Н ахождение в природе

По распространенности в природе железо занимает второе место после алюминия среди металлов.

Fe₃O₄ – магнетит (магнитный железняк) – 72 % железа – Южный Урал.

Fe₂O₃ – гематит (красный железняк) – 65 % железа – Криворожье.

F e₂O₃nH₂O – лимонит (бурый железняк) – 60 % железа – Крым.

FeCO₃ – шпатовый железняк.

FeS₂ – пирит (железный колчедан) – 47 % железа – Урал.

Получение железа

1. Восстановлением из Fe₂O₃ водородом при нагревании:

Fe₂O₃ + 3H₂  2Fe + 3H₂O

2. Восстановлением из оксидов Fe₂O₃ и Fe₃O₄ – алюминотермия

3Fe₃O₄ + 8Al  9Fe + 4Al₂O₃

3. Электролизом растворов солей железа (II)

Так как ^○ Fe²⁺/ Fe⁰ = – 0,44 (близко к стандартному водородному ), то на К^- восстанавливается и Fe²⁺ и вода:

^{р-р FeSO4  Fe2++ SO42-}

К-	A+
Fe2+ + 2 ē  Fe0 2H2O + 2 ē  H20+2OH-	2H2O-4 ē O20+4H+

FeSO₄ + 2H₂O ^эл.ток Fe + H₂ + O₂ + H₂SO₄

Применение железа

Магнитные свойства при изготовлении трансформаторов, электромоторов, электрических магнитов, мембран телефонов. Железо преимущественно используется в виде сплавов – чугуна и стали.

Оксиды железа

FeO – оксид железа (II)

Черный, легкоокисляющийся порошок. Получается восстановлением Fe₂O₃:

Fe₂O₃ + CО  2FeO + CO₂

Основной оксид: легко растворяется в кислотах с образованием солей Fe(II)

FeO + 2HCl  FeCl₂ + H₂O

FeO + 2H⁺ Fe²⁺ + H₂O

Fe₂O₃ – оксид железа (III)

Самое устойчивое кислородосодержащее соединение железа, нерастворим в воде, коричневого цвета. Получается окислением Fe:

4Fe + 3O₂ 2 Fe₂O₃

Fe₂O₃ – амфотерный оксид с преобладанием основных свойств:

а) с кислотами: Fe₂O₃ + 6H⁺ 2Fe³⁺ + 3H₂O

б) с щелочами: Fe₂O₃ + 2KOH _(тв.)  2KFeO₂ + H ₂O

Fe₂O₃ + 2OH^-  ^t○ 2FeO₂^- + H₂O

феррит-ион

Fe₃O₄ (FeOFe₂O₃) – оксид железа (II,III)

Окалина, получается при горении Fe: 3Fe + 2O₂  Fe₃O₄ - хороший проводник тока, используется для изготовления электродов и получения железа.

Гидроксиды и соли железа (II)

Fe(OH)₂ – образуется при действии растворов щелочей на соли железа (II) без доступа воздуха:

Fe²⁺ + 2OH^- ® Fe(OH)₂ - осадок белого цвета

Катионы Fe(II) очень легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями до Fe(III). Поэтому в растворах соединений Fe(II) всегда имеются катионы Fe(III), и белый Fe(OH)₂ становится зеленоватым, а потом и бурым, переходя в гидроксид железа (III):

4 Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ ® 4Fe(OH)₃ Fe²⁺-1 ē ®Fe³⁺ 3

восстановитель O₂+4 ē ®2O^-2 2

Кроме восстановительных, проявляет основные свойства, взаимодействуя с кислотами: Fe(OH)₂ + 2H⁺ ® Fe²⁺ + 2H₂O

Соли Fe (II) – [Fe(H₂O)₆]²⁺ - гидратированный Fe²⁺, устойчив в кислой среде.

гексааква железо (II)

1. тоже сильные восстановители, легко окисляются до Fe³⁺: Fe²⁺-1 ē ® Fe³⁺

2FeCl₂ + Cl₂ ® 2FeCl₃

2Fe+2-2 ē ®2Fe+3	3
N+5 + 3 ē ®N+2	2

6FeSO₄ + 2HNO₃ + 3H₂SO₄ ® 3Fe₂(SO₄)₃ + 2NO + 4H₂O

2Fe+2-2e-®2Fe+3	5
Mn+7 + 5e-®Mn+2	2

10FeSO₄ + 2KMnO₄ + 8H₂SO₄ ® 5Fe₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ + 2MnSO₄ + 8H₂O

Fe+2-1 ē ®Fe+3	2
Br20 + 2 ē ®2Br-	1

2K₄[Fe(CN)₆] + Br₂® 2K₃[Fe(CN)₆] + 2KBr

2. Соли Fe (II) подвергаются гидролизу по катиону:

FeCl₂ + H₂O  FeOHCl + HCl

Fe²⁺ + H₂O  FeOH⁺ + H⁺

3. Соединения Fe (II) могут разлагаться при нагревании:

Fe(OH)₂ ^t FeO + H₂O

2FeSO₄ ^t Fe₂O₃ + SO₂ + SO₃

4. Качественная реакция на соли Fe (II) – реакция с гексацианоферратом (III) калия – красной кровяной солью:

3FeCl₂ + 2K₃[Fe⁺³(CN)₆]  Fe₃[Fe(CN)₆]₂ + 6KCl

3Fe²⁺ + 2[Fe(CN)₆]^3-  Fe₃[Fe(CN)₆]₂ – турнбулева синь

темно-синий осадок

ГИДРОКСИД и СОЛИ ЖЕЛЕЗА (III)

Fe(OH)₃ – гидроксид железа (III)

Образуется при действии растворов щелочей на соли трёхвалентного железа: выпадает в виде красно–бурого осадка

Fe(NO₃)₃ + 3KOH  Fe(OH)₃ + 3KNO₃

Fe³⁺ + 3OH^-  Fe(OH)₃

1. Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств:

+ 3H⁺  Fe³⁺ +3H₂O

Fe(OH)₃

+ 3OH^-  [Fe(OH)₆]^3-

2. Разлагается при нагревании с образованием оксида:

2Fe(OH)₃ ^t○ Fe₂O₃ + 3H₂O

СОЛИ Fe (III)

1. Fe³⁺ имеет промежуточную с/о  является окислителем и восстановителем

Fe+2 +1 ē ®Fe+2	2
S-2 - 2 ē ® S0	1

Fe²⁺ 2FeCl₃ + H₂S2FeCl₂ + S + 2HCl

Fe(OH)₃

Fe+3 -3 ē ®Fe+6	2
Br20 + 2 ē ® 2Br-	3

Fe⁶⁺2FeCl₃+16KOH+3Br₂2K₂FeO₄+6KBr+6KCl+ 8H₂O

KFeO₂ –феррит калия феррат K

(соль метажелезистой кислоты HFeO₂) (соль железной кислоты)

2) Соли Fe (III) гидролизуются сильнее солей Fe (II), так как Fe(OH)₃ более слабое основание, чем Fe(OH)₂

Fe³⁺ + H₂O  FeOH²⁺ + H⁺

FeOH²⁺ + H₂O  Fe(OH)₂⁺ + 2H⁺ или Fe³⁺ + 2H₂O  Fe(OH)₂⁺ + 2H⁺

Fe(OH)₂⁺ + 3H₂O  Fe(OH)₃ + 3H⁺ или Fe³⁺ + 3H₂O  Fe(OH)₃ + 3H⁺

Например:

FeCl₃ + H₂OFeOHCl₂ + HCl

Хлорид гидроксожелеза (III) или гидроксохлорид Fe (III)

FeCl₃ + 2H₂O Fe(OH)₂Cl + 2HCl

Хлорид дигидроксожелеза (III)

FeCl₃ + 3H₂O Fe(OH)₃ + 3HCl

3) Качественные реакции на Fe³⁺

1)     При действии гексацианоферрата (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтой кровяной соли) на растворы солей трёхвалентного железа образуется синий осадок:

4FeCl₃ +3K₄[Fe(CN)₆]  Fe₄[Fe(CN)₆]₃ + 12KCl

4Fe³⁺ + 3 [Fe(CN)₆]^4-  Fe₄[Fe(CN)₆]₃ берлинская лазурь

2)     При добавлении к раствору, содержащему ионы Fe³⁺ роданистого калия или аммония появляется интенсивная кроваво-красная окраска роданида железа(III):

  FeCl₃ + 3NH₄CNS  3NH₄Cl + Fe(CNS)₃

СОЕДИНЕНИЯ ЖЕЛЕЗА (VI) – соли железной кислоты – окислители

Fe+6 +3 ē ®Fe+3	4
2O-2 - 4 ē ® O20	3

4K₂FeO₄ + 10 H₂SO₄3O₂ + 2Fe₂(SO₄)₃ + 4K₂SO₄ + 10H₂O

F e²⁺ Fe³⁺ Fe⁶⁺

восстановитель восстановитель-окислитель окислитель

основные свойства амфотерные свойства кислотные свойства

ПРИМЕНЕНИЕ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА

FeSO₄7H₂O – железный купорос – борьба с вредителями сельского хозяйства, для приготовления минеральных красок.

FeCl₃ – коагулянт при очистке воды, протрава при крашении тканей.

Fe₂(SO₄)₃9H₂O – коагулянт, для травления металлов.

Fe(NO₃)₃9H₂O – протрава при крашении тканей, утяжелитель шёлка.

Сплавы железа

Все сплавы железа делятся на стали и чугуны.

Выплавленный в домне чугун содержит около 93% железа, до 4,5% углерода, 0,5 – 2% кремния, 1-3% марганца, 00,2-2,5% фосфора и 0,005-0,08% серы.

Чугун хрупок, не поддается ковке и прокату. Различают 2 вида чугуна: серый и белый.

Серый чугун содержит C в виде графита и на изломе имеет серый цвет. Применяется для литья: отлива тяжелых частей машин, маховиков, плит. Белый чугун содержит C главным образом в виде цементита Fe₃C, он светлее и весь идет на переработку в сталь.

Сталь

В твердой стали содержание C~0,3-1,7%. В мягкой стали C до 0,3%.Сталь легко поддается ковке и прокатке. При быстром охлаждении она получается очень твердой, при медленном - очень мягкой, её легко обрабатывать, из неё изготовляют гвозди, болты, проволоку, кровельное железо, детали машин, из твердой стали – инструменты.

Мартеновская печь. Мартеновская выплавка стали еще применяется в ряде стран, хотя и постепенно заменяется кислородно-конвертерным процессом. Мартеновская печь обычно вмещает 500 т стали. Она имеет широкий неглубокий под и низкий арочный свод, отражающий тепло в сторону пода. Газ и воздух вводятся с одного конца и сгорают над подом. Чем ниже содержание углерода, тем выше температура плавления. Для достижения температуры, при которой плавится сталь с минимальным содержанием углерода, применяют принцип регенерации тепла. На обоих концах печи имеются регенерационные камеры с такой же кирпичной насадкой, как и в кауперах доменной печи. Продукты сгорания пропускаются через одну из этих камер. Когда футеровка достаточно нагрета, направление потоков через печь меняется на обратное. Поступающие воздух и газ воспринимают тепло от кирпичей насадки, а отходящие газы нагревают вторую камеру. Таким образом, достигается экономия топлива и повышается рабочая температура.

Мартеновская печь – крупное сооружение, и процесс выплавки стали занимает довольно много времени. На загрузку печи рудой, металлоломом и чугуном уходит ок. 5 ч, на расплавление – 4 ч и на рафинирование и корректировку окончательного состава стали – еще 3–4 ч. Чугун и металлолом могут загружаться в разных пропорциях в зависимости от потребности и экономических соображений.

Мартеновский способ

В плавильную ванну печи загружается чугун, железный лом, чистая руда (они содержат O₂ и известь (флюс)). Печь обогревается газом, который сгорает под загруженной ванной.

Температура в печи достигает 1800 ^○С. Шихта плавится и происходит окисление углерода т примесей, содержащихся в чугуне, кислородом воздуха, поступающего в печь вместе с горючими газами.

Кислородное дутье сильно интенсифицирует процесс: повышается производительность печей, уменьшается расход топлива, возрастает выход стали, улучшается ее качество.

В мартеновской печи легко получать легированные стали. Для этого необходимо перед окончанием плавки добавить необходимые металлы или сплавы. Большое значение в современной механике имеют легированные стали, содержащие легирующие элементы: Cr, Ni, Mo, V, W, Mn, Cu, Si, для придания стали определенных свойств.

ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТАЛЬ
Типичные стали (ок. 0,40% C)	Отличительная особенность	Применение
Простая углеродистая (0,40% C)	Хорошая прочность и обрабатываемость	Рельсовые путевые болты; автомобильные оси; лесозаготовительные, дорожные, сельскохозяйственные машины; пружины, ножницы, инструменты по дереву
Среднемарганцовистая (1,75% Mn)	-''-	-''-
Простая хромистая (0,95% Cr)	-''-	-''-
Никелевая (0,30% С, 3,5% Ni)	Ударная вязкость	Детали пневмобуров и отбойных молотков, коленчатые валы
Ванадиевоуглеродистая (0,5% C, 0,18% V)	Ударная прочность	Детали и узлы локомотивов
Молибденоуглеродистая (0,20% C, 0,68% Mo)	Теплостойкость	Корпуса паровых котлов, оборудование для пара высокого давления
Высококремнистая листовая (4,00% Si)	Высокая электрическая эффективность	Трансформаторы, электромашинные генераторы тока, электродвигатели
Силикомарганцевая (2,00% Si, 0,75% Mn)	Упругость	Автомобильные и вагонные рессоры
Хромоникелевая (0,60% Cr, 1,25% Ni)	Поверхностная упрочняемость	Автомобильные коробки передач, поршневые пальцы, трансмиссии
Хромованадиевая (0,95% Cr, 0,18% V)	Высокая прочность и твердость	Автомобильные коробки передач, валы гребных винтов, шатуны
Хромомолибденовая (0,95% Cr, 0,20% Mo)	Ударная, усталостная прочность, теплостойкость	Самолетный силовой набор
Молибденоникелевая (1,75% Ni, 0,35% Mo)	Усталостная прочность	Железнодорожные подшипники, автомобильные коробки передач
Марганцовисто-молибденовая (1,30% Mn, 0,30% Mo)	Ударная и усталостная прочность	Ковши землечерпательных снарядов, камнедробилки, детали турбин
Никелехромо-молибденовая (1,75% Ni, 0,65% Cr, 0,35% Mo)	Высокое сопротивление кручению	Коленчатые валы
Быстрорежущая (18% W, 4% Cr, 1,0% V)	Высокотемпературная твердость	Быстрорежущие инструменты
Кобальтовая магнитная (35,0% Co)	Высокий остаточный магнетизм	Постоянные магниты
Нержавеющая 18–8 наклепанная (18% Cr, 8% Ni)	Коррозионная стойкость	Хирургические инструменты, оборудование пищевой промышленности, кухонная утварь

ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ – применяется для получения легированных сталей, содержащих тугоплавкие металлы – молибден Mo и ванадий W.

Электрическая печь. Электропечи сначала применялись только для выплавки качественных инструментальных и нержавеющих сталей, выплавлявшихся до этого в тиглях. Но постепенно электропечи стали играть важную роль в производстве малоуглеродистой стали из металлолома в тех случаях, когда не требуется передела чугуна из доменной печи. В настоящее время около 30% нерафинированной стали выплавляется в электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи. Под дуговой сталеплавильной печи облицован огнеупорной кирпичной кладкой, свод охлаждается водой и может сдвигаться в сторону для загрузки печи. Через три отверстия в своде вводятся угольные электроды. Между электродами и металлоломом на поду печи зажигается дуговой разряд. В большой печи ток дуги может достигать 100 000 А.

Плавка стали обычно производится следующим образом. Свод печи отводят в сторону, и на под печи осторожно загружают металлолом. После этого свод возвращают на место, а электроды опускают так, чтобы они на 2–3 см не доходили до верха загруженного металлолома. Зажигают дугу и по мере расплавления завалки постепенно увеличивают мощность. В печь вводят кислород для окисления углерода и кремния в завалке и известь для образования шлака. На этом этапе химия плавки такая же, как и в кислородно-конвертерном процессе. По окончании периода окисления отбирают пробу, анализируют ее и при необходимости корректируют состав. Затем выключают дугу, поднимают электроды, наклоняют печь и выпускают сталь в ковш.

Электросталеплавильный процесс находит также важное применение в вакуумной плавке стали. Для этого обычно пользуются индукционными электропечами. Сталь помещают в графитовый тигель, окруженный медным змеевиком индуктора. На индуктор подается переменное напряжение высокой частоты. Вихревые токи, наводимые индуктором в графитовом тигле, нагревают его, поскольку удельное сопротивление графита довольно велико. Если тигель с индуктором помещен в вакуумную камеру, то сталь, плавясь в вакууме, освобождается от кислорода и других растворенных газов. В результате получается очень чистая сталь, не содержащая оксидов. Вакуумная плавка дорогостояща и применяется лишь в тех случаях, когда требуется особо прочная и надежная сталь, например для шасси самолетов. Улучшение механических свойств стали в результате вакуумной плавки связано с отсутствием частиц оксидов, на которых в обычной стали часто зарождаются трещины.

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТОРНЫЙ СПОСОБ

Кислородный конвертер с верхней продувкой представляет собой грушевидный сосуд (с открытой узкой верхней горловиной) диаметром около 6 м и высотой около 10 м, облицованный изнутри магнезиальным (основным) кирпичом. Эта футеровка выдерживает примерно 1500 плавок. Конвертер снабжен боковыми цапфами, закрепленными в опорных кольцах, что позволяет наклонять его. В вертикальном положении конвертера его горловина находится под вытяжным колпаком дымоотводящего камина. Боковое выпускное отверстие, имеющееся с одной стороны, позволяет отделить металл от шлака при сливе. В конвертерном цеху рядом с конвертером обычно имеется загрузочный пролет. Сюда транспортируется в большом ковше жидкий чугун из доменной печи, а в стальных бункерах накапливается металлолом для загрузки. Все это сырье переносится к конвертеру мостовым краном. По другую сторону от конвертера расположен разливочный пролет, где имеются приемный ковш для выплавленной стали и железнодорожные тележки для транспортировки его на разливочную площадку.

Перед началом кислородно-конвертерного процесса конвертер наклоняют в сторону загрузочного пролета и через горловину засыпают металлолом. Затем в конвертер заливают жидкий металл из доменной печи, содержащий около 4,5% углерода и 1,5% кремния. Предварительно металл подвергается десульфуризации в ковше. Конвертер возвращают в вертикальное положение, сверху вводят охлаждаемую водой фурму и включают подачу кислорода. Углерод в чугуне окисляется до CO или CO₂, а кремний – до диоксида SiO₂. По «течке» (загрузочному лотку) добавляется известь для образования шлака с диоксидом кремния. Со шлаком выводится до 90 % кремния, содержащегося в чугуне. Содержание азота в готовой стали сильно понижается благодаря промывающему действию CO. Приблизительно через 25 мин дутье прекращается, конвертер немного наклоняют, отбирают пробу и анализируют ее. При необходимости в корректировке можно снова возвратить конвертер в вертикальное положение и ввести в горловину кислородную фурму. Если же состав и температура расплава соответствуют спецификациям, то конвертер наклоняют в сторону разливочного пролета и через выпускное отверстие сливают сталь.

Кроме кислородно-конвертерного процесса с верхней продувкой, существует кислородно-конвертерный процесс с подачей кислорода в струе топлива через днище конвертера. Фурмы в днище конвертера защищаются одновременной продувкой природного газа. Такой процесс быстрее протекает, он более производителен, чем процесс с верхней продувкой, но менее эффективен в отношении расплавления металлолома. Однако нижнюю продувку можно сочетать с верхней.

Чугун, сталь и железо – черные металлы – имеют огромное значение в народном хозяйстве. Они служат основой индустриализации страны, развития сельского хозяйства и укрепления обороноспособности государства.