Железо.Свойства и значение в жизни человека

По своему назначению стали делятся на конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления деталей машин, конструкций и сооружений. В качестве конструкционных могут использоваться как углеродистые, так и легированные стали. Конструкционные стали обладают высокой прочностью и пластичностью. В то же время они должны хорошо поддаваться обработке давлением, резанием, хорошо свариваться. Основные легирующие элементы конструкционных сталей это хром (около 1%), никель (1—4%) и марганец (1—1,5%).

Инструментальные  стали  — это углеродистые и легированные стали, обладающие высокой твердостью, прочностью и износостойкостью. Их применяют для изготовления режущих  и измерительных инструментов, штампов. Необходимую твердость обеспечивает содержащийся в этих сталях углерод (в количестве от 0,8 до 1,3%). Основной легирующий элемент инструментальных сталей—хром; иногда в них вводят также вольфрам и ванадии. Особую группу инструментальных сталей составляет быстрорежущая сталь, сохраняющая режущие свойства при больших скоростях резания, когда температура рабочей части резца повышается до 600—700 °С. Основные легирующие элементы этой стали — хром и вольфрам.

Стали с особыми свойствами. К этой группе относится нержавеющие, жаростойкие, жаропрочные, магнитные и некоторые другие стали. Нержавеющие стали устойчивы против коррозии в атмосфере, влаге и в растворах кислот, жаростойкие — в коррозионно-активных средах при высоких температурах. Жаропрочные стали сохраняют высокие механические свойства при нагревании до значительных температур, что важно при изготовлении лопаток газовых турбин, деталей реактивных двигателей и ракетных установок. Важнейшие легирующие элементы жаропрочных сталей это хром (15—20%), никель (8—15%), вольфрам. Жаропрочные стали принадлежат к аустенитным сплавам.

Магнитные стали используют для изготовления постоянных магнитов и сердечников магнитных устройств, работающих в переменных полях. Для постоянных магнитов применяют высокоуглеродистые стали, легированные хромом или вольфрамом. Они хорошо намагничиваются и длительное время сохраняют остаточную индукцию. Сердечники магнитных устройств изготовляют из низкоуглеродистых (менее 0,005% С) сплавов железа с кремнием. Эти стали легко перемагничиваются и характеризуются малым значением электрических потерь.

Для обозначения марок  легированных сталей используется буквенно-цифровая система. Каждый легирующий элемент обозначается буквой: Н—никель, Х — хром, Г — марганец и др. Первые цифры в обозначении показывают содержание углерода в стали (в сотых долях процента). Цифра, идущая после буквы, указывает содержание данного элемента (при его содержании около 1% или менее цифра не ставится). Например, сталь состава 0,10—0,15% углерода и 1,3—1,7% марганца обозначается 12Г2. Марка Х18Н9 обозначает сталь, содержащую 18% хрома и 9% никеля. Кроме этой системы иногда применяют и нестандартные обозначения.

Чугун отличается от стали  своими свойствами. Он в очень малой степени способен к пластической деформации (в обычных условиях не поддается ковке), но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали.

Как уже говорилось, при  кристаллизации жидкого чугуна, а  также Ври распаде аустенита, содержащийся в этих фазах углерод обычно выделяется в виде цементита. Однако в рассматриваемых условиях цементит термодинамически неустойчив. Его образование обусловлено только тем, что зародыши его кристаллизации образуются гораздо легче и требуют меньших диффузионных изменений, чем зародыши графита. Поэтому в условиях очень медленного охлаждения жидкого чугуна углерод может кристаллизоваться не в виде цементита, а в виде графита. Образование графита сильно облегчается также в присутствии мелких частиц примесей (особенно примесей графита) в расплавленном чугуне.

Таким образом, в зависимости  от условий кристаллизации, чугун  может содержать углерод в  виде цементита, графита или в  виде их смеси. Форма образующегося графита также может быть различной.

Белый чугун содержит весь углерод в виде цементита. Он обладает высокой твердостью, хрупок, и поэтому имеет ограниченное применение. В основном он выплавляется для передела на сталь.

В сером чугуне углерод  содержится главным образом в виде пластинок графита. Серый чугун характеризуется высокими литейными свойствами (низкая температура кристаллизации, текучесть в жидком состоянии, малая усадка) и служит основным материалом для литья. Он широко применяется в машиностроении для отливки станин станков и механизмов, поршней, цилиндров. Кроме углерода, серый чугун всегда содержит другие элементы. Важнейшие из них — это кремний и марганец. В большинстве марок серого чугуна содержание углерода лежит в пределах 2,4—3,8%, кремния 1—4% и марганца до 1,4%.

Высокопрочный чугун  получают присадкой к жидкому  чугуну некоторых элементов, в частности, магния, под влиянием которого графит при кристаллизации принимает сферическую форму. Сферический графит улучшает механические свойства чугуна. Из высокопрочного чугуна изготовляют коленчатые валы, крышки цилиндров, детали прокатных станов, прокатные валки, насосы, вентили.

Ковкий чугун получают длительным нагреванием отливок  из белого чугуна. Его применяют  для изготовления деталей, работающих при ударных  вибрационных нагрузках (например, картеры, задний мост автомобиля). Пластичность и прочность ковкого чугуна обусловлены тем, что углерод находится в нем о форме хлопьевидного графита.

Химические свойства железа. Соединения железа.

Железо- металл средней химической активности. В  отсутствие влаги в обычных условиях пассивируется, но во влажном воздухе легко окисляется и покрывается ржавчиной. При нагревании (в особенности в мелкораздробленном состоянии) взаимодействует почти со всеми неметаллами. При этом в зависимости от условий и активности неметалла образуются твердые растворы( с  C, Si, N, B, P, H), металлоподобные ( Fe₃C, Fe₃Si, Fe₄N, Fe₂N) или солеподобные ( FeF₃, FeCI₃, FeS) соединения. Окисление железа кислородом приводит к образованию оксидов нестехиометрического состава.

Чистое железо получают различными методами. Наибольшее значение имеют метод термического разложения пентакарбонила железа и электролиз водных растворов его солей.

Во влажном воздухе  железо быстро ржавеет, т. е. покрывается  бурым налетом гидратированного оксида железа, который вследствие своей рыхлости не защищает железо от дальнейшего окисления. В воде железо интенсивно корродирует; при обильном доступе кислорода образуются гидратные формы оксида железа(ІІI):

                                                     2Fe+3/2O₂+nH₂O=Fe₂O₃• nH₂O

При недостатке кислорода  или при его затрудненном доступе образуется смешанный оксид Fе_з0₄

 (FеО • Fe₂О_з):

ЗFе + 20₂ + 2Н₂О = Fе_з0₄ • nН₂О Железо растворяется в соляной кислоте любой концентрации:

Fе + 2НС1 = FеС1₂ + Н₂ ↑     

Аналогично происходит растворение в разбавленной серной кислоте:

                                                              Fe+H₂SO₄=FeS0₄+H₂ ↑

В концентрированных  растворах серной кислоты железо окисляется до железа(III):

2Fе + 6Н₂S0₄ = Fе₂(SO₄)₃ + 3SO₂   ↑ + 6Н₂О

Однако в серной кислоте, концентрация которой близка к 100%, железо становится пассивным и взаимодействия практически не происходит.

В разбавленных и умеренно концентрированных растворах азотной  кислоты железо растворяется:

Fе + 4НNОз = Fе(NOз)з + N0 ↑ + 2Н₂0

При высоких концентрациях НNОз растворение замедляется и железо становится пассивным.

Для железа характерны два  ряда соединений: соединения железа (II) и соединения железа (III). Первые отвечают оксиду железа(II), или закиси железа, FеО, вторые—оксиду железа (III), или окиси железа, Fе₂О₃. Кроме того, известны соли железной кислоты Н₂Fе0₄, в которой степень окисленности железа равна +6.

Соединения железа(II). Соли железа(II) образуются при растворении железа в разбавленных кислотах, кроме азотной. Важнейшая из них—сульфат железа(\\), или железный купорос,FeSO₄•7H₂O , образующий светло-зеленые кристаллы, хорошо растворимые в воде. На воздухе железный купорос постепенно выветривается и одновременно окисляется с поверхности, переходя в желто-бурую основную соль железа (III).

Сульфат железа (II) получают путем растворения обрезков стали в 20—30% -пой серной кислоте:

Fе + Н₂S0₄ = FеS0₄ + Н₂ ↑

Сульфат железа (II) применяется  для борьбы с вредителями растений, в производстве чернил и минеральных  красок, при крашении тканей.

При нагревании железного купороса выделяется вода и получается белая масса безводной соли Ре804. -При температурах выше 480 °С безводная соль разлагается с выделением диоксида и триоксида серы; последний во влажном воздухе образует тяжелые белые пары серной кислоты:

2FеS0₄ == Fе₂О₃ + S0₂ ↑  + S0з↑

При взаимодействии раствора соли железа (II) со щелочью выпадает белый осадок гидроксида железа(II) Fе(ОН)₂, который на воздухе вследствие окисления быстро принимает зеленоватую, а затем бурую окраску, переходя в гидроксид железа(III) Fе(ОН)з: 

4Fе(ОН)₂ + О₂ + 2Н₂О = 4Fе(ОН)₃

Безводный оксид железа(\\) FеО можно получить в виде черного легко окисляющегося порошка восстановлением оксида железа(III) оксидом углерода (II) при500°С:

Fе₂О₃ + СО == 2FеО + C0₂

Карбонаты щелочных металлов осаждают из растворов солей железа (II) белый карбонат железа(\\) FеСОз. При действии воды, содержащей СО₂, карбонат железа, подобно карбонату кальция, частично переходит в более растворимую кислую соль Fе(НСОз)₂. В виде этой соли железо содержится в природных железистых водах.

Соли железа (II) легко  могут быть переведены в соли железа(III) действием различных окислителей—азотной кислоты, перманганата калия, хлора, например:

                        

                          6FeSO₄+2HNO₃+3H₂SO₄=3Fe₂(SO₄)₃+2NO ↑ +4H₂O

                    10FeSO₄+2KMnO₄+8H₂SO₄=5Fe₂(SO₄)₃ +K₂SO₄+2MnSO₄+8H₂O

Ввиду способности легко  окисляться, соли железа (II) часто применяются  как восстановители.

Соединения железа (III). Хлорид железа(III) FеСIз представляет собой темно-коричневые с зеленоватым отливом кристаллы. Это вещество сильно гигроскопично; поглощая влагу из воздуха, оно превращается в кристаллогидраты, содержащие различное количество воды и расплывающиеся на воздухе. В таком состоянии хлорид железа (III) имеет буро-оранжевый цвет. В разбавленном растворе FеСIз гидролизуется до основных солей. В парах хлорид железа(III) имеет структуру, аналогичную структуре хлорида алюминия и отвечающую формуле Fе₂СI₆; заметная диссоциация Fе₂СI₆ на молекулы FеСIз начинается при температурах около 500 °С.                        

Хлорид железа (III) применяют  в качестве коагулянта при очистке воды, как катализатор при синтезах органических веществ, в текстильной промышленности.

Сульфат железa(III) Fе₂(S0₄)₃ — очень гигроскопичные, расплывающиеся на воздухе белые кристаллы. Образует кристаллогидрат Fе₂(S0₄)₃ . 9Н₂0 (желтые кристаллы). В водных растворах сульфат железа (III) сильно гидролизован. С сульфатами щелочных металлов и аммония он образует двойные соли — квасцы, например, железоаммонийные квасцы (NН₄)Fе(SO₄)₂ •12Н₂О—хорошо растворимые в воде светло-фиолетовые кристаллы. При прокаливании выше 500 °С сульфат железа (III) разлагается в соответствии с уравнением:

Fе₂(S0₄)₃ == Fе₂О₃ + ЗSО₃ ↑

Сульфат железа (III) применяют, как и FеСI₃, в качестве коагулянта при очистке воды, а также для травления металлов. Раствор Fе₂(S0₄) способен растворять Сu₂S и СuS с образованием сульфата меди(II); это используется при гидрометаллургическом получении меди.

При действии щелочей  на растворы солей железа (III) выпадает красно-бурый гидроксид железа(III) Fе(ОН)з, нерастворимый в избытке щелочи.

Гидроксид железа(III)—более слабое основание, чем гидроксид железа (II); это выражается в том, что соли железа(III) сильно гидролизуются, а со слабыми кислотами (например, с угольной, сероводородной) Fе(ОН)з солей не образует. Гидролизом объясняется и цвет растворов солей железа (III): несмотря на то, что ион Fе³⁺ почти бесцветен, содержащие его растворы окрашены в желто-бурый цвет, что объясняется присутствием гидроксоионов железа или молекул Fе(ОН)з, которые образуются благодаря гидролизу:

 

                      Fe³⁺+H₂O ↔ FeOH²⁺ + H⁺

                     FeOH²⁺ + H₂O ↔ Fe(OH)⁺₂ + H⁺

                    Fe(OH)₂⁺ + H₂O ↔ Fe(OH)₃ + H⁺

При нагревании окраска темнеет, а при прибавлении кислот становится более светлой вследствие подавления гидролиза.

При прокаливании гидроксид  железа(III), теряя воду, переходит в оксид железа(III), или окись железа, Fе₂О₃. Оксид железа (III) встречается в природе в виде красного железняка и применяется как коричневая краска — железный сурик, или мумия.

Характерной реакцией, отличающей соли железа (III) от солей железа (II), служит действие роданида калия КSСN или роданида аммония NН₄SСN на соли железа. Раствор роданида калия содержит бесцветные ионы SСN^-, которые соединяются с ионами Fе(III), образуя кроваво-красный, слабо диссоциированный роданид железа(III) Fе(SСN)₃. При взаимодействии же с роданидами ионов железа (II) раствор остается бесцветным.

Цианистые соединения железа. При действии на растворы солей железа (II) растворимых цианидов, например цианида калия, получается белый осадок цианида железа (II);

Fе²⁺ + 2СN^- == Fе(СN)₂↓

В избытке цианида  калия осадок растворяется вследствие образования комплексной соли K₄[Fе(СN)₆]—гексациано-(II)феррата калия

 

Fe(CN)₂ + 4KCN=K₄[Fe(CN)₆]

 

Fe(CN)₂ + 4CN^- = [Fe(CN)₆]^4-

 

Гексациано-(II)феррат калия К₄[Fе (СN)₆] • 3Н₂О кристаллизуется в виде больших светло-желтых призм. Эта соль называется также желтой кровяной солью. При растворении в воде соль диссоциирует на ионы калия и чрезвычайно устойчивые комплексные ионы [Fе (СN) ₆]^4-. Практически такой раствор совершенно не содержит ионов Fе³⁺ и не дает реакций, характерных для железа(II),