Железо

Элемент XVIII группы четвертого периода периодической системы Менделеева, металл

Степень окисления +2,+3, иногда +6.

Один из наиболее распростаненных элементов в природе. Особено важен для живых организмов: является основным катализатором дыхательных процессов. Железо входит в состав гемоглобина крови (477 мг/л), учавствует в процессе переноса кислорода от легких к тканям. Железо встречается в природе в основном в виде руд.

Основные руды железа:
— магнетит (магнитный железняк) Fе_зО₄ (содержит до 72% железа), основные месторождения находятся на Урале.
— гематит (красный железняк) Fe₂О₃ (содержит до 65% железа), основное месторождение — Криворожское.
— лимонит (бурый железняк) Fe₂О₃

· nH₂O (содержит до 60% Ре), крупные месторождения в Крыму и на Урале.

— пирит (железный колчедан) FeS₂ (содержит около 46% железа), — сидерит (шпатовый железняк) FeСО₃ (содержит до 35% Железа).

Получение:
1. Чистое железо можно получить электролитическим восстановлением солей железа.
FeCl₂ = Fe²⁺ + 2Cl^-
2. Восстановление оксидов железа Fe₂O₃ и Fe₃O₄ при алюминотермии:
8Al + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4Al₂O₃
3. Основная масса железа используется не в чистом виде, а виде сплавов с углеродом (чугуна и стали) и другими элементами. Основная масса железа вырабатывается в доменных печах. Процесс, протекающий в доменной печи при получении сплавов железа, основан на восстановлении оксидов железа при нагревании:
3Fe₂O₃ + CO = 2Fe₃O₄ + CO₂
Fe₃O₄ + CO = 3FeO + CO₂
FeO + CO = Fe + CO₂
FeO + C = Fe + CO

Физические свойства:
Чистое железо — серебристо-белый металл, быстро тускнеющий (ржавеющий) на влажном воздухе или в воде, содержащей кислород. Железо пластично, легко подвергается ковке и прокатке, температура плавления 1539°С. Обладает сильными магнитными свойствами (ферромагнетик), хорошей тепло- и электропроводностью.
Химические свойства:
Железо — активный металл.
1. На воздухе образуется защитная оксидная пленка, препятствующая ржавению металла. 3Fe + 2O₂ = Fe2O3

· FeO (Феррит железа)

2. Во влажном воздухе железо окисляется и покрывается ржавчиной, которая частично состоит из гидратированного оксида железа (III). 4Fe + 3О₂ + 6Н₂О = 4Fe(ОН)₃ 3. Взаимодействует с хлором, углеродом и другими неметаллами при нагревании: 2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃
4.Железо вытесняет из растворов солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений правее железа:
Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu
5. Растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах c выделением водорода:
Fe + 2Cl = FeCl₂ + H₂

Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло своего значения и в настоящее время: из всех металлов оно наиболее широко используется в современной промышленности.

Первобытный человек стал использовать железные орудия за несколько тысячелетий до нашей эры. Тогда единственным источником этого металла были упавшие на Землю метеориты, которые содержат довольно чистое железо. Это породило у многих народов легенды, дошедшие до наших дней, о небесном происхождении железа.

В середине II тысячелетия до н.э. в Египте была освоена металлургия железа - получение его из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришел на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относят к рубежу II и I тысячелетий до н. э.

Железо - один из самых распространенных в природе элементов. В земной коре его массовая доля составляет 5,10%, и оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Много железа содержится и в небесных телах, что установлено методом спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила советская автоматическая станция "Луна", обнаружено железо в неокисленном металлическом состоянии. Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70%. Однако с развитием техники становится вод можным использование горных пород и с меньшим содержанием железа. Основными железными рудами являются магнитный железняк (основной компонент - магнетит Ре3О4), красный железняк (содержит гематит Ре2О3), бурый железняк (содержит различные гидроксиды железа (III), например гидрогетит Ре2О3-Н2О), шпатовый железняк (содержит минерал сидерит РеСО3). СССР занимает первое место в мире по запасам железных руд. Железорудные месторождения имеются на всей территории нашей страны. Наиболее богатые месторождения в европейской части СССР: Курская магнитная аномалия, Криворожский железорудный бассейн. Крупные месторождения железных руд находятся также на Урале, в Казахстане, Западной Сибири.

В настоящее время основным промышленным способом переработки железных руд является производство чугуна доменным процессом. Чугун - это сплав железа, содержащий 2,2-4% углерода, кремний, марганец, фосфор, серу. В дальнейшем большая часть чугуна подвергается переделу на сталь. Сталь отличается от чугуна главным образом меньшим содержанием углерода (до 2%), фосфора и серы.

В последнее время большое внимание уделяется разработке методов прямого получения железа из руд без осуществления доменного процесса. Еще в 1899 г. Д. И. Менделеев писал: "Я полагаю, что придет со временем опять пора искать способов прямого получения железа и стали из руд, минуя чугун". Слова великого химика оказались пророческими: такие способы найедены и реализованы в промышленности.

Первоначально прямое восстановление железа проводили в слегка наклонных вращающихся печах, похожих на печи, в которых получают цемент. В печь непрерывно загружают руду и уголь, которые постепенно перемещаются к выходу, противотоком идет нагретый воздух. За время нахождения в печи руда постепенно подогревается (до температур ниже температуры давления железа) и восстанавливается. Продуктом такого производства является смесь кусков железа и шлака, которую легко разделить, так как железо до плавления не доводится.

Интерес к прямому восстановлению железа из руд возрос и последнее время в связи с тем, что, кроме экономии кокса, оно дает возможность получать железо высокой чистоты. Получение чистых металлов - одна из важнейших задач современной металлургии. Такие металлы необходимы многим отраслям промышленности.

Получить технически чистое железо прямым восстановлением можно, если руду подвергнуть обогащению: существенно повысить массовую долю железа, отделив пустую породу, и снизить содержание вредных примесей (таких, как сера и фосфор).

Упрощенно процесс подготовки железной руды к восстановлению можно представить так. Руду измельчают в дробильных устройствах и подают на магнитный сепаратор. Он представляет собой барабан с электромагнитами, на который при помощи транспортера подается измельченная руда. Пустая порода свободно проходит через магнитное поле и падает. Зерна руды, содержащие магнитные минералы железа, намагничиваются, притягиваются и отделяются от барабана позднее пустой породы. Такую магнитную сепарацию можно повторить несколько раз.

Лучше всего подвергаются магнитному обогащению руды, содержащие магнетит Fе₃О₄, который обладает сильными магнитными свойствами. Для слабомагнитных руд иногда перед обогащением применяют магнетизирующий обжиг - восстановление оксидов железа в руде до магнетита:
3Fe₂O₂ + H₂ = 2Fe₃O₄ + H₂O
или
ЗFе₂О₃ + CO = 2Fе₃О₄ + CO₂

После магнитной сепарации руду обогащают методом флотации. Для этого руда помещается в емкость с водой, где растворяют флотационные реагенты - вещества, которые избирательно дсорбируются на поверхности полезного минерала и не асорбируются на пустой породе. В результате адсорбции флоторагента частицы минерала не смачиваются водой и не тонут.

Через раствор пропускают воздух, пузырьки которого прикрепляются к кусочкам минерала и поднимают их на поверх, ность. Частицы пустой породы хорошо смачиваются водой и падают на дно. Обогащенную руду собирают с поверхности раствора вместе с пеной.

В результате полного процесса обогащения содержание железа в руде может быть повышено до 70-72%. Для сравнения отметим, что содержание железа в чистом оксиде Ре3О4 составляет .72,4%. Так что содержание примесей в обогащенной руде весьма незначительно. К настоящему времени предложено более семидесяти методов прямого получения железа из руд с использованием твердых и газообразных восстановителей. Рассмотрим принципиальную схему одного из них, который используется в нашей стране.

Процесс проводят в вертикальной печи (рис. 43), в которую сверху подают обогащенную руду, а снизу - газ, служащий восстановителем. Этот газ получают конверсией природного газа (т.е. сжиганием природного газа в недостатке кислорода). "Восстановительный" газ содержит 30% СО, 55% Н2 и 13% воды и углекислого газа. Следовательно, восстановителями оксидов железа служат оксид углерода (II) и водород:
Fe₂O₄ + 4H₂ = 3Fe + 4H₂O
Fe₃O₄ + 4 CO = 3 Fe + 4CO₂

Восстановление ведется при температуре 850 - 900°С, что ниже температуры плавления железа (1539°). СО и Н2, которые не прореагировали с оксидами железа, вновь возвращаются в печь после удаления из них пыли, воды и углекислого газа. Эти "оборотные газы" служат и для охлаждения получаемого продукта. В результате процесса прямого восстановления руды получается железо в виде металлических "окатышей" или "губки", содержание металла в которых может достигать 98 - 99%. Если прямым восстановлением получают сырье для дальнейшей выплавки стали, то оно обычно содержит 90 - 93% железа.

Для многих современных отраслей техники требуется железо еще. более высокой степени чистоты. Очистку технического ж6' леза проводят карбонильным методом. Карбонилы - это соединения металлов с оксидом углерода (II) СО. Железо взаимодействует с СО при повышенном давлении и температуре 100-200°, образуя пентакарбонил:
Fе + 5СО = Fе(СО)₅

Пентакарбонил железа - жидкость, которую можно легко отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250° карбонил разлагается, образуя порошок железа:
Fе(СО)₅ = Fе + 5СО
Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме или атмосфере водорода, то получится металл, содержащий 99,98- 99,999% железа. Еще более глубокой степени очистки железа (до 99,9999%) можно достичь методом зонной плавки.

Железо высокой чистоты нужно прежде всего для изучения его свойств, т.е. для научных целей. Если не удалось бы получить чистое железо, то не узнали бы, что железо - мягкий, легко обрабатываемый металл. Химически чистое железо намного более инертно, чем железо техническое. Важной отраслью использования чистого железа является производство специальных ферросплавов, свойства которых ухудшаются в присутствии примесей.