Железо
Общие сведения
Железо является химическим элементом восьмой группы четвертого периода с атомным номером 26. В виде простого вещества оно представляет собой пластичный металл серебристо-белого цвета. В природе известно четыре изотопа железа, среди которых наиболее распространенным является изотоп, на долю которого приходится около 92 процентов; существуют также и неустойчивые изотопы. Железо играет важнейшую роль в космологии, поскольку на этом элементе завершается процесс синтеза химических элементов в ядрах звезд. Более тяжелые элементы образуются исключительно при взрывах сверхновых. Вследствие этих процессов общее количество железа во Вселенной постоянно увеличивается, а некоторые старые звезды практически полностью состоят из данного металла. Человечеству железо известно с глубокой древности. Первоначально материалом для изготовления оружия и различных украшений служило метеоритное железо, представлявшее собой большую редкость и обладавшее высокой ценностью.
Свойства и характеристики
В чистом виде железо представляет собой относительно мягкий металл с выраженными магнитными свойствами. Оно обладает высокой химической активностью, быстро окисляется на воздухе и способно гореть в атмосфере чистого кислорода, особенно в мелкодисперсном состоянии. При нормальных условиях и низком давлении железо может существовать в различных фазовых состояниях, зависящих от температуры. До отметки 769 градусов Цельсия оно существует в форме феррита (альфа-железо), являясь ферромагнетиком. При нагревании выше этой точки материал переходит в парамагнитное состояние, образуя бета-железо. При температуре 910 градусов Цельсия кристаллическая решетка изменяется, формируя аустенит (гамма-железо), а при 1394 градусах Цельсия возникает дельта-железо. Температура плавления металла составляет 1538 градусов Цельсия. Химические свойства железа определяются его степенью окисления. В степени окисления плюс два железо проявляет основные и восстановительные свойства. В степени окисления плюс три, которая встречается наиболее часто, соединения обладают слабоокислительными свойствами. Железо в степени окисления плюс шесть является сильным окислителем; соответствующие кислоты в свободном виде не выделены, однако их соли стабильны. Металл активно взаимодействует с галогенами, серой, углеродом, а также с кислотами с образованием различных солей, таких как сульфаты и хлориды.
Нахождение в природе
Из-за высокой химической активности железо крайне редко встречается на Земле в самородном виде. Исключение составляют метеориты, где оно присутствует в виде сплава с никелем. Современная наука предполагает, что ядро Земли также состоит преимущественно из железо-никелевого сплава, и именно там сосредоточено около 90 процентов всех планетарных запасов этого элемента. В земной коре доля железа составляет около 5 процентов, в то время как в мантии этот показатель достигает 12 процентов. Поступление железа на поверхность происходит в значительной степени за счет вулканической активности. В ранний архейский период железо находилось в растворенном состоянии в морской воде. С появлением фотосинтезирующих бактерий, начавших выделять кислород, произошло массовое окисление металла и его выпадение в осадок. В настоящее время на поверхности железо встречается преимущественно в виде оксидов и других соединений. К числу важнейших минералов относятся магнетит (магнитный железняк), гематит, бурый железняк и железный колчедан (пирит), который чаще используется для получения серной кислоты, а не самого железа. Мировые запасы железной руды оцениваются примерно в 178 миллиардов тонн, при этом значительная их часть сосредоточена в Бразилии и России. При современных темпах добычи, составляющих около трех миллиардов тонн в год, разведанных земных запасов хватит приблизительно на 60 лет. В связи с этим рассматриваются перспективные проекты промышленной добычи железа на астероидах.
Получение
Исторически технология выплавки железа из руд зародилась на Кавказе, где древний народ хаттов первым освоил этот процесс, после чего технология начала распространяться по другим регионам. В современной промышленности основной целью является получение сплавов железа с углеродом: чугуна и стали. Промышленный процесс, как правило, состоит из двух основных этапов. На первой стадии железную руду (гематит или магнетит) помещают в доменную печь вместе с углеродом, представленным в виде кокса. Для очистки руды от силикатных примесей применяются специальные флюсы, в результате чего образуется побочный продукт — шлак, находящий применение в строительстве. Продуктом доменной плавки является чугун — сплав с высоким содержанием карбида железа (цементита), отличающийся твердостью, но высокой хрупкостью. На втором этапе чугун подвергается переделу в мартеновских печах или конвертерах, где снижается концентрация углерода и получается высококачественная сталь. В процессе плавки к материалу могут добавляться легирующие элементы, такие как хром, марганец и никель. Существует также метод прямого восстановления железа, при котором руду смешивают с глиной, обжигают и обрабатывают продуктами конверсии метана. Этот метод позволяет восстанавливать металл из оксидов с помощью водорода, что исключает стадию образования чугуна, однако является более дорогостоящим процессом.
Применение
Производство железа и его сплавов составляет около 95 процентов всей мировой металлургической отрасли. Сталь и чугун выступают в качестве основных конструкционных материалов в современной технике. Магнетит находит широкое применение в компьютерных технологиях, в частности, в жестких дисках и принтерах. Сульфат железа (железный купорос) используется в сельском хозяйстве. Помимо промышленного значения, железо играет критически важную биологическую роль. Оно входит в состав гемоглобина эритроцитов, обеспечивая транспортировку кислорода в крови животных и человека, а также участвует в катализе процессов клеточного дыхания и входит в состав множества ферментов. В организме взрослого человека содержится около 4 граммов железа. Недостаток этого элемента приводит к развитию хлороза у растений и анемии у животных и людей. От дефицита железа в мире страдают около двух миллиардов человек. Поступающее с пищей железо подразделяется на гемовое, содержащееся в мясе и легко усваиваемое организмом, и негемовое, присутствующее в растительных продуктах, таких как бобы, тыква, гречневая крупа и зелень. Для улучшения усвоения негемового железа требуется присутствие аскорбиновой кислоты, тогда как кофеин, содержащийся в чае и кофе, препятствует его всасыванию. Дополнительным источником данного микроэлемента может служить пища, приготовленная в традиционной чугунной или железной посуде, частицы которой усваиваются организмом, что нередко используется для естественной профилактики малокровия при вегетарианских диетах.