Залізо

Залі́зо, фе́рум (хімічний знак — Fe, ) — хімічний елемент з атомним номером 26, що належить до 8-ї групи, 4-го періоду періодичної системи хімічних елементів.

Проста речовина — залі́зо, сріблясто-сірий, електропровідний, пластичний і ковкий метал. Його твердість за Брінеллем не перевищує 100 HB; модуль Юнга — 190—210·103 МПа; модуль зсуву — 8,4·103 МПа; границя міцності на розрив — 170—210 МПа, границя плинності — 100 МПа; ударна в'язкість — 300 МПа; середня питома теплоємність (273—1273 К) — 640,57 Дж/кг·К; густина — 7874 кг/м³. На повітрі легко окиснюється, вкриваючись іржею FeO·nH2O, що сповільнює подальше його руйнування. Серед інших породотвірних елементів залізо має максимальну атомну масу.

Походження назви Українське «залізо» походить від давнішого «желізо» (): спочатку відбулася асиміляція «ж» зі «з» у третьому складі («зелізо»), потім початкове «зе-» змінилося на «за-» внаслідок зближення з приставкою «за».

Згідно з основною версією, (, , , , , , , , ) походять від («щось тверде»). У праіндоєвропейській мові слова для означення заліза, судячи з всього, не було: існування індоєвропейської мовно-культурної спільності закінчується у добу ранньої бронзи. Отже, слова зі значенням «залізо» у кожній індоєвропейській мові виникли пізніше і від різних коренів. Праслов'янському *želězo співзвучні слова для позначення цього металу у балтійських мовах: , жем. gelžis, , прусськ. gelso. Балтослов'янська назва заліза вважається похідною від праіндоєвропейського слова *ghelghos і відбиває велику твердість цього матеріалу порівняно з раніш уживаними металами — міддю, бронзою. У грецькій мові похідні від *ghelghos мають значення «мідь» (χαλκος) та «черепаха» (χελυς). З того ж давнього кореня слова жовно, жолудь, залоза, староукр. желв і («черепаха»).

Інша версія — від санскритського «джальжа», що означало «метал», «руда»Мезенин Н. А. Занимательно о железе. М. «Металлургия», 1972. 200 с.. Висловлювалася також думка про запозичення цього слова балто-слов'янами з якоїсь мови доіндоєвропейського населення Європи.

Друга наукова назва хімічного елемента і термін у романських мовах (, , , , ) походить від . Латинське ferrum, скоріш за все, запозичене із якоїсь східної мови, ймовірно, з фінікійської (для порівняння: , шум. barzal, ассир. parzilla).Walde A. Lateinisches etymologisches Wörterbuch. — Carl Winter's Universitätsbuchhandlung. — 1906. — С. 285.

Германські мови запозичили назву заліза (готськ. eisarn, , , , , ) з кельтських мов.Мейе, А. Основные особенности германской группы языков / А. Мейе. М., 1952.

Поширення в природі За поширеністю у природі залізо посідає друге місце серед металів (після алюмінію): на нього припадає 5,10 % маси земної кори, а за вмістом у ній посідає 4-те місце. Зустрічається виключно у вигляді сполук — вільне залізо знаходять лише в метеоритах.

Залізо — поширений елемент метеоритної речовини: в кам'яних метеоритах міститься до 25 %, а в залізних 90,85 мас.% Fe. Космічна поширеність заліза близька до його вмісту в фотосфері Сонця — 627 г/т. Частка заліза в речовині Землі досить велика — 38,8 %. Найбідніша на залізо — поверхня Землі.

Найважливішими природними сполуками заліза, що мають промислове значення, є магнітний залізняк Fe3O4, червоний залізняк Fe2O3, бурий залізняк Fe2O3 · nH2O та пірит FeS2. Оксиди заліза служать рудами, з яких добувають залізо, а сульфіди — сировиною для сульфатно-кислотного виробництва.

Поширеність заліза в гірських породах (% за масою): ультраосновні — 9,85; основні — 8,56; середні — 5,85; кислі — 2,70; лужні — 3,60; осадові — 3,33. Відомо понад 300 мінералів, що містять залізо: оксиди, сульфіди, силікати, фосфати, карбонати та ін.

Найважливіші мінерали заліза: гематит Fe2O3 (70 % Fe), магнетит Fe3O4 (72,4 % Fe), ґетит FeOOH (62,9 % Fe), лепідокрокіт FeO(OH) (62,9 % Fe), лімоніт — суміш гідроксидів Fe з SiO2 та ін. речовинами (40-62 % Fe), сидерит FeCO3 (48,2 % Fe), ільменіт FeTiO3 (36,8 % Fe), шамозит (34-42 % FeO), вівіаніт (43,0 % FeO), скородит (34,6 % Fe2О3), ярозит (47,9 % Fe2О3) та ін.

Багаті родовища магнітного залізняка зосереджені на Уралі поблизу Магнітогорська та в Курській області (так звана Курська магнітна аномалія). Родовища червоного залізняка є в Україні поблизу м. Кривий Ріг. Родовища бурого залізняка зосереджені на Керченському півострові. Крім того, потужні родовища залізних руд виявлено і в інших місцях — на Кольському півострові, в Сибіру і на Далекому Сході.

Ізотопи

Природне залізо складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54Fe (ізотопна поширеність 5,845 %), 56Fe (91,754 %), 57Fe (2,119 %) і 58Fe (0,282 %). Також відомо понад 20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найстійкіші з яких — 60Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даними становить 2,6 мільйона років ), 55Fe (2,737 року), 59Fe (44,495 доби) і 52Fe (8,275 години); інші ізотопи мають період напіврозпаду менше 10 хвилинG. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties» .

Ізотоп заліза 56Fe належить до найстабільніших ядер із найбільшою енергією зв'язку у розрахунку на один нуклон. Усі попередні елементи можуть збільшувати ядерну енергію зв'язку за рахунок синтезу, а всі наступні — лише шляхом розпаду. Вважають, що залізом закінчується процес синтезу елементів в ядрах нормальних зірок. Раніше вважалося, що всі наступні елементи можуть утворитися тільки в результаті вибухів надновихЮ. М. Широков, Н. П. Юдин. Ядерная физика. М.: Наука, 1972. Глава Ядерна космофізика. . Проте за сучасними уявленнями, синтез елементів, важчих за залізо, відбувається не лише у наднових, а й у надрах зір-гігантів на пізніх стадіях їх еволюції завдяки s-процесу.

Історія заліза

Використання заліза почалося набагато раніше, ніж його виробництво. Перші залізні вироби мали космічне (метеоритне) походження і були виготовлені з уламків метеоритів ще в III—II тис. до н. е. Час від часу знаходили шматки сірувато-чорного металу, який перековували на кинджал або наконечник списа, що був зброєю міцнішою і пластичнішою, ніж бронза, і довше тримав гостре лезо.

Першим кроком у зародженні металургії заліза було отримання його шляхом відновлення з окису. Руда перемішувалася з деревним вугіллям і закладалася в піч. При високій температурі, створюваної горінням вугілля, вуглець починав з'єднуватися не лише з атмосферним киснем, але і з тим, що пов'язаний з атомами заліза. Після вигоряння вугілля в печі залишалася так звана криця — грудка речовини з домішкою відновленого заліза. Крицю потім знову розігрівали і піддавали обробці куванням, вибиваючи залізо із шлаку. Таке залізо не відрізнялося твердістю та пружністю, тому мало обмежену сферу застосування.

Вперше залізо навчилися обробляти народи Анатолії. Давньогрецька традиція вважала відкривачем заліза народ халібів, для яких традиційно вживалася стійка назва «батько заліза», і сама назва народу бере початок саме від грецького слова Χάλυβας («залізо»).

«Залізна революція» почалася на межі I тисячоліття до н. е. в Ассирії. З VIII століття до н. е. зварне залізо швидко стало поширюватися в Європі. Першими, хто почав на землях сучасної України виплавляти з болотної руди залізо, були кімерійці (VII ст. до н. е.)Історія України: Навчальний посібник / Бойко О. Д. — К.: Академвидав, 2006.- 686 c.. У IV—III ст. до н. е. більша частина арсеналу зброї скіфських воїнів — мечі, кинджали, бойові сокири тощо було виготовлено з заліза. У III столітті до н. е. залізо витіснило бронзу в Галлії, у II столітті нової ери з'явилося у Німеччині, а в VI столітті нашої ери вже широко вживалося в Скандинавії. В Японії залізна доба настала лише в VIII столітті нашої ери.

Побачити залізо у рідкому стані металурги змогли лише в XIX столітті, однак, ще на початку I тисячоліття до нової ери — індійські майстри зуміли вирішити проблему отримання пружної сталі без розплавлення заліза. Таку сталь називали булатом, але через складність виготовлення і відсутність необхідних матеріалів у більшій частині світу ця сталь так і залишилася індійським секретом на тривалий час.

Технологічніший шлях одержання пружної сталі, при якому не потрібні ні особливо чиста руда, ні графіт, ні спеціальні печі, було винайдено в Китаї в II столітті нашої ери. Сталь перековували дуже багато разів, під час кожного кування складаючи пластину вдвічі, внаслідок чого виходив відмінний матеріал для зброї, що отримав назву дамаська сталь, з якого, зокрема, робилися японські катани.

З XVI століття в Європі набув поширення так званий переробний процес у металургії — технологія, при якій залізо ще при отриманні за рахунок високої температури плавлення і інтенсивного навуглецьовування перетворюється на чавун, а вже потім, рідкий чавун, звільняючись від зайвого вуглецю при відпалі в горнах, перероблявся на сталь.

Отримання У промисловості залізо отримують із залізної руди, переважно з піриту, гематиту (Fe2O3) і магнетиту (FeO · Fe2O3).

Існують різні способи отримання заліза з руд. Найпоширенішим є доменний процес.

Перший етап виробництва — відновлення заліза вуглецем у доменній печі за температури 2000 °C. У доменну піч вуглець (у вигляді коксу), залізна руда (у вигляді агломерату або окатишів) і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу нагнітається гаряче повітря.

У печі вуглець у вигляді коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Цей оксид утворюється під час горіння в умовах нестачі кисню:

У свою чергу, монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза(III):

Флюс додається для позбавлення від небажаних домішок (в першу чергу від силікатів, наприклад, кварцу) у видобутій руді. Типовий флюс містить вапняк (карбонат кальцію) і доломіт (карбонат магнію). Для усунення інших домішок використовують інші флюси.

Дія флюсу (у наведеному випадку — карбонат кальцію) полягає в тому, що під час нагрівання він розкладається до його оксиду:

Оксид кальцію з'єднується з діоксидом кремнію, утворюючи шлак — метасилікат кальцію:

Шлак, на відміну від діоксиду кремнію, плавиться в печі. Легший, ніж залізо, шлак плаває на поверхні — ця властивість дозволяє відділяти шлак від металу. Шлаки потім можуть застосовуватися у будівництві та сільському господарстві. Розплав заліза, отриманий у доменній печі (чавун), містить досить багато вуглецю. Крім тих випадків, коли чавун використовується безпосередньо, він вимагає подальшої переробки.

Надлишки вуглецю та інші домішки (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням у мартенівських печах або в конвертерах. Електричні печі застосовуються для виплавки легованих сталей.

Крім доменного процесу, поширений процес прямого отримання заліза. У цьому випадку попередньо подрібнену руду змішують з особливою глиною, формуючи окатиші. Окатиші обпалюють і обробляють в шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо: ,

при цьому не відбувається забруднення заліза домішками сірки і фосфору, які є звичайними для кам'яного вугілля. Залізо утворюється в твердому вигляді і надалі переплавляється в електричних печах.

Хімічно чисте залізо добувають електролізом розчинів його солей.

Фізичні властивості Залізо — блискучий сріблясто-білий важкий метал. Густина його 7,86 т/м³; температура плавлення 1538 °C, температура кипіння 2862 °C. Залізо досить пластичне. Воно легко кується, штампується, витягується в дріт і вальцюється в тонкі листи, легко намагнічується і розмагнічується. Вище температури Кюрі (770 °C) втрачає феромагнітні властивості. До температури 912 °C існує в алотропній модифікації α-заліза з об'ємноцентрованою кубічною кристалічною ґраткою, за вищої температури — γ-заліза із гранецентрованою кубічною ґраткою, вище 1394 °C знову змінює тип ґратки на об'ємноцентровану кубічну (δ-залізо).

Хімічні властивості