Хімічні і фізичні властивості заліза, застосування

Одним з найбільш поширених металів у земній корі після алюмінію вважається залізо. Фізичні і хімічні властивості його такі, що воно володіє відмінною електропровідність, теплопровідність і ковкістю, має сріблясто-білий колір і високу хімічну реакційну здатність швидко кородувати при високій вологості повітря або великих температурах. Перебуваючи в дрібнодисперсному стані, воно в чистому кисні горить і самозаймається на повітрі.

Початок історії заліза

У третьому тисячолітті до н.е. люди почали видобувати і навчилися обробляти бронзу і мідь. Широкого застосування із-за дорожнечі вони не отримали. Тривали пошуки нового металу. Історія заліза почалася в першому столітті до н. е. В природі його можна зустріти тільки у вигляді сполук з киснем. Для одержання чистого металу необхідно відокремити останній елемент. Розплавити залізо довго не вдавалося, так як його треба було нагріти до 1539 градусів. І тільки з появою сиродутних печей в першому тисячолітті до нової ери стали отримувати цей метал. На перших порах він був крихким, містив багато шлаків. З появою горнів якість заліза значно покращився. Подальшу обробку воно проходило в коваля, де ударами молота відокремлювався шлак. Ковка стала одним з головних видів обробки металу, а ковальська справа незамінною галуззю виробництва. Залізо в чистому вигляді – це дуже м’який метал. В основному його використовують у сплаві з вуглецем. Ця добавка посилює така фізична властивість заліза, як твердість. Дешевий матеріал незабаром широко проник в усі сфери діяльності людини і зробив переворот у розвитку суспільства. Адже ще в давні часи залізні вироби покривалися товстим шаром золота. Воно мало високу ціну в порівнянні з благородним металом.

Залізо в природі

Одного алюмінію в літосфері міститься більше, ніж заліза. У природі його можна зустріти тільки у вигляді сполук. Тривалентне залізо, вступаючи в реакцію, забарвлює ґрунт у бурий колір і надає піску жовтуватий відтінок. Оксиди і сульфіди заліза розкидані в земній корі, іноді спостерігаються скупчення мінералів, з яких згодом і видобувають метал. Зміст двовалентного заліза в деяких мінеральних джерелах надає воді особливий присмак. Іржава вода, що тече із старих водопровідних труб, забарвлюється за рахунок тривалентного металу. Його атоми перебувають в організмі людини. Вони містяться в гемоглобіні (железосодержащем білку) крові, який забезпечує організм киснем і виводить вуглекислий газ. У складі деяких метеоритів міститься чисте залізо, іноді зустрічаються цілі злитки.

Якими фізичними властивостями залізо володіє?

Це пластичний сріблясто-білий метал з сіруватим відтінком, має металевий блиск. Він є хорошим провідником електричного струму і теплоти. Завдяки пластичності він прекрасно піддається куванню і прокатці. Залізо не розчиняється у воді, але розріджується в ртуті, плавиться при температурі 1539 і кипить при 2862 градусів за Цельсієм, має щільність 7,9 г/см3. Особливістю фізичних властивостей заліза є те, що метал притягається магнітом і після анулювання зовнішнього магнітного поля зберігає намагніченість. Використовуючи ці властивості, його можна застосовувати для виготовлення магнітів.

Хімічні властивості

Залізо володіє наступними властивостями:

на повітрі та у воді легко окисляється, покриваючись іржею;
у кисні напружена дріт горить (при цьому утворюється окалина у вигляді оксиду заліза);
при температурі 700-900 градусів за Цельсієм вступає в реакцію з парами води;
при нагріванні реагує з неметалами (хлором, сіркою, бромом);
вступає в реакції з розведеними кислотами, в результаті утворюються солі заліза і водень;
не розчиняється у лугах;
здатне витіснити метали із розчинів їх солей (залізний цвях у розчині мідного купоросу, покривається червоним нальотом, – це виділяється мідь);
у концентрованих лугах при кип’ятінні проявляється амфотерність заліза.

Особливість властивостей

Одним із фізичних властивостей заліза є ферромагнитность. На практиці з магнітними властивостями цього матеріалу доводиться зустрічатися часто. Це – єдиний метал, який володіє такою рідкісною рисою. Під дією магнітного поля відбувається намагнічування заліза. Сформувалися магнітні властивості метал ще довго зберігає і сам залишається магнітом. Таке виняткове явище пояснюється тим, що структура заліза містить велику кількість вільних електронів, здатних пересуватися.

Запаси і видобуток

Одним з найбільш поширених елементів на землі є залізо. За вмістом у земній корі займає четверте місце. Відомо безліч руд, які містять його, наприклад, магнітний і бурий залізняк. Метал в промисловості одержують в основному з руд гематиту і магнетиту за допомогою доменного процесу. Спочатку відбувається його відновлення вуглецем в печі при високій температурі 2000 градусів за Цельсієм. Для цього зверху в доменну піч подають залізну руду, кокс і флюс, а знизу нагнітається потік гарячого повітря. Також застосовують і прямий процес отримання заліза. Подрібнену руду перемішують із спеціальним глиною, отримуючи окатиші. Далі їх обпалюють і з допомогою водню обробляють в шахтної печі, де воно легко відновлюється. Отримують тверде залізо, а потім переплавляють його в електричних печах. Чистий метал відновлюють з оксидів за допомогою електролізу водних розчинів солей.

Переваги заліза

Основні фізичні властивості речовини заліза дають йому і сплавів наступні переваги перед іншими металами:

Володіють твердістю і міцністю, зберігаючи пружність. У різних сплавів ці якості неоднакові і залежать від легуючих добавок, засобів виробництва і термообробки.
Велика різноманітність чавуну і сталі дозволяють використовувати їх для будь-яких потреб у народному господарстві.
Високі магнітні властивості металу незамінні для виготовлення магнітопроводів.
Здійснимість легкої механічної обробки, завдяки фізичним властивостям заліза, дає можливість з його сплавів отримувати листи, прутки, балки, труби, фасонні профілі.
Значна ковкість матеріалу дозволяє використовувати його для декоративних виробів.
Низька вартість сплавів.

Недоліки

Крім великого числа позитивних якостей, є і ряд негативних властивостей металу:

Вироби схильні до корозії. Для усунення цього небажаного ефекту з допомогою легування одержують нержавіючі сталі, а в інших випадках роблять спеціальну антикорозійну обробку конструкцій і деталей.
Залізо накопичує статичну електрику, тому вироби, що його містять, піддаються електрохімічній корозії і також вимагають додаткової обробки.
Питома вага металу становить 7,13 г/см3. Це фізична властивість заліза надає конструкцій і деталей підвищену вагу.

Склад і структура

У заліза по кристалічному ознакою є чотири модифікації, які відрізняються структурою і параметрами решітки. Для виплавки сплавів саме наявність фазових переходів і легуючих добавок має істотне значення. Розрізняють наступні стани:

Альфа-фаза. Вона зберігається до 769 градусів за Цельсієм. У цьому стані залізо зберігає властивості феромагнетика і має об’ємно-центрованої гратами кубічного типу.
Бета-фаза. Існує при температурі від 769 до 917 градусів за Цельсієм. Має трохи інші параметри решітки, ніж у першому випадку. Всі фізичні властивості заліза залишаються незмінними за винятком магнітних, їх воно втрачає.
Гамма-фаза. Будова решітки стає гранецентрированным. Така фаза проявляється в діапазоні 917-1394 градусів Цельсія.
Омега-фаза. Такий стан металу з’являється при температурі вище 1394 градусів Цельсія. Від колишньої відрізняється тільки параметрами решітки.

Залізо – самий затребуваний метал у світі. Більше 90 відсотків всього металургійного виробництва припадає саме на нього.

Застосування

Люди почали використовувати спочатку метеоритне залізо, яке цінували вище від золота. З тих пір область застосування цього металу тільки розширювалася. Нижче представлено застосування заліза, на основі його фізичних властивостей:

феромагнітні оксиди використовують для виробництва магнітних матеріалів: промислових установок, холодильників, сувенірів;
оксиди заліза застосовують як мінеральні фарби;
хлорид заліза незамінний в радіоаматорський практиці;
сульфати заліза використовують у текстильній промисловості;
магнітна окис заліза – один з важливих матеріалів для виробництва пристроїв довготривалої комп’ютерної пам’яті;
ультрадисперсних порошок заліза знаходить застосування в чорно-білих лазерних принтерах;
міцність металу дозволяє виготовляти зброю і броню;
зносостійкий чавун можна використовувати для виробництва гальм, дисків зчеплення, а також деталей для насосів;
жаростійкий – для доменних, термічних, мартенівських печей;
жароміцний – для компресорного устаткування, дизельних двигунів;
високоякісна сталь використовується для газопроводів, корпусу опалювальних котлів, сушарок, пральних і посудомийних машин.

Висновок

Під залізом часто мають на увазі не сам метал, а його сплав – низьковуглецевий електротехнічну сталь. Отримання чистого заліза досить складний процес, і тому його використовують тільки для виробництва магнітних матеріалів. Як вже зазначалося, що виключне фізична властивість простої речовини заліза – це феромагнетизм, тобто здатність намагнічуватися в присутності магнітного поля. Магнітні властивості чистого металу до 200 разів перевищують такі ж показники технічної сталі. На це властивість впливає і зернистість металу. Чим крупніше зерно, тим вище магнітні властивості. В деякій мірі впливає і механічна обробка. Таке чисте залізо, що задовольняє цим вимогам, використовують для отримання магнітних матеріалів.