ЖЕЛЕЗО

Fe (ferrum),

химический элемент VIIIB подгруппы периодической системы элементов, металл, член триады железа (Fe, Co, Ni). Железо самородное редко встречается в природе, главным образом в минералах феррит, аваруит и метеоритах (т.н. метеоритное железо, которое содержит более 90% Fe). В соединениях с кислородом и другими элементами широко распространено в составе многих минералов и руд. По распространенности в земной коре (5,00%) это третий (после кремния и алюминия) элемент; считается, что земное ядро состоит в основном из железа. Основные минералы — гематит (красный железняк) Fe2O3; лимонит Fe2O3*nH2O (n = 1 — 4), содержащийся, например, в болотной руде; магнетит (магнитный железняк) Fe3O4 и сидерит FeCO3. Наиболее распространенным минералом железа, не являющимся, однако, источником его получения, является пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS2, который иногда называют за его желтый блеск золотом дураков или кошачьим золотом, хотя он в действительности часто содержит небольшие примеси меди, золота, кобальта и других металлов. СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА

Атомный номер 26 Атомная масса 55,847 Изотопы

стабильные 54, 56, 57, 58 нестабильные 52, 53, 55, 59

Температура плавления, ° С 1535 Температура кипения, ° С 3000 Плотность, г/см3 7,87 Твердость (по Моосу) 4,0-5,0 Содержание в земной коре, % (масс.) 5,00 Степень окисления

характерная +2, +3 прочие значения +1, +4, +6

Железо (элементное) известно и используется с доисторических времен. Первые изделия из железа, вероятно, были изготовлены из метеоритного железа в виде амулетов, драгоценностей и рабочего инструмента. Около 3500 лет назад человек открыл способ восстановления красной земли, содержащей оксид железа, в металл. С тех пор из железа было изготовлено огромное количество различных изделий. Оно сыграло важную роль в развитии материальной культуры человечества

(см. также ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК; МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ).

В наши дни железо в основном (95%) выплавляют из руд в виде чугунов и сталей и в сравнительно небольших количествах получают восстановлением металлизованных окатышей, а чистое железо — термическим разложением его соединений или электролизом солей. Железо — один из самых пригодных к эксплуатации металлов в сплаве с углеродом (сталь, чугун) — высокопрочная основа конструкционных материалов. Как материал, обладающий магнитными свойствами, железо используется для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, а также в качестве слоев и пленок на магнитных лентах. Чистое железо — катализатор в химических процессах, компонент лекарственных средств в медицине. Железо является существенным химическим компонентом организмов многих позвоночных, беспозвоночных и некоторых растений. Оно входит в состав гема (пигмента эритроцитов — красных кровяных клеток) гемоглобина крови, мышечных тканей, костного мозга, печени и селезенки. Каждая молекула гемоглобина содержит 4 атома железа, которые способны создавать обратимую и непрочную связь с кислородом, образуя оксигемоглобин. Кровь, содержащая оксигемоглобин, циркулирует по телу, поставляя кислород к тканям для клеточного дыхания. Поэтому железо необходимо для дыхания и образования красных кровяных клеток. Миоглобин (или мышечный гемоглобин) снабжает кислородом мышцы. Общее количество железа в человеческом теле (средней массы 70 кг) составляет 3-5 г. Из этого количества 65% Fe находится в гемоглобине. От 10 до 20 мг Fe ежедневно требуется для обеспечения нормального метаболизма среднего взрослого. Красное мясо, яйца, желток, морковь, фрукты, любая пшеница и зеленые овощи в основном обеспечивают организм железом при нормальном питании; при анемии, связанной с недостатком железа в организме, принимают лекарственные препараты железа. См. также АНЕМИЯ; КРОВЬ.

Свойства. Металлическое железо представляет собой серовато-белое блестящее твердое пластичное вещество. Железо кристаллизуется в трех модификациях (a, g, d). a-Fe имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую решетку, химически устойчиво до 910° С. При 910° С a-Fe переходит в g-Fe, стабильное в интервале 910-1400° С; g-Fe кристаллизуется в гранецентрированной кубической кристаллической решетке (см. также АЛЛОТРОПИЯ). При температуре выше 1400° С образуется d-Fe с решеткой, в основном аналогичной решетке a-Fe. Железо — ферромагнетик, оно легко намагничивается, но теряет магнитные свойства при снятии магнитного поля. С повышением температуры магнитные свойства железа ухудшаются и выше 769° С оно практически не поддается намагничиванию (иногда железо в интервале 769-910° С называют b-Fe); g-Fe не является магнитным материалом. С химической точки зрения железо — довольно активный металл, проявляет характерные степени окисления +2, +3, реже +1, +4, +6. Непосредственно соединяется с некоторыми элементами, с S образует FeS — сульфид железа(III), с галогенами, кроме иода, — галогениды железа(III), такие, как FeCl3. Легко окисляется; с кислородом дает оксиды FeO, Fe2O3, Fe3O4 (FeO + Fe2O3), легко корродирует (ржавеет). Вытесняет водород из паров воды при высокой температуре. Растворяется в разбавленных кислотах (например, HCl, H2SO4, HNO3), вытесняя водород и образуя соли Fe(II) (соответственно FeCl2, FeSO4, Fe(NO3)2). В умеренно концентрированных H2SO4 и HNO3 железо растворяется с образованием солей Fe(III), а в сильноконцентрированных — пассивируется и не реагирует. Пассивность железа, по-видимому, объясняется образованием на его поверхности пленки оксида железа, которая, однако, легко разрушается при простом соскабливании. Ржавление железа (атмосферная коррозия железа) — это окисление его кислородом воздуха. Реакция происходит в присутствии ионов солей, растворенных в воде, и ионов, образующихся при диссоциации угольной кислоты — продукта взаимодействия атмосферного углекислого газа и влаги. В результате образуется рыхлая ржавчина красного цвета, или гидратированный оксид состава Fe2O3*nH2O.

См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ.

Соединения. Соли железа(II) обычно зеленого цвета, легко окисляются на воздухе. Кристаллогидрат хлорида железа FeCl2Ч4H2O быстро впитывает влагу из окружающей среды. Его используют как протраву в текстильной промышленности и как вяжущее в медицине. Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO4*7H2O (железный купорос) применяют в производстве чернил, красок, пигментов и как дезинфицирующее средство. При кристаллизации сульфата железа из раствора, содержащего также сульфат аммония, образуется двойной сульфат железа и аммония, или соль Мора FeSO4*(NH4)2*6H2O, устойчивая к окислению на воздухе; ее используют для получения растворов, содержащих ионы Fe(II), пригодные для длительного хранения. Соли Fe(III), обычно красного или желтого цвета, легко восстанавливаются и гидролизуются, образуя кислые растворы. Растворы FeCl3 в спирте или в воде используют для остановки кровотечения или как тонизирующие. FeCl3 применяют также в технологии пигментов и чернил и как протраву при крашении и набивке текстиля. Мелкодисперсный оксид железа(III) Fe2O3 (румяна, или венецианский кармин) — готовый абразив или пигмент.

Комплексные соединения. Ионы Fe(II) и Fe(III) образуют комплексные анионы, например гексацианоферрат(II)-ион Fe(CN)64- и гексацианоферрат(III)-ион Fe(CN)63-. Берлинская лазурь (синий пигмент) — гексацианоферрат(II) железа(III) Fe4[[Fe(CN)6]]3, турнбулева синь (также синий пигмент) — гексацианоферрат(III) железа(II) Fe3[[Fe(CN)6]]2. Комплексные ионы железа часто используют для обнаружения ионов железа(II) и железа(III) по результатам образования окрашенных комплексных соединений. Они применяются также в светокопировальной технике (цианотипная бумага): бумагу пропитывают раствором соли железа(III) и высушивают. При наложении на нее чертежа, выполненного на кальке, и выдержке на свету Fe(III) восстанавливается на освещенных местах до Fe(II) и после проявления бумаги в растворе гексацианоферрата образует комплексное соединение, окрашивающее засвеченные места бумаги в синий цвет. Цианотипная бумага передает изображение белыми линиями на синем фоне.

См. также ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ.

ЛИТЕРАТУРА

Конецкая Д.С. и др. Железо высокой степени чистоты. М., 1978 Пикеринг Ф. Физическое металловедение и разработка сталей. М., 1982