Iron - proprietățile elementelor chimice

Fier (Ferrum lat.), Fe, un element chimic din grupa a VIII a tabelului periodic; numărul atomic 26, masa atomica 55.847; strălucitor metal alb argintiu. Elementul în natură este formată din patru izotopi stabili: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) și 58 Fe (0,31%).

Informații istorice. Fier a fost cunoscut din timpuri preistorice, dar utilizarea pe scară largă a găsit mult mai târziu, la fel ca în stare liberă se găsește în natură sunt extrem de rare, si obtinerea-l din minereuri a devenit posibilă numai la un anumit nivel de dezvoltare tehnologică. Probabil prima dată când o persoană care cunoaște fierul meteoric, după cum reiese din numele său în limbile popoarelor antice: antic egiptean „Beni animale de companie“ înseamnă „fier cerului“; sideros antice grecești asociate cu Sidus Latină (decese născuți Sideris.) - o stea, un corp ceresc. În textele hitite din secolul al 14-lea î.Hr.. e. Acesta a menționat despre fier, ca un metal care a căzut din cer. În Romance limbi a păstrat rădăcina numele dat de romani (de exemplu Franța. Fer, ital. Ferro).

Un procedeu de obținere a fierului din minereuri a fost inventat în Asia de Vest, în al 2-lea mileniu î.Hr.. e.; urmată de utilizarea de răspândire de fier în Babilon, Egipt, Grecia; a înlocuit epoca bronzului a venit epoca fierului. Homer (în piesa 23 „Iliada“) spune că Ahile a acordat discul de fier câștigător Kritsa în competiția de pe un disc aruncare. În Europa și Rusia antica pentru multe secole de fier a fost preparat prin procedeul syrodutnyh. Minereul de fier este redus cu cărbune într-o forjă, aranjate în groapă; într-o forjă cu burduf presurizat cu aer, produsul de reducere - Krizia lovituri de ciocan separat de zgură și dintr-o varietate de produse forjate. Ca metode de îmbunătățire a blast și creșterea înălțimii temperaturii procesului vetrei crescută și o parte din fier este cementat, se obține fierul; Acest produs relativ fragil este considerat produs rezidual. De aici și numele de fier „porc“, „fier swinish“ - Ing. fontă. Ulterior, sa observat că atunci când este încărcată într-un corn nu este minereu de fier și de fier și oțel cu conținut redus de carbon floare este obținut și un proces în două etape sa dovedit a fi mai profitabilă decât syrodutnyh. În metoda bloomery 12-13 secole a fost deja pe larg circulat.

Distribuția de fier în natură. Conform conținutului în litosferă (4,65% în greutate) de fier pe locul al doilea între metale (prima aluminiu). Migrează viguros în crusta, formând aproximativ 300 de minerale (oxizi, sulfuri, silicați, carbonați, titanați, fosfați și alții asemenea. D.). Iron participă activ în procesele magmatice, hidrotermale și supragenice, care sunt asociate cu formarea de diferite tipuri de domeniile sale. Fier - adâncimi de metal pământ, se acumulează etapele de cristalizare, în ultrabasic (9.85%) și mai mare (8,56%) roci (în granitului ea doar 2,7%). În biosferă, fierul se acumulează în multe sedimente marine și continentale, formând minereu sedimentar.

Un rol important este jucat în geochimie reacții redox de fier - tranziția 2-valent de fier în 3-valent și înapoi. În biosferă, în prezența substanțelor organice Fe 3+ se reduce la Fe 2+ și ușor migrează, în timp ce întâlnirea cu oxigenul Fe 2+ este oxidat, formând acumulări hidroxizi de fier 3-valent. compus larg raspandita 3-valent fier sunt de culoare roșie, galben, maro. Acest lucru determină culoarea multor roci sedimentare și numele lor - „formarea de culoare roșie“ (roșu și lutoase maro și argilă, nisip galben, etc ...).

Proprietățile fizice ale fierului. Valoarea de fier în domeniu actuală este determinată nu numai de răspândită în natură, ci mai degrabă o combinație de proprietăți valoroase. Este din material plastic, ușor de falsificat în stare rece și la cald, se pretează la rulare, ștanțare și trase. Abilitatea de a dizolva carbon și alte elemente este baza pentru producerea de diferite aliaje de fier.

Fier poate exista în două barilor de cristal: α- și γ centrat cubic (bcc) și Cubic cu fețe centrate (fcc). Sub 910 ° C este α-Fe bcc stabil (a = 2.86645Å la 20 ° C). Între 910 ° C și 1400 ° C γ-modificare stabilă fcc (a = 3,64Å). Deasupra 1400 ° C se formează din nou bcc zăbrele δ-Fe (a = 2,94Å), Rezistent la punctul de topire (1539 ° C). a-Fe feromagnetic până la 769 ° C (punctul Curie). Modificările y-Fe și δ-Fe paramagnetic.

Proprietățile fizice ale fierului depinde de puritatea sa. În materialele din fier industriale Gland însoțite de obicei carbon impuritate, azot, oxigen, hidrogen, sulf, fosfor. Chiar și la concentrații foarte scăzute ale acestor impurități modifica în mare măsură proprietățile metalului. Astfel, sulful este așa-numitul fragilității, fosfor (chiar 10 -2% P) - fragilității rece; carbon și azot scad ductilitatea și fragilizarea hidrogenului crește de fier (t. n. Hidrogenul fragilizarea). Reducerea conținutului de impurități la 10 -7-10 -9% conduce la schimbări semnificative în proprietățile metalului, în special pentru îmbunătățirea ductilității.

Raza atomică a 1,26Å

Razele ionice de Fe 2+ 0,80Å, Fe3 + 0,67Å

Densitate (20 ° C) 7 874 g / cm3

punct de aproximativ 3200 ° C la fierbere

Coeficientul de temperatură de dilatare liniară (20 ° C) 11,7 × 10 -6

Conductibilitatea termică (25 ° C) 74,04 W / (m · K) [0177 cal / (cm · sec · °)]

Capacitatea fierului de căldură depinde de structura sa și modul complex variază în funcție de temperatură; căldura specifică medie (0-1000 ° C) 640.57 J / (kg · K) [0,153 cal / (g · grade)].

Rezistivitatea electrică (20 ° C) 9,7 x 10 -8 ohm-m

Coeficient de temperatură (0-100 ° C) 6,51 * 10 -3

modulul lui Young de 190-210 × 10 3 MN / m 2 (19-21 x 10 3 kgf / mm2)

Coeficientul de temperatură al modulului lui Young de 4 × 10 -6

Forfecarea modulul 84,0 × 10 3 MN / m 2

rezistența la tracțiune scurta 170-210 MN / m 2

Alungire 45-55%

duritate Brinell de 350-450 MN / m 2

Limita de curgere 100 MN / m 2

Rezistența la impact 300 MN / m 2

Proprietățile chimice ale fierului. Configurația învelișului exterior al electronilor atomului 3d 6 4s 2. Fier prezintă valență variabilă (compusul cel mai stabil, 2- și 3-valent de fier). Cu formele de oxigen un oxid de fier (II) FeO, oxid (III) Fe2 O3 și oxid (II, III) Fe3 O4 (compus FeO c Fe2 O3. Având o structură de spinel). În aerul umed la temperatura obișnuită este acoperit de rugină de fier în vrac (Fe2 O3 · nh2 O). Din cauza rugina lor porozitate nu împiedică accesul oxigenului și umidității la metal și, prin urmare, nu îl împiedică de oxidare în continuare. Ca urmare, diferite tipuri de coroziune, milioane de tone de fier sunt pierdute anual. După încălzirea fierului în aer uscat peste 200 ° C, este acoperit cu cel mai subtire pelicula de oxid, care protejează metalul de coroziune la temperaturi obișnuite; Aceasta este baza metodei de protecție tehnică a fierului - albăstrelii. Atunci când este încălzit în fier abur este oxidat pentru a forma Fe3 O4 (sub 570 ° C) sau FeO (peste 570 ° C) și evoluția hidrogenului.

Hidroxizi Fe (OH) 2 este format ca un precipitat alb prin acțiunea alcaline caustice sau amoniac în soluții apoase de Fe 2+ săruri într-o atmosferă de hidrogen sau azot. In contact cu aerul Fe (OH) 2 în primul rând verde, apoi se închide la culoare în sfârșit rapid și devine Fe (OH) 3 hidroxid roșu-brun. Oxid de FeO prezintă proprietăți de bază. Oxid de Fe2 O3 amfoteren și are funcția de acid slab; reacția cu mai mulți oxizi de bază (de exemplu, MgO, formează din ferită. - Compuși de tip Fe2 O3 · nMeO, având proprietăți feromagnetice și este utilizat pe scară largă în domeniul electronicii proprietăți acide sunt exprimate și fier 6-valent existente sub formă de ferat, de exemplu K2 FeO4. Sărurile care nu sunt izolate într-un fier liber stare acidă.

Fier reacționează ușor cu halogeni și halogenuri de hidrogen, săruri care dau, cum ar fi cloruri, FeCl2 și FeCl3. Atunci când este încălzit cu sulf format din fier sulfide FeS și FeS2. Fier Carburile - Fe3 C (cementita) și Fe2 C (e-carbid) - cad din soluție solidă de carbon în fier în timpul răcirii. Fe3 C este alocat ca soluții de carbon în fier lichid la concentrații mari S. azot, cum ar fi carbon, oferă soluții solide de fier; nitruri de ele sunt Fe4 N și Fe2 N. Cu hidruri hidrogen fier oferă doar o stabilitate scăzută, a căror compoziție nu este exact stabilită. Când încălzirea fierului reacționează puternic cu siliciu și fosfor, formând o siliciură (de exemplu Fe3 Si și fosfuri (de exemplu Fe3 P).

potențial de electrod Fier normal în soluții apoase ale sărurilor sale pentru reacția Fe = Fe 2+ + 2e este -0.44 V și pentru reacția Fe = Fe 3+ + 3e este egal cu -0.036. Astfel, într-o serie de fier activ stă stânga hidrogenului. Este ușor solubil în acizi diluați cu separarea H2 și formează ionii de Fe 2+. Fier peculiarly reacția cu acid azotic. Concentrate HNO3 (densitate 1,45 g / cm3), datorită apariției pe fierul oferă protecție, suprafața sa un strat protector de oxid; mai diluat HNO3 pentru a forma dizolva ionii de fier Fe 2+ sau 3+ Fe. recuperarea sau NH3 N2 și N2 O. Soluțiile de săruri ale 2-valent fier instabil în aer - Fe 2+ gradat oxigenat la Fe 3+. Soluțiile apoase de săruri ale fierului prin hidroliză sunt acide. Adăugarea de săruri la soluții Fe 3+ SCN- ioni tiocianat dă luminos sîngeriu culoare datorită apariției Fe (SCN) 3, care permite deschiderea în prezența a 1 parte din Fe 3+ aproximativ 10 6 părți apă. Fier caracterizată prin formarea de compuși complecși.

Producerea de fier. Pure de fier obținut în cantități relativ mici, prin electroliza soluțiilor apoase ale sărurilor sale sau oxizii săi prin reducerea cu hidrogen. crescând treptat producția de fier suficient de pură prin reducerea directă a concentratelor sale de minereu, hidrogen, gaz natural sau cărbune la temperaturi relativ scăzute.

Materialele pe bază de fier sunt capabile să reziste la temperaturi înalte și joase și presiuni înalte de vid, medii corozive, tensiune mare alternativ, radiații nucleare, și m. P. Producerea de fier și aliajele sale este în creștere.

Fier, ca un material de artistic folosit încă din antichitate în Egipt, Mesopotamia, India. Inca din Evul Mediu au supraviețuit numeroase fierărie foarte artistice în Europa (Anglia, Franța, Italia, România și altele) - balustrade din fier forjat, balamale, console de perete, weathervanes, lăzi de fier forjat, svettsy. Forjata prin produse din tije și articole canelate foi de metal (de multe ori cu o captuseala micacee) forme diferite plane, o siluetă grafică liniară clară și ecranate în mod eficient pentru lumina si fundal. În fierul secolului 20 utilizat pentru fabricarea de grile, garduri, compartimentari interioare ajurata, sfesnice, monumente.

Fier în organism. Fierul este prezent în toate organismele din plante și animale (medie de aproximativ 0,02%); este necesar, în principal pentru schimbul de procese de oxigen și oxidare. Există organisme (așa numitele Butucii) care se pot acumula în cantități mari (de exemplu, bacteriile de fier - până la 17-20% fier). Aproape tot fierul din corpul animalelor și plantelor asociate cu proteine. Deficitul de fier cauzează ofilirea și cloroza plantelor fenomenelor asociate cu reducerea formării de clorofilă. influența nefastă asupra dezvoltării plantelor și are supraîncărcare cu fier, provocând, de exemplu, flori sterile de orez și cloroză. În solurile alcaline formate disponibile la rădăcinile plantelor asimilarea de compuși de fier, iar plantele nu se obține în cantități suficiente; în soluri acide compus de fier devine solubil într-o cantitate în exces. Odata cu deficit sau excesul în sol asimilabilă bolile plantelor compuse de fier pot să apară pe zone întinse.

La animale și om de fier provine din alimente (cel mai bogat din ficat lor, carne, ouă, fasole, paine, cereale, spanac, sfecla). In mod normal, o persoană primește o rație de 60-110 mg de fier, care depășește în mod semnificativ necesarul zilnic. Absorbția fierului de alimente care intră are loc în partea superioară a intestinului subțire, unde este în formele legate de proteine ​​intră în sânge și este transportat de sânge la diferite organe și țesuturi, în cazul în care este depozitată sub formă de complex de fier-proteine ​​- feritină. Principalele magazine de fier din organism - ficatul și splina. Datorită sintezei feritinei corp compuși de fier: este sintetizat în măduva osoasă pigment respirator hemoglobina, mușchi - mioglobina, citocromii în diferite țesuturi, și alte enzime cu conținut de fier. Fierul este eliberat din corpul principal prin peretele intestinului gros (la om, de aproximativ 6-10 mg pe zi) și într-o mică măsură, prin rinichi. Nevoia de fier variază în funcție de vârsta și starea fizică. 1 kg de greutate necesare pentru copii - 0,6, 0,1-adulți și gravide - 0,3 mg de fier pe zi. Animalele au nevoie de fier este de aproximativ (1 kg dietă materie uscată): pentru vacile de lapte - cel puțin 50 mg, pentru creștere - 30-50 mg; pentru porci - până la 200 mg, pentru gestanți porcine - 60 mg.