Ж

Железо

Железо (лат. Ferrum) - химический элемент VIII группы периодической системы Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847

Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее ученые не знают, когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек начал еще в начале I тысячелетия до н.э. На смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия железа на территории Европы и Азии начала развиваться еще в IX-VII вв. до н. э.

Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Ежегодно на нашу Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их - железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных железных метеоритов весит около 60 т. Он найден в 1920 г. в юго-западной части Африки. У "небесного" железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддается ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное железо. Оружие из "небесного" металла долгие века оставалось чрезвычайно редким и драгоценным.

Железо обнаружено также и на Луне, причем в лунном грунте оно присутствует в самородном, не окисленном состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы.

На Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.

В древности железо ценилось очень высоко. В "Географии" древнегреческого ученого Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота... Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации. Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространенности соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них (см. Металлургия).

Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.

По запасам в земной коре железо занимает четвертое место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям ученых, состоит из никеля и железа. Но это железо недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником железа остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит Fe₃O₄, гидрогетит FeO₂ · nH₂O, гематит Fe₂O₃ и сидерит FeCO₃. Они составляют основу главных железных руд - магнитного, бурого, красного и шпатового железняка. Больше всего железа - 72,4% - в магнетите. Крупнейшие в СССР железорудные месторождения - Курская магнитная аномалия, Криворожское железорудное месторождение, на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), в Казахстане - Соколовское и Сарбайское месторождения.

Кровь человека под микроскопом

Железо - блестящий серебристо-белый металл, его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).

Молекула гемоглобина

Рассказывая о свойствах железа, нужно прежде всего оговорить; о каком железе идет речь - о технически чистом железе или о железе высшей чистоты. Разница в их свойствах - и физических, и химических - достаточно велика. Технически чистое железо называется низкоуглеродистой электротехнической сталью. В этом названии отражены и назначение материала, и характер главных примесей: углерода 0,02-0,04%, а кислорода, серы, азота и фосфора еще меньше. Железо высшей чистоты содержит менее 0,001% примесей. Оба материала обладают хорошими магнитными свойствами, оба хорошо свариваются. Однако если технически чистое железо - металл средней химической активности, то высокочистое - почти инертно. Очень мала и растворимость в нем газов, особенно кислорода. Механические свойства высокочистого железа - невысокие, прочность - намного меньше, чем у любой стали или чугуна. В качестве конструкционного материала железо высшей чистоты непригодно. Однако, если в высокочистое железо ввести в определенном порядке легирующие добавки, оно сможет выдержать нагрузку до 600 кг/см² вместо обычных 17-21.

Железо - один из важнейших элементов жизни. Кровь содержит железо, и именно оно определяет цвет крови, а также ее основное свойство - способность связывать и отдавать кислород. Такой способностью обладает комплексное соединение - гем - составная часть молекулы гемоглобина. Для обнаружения железа в растворах служит роданид калия KSCN. Если его добавить к раствору трехвалентного железа FeCl₃, раствор окрасится в кроваво-красный цвет: образуется соединение Fe(SCN)₃. Минералы, содержащие железо: красный железняк, или гематит, Fe₂O₃; пирит FeS₂. Железо - металл войны, но это и важнейший металл мирной техники. Из железа, как полагают ученые, состоит ядро Земли, и вообще на Земле это один из самых распространенных элементов. На Луне железо найдено в больших количествах в двухвалентном состоянии и самородное. В таком же виде железо существовало и на Земле, пока на ней восстановительная атмосфера не сменилась на окислительную, кислородную. Еще в глубокой древности было открыто замечательное явление - магнитные свойства железа, которые объясняются особенностями строения электронной оболочки атома железа.

Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2, +3, +6, редко 4-1, + 4 и даже 0 (в карбониле Fe(CO)5). Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO оксид железа (II), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe₂₊ образуются при растворении железа в разбавленных кислотах. А вот в концентрированных сильных кислотах - азотной и серной - железо не растворяется: оно, как говорят специалисты, пассивируется благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной пленки. Практически не растворяется железо и в щелочах (кроме горячих концентрированных растворов).

Соли трехвалентного железа Fe (III) обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом, если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется; характерная для Fe²⁺ светло-зеленая окраска изменяется на бурую. Соли трехвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная H₂FeO₄ и железистая HFeO₂ кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их - ферраты и ферриты известны и изучены достаточно хорошо.

Оксид трехвалентного железа Fe₂O₃. Оксид состава Fe₃O₄ рассматривают как соединение FeO и Fe₂O₃. Гидроксиды двух- и трехвалентного железа Fe(OH)₂ и Fe(OH)₃ в воде растворяются плохо и, в отличие от оксидов, не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений железа, но и как важнейшее сырье для черной металлургии.

Подобно другим переходным металлам, железо образует также множество комплексных соединений.

Многие соединения железа практически важны. Хлорид железа FeCl₃, например, используется как коагулянт при очистке воды, как катализатор в органическом синтезе. Ферриты, особенно двухвалентных металлов, широко применяются в вычислительной технике. Важно не путать два понятия: ферриты-соли железистой кислоты, и феррит - устойчивую при обычных условиях полиморфную модификацию железа, иначе называемую альфа-железом.

Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них - дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина железо в нашем организме есть еще и в миолгобине - белке, запасающем кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты. Есть, наконец, белковый комплекс ферритин, из которого образуются все другие необходимые организму железосодержащие вещества (см. Белки).