Химия и охрана окружающей среды

У рабочих доменного и мартеновского производств наблюдается нарушение обоняния.

Среди электросварщиков, сталеваров часты воспалительные заболевания верхних дыхательных путей.

У рабочих железорудных шахт и горнообогатительных фабрик особенно часты хронические бронхиты, иногда осложненные астмой, эмфиземой легких.

Встречаются стоматиты, воспаления десен, поражения зубов, поражения слизистой рта.

Мероприятия, обеспечивающие безопасность работы в атмосфере с повышенным содержанием частиц железа и его соединений, заключаются в очистке воздуха от вредных примесей, в эффективной вентиляции помещений, в применении спецодежды, респираторов, очков.

Реальную опасность при приеме внутрь представляют железо, поступающее в организм в составе лекарственных веществ и сульфат железа (II).

Токсические дозы FeSO4 или чистого железа (для человека ЛД = 200-250 мг/кг) приводят к смертельному исходу в результате химического ожога внутренних органов.

Токсичность соединений железа в воде зависит от pH. В щелочной среде токсичность возрастает. От избыточного содержания железа в воде могут гибнуть рыбы, водоросли. Большую опасность представляют сточные воды и шламы производств, связанных с переработкой железосодержащих продуктов.

Подпороговые концентрации в воде водоемов:

сульфат и нитрат железа (III), гидроксид железа (II) – 0,5 мг/л;

хлорид железа (III) – 0,9 мг/л.

Соединения железа (II) обладают общим токсическим действием. Соединения железа (III) менее ядовитые, но действуют прижигающе на пищеварительный канал и вызывают рвоту.

ПДК железа в питьевой воде 0,3 мг/л.

В природных водоемах, например, в Ладожском озере, в Неве, содержание железа меньше 0,3 мг/л. Перед поступлением в сети городского водоснабжения вода из водоемов подвергается фильтрации и действию коагулянтов, которые вместе с органическими примесями удаляют и часть железа.

Обработка воды с повышенным содержанием железа заключается в фильтровании на механических фильтрах (антрацит), коагуляции (коагулянт – глинозем Al2 (SO4 )3 ), иногда - в обработке магнитными полями (в случае магнитных форм железа).

Профилактические мероприятия, обеспечивающие безопасные условия труда при воздействии на работающих железа и его соединений определяются нормативными документами применительно к конкретным условиям производства.

 

V. Получение железа и его основных соединений, их практическое использование

Из всех добываемых металлов, железо имеет наибольшее значение. Вся современная техника связана с применением железа и его сплавов. Количество добываемого железа примерно в 15 раз превосходит добычу всех остальных металлов вместе взятых.

Основным промышленным способом получения железа служит производство его в виде различных сплавов с углеродом – чугунов и углеродистых сталей. Чугуны получают доменным процессом, а стали – мартеновским, конверторным и электроплавильным процессами.

В доменном процессе в качестве основных шихтовых материалов участвуют: железная руда, кокс и известняк, необходимые для восстановления окислов железа в руде углеродом и разведения расплавленных чугуна и шлака.

В домну подается воздух или, для ускорения процесса, кислород (кислородное дутье). Углерод кокса окисляется кислородом: C+O2 =CO2 ; C+CO2 =2CO.

Образующийся при этом СО и углерод кокса восстанавливают окислом железа:

Поскольку указанные реакции протекают при избытке углерода, восстановленное железо сплавляется с углеродом и образуется чугун со значительно более низкой температурой плавления, чем чистое железо. Чугун (с 4,3% С) плавится при 1135о C, а железо при 1539о C.

Расплавленные низкоплавкие чугун и шлак собираются в горне доменной печи и периодически выпускаются через специальные отверстия.

Способы передела чугуна – мартеновский, конверторный и электроплавильный, - сводятся к удалению избыточного углерода и вредных примесей (S, P) путем их окисления и к доводке содержания легирующих элементов до заданного путем добавления их при плавке.

Предельно допустимое содержание вредных примесей и необходимое содержание легирующих элементов установлены для каждой марки стали.

Чистое железо получают в виде порошка восстановлением его оксидов водородом или термическим разложением карбонила Fe(CO)5 . Применение чистого железа ограничено, т.к. оно по своим механическим свойствам не удовлетворяет ряду требований к конструкционным материалам. Оно очень пластично.

Железо и его сплавы составляют основу современной техники. Значение железных сплавов для техники следует из того, что 95% всей металлической продукции составляет чугун и только 5% - сплавы остальных металлов.

Соединения железа

Железный купорос FeSO4 . 7H2 O получают путем растворения обрезков стали в 20-30%-ной серной кислоте:

Железный купорос – светло-зеленые кристаллы, хорошо растворимые в воде. Применяется для борьбы с вредителями растений, в производстве чернил и минеральных красок, при крашении тканей, для очистки сточных вод от цианидов.

При действии на железный купорос щелочи образуются гидроксиды железа – Fe(OH)2 и Fe(OH)3 .

Эти гидроксиды применяют в качестве пигментов. Природный гидроксид железа FeS2 (пирит) служит сырьем для получения серной кислоты, серы и железа.

Нитрат железа Fe(NO3 )3 получается при действии на железо азотной кислоты. Применяется как протрава при крашении хлопчатобумажных тканей и как утяжелитель шелка.

Хлорид железа FeCl3 образуется при нагревании железа с хлором, хлорированием FeCl2 . Применяется как коагулянт при очистке воды, как протрава при крашении тканей, как катализатор в органическом синтезе.

Сульфат железа Fe2 (SO4 )3 образует кристаллогидрат Fe2 (SO4 )3 . 9H2 O (желтые кристаллы). Получают растворением оксида Fe2 O3 в серной кислоте. Применяется как коагулянт при очистке воды, для травления металлов, используется при получении меди.

Оксиды железа обычно получают при действии водяного пара на раскаленное железо. Природные оксиды железа служат основным сырьем для получения металлического железа (его сплавов).

Fe2 O3 и его производные (ферриты) используют в радиоэлектронике как магнитные материалы, в том числе как активные вещества магнитофонных лент.

Fe3 O4 служит материалом для изготовления анодов в ряде электрохимических производств.

Ферриты – при сплавлении оксида железа (III) с карбонатами натрия или калия образуются ферриты – соли не полученной в свободном состоянии железистой кислоты HFeO2 , например феррит натрия NaFeO2 :

В технике ферритами или ферритными материалами называют продукты спекания порошков Fe2 O3 и оксидов некоторых двухвалентных металлов, например, Ni, Zn, Mn.

Ферриты обладают ценными магнитными свойствами и высоким электрическим сопротивлением.

Ферриты широко применяются в технике связи, счетно-решающих устройствах, в автоматике и телемеханике.

Соединения железа (VI)

Если нагревать стальные опилки или Fe2 O3 с нитратом и гидроксидом калия, то образуется сплав, содержащий феррат калия K2 FeO4 - соль железной кислоты H2 FeO4 , которая в свободном виде не получена.

При растворении сплава в воде получается красно-фиолетовый раствор, из которого действием хлорида бария можно осадить нерастворимый в воде феррат бария BaFeO4 .

Все ферраты – очень сильные окислители, более сильные, чем KMnO4 .

Карбонилы железа

Железо образует летучие соединения с окисью углерода, называемые карбонилами железа. Пентакарбонил железа Fe(CO)5 – бледно-желтая жидкость, не растворимая в воде, но растворимая во многих органических растворителях. Fe(CO)5 получают пропусканием CO над порошком железа при 150-200o С и давлении 100 атм. При нагревании в вакууме Fe(CO)5 разлагается на железо и CO. Это используется для получения высокочистого порошкового железа – карбонильного железа.

Сплавы железа – это металлические сплавы на основе железа. До начала XIX века к сплавам железа относили преимущественно Fe-C (с примесями Si, Mn, S, P), получившие название сталей и чугунов. Возрастающие требования техники к металлическим материалам, прежде всего в отношении их механических свойств, жаропрочности, коррозионной стойкости в различных агрессивных средах привели к созданию новых сплавов железа содержащих Cr, Ni, Si, Mo, W и др.

В настоящее время к сплавам железа относят: углеродистые стали, чугуны, легированные стали, содержащие кроме углерода другие элементы, и стали с особыми физико-химическими и механическими свойствами.

Кроме того для введения в сталь легирующих элементов применяются особые сплавы железа, получившие название ферросплавов.

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

Чугун отличается от стали более высоким содержанием углерода и своими свойствами. Он хрупок, но обладает хорошими литейными свойствами. Чугун дешевле стали. Основная масса чугуна перерабатывается в сталь.

Элементы, специально вводимые в сталь для изменения ее свойств, называются легирующими элементами, а сталь, содержащая такие элементы, называется легированной. К важнейшим легирующим элементам относятся Cr, Ni, Mn, W, Mo. Широко применяются жаростойкие сплавы на основе никеля (нихром, содержащий никель и хром и другие).

Из медно-никелевых сплавов (мельхиор и другие) изготавливают монеты, украшения, предметы домашнего обихода.

Кобальтсодержащие сплавы используются как вязкая составная часть металлорежущего инструмента, в которую вкраплены исключительно твердые карбиды MoC и WC.

Гальванические покрытия металлов никелем предают им красивый внешний вид.

 

 

Список используемой литературы

1. «Краткая химическая  энциклопедия».

(издательство «Советская энциклопедия», 1963г.)

2. М.Х. Карапетьянц, С.И. Дракин – «Общая и неорганическая химия»

(издательство «Химия», 1981г.)

3. Н.А. Глинка –  «Общая химия»

(издательство «Химия», 1975г.)

4. Справочник «Вредные  химические вещества, неорганические  соединения элементов V-VIII групп».

(издательство «Химия», 1989г.)

5. В.А. Исидоров –  «Введение в химическую экотоксикологию»

(«Химиздат», 1999г.)