađuju, valjaju, rastežu, mogu se kovati i štancati. Kobalt nije tako reaktivan i otporniji na koroziju od željeza. Međutim, niža prevalencija ovih elemenata ne dopušta njihovu široku upotrebu kao željezo.
• Glavni "konkurencija" željeza u smislu korištenja je. Ali zapravo, oba materijala imaju potpuno različite kvalitete. daleko od toga da je jak kao željezo, gore se rasteže, ne može se kovati. S druge strane, metal se razlikuje, puno manje težine, što značajno olakšava dizajn.

Električna vodljivost željeza je vrlo prosječna, dok je aluminij u ovom pokazatelju drugi nakon srebra i zlata. Željezo je feromagnet, odnosno ostaje magnetizirano u odsutnosti magnetskog polja, te se uvlači u magnetsko polje.

Takva različita svojstva dovode do potpuno različitih područja primjene, pa se konstrukcijski materijali vrlo rijetko "bore" npr. u izradi namještaja, gdje je lakoća aluminijskog profila suprotstavljena čvrstoći čeličnog.

U nastavku se raspravlja o prednostima i nedostacima željeza.

Za i protiv

Glavna prednost željeza u usporedbi s drugim konstrukcijskim metalima je rasprostranjenost i relativna lakoća taljenja. Ali, s obzirom na to koliko se željeza koristi, ovo je vrlo važan faktor.

Prednosti

Prednosti metala uključuju i druge kvalitete.

• Čvrstoća i tvrdoća uz zadržavanje elastičnosti – ne govorimo o kemijski čistom željezu, već o legurama. Štoviše, ove kvalitete variraju u prilično širokom rasponu ovisno o vrsti čelika, načinu toplinske obrade, načinu proizvodnje i tako dalje.
• Različiti čelici i feriti omogućuju vam stvaranje i odabir materijala za doslovno bilo koji zadatak - od okvira mosta do alata za rezanje. Mogućnost dobivanja željenih svojstava dodavanjem vrlo malih nečistoća je neobično velika prednost.
• Lakoća obrade omogućuje dobivanje proizvoda različitih vrsta: šipke, cijevi, oblikovani proizvodi, grede, željezni lim i tako dalje.
• Magnetska svojstva željeza su takva da je metal glavni materijal u proizvodnji magnetskih pogona.
• Cijena legura, naravno, ovisi o sastavu, ali je još uvijek znatno niža od one kod većine obojenih legura, iako s većim karakteristikama čvrstoće.
• Nosljivost željeza daje materijalu vrlo visoke dekorativne mogućnosti.

Nedostaci

Nedostaci željeznih legura su značajni.

• Prije svega, to je nedovoljna otpornost na koroziju. Posebne vrste čelika - nehrđajući, imaju ovu korisnu kvalitetu, ali su mnogo skuplje. Mnogo češće, metal je zaštićen premazom - metalom ili polimerom.
• Željezo može akumulirati električnu energiju, pa su proizvodi izrađeni od njegovih legura podložni elektrokemijskoj koroziji. Kućišta uređaja i strojeva, cjevovodi moraju biti zaštićeni na neki način - katodna zaštita, zaštita gaznoga sloja i tako dalje.
• Metal je težak, pa željezne konstrukcije značajno povećavaju težinu građevinskog objekta - zgrade, željezničkog vagona, morskog plovila.

Sastav i struktura

Željezo postoji u 4 različite modifikacije, koje se međusobno razlikuju po parametrima i strukturi rešetke. Prisutnost faza doista je od presudne važnosti za taljenje, jer upravo fazni prijelazi i njihova ovisnost o legirajućim elementima osiguravaju sam tijek metalurških procesa u ovom svijetu. Dakle, govorimo o sljedećim fazama:

• α-faza je stabilna do +769 C, ima kubičnu rešetku usmjerenu na tijelo. α-faza je feromagnetna, odnosno zadržava svoju magnetizaciju u odsutnosti magnetskog polja. Temperatura od 769 C je Curiejeva točka za metal.
• β-faza postoji od +769 C do +917 C. Struktura modifikacije je ista, ali su parametri rešetke nešto drugačiji. Istodobno su očuvana gotovo sva fizička svojstva, s iznimkom magnetskih: željezo postaje paramagnet.
• γ - faza se pojavljuje u rasponu od +917 do +1394 C. Ima kubičnu rešetku usmjerenu na lice.
• δ-faza postoji iznad temperature od +1394 C i ima kubičnu rešetku usmjerenu na tijelo.

Postoji i ε-modifikacija, koja se pojavljuje pri visokom tlaku, kao i kao rezultat dopiranja nekim elementima. ε faza ima zbijenu heksagonalnu rešetku.

Ovaj će video reći o fizičkim i kemijskim svojstvima željeza:

Svojstva i karakteristike

Jako puno ovisi o njegovoj čistoći. Razlika između svojstava kemijski čistog željeza i običnog tehničkog, a još više legiranog čelika, vrlo je značajna. U pravilu se fizikalne karakteristike daju za tehničko željezo s udjelom nečistoća od 0,8%.

Potrebno je razlikovati štetne nečistoće od legirajućih aditiva. Prvi, sumpor i fosfor, na primjer, daju lomljivost slitine bez povećanja tvrdoće ili mehaničke čvrstoće. Ugljik u čeliku povećava ove parametre, odnosno korisna je komponenta.

• Gustoća željeza (g/cm3) donekle ovisi o fazi. Dakle, α-Fe ima gustoću od 7,87 g / cu. cm pri normalnoj temperaturi i 7,67 g / cu. cm na +600 C. Gustoća γ-faze je niža - 7,59 g / cu. cm, a δ-faza je još manja - 7,409 g / cc.
• Talište tvari je +1539 C. Željezo pripada umjereno vatrostalnim metalima.
• Točka vrenja - +2862 C.
• Čvrstoća, odnosno otpornost na opterećenja raznih vrsta - pritisak, napetost, savijanje, regulirana je za svaki razred čelika, lijevanog željeza i ferita, pa je o ovim pokazateljima teško govoriti općenito. Dakle, brzorezni čelici imaju čvrstoću na savijanje jednaku 2,5-2,8 GPa. I isti parametar konvencionalnog tehničkog željeza je 300 MPa.
• Tvrdoća po Mohsovoj ljestvici - 4–5. Posebni čelici i kemijski čisto željezo postižu mnogo veće stope.
• Specifični električni otpor 9,7·10-8 ohm·m. Željezo provodi struju mnogo lošije od bakra ili aluminija.
• Toplinska vodljivost je također niža od one kod ovih metala i ovisi o faznom sastavu. Na 25 C iznosi 74,04 W/(m K), na 1500 C je 31,8 [W/(m.K)].
• Željezo je savršeno kovano, kako na normalnim tako i na povišenim temperaturama. Lijevano željezo i čelik se mogu lijevati.
• Tvar se ne može nazvati biološki inertnom. Međutim, njegova je toksičnost vrlo niska. To je, međutim, povezano ne toliko s aktivnošću elementa, koliko s nesposobnošću ljudskog tijela da ga dobro apsorbira: maksimum je 20% primljene doze.

Željezo se ne može pripisati tvarima iz okoliša. Međutim, glavnu štetu okolišu ne uzrokuje njegov otpad, jer željezo vrlo brzo hrđa, već proizvodni otpad - troska, ispušteni plinovi.

Proizvodnja

Željezo je jedan od najčešćih elemenata pa ne zahtijeva velike izdatke. Ležišta se razvijaju otvorenim i rudarskim metodama. Zapravo, sve rudarske rude uključuju željezo, ali se razvijaju samo one u kojima je udio metala dovoljno velik. To su bogate rude - crvena, magnetska i smeđa željezna ruda s udjelom željeza do 74%, rude prosječnog sadržaja - markazit, na primjer, te siromašne rude s udjelom željeza od najmanje 26% - siderit.

Bogata ruda odmah se šalje u postrojenje. Pasmine sa srednjim i niskim sadržajem su obogaćene.

Postoji nekoliko metoda za proizvodnju željeznih legura. U pravilu, taljenje bilo kojeg čelika uključuje proizvodnju sirovog željeza. Topi se u visokoj peći na temperaturi od 1600 C. Punjenje - sinter, pelete, zajedno s fluksom ubacuje se u peć i upuhuje vrućim zrakom. U ovom slučaju, metal se topi i koks gori, što vam omogućuje da izgorite neželjene nečistoće i odvojite trosku.

Za dobivanje čelika obično se koristi bijelo lijevano željezo - u njemu je ugljik vezan u kemijski spoj sa željezom. Najčešća 3 načina su:

• otvoreno ložište - rastaljeno željezo s dodatkom rude i otpada se topi na 2000 C radi smanjenja sadržaja ugljika. Dodatni sastojci, ako ih ima, dodaju se na kraju taline. Na taj način se dobiva najkvalitetniji čelik.
• kisik-konverter - produktivnija metoda. U peći se debljina lijevanog željeza upuhuje zrakom pod pritiskom od 26 kg / m2. vidi Mješavina kisika sa zrakom ili čisti kisik može se koristiti za poboljšanje svojstava čelika;
• elektrotaljenje - češće se koristi za proizvodnju posebnih legiranih čelika. Lijevano željezo se peče u električnoj peći na temperaturi od 2200 C.

Čelik se može dobiti i izravnom metodom. Da bi se to postiglo, peleti s visokim udjelom željeza utovaruju se u osovinsku peć i upuhuju vodikom na temperaturi od 1000 C. Potonji obnavlja željezo iz oksida bez međukoraka.

U vezi sa specifičnostima crne metalurgije, prodaje se ili ruda s određenim sadržajem željeza ili gotovi proizvodi - lijevano željezo, čelik, ferit. Cijena im je vrlo različita. Prosječna cijena željezne rude u 2016. - bogata, sa sadržajem elemenata većim od 60%, iznosi 50 dolara po toni.

Cijena čelika ovisi o mnogim čimbenicima, što ponekad čini uspone i padove cijena potpuno nepredvidivim. U jesen 2016. godine cijena armature, toplo i hladno valjanog čelika naglo je porasla zbog jednako naglog rasta cijena koksnog ugljena, nezamjenjivog sudionika u taljenju. U studenom europske tvrtke nude kolut toplo valjanog čelika po cijeni od 500 eura po toni.

Područje primjene

Opseg upotrebe željeza i željeznih legura je ogroman. Lakše je naznačiti gdje se metal ne koristi.

• Konstrukcija - izrada svih vrsta okvira, od nosećeg okvira mosta do ukrasne kaminske kutije u stanu, ne može bez čelika različitih kvaliteta. Fitingi, šipke, I-grede, kanali, kutovi, cijevi: u građevinarstvu se koriste apsolutno svi oblikovani i profilni proizvodi. Isto vrijedi i za lim: od njega se izrađuje krovište i tako dalje.
• Strojarstvo - vrlo malo se može usporediti s čelikom po čvrstoći i otpornosti na habanje, pa su dijelovi karoserije velike većine strojeva izrađeni od čelika. Pogotovo u slučajevima kada oprema mora raditi na visokim temperaturama i pritiscima.
• Alati - uz pomoć legirajućih elemenata i otvrdnjavanja, metalu se može dati tvrdoća i čvrstoća blizu dijamanata. Brzorezni čelici su osnova svakog alata za obradu.
• U elektrotehnici je upotreba željeza ograničenija, upravo zato što nečistoće znatno pogoršavaju njegova električna svojstva, a ona su već mala. Ali metal je neophodan u proizvodnji magnetskih dijelova električne opreme.
• Cjevovodi - komunikacije bilo koje vrste i vrste izrađene su od čelika i lijevanog željeza: grijanje, vodovod, plinovod, uključujući magistralne vodove, omote za električne kabele, naftovode i tako dalje. Samo čelik može izdržati takva ogromna opterećenja i unutarnji pritisak.
• Kućna upotreba - čelik se koristi posvuda: od pribora i pribora za jelo do željeznih vrata i brava. Čvrstoća metala i otpornost na habanje čine ga nezamjenjivim.

Željezo i njegove legure kombiniraju snagu, izdržljivost i otpornost na habanje. Osim toga, metal je relativno jeftin za proizvodnju, što ga čini nezamjenjivim materijalom za moderno nacionalno gospodarstvo.

O legurama željeza s obojenim metalima i teškom crnom će reći ovaj video:

ŽELJEZO, Fe (a. željezo; n. Eisen; f. fer; i. hierro), je kemijski element VIII skupine periodnog sustava elemenata, atomski broj 26, atomska masa 55,847. Prirodni se sastoji od 4 stabilna izotopa: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) i 58 Fe (0,31%). Dobiveni su radioaktivni izotopi 52 Fe, 53 Fe, 55 Fe, 59 Fe, 60 Fe. Željezo je poznato još od prapovijesti. Vjerojatno se čovjek prvi put upoznao s meteorskim željezom, jer. Staroegipatski naziv za željezo "beni-pet" znači nebesko željezo. U hetitskim tekstovima spominje se željezo kao metal koji je pao s neba.

željezo u prirodi

Željezo je jedini element koji stvara stijene s promjenjivom valentnošću. Omjer oksidnog željeza i fero željeza stalno raste s povećanjem silicijeve kiselosti taline. Još veći rast dolazi u alkalnim sustavima, gdje mineral koji sadrži feri željezo - , (Na,Fe)Si 2 O 6 , postaje stijena. U metamorfnom procesu, željezo, očito, ima malu pokretljivost. Sadržaj željeza u suvremenim oceanskim sedimentima približan je sadržaju u drevnim glinovitim stijenama i glinovitim stijenama. Glavne genetske vrste depozita i sheme obogaćivanja pogledajte u članku.

Dobivanje željeza

Čisto željezo se dobiva redukcijom iz oksida (piroforno željezo), elektrolizom vodenih otopina njegovih soli (elektrolitičko željezo), razgradnjom željeznog pentakarbonila Fe(CO) 5 pri zagrijavanju na t 250°C. Željezo visoke čistoće (99,99%) dobiva se zonskim taljenjem. Komercijalno čisto željezo (oko 0,16% nečistoća ugljika, sumpora itd.) topi se oksidacijom komponenti lijevanog željeza u proizvodnji čelika na otvorenom i u pretvaračima kisika. Zavareno željezo ili željezo od opeke dobiva se oksidacijom nečistoća niskougljičnog čelika željezom ili redukcijom ruda čvrstim ugljikom. Glavnina željeza se topi u obliku čelika (do 2% ugljika) ili lijevanog željeza (preko 2% ugljika).

Upotreba željeza

Legure željeza i ugljika osnova su za dizajn materijala koji se koriste u svim industrijama. Tehničko željezo - materijal za jezgre elektromagneta i sidra električnih strojeva, baterijske ploče. U zavarivanju se u velikim količinama koristi željezni prah. Željezni oksidi - mineralne boje; feromagnetski Fe 3 O 4 , g-Fe koriste se za proizvodnju magnetskih materijala. Sulfat FeSO 4 .7H 2 O koristi se u tekstilnoj industriji, u proizvodnji pruske plave boje, tinte; FeSO4 je koagulant za. Željezo se također koristi u tiskarstvu, medicini (kao sredstvo protiv anemije); umjetni radioaktivni izotopi željeza - indikatori u proučavanju kemijsko-tehnoloških i bioloških procesa.

ŽELJEZO, Fe, kemijski element, atomska težina 55,84, serijski broj 26; nalazi se u VIII skupini periodnog sustava u istom redu s kobaltom i niklom, talište - 1529 ° C, vrelište - 2450 ° C; u čvrstom stanju ima plavkasto-srebrnu boju. U slobodnom obliku, željezo se nalazi samo u meteoritima, koji, međutim, sadrže primjese Ni, P, C i drugih elemenata. U prirodi su spojevi željeza široko rasprostranjeni (tlo, minerali, životinjski hemoglobin, biljni klorofil), Ch. arr. u obliku oksida, hidrata oksida i sumpornih spojeva, kao i željeznog karbonata, od kojih se sastoji većina željeznih ruda.

Kemijski čisto željezo dobiva se zagrijavanjem oksalnog željeza, a na 440 °C u početku se dobiva neprozirni prah željeznog oksida koji ima sposobnost paljenja na zraku (tzv. piroforno željezo); nakon naknadne redukcije ovog oksida, dobiveni prah dobiva sivu boju i gubi piroforna svojstva, pretvarajući se u metalno željezo. Tijekom redukcije željezovog oksida na 700°C dolazi do taloženja željeza u obliku malih kristala, koji se zatim spajaju u vakuumu. Drugi način za dobivanje kemijski čistog željeza je elektroliza otopine soli željeza, poput FeSO 4 ili FeCl 3 pomiješane s MgSO 4 , CaCl 2 ili NH 4 Cl (na temperaturama iznad 100°C). Međutim, u isto vrijeme, željezo začepljuje značajnu količinu elektrolitičkog vodika, zbog čega dobiva tvrdoću. Kad se kalcinira na 700 ° C, oslobađa se vodik, a željezo postaje mekano i reže se nožem, poput olova (tvrdoća na Mohsovoj ljestvici je 4,5). Vrlo čisto željezo može se dobiti aluminotermalno iz čistog željezovog oksida. (vidi Aluminotermiju). Dobro oblikovani kristali željeza su rijetki. Oktaedarski kristali ponekad nastaju u šupljinama velikih komada lijevanog željeza. Karakteristično svojstvo željeza je njegovo omekšavanje, savitljivost i duktilnost na temperaturi mnogo nižoj od točke taljenja. Kada jaka dušična kiselina (koja ne sadrži niže dušikove okside) djeluje na željezo, željezo se prekriva slojem oksida i postaje netopivo u dušičnoj kiselini.

Spojevi željeza

Lako se spajajući s kisikom, željezo stvara nekoliko oksida: FeO - željezov oksid, Fe 2 O 3 - željezov oksid, FeO 3 - željezni anhidrid i FeO 4 - anhidrid ironične kiseline. Osim toga, željezo tvori i oksid miješanog tipa Fe 3 O 4 – željezov oksid, tzv. željezna vaga. Na suhom zraku, međutim, željezo ne oksidira; hrđa je vodeni željezni oksid koji nastaje uz sudjelovanje vlage iz zraka i CO 2 . Željezov oksid FeO odgovara hidratu Fe (OH) 2 i nizu soli dvovalentnog željeza, koje se mogu oksidirati u soli željeznog oksida, Fe 2 O 3, u kojima se željezo manifestira kao trovalentni element; u zraku se hidrat željeznog oksida, koji ima jaka redukcijska svojstva, lako oksidira, pretvarajući se u hidrat željeznog oksida. Željezov oksid hidrat je slabo topiv u vodi, a ova otopina ima jasno alkalnu reakciju, što ukazuje na osnovni karakter željeza. Željezov oksid se nalazi u prirodi (vidi. Željezo minium), dok umjetno m. dobiven u obliku crvenog praha kalciniranjem željeznog praha i spaljivanjem sumpornog pirita kako bi se dobio sumporov dioksid. Bezvodni željezov oksid, Fe 2 O 3, m. dobivene u dvije modifikacije, a prijelaz iz jedne od njih u drugu događa se zagrijavanjem i popraćen je značajnim oslobađanjem topline (samozagrijavanjem). Snažnim kalcinacijom Fe 2 O 3 oslobađa kisik i prelazi u magnetni oksid, Fe 3 O 4. Pod djelovanjem lužina na otopine soli feri željeza, taloži se talog hidrata Fe 4 O 9 H 6 (2Fe 2 O 3 3H 2 O); kada se prokuha s vodom nastaje Fe 2 O 3 ·H 2 O hidrat koji se teško otapa u kiselinama. Željezo stvara spojeve s raznim metaloidima: s C, P, S, s halogenidima, kao i s metalima, na primjer, s Mn, Cr, W, Cu itd.

Soli željeza dijele se na fero - fero željezo (fero-sol) i oksidno - feri željezo (feri-salt).

željezne soli . željezni klorid, FeCl 2 , dobiven djelovanjem suhog klora na željezo, u obliku bezbojnih listova; kada se željezo otopi u HCl, dobiva se željezni klorid u obliku FeCl 2 4H 2 O hidrata i koristi se u obliku vodenih ili alkoholnih otopina u medicini. Željezni jodid, FeJ 2 , dobiva se iz željeza i joda pod vodom u obliku zelenih listova i koristi se u medicini (Sirupus ferri jodati); daljnjim djelovanjem joda nastaje FeJ 3 (Liquor ferri sesquijodati).

željezov sulfat, željezov sulfat, FeSO 4 7H 2 O (zeleni kristali) nastaje u prirodi kao rezultat oksidacije pirita i sumpornih pirita; ova sol također nastaje kao nusproizvod u proizvodnji stipse; kada se istroši ili kada se zagrije na 300 ° C, pretvara se u bijelu bezvodnu sol - FeSO 4; također stvara hidrate s 5, 4, 3, 2 i 1 česticama vode; lako topiv u hladnoj vodi (u vrućoj vodi do 300%); otopina je kisela zbog hidrolize; oksidira na zraku, osobito lako u prisutnosti druge oksidirajuće tvari, na primjer soli oksalne kiseline, koje FeSO 4 uključuje u spregnutoj oksidacijskoj reakciji, obezbojava KMnO 4; proces se odvija prema sljedećoj jednadžbi:

2KMnO 4 + 10FeSO 4 + 8H 2 SO 4 \u003d 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 5Fe 2 (SO 4) 2 + 8H 2 O.

U tu svrhu, međutim, koristi se trajnija dvostruka sol Mohr (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O. Željezni sulfat se koristi u analizi plina za određivanje dušikovog oksida apsorbiranog otopinom FeSO 4 s stvaranje tamno-smeđe boje kompleksa (FeNO) SO 4, kao i za proizvodnju tinte (s taninskim kiselinama), kao mrlje za bojenje, za vezivanje neugodnih plinova (H 2 S, NH 3) u zahodima, itd.

Željezne soli željeza koriste se u fotografiji zbog svoje sposobnosti reduciranja spojeva srebra u latentnoj slici utisnute na fotografskoj ploči.

željezni karbonat, FeCO 3 , prirodno se javlja kao siderit ili željezni špart; dobiven taloženjem vodenih otopina željeznih i željeznih soli karbonatima, željezni karbonat lako gubi CO 2 i na zraku se oksidira u Fe 2 O 3.

Željezni bikarbonat, H 2 Fe (CO 3 ) 2 , topiv u vodi i prirodno se javlja u željeznim izvorima, iz kojih se, oksidirajući, oslobađa na površini zemlje u obliku hidrata željeznog oksida, Fe (OH) 3, pretvarajući se u smeđe željezne rude.

Fosfatno željezo, Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O, bijeli talog; javlja se u prirodi blago obojen, zbog oksidacije željeza, u plavoj boji, u obliku vivijanita.

Soli željeznog oksida . Željezov klorid, FeCl 3 (Fe 2 Cl 6), dobiva se djelovanjem viška klora na željezo u obliku šesterokutnih crvenih ploča; željezni klorid se otapa u zraku; kristalizira iz vode u obliku FeCl 3 6H 2 O (žuti kristali); otopine su kisele; tijekom dijalize postupno se hidrolizira gotovo do kraja uz stvaranje koloidne otopine Fe (OH) 3 hidrata. FeCl 3 se otapa u alkoholu i u smjesi alkohola i etera, zagrijavanjem se FeCl 3 6H 2 O razgrađuje na HCl i Fe 2 O 3; koristi se kao oblog i kao hemostatsko sredstvo (Liquor ferri sesquichlorati).

Željezo sulfat oksid, Fe 2 (SO 4) 3, žućkast u bezvodnom stanju, visoko hidroliziran u otopini; kada se otopina zagrije, talože se bazične soli; željezni alum, MFe(SO 4) 2 12H 2 O, M - jednovalentni alkalni metal; najbolje od svega kristalizira amonijeva stipsa, NH 4 Fe (SO 4) 2 12H 2 O.

Oksid FeO 3 je anhidrid željezne kiseline, kao i hidrat ovog oksida H 2 FeO 4 - željezna kiselina- u slobodnom stanju ne m. dobiveni s obzirom na njihovu izuzetnu krhkost; ali u alkalnim otopinama mogu biti soli željezne kiseline, ferati (na primjer, K 2 FeO 4), koji nastaju zagrijavanjem željeznog praha s nitratom ili KClO 3. Također poznata slabo topiva barijeva sol željezne kiseline BaFeO 4 ; dakle, željezna kiselina je u nekim aspektima vrlo slična sumpornoj i kromnoj kiselini. Godine 1926, kijevski kemičar Goralevič opisao je spojeve okvalentnog željeznog oksida - suprafero anhidrid FeO 4 dobiven fuzijom Fe 2 O 3 sa salitrom ili Bertoletovom soli u obliku kalijeve soli ironične kiseline K 2 FeO 5; FeO 4 je plinovita tvar koja ne tvori ironsku kiselinu H 2 FeO 5 s vodom, što, međutim, može. izoliran u slobodnom stanju razgradnjom soli K 2 FeO 5 s kiselinama. Barijevu sol BaFeO 5 7H 2 O, kao i soli kalcija i stroncija, dobio je Goralevich u obliku nerazgrađujućih bijelih kristala koji ispuštaju vodu tek na 250-300 °C i istovremeno postaju zeleni.

Željezo daje spojeve: s dušikom - dušično željezo(nitrid) Fe 2 N kada se željezni prah zagrijava u mlazu NH 3 , s ugljikom - Fe 3 C karbidom kada je željezo zasićeno ugljenom u električnoj peći. Osim toga, proučavani su brojni spojevi željeza s ugljičnim monoksidom - karbonili željeza, na primjer, pentakarbonil Fe(CO) 5 - blago obojena tekućina s oko 102,9 °C (na 749 mm, specifična težina 1,4937), zatim narančasta krutina Fe 2 (CO) 9, netopiva u eteru i kloroformu, specifične težine 2,085 .

Od velike važnosti su spojevi željeznog cijanida. Osim jednostavnih cijanida Fe (CN) 2 i Fe (CN) 3, željezo tvori niz složenih spojeva s cijanidnim solima, kao što su soli željezne kiseline H 4 Fe (CN) 6 i soli željezne kiseline H 3 Fe (CN) 6, na primjer, crvena krvna sol, koja zauzvrat ulazi u metaboličke reakcije razgradnje sa solima željeznog i oksidnog željeza, tvoreći spojeve plave boje - prusko plavo i turbull plavo. Prilikom zamjene jedne CN skupine monovalentnim skupinama (NO, NO 2, NH 3, SO 3, CO) u solima ferruginske kiseline H 4 Fe (CN) 6 , nastaju Prusove soli, na primjer, natrijev nitroprusid (nitroferi-cijanogen natrij) Na 2 2H 2 O, dobiven djelovanjem dimljenja HNO 3 na K 4 Fe (CN) 6, nakon čega slijedi neutralizacija sodom, u obliku rubin-crvenih kristala, odvojenih kristalizacijom od istovremeno nastale salitre; odgovarajuća nitrofericijanotna kiselina H 2 također kristalizira kao tamnocrveni kristali. Natrijev nitroprusid se koristi kao osjetljivi reagens za sumporovodik i metalne sulfide, s kojima daje krvavocrvenu, a zatim plavu boju. Pod djelovanjem bakrenog sulfata na natrijev nitroprusid nastaje blijedozeleni talog, netopiv u vodi i alkoholu, koji se koristi za ispitivanje eteričnih ulja.

Analitički, željezo se otkriva djelovanjem žute krvne soli na njegove soli, u lužnatoj otopini. Soli feri željeza tvore plavi talog pruske plave boje. Soli obojenog željeza tvore plavi talog turnbull plave boje kada su izložene crvenoj krvnoj soli. S amonijevim tiocijanatom NH 4 CNS, soli feri željeza tvore u vodi topiv, krvnocrveno obojeno rodan željezo Fe(CNS) 3 ; s taninom tvore tintu soli željeznog oksida. Intenzivnom obojenošću odlikuju se i bakrene soli željezo-cijanotne kiseline koje se koriste (uvachrome metoda) u fotografiji u boji. Od spojeva željeza koji se koriste u medicini, osim spomenutih halogenida željeza, važni su: metalno željezo (F. hydrogenio reductum), željezo citrat (F. Citricum - 20% Fe), ekstrakt jabučnog željeza (Extractum ferri pomatum) , željezni albuminat (Liquor ferri albuminatum), feratin je proteinski spoj sa 6% željeza; feratoza - otopina feratina, karniferin - spoj željeza s nukleinom (30% Fe); feratogen iz nukleina kvasca (1% Fe), hematogen - 70% otopina hemoglobina u glicerolu, hemol - hemoglobin reduciran cinkovom prašinom.

Fizička svojstva željeza

Brojčani podaci dostupni u literaturi koji karakteriziraju različita fizikalna svojstva željeza fluktuiraju zbog teškoća dobivanja željeza u kemijski čistom stanju. Stoga su najpouzdaniji podaci dobiveni za elektrolitičko željezo, u kojem ukupni sadržaj nečistoća (C, Si, Mn, S, P) ne prelazi 0,01-0,03%. Podaci u nastavku u većini slučajeva odnose se na takav hardver. Za njega je talište 1528°C ± 3°C (Ruer i Klesper, 1914), a vrelište ≈ 2450°C. U čvrstom stanju, željezo postoji u četiri različite modifikacije - α, β, γ i δ, za koje su sljedeće temperaturne granice prilično točno utvrđene:

Prijelaz željeza iz jedne modifikacije u drugu detektira se na krivuljama hlađenja i grijanja kritičnim točkama, za koje su prihvaćene sljedeće oznake:

Ove kritične točke prikazane su na sl. 1 sa shematskim krivuljama grijanja i hlađenja. Postojanje δ-, γ- i α-Fe modifikacija trenutno se smatra neospornim, dok je neovisno postojanje β-Fe sporno zbog nedovoljno oštre razlike između njegovih svojstava i svojstava α-Fe. Sve modifikacije željeza kristaliziraju se u obliku kocke, a α, β i δ imaju prostornu rešetku centrirane kocke, a γ-Fe - kocke sa centriranim plohama. Najizrazitije kristalografske karakteristike modifikacija željeza dobivene su iz rendgenskih spektra, kao što je prikazano na sl. 2 (Westgreen, 1929). Iz prikazanih uzoraka difrakcije X-zraka proizlazi da su za α-, β- i δ-Fe linije rendgenskog spektra iste; odgovaraju rešetki centrirane kocke s parametrima 2.87, 2.90 i 2.93 Ȧ, a za γ-Fe spektar odgovara rešetki kocke sa centriranim plohama i parametrima 3.63-3.68 A.

Specifična težina željeza kreće se od 7,855 do 7,864 (Cross i Gill, 1927). Pri zagrijavanju se specifična težina željeza smanjuje zbog toplinskog širenja, za što se koeficijenti povećavaju s temperaturom, kao što je prikazano u tablici. 1 (Driesen, 1914).

Smanjenje koeficijenata ekspanzije u rasponima od 20–800°C, 20–900°C, 700–800°C i 800–900°C objašnjava se anomalijama u širenju pri prolasku kroz kritične točke A C2 i A C3 . Ovaj prijelaz je popraćen kontrakcijom, posebno izraženom u točki A C3 kao što je prikazano krivuljama kontrakcije i širenja na Sl. 3. Taljenje željeza prati njegovo širenje za 4,4% (Gonda i Enda, 1926). Toplinski kapacitet željeza je prilično značajan u usporedbi s drugim metalima i izražen je za različite temperaturne raspone od 0,11 do 0,20 Cal, kao što je prikazano u tablici. 2 (Obergoffer i Grosse, 1927) i krivulja konstruirana iz njih (slika 4).

U danim podacima transformacije A 2 , A 3 , A 4 i taljenje željeza nalaze se tako jasno da se za njih lako izračunavaju toplinski učinci: A 3 ... + 6,765 Cal, A 4 ... + 2,531 Cal , taljenje željeza ... - 64,38 Cal (prema S. Umino, 1926, - 69,20 Cal).

Željezo karakterizira približno 6-7 puta niža toplinska vodljivost od srebra i 2 puta niža od aluminija; naime, toplinska vodljivost željeza je pri 0°C - 0,2070, na 100°C - 0,1567, na 200°C - 0,1357 i na 275°C - 0,1120 Cal/cm·s·°S. Najkarakterističnija svojstva željeza su magnetska, izražena nizom magnetskih konstanti dobivenih tijekom potpunog ciklusa magnetizacije željeza. Ove konstante za elektrolitičko željezo izražene su sljedećim vrijednostima u gausima (Gumlich, 1909. i 1918.):

Prilikom prolaska kroz točku A c2, feromagnetska svojstva željeza gotovo nestaju i mogu biti. detektiran samo vrlo preciznim magnetskim mjerenjima. U praksi se β-, γ- i δ-modifikacije smatraju nemagnetskim. Električna vodljivost željeza na 20°C je R -1 mo m/mm 2 (gdje je R električni otpor željeza, jednak 0,099 Ω mm 2 /m). Temperaturni koeficijent električnog otpora a0-100°x105 kreće se od 560 do 660, pri čemu je

Hladna obrada (valjanje, kovanje, provlačenje, štancanje) ima vrlo zamjetan učinak na fizička svojstva željeza. Dakle, njihova % promjena tijekom hladnog valjanja izražena je sljedećim brojkama (Gerens, 1911): koercitivni napon + 323%, magnetska histereza + 222%, električni otpor + 2%, specifična težina - 1%, magnetska propusnost - 65%. Posljednja okolnost čini razumljivim one značajne fluktuacije fizikalnih svojstava koje opažaju različiti istraživači: utjecaj nečistoća često je popraćen utjecajem hladne mehaničke obrade.

Vrlo malo se zna o mehaničkim svojstvima čistog željeza. Elektrolitičko željezo stopljeno u šupljini pronađeno: vlačna čvrstoća 25 kg / mm 2, produljenje - 60%, kompresija poprečnog presjeka - 85%, tvrdoća po Brinellu - od 60 do 70.

Struktura željeza ovisi o sadržaju nečistoća u njemu (čak iu malim količinama) i prethodnoj obradi materijala. Mikrostrukturu željeza, kao i drugih čistih metala, čine manje ili više krupna zrna (kristaliti), koja se ovdje nazivaju ferit.

Veličine i oštrina njihovih obrisa ovise pogl. arr. na brzinu hlađenja željeza: što je potonje niže, to su zrna razvijenija i njihove konture su oštrije. S površine zrna su najčešće nejednako obojena zbog nejednake kristalografije, njihove orijentacije i nejednakog jetkanja reagensa u različitim smjerovima u kristalu. Nije rijetkost da se zrna mehaničkom obradom izduže u jednom smjeru. Ako se obrada odvijala na niskim temperaturama, tada se na površini zrna pojavljuju posmične linije (Neumannove linije) kao posljedica klizanja pojedinih dijelova kristalita duž njihovih ravnina cijepanja. Ove linije su jedan od znakova stvrdnjavanja i onih promjena svojstava koje su gore spomenute.

Željezo u metalurgiji

Izraz željezo u modernoj metalurgiji pripisuje se samo kovanom željezu, tj. proizvodu s niskim udjelom ugljika dobivenom u pastoznom stanju na temperaturi koja nije dovoljna za otapanje željeza, ali je toliko visoka da su njegove pojedinačne čestice dobro zavarene jedna za drugu, dajući nakon kovanje homogenog mekog proizvoda , ne prihvaćajući stvrdnjavanje. Željezo (u naznačenom smislu riječi) dobiva se: 1) izravno iz rude u pastolikom stanju postupkom puhanja sira; 2) na isti način, ali na nižoj temperaturi, nedostatnoj za zavarivanje čestica željeza; 3) preraspodjela lijevanog željeza procesom cvjetanja; 4) preraspodjela lijevanog željeza pudlingom.

1) Proces puhanja sira u sadašnjosti. vrijeme koriste samo nekulturni narodi i to u ona područja gdje (zbog nedostatka prikladnih sredstava komunikacije) ne može prodrijeti američko ili europsko željezo, dobiveno modernim metodama. Proces se provodi u otvorenim sirovim pećima i pećima. Sirovine za njega su željezna ruda (obično smeđa željezna ruda) i drveni ugljen. Ugljen se u ognjište usipa u onu njegovu polovicu gdje se dovode eksplozija, dok je ruda na hrpi, sa suprotne strane. Ugljični monoksid koji nastaje u debelom sloju gorućeg ugljena prolazi kroz cijelu debljinu rude i, s visokom temperaturom, reducira željezo. Oporaba rude se provodi postupno - od površine pojedinih komada do jezgre. Počevši od vrha hrpe, ubrzava se kako se ruda kreće u područje s višom temperaturom; u tom slučaju željezni oksid prvo prelazi u magnetski oksid, zatim u oksid, i na kraju se na površini komada rude pojavljuje metalno željezo. Istodobno se zemljane nečistoće rude (otpadne stijene) spajaju s još nereduciranim željeznim oksidom i tvore niskotaljivu željeznu trosku, koja se topi kroz pukotine metalne ljuske, koja nastaje kao da , školjka u svakom komadu rude. Zagrijane na bijelo-vruću toplinu, te se školjke zavare jedna za drugu, tvoreći spužvastu masu željeza na dnu ognjišta - kritsu, probijenu troskom. Da bi se odvojila od potonjeg, krica izvađena iz ognjišta se reže na nekoliko dijelova, od kojih je svaki kovan, zavaren, nakon hlađenja u istom ognjištu u trake ili izravno u proizvode (predmeti za kućanstvo, oružje). U Indiji se proces proizvodnje sira još uvijek odvija u pećima za proizvodnju sira, koje se od peći razlikuju samo po nešto većoj visini - oko 1,5 m. Zidovi peći su izrađeni od glinene mase (ne opeke) i služe samo jedno topljenje. Puhanje se dovodi u peć kroz jednu tujeru pomoću mjehova koji se pokreću nogama ili rukama. U praznu peć ubacuje se određena količina drvenog ugljena (“prazna glava”), a zatim naizmjenično, u odvojenim slojevima, ruda i ugljen, s tim da se količina prvog postupno povećava dok ne postigne određeni odnos prema ugljenu; težina cijele napunjene rude određena je željenom težinom blooma, koja je, općenito govoreći, zanemariva. Proces oporavka je isti kao u kovačnici; željezo također nije potpuno obnovljeno, a rezultirajući cvat sadrži puno željezne troske. Kritsu se vadi tako što se pećnica razbije i reže na komade, težine 2-3 kg. Svaki od njih se zagrijava u kovačnici i obrađuje pod čekićem; rezultat je izvrsno meko željezo, koje je, između ostalog, materijal za izradu indijskih čeličnih "woots" (damast čelik). Njegov sastav je sljedeći (u%):

Zanemarljiv sadržaj elemenata - nečistoća željeza - ili njihova potpuna odsutnost objašnjava se čistoćom rude, nepotpunom redukcijom željeza i niskom temperaturom u peći. Potrošnja drvenog ugljena zbog male veličine peći i peći te učestalosti njihova djelovanja vrlo je velika. U Finskoj, Švedskoj i na Uralu željezo se topilo u visokoj peći za sir Husgavel, u kojoj je bilo moguće kontrolirati proces redukcije i zasićenja željeza ugljikom; potrošnja ugljena u njemu - do 1,1 po jedinici željeza, čija je proizvodnja dosegla 90% njegovog sadržaja u rudi.

2) U budućnosti je potrebno očekivati ​​razvoj proizvodnje željeza izravno iz rude, ne korištenjem sirovog procesa miniranja, već redukcijom željeza na temperaturi nedovoljnoj za nastanak troske, pa čak i za sinteriranje otpadne rude (1000°). C). Prednosti takvog procesa su mogućnost korištenja goriva niske kvalitete, eliminacija fluksa i utrošak topline za taljenje troske.

3) Proizvodnja kovanog željeza preraspodjelom lijevanog željeza postupkom bloominga vrši se u blooming pećima Ch. arr. u Švedskoj (imamo - na Uralu). Za preraspodjelu se topi posebno lijevano željezo, tzv. Lancashire, dajući najmanje otpada. Sadrži: 0,3-0,45% Si, 0,5-0,6% Mn, 0,02 P,<0,01% S. Такой чугун в изломе кажется белым или половинчатым. Горючим в кричных горнах может служить только древесный уголь.

Proces se prati. arr.: ognjište, oslobođeno vapaja, ali sa zrelom troskom kraja procesa koja je ostala na donjoj dasci, ispunjeno je ugljenom, pogl. arr. bor, na koji se polaže lijevano željezo koje se zagrijava produktima izgaranja u količini od 165-175 kg (za 3/8 m 2 poprečnog presjeka ognjišta ima 100 kg kaveza od lijevanog željeza). Okretanjem ventila u zračnom kanalu, puhanje se usmjerava kroz cijevi koje se nalaze u podkrovnom prostoru ognjišta, te se ovdje zagrijava na temperaturu od 150-200°C, čime se ubrzava. taljenje željeza. Otopljeno sirovo željezo stalno se (uz pomoć pajsera) podupire na ugljen iznad tujera. Tijekom takvog rada cijela masa lijevanog željeza je podvrgnuta oksidativnom djelovanju atmosferskog kisika i ugljičnog dioksida, prolazeći kroz zonu izgaranja u obliku kapljica. Njihova velika površina doprinosi brzoj oksidaciji željeza i njegovih nečistoća - silicija, mangana i ugljika. Ovisno o sadržaju tih nečistoća, lijevano željezo ih u većoj ili manjoj mjeri gubi prije nego što se skupi na dnu ložišta. Budući da se lijevano željezo s malo silicija i mangana prerađuje u švedskoj kovačnici, tada, prolazeći kroz horizont tuyere, gubi sav svoj Si i Mn (čiji oksidi čine glavnu trosku sa željeznim oksidom) i značajan dio ugljik. Topljenje lijevanog željeza traje 20-25 minuta. Na kraju ovog procesa, hladno mlaz se stavlja u peć. Metal koji se taložio na dno ognjišta počinje reagirati sa zrelim šljakama koje se tamo nalaze, koje sadrže veliki višak (u usporedbi s količinom silicija) željeznih oksida - Fe 3 O 4 i FeO, oksidirajući ugljik s oslobađanjem ugljika. monoksid, koji proključa cijeli metal. Kada se metal zgusne (od gubitka ugljika) i "sjedne kao roba", ovaj se pajserima podiže iznad tujera, ponovno se pokreće vruće puhanje i "roba" se topi.

Tijekom sekundarnog taljenja, metal se oksidira kisikom iz eksplozije i troske koja se iz njega rastapa. Na dnu kovačnice, nakon prvog uspona, pada metal, dovoljno mekan da skupi kritsu iz nekih od njegovih najzrelijih dijelova. Ali prije, kada se koristio silikonski razred lijevanog željeza, bilo je potrebno pribjeći drugom, pa čak i trećem porastu robe, što je, naravno, smanjilo produktivnost peći, povećalo potrošnju goriva i otpad od željeza. Na rezultate rada utjecala je udaljenost koplja od donje daske (dubina ložišta) i nagib koplja: što je koplje strmije postavljeno i što je dubina ložišta manja, to je učinak veći. oksidirajuće atmosfere na metalu. Blaži nagib koplja, kao i veća dubina ložišta, smanjuje izravno djelovanje mlaznog kisika, dajući tako veću ulogu djelovanju troske na nečistoće željeza; oksidacija kod njih je sporija, ali bez željeznih para. Pod bilo kojim uvjetima, najpovoljniji položaj koplja u odnosu na donju dasku određuje se iskustvom; u modernoj švedskoj kovačnici, oko koplja je postavljeno na udaljenosti od 220 mm od donje ploče, a nagib tuyeres varira u bliskim granicama - od 11 do 12°.

Pukotina dobivena na dnu ložišta sadrži, za razliku od sirovog udarca, vrlo malo mehanički uvučene troske; što se tiče kemijskih nečistoća željeza, tada mogu biti Si, Mn i C. u potpunosti se uklanjaju (zanemarljiv sadržaj Si i Mn na koji ukazuju analize spada u sastav mehaničke nečistoće - troske), a sumpor se samo djelomično oksidira mlazom tijekom taljenja. Istodobno, fosfor se također oksidira, prelazi u trosku u obliku fosforne željezne soli, ali se potonja zatim reducira ugljikom, a konačni metal može sadržavati čak i relativno više fosfora (iz željeznih para) od izvornog. lijevano željezo. Zato se za dobivanje prvoklasnog metala za izvoz u Švedsku u preraspodjelu uzima isključivo čisto sirovo željezo u odnosu na P. Gotova krica izvađena iz kovačnice razreže se na tri dijela (svaki po 50-55 kg) i pritisne čekićem, dajući izgled paralelepipeda.

Trajanje procesa preraspodjele u švedskom bloomeryju je od 65 do 80 minuta; Dnevno se dobije od 2,5 do 3,5 tona komprimiranih komada "za vatru", uz potrošnju drvenog ugljena od samo 0,32-0,40 po jedinici gotovog materijala i njegovu proizvodnju od 89 do 93,5% lijevanog željeza navedenog u preraspodjeli. Nedavno su u Švedskoj napravljeni uspješni eksperimenti u pretvorbi tekućeg željeza uzetog iz visokih peći i u ubrzavanju procesa vrenja miješanjem metala mehaničkim grabljama; dok je otpad smanjen na 7%, a potrošnja ugljena - na 0,25.

Sljedeći podaci (u%) daju koncept kemijskog sastava švedskog i južnouralskog željeza:

Od svih vrsta željeza dobivenih industrijskim metodama, švedski bloomery je najbliži kemijski čistom i umjesto potonjeg koristi se u laboratorijskoj praksi i istraživačkom radu. Razlikuje se od sirovog željeza ujednačenošću, a od najmekšeg otvorenog metala (lijevanog željeza) po odsutnosti mangana; karakterizira ga najviši stupanj zavarljivosti, duktilnosti i savitljivosti. Švedsko cvjetasto željezo pokazuje zanemarivu vlačnu čvrstoću od samo oko 30 kg/mm2, s istezanjem od 40% i smanjenjem poprečnog presjeka od 75%. Trenutačno je godišnja proizvodnja rascvjetanog željeza u Švedskoj pala na 50.000 tona nakon rata 1914-18. opseg industrijske primjene ovog željeza uvelike je smanjen. Najveća količina koristi se u proizvodnji (u Engleskoj, glavni arr. i u Njemačkoj) najviših vrsta alatnih i specijalnih čelika; u samoj Švedskoj koristi se za izradu posebne žice (“cvijeta”), čavala za potkove, dobro kovani u hladnom stanju, lanaca i trakastih praznina za zavarene cijevi. Za posljednje dvije namjene posebno su važna svojstva blumernog željeza: pouzdana zavarljivost, a za cijevi, osim toga, najveća otpornost na hrđanje.

4) Razvoj proizvodnje željeza procesom cvatnje doveo je do uništavanja šuma; nakon što su potonje uzete pod zaštitu zakona u raznim zemljama, koji je njihovu sječu ograničio na godišnji porast, Švedska, a potom i Rusija - šumovite zemlje koje obiluju visokokvalitetnim rudama - postale su glavni dobavljači željeza na međunarodnom tržištu u cijelom svijetu. 18. stoljeće. Godine 1784. Englez Cort izumio je pudling - proces preraspodjele lijevanog željeza na ognjištu vatrene peći, u čijoj se peći spaljivao ugljen. Nakon Cortove smrti, Rogers i Gall uveli su značajna poboljšanja u dizajn peći za pudling, što je pridonijelo brzom širenju pudlinga u svim industrijskim zemljama i potpuno promijenilo prirodu i opseg njihove proizvodnje željeza tijekom prve polovice 19. stoljeća. Ovim postupkom dobili su masu metala koja je bila potrebna za izgradnju željeznih brodova, željeznica, lokomotiva, parnih kotlova i automobila.

Gorivo za pudling je dugovatreni bitumenski ugljen, ali tamo gdje ga nema, morali smo posegnuti za mrkim ugljenom, a ovdje na Uralu - za ogrjevom. Borovo drvo daje duži plamen od kamenog ugljena; dobro se zagrijava, ali sadržaj vlage u drvu ne bi trebao biti veći od 12%. Nakon toga, Siemensova regenerativna peć je korištena za pudling na Uralu. Konačno, u SAD-u i kod nas (u bazenima Volge i Kame) pudling peći su radile na ulje raspršeno izravno u radni prostor peći.

Za brzinu preraspodjele i smanjenje potrošnje goriva poželjno je imati hladno lijevano željezo za pudling; pri njegovom taljenju na koksu, međutim, u proizvodu se dobiva dosta sumpora (0,2 pa čak i 0,3%), a uz visok sadržaj fosfora u rudi, fosfor. Za obične komercijalne vrste željeza, takvo sirovo željezo s niskim udjelom silicija (manje od 1%), nazvano sirovo željezo, prethodno je topljeno u velikim količinama. Lijevano željezo od drvenog ugljena, koje je prerađivano na Uralu iu središnjoj Rusiji, nije sadržavalo sumpor i dalo je proizvod koji se također koristio za proizvodnju krovnog željeza. Trenutno se pudling koristi za proizvodnju visokokvalitetnog metala prema posebnim specifikacijama, pa se stoga u pudling peći ne isporučuje obično sirovo željezo, već visokokvalitetno, na primjer, mangan ili "hematit" (nizak fosfor), ili, obrnuto. , bogat fosforom za proizvodnju željeza od orašastih plodova. Ispod je sadržaj (u%) glavnih elemenata u nekim vrstama lijevanog željeza koji se koriste za pudling:

Peć za pudling, na kraju prethodne operacije, obično ima normalnu količinu troske na dnu za rad sa sljedećim punjenjem. Prilikom prerade jako silikonskog lijevanog željeza, u peći ostaje puno troske i mora se spustiti; naprotiv, bijelo lijevano željezo se “suši” ispod peći, a rad se mora započeti ubacivanjem potrebne količine troske koja se uzima ispod čekića („zrela”, najbogatija magnetskim oksidom). Na trosku se baca željezno punjenje, zagrijavano u lijevanom željezu (250-300 kg u običnim i 500-600 kg u dvostrukim pećima); zatim se svježi dio goriva baca u peć, rešetka se čisti, a puni se nacrt ugrađuje u peć. U roku od 25-35 min. lijevano željezo se topi, podvrgavajući b. ili m. značajna promjena u njegovu sastavu. Tvrdo lijevano željezo oksidira se kisikom plamena, a željezo, mangan i silicij daju dvostruki silikat koji teče na ognjište peći; taljenje lijevanog željeza izlaže sve više slojeva čvrstog lijevanog željeza, koji također oksidira i topi se. Na kraju razdoblja taljenja na ognjištu se formiraju dva tekuća sloja - lijevano željezo i troska, na čijoj se kontaktnoj površini ugljik oksidira, iako u slaboj mjeri, magnetskim željeznim oksidom, o čemu svjedoče mjehurići ugljičnog monoksida. pušten iz kupke. Ovisno o sadržaju silicija i mangana u lijevanom željezu, u rastaljenom metalu ostaje ih nejednaka količina: u niskosilicijskom drvenom ugljenu željezo ili bijelo - taljenje koksa - silicij u većini slučajeva potpuno izgara tijekom taljenja; ponekad određena količina ostaje u metalu (0,3-0,25%), kao i mangan. Fosfor se također oksidira u ovom trenutku, pretvarajući se u fosfornu sol željeza. Zbog smanjenja težine metala tijekom izgaranja ovih nečistoća, postotak ugljika može se čak i povećati, iako je dio nesumnjivo spaljen kisikom plamena i troske koja pokriva prve dijelove rastaljenog metala.

Kako bi ubrzali izgaranje preostalih količina silicija, mangana i ugljika, pribjegavaju pudlingu, tj. miješanju lijevanog željeza sa troskom pomoću štapa s pravokutnim krajem. Ako je metal tekući (sivi lijev, visokokarbonat), tada miješanje ne postiže cilj, a kupka se prvo zgušnjava ubacivanjem hladne zrele troske ili smanjenjem propuha postavlja se nepotpuno izgaranje u peć, popraćena vrlo zadimljenim plamenom (tanjanjem). Nakon nekoliko minuta, tijekom kojih se provodi kontinuirano miješanje, na površini kupelji pojavljuju se obilni mjehurići gorućeg ugljičnog monoksida - produkta oksidacije ugljika od lijevanog željeza kisikom magnetskog oksida otopljenog u glavnoj troske željeza. Kako proces napreduje, oksidacija C se intenzivira i pretvara u nasilno "vrenje" cjelokupne mase metala, što je popraćeno njegovim bubrenjem i tako značajnim povećanjem volumena da dio troske prelijeva kroz prag metala. radne rupe. Kako C izgara, talište metala raste, a kako bi se vrenje nastavilo, temperatura u peći se kontinuirano povećava. Kuhanje završeno na niskoj temperaturi daje sirovi proizvod, tj. spužvastu masu željeza s visokim udjelom ugljika, koja se ne može zavariti; zrela roba “sjedne” u vruću pećnicu. Proces oksidacije željeznih nečistoća u pudling peći počinje zbog kisika troske, koja je legura željeznog monosilika (Fe 2 SiO 4) s magnetskim oksidom i željeznim oksidom promjenjivog sastava. U engleskim pećima sastav mješavine oksida izražava se formulom 5Fe 3 O 4 5 FeO; na kraju vrenja omjer oksida u osiromašenoj troski izražava se formulom Fe 3 O 4 5FeO, tj. 80% cjelokupnog magnetskog oksida troske sudjeluje u procesu oksidacije. Reakcije oksidacije m. b. predstavljeni su sljedećim termokemijskim jednadžbama:

Kao što se vidi iz ovih jednadžbi, oksidacija Si, P i Mn je popraćena oslobađanjem topline i stoga zagrijava kupelj, dok oksidacija C tijekom redukcije Fe 3 O 4 u FeO apsorbira toplinu i stoga zahtijeva visoku temperaturu. To objašnjava redoslijed uklanjanja nečistoća željeza i činjenicu da izgaranje ugljika prije završava u vrućoj peći. Fe 3 O 4 se ne reducira u metal, jer je za to potrebna viša temperatura od one na kojoj dolazi do "vrenja".

Zgužvanu "robu", da bi postala dobro zavareno željezo, potrebno je još pariti: roba se ostavi nekoliko minuta u pećnici i s vremena na vrijeme prevrne pajserom, a njeni donji dijelovi se stavljaju na vrh; pod kombiniranim djelovanjem kisika plamena i troske, impregnirajući cijelu masu željeza, ugljik u ovom trenutku nastavlja izgarati. Čim se dobije određena količina dobro zavarenog metala, iz njega se počinju izvijati krikovi, izbjegavajući prekomjernu oksidaciju. Ukupno se mota od 5 do 10 kritza kako roba sazrije (ne više od 50 kg svaki); Krekeri se drže (pare) na pragu u području najveće temperature i stavljaju pod čekić na kompresiju, čime se postiže odvajanje troske i daje im oblik komada (presjek od 10x10 do 15x15 cm), pogodan za motanje u rolama. Do mjesta izdanih povika idu naprijed idući naprijed, do posljednjeg. Trajanje procesa u proizvodnji najkvalitetnijeg metala (vlaknastog željeza) od zrelog (visokougljičnog) lijevanog željeza na Uralu bilo je sljedeće: 1) sadnja lijevanog željeza - 5 minuta, 2) taljenje - 35 minuta, 3) odležavanje - 25 minuta, 4) pudling (miješanje) - 20 min., 5) kuhanje robe na pari - 20 min., 6) gnječenje i kuhanje krekera na pari - 40 minuta, 7) izdavanje krekera (10-11 komada) - 20 minuta; ukupno - 165 min. Pri radu na bijelom lijevanom željezu, na običnom komercijalnom željezu, trajanje procesa je smanjeno (u zapadnoj Europi) na 100 pa čak i 75 minuta.

Što se tiče rezultata rada, u različitim metalurškim regijama oni su varirali ovisno o vrsti goriva, kvaliteti lijevanog željeza i stupnju proizvedenog željeza. Uralske peći, koje su radile na drva, davale su prinos korisnog željeza po 1 m 3 drva za ogrjev od 0,25 do 0,3 tone; potrošnja ulja po jedinici željeza je 0,33, ugljena u europskim pećima od 0,75 do 1,1. Dnevna proizvodnja naših velikih peći (600 kg lijevanog željeza) pri radu na sušenom drvu za ogrjev iznosila je 4-5 tona; izlaz materijala pogodnog za proizvodnju krovnog željeza bio je 95-93% količine lijevanog željeza dostavljenog u proces. U Europi je dnevna produktivnost običnih peći (kavez 250-300 kg) oko 3,5 tona s gubitkom od 9%, a za visokokvalitetno željezo - 2,5 tona s gubitkom od 11%.

Što se tiče kemijskog sastava i fizikalnih svojstava, pudling željezo je puno lošiji proizvod od željeza za lupanje, s jedne strane, i lijevanog ložišta, s druge strane. Obične vrste željeza koje su se prije proizvodile u zapadnoj Europi sadržavale su mnogo sumpora i fosfora, budući da su se proizvodile od nečistog koksnog željeza, a obje te štetne nečistoće samo djelomično prelaze u trosku; količina troske u pudling željezu je 3-6%, u visokokvalitetnom metalu ne prelazi 2%. Prisutnost troske uvelike umanjuje rezultate mehaničkih ispitivanja natopljenog željeza. Ispod su neki podaci u postocima koji karakteriziraju mješovito željezo - obično zapadnoeuropsko i dobro uralsko:

Vrijedno svojstvo, za koje je sada podržana proizvodnja pudling željeza, je njegova izvrsna zavarljivost, što je ponekad od posebne važnosti sa stajališta sigurnosti. Željezničke specifikacije Društva zahtijevaju proizvodnju spojnih uređaja od pudling željeza, šipki za prijenosne sklopke i vijaka. Zbog svoje bolje otpornosti na korozivno djelovanje vode, željezo se koristi i za proizvodnju vodovodnih cijevi. Također se koristi za izradu matica (fosforni grubi metal) i visokokvalitetnog vlaknastog željeza za zakovice i lance.

Strukturu kovanog željeza, detektiranu pod mikroskopom čak i pri malom povećanju, karakterizira prisutnost crnih i svjetlosnih komponenti na fotografskoj slici; prvi spadaju u trosku, a drugi u zrna ili željezna vlakna dobivena izvlačenjem metala.

Trgovačko željezo

Metalurška postrojenja proizvode željezo dvije glavne vrste za potrebe industrije: 1) lim i 2) visokokvalitetno.

Lim se trenutno valja do 3 m širine; debljine 1-3 mm nazivamo fino valjanim; od 3 mm i više (obično do 40 mm) - kotao, spremnik, brod, ovisno o namjeni, što odgovara sastavu i mehaničkim svojstvima materijala. Najmekše je kotlovsko željezo; obično sadrži 0,10-0,12% C, 0,4-0,5% Mn, P i S - svaki ne više od 0,05%; njegova privremena otpornost na pucanje nije b. više od 41 kg / mm 2 (ali ne manje od 34 kg / mm 2), produljenje na prekidu - oko 28%. Spremno željezo je napravljeno čvršćim i izdržljivijim; sadrži 0,12-0,15% C; 0,5-0,7% Mn i ne više od 0,06% i P i S; Otpornost na kidanje 41-49 kg/mm2, istezanje 25-28%. Duljina limova kotlovskog i rezervoarskog željeza određuje se po narudžbi prema dimenzijama proizvoda zakovanog od limova (izbjegavajući nepotrebne šavove i obrezivanje), ali obično ne prelazi 8 m, jer je za tanke listove ograničena njihovo brzo hlađenje tijekom procesa valjanja, a za debele listove - po težini ingota.

Željezni lim debljine manje od 1 mm naziva se kalaj; koristi se za izradu limova i kao krovni materijal. Za potonju svrhu, u SSSR-u se valjaju listovi dimenzija 1422x711 mm, težine 4-5 kg, debljine 0,5-0,625 mm. Krovno željezo proizvode tvornice u pakiranjima od 82 kg. U inozemstvu se crni kositar u trgovini razvrstava prema posebnim brojevima kalibra - od 20 do 30 (normalna debljina njemačkog kositra je od 0,875 do 0,22 mm, a engleskog - od 1,0 do 0,31 mm). Kositar se pravi od najmekšeg lijevanog željeza, koji sadrži 0,08-0,10% C, 0,3-0,35% Mn, ako je izrađen od lijevanog željeza s drvenim ugljenom (ima ga), i 0,4-0,5% Mn, ako je polazni materijal koks svinja željezo; otpornost na trganje - od 31 do 34 kg / mm 2, produljenje - 28-30%. Raznolikost željeznog lima je valovito (valovito) željezo. Dijeli se prema prirodi valova na željezo s niskim i visokim valovima; u prvom se omjer širine vala i dubine kreće od 3 do 4, u drugom 1-2. Valovito željezo izrađuje se debljine 0,75-2,0 mm i širine lima od 0,72-0,81 m (s niskim valovima) i 0,4-0,6 m (s visokim valovima). Valovito željezo koristi se za krovove, zidove lakih konstrukcija, rolete, a s visokim valovima, osim toga, koristi se za izradu stropova bez rogova.

Presječno željezo dijeli se u dvije klase prema obliku presjeka: obično željezo u presjeku i profilirano.

Prva klasa uključuje okruglo željezo (s promjerom manjim od 10 mm koje se naziva žica), četvrtasto, ravno ili trakasto. Potonji je, pak, podijeljen na: sama traka - širine od 10 do 200 mm i debljine više od 5 mm; obruč - iste širine, ali debljine od 5 do 1 mm, označen brojem kalibra (od 3. do 19. normalnog njemačkog i od 6. do 20. novog engleskog kalibra); guma - širine od 38 do 51 mm i debljine do 22 mm; univerzalni - širine od 200 do 1000 mm i debljine najmanje 6 mm (motani u posebnim rolama - univerzalni). I gumeno i obručno željezo proizvode tvornice u nagibima, valjanu žicu - u zavojnicama; drugi razredi - u obliku ravnih (ispravljenih) traka, obično ne dužih od 8 m (normalno - od 4,5 do 6 m), ali po posebnoj narudžbi za betonske konstrukcije, trake se režu do 18 mm, a ponekad i više .

Glavne vrste oblikovanog željeza: kutno (jednakostrano i nejednako), kutijasto (kanal), tee, I-greda (greda), stupno (kvadratno) i zet željezo; postoje i neke druge manje uobičajene vrste oblikovanog željeza. Prema našem uobičajenom metričkom asortimanu, dimenzije profiliranog željeza označene su brojem profila (# - broj, vidi širinu police ili maksimalnu visinu profila). Kutna nejednaka i tee željeza imaju dvostruki broj; npr. broj 16/8 označava kut s policama od 16 i 8 cm ili T-Te s policom od 16 cm i visinom T-a 8 cm - dupli T-e.

Sastav običnog zavarljivog presječnog željeza: 0,12% C, 0,4% Mn, manje od 0,05% P i S - svaki; otpornost na kidanje je 34-40 kg/mm2; ali okruglo željezo za zakovice izrađeno je od mekšeg materijala sastava: manje od 0,10% C, 0,25-0,35% Mn, oko 0,03% P i S svaki. Vlačna čvrstoća 32-35 kg/mm2 i istezanje 28-32%. Oblikovano ne zavarivo, ali zakovano željezo (“građevinski čelik”) sadrži: 0,15 - 0,20% C, 0,5% Mn, do 0,06% P i S - svaki; otpornost na kidanje je 40-50 kg/mm2, istezanje je 25-20%. Za proizvodnju orašastih plodova proizvodi se željezo (Thomas) koje sadrži oko 0,1% C, ali od 0,3 do 0,5% P (što su orašasti plodovi veći, to je više P). U inozemstvu, za potrebe specijalnih valjaonica, u prometu se kruži poluproizvod - četvrtasta gredica, obično presjeka 50 x 50 mm.

Željezo je element sekundarne podskupine osme skupine četvrtog razdoblja periodnog sustava kemijskih elemenata s atomskim brojem 26. Označeno je simbolom Fe (lat. Ferrum). Jedan od najčešćih metala u zemljinoj kori (drugo mjesto nakon aluminija).
Jednostavna tvar željezo (CAS broj: 7439-89-6) je savitljiv srebrno-bijeli metal visoke kemijske reaktivnosti: željezo brzo korodira pri visokim temperaturama ili visokoj vlazi u zraku. U čistom kisiku željezo gori, a u fino raspršenom stanju spontano se zapali na zraku.
U stvari, željezo se obično naziva njegove legure s niskim sadržajem nečistoća (do 0,8%), koje zadržavaju mekoću i duktilnost čistog metala. Ali u praksi se češće koriste legure željeza s ugljikom: čelik (do 2,14 mas.% ugljika) i lijevano željezo (više od 2,14 mas.% ugljika), kao i nehrđajući (legirani) čelik s dodatkom legiranja metali (krom, mangan, nikal itd.). Kombinacija specifičnih svojstava željeza i njegovih legura čine ga "metalom br. 1" po važnosti za ljude.
U prirodi se željezo rijetko nalazi u čistom obliku, najčešće se javlja kao dio željezo-nikl meteorita. Prevalencija željeza u zemljinoj kori iznosi 4,65% (4. mjesto nakon O, Si, Al). Također se vjeruje da željezo čini većinu Zemljine jezgre.

porijeklo imena

Postoji nekoliko verzija podrijetla slavenske riječi "željezo" (bjeloruski zhalez, ukrajinski zalízo, staroslavenski zhelѣzo, bugarski zhelyazo, srpsko-horvski zhelљzo, poljski żelazo, češki železo, slovenski železo).
Jedna od etimologija povezuje Praslav. *želězo s grčkom riječju χαλκός, što je značilo željezo i bakar, prema drugoj verziji *želězo je povezano s riječima *žely "kornjača" i *glazʺ "stijena", sa zajedničkim semeom "kamen". Treća verzija sugerira drevnu posudbu iz nepoznatog jezika.
Romanski jezici (talijanski ferro, francuski fer, španjolski hierro, Port ferro, rum fier) ​​nastavljaju lat. željezo. Latinski ferrum (njemački jezici posudili su naziv željeza (gotski eisarn, engleski iron, njemački Eisen, nizozemski ijzer, danski jern, švedski järn) od keltskog.
Prokeltska riječ *isarno- (> OE iarn, OE bret. hoiarn) vjerojatno seže u proto-IE. *h1esh2r-no- "krvavo" sa semantičkim razvojem "krvavo" > "crveno" > "željezno". Prema drugoj hipotezi, ova riječ seže u pra-tj. *(H)ish2ro- "snažan, svet, koji posjeduje nadnaravnu moć."
Starogrčka riječ σίδηρος možda je posuđena iz istog izvora kao i slavenske, germanske i baltičke riječi za srebro.
Naziv prirodnog željeznog karbonata (siderit) dolazi od lat. sidereus - zvjezdani; doista, prvo željezo koje je palo ljudima u ruke bilo je meteorskog porijekla. Možda ova podudarnost nije slučajna. Konkretno, starogrčka riječ sideros (σίδηρος) za željezo i latinska sidus što znači "zvijezda" vjerojatno imaju zajedničko podrijetlo.

Priznanica

U industriji se željezo dobiva iz željezne rude, uglavnom iz hematita (Fe 2 O 3) i magnetita (FeO·Fe 2 O 3).
Postoje različiti načini za vađenje željeza iz ruda. Najčešći je proces domene.
Prva faza proizvodnje je redukcija željeza ugljikom u visokoj peći na temperaturi od 2000 °C. U visokoj peći se ugljik u obliku koksa, željezna ruda u obliku sintera ili peleta i fluks (npr. vapnenac) dovode odozgo i susreću se strujom ubrizganog vrućeg zraka odozdo.
U peći se ugljik u obliku koksa oksidira u ugljični monoksid. Ovaj oksid nastaje tijekom izgaranja u nedostatku kisika. Zauzvrat, ugljični monoksid vraća željezo iz rude. Da bi ova reakcija išla brže, zagrijani ugljični monoksid prolazi kroz željezov (III) oksid. Fluks se dodaje kako bi se riješile nepoželjne nečistoće (prvenstveno silikati; na primjer kvarc) u rudi koja se kopa. Tipični fluks sadrži vapnenac (kalcijev karbonat) i dolomit (magnezijev karbonat). Za uklanjanje ostalih nečistoća koriste se drugi tokovi.
Učinak fluksa (u ovom slučaju kalcijev karbonat) je da se kada se zagrije, razgrađuje do svog oksida. Kalcijev oksid se spaja sa silicijevim dioksidom, tvoreći trosku - kalcijev metasilikat. Troska se, za razliku od silicijevog dioksida, topi u peći. Lakša od željeza, troska pluta na površini - ovo svojstvo omogućuje vam da odvojite trosku od metala. Troska se tada može koristiti u građevinarstvu i poljoprivredi. Otopljeno željezo dobiveno u visokoj peći sadrži dosta ugljika (lijevano željezo). Osim u takvim slučajevima, kada se lijevano željezo koristi izravno, zahtijeva daljnju obradu.
Višak ugljika i druge nečistoće (sumpor, fosfor) uklanjaju se iz lijevanog željeza oksidacijom u otvorenim pećima ili u konverterima. Električne peći se također koriste za taljenje legiranih čelika.
Osim procesa visoke peći, čest je i proces izravne proizvodnje željeza. U tom slučaju, prethodno zdrobljena ruda se miješa s posebnom glinom kako bi se formirale pelete. Pelete se prže i obrađuju u osovinskoj peći s vrućim proizvodima pretvorbe metana koji sadrže vodik. Vodik lako reducira željezo bez kontaminacije željeza nečistoćama kao što su sumpor i fosfor, koji su uobičajene nečistoće u ugljenu. Željezo se dobiva u čvrstom obliku, a zatim se topi u električnim pećima.
Kemijski čisto željezo dobiva se elektrolizom otopina njegovih soli.

Željezo je osmi element četvrtog razdoblja u periodnom sustavu. Njegov broj u tablici (koji se naziva i atomski) je 26, što odgovara broju protona u jezgri i elektrona u elektronskoj ljusci. Označen je s prva dva slova njegovog latinskog ekvivalenta - Fe (lat. Ferrum - čita se kao "ferrum"). Željezo je drugi najčešći element u zemljinoj kori, postotak je 4,65% (najzastupljeniji je aluminij, Al). U svom izvornom obliku, ovaj metal je prilično rijedak, češće se vadi iz miješane rude s niklom.

U kontaktu s

Koja je priroda ovog spoja? Željezo kao atom sastoji se od metalne kristalne rešetke, koja osigurava tvrdoću spojeva koji sadrže ovaj element i molekularnu stabilnost. U vezi s tim je ovaj metal tipično čvrsto tijelo, za razliku od, na primjer, žive.

Željezo kao jednostavna tvar- metal srebrne boje sa svojstvima tipičnim za ovu grupu elemenata: savitljivost, metalni sjaj i duktilnost. Osim toga, željezo ima visoku reaktivnost. O potonjem svojstvu svjedoči činjenica da željezo vrlo brzo korodira u prisutnosti visoke temperature i odgovarajuće vlage. U čistom kisiku ovaj metal dobro gori, a ako se zgnječi u vrlo male čestice, one će ne samo izgorjeti, već će se i spontano zapaliti.

Često željezo ne nazivamo čistim metalom, već njegove legure koje sadrže ugljik ©, na primjer, čelik (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Od velike industrijske važnosti su i legure kojima se dodaju legirajući metali (nikl, mangan, krom i drugi), zbog čega čelik postaje nehrđajući, odnosno legiran. Dakle, na temelju toga postaje jasno kakvu opsežnu industrijsku primjenu ovaj metal ima.

Karakteristično Fe

Kemijska svojstva željeza

Pogledajmo pobliže značajke ovog elementa.

Svojstva jednostavne tvari

• Oksidacija u zraku pri visokoj vlažnosti (korozivni proces):

4Fe + 3O2 + 6H2O \u003d 4Fe (OH) 3 - željezo (III) hidroksid (hidroksid)

• Izgaranje željezne žice u kisiku s stvaranjem miješanog oksida (sadrži element s oksidacijskim stanjem +2 i oksidacijskim stanjem +3):

3Fe+2O2 = Fe3O4 (željezna ljestvica). Reakcija je moguća kada se zagrije na 160 ⁰C.

• Interakcija s vodom na visokoj temperaturi (600-700 ⁰C):

3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2

• Reakcije s nemetalima:

a) Reakcija s halogenima (Važno! Tom interakcijom poprima oksidacijsko stanje elementa +3)

2Fe + 3Cl2 \u003d 2FeCl3 - željezni klorid

b) Reakcija sa sumporom (Važno! U ovoj interakciji element ima oksidacijsko stanje +2)

Željezo (III) sulfid - Fe2S3 može se dobiti tijekom druge reakcije:

Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O

c) Stvaranje pirita

Fe + 2S \u003d FeS2 - pirit. Obratite pažnju na stupanj oksidacije elemenata koji čine ovaj spoj: Fe (+2), S (-1).

• Interakcija s metalnim solima u elektrokemijskom nizu aktivnosti metala desno od Fe:

Fe + CuCl2 \u003d FeCl2 + Cu - željezo (II) klorid

• Interakcija s razrijeđenim kiselinama (na primjer, klorovodičnom i sumpornom):

Fe+HBr = FeBr2+H2

Fe+HCl = FeCl2+ H2

Imajte na umu da ove reakcije proizvode željezo s oksidacijskim stanjem +2.

• U nerazrijeđenim kiselinama, koje su najjači oksidacijski agensi, reakcija je moguća samo pri zagrijavanju; u hladnim kiselinama metal se pasivizira:

Fe + H2SO4 (koncentrirano) = Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 + 6H2O

Fe+6HNO3 = Fe(NO3)3+3NO2+3H2O

• Amfoterna svojstva željeza očituju se samo u interakciji s koncentriranim lužinama:

Taloži se Fe + 2KOH + 2H2O \u003d K2 + H2 - kalij tetrahidroksiferat (II).

Proces proizvodnje željeza u visokoj peći

• Pečenje i naknadna razgradnja sulfidnih i karbonatnih ruda (izolacija metalnih oksida):

FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Ova reakcija je također prvi korak u industrijskoj sintezi sumporne kiseline.

FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).

• Izgaranje koksa (u suvišku):

S (koks) + O2 (zrak) —> CO2 (600−700 ⁰C)

CO2+S (koks) —> 2CO (750−1000 ⁰C)

• Obnova rude koja sadrži oksid ugljičnim monoksidom:

Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)

Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)

FeO —> Fe(CO, -CO2)

• Karburizacija željeza (do 6,7%) i taljenje lijevanog željeza (t⁰taljenje - 1145 ⁰C)

Fe (čvrsto) + C (koks) -> lijevano željezo. Reakcijska temperatura je 900-1200 ⁰C.

U lijevanom željezu cementit (Fe2C) i grafit su uvijek prisutni u obliku zrna.

Karakterizacija spojeva koji sadrže Fe

Proučit ćemo značajke svake veze zasebno.

Fe3O4

Mješoviti ili dvostruki željezni oksid, koji sadrži element s oksidacijskim stanjem i +2 i +3. Također se naziva Fe3O4 željezni oksid. Ovaj spoj je otporan na visoke temperature. Ne reagira s vodom, vodenom parom. Razgrađuju mineralne kiseline. Može se reducirati vodikom ili željezom na visokoj temperaturi. Kao što možete razumjeti iz gornjih informacija, to je međuproizvod u reakcijskom lancu industrijske proizvodnje željeza.

Izravno, željezni oksid se koristi u proizvodnji boja na mineralnoj bazi, obojenog cementa i keramičkih proizvoda. Fe3O4 je ono što se dobiva crnjenjem i plavljenjem čelika. Izgaranjem željeza na zraku dobiva se miješani oksid (reakcija je navedena gore). Ruda koja sadrži okside je magnetit.

Fe2O3

Željezov(III) oksid, trivijalni naziv - hematit, crveno-smeđi spoj. Otporan na visoke temperature. U svom čistom obliku ne nastaje tijekom oksidacije željeza s atmosferskim kisikom. Ne reagira s vodom, stvara hidrate koji talože. Slabo reagira s razrijeđenim lužinama i kiselinama. Može se legirati s oksidima drugih metala, tvoreći spinele - dvostruke okside.

Crvena željezna ruda koristi se kao sirovina u industrijskoj proizvodnji sirovog željeza metodom visoke peći. Također ubrzava reakciju, odnosno katalizator je u industriji amonijaka. Koristi se u istim područjima kao i željezni oksid. Osim toga, korišten je kao prijenosnik zvuka i slike na magnetskim vrpcama.

FeOH2

Željezo(II) hidroksid, spoj koji ima i kisela i bazična svojstva, ova potonja prevladavaju, odnosno amfoterna je. Bijela tvar koja brzo oksidira na zraku, "posmeđi" u željezov (III) hidroksid. Razgrađuje se kada je izložen temperaturi. Reagira i sa slabim otopinama kiselina i lužina. Nećemo se otopiti u vodi. Djeluje kao redukcijsko sredstvo u reakciji. To je međuprodukt u reakciji korozije.

Detekcija Fe2+ i Fe3+ iona („kvalitativne“ reakcije)

Prepoznavanje Fe2+ i Fe3+ iona u vodenim otopinama provodi se pomoću složenih kompleksnih spojeva - K3, crvena krvna sol, odnosno K4, žuta krvna sol. U obje reakcije nastaje zasićeni plavi talog istog kvantitativnog sastava, ali različitog položaja željeza s valentnošću +2 i +3. Ovaj talog se također često naziva pruska plava ili Turnbull plava.

Reakcija napisana u ionskom obliku

Fe2++K++3-  K+1Fe+2

Fe3++K++4-  K+1Fe+3

Dobar reagens za detekciju Fe3+ je tiocijanatni ion (NCS-)

Fe3++ NCS-  3- - ovi spojevi imaju svijetlocrvenu ("krvavu") boju.

Ovaj reagens, na primjer, kalijev tiocijanat (formula - KNCS), omogućuje vam da odredite čak i zanemarivu koncentraciju željeza u otopinama. Dakle, on je u stanju utvrditi jesu li cijevi zahrđale kada ispituje vodu iz slavine.