ЖЕЛЕЗО (Ferrum) Fe хим. элемент VIII гр. периодической системы, ат. н. 26, ат. м. 55,847. Состоит из четырех стабильных изотопов: 54Fe (5,84%), 56Fe (91,68%), 57Fe (2,17%), 58Fe (0,31%). Поперечное сечение захвата тепловых нейтронов для прир. смеси изотопов 2,62∙10−28 м2. Конфигурация внеш. электронных оболочек 3d64s2; степени окисления +2 и +3 (наиб. характерны), +1, +4, +6, +8; энергия ионизации при последоват. переходе от Fe0 к Fe5+ 7,893, 16,183, 30,65, 57,79 эВ; сродство к электрону 0,58 эВ; электроотрицательность по Полингу 1,8; атомный радиус 0,126 нм, ионные радиусы (в нм, в скобках указаны координац. числа) для Fe2+ 0,077 (4), 0,092 (6), 0,106 (8), для Fe3+ 0,063 (4), 0,079 (6), 0,092 (8). Ж. — один из самых распространенных элементов в природе, его содержание в земной коре составляет 4,65% по массе. Известно св. 300 минералов, из которых слагаются месторождения железных руд. Пром. значение имеют руды с содержанием Fe св. 16%. Важнейшие рудные минералы Ж.: магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 (содержит 72,4% Fe), гематит (железный блеск, красный железняк) Fe2O3 (70% Fe), гётит α-FeO(OH), или Fe2O3.H2O, лепидокрокит γ-FeO(OH) и гидрогётит (лимонит) Fe2O3.xH2O (ок. 62% Fe), сидерит FeCO3 (48,2% Fe), ильменит FeTiO3 (36,8% Fe). Наряду с полезными примесями — Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co — железные руды содержат и вредные примеси — S, P и др. Ж. входит в состав прир. силикатов, значительные скопления которых могут иметь пром. значение для производства Ж. или его соед. Различают след. осн. типы железных руд. Бурые железняки — руды гидроксидов Fe(III) (главный минерал — гётит); содержат до 66,1% Fe (чаще 30–55%); имеют осадочное происхождение. Крупнейшие месторождения в СССР, во Франции, в Гвинее. Гематитовые руды, или красные железняки (главный минерал — гематит); содержат обычно 50–65% Fe. Для них характерно залегание богатых руд поверх мощных толщ бедных (30–40% Fe) магнетитовых кварцитов. Крупнейшие месторождения в СССР, США, Канаде, Бразилии, Венесуэле. Магнетитовые руды, или магнитные железняки (главный минерал — магнетит); содержат чаще всего до 45–60% Fe. Верх. горизонты магнетитовых рудных тел обычно частично окислены до гематита (полумартиты и мартиты).
Крупнейшие месторождения в СССР и Швеции. Силикатные руды (25–40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна в ГДР, Югославии, ЧССР и ряде др. стран Европы, относятся к группе зеленых слюд-хлоритов. Главные минералы — шамозит Fe4(Fe,Al)2[Al2Si2O10](OH)8 и тюрингит (Mg,Fe)3,5Al1,5[Si2,5Al1,5O10](OH)6.nH2O — содержат до 42% Fe. В чрезвычайно редких случаях Ж. встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO (аналог которого в технике наз. вюститом), а также в виде самородного Ж. — метеорного и теллурического (земного происхождения). Ж. входит в состав гемоглобина.
Свойства. Ж. — блестящий серебристо-белый пластичный металл. При обычном давлении существует в четырех кристаллич. модификациях.
Жидкое Ж. неограниченно растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti, хорошо растворяет V, Cr и Pt, ограниченно — Mo, Sn, С, S, P, As, H2, N2, O2, не растворяет Pb, Ag, Bi. С углеродом образует твердые растворы внедрения — феррит и мартенсит с α-Fe, аустенит с γ-Fe. В железа сплавах углерод присутствует также в виде графита и цементита Fe3C. В зависимости от содержания С в Ж. различают: мягкое Ж. (< 0,2% С), сталь (0,2–1,7% С) и чугун (1,7–5% С). В сухом воздухе при температурах до 200 °C на поверхности компактного Ж. образуется тончайшая оксидная пленка, защищающая металл от дальнейшего окисления. Выше 200 °C скорость коррозии Ж. увеличивается, образуется слой окалины; внутр. зона ее состоит из вюстита FexО (х = 0,89–0,95), поверх него лежит слой Fe3O4, затем Fe2O3.
Ржавление Ж. (атм. коррозия) во влажном воздухе, особенно содержащем капли морской воды, идет быстрее; ржавчина содержит также и гидроксиды Ж., в осн. FeO(OH). О кислородных соед. Ж. см. железа оксиды. Ж. не раств. в воде и растворах холодных щелочей, реагирует с разб. кислотами, образуя соли Fe(II), и горячими конц. растворами щелочей. Конц. HNO3 и H2SO4 пассивируют Ж. благодаря образованию нерастворимой в кислотах оксидной пленки. Азот в малых концентрациях образует с Ж. твердые растворы внедрения, в больших — нитриды Fe2N и др.
Гидриды Ж. существуют только при высоких давлениях H2; известны гидриды интерметаллидов Ж., напр. TiFeH2 (см. гидриды). С CO Ж. образует железа карбонилы, в которых Ж. формально проявляет нулевую степень окисления. При нагр. Ж. реагирует с галогенами, особенно легко с Cl2, т. к. образующийся FeCl3 летуч (см. железа хлориды) и не создает на поверхности металла защитной пленки. Напротив, FeF3 нелетуч, поэтому компактное Ж. устойчиво к действию F2 до 250–300 °C. Реакция Ж. с S экзотермична, начинается при слабом нагревании, при этом образуется нестехиометрич. сульфид, близкий по составу к FeS. В природе распространен минерал пирит FeS2. Фосфор при малых концентрациях дает с Ж. ограниченные твердые растворы, при больших концентрациях — фосфиды, из которых наиб. устойчивы Fe3P, Fe2P, FeP и FeP2. Ж. образует два ряда солей — соед. Fe(II) и Fe(III). Соли Fe(II) гидролизуются, в числе продуктов гидролиза образуются разл. полиядерные комплексы; на воздухе окисляются до Fe(III). Более устойчивы двойные соли, напр., соль Мора FeSO4.(NH4)2SO4.6H2O, и комплексные. В водном растворе Fe2+ образует аквакомплексы, напр., состава [Fe(H2O)6]2+ , часто сохраняющиеся и в высших кристаллогидратах солей. Растворы солей Fe2+ практически бесцветны, т. к. окраска [Fe(H2O)6]2+ очень слабая (зеленоватая). При действии Na2CO3 на растворы Fe2+ осаждается карбонат FeCO3, который при действии избытка CO2 переходит в раствор в виде Fe(HCO3)2. Наиб. прочные комплексы Fe(II) — цианистые, напр. K4[Fe(CN)6].
Соли Fe(II) — восстановители в водных растворах. Соли Fe(III) образуются при окислении солей Fe(II) и др. способами; гидролизуются (с образованием разл. полиядерных комплексов) сильнее, чем соли Fe(II). Гидратир. ион Fe3+ почти бесцветен, но растворы солей Fe3+ обычно имеют бурую окраску из-за образования гидроксосоединений. Растворы Fe3+ с MNCS дают кроваво-красный раствор тиоцианата Fe(NCS)3, с K4[Fe(CN)6] — ярко-синий осадок берлинской лазури (турнбулевой сини) приблизительного состава KFeIII[FeII(CN)6]. При взаимодействии растворов солей Fe(III) с (NH4)2C2O4 образуется оксалат Fe2(C2O4)3 (т. разл. 100 °C), применяемый для получения светокопировальной бумаги. Сульфат Fe(III) образует двойные сульфаты (см. квасцы). Амминокомплексы Fe(II) и Fe(III) образуются при действии NH3 на безводные соли; водой разлагаются. Степень окисления +6 Ж. проявляет в ферратах(VI), напр. BaFeO4, K2FeO4, +4 — в тетранитрозиле Fe(NO)4, который образуется при действии NO на Ж. при повыш. давлении, и ферратах(IV) составов MIIFeO3, MI2FeO3, MI4FeO4, легко образующихся в водных щелочных средах при окислении O2.
Применение. Технически чистое Ж. — материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Карбонильное Ж. используют для нанесения тончайших пленок и слоев на магнитофонные ленты, как катализатор, антианемич. средство и др. Из губчатого Ж. выплавляют высококачеств. стали. Железный порошок используют для сварки, а также для цементации меди. Искусств. радиоактивные изотопы 55Fe (T1/2 2,6 ч) и 59Fe (Tl/2 45,6 сут) — изотопные индикаторы.
Лит.: Федоров А. А., Новые методы анализа металлических порошков и шлаков, М., 1971, с. 62–109. 226–36; Каменецкая Д. С., Пилецкая И. Б., Ширяев В. И., Железо высокой степени чистоты. М., 1978; Каспарова О. В. [и др.], "Защита металлов". 1985, т. 21. № 3. с. 339–45; Перфильев Ю. Д. [и др.]. "Докл. АН СССР". 1987. т. 296, № 6, с. 1406–09. См. также лит. при ст. железа сплавы. |
Категории раздела
Вход
Поиск
Друзья сайта
Наш опрос
Статистика
