Железо - один из самых важных металлов в нашей повседневной жизни. Оно входит в состав множества предметов, которыми мы пользуемся каждый день. Но при этом мало кто знает, что при температуре около 1539 градусов Цельсия железо начинает плавиться, а кипеть начинает уже при 2862 градусах! Давайте разберемся, откуда берется это удивительное вещество и какие у него уникальные свойства.
История открытия железа
Первые железные предметы появились около 5 тысяч лет до нашей эры на Ближнем Востоке. Они были сделаны из метеоритного железа, упавшего на Землю в виде метеоритов. Такое железо содержит примеси никеля и кобальта. Позже люди научились получать железо из железной руды путем плавки. Этот процесс называется металлургией.
Первое упоминание о металлургическом железе относится к 15 веку до нашей эры в Египте и Месопотамии.
В Древнем Китае железо впервые упоминается как дань мифическому императору Яо. А в Древней Греции бог-кузнец Гефест считался создателем первых железных орудий.
Месторождения железной руды
Основные запасы железной руды в мире находятся в Бразилии, Австралии, Китае, Индии и России. В России крупнейшие месторождения расположены на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке.
- Магнетит
- Гематит
- Лимонит
Это основные виды железной руды. Их добывают в карьерах, обогащают и отправляют на металлургические заводы.
Получение железа
Первобытные люди научились выплавлять железо из руды с помощью примитивных домниц. Сегодня это производится в огромных печах при температуре более 1500 градусов Цельсия. Такие печи называются доменными. В них получается расплавленный чугун, который затем перерабатывают в сталь.
| Fe2O3 | железная руда |
| C | углерод кокса |
| Fe + CO | продукты восстановления |
A чистое железо можно получить электролизом или осаждением из жидких солей железа.
Физические свойства железа
Железо - серебристо-белый блестящий металл, который со временем покрывается ржавчиной. Это происходит из-за окисления железа кислородом воздуха. На самом деле железо существует в нескольких кристаллических модификациях . Например, при нагревании до 769 градусов оно становится парамагнитным.
Кроме того, если в железо добавить хоть чуть-чуть примесей, например углерода или кремния, его свойства сильно меняются. Так появляются разные сплавы на основе железа - стали и чугуны.
Химические свойства железа
Химически железо относится к металлам средней активности. Оно взаимодействует с кислородом, галогенами, серой, азотом и другими элементами. Например, при контакте с влагой железо ржавеет:
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3
Этот процесс называется коррозией. Чтобы защитить железо от ржавчины, его покрывают специальными лаками и красками.
Кроме того, соединения железа могут проявлять окислительные или восстановительные свойства в зависимости от условий. Например, при взаимодействии хлорида железа(III) и йодида калия выделяется свободный йод:
2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl
Эта реакция идет с восстановлением железа(III) до железа(II).
Железо в природе
Железо необходимо для жизни растений, животных и человека. Оно входит в состав гемоглобина, переносящего кислород по организму. При недостатке железа развивается анемия. А избыток железа тоже вреден - он накапливается в печени и других органах.
В почвах и водоемах концентрация железа тоже должна быть оптимальной. Избыток вызывает "цветение" воды, а недостаток приводит к хлорозу растений.
Промышленные сплавы на основе железа
Наиболее распространенные сплавы железа - это сталь и чугун. Они отличаются содержанием углерода и примесей. Например, в чугуне углерода больше, чем в стали. А в легированных сталях еще добавляют марганец, хром, никель и другие элементы для улучшения свойств.
Применение железа и его соединений
Благодаря высокой прочности, сталь и чугун широко используются в машиностроении, строительстве, на транспорте. А соединения железа применяются в сельском хозяйстве как микроудобрения для растений.
Символика и мифология железа
В славянском фольклоре железо обладает магической силой. Считается, что оно помогает защититься от нечистой силы. Поэтому на Руси железными предметами украшали дома и храмы. А в Древней Греции бог-кузнец Гефест выковал молнии Зевса и оружие героев.
Интересные факты о железе
Самая большая железная статуя в мире - это 31-метровая фигура бодхисатвы Авалокитешвары. Она сооружена в провинции Хэбэй Китая. А самый тяжелый метеорит, найденный на Земле - железный метеорит Гоба массой более 60 тонн!
Будущее железа
В будущем возможно появление новых жаропрочных сталей для авиакосмической отрасли. Ученые также ищут заменители железа среди других металлов и их сплавов. Например, перспективны композиты на основе алюминия и титана.
Однако пока температура кипения железа остается высокой - 2862 градуса Цельсия. И в обозримом будущем человечество вряд ли сможет обойтись без этого уникального металла, несмотря на поиски заменителей.
Железо в космосе
В Солнечной системе много железосодержащих объектов - это астероиды и ядра планет земной группы. А на Марсе обнаружены целые железные горы! Там очень много железной руды.
Космические аппараты тоже содержат железо. Оно входит в состав корпусов, приборов и оборудования. Без прочного железа и стали не обойтись в условиях космоса!
Любопытные вопросы о железе
Почему железо ржавеет? Как мы уже выяснили, это происходит из-за окисления и образования гидроксида железа(III) - ржавчины. А сколько железа в организме человека? В среднем всего 4-5 грамм! Но это очень важный микроэлемент для кроветворения и жизнедеятельности.
Железо в искусстве и культуре
В искусстве часто используют художественное литье из чугуна. Это памятники, скульптуры, элементы архитектурного декора. Например, знаменитые ворота с львами в Санкт-Петербурге отлиты из чугуна. А в литературных произведениях железо символизирует силу, несгибаемость характера.
Другие любопытные факты
Знаете ли вы, что точка кипения железа составляет около 3000 градусов по Цельсию? При этой температуре железо переходит из жидкого агрегатного состояния в газообразное. Это гораздо выше, чем у большинства веществ!
Кроме того, у кипения железа есть еще одна удивительная особенность. Она зависит от внешнего давления! Чем выше давление, тем выше точка кипения. Так, на больших глубинах в недрах Земли, где огромное давление, железо не может перейти в газообразное состояние даже при температуре в тысячи градусов!
Применение железа в электротехнике и электронике
Железо широко используется в электротехнике для изготовления магнитопроводов в трансформаторах и электродвигателях. Также оно применяется в катушках индуктивности, реле, катушках магнитных пускателей. Без железа невозможно представить работу этих устройств, ведь железо обладает ферромагнитными свойствами.
Другие области применения железа
Железо и сталь широко используются в строительстве в виде металлических конструкций, арматуры для железобетона. Также железо применяется для изготовления емкостей и трубопроводов в пищевой и химической промышленности благодаря своей химической стойкости. Кроме того, оно незаменимо в производстве инструментов, бытовой техники, мебели и многих других изделий.
Памятники и скульптуры из железа и стали
Благодаря высокой прочности и пластичности, железо часто используется для художественного литья и ковки. Из него делают скульптуры, элементы архитектурного декора, монументы. Например, знаменитая скульптура "Рабочий и колхозница" в Москве и другие грандиозные памятники выполнены из нержавеющей стали.
Железо в организме животных
У животных железо также играет важную роль - входит в состав гемоглобина, миоглобина, ферментов дыхательной цепи. Как и у человека, дефицит или избыток железа опасны для здоровья животных. Поэтому важно следить за сбалансированностью железосодержащих кормов в рационе сельскохозяйственных животных и домашних питомцев.
Железо в атмосфере Земли
В верхних слоях атмосферы присутствуют пары железа, образующиеся в результате испарения метеоритной пыли. Эти частицы железа участвуют в различных физико-химических процессах в стратосфере и ионосфере, влияя на электрические и оптические свойства воздуха. Также они служат центрами конденсации водяного пара, способствуя образованию перистых облаков.
Производство инструментов из железа и стали
Благодаря высокой твердости и износостойкости, сталь часто используется для изготовления режущего и мерительного инструмента, такого как ножи, ножницы, пилы, метчики, фрезы. Качественный инструмент служит долгие годы, сохраняя остроту режущей кромки.
Железо в автомобилестроении
В автомобилестроении применяются специальные марки сталей и сплавов на основе железа. Из них производят двигатели, кузовные детали, подвески, коробки передач и другие ответственные узлы, выдерживающие высокие нагрузки. Благодаря этому автомобили имеют высокую надежность и ресурс работы.
Железо в декоративно-прикладном искусстве
Кованые и литые изделия из железа популярны в декоративно-прикладном творчестве. Из железа делают художественные панно, светильники, мебельную фурнитуру, посуду, украшения. Благодаря разнообразию фактур железа, возможности его окраски и обработки достигается неповторимый эстетический эффект.
Железо в ядерной энергетике
В ядерных реакторах применяется специальная сталь, стойкая к нейтронному облучению и высоким температурам. Из нее делают корпус реактора, тепловыделяющие элементы, поглощающие стержни системы управления и защиты, оболочки твэлов. Без надежного железа невозможна безопасная работа АЭС.
Перспективы использования железа в будущем
В обозримом будущем человечество вряд ли сможет обойтись без железа и стали. Возможно появление принципиально новых материалов, но железо все равно будет одним из основных конструкционных металлов благодаря оптимальному сочетанию характеристик. Ученые работают над созданием более прочных и легких сталей для перспективных отраслей техники.
Применение железа в строительстве
В строительстве широко используется железобетон - бетон, армированный стальной арматурой. Благодаря высокой прочности на растяжение, сталь эффективно воспринимает растягивающие усилия в конструкциях. А бетон хорош на сжатие. Такое сочетание позволяет возводить пролеты, мосты, высотные здания.
Железо в судостроении и кораблестроении
Суда и корабли изготавливают из специальных сортов стали, устойчивых к коррозии. Это необходимо, чтобы выдерживать воздействие морской воды. Корпуса судов собирают из листов стали, соединенных сваркой. А их внутренние механизмы тоже содержат массу деталей из стали и чугуна.
Железо в древних ритуалах и обрядах
Во многих древних культурах железо использовалось в магических обрядах. Считалось, что оно обладает особыми сакральными свойствами. Кузнецы-жрецы выковывали ритуальные ножи, мечи, украшения. Им приписывались чудодейственные способности исцелять, предсказывать будущее, общаться с духами. Железо олицетворяло небесный огонь, молнию, мужское начало.
Влияние железа на экологию
Производство железа и стали сопровождается большими выбросами вредных веществ. Пыль и оксиды железа загрязняют почву, грунтовые воды, воздух. При коррозии металлоконструкций тоже образуются ржавые стоки. Поэтому важно использовать новые технологии очистки, безотходное производство, а также применять качественные лакокрасочные покрытия.
Заменители железа
В некоторых областях сталь успешно заменяют алюминиевые и титановые сплавы, композиты, керамика. Эти материалы легче и менее подвержены коррозии. Однако пока по сочетанию характеристик они уступают стали, поэтому железо сохранит лидирующие позиции еще долгое время.
