Железо: история, нахождения, месторождения, свойства

Содержание

Введение                                                                                                                                     3

1. История железа                                                                                                                   4

2. Нахождение в природе                                                                                                         6

3. Месторождения железных руд                                                                                           7

4. Физические свойства                                                                                                          10

5. Химические свойства                                                                                                          11

6. Применение железа и его сплавов                                                                                    14

7. Получение железа                                                                                                                16

8. Биологическая роль железа                                                                                              19

9. Интересные факты                                                                                                              20

Заключение                                                                                                                               21

Список литературы                                                                                                                 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Железо – важнейший металл современной индустрии [1]. Это химический элемент, имеющий 26-й атомный номер в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева и  расположенный в 4 периоде в побочной подгруппе VIII группы периодической системы элементов.

Железо – один из самых распространенных металлов в земной коре. Люди научились извлекать его из руды и обрабатывать около 4 тыс. лет назад. Этот металл является одним из важнейших химических элементов, который в чистом виде практически не используется, но его сплавы плотно вошли в жизнь человечества.

Более 90% производимых в наше время металлов приходится на железо и его сплавы с углеродом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История железа

            Железо – один из семи металлов древности. Самородное железо в природе практически не встречается. Первым железом, которое попало в руки человека, было железо метеоритного происхождения. Хотя человек использует железо с древних времен, изделия из него встречаются крайне редко из-за свойства железа окисляться, т.е. ржаветь. Первое упоминание об использовании железа датируются 5-м тысячелетием до н.э. Железо в те времена было очень дорогим, ценилось оно дороже золота. Изделия из железа помещались в оправу из золота.

            С самородными металлами народы, населяющие все континенты, познакомились почти в одно и то же время. С железом же происходило знакомство иначе и оно растянулось на более длинные исторические промежутки времени [2]. В Египте железо получали еще во втором тысячелетии до н.э., в Древней Греции - в конце II тысячелетия, в Китае - в середине первого тысячелетия до н.э. А на американском континенте лишь с приходом европейцев. Объясняется это тем, что в государствах, где запасы самородных металлов, в первую очередь меди и олова, были невелики, у людей возникала необходимость поиска новых металлов, чтобы заменить самородные. В Америке находились крупнейшие месторождения меди, поэтому потребности в других металлах не было. А вот африканские племена перешагнули через медный век, к железному веку. С увеличением численности населения, с занятием людьми новых территорий. Выработка железа неуклонно росла, и оно перешло из ранга драгоценных металлов в обычные [3]. 
            Из известных тогда металлов железо было самым прочным. Из него изготавливали различные орудия труда, оружие, инструменты. В начале нашей эпохи железо уже производили в Европе и в Азии. Лучшими металлургами были индийцы [2]. 
            Как же развивались способы получения железа? Первоначально человек использовал метеоритное железо, но оно было очень редким и очень дорогим. Затем стали получать нагреванием руд с углем, делая это на хорошо продуваемых ветром местах. Но, полученное таким способом железо было губчатым, с большим содержанием шлаков и хрупким. Важнейшим шагом в технологии получения железа стало появление горна, который был открыт сверху и обложен изнутри огнеупорными материалами (рис.1). Используя данный способ, получалось относительно качественное железо, о чем говорят раскопки, произведенные археологами в Сирии на месте древних городов.  
Первые плавильные печи появились к концу пятнадцатого века. В них получали только чугун. В 1885 году был предложен способ производства стали, который называется конверторным. Примерно в это же время был внедрен и мартеновский способ получения стали. При выплавке стали в мартеновских печах, получалась очень высококачественная сталь, практически свободная от шлаков [3].

            Происхождение названия химического элемента происходит по предположению одних ученых слова джальджа (санскритский язык), что означало металл, руда. По предположению других от санскритского корня -жель, что означало "блестеть, пылать" 
Химический символ Fe железо получило от латинского слова ferrum, что собственно и обозначает в переводе железо [2].

 

 Рисунок 1. Выплавка железа в горне ( фрагмент древнегреческой вазы)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Нахождение в природе

            Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: на его долю приходится около 4% массы земной коры. Среди всех элементов оно занимает 4-е место, среди металлов- 2-е, уступая лишь алюминию. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном виде железо находят в метеоритах, изредка встречается самородное железо (феррит) в земной коре как продукт застывания магмы. Железо входит в состав многих минералов, из которых слагаются месторождения железных руд [4].

            Основные рудные минералы железа:

Гематит (железный блеск, красный железняк) – Fe2O3 (до 70% Fe);

Магнетит (магнитный железняк) – Fe3O4 (до 72,4% Fe);

Гетит – FeO(OH);

Гидрогетит – FeO(OH)*nH2O (лимонит) – (около 62% Fe);

Сидерит – Fe(CO3) (около 48,2% Fe);

Пирит (железный колчедан) – FeS2.

            Месторождения железных руд образуются в различных геологических условиях. С этим связано разнообразие состава руд и условий их залегания. Железные руды разделяются на следующие промышленные типы:

1. Бурые железняки  – руды водного оксида железа (главный минерал – гидрогетит), 30-55% железа.

2. Красные железняки, или гематитовые руды (главный  минерал – гематит, иногда с  магнетитом), 51-66% железа.

3. Магнитные  железняки (главный минерал –  магнетит), 50-65% железа.

4. Сидеритовые  или карбонатные осадочные руды, 30-35% железа.

5. Силикатные  осадочные железные руды, 25-40% железа.

            Железо является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, где среднее содержание его колеблется в интервале 0,01-26 мг/л [5].

 

 

 

 

 

 

3. Месторождения железных руд

            По меньшей мере 12 стран в мире имеют разведанные запасы железных руд, которые превышают миллиард тонн. К числу таких стран относятся Россия, Австралия, Канада, США, ЮАР, Индия, Франция. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире [6].

Рисунок 2. Месторождения железа, алюминия, ртути и урана в мире

            В пределах России месторождения железных руд находятся на Урале, где целые горы (например, Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком превосходного качества. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Общее количество железных руд нашей страны составляет больше половины мировых запасов [4].

Рисунок 3. Распределение ресурсов железных руд по субъектам РФ, млрд т (по состоянию на 2007 г.)

            К крупнейшим месторождениям нашей страны относятся:

  Курская магнитная аномалия (КМА)

            Курская магнитная аномалия (КМА) – крупнейший железорудный бассейн в России, расположен на территории Курской, Белгородской и Орловской областей.

            Общая площадь бассейна 120 тысяч км2. Разведанные запасы железистых кварцитов свыше 25 млрд т с содержанием Fe 32-37 % и свыше 30 млрд т богатых руд с 52-66 % Fe. Главные месторождения: Коробковское, Лебединское, Михайловское, Чернянское, Погромецкое, Стойленское, Яковлевское, Гостищевское и др. (рис. 4). Магнитные аномалии в районе города Курск открыты П. Б. Иноходцевым в 1783 [7].

 

Рисунок 4. Карта Курской магнитной аномалии

  Качканарская группа железорудных месторождений

            Качканарская группа железорудных месторождений в Свердловской области (Исовский район). Известна с 18 века. Объединяет два крупных месторождения – Качканарское и Гусевогорское. Запасы титаномагнетитовых руд на Качканарском месторождении – 3,3 млрд т на Гусевогорском – 3,4 млрд т ; это месторождение является одновременно уникальным по запасам ванадия. Разрабатывается карьерным способом с 1963 года [8].

  Оленегорское месторождение железистых кварцитов

            Оленегорское месторождение железистых кварцитов - скопление железных руд Кольского полуострова. Расположено в нескольких км от г. Оленегорска. Открыто и разведано в 1921–1932. Разрабатывается с 1954. Включает 5 месторождений. Месторождения сложены комплексом верхнеархейских (2740 ± 60 млн. лет) метаморфических пород (различные гнейсы, амфиболиты, железистые кварциты). Содержание в руде Fe – 33,14 %. Руды в основном представлены полосчатыми магнетитовыми и магнетит-гематитовыми железистыми кварцитами. Основной рудный минерал большинства месторождений группы – магнетит. Запасы руды месторождения составляют 329 млн т. Общие прогнозные запасы руд – около 2 млрд т при среднем содержании железа 32% [9].

 

 

 

4. Физические свойства железа

            Традиционно, железо – это серебристо-белый металл с активными химическими реакционными свойствами. Его физические свойства отражены в таблице 1. Оно корродирует при высокой влажности или воздействии высоких температур. В кислороде оно способно гореть, в мелкодисперсном состоянии - самовозгораться. Переоценить значимость применения железа в современной технике сложно, это обуславливается наличием достаточно ценных качеств. Оно пластично, хорошо поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Возможность растворять в своем составе углерод и другие вещества является основой для получения сплавов с различными свойствами.

            Железом называют его сплавы с различными химическими элементами (до 0,8 % по массе) – углеродом, водородом, азотом, фосфором, кислородом, серой и пр., которые даже при незначительных концентрациях меняют его физические свойства. Азот и углерод – снижают пластичность, водород – увеличивает хрупкость, сера вызывает красноломкость, а фосфор — хладноломкость.

            95% всей металлургической промышленности составляют сплавы железа с различными веществами. Богатые углеродом сплавы (более 2% по общему весу) – чугуны выплавляют из обогащенных железом руд в доменных печах. Низкоуглеродистые марки стали (менее 2%) производят в мартеновских, конверторных, электрических печах путем окисления излишнего углерода. В электродуговых и индукционных печах выплавляют высоколегированные стали (со значительным массовым содержанием хрома, никеля и других элементов). Для выпуска сплавов железа особого назначения разработаны и используются новые технологические процессы – электрошлаковый и вакуумный переплав, электро-лучевая, плазменная плавки [4].

                    Табл. 1

                                      Основные физические свойства  железа

                    

5. Химические свойства железа

            Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d64s2. Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного железа). В химическом отношении железо относится к металлам средней активности. В электрохимическом ряду напряжений металлов они располагаются левее водорода, между хромом и кобальтом. Чистый металл при комнатной температуре довольно устойчив, его активность сильно увеличивается при нагревании, особенно если он находится в мелкодисперсном состоянии. Наличие примесей значительно снижает устойчивость металла.

  Взаимодействие с неметаллами

            При нагревании на воздухе выше 200 °С железо взаимодействует с кислородом, образуя оксиды нестехиометрического состава FexO, мелкодисперсное железо сгорает с образованием смешанного оксида железа (II, III):

                              3Fe + 2O2 = Fe3O4                                          (1)

С галогенами металл реагирует, образуя галогениды :

                             2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3                                                                          (2)

Металл довольно устойчив к действию фтора.

При взаимодействии с азотом при невысокой температуре железо образует нитриды различного состава, например:

                               4Fe + N2 = 2Fe2N                                                         (3)

Взаимодействие с серой экзотермично и начинается при слабом нагревании, в результате образуются нестехиометрические соединения:

                                  Fe + S = FeS                                                             (4)

С водородом железо не образует стехиометрических соединений, но оно поглощает водород в значительных количествах.

С углеродом, бором, кремнием, фосфором также при нагревании образуются соединения нестехиометрического состава, например:

                                            Fe + P = FeP                                                            (5)

                                                      2Fe + P = Fe2P                                                            (6)

                                                       3Fe + P = Fe3P                                                            (7)

                                                  3Fe + C = Fe3C                                                         (8)

                                                          Fe + Si =FeSi                                                           (9)

  Взаимодействие с водой

            В воде, в присутствии кислорода, железо медленно окисляется кислородом воздуха (корродирует):

                         4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3                                       (10)

При температуре 700–900 °С раскаленное железо реагирует с водяным паром:

                          3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2                                          (11)

  Взаимодействие с кислотами

            Железо реагирует с разбавленными растворами соляной и серной кислот, образуя соли железа (II):

                              Fe + 2HCl = FeCl2 + H2                                             (12)   

                              Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2                                         (13) 

С разбавленной азотной кислотой образует нитрат железа (III) и продукт восстановления азотной кислоты, состав которого зависит от концентрации кислоты, например:

                       Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O                          (14)

При обычных условиях концентрированные (до 70 мас. %) серная и азотная кислоты пассивируют (Пассивация металлов — переход поверхности металла в неактивное, пассивное состояние, связанное с образованием тонких поверхностных слоёв соединений, препятствующих коррозии) железо. При нагревании возможно взаимодействие с образованием солей железа (III):

                 2Fe + 6H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O                                 (15)

                   Fe + 6HNO3 = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O                                 (16)

  Взаимодействие со щелочами

Разбавленные растворы щелочей на металлы триады железа не действуют. Возможно только взаимодействие железа с щелочными расплавами сильных окислителей:

               Fe + KClO3 + 2KOH = K2FeO4 + KCl + H2O                               (17)

 

 

  Восстановительные свойства

            Железо вытесняет металлы, которые расположены правее в электрохимическом ряду напряжений его растворов солей:

                              Fe + SnCl2 = FeCl2 + Sn                                                (18)

  Образование карбонилов

            Для металлов триады железа характерно образование карбонилов, в которых железо имеет степень окисления, равную 0. Карбонил железа получается при обычном давлении и температуре 20–60 °С:

                                   Fe + 5CO = Fe(CO)5                                                  (19)

  Цианистые соединения железа

            Гексациано (II) феррат калия K4[Fe(CN)6] – светло-желтые кристаллы. Эта соль называется желтой кровяной солью. Раствор ее не дает реакции, характерной для ионов Fe(II). Но с ионами Fe(III) желтая кровяная соль взаимодействует с образованием нерастворимой соли синего цвета – берлинской лазури:

 

                                          4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4− → FeIII4[FeII(CN)6]3↓                            (20)

 

Гексациано (III) феррат калия K3[Fe(CN)6] – красная кровяная соль, темно красные кристаллы (безводные). Красная кровяная соль – реактив на ионы Fe(II), с которыми она образует синий осадок, так называемой турнбулевой сини [3]:

                                           3Fe2+ + 2[Fe(CN)6]3− → FeIII3[FeII(CN)6]2↓                           (21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Применение железа и его сплавов

            Железо и его сплавы с углеродом занимают особое положение в металлургии, так как их расход составляет по весу 92—93% от общего расхода всех используемых в настоящее время металлов.

            Мировая выплавка чугуна составляет 150 млн т и стали 220 млн т (данные на 2012 год). России по выплавке чугуна и стали занимает четвертое место в мире. Железо относится к группе черных металлов, которые находят самое широкое применение во всех областях народного хозяйства и в быту.

            Развитие тяжелой промышленности, железнодорожного и автомобильного транспорта, машино - и станкостроения, сельскохозяйственного машиностроения и строительной техники были бы невозможны без значительного развития черной металлургии.

            Железо люди используют с древнейших времен. Однако железо в присутствии кислорода и воды легко подвергается коррозии. По своим механическим свойствам металл не удовлетворяет ряду требований к конструкционным материалам. Он очень пластичен.

            Поэтому чистое железо практически не используется, а применяются различные сплавы этого металла (рис. 5). Из-за содержания большого количества углерода чугун хрупок и его нельзя ковать. Из чугуна отливают тяжелые детали станков, машин, маховики, разнообразные плиты, красивые чугунные решетки и другие декоративные изделия. Из чугуна делают посуду, которая не подгорает при нагревании в печах открытым пламенем. Это и чугунки, и тяжелые чугунные сковородки.

Рисунок 5. Применение железа

            В сталях содержание всех примесей меньше, чем в чугунах. В зависимости от того, какие добавки определяют свойства стали, сталь подразделяется на углеродистую и легированную. Свойства углеродистой стали определяются содержание углерода. Если массовая доля углерода в стали менее 0,3%, то ее называют малоуглеродистой. Из малоуглеродистой стали изготавливают кровельное железо, стальные листы, кузова легковых автомобилей.

            Среднеуглеродистая сталь содержит около 0,65% углерода и служит для  изготовления рельсов, труб, проволоки, деталей машин. Высокоуглеродистая сталь содержит от 0,65 до 2% углерода. Из нее изготавливают различные инструменты.

Если сталь нагреть до температуры 500-700°С, а затем быстро охладить, получается закаленная сталь, отличающаяся особой твердостью. Из закаленной стали изготавливают топоры, пилы, рубанки, кухонные и охотничьи ножи и другие инструменты [10].

            Для придания стали особых свойств в нее добавляют легирующие добавки. Добавление кремния приводит к увеличению эластичности, марганца – вязкости, вольфрама – твердости. Комбинируя различные добавки, получают специальные легированные стали. Наиболее ценные свойства легированных сталей – твердость, жаропрочность, устойчивость к агрессивным средам – определяют их чрезвычайно широкое применение.

            Широкое применение нашли нержавеющие стали – это сплавы железа, содержащие около 18% хрома и 9% никеля. Её антикоррозийные свойства появляются благодаря наличию на поверхности металла слоя оксида хрома. Этот защитный слой очень устойчив и даже после механического или химического повреждения быстро приобретает свой прежний вид, и антикоррозийные качества металла остаются без изменений. Типовые сферы применения нержавеющих сталей – машиностроение, химическая, нефтехимическая, целлюлозно-бумажная, пищевая промышленность и т.д. Значительное применение специальных нержавеющих сталей обеспечивала атомная энергетика, аэрокосмическая промышленность, другие оборонные отрасли страны [4].

 

 

 

 

 

7. Получение железа

            Железо получают методами:

1. Железную руду восстанавливают коксом в доменных печах:

                                               (22)

2. Прямой метод:

                                                            (23)

3. Очень чистое железо в виде порошка получают разложением Fe(CO)5 [11]:

                                                                                                  (24)

     

            Основным промышленным способом получения железа служит производство его в виде различных сплавов с углеродом – чугунов и углеродистых сталей. Чугуны получают доменным процессом, а стали – мартеновским, конверторным и электроплавильным процессами.

            Металлургическое производство традиционно состоит из четырех основных стадий: агломерационного, доменного, сталеплавильного и прокатного производств. Схема доменного цеха представлена на рисунке 6. Высота печи достигает 30 и более метров, а диаметр превышает 7,5 м. Измельченную железную руду или агломерат вводят в доменную печь сверху, послойно смешивая с коксом. Снизу в печь продувают предварительно нагретый воздух, в котором уголь сгорает до оксида углерода, восстанавливающего оксид железа:

                                                     3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2↑                                      (25)

            Эта реакция идет преимущественно в верхней части доменной печи. Часть  Fe2O3  восстанавливается лишь до FeO, который, попадая в нижнюю часть домны – зону высокой температуры, восстанавливается непосредственно углем:

                                                         C + FeO → Fe + CO            (26)

           Температура в нижней части доменной печи доходит до 1600 оC. Железо при этом плавится (температура плавления железа 1539 оC) и стекает в горн, откуда его периодически выливают в формы. Железные руды, содержащие кислые породы (диоксид кремния или оксид алюминия), предварительно смешивают с основными добавками, называемыми флюсами, обычно это известняк. В настоящее время флюсы вводят на стадии агломерации. Руды, содержащие основную породу, смешивают с кислыми добавками (песком, гранитом). Флюсы образуют с пустой породой легкоплавкие шлаки, которые собирают на поверхности расплавленного чугуна (доменные шлаки) и периодически удаляются из печи. Расплавленное железо растворяет углерод, кремний, фосфор, серу и марганец, образуя чугун, используемый непосредственно для отливки изделий либо перерабатываемый на сталь.

Рисунок 6. Доменная печь

            Сталь получают путем удаления углерода и остальных примесей до нужной степени чистоты в конверторах или мартеновских печах (рис.7). Специальные стали получают в электропечах.

           Мартеновская печь, обогреваемая газообразным топливом или мазутом, работает следующим образом. Газ и воздух проходят через предварительно разогретые до температуры около 1200 оC камеры-рекуператоры 8 и 9, выложенные внутри огнеупорным кирпичом, где нагреваются до 800-900оC. При сжигании разогретого газа в атмосфере разогретого воздуха в горелке 1 образуется факел пламени, поднимающий температуру в рабочем пространстве печи до 1700 оC и выше. Твердые шихтовые материалы, загружаемые через окна 2, плавятся на поду 3, откуда сливаются в ковшы. Продукты сгорания при температуре около 1600 оC поступают в камеры 4 и 5 и разогревают их керамическую кладку до температуры 1200 оC, после чего уходят в дымовую трубу. К этому времени камеры 8 и 9 уже достаточно охладились, отдавая свое тепло нагреваемым газу и воздуху. Поэтому, при изменении положения клапанов 6 и 7 направление газа и воздуха меняется, и они поступают в камеры 4 и 5, разогретые отходящими газами. Процесс повторяется в течение всей плавки в той же последовательности после очередной перекидки клапанов 6 и 7 [1].

Рисунок 7. Схема мартеновской печи

            Среди других отраслей материального производства черная металлургия занимает одно из первых мест по количеству используемых природных ресурсов. Черная металлургия оказывает активное и пагубное воздействие на окружающую среду. Это в первую очередь связано с потреблением большого количества различных сырьевых материалов и образованием больших количеств самых разнообразных отходов. На долю предприятий черной металлургии приходится около 15% всех промышленных выбросов в атмосферу пыли, 8-10% выбросов диоксида серы, около 15% - оксидов азота, 10-15% общего объема потребления промышленностью свежей воды и примерно столько же сбрасываемых сточных вод [1].

 

8. Биологическая роль

            Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02 %). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа – участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков – гемопротеидов, простетической группой которых является комплекс – гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в  1 литре крови – около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа [10].