Железо - очень важный химический элемент, который широко используется человеком на протяжении тысячелетий. В данной статье мы подробно рассмотрим его свойства, применение, а также ответим на вопрос "какова температура кипения железа?".
Общие сведения
Железо относится к переходным металлам, его атомный номер 26. В периодической системе Д.И. Менделеева железо находится в 4 периоде и 8 группе.
В чистом виде при обычных условиях это серебристо-белый блестящий металл. Однако на воздухе железо быстро покрывается оксидной пленкой и приобретает серый оттенок.
Железо - один из самых распространенных в земной коре металлов: второе место после алюминия.
По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. Содержание железа в земной коре составляет около 5%. В мантии его еще больше - примерно 12%. Таким образом, железо один из основных элементов нашей планеты.
Свойства
Рассмотрим подробнее физические и химические свойства железа.
Физические свойства
Чистое железо относится к пластичным металлам при нормальных условиях. Однако различные примеси, в первую очередь углерод, могут значительно повысить его твердость и хрупкость.
Для железа характерен полиморфизм - оно может существовать в нескольких кристаллических модификациях. При различных температурах железо переходит из одной аллотропной формы в другую.
- α-железо - при температурах ниже 910°С. Имеет объемно-центрированную кубическую решетку.
- γ-железо - в интервале температур 910-1390°С. Имеет гранецентрированную кубическую решетку.
- δ-железо - выше 1390°С. Опять объемно-центрированная кубическая.
Переходы между этими модификациями очень важны для промышленной обработки стали.
Другие физические константы железа:
- Температура плавления: 1539°C
- Какова температура кипения железа? - 2862°C
- Плотность: 7,9 г/см3
Железо обладает высокой тепло- и электропроводностью, а также ферромагнитными свойствами. Последнее означает, что выше температуры Кюри (768°С) железо теряет магнитные свойства.
Химические свойства
Химическая активность железа зависит от степени его чистоты, а также условий, в которых оно находится. В частности, влажность и наличие кислорода сильно влияют на скорость окисления железа.
В зависимости от условий железо может проявлять различные степени окисления:
- +2 - закисное железо FeO, в солях чаще всего присутствует в виде катиона Fe2+
- +3 - окисное железо Fe2O3, амфотерный оксид
- +6 - в ферратах типа K2FeO4 железо находится в состоянии Fe6+
Чистое железо довольно устойчиво в воде и разбавленых растворах щелочей. Однако в кислотах, даже разбавленных, оно активно растворяется с выделением водорода.
Коррозия (окисление) железа происходит гораздо быстрее в присутствии влаги и замедляется образованием на поверхности защитной оксидной пленки.
Получение
Температура плавления и кипения железа определяет условия и способы получения этого металла. Существует несколько промышленных методов производства железа.
Наиболее распространенным является доменный процесс.
Он основан на восстановлении оксидов железа из руды (чаще всего магнетита или гематита) углеродом. Восстановление железа происходит при температурах около 2000°С в специальной шахтной печи, которая называется доменной.
Сначала происходит горение кокса - основного источника углерода. При этом выделяется оксид углерода (II):
2C + O2 = 2CO
Затем монооксид углерода восстанавливает оксиды железа:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Таким образом, получается жидкий расплав, который содержит чугун с большим количеством примесей и углерода (до 6%). Для получения стали и железа из него удаляют лишний углерод в процессах конвертирования или мартеновской плавки.
Применение
Применение железа очень широкое и многообразное. На него приходится до 95% всего мирового производства металлов. Это связано с уникальным набором полезных свойств железа и его сплавов (в первую очередь, стали).
Промышленность
Железо и сталь широко используются для изготовления конструкционных материалов, машин, механизмов, оборудования, транспорта. Важное значение также имеет электротехническая сталь, которая применяется для производства силовых трансформаторов, двигателей, генераторов и т.д.
Строительство
В строительстве используют стальную арматуру, листовое железо, металлоконструкции, чугунные радиаторы отопления.
Быт
В бытовых целях применяют различные предметы из железа, чугуна и стали - посуда, инструмент, мебель и т.д. Также очень популярна кровля из оцинкованной стали.
Биология
Железо является необходимым для жизни микроэлементом. Оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород к клеткам организма. Также железо присутствует во многих ферментах.
Недостаток железа вызывает малокровие и анемию. А его избыток тоже вреден - приводит к болезням печени.
Добыча и запасы железных руд
Основным источником для промышленного производства железа служат железные руды. Наиболее распространены среди них гематит Fe2O3 (до 70% железа), магнетит Fe3O4 (72% железа), лимонит FeO(OH) (до 60% железа) и сидерит FeCO3 (48% железа).
Мировые разведанные запасы железных руд оцениваются приблизительно в 800 миллиардов тонн. Основные страны по запасам:
- Россия
- Австралия
- Бразилия
- Китай
- Украина
По добыче лидируют Китай, Австралия и Бразилия. В 2019 году в мире было добыто около 2,9 млрд тонн железной руды на сумму более 360 млрд долларов.
Сплавы железа
В чистом виде железо применяется достаточно редко. Чаще используют различные сплавы на его основе. К ним относятся:
Сталь
Наиболее популярный сплав, содержащий до 2,14% углерода. Сталь обладает высокой прочностью, пластичность при этом сохраняется. В зависимости от состава легирующих элементов различают множество марок стали с разными свойствами.
Чугун
Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода. Из-за высокого содержания углерода чугун более хрупкий по сравнению со сталью. Применяют для производства труб, деталей машин, радиаторов отопления.
Ферросплавы
Сплавы железа с другими элементами, например, кремнием, марганцем, хромом и т.д. Их используют главным образом как добавки при выплавке различных марок стали и чугуна.
Коррозия железа
Большинство сплавов железа подвержены коррозии - постепенному разрушению металла в результате химического воздействия окружающей среды.
Наиболее распространены следующие виды коррозии:
- Атмосферная - действие кислорода и влаги воздуха
- Почвенная - воздействие влажных почв и грунтов
- Химическая - в результате контакта с агрессивными химическими веществами
Для защиты от коррозии применяют различные методы - легирование, металлические и неметаллические покрытия, электрохимическую защиту и др.
