Железо
химический элемент с порядковым номером 26, металл и материал, имеющий в основе этот металл / Материал из Википедии — свободной encyclopedia
Уважаемый Wikiwand AI, давайте упростим задачу, просто ответив на эти ключевые вопросы:
Перечислите основные факты и статистические данные о Железо?
Кратко изложите эту статью для 10-летнего ребёнка
Желе́зо (химический символ — Fe, от лат. Ferrum) — химический элемент 8-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26.
Железо | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
← Марганец | Кобальт → | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Внешний вид простого вещества | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Сверхчистое железо |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Свойства атома | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Название, символ, номер | Железо / Ferrum (Fe), 26 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Группа, период, блок |
8 (устар. 8), 4, d-элемент |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Атомная масса (молярная масса) |
55,845(2)[1] а. е. м. (г/моль) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электронная конфигурация |
[Ar] 3d64s2 1s22s22p63s23p63d64s2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус атома | 140 [2] 126[3] пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Химические свойства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ковалентный радиус | 117 пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Радиус иона | (+3e) 63 (+2e) 77 [3] пм | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электроотрицательность | 1,83 (шкала Полинга) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Электродный потенциал |
Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Степени окисления | +2; +3 (наиболее характерны) +1; +4; +6; +8 (встречаются реже) [2] +7 (в ионном соединении) [4]. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Энергия ионизации |
1‑я: 759,1 (7,893)[2] кДж/моль (эВ)
3‑я: (30,65) кДж/моль (эВ) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Термодинамические свойства простого вещества | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Плотность (при н. у.) | 7,874 г/см³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура плавления | 1812 K (1538,85 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура кипения | 3134 K (2861 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Мол. теплота плавления | 247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Мол. теплота испарения | ~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярная теплоёмкость | 25,14[5] Дж/(K·моль) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Молярный объём | 7,1 см³/моль | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Кристаллическая решётка простого вещества | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Структура решётки | Кубическая объёмноцентрированная | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Параметры решётки | 2,866 Å | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Температура Дебая | 460 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Прочие характеристики | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Теплопроводность | (300 K) 80,4 Вт/(м·К) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Номер CAS | 7439-89-6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Эмиссионный спектр | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Наиболее долгоживущие изотопы | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Основная статья: Изотопы железа
|
26 | Железо |
55,845 | |
3d64s2 |
Простое вещество железо — это ковкий переходный металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует на воздухе при высоких температурах или при высокой влажности. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается на воздухе.
Один из самых распространённых в земной коре металлов: второе место после алюминия.
Собственно 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 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, ванадий и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов, а также доступность делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего — в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,7 %[3] (4-е место после O, Si, Al[6]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра, что проявляется в наличии магнитного поля Земли.
Содержимое этого раздела нуждается в чистке. |
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 изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), украшения из египетских гробниц (около 3800 года до н. э.)[7][8] и кинжал из шумерского города Ура (около 3100 года до н. э.).[9]
Первыми освоили метод выплавки железа хатты. На это указывает древнейшее (2-е тысячелетие до н. э.) упоминание железа в текстах хеттов, основавших свою империю на территории хаттов (современной Анатолии в Турции)[10].
В древности мастерами железных изделий считались халибы[11].
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.[12] В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие описан «одр железный» рефаимского царя Ога[13].
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[14].
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.
В дальнейшем филистимляне 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 °C, а чистое железо плавится при 1535 °C). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100—1200 °C, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке) и не обладающий упругостью стали.[15][неавторитетный источник] Первоначально его считали[кто?] вредным побочным продуктом (англ. pig iron, по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилось[кем?], что при повторной переплавке в печи с усиленным продуванием через него 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[16].
Праславянское *želězo (белор. жалеза, укр. залізо, ст.‑слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, польск. żelazo, чеш. železo, словен. železo) имеет ясные параллели в балтийских языках (лит. geležis, латыш. dzelzs). Слово является однокоренным словам «железа» и «желвак»; и имеет смысл «округлый камень, окатыш, блямба»[17].
Имеется несколько версий дальнейшей этимологии этого балтославянского слова.
Одна из них связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень»[18][19]. Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка[20].
Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum. Латинское ferrum (< *ferzom), возможно, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего, из финикийского. Ср. ивр. barzel, шумерск. barzal, ассирийск. parzilla[21]. Отсюда же, вероятно, баскское burdina.
Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn, англ. iron, нем. Eisen, нидерл. ijzer, дат. jern, швед. järn) из кельтских[22].
Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h1esh2r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish2ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой»[23].
Древнегреческое слово σίδηρος (sidеros), возможно, происходит от той же основы, что и славянские, германские и балтийские слова, обозначающие "серебро"[24].
Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. 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.
Природное железо состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe (изотопная распространённость 5,845 %), 56Fe (91,754 %), 57Fe (2,119 %) и 58Fe (0,282 %). Также известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72, наиболее устойчивые из которых — 60Fe (период полураспада по уточнённым в 2009 году данным составляет 2,6 миллиона лет[25]), 55Fe (2,737 года), 59Fe (44,495 суток) и 52Fe (8,275 часа); остальные изотопы имеют период полураспада менее 10 минут[26].
Изотоп железа 56Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут увеличить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы увеличить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд (см. Железная звезда), а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых[27].
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 %. Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002—0,02 мг/л. В речной воде его концентрация значительно выше — 2 мг/л.
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, FeO · Fe2O3 или Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). 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 Fe3(PO4)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[источник не указан 4002 дня].
Содержание железа в морской воде — 1⋅10−5—1⋅10−8 %.
Другие часто встречающиеся минералы железа[28]:
- Сидерит — FeCO3 — содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см3 и твёрдость 3,5—4,5 по шкале Мооса.
- Марказит — FeS2 — содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6—4,9 г/см3 и твёрдостью 5—6 по шкале Мооса.
- Лёллингит — FeAs2 — содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7—7,4 г/см3, твёрдость 5—5,5 по шкале Мооса.
- Миспикель — FeAsS — содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6—6,2 г/см3 и твёрдостью 5,5—6 по шкале Мооса.
- Мелантерит — FeSO4·7H2O — реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8—1,9 г/см3.
- Вивианит — Fe3(PO4)2·8H2O — встречается в виде сине-серых или зелёно-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см3 и твёрдостью 1,5—2 по шкале Мооса.
Помимо вышеописанных минералов железа, существуют, например:
- ильменит — FeTiO3
- магномагнетит — (Fe,Mg)[Fe2O4]
- фиброферрит — FeSO4(OH)·4,5H2O
- ярозит — KFe3(SO4)2(OH)6
- кокимбит — Fe2(SO4)3·9H2O
- рёмерит — Fe2+Fe3+2(SO4)4·14H2O
- графтонит — (Fe,Mn)3(PO4)2
- скородит — Fe3+AsO4·2H2O
- штренгит — FePO4·2H2O
- фаялит — Fe2SiO4
- альмандин — Fe3Al2[SiO4]3
- андрадит — Ca3Fe2[SiO4]3
- гиперстен — (Fe,Mg)2[Si2O6]
- геденбергит — (Ca,Fe)[Si2O6]
- эгирин — (Na,Fe)[Si2O6]
- шамозит — Fe2+4Al[AlSi3O10](OH)6·nH2O
- нонтронит — (Fe3+,Al)2[Si4O10](OH)2·nH2O
Основные месторождения
По данным Геологической службы США (оценка 2011 года), мировые разведанные запасы железной руды составляют около 160 млрд тонн[29]. Основные залежи железа(в пересчёте на содержание элементарного железа) находятся в России (1 место), Бразилии, Австралии, США, Канаде, Швеции, Германии, Венесуэле, Либерии, Украине, Польше, ЮАР, Японии, Китае, Болгарии, Монголии, Франции, Индии. Эти данные не учитывают открытого недавно в Боливии крупнейшего в мире месторождения Эль-Мутун, запасы которого оцениваются в 40,2 млрд тонн руды[30] (5 % мировых запасов[31]).
В 2019 было добыто 2,896 млрд тонн железной руды, общей стоимостью приблизительно 366 млрд долларов США[32]. Цена железной руды составляет 126,35 долларов за тонну[33].
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, оно имеет четыре кристаллические модификации:
- до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа);
- в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмно-центрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика;
- в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой;
- выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмно-центрированной кубической решёткой.
Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу[34], 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;
- от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;
- от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.
Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо—углерод). Твёрдый раствор углерода в α- и δ-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.
- В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм.[35]) 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 относится к умеренно тугоплавким металлам. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.