Свойства железа: Железо — общая характеристика элемента, химические свойства железа и его соединений

Железо — общая характеристика элемента, химические свойства железа и его соединений

Желе́зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия). Металл средней активности, восстановитель.

Основные степени окисления — +2, +3

Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Химические свойства простого вещества — железа:

Ржавление и горение в кислороде

1)     На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O₂ + 6H₂ O → 4Fe(OH)₃

Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III):

3Fe + 2O₂

→ Fe₃O₄

3Fe+2O₂→(Fe ^IIFe₂^III)O₄   (160 °С)

2)     При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H₂O  –^t°→  Fe₃O₄ + 4H₂­

 

3)     Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

2Fe+3Cl₂→2FeCl₃   (200 °С)

2Fe + 3Br₂  –^t°→  2FeBr₃

Fe + S  –^t°→  FeS (600 °С)

Fe+2S → Fe⁺²(S₂^-1)   (700°С)

4)       В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НСl и Н₂SO₄, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂­ (реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe⁺² постепенно переводится кислородом в Fe⁺³ )

Fe + H₂SO₄(разб. ) → FeSO₄ + H₂­

В концентрированных кислотах–окислителях железо растворяется только при нагревании, оно сразу переходит в катион Fе³⁺:

2Fe + 6H₂SO₄(конц.)  –^t°→  Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂­ + 6H₂O

Fe + 6HNO

3(конц.)  –^t°→  Fe(NO₃)₃ + 3NO₂­ + 3H₂O

(на холоде концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо).

Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди

5)     Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

Fe + CuSO₄ → FeSO₄ + Cu

6)

Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:

Fе + 2NaОН _{(50 %)} + 2Н₂O= Nа₂[Fе(ОН)₄]↓+ Н

2↑

и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.

Техническое железо — сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06-6,67 % С, сталь 0,02-2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Мn, Ni, Сr), что придает сплавам железа технически полезные свойства — твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.

                 Доменный процесс производства чугуна

Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:

а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд — перевод в оксидную руду:

FeS₂→Fe₂O₃   (O₂,800°С, -SO₂)       FeCO₃→Fe₂O₃  (O₂,500-600°С, -CO₂)

б)  сжигание кокса при горячем дутье:

С_(кокс) + O_{2 (воздух)} →СO₂   (600—700°С)   СO₂ + С_(кокс) ⇌ 2СО   (700—1000    °С)

в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно:

Fe₂O₃→(CO) (Fe^IIFe₂^III)O₄→(CO) FeO→(CO) Fe

г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:

Fе_(т)→(C(кокс) 900—1200°С)

Fе_(ж)  (чугун, t _пл 1145°С)

В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe₂С и графит.

                                Производство стали

Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700-2000 °С. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СО₂, SО₂), либо связываются в легко отделяемый шлак — смесь Са₃(РO

4)₂ и СаSiO₃. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

    Получение чистого железа в промышленности — электролиз раствора солей железа, например:

FеСl₂→ Fе↓ + Сl₂↑ (90°С)  (электролиз)

(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).

Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун — в производстве литья и стали, сталь — как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро- и коррозионно-стойкие.

       Оксид железа(II) FеО. Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fе²⁺ O^2-. При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:

4FеО ⇌(Fe^IIFe₂

^III) + Fе (560—700 °С , 900—1000°С)

FеО + 2НС1 _(разб.) = FеС1₂ + Н₂O

FеО + 4НNO_{3 (конц.)} = Fе(NO₃)₃ +NO₂↑  + 2Н₂O

FеО + 4NаОН =2Н₂O + Nа₄FеO_3(красн.)  триоксоферрат(II) (400—500 °С)

FеО + Н₂ =Н₂O + Fе (особо чистое)    (350°С)

FеО + С_(кокс) = Fе + СО  (выше 1000 °С)

FеО + СО = Fе + СO₂    (900°С)

4FеО + 2Н₂O_(влага) + O_{2(воздух)} →4FеО(ОН) (t)

6FеО + O

2 = 2(Fe^IIFe₂^III )O₄      (300—500°С)

Получение в лаборатории: термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:

Fе(ОН)₂ = FеО + Н₂O (150-200 °С)

FеСОз = FеО + СO₂ (490-550 °С)

       Оксид дижелеза (III) – железа(II) (Fe^IIFe₂^III )O₄ . Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe²⁺(Fе³⁺)₂(^O2-)₄. Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (

железный сурик), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe₃O₄ не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:

2(Fe^IIFe₂ ^III )O₄ = 6FеО + O₂   (выше 1538 °С)

(Fe^IIFe₂^III )O₄ + 8НС1 _(разб.) = FеС1

2 + 2FеС1₃ + 4Н₂O

(Fe^IIFe₂^III )O₄ +10НNO_{3 (конц. )} =3Fе(NO₃)₃ + NO₂↑+ 5Н₂O

(Fe^IIFe₂^III )O₄ + O_{2 (воздух)} = 6Fе₂O₃    (450-600°С)

(Fe^IIFe₂^III )O₄ + 4Н₂ = 4Н₂O + 3Fе (особо чистое, 1000 °С)

(Fe^IIFe₂^III )O₄ + СО =ЗFеО + СO₂  (500—800°C)

(Fe^II

Fe₂ ^III )O4 + Fе  ⇌4FеО (900—1000 °С , 560—700 °С)

    Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.

В природе — оксидная руда железа магнетит.

       Оксид железа(III) Fе₂О₃. Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fе ³⁺)₂(O^2-)_3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fе₂O₃ nН₂О. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.

Уравнения важнейших реакций:

6Fе₂O₃ = 4(Fe^IIFe₂^III )O₄ +O₂            (1200—1300 °С)

Fе₂O₃ + 6НС1 _(разб.) →2FеС1₃ + ЗН₂O (t)    (600°С,р)

Fе₂O₃ + 2NaОН _(конц.) →Н₂O+ 2NаFеO₂ (красн. )  диоксоферрат(III)

Fе₂О₃ + МО=(М^IIFе₂^III)O₄     (М=Сu, Мn, Fе, Ni, Zn)

Fе₂O₃ + ЗН₂ =ЗН₂O+ 2Fе (особо чистое, 1050—1100 °С)

Fе₂O₃ + Fе = ЗFеО    (900 °С)

3Fе₂O₃ + СО = 2(Fe^IIFе₂^III)O₄ + СO₂  (400—600 °С)

     Получение в лаборатории — термическое разложение солей железа (III) на воздухе:

Fе₂(SO₄)₃ = Fе₂O₃ + 3SO₃    (500-700 °С)

4{Fе(NO₃)₃ 9 Н₂O} = 2Fе_aO₃ + 12NO₂+ 3O₂ + 36Н₂O   (600-700 °С)

В природе — оксидные руды железа гематит Fе₂O₃ и лимонит Fе₂O₃ nН₂O

Гидроксид железа (II) Fе(ОН)₂. Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fе — ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.

Уравнения важнейших реакций:

Fе(OН)₂ = FеО + Н₂O  (150-200 °С, в атм.N₂)

Fе(ОН)₂ + 2НС1 _(разб.) =FеС1₂ + 2Н₂O

Fе(ОН)₂ + 2NаОН _{(> 50%)} = Nа₂[Fе(ОН)₄] ↓_{(сине-зеленый)} (кипячение)

4Fе(ОН)_{2 (суспензия)} + O_{2 (воздух)} →4FеО(ОН)↓ + 2Н₂O  (t)

2Fе(ОН)_{2 (суспензия)} +Н₂O_{2 (разб.)} = 2FеО(ОН)↓ + 2Н₂O

Fе(ОН)₂ + КNO_{3(конц. )} = FеО(ОН)↓ + NO↑+ КОН   (60 °С)

   Получение: осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:

Fе²⁺ + 2OH _(разб.) = Fе(ОН)₂↓

Fе²⁺ + 2(NH₃Н₂O) = Fе(ОН)₂↓+ 2NH₄

     Метагидроксид железа FеО(ОН). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fе — О и Fе — ОН преимущественно ковалентные. При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fе₂O₃  nН₂O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FеО(ОН). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fе(ОН)₂. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.

Соединение состава Fе(ОН)₃ не известно (не получено).

Уравнения важнейших реакций:

Fе₂O₃^. nН₂O→(200-250 °С, —H₂O) FеО(ОН)→( 560-700° С на воздухе , -h3O) →Fе₂О₃

FеО(ОН) + ЗНС1 _(разб.) =FеС1₃ + 2Н₂O

FeO(OH)→Fe₂O₃^.nH₂O -коллоид (NаОН _(конц.))

FеО(ОН)→Nа₃[Fе(ОН)₆] белый , Nа₅[Fе(OН)₈желтоватый (75 °С, NаОН_{( т)})

2FеО(ОН) + Fе(ОН)₂=( Fe^IIFe₂^III )O₄ + 2Н₂O         (600—1000 °С)

2FеО(ОН) + ЗН₂ = 4Н₂O+ 2Fе (особо чистое, 500—600 °С)

2FеО(ОН) + ЗВr₂ + 10КОН = 2К₂FеO₄ + 6Н₂O + 6КВr

       Получение: осаждение из раствора солей железа(Ш) гидрата Fе₂О₃ nН₂O и его частичное обезвоживание (см. выше).

В природе — оксидная руда железа лимонит Fе₂O₃ nН₂О и минерал гётит FеО(ОН).

Феррат калия К₂FеО₄. Оксосоль. Красно-фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель.

Качественная реакция — образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов — промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.

Уравнения важнейших реакций:

4К₂FеO₄= 4КFеO₂ + 3O₂ + 2К₂O         (700 °С)

4К₂FеO₄ + 6Н₂O _(гор.) =4FeО(ОН)↓ + 8КОН + 3O₂↑

FеО₄^2- + 2OН⁺_(разб.) =4Fе³⁺ + 3O₂↑+10Н₂O

FеО₄^2- + 2(NH₃^. Н₂O)     →2FеО(ОН)↓ + N₂↑+ 2Н₂O+ 4OН^—

FеО₄^2- + Ва²⁺ = ВаFеO₄ (красн.)↓         (в конц. КОН)

   Получение: образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида FеО(ОН), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо

Fе + 2КОН + 2КNO₃ = К₂FеO₄ + 3КNO₂+ H₂O (420 °С)

и электролизе в растворе:

электролиз

Fе + 2КОН _(конц.) + 2Н₂O→ЗН₂↑ + К₂FеO₄ ( электролиз)

(феррат калия образуется на аноде).

      Качественные реакции на ионы Fе²⁺ и Fе³⁺

Обнаружение ионов Fе²⁺ и Fе³⁺в водном растворе проводят с помощью реактивов К₃[Fе(СN)₆] и К₄[Fе(СN)₆] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, КFе^III[Fе^II (СN)₆]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь, или турнбуллева синь:

Fе²⁺ + К⁺ + [Fе(СN)₆]^3- = КFе^III[Fе^II (СN) ₆]↓

Fе³⁺ + К⁺ + [Fе(СN)₆]^4- = КFе^III[Fе^II (СN) ₆]↓

Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:

К₃Fе^III[Fе(СN) ₆]- гексацианоферрат (III) калия

К₄Fе^III[Fе (СN) ₆]- гексацианоферрат (II) калия

КFе^III[Fе^II (СN) ₆]- гексацианоферрат (II) железа  (Ш) калия

Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fе³⁺ является тиоцианат-ион NСS^—, железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:

Fе³⁺ + 6NСS^— = [Fе(NСS)₆]^3-

Этим реактивом (например, в виде соли КNСS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.

 

Железо

Железо
Атомный номер	26
Внешний вид простого вещества	ковкий, вязкий металл серебристо-белого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	55,847 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	126 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	759,1 (7,87) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Ar] 3d6 4s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	117 пм
Радиус иона	(+3e) 64 (+2e) 74 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,83
Электродный потенциал	Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В
Степени окисления	6, 3, 2, 0, −2
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	7,874 г/см³
Молярная теплоёмкость	25,14[1]Дж/(K·моль)
Теплопроводность	80,4 Вт/(м·K)
Температура плавления	1812 K
Теплота плавления	247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль
Температура кипения	3134 K
Теплота испарения	~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль
Молярный объём	7,1 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая объёмноцентрированная
Параметры решётки	2,866 Å
Отношение c/a	—
Температура Дебая	460 K

 

Fe	26
55,847
[Ar]3d64s2
Железо

Железо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, атомный номер 26. Обозначается символом Fe (Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

Простое вещество железо (CAS-номер: 7439-89-6) — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

 

На самом деле железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2 % углерода) и чугун (более 2 % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно встречается в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

История

Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: «сидер» (а на латыни это слово значит «звёздный»).

Изделия из железа, полученного искусственно, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию и острова Средиземного моря (4—3-е тысячелетие до н. э.). Самый древний железный инструмент из известных — стальное долото, найденное в каменной кладке пирамиды Хеопса в Египте (построена около 2550 года до н. э.). Железо часто упоминается в древнейших (3-е тысячелетие до н. э.) текстах хеттов, основавших свою империю на территории современной Анатолии в Турции. Например, в тексте хеттского царя Анитты (около 1800 года до н. э.) говорится:

Когда на город Пурусханду в поход я пошел, человек из города Пурусханды ко мне поклониться пришел (…?) и он мне 1 железный трон и 1 железный скипетр (?) в знак покорности (?) преподнес.

В этом тексте железо обозначается словом «par-zi-lum» (сравните латинское «ferrum» и русское «железо»), что, скорее всего, значит «олово всадников» — от древнеарийских слов «PARSA» или «FERSY» (всадник — сравните этноним «персы», отсюда же шахматная фигура «ферзь», и латинские слова «persona» и «partia»), и корня «ZIL» (олово, и вообще белый металл).

В древности мастерами железных изделий слыли халибы, которых Геродот перечисляет в числе эллинских племён Малой Азии, подвластных Крезу. Халибы жили на севере державы Хеттов, у побережья Чёрного моря возле устья реки Галис (современный г. Самсун в Турции), и от их имени происходит греч. Χάλυβας — «сталь». Аристотель описал их способ получения стали: халибы несколько раз промывали речной песок их страны — видимо, таким способом (теперь это называют флотацией) выделяли тяжёлую железосодержащую фракцию породы, добавляли какое-то огнеупорное вещество, и плавили в печах особой конструкции; полученный таким образом металл имел серебристый цвет и был нержавеющим. Из этого процесса, видимо, возникло и название «руда», которое на латыни значит «мокрый» — то есть, «вымытый».

 

В качестве сырья для выплавки стали использовались магнетитовые пески, которые часто встречаются по всему побережью Чёрного моря: эти магнетитовые пески состоят из смеси мелких зёрен магнетита, титано-магнетита или ильменита, и обломков других пород, так что выплавляемая халибами сталь была легированной, и обладала отличными свойствами. Такой своеобразный способ получения железа не из руды говорит о том, что халибы, в основном, распространили железо как технологический материал, но их способ не мог быть методом повсеместного промышленного производства железных изделий. Однако их производство послужило толчком для дальнейшего развития металлургии железа.

 

Судя по греческому названию инструментальных металлов χαλκός (это слово обозначает и бронзу, и железо), можно понять, что арийские племена нашли способ выделки железа во время перехода в Азию через Кавказ, а именно — в Колхиде (др.-греч. Κολχίς), так как другого удобного сухопутного пути из Европы в Азию не было. Пройдя степи Причерноморья, они оставили многочисленные памятники культуры бронзового века (так называемая «пахотно-скотоводческая культура»), и двинулись дальше — на юг. Конечно же, по пути они искали сырьё для изготовления бронзовых орудий, и так обнаружили свойства причерноморских песков, дающих новый твёрдый металл — железо. Видимо, сперва они приняли его за олово (первые металлурги плохо различали металлы), и это подтверждается также тем, что название «сталь» в языках северных арийцев (романских, германских, славянских) явно происходит от слова «STANN» через аберрацию N-L, а у римлян это слово обозначало олово. То есть, пытаясь найти олово для бронзы, они обнаружили металл, который оказался крепким и без сплавления с медью, и стали называть его по аналогии с оловом. Найденный тогда способ выплавки стальных изделий не позволял получать их в больших количествах, однако использовался более тысячи лет, пока не была разработана технология выплавки железа из руды, добываемой в копях.

 

Климент Александрийский в своём энциклопедическом труде «Строматы» упоминает, что по греческим преданиям железо (видимо, выплавка его из руды) было открыто на горе Иде — так называлась горная цепь возле Трои (в Илиаде она упоминается как гора Ида, с которой Зевс наблюдал за битвой греков с троянцами). Произошло это через 73 года после Девкалионова потопа, а этот потоп, согласно Паросской хронике, был в 1528 году до нашей эры, то есть метод выплавки железа из руды был открыт примерно в 1455 году до н. э. Однако из описания Климента не ясно, говорит ли он именно об этой горе в Передней Азии (Ида Фригийская у Вергилия), или же о горе Ида на острове Крит, о которой римский поэт Вергилий в Энеиде пишет:

 

Остров Юпитера, Крета, лежит средь широкого моря,

Нашего племени там колыбель, где высится Ида …

А римляне, как известно, были потомками малоазиатских троянцев, переселившихся в Италию после разрушения Трои. Могила их предводителя Энея до сих пор существует в местечке Пратика-ди-Маре возле Рима, и в ней был обнаружен железный жезл — символ власти, и другие предметы из железа и бронзы.

Более вероятно, что Климент Александрийский говорит именно о фригийской Иде возле Трои, так как там были найдены древние железные копи и очаги железоделательного производства. Видимо, ознакомившись с методом халибов, древние троянцы развили свой способ выплавки стали из руды, оказавшийся более производительным.

 

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1 : 160 : 1280 : 6400. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие 3,11 описан «одр железный» рефаимского царя Ога. В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до н. э.) был найден кинжал из железа в золотой оправе — возможно, подаренный хеттами в дипломатических целях. Но хетты не стремились к широкому распространению железа и его технологий, что видно и из дошедшей до нас переписки египетского фараона и его тестя — царя Хеттов. Фараон просит прислать побольше железа, а царь хеттов уклончиво отвечает, что запасы железа иссякли, а кузнецы заняты на сельскохозяйственных работах, поэтому он не может выполнить просьбу царственного зятя. Как видно, хетты старались использовать свои знания для достижения военных преимуществ, и не давали другим возможности сравняться с ними. Видимо, поэтому железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны и падения державы хеттов, когда благодаря торговой активности греков технология железа стала известной многим, и были открыты железные месторождения и рудники. Так на смену «Бронзовому» веку настал век «Железный».

 

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл. Например, в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. Это железо ахейцы добывали у троянцев и сопредельных народов (Илиада 7,473), в том числе у халибов, которые воевали на стороне троянцев:

 

Прочие мужи ахейские меной вино покупали,

Те за звенящую медь, за седое железо меняли,

Те за воловые кожи или волов круторогих,

Те за своих полоненых. И пир уготовлен веселый…

Возможно, железо было одной из причин, побудивших греков-ахейцев двинуться в Малую Азию, где они узнали секреты его производства. А раскопки в Афинах показали, что уже около 1100 года до н. э. и позднее уже широко были распространены железные мечи, копья, топоры, и даже железные гвозди. В библейской книге Иисуса Навина 17,16 (ср. Судей 14,4) описывается, что филистимляне (библейские «PILISTIM», а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги) имели множество железных колесниц, то есть, в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.

Гомер в «Илиаде» и «Одиссее» называет железо «многотрудный металл», и описывает закалку орудий:

Расторопный ковач, изготовив топор иль секиру,

В воду металл, раскаливши его, чтоб двойную

Он крепость имел, погружает…

Гомер называет железо многотрудным, потому что в древности основным методом его получения был сыродутный процесс: перемежающиеся слои железной руды и древесного угля прокаливались в специальных печах (горнах — от древнего «Horn» — рог, труба, первоначально это была просто труба, вырытая в земле, обычно горизонтально в склоне оврага). В горне окислы железа восстанавливаются до металла раскалённым углём, который отбирает кислород, окисляясь до окиси углерода, и в результате такого прокаливания руды с углём получалось тестообразное кричное (губчатое) железо. Крицу очищали от шлаков ковкой, выдавливая примеси сильными ударами молота. Первые горны имели сравнительно низкую температуру — заметно меньше температуры плавления чугуна, поэтому железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Чтобы получить крепкую сталь приходилось много раз прокаливать и проковывать железную крицу с углём, при этом поверхностный слой металла дополнительно насыщался углеродом и упрочнялся. И хотя это требовало больших трудов, изделия, полученные таким способом, были существенно более крепкими, чем бронзовые.

В дальнейшем научились делать более эффективные печи (в русском языке — домна, домница) для производства стали, и применили меха для подачи воздуха в горн. Уже римляне умели доводить температуру в печи до плавления стали (около 1400 градусов, а чистое железо плавится при 1535 градусах). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100—1200 градусов, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке), и не обладающий упругостью стали. Первоначально его считали вредным побочным продуктом (англ. pig iron, по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилось, что при повторном прожигании в печи с усиленным продуванием воздуха чугун превращается в сталь хорошего качества, так как лишний углерод выгорает. Такой двухстадийный процесс производства стали из чугуна оказался более простым и выгодным, чем кричный, и этот принцип используется без особых изменений многие века, оставаясь и до наших дней основным способом производства железных материалов.

Происхождение названия

Схема атома железа (условно)

Версии происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза, болг. желязо, укр. залізо, польск. Żelazo, словен. Železo).

 

Наиболее вероятно, что это название происходит от древнеарийского корня «ZIL», которым обозначали олово и вообще белые металлы (в том числе серебро — «zilber», и название «цинк» получилось из этого же слова аберрацией L-N). От него же, видимо, происходит и санскритское «жальжа», что означает «металл, руда». Другая версия усматривает в слове славянский корень «лез», тот же, что и в слове «лезвие» (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия), третье связывает с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь. Есть также связь между словом «желе» и студнеобразной консистенцией «болотной руды», из которой некоторое время добывался металл.

 

Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от sidereus — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Изотопы железа

Изотоп железа ⁵⁶Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд, а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых.

Геохимия железа

Гидротермальный источник с железистой водой. Окислы железа окрашивают воду в бурый цвет

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %.

Геохимические свойства железа

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe₂O₃ характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe²⁺ близок к ионам Mg²⁺ и Ca²⁺ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe₂O₃; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe₂O₄, Fe₃O₄; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH₂O), а также шпатовый железняк (сидерит, карбонат железа(II), FeCO₃; содержит около 48 % Fe). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe(₃PO₄)₂·8H₂O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа — пирит FeS₂ (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. Содержание железа в морской воде — 1×10⁻⁵—1×10⁻⁸ %.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод кокса окисляется до монооксида углерода (угарного газа) кислородом воздуха:

2C + O₂ → 2CO↑.

В свою очередь, угарный газ восстанавливает железо из руды:

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂↑.

Флюс добавляется для извлечения нежелательных примесей из руды, в первую очередь силикатов, таких как кварц (диоксид кремния). Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Против других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса: карбонат кальция под действием тепла разлагается до оксида кальция (негашёная известь):

CaCO₃ → CaO + CO₂↑.

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак:

CaO + SiO₂ → CaSiO₃.

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности, и его можно сливать отдельно от металла. Шлак затем употребляется в строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишний углерод и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используют и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, содержащими водород. Водород легко восстанавливает железо, при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор — обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Физические свойства

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические модификации:

Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу^[4], и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

• От абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в α-железе называется ферритом.

• От 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

• От 910 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в δ-железе (также как и в α-железе) называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо — углерод).

• В области высоких давлений (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.

Химические свойства

Основные степени окисления железа — +2 и +3.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe₂O₃·xH₂O.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₃O₄, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe₂O₃. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200—300 °C. При хлорировании железа (при температуре около 200 °C) образуется летучий FeCl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeCl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа(II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η⁵-C₅H₅)₂Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная плёнка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl → FeCl₂ + H₂↑;

Fe + H₂SO₄ → FeSO₄ + H₂↑.

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа(III):

2Fe + 6H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂↑ + 6H₂O.

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)₂. Оксид железа(III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)₂, основание Fe(OH)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O.

Гидроксид железа(III) Fe(OH)₃ проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(OH)₃ + 3КОН → K₃[Fe(OH)₆].

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)₃.

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ → 3FeCl₂.

При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) до железа(III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O → 4Fe(OH)Cl₂.

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂O.

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ — железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ — железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) образуются соединения железа(VI) — ферраты, например, феррат(VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа(VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами SCN^—. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами SCN^— образуется ярко-красный роданид железа Fe(SCN)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K₄[Fe(CN)₆] (жёлтой кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]⁴⁻ выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури:

4K₄[Fe(CN)₆] + 4Fe³⁺ → 4KFe^III[Fe^II(CN)₆]↓ + 12K⁺.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K₃[Fe(CN)₆] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe²⁺ и [Fe(CN)₆]³⁻ выпадает осадок турнбулевой сини:

3K₃[Fe(CN)₆] + 3Fe²⁺ → 3KFe^II[Fe^III(CN)₆]↓ + 6K⁺.

Интересно, что берлинская лазурь и турнбулева синь — две формы одного и того же вещества, так как в растворе устанавливается равновесие:

KFe^III[Fe^II(CN)₆] ↔ KFe^II[Fe^III(CN)₆].

Применение

Железная руда

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

• Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.

  Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.

  Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.

  Ультрадисперсный порошок магнетита используется в черно-белых лазерных принтерах в качестве тонера.

  Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.

  Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.

  Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.

  Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.

Биологическое значение железа

 

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 75 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

 

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

 

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК.

 

Неорганические соединения железа встречается в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

 

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа — был потерян «лишний» ноль после запятой).

 

Суточная потребность человека в железе следующая: дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности — 33 мг. У женщин потребность несколько выше, чем у мужчин. Как правило, железа, поступающего с пищей, вполне достаточно, но в некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс).

 

Содержание железа в воде больше 1—2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

 

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

 

Соединения железа

Оксиды железа

Гидроксиды железа

Железнение

Железо самородное

Химические свойства железа

Железо

Железо проявляет умеренную химическую активность. Оно горит в атмосфере кислорода, образуя оксид Fe₂O₃. В мелкораздробленном состоянии металл пирофорен, т.е. способен самовозгораться на воздухе. Тонкий порошок железа можно получить при термическом разложении оксалата железа в атмосфере водорода.

Железо проявляет умеренную химическую активность. Оно горит в атмосфере кислорода, образуя оксид Fe₂O₃. В мелкораздробленном состоянии металл пирофорен, т.е. способен самовозгораться на воздухе. Тонкий порошок железа можно получить при термическом разложении оксалата железа в атмосфере водорода.

При хранении на воздухе при температуре до 200°C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe₂O₃.

Железо реагирует с расплавленной серой, образуя сульфид, активно взаимодействует с хлором, бромом и иодом с образованием трихлорида, трибромида и дииодида. С фтором железо реагирует слабо из-за образования на поверхности плотной мало летучей пленки трифторида. При температурах более 500° С металл обратимо взаимодействует с углеродом:

3Fe + C Fe₃C

Карбид железа такого состава называют цементитом. Он содержится в чугунах и сталях.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂О₃, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe₃О₄. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe3N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi. При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C₅H₅)₂].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность. С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Под действием атмосферной влаги и воздуха железо коррозирует (ржавеет):

4Fe + 2H₂O + 3O₂ = 4FeO(OH)

За счет коррозии ежегодно теряется до 10% всего производимого железа.

Очень чистое железо, содержащее менее 0,01% примесей серы, углерода и фосфора, устойчиво к коррозии. Близ г. Дели в Индии стоит железная колонна, поставленная еще в 9 в. до н.э., на которой нет никаких признаков ржавчины. Она сделана из очень чистого металла с содержанием железа 99,72%. Не последнюю роль в коррозионной устойчивости материала знаменитой колонны могут играть климатические особенности этой местности.

Металлическое железо взаимодействует при нагревании с концентрированными (более 30%) растворами щелочей, образуя гидроксокомплексы. Под действием сильных окислителей при нагревании железо может образовывать соединения в степени окисления (+VI) – ферраты:

Fe + 2KNO₃ = K₂FeO₄ + 2NO

Для железа известны оксиды и гидроксиды в степенях окисления (II) и (III).

Железо образует простые соли почти со всеми анионами. Растворимы в воде нитраты, сульфаты, галогениды (кроме фторидов), ацетаты и др. Катион железа(II) может быть окислен многими окислителями до катиона железа(III). Растворы солей железа(II) и его твердые соли постепенно окисляются даже просто при хранении на воздухе:

4FeCO₃ + 2H₂O + O2 = 4FeO(OH) + 2CO₂

4FeS + 6H₂O + O₂ = 4FeO(OH) + 4H₂S

Наиболее устойчивой твердой солью железа(II) является гексагидрат сульфата железа(II)-аммония (Nh5)2Fe(SO₄)2.6H₂O (соль Мора).

При нагревании сульфаты, нитраты, карбонаты и оксалаты железа разлагаются. При этом железо(II) обычно окисляется до железа(III), например:

2FeSO₄ = Fe₂O₃ + SO₃ + SO₂

Соли железа(III) подвергаются сильному гидролизу.

Железо. Информация о металле. Физические и химические свойства, Нахождение в природе

Fe              26 Железо  55.847(3)           3s23p33s64s2 История открытия и применения железа 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) FезО4 (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 (Fe, Ferrum) — влияние на организм, польза и вред, описание

История железа

Уже в IV тысячелетии до н.э. человечество владело изделиями из железа. Цивилизации древнего Шумера и Древнего Египта знали сплав железа и никеля (метеоритное железо, которое не добывали, а находили на поверхности земли). Именно из такого металла изготовлены известные украшения, найденные в египетских гробницах, а также кинжал правителя шумерского города Уда.

Получать железо путём выплавления его из железных руд научились намного позже, во время переселения арийцев в Азию. Способы получения железа были разнообразными, чаще всего руда прокаливалась с веществами, содержащими углерод, в результате чего получалась пластичная масса, из которой можно было изготовить изделия, а затем охладить их в ледяной воде до небывалой твёрдости.

В древние времена изделия из железа часто покрывались солидным слоем золота, ведь железо ценилось намного дороже, чем мягкое золото.

Общая характеристика железа

Железо (Fe) является вторым по распространённости в земной коре металлов, это элемент VII группы IV периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева. Имеет атомный номер 26.

Нахождение в природе

Железо занимает 4-е место среди всех химических элементов по распространению в земной коре (среди металлов уступает только алюминию). Металл распространён в большом количестве руд и минералов, в основных породах, морской воде.

На геологической карте мира основные запасы железной руды отмечены в Бразилии, США, Канаде, Австралии, Индии, Украине, России.

Физические и химические свойства

Железо – пластичный металл серо-серебристого цвета, обладает свойствами магнита, чтобы повысить его твёрдость, необходимы примеси (как правило – углерод). Подвержен процессам коррозии и ржавчины.

Продукты питания богатые железом

Железо – необходимый организму микроэлемент, для его получения необходимо вводить в рацион следующие продукты: говяжьи печень и почки, гречку, фисташки, арахис, шпинат, кизил, телятину, консервированный зелёный горошек, сушеные белые грибы, толокно, куриные яйца, тыкву, свеклу, яблоки, айву, груши, персики, абрикосы, морепродукты…

Полезные свойства железа и его влияние на организм

Железо играет важную роль в процессе образования гемоглобина в крови, имеет свойства защищать организм от бактерий (без него невозможно образование иммунитета), принимает участие в синтезе гормонов щитовидной железы (calorizator). Для того, чтобы поступающие в организм витамины группы В работали в полную силу, также необходимо присутствие железа.

Взаимодействие с другими

Медь, кобальт, марганец и витамин С необходимы для усвоения железа. Железо необходимо для правильного метаболизма витаминов группы В. Железо способствует росту, увеличивает сопротивляемость заболеваниям, предупреждает усталость.

О суточной потребности организма в железе, о том, как влияет дефицит железа на организм человека и о его влиянии на стройность, читайте в статье «Роль железа в нашем организме».

Автор: Виктория Н. (специально для Calorizator.ru)
Копирование данной статьи целиком или частично запрещено.

Плотность железа, удельная теплоемкость, теплопроводность: таблица свойств

В таблице приведена плотность железа d, а также значения его удельной теплоемкости C_p, температуропроводности a, коэффициента теплопроводности λ, удельного электрического сопротивления ρ, функции Лоренца L/L₀ при различных температурах — в диапазоне от 100 до 2000 К.

Свойства железа существенно зависят от температуры: при нагревании этого металла его плотность, теплопроводность и температуропроводность уменьшаются, а значение удельной теплоемкости железа растет.

Плотность железа равна 7870 кг/м³ при комнатной температуре. При нагревании железа его плотность снижается. Поскольку железо является основным элементом в составе стали, то плотность железа определяет и значение плотности стали. Зависимость плотности железа от температуры слабая — при его нагревании плотность металла снижается и принимает минимальное значение 7040 кг/м³ при температуре плавления, равной 1810 К или 1537°С.

Удельная теплоемкость железа, по данным таблицы, имеет значение 450 Дж/(кг·град) при температуре 27°С. В зависимости от структуры удельная теплоемкость твердого железа при увеличении температуры изменяется по-разному. По значениям в таблице видны характерный максимум теплоемкости железа вблизи T_c и скачки при структурных переходах и при плавлении.

В расплавленном состоянии свойства железа претерпевают изменения. Так, плотность жидкого железа уменьшается и становиться равной 7040 кг/м³. Удельная теплоемкость железа в расплавленном состоянии имеет величину 835 Дж/(кг·град), а теплопроводность железа снижается до значения 39 Вт/(м·град). При этом удельное электрическое сопротивление этого металла увеличивается и при 2000 К принимает значение 138·10^-8 Ом·м.

Теплопроводность железа при комнатной температуре равна 80 Вт/(м·град). С ростом температуры теплопроводность железа снижается — она имеет отрицательный температурный коэффициент в области температуры 100-1042 К, а затем начинает слабо расти. Минимальное значение теплопроводности железа составляет 25,4 Вт/(м·град) вблизи точки Кюри. При β-γ переходе наблюдается слабое изменение теплопроводности, которое также имеет место и при γ-δ переходе.

Теплопроводность железа резко падает по мере увеличения количества примесей, особенно кремния и серы. Наивысшей теплопроводностью обладает очень чистое электролитическое железо — его теплопроводность при 27°С равна 95 Вт/(м·град).

Зависимость коэффициента теплопроводности железа от температуры также определяется степенью чистоты этого металла. Чем железо чище, тем выше его теплопроводность и тем больше по абсолютной величине она снижается с повышением температуры.

Источники:

1. В.Е. Зиновьев. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах.
2. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967.

ICSC 1577 — ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)

ICSC 1577 — ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)

ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)	ICSC: 1577
	Октябрь 2004

CAS #: 1309-37-1
UN #: см. Примечания
EINECS #: 215-168-2

	ОСОБЫЕ ОПАСНОСТИ	ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРЫ	ТУШЕНИЕ ПОЖАРА
ПОЖАР И ВЗРЫВ	Не горючее.		В случае возникновения пожара в рабочей зоне, использовать надлежащие средства пожаротушения.

	СИМПТОМЫ	ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРЫ	ПЕРВАЯ ПОМОЩЬ
Вдыхание	Кашель.	Избегать вдыхания пыли.	Свежий воздух, покой.
Кожа
Глаза	Покраснение.	Использовать защитные очки.	Прежде всего промыть большим количеством воды в течение нескольких минут (снять контактные линзы, если это возможно сделать без затруднений), затем обратится за медицинской помощью.
Проглатывание		Не принимать пищу, напитки и не курить во время работы.

ЛИКВИДАЦИЯ УТЕЧЕК	КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА
Индивидуальная защита: Респиратор с сажевым фильтром, подходящий для концентрации вещества в воздухе. Смести просыпанное вещество в закрытые контейнеры.	Согласно критериям СГС ООН   Транспортировка Классификация ООН
ХРАНЕНИЕ
УПАКОВКА

Исходная информация на английском языке подготовлена группой международных экспертов, работающих от имени МОТ и ВОЗ при финансовой поддержке Европейского Союза. © МОТ и ВОЗ 2018

ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)

ICSC: 1577

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Агрегатное Состояние; Внешний Вид КРАСНОВАТЫЙ ОТ КОРИЧНЕВОГО ДО ЧЕРНОГО ЦВЕТА КРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ИЛИ ПОРОШОК.  Физические опасности   Химические опасности Реагирует с монооксидом углерода. Приводит к появлению опасности взрыва.	Формула: Fe2O3 Молекулярная масса: 159.7 Температура плавления: 1565°C Плотность: 5.24 g/cm³ Растворимость в воде: не растворяется

ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОРГАНИЗМ И ЭФФЕКТЫ ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ
Пути воздействия   Эффекты от кратковременного воздействия Может вызывать механическое раздражение.	Риск вдыхания Концентрация частиц в воздухе, вызывающая неприятные ощущения, может быть достигнута быстро при распылении, особенно в порошкообразном состоянии.  Эффекты от длительного или повторяющегося воздействия Повторяющееся или продолжительное вдыхание частиц пыли может оказать воздействие на легкие. Может привести к доброкачественному состоянию сидероза.

Предельно-допустимые концентрации
TLV: (как Fe): (вдыхаемая фракция): 5 mg/m3, как TWA; A4 (не классифицируется как канцероген для человека). MAK: канцерогенная категория: 3B

ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА

ПРИМЕЧАНИЯ
There is a UN number associated with ferric oxide but this relates to iron oxide, spent, or iron sponge, spent obtained from coal gas purification which is spontaneously combustible.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Классификация ЕС

(ru)	Ни МОТ, ни ВОЗ, ни Европейский Союз не несут ответственности за качество и точность перевода или за возможное использование данной информации. © Версия на русском языке, 2018

Iron — Информация об элементе, свойства и использование

Расшифровка:

Химия в ее стихии: железо

(Promo)

Вы слушаете Химию в ее стихии, представленную вам Chemistry World , журналом Королевского химического общества.

(Конец промо)

Крис Смит

Здравствуйте, на этой неделе мы обратимся к одному из самых важных элементов человеческого тела.Это тот, который делает возможным метаболизм, и мы просто не знаем об этом. Есть вызовы железного человека, лидеры с железными кулаками и те, у кого в душе есть железо. Но у элемента номер 26 есть и темная сторона, потому что его мощный химический состав означает, что это также плохие новости для клеток мозга, как объясняет лауреат Нобелевской премии Кэри Маллис

Кэри Маллис

Для человеческого мозга железо важно, но смертельно опасно. Он существует на Земле в основном в двух степенях окисления — FeII и FeIII.FeIII преобладает в пределах нескольких метров от атмосферы, которая около двух миллиардов лет назад превратила 20% кислорода, окисляя это железо до состояния плюс три, которое практически нерастворимо в воде. Это изменение относительно обильного и растворимого FeII потребовало тяжелого труда почти для всего живого в то время.

Выжившие наземные и обитающие в океане микробы выработали растворимые молекулы сидерофоров, чтобы восстановить доступ к этому многочисленному, но в остальном недоступному важному ресурсу, который использовал хелатирующие группы гидроксамата или катехола для возвращения FeIII в раствор.Со временем появились высшие организмы, включая животных. Животные использовали энергию рекомбинации кислорода с углеводородами и углеводами в растительной жизни, чтобы обеспечить движение. Железо было неотъемлемой частью этого процесса.

Но ни одно животное, однако, не смогло адекватно справиться в долгосрочной перспективе, то есть восьмидесятилетней продолжительности жизни, с тем фактом, что железо необходимо для преобразования солнечной энергии в движение, но практически не растворяется в воде при нейтральной pH и, что еще хуже, токсичен.

Углерод, сера, азот. кальций, магний, натрий и, возможно, десять других элементов также участвуют в жизни, но ни один из них не обладает способностью железа перемещать электроны, и ни один из них не способен полностью разрушить всю систему. Железо делает. Системы эволюционировали, чтобы поддерживать железо в определенных полезных и безопасных конфигурациях — ферменты, которые используют его каталитические свойства, или трансферрины и гемосидерины, которые перемещают его и хранят. Но они не идеальны. Иногда атомы железа неуместны, и нет известных систем для повторного улавливания железа, осажденного внутри клетки.

В некоторых тканях клетки, перегруженные железом, могут быть переработаны или уничтожены, но это не работает с нейронами.

Нейроны за время своего существования порождают тысячи процессов, стремясь сформировать сети соединений с другими нейронами. В процессе развития мозга взрослого человека большой процент клеток полностью удаляется, и добавляются новые. Это процесс обучения. Но как только какая-то область мозга заработает, уже ничего нельзя будет сделать биологически, если по какой-либо причине перестает работать большое количество ее клеток.

Причиной этого, вероятно, является медленная ползучесть осаждения железа на протяжении многих десятилетий. В менее сложных тканях, таких как печень, могут активироваться новые стволовые клетки, но в мозгу необходимы обученные, структурно сложные, взаимосвязанные нейроны с тысячами проекций, которые накапливаются за время обучения. Таким образом, результатом является медленно прогрессирующее нейродегенеративное заболевание, такое как болезни Паркинсона и Альцгеймера.

Тот же самый основной механизм может привести к множеству заболеваний.Есть двадцать или тридцать белков, которые связаны с железом в мозгу — удерживают железо и передают его с места на место. Каждый новый человек, наделенный новым набором хромосом, наделен новым набором этих белков. Некоторые комбинации будут лучше, чем другие, а некоторые будут опасны по отдельности и в совокупности.

Мутация в гене, который кодирует один из этих белков, может нарушить его функцию, что приведет к потере атомов железа. Эти атомы, которые были потеряны из химических групп, которые их удерживают, не всегда будут безопасно возвращены в какую-либо структуру, такую ​​как трансферрин или гемоферритин.Некоторые из них вступят в реакцию с водой и исчезнут навсегда. Только они не совсем заблудились. Они накапливаются в несчастливых типах клеток, которые были назначенными местами для экспрессии белков с наибольшей утечкой железа. И оксиды железа не просто занимают критическое место. Железо очень реактивно. Печально известные «реактивные формы кислорода», которые, как подозревают, вызывают столько возрастных заболеваний, могут возникать только из-за различных форм железа.

Пришло время специалистам в области химии, разбирающимся в химии железа, обратить внимание на нейродегенеративные заболевания.

Крис Смит

Кэри Маллис рассказывает историю железа, элемента, без которого мы не можем обойтись, но который в то же время может держать ключ к нашему неврологическому падению. В следующий раз на «Химии в ее элементе» Джонни Болл расскажет историю Марии Кюри и элемента, который она обнаружила и затем назвала в честь ее родины.

Джонни Болл

Пичбленда, урансодержащая руда, казалась слишком радиоактивной, чем можно было объяснить ураном.Они просеивали и сортировали вручную унцию за унцией через тонны урана в проветриваемом морозильном сарае, прежде чем в конечном итоге были обнаружены крошечные количества полония.

Крис Смит

Так что будьте радиоактивными или, по крайней мере, будьте активны в подкастах и ​​присоединяйтесь к нам, чтобы узнать загадочную историю о полонии в программе «Химия в его элементе» на следующей неделе. Я Крис Смит, спасибо за внимание, увидимся в следующий раз.

(промо)

(конец промо)

типов чугуна | Ресурсы для литья металлов

Посмотреть эту страницу en français

Универсальный металл, чугун имеет множество уникальных применений в коммерческом и промышленном мире

Чугун обладает отличной литейной способностью благодаря сочетанию высокого содержания углерода и кремния.

Появление железа в повседневной жизни началось примерно с 1200 г. до н.э., и оно охватывает широкий спектр применений — от сельскохозяйственных орудий до оружия войны. Кузнецы стали важной профессией, работая с железом, чтобы изменить его свойства и превратить материал в инструменты. В каждой деревне и городе была кузница, где производились серпы, лемехи, гвозди, мечи, подсвечники и многое другое.

Открытие ценности железа привело к тому, что стало известно как железный век из-за преобладания этого материала в социальных и военных приложениях.За этим последовала еще одна веха для металлов — промышленная революция изменила способ производства металлов и их переработки в продукты, в том числе железо.

Виды железа

Производится два основных типа чугуна: кованое и чугунное. Среди них чугун включает в себя собственное семейство металлов.

Кованое железо

Кованое железо было первым типом железа, которое производили и обрабатывали кузнецы. Это практически чистое элементарное железо (Fe), которое нагревают в печи перед обработкой (обработкой) молотками на наковальне.Ударное железо удаляет большую часть шлака из материала и сваривает частицы железа вместе.

Во время промышленной революции и связанного с ней ускорения строительства было обнаружено новое применение кованого железа. Его высокая прочность на растяжение (сопротивление разрыву при растяжении) делала его идеальным для использования в балках в крупных строительных проектах, таких как мосты и высотные здания. Однако от использования кованого железа для этой цели в значительной степени отказались в начале 20-го века, когда были разработаны стальные изделия с превосходными характеристиками по сравнению с железом для строительных приложений.

Кованое железо прославилось декоративными элементами. В церквях 15 и 16 веков есть прекрасные изделия из кованого железа, изготовленные искусными мастерами. В современном мире перила, двери и скамейки по-прежнему изготавливаются из кованого железа на заказ.

Чугун

Чугун получают путем выплавки железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 2%. После плавки металл разливают в форму. Основное различие в производстве кованого и чугунного железа заключается в том, что чугун не обрабатывается молотками и инструментами.Имеются также различия в составе — чугун содержит 2–4% углерода и других сплавов и 1–3% кремния, что улучшает литейные характеристики расплавленного металла. Также могут присутствовать небольшие количества марганца и некоторых примесей, таких как сера и фосфор. Различия между кованым и чугунным чугуном также можно найти в деталях химической структуры и физических свойств.

Хотя и сталь, и чугун содержат следы углерода и выглядят одинаково, между этими двумя металлами есть существенные различия.Сталь содержит менее 2% углерода, что позволяет конечному продукту затвердеть в виде единой микрокристаллической структуры. Более высокое содержание углерода в чугуне означает, что он затвердевает как гетерогенный сплав и, следовательно, имеет более одной микрокристаллической структуры, присутствующей в материале.

Комбинация высокого содержания углерода и кремния придает чугуну отличную литейную способность. Различные типы чугунов производятся с использованием различных методов термообработки и обработки, включая серый чугун, белый чугун, ковкий чугун, высокопрочный чугун и чугун с компактным графитом.

Детали конструкции из чугуна изготавливаются путем плавки металла и заливки его в форму.

Серый чугун

Серый чугун характеризуется чешуйчатой ​​формой молекул графита в металле. Когда металл раскалывается, излом происходит вдоль чешуек графита, что придает ему серый цвет на поверхности изломанного металла. Название «серый чугун» происходит от этой характеристики.

Можно контролировать размер и матричную структуру чешуек графита во время производства, регулируя скорость охлаждения и состав.Серый чугун не такой пластичный, как другие формы чугуна, и его предел прочности на разрыв также ниже. Однако это лучший проводник тепла и более высокий уровень гашения вибрации. Его демпфирующая способность в 20–25 раз выше, чем у стали, и превосходит все другие чугуны. Серый чугун также легче обрабатывать, чем другие чугуны, а его износостойкость делает его одним из самых объемных чугунных изделий.

Наши изделия в стиле хардскейп изготавливаются из серого чугуна. Демпфирование вибрации и износостойкость — свойства, которые делают этот материал подходящим для многих уличных применений.Необработанный серый чугун также образует патину, которая защищает его от разрушительной коррозии даже на открытом воздухе.

Белый утюг

При правильном содержании углерода и высокой скорости охлаждения атомы углерода соединяются с железом с образованием карбида железа. Это означает, что в затвердевшем материале практически нет свободных молекул графита. Когда белое железо разрезают, изломанная поверхность кажется белой из-за отсутствия графита. Микрокристаллическая структура цементита твердая и хрупкая, с высокой прочностью на сжатие и хорошей износостойкостью.В некоторых специализированных приложениях желательно иметь белое железо на поверхности продукта. Этого можно достичь, используя хороший проводник тепла для изготовления части формы. Это будет быстро выводить тепло из расплавленного металла из этой конкретной области, в то время как остальная часть отливки охлаждается медленнее.

Одна из самых популярных марок белого чугуна — Ni-Hard Iron. Добавление хрома и никелевых сплавов придает этому продукту превосходные свойства для применения с низким уровнем ударного износа и истирания при скольжении.

Белый чугун и низкотвердый чугун подпадают под классификацию сплавов, называемую ASTM A532; «Стандартные технические условия на износостойкие чугуны».

Ковкий чугун

Белый чугун может быть дополнительно переработан в ковкий чугун с помощью процесса термической обработки. Расширенная программа нагрева и охлаждения приводит к разрушению молекул карбида железа с высвобождением свободных молекул графита в железо. При различной скорости охлаждения и добавлении сплавов получается ковкий чугун с микрокристаллической структурой.

Ковкий чугун (чугун с шаровидным графитом)

Ковкий чугун, или чугун с шаровидным графитом, приобретает свои особые свойства за счет добавления в сплав магния. Присутствие магния приводит к тому, что графит имеет сфероидальную форму, в отличие от хлопьев серого чугуна. Контроль состава очень важен в производственном процессе. Небольшие количества примесей, таких как сера и кислород, вступают в реакцию с магнием, влияя на форму молекул графита. Различные марки ковкого чугуна получают путем манипулирования микрокристаллической структурой вокруг графитового сфероида.Это достигается за счет процесса литья или термообработки на последующем этапе обработки.

Поскольку ковкий чугун деформируется при ударе, а не раскалывается на осколки, мы используем этот материал для изготовления наших чугунных боллардов. Ударный профиль из ковкого чугуна делает его хорошим чугуном для блокираторов при движении транспортных средств.

Чугун с компактным графитом

Чугун с компактным графитом имеет структуру графита и связанные с ним свойства, которые представляют собой смесь серого и белого железа.Микрокристаллическая структура образуется вокруг тупых чешуек графита, которые соединены между собой. Сплав, такой как титан, используется для подавления образования сфероидального графита. Чугун с компактным графитом имеет более высокий предел прочности на разрыв и улучшенную пластичность по сравнению с серым чугуном. Микрокристаллическую структуру и свойства можно регулировать путем термообработки или добавления других сплавов.

Краткое изложение составов чугуна

Таблица, разработанная в «Руководстве инженера», показывает различные диапазоны составов для различных типов чугуна:

Диапазон составов для типичных нелегированных чугунов
Значения в процентах (%)
Тип чугуна
Углерод
Кремний
Марганец
Сера
Фосфор

Серый

2.5 — 4,0

1,0 — 3,0

0,2 ​​- 1,0

0,02 — 0,25

0,02 — 1,0

Пластичный

3,0 — 4,0

1,8 — 2,8

0,1 — 1,0

0,01 — 0,03

0,01 — 0,1

Графит уплотненный

2,5 — 4,0

1,0 — 3,0

0,2 ​​- 1,0

0,01 — 0,03

0,01 — 0,1

Гибкий (белый литой)

2.0–2,9

0,9 — 1,9

0,15 — 1,2

0,02 — 0,2

0,02 — 0,2

Белый

1,8 — 3,6

0,5 — 1,9

0,25 — 0,8

0,06 — 0,2

0,06 — 0,2

Механические свойства чугуна

Механические свойства материала показывают, как он реагирует на определенные нагрузки, что помогает определить его пригодность для различных применений. Спецификации устанавливаются такими организациями, как Американское общество испытаний и материалов (ASTM), чтобы пользователи могли приобретать материалы с уверенностью, что они соответствуют требованиям для своего приложения.Наиболее часто используемая спецификация серого чугуна — ASTM A48.

Для того, чтобы квалифицировать литые изделия в соответствии с их спецификациями, стандартной практикой является отливка испытательного стержня вместе с инженерными отливками. Затем испытания ASTM применяются к этому испытательному стержню, и результаты используются для оценки всей партии отливок.

Технические характеристики также важны при сварке вместе чугунных деталей. Сварной шов должен соответствовать или превосходить механические свойства свариваемого материала — в противном случае могут возникнуть трещины и разрушения.

При сварке очень важно, чтобы сварной шов соответствовал или превосходил механические свойства материала, чтобы предотвратить трещины и разрушения.

Некоторые общие механические свойства чугуна включают:

• Твердость — устойчивость материала к истиранию и вдавливанию
• Прочность — способность материала поглощать энергию
• Пластичность — способность материала деформироваться без разрушения
• Эластичность — способность материала возвращаться к своим первоначальным размерам после деформации
• Ковкость — способность материала деформироваться при сжатии без разрыва
• Прочность на растяжение — наибольшее продольное напряжение, которое материал может выдержать без разрыва
• Усталостная прочность — максимальное напряжение, которое материал может выдержать в течение заданного количества циклов без разрушения

В этой таблице приведены некоторые ключевые механические свойства различных марок чугуна.Для получения дополнительной информации см. «Железные сплавы», отличный справочный документ Американского литейного общества.

Твердость по Бринеллю
Прочность на разрыв
Модуль упругости
% Относительное удлинение (в 50 мм)

Класс серого чугуна 25

187

29,9 тысяч фунтов / кв. Дюйм

16,1 Msi

–

Класс серого чугуна 40

235

41,9 тысяч фунтов / кв. Дюйм

18,2 Msi

–

Высокопрочный чугун 60-40-18

130–170

60 тысяч фунтов / кв. Дюйм

24.5 MSI

–

Высокопрочный чугун марки 129-90-02

240–300

120 тысяч фунтов / кв. Дюйм

25,5 Msi

–

Класс CGI 250

179 макс.

36,2 тыс. Фунтов / кв. Дюйм мин.

3

Класс CGI 450

207–269

65,2 тыс. Фунтов / кв. Дюйм мин.

1

Общие области применения чугуна

Благодаря различным свойствам чугуна разных типов каждый из них подходит для конкретных применений.

Применение серого чугуна

Одной из ключевых характеристик серого чугуна является его способность противостоять износу даже при ограниченном подаче смазки (например, верхние стенки цилиндров в блоках цилиндров). Серый чугун используется для изготовления блоков цилиндров и головок цилиндров, коллекторов, газовых горелок, заготовок редукторов, кожухов и корпусов.

Аппликации для белого железа

Процесс охлаждения, используемый для изготовления белого чугуна, приводит к получению хрупкого материала, очень устойчивого к износу и истиранию.По этой причине он используется для изготовления футеровки мельниц, сопел для дробеструйной обработки, железнодорожных тормозных колодок, корпусов шламовых насосов, валков прокатных станов и дробилок.

Твердый никель

специально используется для изготовления лопастей смесителей, шнеков и штампов, футеровок для шаровых мельниц, желобов для угля и направляющих для волочения проволоки.

Устойчивый к истиранию белый чугун используется для производства различных деталей машин, например, корпусов шламовых насосов.

Применение высокопрочного чугуна

Сам ковкий чугун можно разделить на различные марки, каждая со своими характеристиками и наиболее подходящими областями применения.Его легко обрабатывать, он обладает хорошей усталостью и пределом текучести, при этом он износостойкий. Однако его самая известная особенность — пластичность. Ковкий чугун можно использовать для изготовления поворотных кулаков, лемехов плуга, коленчатых валов, зубчатых передач для тяжелых условий эксплуатации, компонентов подвески автомобилей и грузовиков, гидравлических компонентов и дверных петель автомобилей.

Применение ковкого чугуна

Различные марки ковкого чугуна соответствуют разным микрокристаллическим структурам. Конкретными характеристиками, которые делают ковкий чугун привлекательным, являются его способность удерживать и накапливать смазочные материалы, неабразивные частицы износа и пористая поверхность, которая улавливает другие абразивные частицы.Ковкий чугун используется для изготовления тяжелых опорных поверхностей, цепей, звездочек, шатунов, компонентов трансмиссии и осей, железнодорожного подвижного состава, а также сельскохозяйственной и строительной техники.

Ковкий чугун используется для тяжелых опорных поверхностей, таких как детали трансмиссии и оси.

Применение чугуна с компактным графитом

Чугун с компактным графитом начинает получать известность в коммерческих приложениях. Сочетание свойств серого и белого чугуна создает продукт с высокой прочностью и высокой теплопроводностью, подходящий для блоков и рам дизельных двигателей, гильз цилиндров, тормозных дисков для поездов, выпускных коллекторов и пластин шестерен в насосах высокого давления.

Обработка и чистовая обработка

Свойства твердости чугуна требуют тщательного выбора материалов для станков. Карбиды с покрытием эффективны при промышленной обработке, но новые материалы постоянно разрабатываются по мере совершенствования технологий.

Обработка поверхности изделий из чугуна сильно различается в зависимости от использования. Несколько распространенных приложений:

• Гальваника
• горячее погружение
• Термическое напыление
• Диффузионное покрытие
• Преобразовательное покрытие
• Эмаль для фарфора
• Жидкое органическое покрытие
• Органическое покрытие сухое порошковое

Чугун и будущее

С самого начала, более 3000 лет назад, железо оставалось неотъемлемой частью человеческого общества.Производство чугуна прошло долгий путь от вековой обработки железа кузнецами до изобретения чугуна в индустриальную эпоху.

С тех пор кованое железо в значительной степени устарело, за исключением декоративных целей. Напротив, чугун все еще совершенствуется с точки зрения состава, микроструктуры и механических свойств, продолжая оставлять свой след в современном мире.

Для получения дополнительной информации о металлических отливках или запроса ценового предложения по индивидуальному проекту из металла, пожалуйста, свяжитесь с нами.

Рекомендуемое потребление, преимущества и источники питания

Железо — это минерал, жизненно важный для правильного функционирования гемоглобина, белка, необходимого для транспортировки кислорода в крови. Железо также играет роль во множестве других важных процессов в организме.

Нехватка железа в крови может привести к ряду серьезных проблем со здоровьем, включая железодефицитную анемию. Около 10 миллионов человек в Соединенных Штатах имеют низкий уровень железа, и примерно у 5 миллионов из них диагностирована железодефицитная анемия.

Этот раздел Центра знаний MNT является частью коллекции статей о пользе для здоровья популярных витаминов и минералов. В нем подробно рассматривается рекомендуемое потребление железа, его возможная польза для здоровья, продукты с высоким содержанием железа и любые потенциальные риски для здоровья, связанные с потреблением слишком большого количества железа.

Поделиться на Pinterest Возраст и пол человека могут повлиять на количество железа, необходимое ему в рационе.

Рекомендуемая суточная норма элементарного железа зависит от возраста и пола человека.У вегетарианцев также разные потребности в железе.

Младенцы:

• От 0 до 6 месяцев: 0,27 миллиграмма (мг)
• От 7 до 12 месяцев: 11 мг

Дети:

• От 1 до 3 лет: 7 мг
• от 4 до 8 лет: 10 мг

Мужчины:

• От 9 до 13 лет: 8 мг
• От 14 до 18 лет: 11 мг
• 19 лет и старше: 8 мг

Женщины:

• 9 до 13 лет: 8 мг
• От 14 до 18 лет: 15 мг
• От 19 до 50 лет: 18 мг
• От 51 года и старше: 8 мг
• Во время беременности: 27 мг
• При кормлении грудью от 14 до 18 лет возраст: 10 мг
• При лактации в возрасте старше 19 лет: 9 мг

Добавки железа могут быть полезны, когда людям трудно получить достаточное количество железа только с помощью диетических мер, например, с помощью растительной диеты.Лучше попытаться потреблять достаточно пищи в одиночку, удалив или уменьшив факторы, которые могут препятствовать усвоению железа, и потребляя продукты, богатые железом.

Это связано с тем, что многие продукты, богатые железом, также содержат ряд других полезных питательных веществ, которые вместе поддерживают общее состояние здоровья.

Железо помогает сохранить многие жизненно важные функции организма, включая общую энергию и концентрацию внимания, желудочно-кишечные процессы, иммунную систему и регулирование температуры тела.

Преимущества железа часто остаются незамеченными до тех пор, пока человек не получает его в достаточном количестве.Железодефицитная анемия может вызывать усталость, учащенное сердцебиение, бледность кожи и одышку.

Здоровая беременность

Объем крови и выработка эритроцитов резко увеличиваются во время беременности, чтобы обеспечить растущий плод кислородом и питательными веществами. В результате возрастает спрос на железо. Хотя организм обычно максимизирует усвоение железа во время беременности, недостаточное потребление железа или другие факторы, влияющие на его усвоение, могут привести к дефициту железа.

Низкое потребление железа во время беременности увеличивает риск преждевременных родов и низкой массы тела при рождении, а также низких запасов железа и нарушений когнитивного или поведенческого развития у младенцев.Беременные женщины с низким содержанием железа могут быть более подвержены инфекциям, потому что железо также поддерживает иммунную систему.

Очевидно, что препараты железа необходимы беременным женщинам и женщинам с дефицитом железа. Тем не менее, исследования продолжаются относительно возможности рекомендовать дополнительное количество железа всем беременным женщинам, даже тем, у кого уровень железа нормальный. Утверждается, что все беременные женщины должны принимать от 30 до 60 миллиграммов (мг) добавок железа каждый день беременности, независимо от уровня железа.

Энергия

Недостаток железа в рационе может повлиять на эффективность использования энергии организмом. Железо переносит кислород к мышцам и мозгу и имеет решающее значение как для умственной, так и для физической работоспособности. Низкий уровень железа может привести к потере внимания, повышенной раздражительности и снижению выносливости.

Улучшение спортивных результатов

Дефицит железа чаще встречается у спортсменов, особенно у молодых спортсменок, чем у людей, не ведущих активный образ жизни.

Это, по-видимому, особенно верно для спортсменок, занимающихся выносливостью, например, бегунов на длинные дистанции. Некоторые эксперты предполагают, что спортсменкам-женщинам, работающим на выносливость, следует добавлять дополнительно 10 мг элементарного железа в день к текущей суточной суточной норме потребления железа.

Дефицит железа у спортсменов снижает спортивные результаты и ослабляет активность иммунной системы. Недостаток гемоглобина может значительно снизить работоспособность при физических нагрузках, поскольку снижает способность организма переносить кислород к мышцам.

Железо имеет низкую биодоступность, что означает, что тонкий кишечник с трудом усваивает большие количества. Это снижает его доступность для использования и увеличивает вероятность дефицита.

Эффективность абсорбции зависит от ряда факторов, в том числе:

• источника железа
• других компонентов диеты
• здоровья желудочно-кишечного тракта
• использования лекарств или добавок
• общего статуса железа
• человека промоторов железа, таких как витамин C

Во многих странах продукты из пшеницы и детские смеси обогащены железом.

Существует два типа диетического железа, известных как гем и негем. Пища животного происхождения, включая мясо и морепродукты, содержит гемовое железо. Гемовое железо легче усваивается организмом.

Негемовое железо, которое содержится в растениях, требует, чтобы организм предпринял несколько шагов для его усвоения. Источники железа на растительной основе включают бобы, орехи, сою, овощи и обогащенные злаки.

Биодоступность гемового железа животного происхождения может достигать 40 процентов. Однако негемовое железо из растительных источников имеет биодоступность от 2 до 20 процентов.По этой причине рекомендуемая суточная норма для вегетарианцев в 1,8 раза выше, чем для тех, кто ест мясо, чтобы компенсировать более низкий уровень усвоения растительной пищи.

Употребление продуктов, богатых витамином С, наряду с негемовыми источниками железа может значительно увеличить усвоение железа.

При соблюдении вегетарианской диеты также важно учитывать компоненты пищи и лекарства, которые блокируют или снижают абсорбцию железа, например:

• ингибиторы протонной помпы и омепразол, используемые для снижения кислотности содержимого желудка
• полифенолы в зерновые и бобовые, а также шпинат
• дубильные вещества в кофе, чае, в вине и некоторых ягодах
• фосфаты в газированных напитках, таких как газированные напитки
• фитаты в бобах и зернах

Некоторые из лучших источников железа включают:

• Консервы из моллюсков: 3 унции (унции) содержат 26 миллиграммов (мг) железа.
• Обогащенный, простой, сухой овес: В 100 г содержится 24,72 мг.
• Белая фасоль: Одна чашка дает 21.09.
• Темный шоколад (от 45 до 69 процентов какао): В одной плитке содержится 12,99 мг.
• Приготовленные тихоокеанские устрицы: В 3 унциях содержится 7,82 мг.
• Приготовленный шпинат: В одной чашке содержится 6,43 мг.
• Говяжья печень: 3 унции обеспечивает 4,17 мг.
• Вареная и высушенная чечевица: Полстакана дает 3 штуки.3 мг.
• Фирменный тофу: В половине чашки содержится 2,03 мг.
• Отварной и высушенный нут: Половина чашки содержит 2,37 мг.
• Консервированные тушеные помидоры: Полстакана содержит 1,7 мг.
• Постный, говяжий фарш: В 3 унциях содержится 2,07 мг.
• Средний печеный картофель: Это дает 1,87 мг.
• Жареные орехи кешью: В 3 унциях содержится 2 мг.

Кальций может замедлять абсорбцию как гемового, так и негемового железа.В большинстве случаев типичная разнообразная диета в западном стиле считается сбалансированной с точки зрения усилителей и ингибиторов всасывания железа.

Для взрослых дозы перорального приема железа могут составлять от 60 до 120 мг элементарного железа в день. Эти дозы обычно применяются для беременных женщин с тяжелым дефицитом железа. Расстройство желудка — частый побочный эффект приема добавок железа, поэтому может помочь разделение доз в течение дня.

Взрослые со здоровой пищеварительной системой имеют очень низкий риск перегрузки железом из пищевых источников.

Люди с генетическим заболеванием, называемым гемохроматозом, подвергаются высокому риску перегрузки железом, поскольку они поглощают гораздо больше железа из пищи по сравнению с людьми без этого заболевания.

Это может привести к накоплению железа в печени и других органах. Он также может вызывать образование свободных радикалов, которые повреждают клетки и ткани, включая печень, сердце и поджелудочную железу, а также повышают риск некоторых видов рака.

Частый прием добавок железа, содержащих более 20 мг элементарного железа за один раз, может вызвать тошноту, рвоту и боль в желудке, особенно если добавка не принимается во время еды.В тяжелых случаях передозировка железа может привести к органной недостаточности, внутреннему кровотечению, коме, судорогам и даже смерти.

Важно хранить добавки железа в недоступном для детей месте, чтобы снизить риск передозировки со смертельным исходом.

По данным Poison Control, случайное употребление добавок железа было наиболее частой причиной смерти от передозировки лекарств у детей в возрасте до 6 лет до 1990-х годов.

Изменения в производстве и распространении добавок железа помогли уменьшить случайные передозировки железа у детей, такие как замена сахарного покрытия на железных таблетках пленочным покрытием, использование защитных крышек для бутылочек и индивидуальная упаковка высоких доз железа.В период с 1998 по 2002 год был зарегистрирован только один случай смерти от передозировки железом.

Некоторые исследования показали, что чрезмерное потребление железа может увеличить риск рака печени. Другие исследования показывают, что высокий уровень железа может увеличить риск диабета 2 типа.

Совсем недавно ученые начали исследовать возможную роль избытка железа в развитии и прогрессировании неврологических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона. Железо также может играть прямую повреждающую роль в травмах головного мозга в результате кровотечения в головном мозге.Исследования на мышах показали, что высокое содержание железа увеличивает риск остеоартрита.

Добавки железа могут снизить доступность некоторых лекарств, включая леводопу, которая используется для лечения синдрома беспокойных ног и болезни Паркинсона, и левотироксина, который используется для лечения слабо функционирующей щитовидной железы.

Ингибиторы протонной помпы (ИПП), используемые для лечения рефлюксной болезни, могут снизить количество железа, которое может усваиваться организмом как из пищи, так и из пищевых добавок.

Обсудите прием добавок железа с врачом или практикующим врачом, поскольку некоторые из признаков перегрузки железом могут напоминать признаки дефицита железа.Избыток железа может быть опасен, и добавки железа не рекомендуются, за исключением случаев диагностированного дефицита или когда человек подвержен высокому риску развития дефицита железа.

Желательно достигать оптимального уровня потребления и статуса железа с помощью диеты, а не добавок. Это может помочь свести к минимуму риск передозировки железа и обеспечить хорошее потребление других питательных веществ, содержащихся в продуктах питания наряду с железом.

Свойства железа — Scientific American

Механические свойства металлов.- Мистером Фэрбеном. После некоторых предварительных наблюдений г-н Фэйрберн заявил, что Британская ассоциация на своем последнем заседании попросила его провести исследование механических свойств чугуна, вычитаемых из повторных плавок, и ему хотелось выяснить, в какой степени он был поврежден или испорчен, были приняты меры для проведения серии экспериментов, удовлетворительно рассчитанных для решения этого вопроса, и для предоставления таких данных и такой информации, которые позволили бы инженеру и литейщику установить с большей уверенностью, насколько далеко эти эксперименты.отливки можно перевозить безопасно или до тех пор, пока не будет достигнута максимальная прочность и другие свойства, которые, по-видимому, не связаны с использованием этого ценного и важного материала. Г-н Фэйрбэрн далее заявил в связи с этим вопросом, что он намеревался исследовать другой важный процесс, который в значительной степени влияет на стабильность некоторых из наиболее важных металлических конструкций, а именно: скорость охлаждения по мере ее возникновения. влияет на адгезионные свойства материала, а также на более полный и эффективный процесс кристаллизации.По этим вопросам хорошо известно, что высокая скорость охлаждения неизменно сопряжена с риском, что получается несовершенная кристаллическая структура и что не только присутствуют нерегулярные и неравные притяжения, они часто являются предвестниками разрушения, а также чрезвычайно обманчивы в отношении внешнего вида или опасных последствий, которые неизменно следуют в случаях быстрого охлаждения и неравномерного сжатия. О форме железных балок или балок М’аллеабу. — М-р Т. М. Гладстон.По поводу применения балок или балок из кованого железа, сказал г-н Гладстон, я предлагаю сделать несколько замечаний, противопоставив их силы и свойства свойствам чугуна; чтобы показать, какая форма железа, по моему мнению, лучше всего подходит для такого использования, и для чего. заявить как производитель, чего можно ожидать от возможности металлургических заводов производить то же самое, что и раньше, чтобы соответствовать возросшим требованиям времени. Обнаружено, что при переводе чугуна из отливки в ковкое состояние адгезия волокон металла при растяжении увеличивается с 7 до 27, что значительно превышает это значение при производстве материала самого высокого качества.При этом указывается, что прочность на сжатие несколько снижается. В этом последнем предположении я не совсем согласен с тем, что постоянная особенность экспериментов не принимается во внимание в достаточной степени, а именно, что при экспериментах с кованым железом заданной протяженности под давлением необходимо, прежде чем вы получите хотя бы среднее значение сопротивления, должно иметь место определенное отклонение, чтобы объединить каждое из волокон; следовательно, в отличие от жесткой литой балки, где полное действие сжатия действует сразу, при расчете сжимающих сил необходимо сделать некоторую поправку на случайность из первого положения.Если в целом предположить, что повышенная прочность или прочность ковки по сравнению с чугуном составляет от 27 до 7, это сразу уменьшает шестикратную площадь нижней стенки железной балки и почти вдвое уменьшает требуемую площадь поперечного сечения повсюду. но сохраняя равную силу для всех целей. Во многих случаях это увеличение прочности, позволяющее уменьшить вес, полностью компенсирует разницу в цене, так что до этого момента можно сказать, что рыночная и эффективная стоимость обоих одинаковы.Кованая балка, однако, обладает этим материальным преимуществом, а именно, она всегда будет давать хорошее предупреждение до того, как будет достигнута опасная точка, и это, главным образом, из-за ее значительно увеличенной отклоняющей способности — действительно, до того, как будет достигнут ее максимум. прогиб может иметь место безопасно; поэтому как для жизни, так и для собственности его преимущества наиболее заметны. Что касается наилучшей формы переноски наибольшего веса с наименьшим количеством металла, у меня есть некоторый вывод, основанный на реальном крупномасштабном эксперименте., что двойное Т-образное сечение является лучшим при условии, что фланцы достаточны для предотвращения бокового воздействия нагрузки. На металлургическом заводе в Белфасте участники могут видеть железо собственного профиля в прутках, длиной двадцать шесть футов и весом почти полтонны, так что теперь можно увидеть, что мельницы теперь сконструированы таким образом, чтобы их можно было катать. железо почти любых размеров, которые могут потребоваться, и такие стержни, начиная с ширины фланцев, никогда прежде не применялись в трех королевствах. Когда я имел честь, много лет назад, прочитать доклад в Обществе искусств о способах строительства мостов без центрирования железа таких размеров, ни один производитель железа не стал бы пытаться производить такую ​​долю материала. , в то время как теперь я выполнил это, и, не колеблясь, могу увеличить их, если потребуется.Несомненно, для складов, мельниц, общественных зданий и мостов его ценность теперь будет исключительно востребована и оценена. Поскольку эти стержни полностью прокатаны, при сравнении я обнаружил, что они выдержат почти на треть больше, чем любая изготовленная балка с равной площадью поперечного сечения, то есть балка, центральное ребро которой выполнено из листового железа, а фланцы из углового железа, приклепанные к нему и распределенные таким образом, чтобы образовалась двойная Т-образная форма. Это легко объяснить, поскольку вы неизбежно ослабляете целое, поскольку требуется введение заклепок, в то время как должное и равное сопротивление оказывает всем частям цельнокатанный стержень.[Выше приведены выдержки из статей, прочитанных ниже -. in: tr.t встреча Британской ассоциации содействия развитию науки. Перед последней встречей было прочитано очень много прекрасных докладов на реальные практические и научные темы. Конечно, мы не могли опубликовать их все, но, поскольку мы считаем это интересным и полезным для наших читателей, без перерывов от недели к неделе, мы иногда будем стараться представить другие сокращенные отрывки, подобные приведенным выше.

Чугун: свойства, обработка и применение

Чугун — это сплав железа, содержащий 2 мас.% — 4 мас.% Углерода, 1 мас.% — 3 мас.% Кремния и меньшие количества второстепенных элементов [1]. Для сравнения, сталь имеет более низкое содержание углерода до 2 мас.% И более низкое содержание кремния.

Чугун также можно дополнительно оптимизировать путем легирования небольшими количествами марганца, молибдена, церия, никеля, меди, ванадия и титана перед литьем.

В зависимости от содержания кремния в чугуне он классифицируется как белый чугун или серый чугун и может подвергаться дальнейшей обработке при определенных температурах для получения ковкого или ковкого чугуна.

Общие свойства чугуна

Чугун высоко ценится за его способность легко отливать сложные формы в расплавленном состоянии и за его низкую стоимость. Кроме того, его свойства можно легко изменить, регулируя состав и скорость охлаждения без значительных изменений в методах производства.

Его другие основные преимущества перед литой сталью включают простоту обработки, гашение вибрации, прочность на сжатие, износостойкость и коррозионную стойкость [2]. Коррозионная стойкость чугуна повышается за счет добавления второстепенных элементов, таких как кремний, никель, хром, молибден и медь [3].

Виды чугуна и их применение

Чугун можно разделить на серый чугун, белый чугун, ковкий чугун и ковкий чугун, в зависимости от его состава.

Серый чугун

Серый чугун или серый чугун имеет темно-серый цвет излома из-за графитовой микроструктуры. Наличие чешуек графита связано с добавлением кремния, который стабилизирует углерод в виде графита, а не карбида железа. Серый чугун обычно имеет состав 2.5–4,0 мас.% Углерода и 1,0–3,0 мас.% Кремния [1].

Применение серого чугуна

Серый чугун — наиболее распространенная форма чугуна. Он используется в приложениях, где его высокая жесткость, обрабатываемость, гашение вибрации, высокая теплоемкость и высокая теплопроводность являются преимуществом, например, в блоках цилиндров двигателя внутреннего сгорания, маховиках, картерах коробки передач, коллекторах, роторах дисковых тормозов и посуде.

Обычно используемой классификацией серого чугуна является международный стандарт ASTM A48.В соответствии с этой системой серые чугуны классифицируются в соответствии с их пределом прочности на разрыв, например, серый чугун класса 20 имеет минимальную прочность на разрыв 20000 фунтов на квадратный дюйм (140 МПа).

Белый чугун

Белый чугун имеет белый цвет излома из-за присутствия карбида железа или цементита Fe3C. Наличие углерода в этой форме, в отличие от графита, является результатом более низкого содержания кремния по сравнению с серым чугуном. Белый чугун обычно содержит 1,8 мас.% — 3,6 мас.% Углерода, 0,5 мас.% — 1,9 мас.% Кремния и 1,0 мас.% — 2,0 мас.% Марганца.

Белый чугун чрезвычайно износостойкий, но хрупкий. Они обладают высокой твердостью благодаря своей микроструктуре, содержащей крупные частицы карбида железа, и не поддаются механической обработке.

Аппликации из белого чугуна

Белый чугун используется в износостойких деталях, хрупкость которых не вызывает особого беспокойства, таких как футеровка корпуса, шламовые насосы, шаровые мельницы, подъемные штанги, экструзионные сопла, смесители для цемента, трубопроводная арматура, фланцы, дробилки и рабочие колеса насосов.

Популярный сорт белого чугуна — это высокохромистые белые чугуны, ASTM A532. Он содержит никель и хром для применения с низким уровнем ударной абразивности [4].

Ковкий чугун

Ковкий чугун получают путем термообработки белого чугуна с медленным отжигом. Это приводит к превращению углерода в форме карбида железа в белом чугуне в графит, а остальная матрица состоит из феррита или перлита [1]. Графит имеет сферическую или узловатую форму.

Ковкий чугун обладает хорошей пластичностью и пластичностью. Из-за более низкого содержания кремния по сравнению с другими чугунами он демонстрирует хорошую вязкость разрушения при низкой температуре.

Применение ковкого чугуна

Благодаря хорошему пределу прочности на разрыв и пластичности ковкий чугун используется для изготовления электрической арматуры и оборудования, ручных инструментов, трубопроводной арматуры, шайб, кронштейнов, сельскохозяйственного оборудования, оборудования для горнодобывающей промышленности и деталей машин.

Общая классификация ковкого чугуна — ASTM A47.

Ковкий чугун

Ковкий чугун, также известный как чугун с шаровидным графитом и чугун с шаровидным графитом, характеризуется наличием графита в форме сферических утолщений, как и в ковком чугуне. В отличие от ковкого чугуна, ковкий чугун образуется не путем термообработки белого чугуна, а благодаря определенному химическому составу.

Ковкий чугун содержит 3,2–3,6 мас.% Углерода, 2,2–2,8 мас.% Кремния и 0,1–0,2 мас.% Марганца, а также меньшее количество магния, фосфора, серы и медь.Присутствие марганца определяет сферическую форму включений графита [4].

Применение высокопрочного чугуна

Благодаря своей микроструктуре этот материал более пластичен, чем серый или белый чугун. По этой причине он используется как труба из высокопрочного чугуна для водоснабжения и канализации. Он также может выдерживать термоциклирование и поэтому используется в зубчатых колесах и компонентах подвески транспортных средств, тормозах и клапанах, насосах и гидравлических частях, а также в корпусах ветряных турбин.

Ковкий чугун обычно классифицируется как ASTM A536.

Производство и обработка

Для производства чугуна железо должно быть извлечено из железной руды. Руда выплавляется в доменной печи, где она разделяется на чугун и шлак. Печь нагревается примерно до 1800 градусов Цельсия в атмосфере кислорода, и образующийся шлак поднимается вверх и может быть удален.

Расплавленный чугун, представленный ниже, содержит от 3 до 5 мас.% Углерода. Затем он комбинируется с железом, сталью, коксом и известняком.

После селективного удаления примесей из этого железа содержание углерода снижается. На этом этапе может быть добавлен кремний для преобразования содержания углерода в графит или цементит. Затем железо отливают в различные формы.

[1] Р. Эллиотт, Технология чугуна. Баттервортс, 1988, стр. 1

[2] «Чугун против литой стали», Reliance Foundry, май. 17, 2017. [Онлайн]. [Доступ: 8 октября 2018 г.].

[3] С. К. Сарна, «Коррозия чугунов», ispatguru.com, июн.28, 2016. [Online]. [Доступ: 8 октября 2018 г.].

[4] С. К. Сарна, «Применение чугуна, чугунных отливок, сделанных в Китае», Reliance Foundry. [В сети]. [Доступ: 9 октября 2018 г.].

Ферритины: молекулярные свойства, функция хранения железа и клеточная регуляция

Abstract

Белок хранения железа, ферритин, играет ключевую роль в метаболизме железа. Его способность связывать элемент наделяет ферритин двойной функцией детоксикации железа и запаса железа.Важность этих функций подчеркивается повсеместным распространением ферритина среди живых организмов. Трехмерная структура ферритина очень консервативна. Все ферритины имеют 24 белковые субъединицы, расположенные с симметрией 432, что дает полую оболочку с полостью диаметром 80 Å, способную хранить до 4500 атомов Fe (III) в виде неорганического комплекса. Субъединицы сложены в виде пучков из 4 спиралей, каждый из которых имеет пятую короткую спираль под углом примерно 60 ° к оси пучка. Описаны структурные особенности ферритинов человека, лошади, лягушки-быка и бактерий: все они имеют по существу одинаковую архитектуру, несмотря на большие различия в первичной структуре (идентичность аминокислотных последовательностей может составлять всего 14%) и присутствие в некоторых бактериальных ферритинах гемовые группы.Молекулы ферритина, выделенные от позвоночных, состоят из двух типов субъединиц (H и L), тогда как молекулы ферритина из растений и бактерий содержат только цепи H-типа, где H-тип связан с присутствием центров, катализирующих окисление двух Fe. (II) атомы. Сходство между двухъядерными центрами железа Н-цепей ферритина и центрами рибонуклеотидредуктазы и других белков предполагает возможную более широкую эволюционную связь. В настоящее время большое количество исследований сосредоточено на двух аспектах фенитина: его функциональных механизмах и его регуляции.Они составляют основную часть обзора. Этапы хранения железа в молекулах ферритина состоят из окисления Fe (II), миграции FE (III) и зарождения и роста минерала ядра железа. H-цепи важны для окисления Fe (II), а L-цепи помогают в формировании ядра. Также обсуждается мобилизация железа, имеющая отношение к роли ферритина как резерва железа. Описана трансляционная регуляция синтеза ферритина млекопитающих в ответ на железо и очевидные связи между метаболизмом железа и цитрата через одну молекулу с двойной функцией.Молекула, связываясь с кластером [4Fe-4S], представляет собой функционирующую (цитоплазматическую) аконитазу. При низком уровне клеточного железа потеря кластера [4Fe-4S] позволяет молекуле связываться с 5′-нетранслируемой областью (5′-UTR) м-РНК ферритина и, таким образом, подавлять трансляцию. В этой форме он известен как регуляторный белок железа (IRP), а структура РНК «стебель-петля», с которой он связывается, является регуляторным элементом железа (IRE). IRE обнаружены в 3′-UTR рецептора трансферрина и в 5′-UTR синтазы эритроидной аминолаэвулиновой кислоты, обеспечивая тесную координацию между поглощением клеточного железа и синтезом ферритина и гема.Разложение ферритина может потенциально привести к увеличению токсичности из-за неконтролируемого высвобождения железа. Деградация внутри инкапсулированных мембраной «вторичных лизосом» может избежать этой проблемы, и это, по-видимому, является источником другой формы запасающего железа, известной как гемосидерин. Однако при определенных патологических состояниях обнаруживаются массивные отложения «гемосидерина», которые не возникают непосредственно в результате распада ферритина. Понимание многочисленных взаимосвязей между различными внутриклеточными комплексами железа представляет собой серьезную проблему.

Ключевые слова

Ферритин

Накопление железа

Активность ферроксидазы

Бинуклеарное железо

Гемосидерин

Регуляторный белок железа (IRP)

Регуляторный элемент железа (Авторские права IRE)

© 1996 Издано Elsevier BV

Рекомендуемые статьи

Ссылки на статьи

Железо Природные минеральные свойства, использование и появление

Пять процентов земной коры состоит из железа .Самородное железо редко встречается в коре и неизменно легировано никелем. Железо с низким содержанием никеля (до 7,5% никеля) называется камаситом, а железо с высоким содержанием никеля (до 50% никеля) — тэнитом. Оба кристаллизуются в кубической системе. Третья форма железо-никелевого сплава, в основном обнаруживаемая в метеоритах и ​​кристаллизующаяся в тетрагональной системе, называется тетратаенитом. Все три формы обычно встречаются в виде вкрапленных зерен или округлых масс. Камасит — основной компонент большинства железных метеоритов.Он содержится в большинстве хондритовых метеоритов и встречается в виде микроскопических зерен в некоторых лунных породах. Тэнит и тетратаенит в основном встречаются в метеоритах, часто срастании с камаситом. Его также много на Солнце и других звездах.

Имя : древнеанглийское слово для обозначения металла; химический символ от латинского ferrum.

Association : Пирит, магнетит, троилит, вюстит, когенит

Химические свойства железа

Утюг

Химическая классификация	Собственное происхождение
Химический состав	Fe	02

Цвет	Черный как железо
Полоса	Серый
Глянец	Металлик
Спайность	Несовершенная / светлая По {001}
Диафрагма	Непрозрачность
Твердость по шкале Мооса	4½ по шкале Мооса
Диагностические свойства	Плотность, цветность	Кристаллическая система 907	Куб.	Гибкий
Перелом	Хакли
Плотность	7.3 — 7,87 г / см3 (измерено) 7,874 г / см3 (рассчитано)
Разделение	На (112)

Оптические свойства железа

Тип	Изометрический	Изометрический	Цвет в отраженном свете:	Белый
Twinning	(111), также в пластинчатых массах {112}.

Встречается

Редко встречается в магматических породах, особенно в базальтах; в углеродистых отложениях; в вулканических фумаролах; и в окаменелом дереве, смешанном с «лимонитом» и органикой.

Область использования

Рядом с производителем чугун, производимый в мире, используется в производстве стали. Потому что только он является успешным сильным складом.

Вольфрам, марганец, никель, ванадий, хром и др. Он используется во многих областях, таких как строительство и автомобилестроение.

Порошковый чугун: используется в продукции металлургии, магниты, высокочастотные ядра, автомобильные детали, катализаторы.

Нержавеющая сталь очень устойчива к коррозия. Он содержит не менее 10,5% хрома.Другие металлы, такие как никель, молибден, титан и медь добавляются для увеличения прочности и работоспособность. Он используется в архитектуре, кроватях, столовых приборах, хирургических инструментах. и украшения.

Чугун содержит 3-5% углерода. Он используется для труб, клапанов и насосов. Он не такой твердый, как сталь, но дешевый. Магниты могут быть изготовлены из его сплавов и соединений.

Катализаторы для производства аммиака при обработке новостей и преобразования синтез-газа (водорода и окиси углерода) в жидкое топливо в процессе Фишера-Тропша.

Радиоактивное железо (59): индикатор в медицине, биохимических и металлургических исследованиях. Железо-синий: краски, печатные краски, пластмассы, косметика (тени для век), краски для рисования, синий для стирки, бумажная краска, компонент удобрений, запеченные эмалевые покрытия для автомобилей и бытовой техники, промышленные поверхности. Оксид железа черный: в качестве пигмента, в составах для полировки, в металлургии, медицине, в магнитных чернилах, в ферритах для электронной промышленности.

Биологический фактор железа

Это важный элемент для всех форм жизни и не токсичен.В среднем человек содержит около 4 граммов железа. Большинство из них в гемоглобине, в крови. Гемоглобин переносит кислород из наших легких в клетки, необходимые для тканевого дыхания.

Людям необходимо от 10 до 18 миллиграммов железа ежедневно. Дефицит железа вызывает анемию. Такие продукты, как печень, почки, патока, пивные дрожжи, какао и солодка содержат много железа.

Iron Facts

• Атомный номер (количество протонов в ядре): 26
• Атомный символ (Периодическая таблица элементов): Fe
• Атомный вес (средняя масса атома): 55.845
• Плотность: 7,874 грамма на кубический сантиметр
• Фаза при комнатной температуре: твердое вещество
• Точка плавления: 2800,4 градусов по Фаренгейту (1538 градусов по Цельсию)
• Точка кипения: 5,181,8 F (2861 C)
• изотопное число количество нейтронов, содержащих один и тот же элемент): (включая количество стабильных изотопов): 33 Стабильные изотопы: 4
• Наиболее распространенные изотопы: Железо-56 (естественное содержание: 91,754 процента)

Распространение

• В Гренландии, на Fortune Bay, Меллемфьорд, Асук и другие места на западном побережье; на острове Диско, недалеко от Уивфака и Китдлита.