Гидроксид железа

В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении  в недостатке кислорода:

2C + O = 2CO

В свою очередь, монооксид  углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла  быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа (III):

3CO + Fe₂O₃ = 2Fe + 3CO₂

Флюс добавляется для  избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например, кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается  в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида:

 CaCO₃ = CaO + CO₂

Оксид кальция соединяется с  диоксидом кремния, образуя шлак — метасиликат кальция:

CaO + SiO₂ = CaSiO₃

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем  железо, шлак плавает на поверхности — это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в  конвертерах. Электрические печи используются 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, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3 H₂O

при этом не происходит загрязнения  железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются 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.

Применение железа.

Железо - важнейший металл современной техники. В чистом виде железо из-за его низкой прочности практически не используется, хотя в быту "железными" часто называют стальные или чугунные изделия. Основная масса железа применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов. На долю сплавов железа приходится примерно 95% всей металлической продукции. Богатые углеродом сплавы (свыше 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных печах из обогащенных железом руд. Сталь различных марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских и электрических печах и конвертерах путем окисления (выжигания) излишнего углерода, удаления вредных примесей (главным образом S, P, О) и добавления легирующих элементов. Высоколегированные стали (с большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и других элементов) выплавляют в электрических дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов железа особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и другие. Разрабатываются способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и автоматизацию процесса.

На основе железа создаются материалы, способные выдерживать воздействие высоких и низких температур, вакуума и высоких давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений и т. п. Производство железа и его сплавов постоянно растет.

Железо как художественный материал использовалось с древности  в Египте, Месопотамии, Индии. Со времен средневековья сохранились многочисленные высокохудожественные изделия из железа в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и других) - кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного листового железа (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами, четким линейно-графическим силуэтом и эффектно просматриваются на световоздушном фоне. В 20 веке Железо используется для изготовления решеток, оград, ажурных интерьерных перегородок, подсвечников, монументов.

 

3. Физические и химические свойства.

 

Физические свойства.

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

Для железа характерен полиморфизм, он имеет четыре кристаллические  модификации:

• до 769 °C существует α-Fe с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика
• в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика
• в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe с гранецентрированной кубической решёткой
• выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой

Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу, и рассматривает  её как разновидность α-Fe. При  нагреве железа или стали выше точки Кюри 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 кристаллической решёткой.
• От 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической кристаллической решёткой.
• От 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической кристаллической решёткой.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов. Твёрдый раствор углерода в α- и δ-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит, хотя их атомные структуры одинаковы. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

• В области высоких давлений возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной 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.

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

В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной  кислоты железо растворяется:

Fе + 4НNО₃ = Fе(NО₃)₃ + NО ↑  + 2Н₂О

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

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.

3. Соединения железа в степени окисления +2.
1. Оксид железа (II).

Оксид железа (II) – FeO. Черное кристаллическое вещество, молекула имеет ионное строение. Проявляет основные свойства (хотя взаимодействует с расплавами щелочей, проявляя слабую амфотерность). Не взаимодействует с водой при обычных условиях, но в присутствии кислорода воздуха при слабом нагревании медленно реагирует с парами воды. Проявляет свойства слабого восстановителя. При нагревании разлагается, но при дальнейшем нагревании образуется снова. Взаимодействует с кислотами. Окисляется кислородом до смешанного оксида железа. Восстанавливается водородом, углеродом, угарным газом:

FeO + 2HCl = FeCl₂ + H₂O,

FeO + 4NaOH = Na₄FeO₃ + 2H₂O

4FeO + 6H₂O+ O₂ = 4Fe(OH)₃

FeO Fe₃O₄  +Fe FeO

6FeO + O₂ 2Fe₃O₄,

FeO + H₂ Fe + H₂O,

FeO + C Fe + CO ,

FeO + CO Fe + CO₂ .

Получают FeO восстановлением  смешанного оксида железа угарным газом  или разложением соединений двухвалентного железа в инертной атмосфере:

Fe₃O₄ + CO 3FeO + CO₂ ,

Fe(OH)₂ FeO + H₂O,

FeCO₃ FeO + CO₂ .

2. Гидроксид железа (II).

Гидроксид железа (II) встречается в природе в виде минерала амакинита. Данный минерал содержит примеси магния и марганца (эмпирическая формула Fe_0,7Mg_0,2Mn_0,1(OH)₂). Цвет минерала жёлто-зелёный или светло-зелёный, твёрдость по Моосу 3,5—4, плотность 2,925—2,98 г/см³.