Железо.Свойства и значение в жизни человека

Железо.

 

ПОБОЧНАЯ ПОДГРУППА  ВОСЬМОЙ ГРУППЫ

Побочная подгруппа  восьмой группы периодической системы  охватывает три триады d-элементов. Первую триаду образуют элементы железо, кобальт и никель, вторую триаду — рутений, родий и палладий и третью триаду — осмий, иридий и платина.

Большинство элементов  рассматриваемой подгруппы имеют  два электрона в наружном электронном  слое атома; все они представляют собой металлы. Кроме наружных электронов, в образовании химических связей принимают участие также электроны из предыдущего недостроенного слоя. Для этих элементов характерны степени окисленности, равные 2, 3, 4. Более высокие степени окисленности проявляются реже. В периодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе VIII группы.

Химический знак — Fе (феррум). Порядковый номер — 26, электронная формула 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Электронно-графическая формула:

Валентные электроны  у атома железа находятся на последнем электронном слое (4s²) и предпоследнем (Зd⁶). В химических реакциях железо может отдавать эти электроны и проявлять степени окисления +2, +3 и иногда +6.

               Сравнение физических и химических свойств элементов восьмой группы показывает, что железо, кобальт и никель, находящиеся в первом большом периоде, очень сходны между собой и в то же время сильно отличаются от элементов двух других триад. Поэтому их обычно выделяют в семейство железа. Остальные шесть элементов восьмой группы объединяются под общим названием платиновых металлов.

 

СЕМЕЙСТВО ЖЕЛЕЗА

 Железо (Ferrum). Нахождение в природе.

Железо—самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.          

Таблица: Некоторые свойства железа, кобальта и никеля

	Ре	Со	N1
Радиус атома, нм	0,126	0,125	0,124
Энергия ионизации
Э  → Э+, эВ	7,89	7,87	7,63
Э+ → Э2+, эВ	16,2	17,1	18,15
Э2+, → ЭЗ+, эВ	30,6	33,5	35,16
Радиус иона Э2+, нм	0,080	0,078	0,074
Радиус иона Э3+, нм	0,067	0,064
Стандартная энтальпия  ато-	417,0	428,4	428,8
мизации металла при 25° С,
кДж на 1 моль атомов
Плотность, г/см3	7,87	8,84	8,91
Температура плавления, °С	1539	1492	1455
Температура кипения, °С	2870	3100	2900
Стандартный электродный  по	-0,440	-0,277	—0,250
тенциал процесса Э2 +
+2е=Э, В

 

К важнейшим рудам  железа относятся магнитный железняк Fe₃O₄, красный железняк Fe₂O₃, бурый железняк 2Fe₂O₃•3H₂Oи шпатовый железняк FeСОз. Встречающийся в больших количествах пирит, или железный колчедан, FeS₂ редко применяется в металлургии, так как чугун из него получается очень низкого качества из-за большого содержания серы. Тем не менее железный колчедан имеет важнейшее применение — он служит исходным сырьем для получения серной кислоты

В пределах СССР месторождения  железных руд находятся на Урале, где целые горы (например, Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком превосходного качества. Не менее богатые залежи находятся в Криворожском районе и на Керченском полуострове. Криворожские руды состоят из красного железняка, керченские — из бурого железняка. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Общее количество железных руд в СССР составляет больше половины мировых запасов.

 

 

Значение железа и его сплавов в технике. Развитие металлургии.

 Из всех добываемых  металлов железо имеет наибольшее значение. Вся современная техника связана с применением железа и его сплавов. Насколько важную роль играет железо, видно уже из того, что количество добываемого железа  примерно в 15 раз превосходит добычу всех остальных металлов вместе взятых.

До XIX века из сплавов  железа были известны в основном его  сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами

В технике сплавы железа принято  называть черными металлами, а их производство — черной металлургией.               

Добыча железа особенно быстро росла в прошлом столетии. В начале XIX века мировая выплавка чугуна равнялась всего 0,8 млн. т в год, а к концу она составила уже 66 млн. т в год. 'В 1962 г. в капиталистических странах было выплавлено 176 млн. т чугуна и ферросплавов и 245 млн. т стали.

По выплавке черных металлов царская Россия сильно отставала от промышленно развитых стран. Русская металлургическая промышленность выпустила в 1913 г. всего 4,2 млн. т чугуна и столько же стали. После первой мировой войны производство чугуна резко упало и составляло в 1920 г. всего 2,7% от выпуска 1913 г. Восстановление черной металлургии, осуществлявшееся в исключительно тяжелых условиях, потребовало огромных усилий и продолжительного времени; только в 1929 г. выплавка стали достигла уровня 1913г.

Быстрое развитие советской металлургии началось в годы первых пятилеток. Была полностью реконструирована металлургическая промышленность на юге европейской части СССР и создана новая угольно-металлургическая база в восточных районах нашей страны. Были построены крупнейшие металлургические заводы — Магнитогорский, Кузнецкий и др. Уже к концу первой пятилетки выплавка чугуна достигла 147% по сравнению с уровнем 1913 г. Восстановив дореволюционный уровень выплавки чугуна в 1929г., советские металлурги в следующие восемь лет увеличили выпуск чугуна почти в 3,5 раза. Для такого прироста металлургии США потребовалось в свое время 20 лет, Германии — 23 года.

Значительно выросла  за последние годы и рудная база металлургии — осваивались новые железорудные месторождения в Казахстане, Сибири и в районе Курской магнитной аномалии. Добыча железной руды в 1977 г. достигла 240 млн. т.

 

 

Физические  свойства железа.

В виде простого вещества Fе — серебристо-белый металл. В соответствии с усилением вклада ковалентной связи (за счет 3d-, 4d- и 6d-электронов соответственно) в ряду Fе—Ru—Оs теплота сублимации, температуры плавления и кипения заметно возрастают.

 

    α-Fe                   β- Fe

    γ- Fe

    δ- Fe

                                             Рис. 235. Полиморфное превращение железа

 

Железо имеет четыре модификации (рис. 235). До 770°С устойчиво α-Fе с объемноцентрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами. При 770°С α-Fе переходит в β-Fе; у него исчезают ферромагнитные свойства и железо становится .парамагнитным, но кристаллическая структура его существенно не изменяется. При 912°С происходит полиморфное превращение, при котором изменяется структура кристалла: из объемноцентрированной переходит в гранецентрированную кубическую структуру γ-Fе, а металл остается парамагнитным. При 1394°С происходит новый полиморфный переход и образуется δ-Fе с объемноцентрированной кубической решеткой, которое существует вплоть до температуры плавления железа (1539°С).

Диаграмма состояния  системы железо — углерод.

В 30-х годах XIX века русский инженер П. П. Аносов впервые применил микроскоп для изучения структуры стали и ее изменения после ковки и термической обработки. В 60-х годах XIX века подобные исследования стали проводиться и за границей.

В 1868 г. Д. К. Чернов впервые указал на существование определенных температур («критических точек»), зависящих от содержания углерода в стали и характеризующих превращения одной микроструктуры стали в другую. Этим было положено начало изучению диаграммы состояния Fе—С, а 1868 г. стал годом возникновения металловедения — науки о строении и свойствах металлов и сплавов. Французский исследователь Ф. Осмонд стал пользоваться только что изобретенным Ле Шателье пирометром и уточнил значения «критических точек». Он описал характер микроструктурных изменений, наблюдаемых при переходе через эти точки, и дал названия важнейшим структурам железоуглеродистых сплавов;

эти названия употребляются  до сих пор. С тех пор учеными  различных стран было выполнено  огромное количество работ, посвященных изучению сплавов железа с углеродом и диаграммы состояния системы Fе—С. Такого рода работы проводятся и в настоящее время. В них уточняются положения линий на диаграмме состояния в связи с применением более чистых веществ и более точных и современных методов.

Температура плавления  железа равна 1539 ± 5 °С. Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая — кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912°С и от 1394 °С до температуры плавления. Между 912 и 1394 °С устойчиво γ-железо. Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры (см. рис. 166). При температурах ниже 912 и выше 1394 °С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912—1394 °С— больше.

Температуры фазовых  превращений железа хорошо видны  на кривой охлаждения в виде остановок—горизонтальных площадок. Как видно, кроме площадок, отвечающих 'перечисленным точкам, на кривой охлаждения имеется еще одна остановка—при 768 °С. Эта температура связана не с перестройкой решетки, а с изменением магнитных свойств железа. При темверату-рах выше 768 °С железо немагнитно, а ниже 768 °С — магнитно. Немагнитное α-железо иногда называют β-железом, а модификацию α-железа, устойчивую

при температурах от 1392°С до плавления,—δ-железом. '

Железо — серебристый  пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки, Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты — от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.

Твердое железо обладает способностью растворять в себе многие элементы. В частности, растворяется в  железе и углерод. Его растворимость сильно зависит от кристаллической модификации железа и от температуры. В  α- железе углерод раствор очень незначительно, в γ- железе гораздо лучше. Раствор в γ- железе термодинамически устойчив в более широком интервале температур, чем чистое γ- железо. Твердый раствор углерода в α- железе называется ферритом, твердый раствор углерода в γжелезе — аустенитом.

Содержанию в железе 6,67% (масс.) углерода отвечает химическое соединение — карбид железа, или цементит, Fe_зС. Это вещество имеет сложную кристаллическую структуру и характеризуется высокой твердостью (близка к твердости алмаза) и хрупкостью. При температуре около 1600 °С цементит плавится *.

        Механические свойства феррита и аустенита зависят от содержания в них углерода. Однако при всех концентрациях углерода феррит и аустенит менее тверды и более пластичны, чем цементит.

Диаграмма состояния  системы железо—углерод, дающая представление  о строении железоуглеродных сплавов, имеет очень большое значение. С ее помощью можно объяснить зависимость свойств сталей и чугунов от содержания в них углерода и от термической обработки. Она служит основой при выборе железоуглеродных сплавов, обладающих теми или иными заданными свойствами.

* Цементит термодинамически  устойчив не при всех условиях, отвечающих диаграмме состояния системы Fе—С. Однако распад цементита, сопровождающийся выделением графита, в большинстве случаев протекает настолько медленно, что практически не осуществляется. Графит выделяется только при образовании чугуна в определенных условиях

Это самая важная часть  диаграммы, поскольку практическое применение имеют сплавы железа, содержащие не более 5% углерода.

Диаграмма состояния системы Fе—С сложнее, чем рассмотренные в главе XVI основные типы диаграмм состояния металлических систем. Особенности ее обусловлены уже упомянутыми обстоятельствами: существованием двух модификаций кристаллического железа, способностью обеих этих модификаций

 

Рис. 168. Диаграмма состояния системы железо—углерод.

 

образовывать твердые  растворы с углеродом, способностью железа вступать в химическое соединение с углеродом, образуя цементит.

Левая ось диаграммы  соответствует чистому железу, правая — карбиду Fе_зС (цементиту). Точки A и D показывают температуру плавления железа и карбида, точки G и N—температуры превращений α- и γ- железа друг в друга.

Линия АВСD это кривая температур начала кристаллизации жидких сплавов, линия АНJЕСP — кривая температур начала плавления твердых сплавов. Все линии, лежащие ниже последней кривой, отвечают равновесиям между твердыми фазами.

Область, лежащая выше линии АВСD, отвечает жидкому сплаву. Области, примыкающие к левой вертикали, соответствуют твердым растворам углерода в железе: линия АНN ограничивает область твердого раствора углерода в α-железе при высоких температурах (область высокотемпературного феррита), линия NJESG ограничивает область твердого раствора углерода в γ-железе (область аустенита), линия GPQ — область твердого раствора углерода в α-железе при низких температурах (область низкотемпературного феррита). Перечисленным областям соответствуют гомогенные системы: структура как расплава, так и твердых растворов однородна в каждой из этих фаз.

Остальным областям диаграммы отвечают гетерогенные системы — смеси кристаллов двух фаз или кристаллов и расплава.

Рассмотрим важнейшие  превращения, происходящие при медленном охлаждении расплавов различных концентраций. Это поможет нам разобраться в том, какие сплавы соответствуют областям гетерогенности диаграммы.