Залізо
ЖЕЛЕЗО-а; пор.
1. Хімічний елемент (Fe), ковкий метал сріблястого кольору, що утворює у поєднанні з вуглецем сталь та чавун.
2. Повсякденна назва маловуглецевої сталі, металу сріблястого кольору. Кувати ж. Вітер стукає залізом даху.
3. Про те, що є сильним, твердим, міцним (про зовнішні фізичні якості). Руки в тебе – ж.! // Про те, що є жорстким, непохитним (про внутрішні моральні якості). Характер у нього – ж.
4. Розг.Про ліки, що містять залізисті речовини. Організму не вистачає заліза. Пити ж. Яблука містять ж.
5. Розг. техн.Апаратні засоби комп'ютера (на відміну програмних засобів). Купити залізо, що бракує.
◊ Випалити розжареним залізом. Викорінювати, знищувати що-л., вдаючись до крайніх, надзвичайних заходів. Куй залізо, поки гаряче (див. Кувати).
◁ Залізний; Залізистий; Залізка; Залізина (див.).
залізо(Лат. Ferrum), хімічний елемент VIII групи періодичної системи. Блискучий сріблясто-білий метал. утворює поліморфні модифікації; при звичайній температурі стійко α-Fe (кристалічні грати - кубічні об'ємно-центровані) з щільністю 7,874 г/см 3 . α-Fe аж до 769°C (точка Кюрі) феромагнітно; tпл 1535°C. На повітрі окислюється – покривається пухкою іржею. По поширеності елементів у природі залізо перебуває в 4-му місці; утворює близько 300 мінералів. Перед сплавів заліза з вуглецем та інші елементами припадає близько 95% всієї металевої продукції (чавун, сталь, феросплави). У чистому вигляді практично не використовується (у побуті залізними часто називають сталеві чи чавунні вироби). Необхідно для життєдіяльності тваринних організмів; входить до складу гемоглобіну.
ЗалізоЖЕЛЕЗО (лат. Ferrum), Fe (читається «ферум»), хімічний елемент, атомний номер 26, атомна маса 55,847. Походження як латинського, і російського назв елемента однозначно встановлено. Природне залізо є сумішшю чотирьох нуклідів. (див.НУКЛІД)з масовими числами 54 (вміст у природній суміші 5,82% за масою), 56 (91,66%), 57 (2,19%) та 58 (0,33%). Конфігурація двох зовнішніх електронних шарів 3 s 2
p 6
d 6
4s 2
. Зазвичай утворює сполуки у ступенях окиснення +3 (валентність III) та +2 (валентність II). Відомі також з'єднання з атомами заліза в ступенях окиснення +4, +6 та деяких інших.
У періодичній системі Менделєєва залізо входить до групи VIII ст. У четвертому періоді, до якого належить і залізо, до цієї групи входять також кобальт (див.Кобальт)та нікель (див.НІКЕЛЬ). Ці три елементи утворюють тріаду і мають подібні властивості.
Радіус нейтрального атома заліза 0,126 нм, радіус іона Fe 2+ - 0,080 нм, іона Fe 3+ - 0,067 нм. Енергії послідовної іонізації атома заліза 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 еВ. Спорідненість до електрона 0,58 ев. За шкалою Полінга електронегативність заліза близько 1,8.
Залізо високої чистоти - це блискучий сріблясто-сірий, пластичний метал, який добре піддається різним способам механічної обробки.
Знаходження у природі
У земній корі залізо поширене досить широко - його частку припадає близько 4,1% маси земної кори (4-е місце серед всіх елементів, 2-е серед металів). Відомо велика кількість руд та мінералів, що містять залізо. Найбільшого практичного значення мають червоні залізняки (руда гематит (див.ГЕМАТИТ), Fe 2 O 3 ; містить до 70% Fe), магнітні залізняки (руда магнетит (див.МАГНЕТИТ), Fe 3 Про 4 ; містить 72,4% Fe), бурі залізняки (руда гідрогетиту НFeO 2 · n H 2 O), а також шпатові залізняки (руда сидерит (див.СИДЕРИТ), карбонат заліза, FeСО 3; містить близько 48% Fe). У природі зустрічаються також великі родовища піриту (див.ПІРИТ) FeS 2 (інші назви - сірчаний колчедан, залізний колчедан, дисульфід заліза та інші), але руди з високим вмістом сірки поки що практичного значення не мають. За запасами залізняку Росія посідає перше місце світі. У морській воді 1 · 10 -5 -1 · 10 -8 % заліза.
Історія отримання заліза
Залізо грало і відіграє виняткову роль матеріальної історії людства. Перше металеве залізо, яке потрапило до рук людини, мало, ймовірно, метеоритне походження. Руди заліза поширені і найчастіше зустрічаються навіть поверхні Землі, але самородне залізо лежить на поверхні вкрай рідко. Ймовірно, ще кілька тисяч років тому людина помітила, що після горіння багаття в деяких випадках спостерігається утворення заліза з тих шматків руди, які випадково опинилися в багатті. При горінні багаття відновлення заліза з руди відбувається за рахунок реакції руди як безпосередньо з вугіллям, так і з оксидом вуглецю (II) СО, що утворюється при горінні. Можливість отримання заліза з руд істотно полегшило виявлення того факту, що при нагріванні руди з вугіллям виникає метал, який можна додатково очистити при ковці. Одержання заліза з руди з допомогою сиродутного процесу було винайдено Західної Азії у 2-му тис. до зв. е. Період із 9 по 7 ст. до зв. е., коли у багатьох племен Європи та Азії розвинулася металургія заліза, отримав назву залізної доби, (див.ЗАЛІЗНА СТОЛІТТЯ)бронзовому віку, що прийшов на зміну (див.БРОНЗОВИЙ ВІК). Удосконалення способів дуття (природну тягу змінили хутра) та збільшення висоти горна (з'явилися низькошахтні печі – домниці) призвело до отримання чавуну, який стали широко виплавляти у Західній Європі з 14 століття. Отриманий чавун переробляли на сталь. З середини 18 століття в доменному процесі замість деревного вугілля почали використовувати кам'яно-вугільний кокс. (див.КОКС). Надалі способи отримання заліза з руд були значно вдосконалені, і в даний час для цього використовують спеціальні пристрої - домни, кисневі конвертери, електродугові печі.
Фізичні та хімічні властивості
При температурах від кімнатної до 917 °C, а також в інтервалі температур 1394-1535 °C існує a-Fe з кубічною об'ємно центрованою решіткою, при кімнатній температурі параметр решітки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 °C стійко b-Fe з кубічними гранецентрованими гратами Т (а = 0,36468 нм). При температурі від кімнатної до 769 °C (так звана точка Кюрі (див.Кюрі крапка)) залізо має сильні магнітні властивості (воно, як кажуть, феромагнітно), при більш високих температурах залізо поводиться як парамагнетик. Іноді парамагнітне a-Fe з кубічними об'ємно центрованими гратами, стійке при температурах від 769 до 917 °C, розглядають як g-модифікацію заліза, а b-Fe, стійке при високих температурах (1394-1535 °C), називають за традицією d- Fe (уявлення про існування чотирьох модифікацій заліза - a, b, g та d- виникли тоді, коли ще не існував рентгеноструктурний аналіз і не було об'єктивної інформації про внутрішню будову заліза). Температура плавлення 1535 ° C, температура кипіння 2750 ° C, щільність 7,87 г/см 3 . Стандартний потенціал пари Fe 2+ / Fe 0 -0,447В, пари Fe 3 + / Fe 2 + 0,771В.
При зберіганні повітря при температурі до 200 °C залізо поступово покривається щільною плівкою оксиду, що перешкоджає подальшому окисленню металу. У вологому повітрі залізо покривається пухким шаром іржі, який не перешкоджає доступу кисню та вологи до металу та його руйнуванню. Іржа не має постійного хімічного складу, приблизно її хімічну формулу можна записати як Fe 2 Про 3 ·хН 2 Про.
З киснем залізо реагує під час нагрівання. При згорянні заліза на повітрі утворюється оксид Fe 2 Про 3 , при згорянні в чистому кисні - оксид Fe 3 Про 4 . Якщо кисень чи повітря пропускати через розплавлене залізо, утворюється оксид FeО. При нагріванні порошку сірки та заліза утворюється сульфід, наближену формулу якого можна записати як FeS.
Залізо під час нагрівання реагує з галогенами (див.ГАЛОГЕНИ). Оскільки FeF 3 нелетучий, залізо стійке до дії фтору до температури 200-300°C. При хлоруванні заліза (при температурі близько 200°C) утворюється леткий FeСl 3 . Якщо взаємодія заліза та брому протікає при кімнатній температурі або при нагріванні та підвищеному тиску парів брому, утворюється FeBr 3 . При нагріванні FeСl 3 і особливо FeBr 3 відщеплюють галоген і перетворюються на галогеніди заліза (II). При взаємодії заліза та йоду утворюється йодид Fe 3 I 8 .
При нагріванні залізо реагує з азотом, утворюючи нітрид заліза Fe 3 N, з фосфором, утворюючи фосфіди FeP, Fe 2 P і Fe 3 P, з вуглецем, утворюючи карбід Fe 3 C, з кремнієм, утворюючи кілька силіцидів, наприклад FeSi.
При підвищеному тиску металеве залізо реагує з монооксидом вуглецю ЗІ, причому утворюється рідкий, за звичайних умов легко летючий пентакарбоніл заліза Fe(CO) 5 . Відомі також карбоніли заліза складів Fe 2 (CO) 9 і Fe 3 (CO) 12 . Карбоніли заліза служать вихідними речовинами при синтезі залізоорганічних сполук, у тому числі і ферроцену (див.Ферроцін)складу.
Чисте металеве залізо стійке у воді та у розведених розчинах лугів. У концентрованій сірчаній та азотній кислотах залізо не розчиняється, тому що міцна оксидна плівка пасивує його поверхню.
З соляною та розведеною (приблизно 20%-ю) сірчаною кислотами залізо реагує з утворенням солей заліза (II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
При взаємодії заліза з приблизно 70% сірчаною кислотою реакція протікає з утворенням сульфату заліза (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Оксид заліза (II) FeО має основні властивості, йому відповідає основа Fe(ОН) 2 . Оксид заліза (III) Fe 2 O 3 слабо амфотерен, йому відповідає ще більш слабке, ніж Fe(ОН) 2 , основа Fe(ОН) 3 , яке реагує з кислотами:
2Fe(ОН) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Гідроксид заліза (III) Fe(ОН) 3 виявляє слабко амфотерні властивості; він здатний реагувати лише з концентрованими розчинами лугів:
Fe(ОН) 3 + КОН = К
Гідроксокомплекси заліза (III), що утворюються при цьому, стійкі в сильно лужних розчинах. При розведенні розчинів водою вони руйнуються, причому осад випадає гідроксид заліза (III) Fe(OH) 3 .
З'єднання заліза (III) у розчинах відновлюються металевим залізом:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
При зберіганні водних розчинів солей заліза (II) спостерігається окиснення заліза (II) до заліза (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
З солей заліза (II) у водних розчинах стійка сіль Мора - подвійний сульфат амонію та заліза (II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 Про.
Залізо (III) здатне утворювати подвійні сульфати з однозарядними катіонами типу галунів, наприклад, KFe(SO 4) 2 - залізокалієві галун, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - залізоамонійні галун і т. д.
При дії газоподібного хлору або озону на лужні розчини сполук заліза (III) утворюються сполуки заліза (VI) - ферати, наприклад, феррат (VI) калію K 2 FeO 4 . Є повідомлення про отримання під впливом сильних окислювачів сполук заліза (VIII).
Для виявлення у розчині сполук заліза (III) використовують якісну реакцію іонів Fe 3+ з тіоціанат-іонами CNS - . При взаємодії іонів Fe 3+ з аніонами CNS утворюється яскраво-червоний роданід заліза Fe(CNS) 3 . Іншим реактивом на іони Fe 3+ служить гексаціаноферрат (II) калію K 4 (раніше цю речовину називали жовтою кров'яною сіллю). При взаємодії іонів Fe 3+ і 4 випадає яскраво-синій осад.
Реактивом на іони Fe 2+ у розчині може служити розчин гексаціаноферрат (III) калію K 3 раніше називався червоною кров'яною сіллю. При взаємодії іонів Fe 3+ і 3 випадає яскраво-синій осад такого ж складу, як і у разі взаємодії іонів Fe 3+ і 4- .
Сплави заліза з вуглецем
Залізо використовується головним чином у сплавах, насамперед у сплавах з вуглецем - різних чавунах та сталях. У чавуні вміст вуглецю вище 2,14 % за масою (зазвичай - лише на рівні 3,5-4%), у сталях вміст вуглецю нижчий (зазвичай лише на рівні 0,8-1 %).
Чавун одержують у домнах. Домна являє собою гігантський (висотою до 30-40 м) усічений конус, порожнистий усередині. Стінки домни зсередини викладені вогнетривкою цеглою, товщина кладки становить кілька метрів. Зверху в домну вагонетками завантажують збагачену (звільнену від порожньої породи) залізну руду, відновник кокс (кам'яне вугілля спеціальних сортів, коктування - нагрівання при температурі близько 1000 °C без доступу повітря), а також плавильні матеріали (вапняк та інші), що сприяють від виплавлюваного металу домішок – шлаку. Знизу в домну подають дуття (чистий кисень або повітря, збагачене киснем). У міру того, як завантажені до домну матеріали опускаються, їх температура піднімається до 1200-1300 °C. В результаті реакцій відновлення, що протікають головним чином за участю коксу С та СО:
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
виникає металеве залізо, яке насичується вуглецем і стікає донизу.
Цей розплав періодично випускають із домни через спеціальний отвір – льотку – і дають розплаву застигнути у спеціальних формах. Чавун буває білий, так званий передільний (його використовують для отримання сталі) і сірий, або ливарний. Білий чавун – це твердий розчин вуглецю в залозі. У мікроструктурі сірого чавуну можна розрізнити мікрокристаліки графіту. Через наявність графіту сірий чавун залишає слід на білому папері.
Чавун тендітний, при ударі він колеться, тому з нього не можна виготовляти пружини, ресори, будь-які вироби, які повинні працювати на вигин.
Твердий чавун легший за розплавлений, так що при його затвердінні відбувається не стиснення (як зазвичай при затвердінні металів і сплавів), а розширення. Ця особливість дозволяє виготовляти з чавуну різноманітні виливки, у тому числі використовувати його як матеріал для художнього лиття.
Якщо вміст вуглецю в чавуні зменшити до 1,0-1,5%, то утворюється сталь. Стали бувають вуглецевими (у таких сталях немає інших компонентів, крім Fe і C) і легованими (такі стали містять добавки хрому, нікелю, молібдену, кобальту та інших металів, що покращують механічні та інші властивості сталі).
Сталі отримують, переробляючи чавун і металевий брухт у кисневому конвертері, електродуговій або мартенівській печах. При такій переробці знижується вміст вуглецю в сплаві до необхідного рівня, як-то кажуть, надлишковий вуглець вигоряє.
Фізичні властивості стали істотно відрізняються від властивостей чавуну: сталь пружна, її можна кувати, прокочувати. Так як сталь, на відміну від чавуну, при твердінні стискається, отримані сталеві виливки піддають обтиску на прокатних станах. Після прокатки обсягом металу зникають порожнечі і раковини, що з'явилися при затвердінні розплавів.
Виробництво сталей має у Росії давні глибокі традиції, і отримані нашими металургами стали вирізняються високою якістю.
Застосування заліза, його сплавів та сполук
Чисте залізо має досить обмежене застосування. Його використовують при виготовленні сердечників електромагнітів як каталізатор хімічних процесів для деяких інших цілей. Але сплави заліза – чавун та сталь – становлять основу сучасної техніки. Знаходять широке застосування багато з'єднання заліза. Так, сульфат заліза (III) використовують при водопідготовці, оксиди і ціанід заліза є пігментами при виготовленні барвників і так далі.
Залізо в організмі
Залізо присутні в організмах всіх рослин і тварин як мікроелемент, (див.МІКРОЕЛЕМЕНТИ)тобто у дуже малих кількостях (загалом близько 0,02%). Проте залізобактерії (див.ЗАЛІЗОБАКТЕРІЇ), що використовують енергію окислення заліза (II) у залізо (III) для хемосинтезу (див.ХЕМОСИНТЕЗ)можуть накопичувати у своїх клітинах до 17-20% заліза. Основна біологічна функціязаліза - участь у транспорті кисню та окисних процесах. Цю функцію залізо виконує у складі складних білків – гемопротеїдів. (див.ГЕМОПРОТЕЇДИ), простетичною групою яких є залізопорфіриновий комплекс - гем (див.ГЕМ). Серед найважливіших гемопротеїдів дихальні пігменти гемоглобін (див.ГЕМОГЛОБІН)і міоглобін, (див.МІОГЛОБІН)універсальні переносники електронів у реакціях клітинного дихання, окислення та фотосинезу цитохроми, (див.ЦИТОХРОМИ)ферменти каталозу та пероксиду, та інших. У деяких безхребетних залізовмісних дихальних пігментах гелоеритрин і хлорокруорин мають відмінну від гемоглобінів будову. При біосинтезі гемопротеїдів залізо переходить до них від білка феритину. (див.ФЕРРИТИН), що здійснює запасання та транспорт заліза. Цей білок, одна молекула якого включає близько 4 500 атомів заліза, концентрується в печінці, селезінці, кістковому мозку та слизовій оболонці кишечнику ссавців та людини. Добова потреба людини в залозі (6-20 мг) з надлишком покривається їжею (залізом багаті м'ясо, печінка, яйця, хліб, шпинат, буряк та інші). В організмі середньої людини (маса тіла 70 кг) міститься 4,2 г заліза, в 1 л крові – близько 450 мг. За нестачі заліза в організмі розвивається залізиста анемія, яку лікують за допомогою препаратів, що містять залізо. Препарати заліза застосовують і як загальнозміцнюючі засоби. Надмірна доза заліза (200 мг і вище) може мати токсичну дію. Залізо також потрібне для нормального розвитку рослин, тому існують мікродобрива на основі препаратів заліза.
Енциклопедичний словник. 2009 .
Синоніми:- Хімічний елемент 18 групи Періодичної системи елементів.
Залізо відоме з давніх-давен. Найстаріші залізні предмети, знайдені археологами, відносяться до 4 тис. до н. е. Вважають, що матеріалом, з якого людина виготовила перші залізні вироби, було метеоритне залізо.
Невипадково багатьма мовами залізо називали «небесний метал», «капающий з неба» тощо. Перший науковий доказ того, що «залізне каміння падає з неба», надав у 1775 році петербурзький академік географ і мандрівник Петро Симон Паллас (1741–1811), який привіз до Петербурга брилу залізного метеориту масою 600 кг. Найбільшим із залізних метеоритів, знайдених на Землі, є метеорит «Гобе» масою близько 60 т, який був виявлений у 1920 р. у Південно-Західній Африці. Найбільший залізний метеорит, який спостерігали під час падіння, знаходиться в Москві в музеї Російської академії наук. При падінні (18 жовтня 1816, Далекий Схід), метеорит розбився і було знайдено два уламки масою 256 кг.
Метеоритне залізо – не чисте. Зазвичай залізні метеорити містять нікель (до 30%) та інші елементи. Метеоритне залізо добре кується в холодному стані, а при нагріванні стає крихким, тому залізні вироби найдавніших майстрів неможливо перекувати гарячим способом.
Вкраплення заліза нерідко містяться в базальтових та інших вивержених породах. У 1905 році на острові. Російський у Японському морі поблизу Владивостока було виявлено самородний чавун, що містить 3,2% вуглецю.
Припускають, що тверде ядро Землі починаючи з глибини 2900 км (екваторіальний радіус Землі 6377 км) складається зі сплаву заліза (91-92%) і нікелю (8-9%).
За поширеністю в земній корі залізо поступається лише кисню, кремнію та алюмінію. Сполуки заліза входять до складу багатьох мінералів, гірських порід, ґрунтів, живих організмів, проте руди заліза нечисленні. Найбільш цінними є оксидні руди.
Пірит (залізний колчедан) FeS 2 безпосередньо для виплавки заліза не використовується, проте для виплавки застосовують продукти його випалу при виробництві сірчаної кислоти. Назва піриту походить від грецького слова "пюр" - вогонь. Цей мінерал латунно-жовтого кольору, з яскравим металевим блиском, є найтвердішим природним сульфідом. Якщо по піриту вдарити кремнем, то від мінералу відскакують іскри, якими можна підпалити трут або інший матеріал, що легко запалюється.
Залізо із руд почали виплавляти в Африці в I тисячолітті до н. Тут залізняк виходить на поверхню землі. Можливо, їх знаходили у річкових наносах. У басейні. Замбези археологи виявили глиняні домни, занедбані залізорудні шахти, купи шлаку. Місцеві племена перейшли з кам'яної доби відразу в залізний, минаючи бронзовий.
Згодом залізо повсюдно потіснило інші метали і стало головним матеріалом виготовлення інструментів, зброї, механізмів та інших виробів. Залізне століття, що почалося в ті далекі часи, триває досі. Перед заліза та її сплавів припадає близько 95% всієї виробленої світі металопродукції. Зараз основну масу заліза виплавляють у вигляді чавуну та сталі.
Протягом майже трьох тисячоліть металургія заліза не зазнавала принципових змін. Спочатку людина навчилася відновлювати залізні руди нагріванням з деревним вугіллям, отримуючи так зване сиродутне залізо, що майже не містить вуглецю (ковке та пластичне). У 6 ст. до зв. е. у Китаї було отримано перший чавун. Він був відомий і античним металургам. Виробництво чавуну у Європі почало розвиватися у 17 ст. У нашій країні промислове отримання чавуну почалося 17 в., а за Петра I Росія з випуску чавуну вже перевершила всі країни. Давні майстри знали також спосіб виробництва литої сталі шляхом плавлення тигельної. У 19 ст. були винайдені нові процеси виробництва сталі (безсемерівський, мартенівський та томасовський), які використовуються досі.
Чавун одержують у вертикальних печах – домнах (рис. 1).
Чавун виплавляють із шихти, що містить шматки збагаченої руди, у присутності відновника (коксу) та флюсів (зазвичай доломіту CaCO 3 MgCO 3). Знизу в доменну піч вдувають повітря, збагачене киснем. Вуглець, що міститься в коксі, згоряє, а отриманий діоксид вуглецю відновлюється надлишком вуглецю до монооксиду. Монооксид вуглецю, що утворюється в печі, послідовно відновлює оксид заліза(III), що міститься в руді, до заліза:
2Fe 2 O 3 + 3CO = 4Fe + 3CO 2
Температура в горні (нижній частині) печі, де накопичується рідкий чавун, перевищує 1500° З. У разі доменної печі відбувається інтенсивне насичення заліза вуглецем (науглероживание), тому доменний чавун зазвичай містить від 2 до 4,6% вуглецю. Флюси взаємодіють із компонентами руди, утворюючи шлак, у якому йдуть шкідливі домішки (сірка, фосфор), порожня порода, надлишки марганцю та деякі кольорові метали. Доменні гази випускаються через колошники у верхній частині печі.
Виробництво сталі засноване на переплавці чавуну у присутності окислювачів. У ході виплавки сталі вміст вуглецю знижується до 15-2%. FeO, що утворюється в окисних умовах, реагує з вуглецем і домішками, окислюючи їх і відновлюючись до Fe.
У киснево-конверторному (бессемерівському) способі використовують спеціальну ємність для виплавки сталі – конвертер, що є ретортоподібним резервуаром (рис. 2).
У конвертер заливають рідкий чавун, який продувається сумішшю кисню з повітрям і вуглеводнями, і шихту, що містить чавун, руду, сталевий брухт і флюси, потім подається чистий кисень.
Мартенівську плавку проводять у спеціальних (мартенівських) печах. При плавленні шихти відбувається окислення заліза та домішок. Щоб підвищити ефективність процесу повітряне дуття збагачують киснем. Аналогічні процеси протікають при виплавці стали електросталеплавильним методом. Він зручний тим, що дозволяє точніше регулювати умови процесу, а також проводити плавку у вакуумі або під тиском.
Залізо особливого ступеня чистоти, що містить менше 0,001% домішок, одержують через карбонільний комплекс. Для цього вихідний технічний метал обробляють при 150-200° під тиском монооксидом вуглецю. Рідкий карбоніл, що утворюється при цьому, очищають перегонкою, а потім розкладають при вищій температурі до металу. Отриманий порошок називають карбонільним залізом.
Чисте залізо – твердий, сріблясто-білий тугоплавкий метал. При звичайному тиску залізо існує як чотири кристалічних модифікацій. До температури 917° С стійко a-Fe, яке нижче 769° С має феромагнітні властивості. Інші модифікації утворюються за більш високих температур. У рідкий стан метал переходить при 1535 ° С. При різкому охолодженні високотемпературні модифікації заліза не встигають повністю перейти в a-модифікацію. На цьому засновані методи загартування сталі.
Залізо виявляє помірну хімічну активність. Воно горить у атмосфері кисню, утворюючи оксид Fe 2 O 3 . У дрібнороздробленому стані метал пирофорен, тобто. здатний самозайматися на повітрі. Тонкий порошок заліза можна отримати за термічного розкладання оксалату заліза в атмосфері водню.
Залізо реагує з розплавленою сіркою, утворюючи сульфід, активно взаємодіє з хлором, бромом та йодом з утворенням трихлориду, триброміду та дііодиду. З фтором залізо реагує слабко через утворення на поверхні щільної мало летючої плівки трифториду. При температурах більше 500° З метал оборотно взаємодіє з вуглецем:
Карбід заліза такого складу називають цементитом. Він міститься у чавунах та сталях.
Металеве залізо на холоді швидко реагує з кислотами-неокислювачами, утворюючи солі заліза(II). У холодних концентрованих сірчаної та азотної кислотах метал пасивується, що дозволяє транспортувати концентровану сірчану кислоту у залізних цистернах. У розведеній азотній кислоті утворюється нітрат заліза(III):
Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O
При температурі 600 ° С залізо окислюється водою:
3Fe + 4H 2 O (Fe II ,Fe III 2)О 4 + 4H 2
За більш високої температури рівновага зміщується вліво.
Під дією атмосферної вологи та повітря залізо корозує (іржавіє):
4Fe + 2H 2 O + 3O 2 = 4FeO(OH)
За рахунок корозії щорічно втрачається до 10% всього виробленого заліза ( см. ).
Дуже чисте залізо, що містить менше 0,01% домішок сірки, вуглецю та фосфору, стійке до корозії. Поблизу р. Делі Індії стоїть залізна колона, поставлена ще 9 в. е., де немає жодних ознак іржі. Вона виготовлена з дуже чистого металу з вмістом заліза 99,72%. Не останню роль корозійної стійкості матеріалу знаменитої колони можуть грати кліматичні особливості цієї місцевості.
Металеве залізо взаємодіє при нагріванні з концентрованими (більше 30%) розчинами лугів, утворюючи гідроксокомплекси. Під дією сильних окислювачів при нагріванні залізо може утворювати сполуки у ступені окислення (+VI) – ферати:
Fe + 2KNO 3 = K 2 FeO 4 + 2NO
Для заліза відомі оксиди та гідроксиди у ступенях окиснення (II) та (III).
Монооксид заліза отримують прожарюванням карбонату або оксалату заліза(II) в інертній атмосфері:
Fe(C 2 O 4) = FeO + CO 2 + CO
Це темнозабарвлена тверда, тугоплавка речовина. З водою монооксид заліза не взаємодіє, але легко реагує із кислотами:
FeO + 2H + = Fe 2+ + H 2 O
Білий гідроксид заліза(II) Fe(OH) 2 утворюється при дії розчинів лугів на водні розчини солей заліза. На повітрі він швидко темніє внаслідок окислення:
4Fe(OH) 2 + O 2 = 4FeO(OH) + H 2 O
Буро-червоний оксид заліза(III) Fe 2 O 3 одержують термічним розкладанням гідроксиду або нітрату заліза(III). Він розкладається при плавленні (1565 ° С) на FeO і O 2 . Оксид Fe 2 O 3 отриманий при не дуже високих температурах, реагує з кислотами:
Fe 2 O 3 + 3H + = 2Fe 3+ + 3H 2 O
Після сильного прожарювання Fe2O3 стає інертним, і з кислотами не взаємодіє.
Подвійний оксид заліза (Fe II, Fe III 2) Про 4 утворюється при дії водяної пари на розпечене залізо, при відновленні Fe 2 O 3, окисненні FeO. Він розчиняється в кислотах з утворенням солей заліза(II) та заліза(III), при нагріванні на повітрі окислюється до Fe2O3.
Гідроксид заліза(III) утворюється при підлужуванні водних розчинів солей:
FeCl 3 + 3(NH 3 ·H 2 O) = FeO(OH) - + 3NH 4 Cl + H 2 O
Він стійкий і виявляє помітних окисних властивостей.
Залізо утворює прості солі майже з усіма аніонами. Розчинні у воді нітрати, сульфати, галогеніди (крім фторидів), ацетати та ін. Катіон заліза(II) може бути окислений багатьма окислювачами до катіону заліза(III). Розчини солей заліза(II) та його тверді солі поступово окислюються навіть просто при зберіганні на повітрі:
4FeCO 3 + 2H 2 O + O 2 = 4FeO(OH) + 2CO 2
4FeS + 6H 2 O + O 2 = 4FeO(OH) + 4H 2 S
Найбільш стійкою твердою сіллю заліза(II) є гексагідрат сульфату заліза(II)-амонію (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 . 6H 2 O (сіль Моря).
При нагріванні сульфати, нітрати, карбонати та оксалати заліза розкладаються. При цьому залізо(II) зазвичай окислюється до заліза(III), наприклад:
2FeSO 4 = Fe 2 O 3 + SO 3 + SO 2
Солі заліза(III) зазнають сильного гідролізу.
Катіон Fe 3+ виявляє помірні окисні властивості. Через перебіг окисно-відновних реакцій не вдається отримати солі заліза(III) з аніонами, що мають відновлювальні властивості:
2FeCl 3 + H 2 S = 2FeCl 2 + S + 2HCl
Залізо в ступені окислення (+VI) утворює феррат-іон FeO 4 2-, для якого відомі солі з багатьма катіонами металів. За будовою та розчинністю у воді ферати подібні до сульфатів і хроматів. Так, ферати барію та стронцію мало розчинні у воді, а ферати лужних елементів утворюють розчини малиново-червоного кольору. У сильнолужному середовищі феррат-іон досить стійкий, але при підкисленні розчину він руйнується:
4FeO 4 2– + 20H + = 4Fe 3+ + 3O 2 + 10H 2 O
У лужному середовищі окисні властивості ферратів виражені слабо. У умовах їх легко синтезувати:
2FeO(OH) + 3Cl 2 + 10 KOH = 2K 2 FeO 4 + 6KCl + 6H 2 O
Fe 2 O 3 + KClO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + KCl + 2H 2 O (сплавлення)
Залізо є добрим комплексоутворювачем.
У присутності деяких лігандів стабілізуються аномально низькі ступені окислення заліза, наприклад, рівень окислення (0).
У 1916 на Баденській аніліново-содовій фабриці (BASF) у Німеччині виявили забутий сталевий балон із стислим монооксидом вуглецю. Коли балон розкрили, на дні його було близько 500 мл жовтої маслянистої рідини з характерним запахом. Було встановлено його хімічна формула. При нагріванні в інертній атмосфері цей карбонільний комплекс цілком стійкий (закипає при 103 ° С), але легко згорає на повітрі. Групи СО можуть заміщатися на інші ліганди - аміни, ненасичені органічні сполуки (наприклад, бутадієн С 4 Н 6) та ін.
C 4 H 6 = + 2CO
Відомі комплекси заліза, що містять як ліганд групу NO, наприклад, 2-, . Встановлено, що у цих сполуках група NO несе негативний заряд. Утворення нітрозильного комплексу заліза використовується для виявлення монооксиду азоту:
SO 4 + NOSO 4 + H 2 O
В результаті цієї реакції з'являється характерне буре забарвлення.
Якісною реакцією на катіон заліза(III) є взаємодія з тіоціанат-іоном:
3+ + nNCS – 3–n + nH 2 O
Утворюється суміш тіоціантних комплексів (n = 3-6), що мають яскраво-червоний колір.
Малостійкі тіоціанатні комплекси заліза (III) легко руйнуються в присутності лігандів, що утворюють міцніші комплекси, наприклад, фторид іонів.
Велике практичне значення мають комплекси заліза з аніонами ортофосфорної кислоти, що утворюються, коли іржа з поверхні металевого заліза видаляється водним розчином кислоти. Аквакатіони заліза, що з'явилися в кислотному середовищі, вступають у взаємодію з наявними в розчині аніонами H 2 PO 4 - , HPO 4 2 - і PO 4 3 - , в результаті утворюється ряд комплексів, серед яких переважає - . До його складу входять два бидентатних і два монодентатні ліганди H 2 PO 4 – . Найменшою мірою утворюються 3- і 6-.
Особливою стійкістю відрізняються ціанокомплекси заліза. Комплекси заліза K 4 ·3H 2 O та K 3 мають тривіальні назви «жовта» та «червона кров'яні солі». Жовту кров'яну сіль, мабуть, виявили випадково на початку 18 ст. Це з'єднання отримували з тварин покидьків (у тому числі крові), які нагрівали разом з карбонатом калію та залізною тирсою. При дії розчину жовтої кров'яної солі на солі заліза (III) вони забарвлювалися у синій колір. Витягнута з розчину фарба виявилася дуже яскравою, відносно дешевою, неотруйною (на відміну від жовтої кров'яної солі), стійкою до дії слабких кислот. У неї було багато назв, але закріпилося одне – берлінська блакит, напевно, тому, що першим став використовувати цю фарбу берлінський фарбувальний майстер Дизбах. Спосіб отримання берлінської лазурі довго тримали в секреті, але через кілька десятиліть хіміки різних країн, у тому числі і перший російський вчений-природознавець Михайло Васильович Ломоносов (1711-1765), відкрили таємницю синтезу цієї речовини. Схожу фарбу навчилися отримувати й іншим способом. У 1822 німецький хімік Леопольд Гмелін (1788–1853) виділив червону сіль K 3 , окислюючи хлором жовту K 4 ·3H 2 O. Сіль Гмеліна реагувала з розчинами солей заліза(II) з утворенням синього продукту, який назвали турнбуловою компаньйонів фірми "Артур і Турнбуль", другим господарем якої був дідусь знаменитого англійського хіміка та фізика Вільяма Рамзая (1852-1916). Сам Рамзай вважав, що саме його дід, спадковий фарбник, відкрив цю гарну фарбу. Пізніше утворення берлінської лазурі та турнбулевої сині стали використовувати для визначення іонів заліза в розчині: синє забарвлення з'являється тільки при дії гексаціаноферрата(II) калію (жовтої кров'яної солі) на катіон заліза(III) або гексаціаноферрата(III) (червоної кров'яної солі заліза(II), але не навпаки.
Хімічний склад берлінської лазурі та турнбулевої сині, незважаючи на деяку мінливість, практично однаковий. Довгий час вважали, що вони відрізняються ступенями окиснення заліза у зовнішній і внутрішній сфері комплексних сполук, що утворюються. Вважали, що берлінської блакиті відповідає формула KFe III, а турнбулеві сині – KFe II, але наступні дослідження показали, що берлінська блакитність і турнбулева синь – це те саме речовина. Вдалося встановити, що катіони заліза(II) оточені шістьма атомами вуглецю, а катіони заліза(III) – атомами азоту. Це комплексне з'єднання можна схематично уявити в такому вигляді
Ціанідні ліганди є містковими. А в порожнинах цієї структури знаходяться катіони калію.
Залізо в ступені окислення (+II) може приєднувати ненасичені вуглеводні, заповнюючи свої вакантні атомні орбіталі p-Електронами кратних зв'язків.
На нафтопереробних заводах давно помічали утворення червоного кристалічного нальоту в залізних трубопроводах, коли з них за високої температури пропускали продукти перегонки нафти, що містять циклопентадієн. Аналіз цих кристалів показав, що вони є новою хімічною сполукою, якій дали назву фероцен. До складу ферроцену входять циклопентадієніл-іони – аніони циклопентадієну, який можна розглядати як дуже слабку кислоту. Ферроцен можна отримати в розчині тетерагідрофурану за реакцією:
2Na(C 5 H 5) + FeCl 2 = + 2NaCl
Атом заліза розташований між плоскими циклопентадіанільними циклами. За подібність із знаменитим бутербродом такі комплекси стали називати «сендвічовими» (рис. 3).
Рис. 3. БУДОВА ФЕРРОЦЕНУ
Залізо та її метали (чавуни і сталі) – основа сучасної промисловості. Хоча в деяких галузях техніки сплави на основі заліза дещо потіснені кольоровими металами, полімерами та керамікою, вони й досі залишаються найважливішими конструкційними матеріалами. З усіх речовин, що виробляються хімічними методами, залізо, як і раніше, знаходиться на першому місці.
Широко застосовуються і унікальні магнітні властивості заліза. Воно – основний метал для сердечників електромагнітів та якорів електромашин. Ефективним матеріалом виготовлення магнітних носіїв є оксид заліза(III).
Каталітичні властивості заліза використовують у синтезі аміаку.
Багато сполук заліза застосовуються як пігменти. Найбільш відомими є жовто-коричнева охра (суміш гідроксидів заліза з глиною) та її різновиди – світло-коричнева сієна та коричнева умбра, червоно-коричневий залізний сурик (Fe 2 O 3), жовтий залізооксидний пігмент (метагідроксід заліза).
Ферроцен запропоновано використовувати як термостійкий теплоносій і присадку до мінеральних масел і палива.
В людини міститься близько 5 г заліза. З них 57% припадає на гемоглобін крові, 7% - на міоглобін м'язів, 16% пов'язані з тканинними ферментами, а 20% - це запас, відкладений у печінці, селезінці, кістковому мозку та нирках.
Гемоглобін – складний за складом білок, що містить і небілкову гем-групу, частку якого припадає близько 4% маси гемоглобіну. Гем є комплексом заліза (II) з макроциклічним лігандом – порфірином і має плоску будову. У цьому комплексі атом заліза пов'язаний із чотирма донорними атомами азоту макрокільця так, що атом заліза знаходиться в центрі порфіринового кільця. П'ятий зв'язок атом заліза утворює з атомом азоту імідазольної групи гістидину – залишку амінокислотного глобіну (рис. 4).
Шосте місце координації атома заліза використовується для зв'язування кисню. Фізіологічна функція гемоглобіну полягає у здатності оборотно зв'язувати кисень і переносити його від легень до тканин. Гемоглобін забезпечує організм киснем і виводить з нього діоксид вуглецю.
З оксидом вуглецю («чадний газ») гемоглобін здатний утворити міцніші зв'язки, ніж із киснем. Якщо це відбувається в організмі, гемоглобін втрачає здатність переносити кисень клітин і виводити з організму діоксид вуглецю. Так відбувається отруєння організму оксидом вуглецю.
Від надлишку заліза організм оберігає спеціальний фермент апоферитин. Дефіцит заліза в організмі зустрічається досить часто, внаслідок цього розвиваються хвороби крові, з'являється занепад сил, загальне погіршення стану, неприродна блідість шкіри. У період формування мозку дефіцит заліза викликає порушення у його розвитку.
Добова норма потреби людини становить близько 15 мг заліза. Багато заліза в сливовому соку, куразі, родзинках, горіхах, гарбузовому та соняшниковому насінні. У 10 г пророслої пшениці міститься 1 мг заліза. Чорний хліб, висівки, хліб грубого помелу також багаті на залізо. Слід врахувати, що організмом засвоюється лише 10% від заліза, одержуваного з їжею. Вітаміни та харчові продукти рослинного походження сприяють засвоєнню заліза, а у присутності щавлевої та фітинової кислот залізо не всмоктується.
При недостатньому надходженні заліза в організм використовують його. лікарські засоби. Для цих цілей колись застосовували навіть звичайні залізні тирсу. З історії відомо, що граф А.П.Бестужев-Рюмін (1693-1766) запропонував як зміцнюючий і збуджуючий засіб краплі (вони отримали назву «бестужевські»), що являли собою розчин трихлориду заліза в суміші етанолу та етилового ефіру. Зараз для усунення дефіциту заліза зазвичай використовують порошкоподібне залізо у таблетках або капсулах та препарати на основі ферроцену.
Х'юї Дж. Неорганічна хімія. Будова речовини та реакційна здатність. Пров. з англ. М., Хімія, 1987
Степін Б.Д., Алікберова Л.Ю. Книга з хімії для домашнього читання. М., Хімія, 1994
Залізо, Fe, хімічний елемент, атомна вага 55,84, порядковий номер 26; розташований у VIII групі періодичної системи в одному ряду з кобальтом та нікелем, температура плавлення – 1529°С, температура кипіння – 2450°С; у твердому стані має синювато-сріблястий колір. У вільному вигляді залізо зустрічається лише у метеоритах, які, проте, містять домішки Ni, Р, З та інших елементів. У природі сполуки заліза поширені повсюдно (грунт, мінерали, гемоглобін тварин, хлорофіл рослин), гол. обр. у вигляді оксидів, гідратів оксидів і сірчистих сполук, а також вуглекислого заліза, з яких складається більшість залізних руд.
Хімічно чисте залізо виходить шляхом нагрівання щавлевокислого заліза, причому при 440°С спочатку виходить матовий порошок закису заліза, що має здатність спалахнути повітря (т. зв. пірофоричне залізо); при подальшому відновленні цього закису порошок, що утворився, набуває сірого кольору і втрачає пірофоричні властивості, переходячи в металеве залізо. При відновленні закису заліза при 700°С залізо виділяється як дрібних кристалів, які потім сплавляются у вакуумі. Інший спосіб отримання хімічно чистого заліза полягає в електролізі розчину солей заліза, наприклад FeSО 4 або FeCl 3 в суміші з MgSО 4 СаСl 2 або NH 4 Cl (при температурі вище 100°С). Однак, при цьому залізо оцлюдує значну кількість електролітичного водню, внаслідок чого набуває твердості. При прожарюванні до 700 ° С водень виділяється і залізо стає м'яким і ріжеться ножем, як свинець (твердість за шкалою Моса - 4,5). Чисте залізо може бути отримане алюмінотермічним шляхом з чистого окису залізо. (Див. Алюмінотермія). Добре утворені кристали заліза зустрічаються рідко. У порожнинах великих шматків литого заліза іноді утворюються кристали октаедричної форми. Характерною властивістю заліза є його розм'якшування, тягучість і ковкість при температурі, значно нижчій, ніж температура плавлення. При дії на залізо міцної азотної кислоти (що містить нижчих оксидів азоту), залізо покривається нальотом оксидів і стає нерозчинним азотної кислоти.
З'єднання заліза
Легко з'єднуючись з киснем, залізо утворює кілька оксидів: FeO - закис заліза, Fe 2 Про 3 - окис заліза, FeО 3 - ангідрид залізної кислоти і FeО 4 - ангідрид надзалізної кислоти. Крім того, залізо утворює ще окис змішаного типу Fe 3 Про 4 - закис-окис заліза, т.з. залізну окалину. У сухому повітрі, однак, залізо не окислюється; іржа є водними окислами заліза, що утворюються за участю вологи повітря і СО 2 . Закису заліза FeO відповідає гідрат Fe(OH) 2 і цілий ряд солей двовалентного заліза, здатних при окисленні переходити в солі окису заліза, Fe 2 Про 3 , в якій залізо проявляє себе як тривалентний елемент; на повітрі гідрат закису заліза, що відрізняється сильними відновними властивостями, легко окислюється, переходячи в гідрат окису заліза. Гідрат закису заліза слабо розчиняється у воді, і цей розчин має виразно лужну реакцію, що свідчить про основний характер двовалентного заліза. Окис заліза зустрічається в природі (див. залізний сурик), штучно ж м. б. отримана у вигляді червоного порошку при прожарюванні залізного порошку та при випалюванні сірчаного колчедану для отримання сірчистого газу. Безводний окис заліза, Fе 2 O 3 м. б. отримана у двох модифікаціях, причому перехід однієї з них в іншу відбувається при нагріванні та супроводжується значним виділенням тепла (самонажарювання). При сильному прожарюванні Fe 2 Про 3 виділяє кисень і переходить в магнітний закис-окис, Fe 3 Про 4 . При дії лугів на розчини солей тривалентного заліза випадає осад гідрату Fe 4 Про 9 H 6 (2Fe 2 Про 3 ·3Н 2 Про); при кип'ятінні його з водою утворюється гідрат Fe 2 Про 3 · Н 2 О, що важко розчиняється в кислотах. Залізо утворює з'єднання з різними металоїдами: С, Р, S, з галоїдами, а також і з металами, наприклад з Mn, Cr, W, Сu та ін.
Солі заліза поділяються на закисні – двовалентного заліза (феро-солі) та на окисні – тривалентного заліза (фері-солі).
Солі закисного заліза . Хлористе залізо, FeCl 2 виходить при дії сухого хлору на залізо, у вигляді безбарвних листочків; при розчиненні заліза в НСl хлористе залізо утворюється у вигляді гідрату FeCl 2 ·4H 2 O і застосовується у вигляді водних або спиртових розчинів у медицині. Йодисте залізо, FeJ 2, виходить із заліза та йоду під водою у вигляді зелених листочків і застосовується в медицині (Sirupus ferri jodati); при подальшій дії йоду утворюється FeJ 3 (Liquor ferri sesquijodati).
Сірчанокисле закисне залізо, залізний купорос, FeSО 4 ·7H 2 Про (зелені кристали) утворюється в природі в результаті окислення піриту та сірчаних колчеданів; ця сіль утворюється також як побічний продукт при виробництві галунів; при вивітрюванні або при нагріванні до 300 ° С переходить в білу безводну сіль - FeSO 4 ; утворює також гідрати з 5, 4, 3, 2 та 1 частинками води; легко розчиняється у холодній воді (у гарячій до 300%); розчин має кислу реакцію внаслідок гідролізу; на повітрі окислюється, особливо легко в присутності іншої речовини, що окислюється, наприклад, щавлевокислих солей, які FeSО 4 залучає в пов'язану реакцію окислення, знебарвлює КМnO 4 ; при цьому процес протікає за наступним рівнянням:
2KMnO 4 + 10FeSO 4 +8H 2 SO 4 = 2MnSО 4 + K 2 SО 4 + 5Fe 2 (SO 4) 2 + 8Н 2 О.
Для цієї мети, однак, застосовується постійна на повітрі подвійна сіль Мора (NH 4) 2 Fe(SО 4) 2 ·6Н 2 О. Залізний купорос застосовується в газовому аналізі для визначення окису азоту, поглинається розчином FeSО 4 з утворенням пофарбованого в темно -Бурий колір комплексу (FeNО)SО 4 , а також для отримання чорнила (з дубильними кислотами), як протрава при фарбуванні, для зв'язування смердючих газів (H 2 S, NH 3) у відхожих місцях і т. д.
Закисні солі заліза застосовуються у фотографії завдяки їх здатності відновлювати срібні з'єднання на прихованому зображенні, що відобразилося на фотографічній платівці.
Вуглекисле залізо, FeCO 3 зустрічається в природі у вигляді сидериту або залізного шпату; одержуване осадженням водних розчинів закисних солей заліза карбонатами вуглекисле залізо легко втрачає 2 і окислюється на повітрі до Fe 2 Про 3 .
Бікарбонат заліза, H 2 Fe(CО 3) 2 розчинний у воді і зустрічається в природі в залізистих джерелах, з яких, окисляючись, виділяється на поверхні землі у вигляді гідрату окису заліза, Fe(OH) 3 , що переходить у бурий залізняк.
Фосфорнокисле залізо, Fе 3 (РO 4) 2 · 8Н 2 O, білий осад; зустрічається в природі злегка забарвлений, внаслідок окислення заліза, у блакитний колір, у вигляді вівіаніту.
Солі окисного заліза . Хлорне залізо FeCl 3 (Fe 2 Cl 6), виходить при дії надлишку хлору на залізо у вигляді гексагональних червоних табличок; хлорне залізо повітря розпливається; з води кристалізується як FeCl 3 ·6Н 2 Про (жовті кристали); розчини мають кислу реакцію; при діалізі поступово гідролізується майже остаточно з утворенням колоїдного розчину гідрату Fe(OH) 3 . FeCl 3 розчиняється в спирті і суміші спирту з ефіром, при нагріванні FeCl 3 ·6H 2 Про розкладається на НСl і Fe 2 O 3 ; застосовується як протрава і як кровоспинний засіб (Liquor ferri sesquichlorati).
Сірчанокисле окисне залізо, Fe 2 (SO 4) 3 в безводному стані має жовтуватий колір, в розчині сильно гідролізується; під час нагрівання розчину випадають основні солі; залізні галун, MFe(SO 4) 2 ·12H 2 O, М - одновалентний лужний метал; найкраще кристалізуються амонійні галун, NH 4 Fe(SО 4) 2 ·12Н 2 Про.
Окисел FeО 3 - ангідрид залізної кислоти, так само як і гідрат цього оксиду H 2 FeО 4 - залізна кислота- у вільному стані не м. б. отримані через їхню крайню неміцність; але в лужних розчинах можуть існувати солі залізної кислоти, ферати (наприклад K 2 FeО 4), що утворюються при розжарюванні залізного порошку з селітрою або КСlO 3 . Відома також малорозчинна барієва сіль залізної кислоти BaFeО 4 ; т. о., залізна кислота в деяких відношеннях дуже нагадує сірчану та хромову кислоти. У 1926 р. київським хіміком Горалевичем описані сполуки окислу восьмивалентного заліза. надзалізного ангідриду FeО 4 отримані при сплавленні Fe 2 Про 3 з селітрою або бертолетової сіллю у вигляді калієвої солі надзалізної кислоти K 2 FeО 5 ; FeО 4 - газоподібна речовина, що не утворює з водою надзалізної кислоти H 2 FeО 5 яка, однак, м. б. виділена у вільному стані розкладанням кислотами солі K 2 FeО 5 . Барієва сіль BaFeO 5 ·7Н 2 Про, а також кальцієва і стронцієва солі отримані Горалевичем у вигляді білих кристалів, що не розкладаються, що виділяють лише при 250-300°С воду і при цьому зеленіють.
Залізо дає сполуки: з азотом азотисте залізо(нітрид) Fe 2 N при нагріванні порошку заліза в струмені NH 3 з вуглецем - карбід Fe 3 C при насиченні в електричній печі заліза вугіллям. Крім того, вивчений цілий ряд сполук заліза з окисом вуглецю. карбоніли заліза, наприклад, пентакарбоніл Fe(CO) 5 - злегка пофарбована рідина з близько 102,9°С (при 749 мм, питома вага 1,4937), потім тверде помаранчеве тіло Fe 2 (CO) 9 , нерозчинне в ефірі і хлороформі, з питомою вагою 2,085.
Велике значення мають ціаністі сполуки заліза. Крім простих ціанідів Fe(CN) 2 і Fe(CN) 3 , залізо утворює цілий ряд комплексних сполук з ціаністими солями, як, наприклад, солі залізистосинеродистої кислоти H 4 Fe(CN) 6 , і солі залізосинеродистої кислоти H 3 Fe(CN) 6 , наприклад, червона кров'яна сіль, які, у свою чергу вступають у реакції обмінного розкладання з солями закисного та окисного заліза, утворюючи забарвлені в синій колір сполуки - берлінську блакитність і турнбуллову синь. При заміні в солях залізистосинеродистої кислоти H 4 Fe(CN) 6 однієї групи CN на одновалентні групи (NO, NО 2 , NH 3 , SО 3 , СО) утворюються пруссо-солі, наприклад, нітропрусид натрію (нітрожелезистосинеродистий натрій) Na 2 · 2 О, одержуваний дією димної HNО 3 на K 4 Fe(CN) 6 з наступною нейтралізацією содою, у вигляді рубіново-червоних кристалів, що відокремлюються кристалізацією від утворюється одночасно селітри; відповідна нітрожелезистосинеродиста кислота H 2 кристалізується також у вигляді темно-червоних кристалів. Нітропрусид натрію застосовується як чутливий реактив на сірководень і сірчисті метали, з якими він дає криваво-червоне, що переходить потім у синє, фарбування. При дії мідного купоросу на нітропрусид натрію утворюється блідо-зелений нерозчинний у воді та спирті осад, що застосовується для випробування ефірних масел.
Аналітично залізо виявляється дією з його солі, в лужному розчині, жовтої кров'яної солі. Солі тривалентного заліза утворюють у своїй синій осад берлінської лазурі. Солі двовалентного заліза утворюють синій осад турнбулла сині при дії на них червоної кров'яної солі. З роданистим амонієм NH 4 CNS солі тривалентного заліза утворюють розчинне у воді з криваво-червоним фарбуванням роданове залізо Fe(CNS) 3 ; з танніном солі окисного заліза утворюють чорнило. Інтенсивним забарвленням відрізняються також і мідні солі залізистосинеродистої кислоти, які знаходять собі застосування (увахромовий метод) у кольоровій фотографії. Зі сполук заліза, що застосовуються в медицині, крім згаданих галоїдних сполук заліза, мають значення: металеве залізо (F. hydrogenio reductum), лимоннокисле залізо (F. Citricum - 20% Fe), екстракт яблучнокислого заліза (Extractum ferri pomatum), залізний альбумінат Liquor ferri albuminatum), фератин - білкова сполука з 6% заліза; ферратоза – розчин ферратину, карніферрин – з'єднання заліза з нуклеїном (30% Fe); ферратоген з нуклеїну дріжджів (1% Fe), гематоген - 70%-ний розчин гемоглобіну в гліцерині, гемол - гемоглобін, відновлений цинковим пилом.
Фізичні властивості заліза
Наявні в літературі числові дані, що характеризують різні фізичні якості заліза, коливаються внаслідок проблеми отримання заліза в хімічно чистому стані. Тому найдостовірнішими є дані, отримані для електролітичного заліза, в якому загальний вміст домішок (С, Si, Mn, S, Р) не перевищує 0,01-0,03%. Дані, що наводяться нижче, в більшості випадків і відносяться до такого заліза. Для нього температура плавлення дорівнює 1528 ± 3°С (Руер і Клеспер, 1914), a температура кипіння ≈ 2450°С. У твердому стані залізо існує у чотирьох різних модифікаціях - α, β, γ і δ, для яких досить точно встановлені такі температурні межі:
Перехід заліза з однієї модифікації в іншу виявляється на кривих охолодження та нагрівання критичними точками, для яких прийняті такі позначення:
Вказані критичні точки представлені на фіг. 1 схематичними кривими нагрівання та охолодження. Існування модифікацій δ-, γ- та α-Fe вважається в даний час безперечним, самостійне ж існування β-Fe заперечується внаслідок недостатньо різкої відмінності його властивостей від властивостей α-Fe. Всі модифікації заліза кристалізуються у формі куба, причому α, β і δ мають просторові ґрати центрованого куба, а γ-Fe - куба із центрованими гранями. Найбільш виразні кристалографічні характеристики модифікацій заліза отримані на спектрах рентгенівських, як це представлено на фіг. 2 (Вестгрін, 1929 р.). 
З наведених рентгенограм випливає, що для α-, β- та δ-Fe лінії рентгенівського спектру одні й ті самі; вони відповідають решітці центрованого куба з параметрами 2,87, 2,90 і 2,93, а для γ-Fe спектр відповідає решітці куба з центрованими гранями і параметрами 3,63-3,68 А.
Питома вага заліза коливається не більше від 7,855 до 7,864 (Крос і Гілль, 1927 р.). При нагріванні питома вага заліза падає внаслідок теплового розширення, котрого коефіцієнти збільшуються з температурою, як свідчать дані табл. 1 (Дрізен, 1914 р.).
Зниження коефіцієнтів розширення в інтервалах 20-800°З, 20-900°З, 700-800°З 800- 900°З пояснюється аномаліями в розширенні при переході через критичні точки А С2 і А С3 . Цей перехід супроводжується стисненням, особливо різко вираженим у точці А С3 як показують криві стиснення і розширення на фіг. 3. Плавлення заліза супроводжується розширенням його на 4,4% (Гонда та Енда, 1926). Теплоємність заліза досить значна порівняно з іншими металами і виражається для різних температурних інтервалів величинами від 0,11 до 0,20 Сal, як свідчать дані табл. 2 (Обергоффер і Гроссе, 1927) і побудована на підставі їх крива (фіг. 4).
У наведених даних перетворення А 2 , А 3 , А 4 та плавлення заліза виявляються настільки чітко, що для них легко обчислюються теплові ефекти: А 3 ... + 6,765 Сal, А 4 ... + 2,531 Сal, плавлення заліза... - 64,38 Сal (за С. Уміно, 1926, - 69,20 Сal).
Залізо характеризується приблизно у 6-7 разів меншою теплопровідністю, ніж срібло, та у 2 рази меншою, ніж алюміній; а саме, теплопровідність заліза дорівнює при 0°С - 0,2070, при 100°С - 0,1567, при 200°С - 0,1357 і при 275°С - 0,1120 Cal/см·сек·°С. Найбільш характерними властивостями заліза є магнітні, що виражаються цілим рядом магнітних констант, одержуваних за повного циклу намагнічування заліза. Ці константи для електролітичного заліза виражаються такими значеннями в Гаус (Гумліх, 1909 і 1918 рр.):
При переході через точку А с2 феромагнітні властивості заліза майже зникають і м. б. виявлені лише за дуже точних магнітних вимірах. Практично β-, γ- та δ-модифікації вважаються немагнітними. Електропровідність для заліза при 20°С дорівнює R -1 мом/мм 2 (де R - електричний опір заліза, що дорівнює 0,099 Ω мм 2 /м). Температурний коефіцієнт електроопору а0-100 ° х10 5 коливається в межах від 560 до 660 де
Холодна обробка (прокатка, кування, протяжка, штампування) дуже помітно відбивається на фізичних властивостейах заліза. Так, %-ное зміна їх за холодної прокатці виражається такими цифрами (Геренс, 1911 р.): коэрцитивное напруга +323%, магнітний гістерезис +222%, електроопір + 2%, питома вага - 1%, магнітна проникність - 65%. Остання обставина робить зрозумілими ті значні коливання фізичних властивостей, які спостерігаються у різних дослідників: впливу домішок нерідко приєднується ще й вплив холодної механічної обробки.
Про механічні властивості чистого заліза відомо дуже мало. Електролітичне залізо, сплавлене в порожнечі, виявило: тимчасовий опір на розрив 25 кг/мм 2 подовження - 60%, стиснення поперечного перерізу - 85%, твердість по Брінеллю - від 60 до 70.
Структура заліза залежить від вмісту в ньому домішок (хоча б і в незначних кількостях) та попередньої обробки матеріалу. Мікроструктура заліза, як і інших чистих металів, складається з більш-менш великих зерен (кристалітів), що носять тут назву фериту
Розміри та різкість їх обрисів залежать гол. обр. від швидкості охолодження заліза: що остання менше, то більше розвинені зерна і тим різкіше їх контури. З поверхні зерна бувають пофарбовані найчастіше неоднаково внаслідок неоднакової кристалографії, орієнтування їх і неоднакової травлячої дії реактивів за різними напрямками в кристалі. Нерідко зерна бувають витягнуті в одному напрямку внаслідок механічної обробки. Якщо обробка відбувалася за невисоких температурах, то поверхні зерен виникають лінії зрушень (лінії Неймана), як наслідок ковзання окремих частин кристаллітів по площинам їх спайности. Ці лінії є одним з ознак наклепу та тих змін у властивостях, про які було згадано вище.
Залізо у металургії
Термін залізо в сучасній металургії присвоюється лише зварювальному залізу, тобто маловуглецевому продукту, що отримується в тістоподібному стані при температурі, недостатній для плавлення заліза, але високою настільки, що окремі частинки його добре зварюються одна з одною, даючи після проковування однорідний м'який продукт , не приймаючи загартування. Залізо (у зазначеному сенсі слова) виходить: 1) безпосередньо з руди у тістоподібному стані сиродутним процесом; 2) таким же способом, але при нижчій температурі, недостатній для зварювання частинок заліза; 3) переділом чавуну кричним процесом; 4) переділом чавуну пудлінгуванням.
1) Сиродутний процес у наст. час застосовується лише малокультурними народами й у таких місцевостях, куди неспроможна (по відсутності зручних шляхів сполучення) проникнути американське чи європейське залізо, одержуване сучасними способами. Процес ведеться у відкритих сиродутних горнах та печах. Вогкими матеріалами йому служать металева руда (звичайно бурий залізняк) і деревне вугілля. Вугілля засипається в горн у тій половині його, куди підводиться дуття, а руда - купою, з протилежного боку. Окис вуглецю, що утворюється в товстому шарі вугілля, що горить, проходить через всю товщу руди і, маючи високу температуру, відновлює залізо. Відновлення руди відбувається поступово - з поверхні окремих шматків до серцевини. Починаючи з верхніх частин купи, воно прискорюється у міру просування руди в область більш високої температури; окис заліза при цьому переходить спочатку в магнітний окис, потім у закис, і, нарешті, на поверхні шматків руди утворюється металеве залізо. У той же час землісті домішки руди (порожня порода) з'єднуються з ще не відновленим закисом заліза і утворюють легкоплавкий залізистий шлак, який витоплюється через щілини металевої оболонки, що утворює шкаралупу в кожному шматку руди. Будучи нагрітими до білокалільного жару, ці шкаралупки зварюються один з одним, утворюючи на дні горна губчасту масу заліза - крицю, пройняту шлаком. Для відокремлення від останнього вийняту з горна крицю розрубують на кілька частин, з яких кожну проковують, підварюючи, після охолодження в тому ж горні смуги або прямо у вироби (речі домашнього побуту, зброю). В Індії сиродутний процес ведеться і тепер у сиродутних печах, які відрізняються від горнів лише дещо більшою висотою – близько 1,5 м. Стіни печей робляться з глиняної маси (не цегли) та служать лише одну плавку. Дуття подається в піч через одну фурму хутром, що рухається ногами або руками. У порожню піч завантажується деяка кількість деревного вугілля ("холостий колоша"), а потім поперемінно, окремими шарами, руда і вугілля, причому кількість першої поступово збільшується до тих пір, поки не дійде до певного досвідом ставлення до вугілля; вага всієї засипаної руди визначається бажаною вагою криці, яка, взагалі кажучи, незначна. Процес відновлення йде так само, як і в горні; залізо теж повністю не відновлюється, і криця, що виходить на ляща, містить у собі багато залозистого шлаку. Крицю виймають розламанням печі і розрубують на частини, в 2-3 кг вагою. Кожну з них нагрівають у ковальському горні та обробляють під молотом; в результаті виходить чудове м'яке залізо, що служить, між іншим, матеріалом для виготовлення індійської сталі "вуц" (булат). Склад його наступний (у%):
Незначний вміст елементів - домішок заліза - або їх відсутність пояснюється чистотою руди, неповнотою відновлення заліза і низькою температурою в печі. Витрата деревного вугілля завдяки малим розмірам горнів та печей та періодичності їх дії дуже великий. У Фінляндії, Швеції та на Уралі залізо виплавляли у сиродутній печі Хусгавеля, в якій можна було регулювати хід процесу відновлення та насичення заліза вуглецем; витрата вугілля у ній - до 1,1 на одиницю заліза, вихід якого сягав 90% вмісту їх у руді.
2) У майбутньому слід очікувати розвитку виробництва заліза безпосередньо з руди не застосуванням сиродутного процесу, а відновленням заліза за нормальної температури, недостатньою освіти шлаку і навіть спікання порожньої породи руди (1000°С). Переваги такого процесу – можливість застосування низькосортних видів палива, усунення флюсу та витрати тепла на плавлення шлаку.
3) Отримання зварювального заліза переділом чавуну кричним процесом ведеться у крикових горнах гол. обр. у Швеції (у нас – на Уралі). Для переділу виплавляють спеціальний чавун, т.з. ланкаширський, що дає найменший чад. У його складі: 0,3-0,45% Si, 0,5-0,6% Mn, 0,02 Р,<0,01% S. Такой чугун в изломе кажется белым или половинчатым. Горючим в кричных горнах может служить только древесный уголь.
Процес ведеться слід. обр.: горн, звільнений від крици, але з стиглим шлаком кінця процесу, що залишився на донній дошці, наповнюється вугіллям, гол. обр. сосновим, на який укладається підігрітий продуктами горіння чавун у кількості 165-175 кг (на 3/8 м 2 поперечного перерізу горна припадає 100 кг чавуну). Поворотом клапана в повітропроводі дуття прямує через труби, розташовані в підсвідовому просторі горна, і нагрівається тут до температури 150-200 ° С, прискорюючи т. о. плавлення чавуну. Чавун, що плаває, весь час підтримується (за допомогою ломів) на вугіллі вище фурм. За такої роботи вся маса чавуну піддається окисному впливу кисню повітря і вуглекислоти, проходячи зону горіння як крапель. Велика поверхня їх сприяє швидкому окисленню заліза та його домішок – кремнію, марганцю та вуглецю. Дивлячись за вмістом цих домішок, чавун більшою чи меншою мірою втрачає їх, перш ніж збереться на дні горна. Оскільки в шведському горні переробляється малокремнистий і маломарганцевий чавун, то, проходячи горизонт фурм, він втрачає весь свій Si і Мn (окисли яких із закисом заліза утворюють основний шлак) і значну частину вуглецю. Плавлення чавуну триває 20-25 хв. Після закінчення цього процесу пускають у горн холодне дуття. Осілий на дно горна метал починає реагувати з стиглими шлаками, що містяться там же, що містять у собі великий надлишок (у порівнянні з кількістю кремнезему) оксидів заліза - Fe 3 Про 4 і FeO, що окислюють вуглець з виділенням окису вуглецю, що призводить в кипіння весь метал. Коли метал загусне (від втрати вуглецю) і «сяде товаром», останній піднімають ломами вище фурм, пускають гаряче дуття і плавлять «товар».
Під час вторинного плавлення метал окислюється киснем як дуття, і шлаків, які з нього витоплюються. На дно горна після першого підйому падає метал досить м'який для того, щоб з окремих найбільш стиглих частин його збирати крицю. Але перш, при вживанні крем'янистих сортів чавуну, доводилося вдаватися до другого і навіть третього підйому товару, що, звичайно, зменшувало продуктивність горна, збільшувало витрату пального та чад заліза. На результати роботи впливали відстань фурм від донної дошки (глибина горна) і нахил фурм: чим крутіше поставлена фурма і менша глибина горна, тим значніша дія окисної атмосфери на метал. Більш пологий нахил фурм, як і велика глибина горна, зменшує безпосередню дію кисню дуття, надаючи, тобто, велику роль дії шлаку на домішки заліза; окислення ними йде повільніше, зате без чаду заліза. За будь-яких даних умов найвигідніше становище фурм щодо донної дошки визначається досвідом; в сучасному шведському горні око фурми встановлюється з відривом 220 мм від донної дошки, а нахил фурм змінюється у межах - від 11 до 12°.
Горна криця, що виходить на дні, містить у собі, на відміну від сиродутної, дуже мало механічно захопленого шлаку; що стосується хімічних домішок заліза, то Si, Мn і З м. б. повністю видалені (зазначене аналізами мізерний вміст Si і Мn входить до складу механічної домішки - шлаку), а сірка - лише частково, окислюючись дмухом під час плавлення. У цей час окислюється і фосфор, йдучи в шлак як фосфорножелезной солі, але остання потім відновлюється вуглецем, і кінцевий метал може у собі навіть щодо більше фосфору (від чаду заліза), ніж вихідний чавун. Ось чому для отримання першокласного металу для експорту у Швеції беруть у переділ виключно чистий щодо Р чавун. Вийняту з горна готову крицю розрубують на три частини (кожна 50-55 кг) і обжимають під молотом, надаючи вигляду паралелепіпеда.
Тривалість процесу переділу у шведському кричному горні – від 65 до 80 хв.; на добу виходить від 2,5 до 3,5 тонн обжатих шматків «на вогонь», при витраті деревного вугілля всього 0,32-0,40 на одиницю готового матеріалу та виході його від 89 до 93,5% заданого в переділ чавуну. Останнім часом у Швеції були зроблені вдалі досліди переділу рідкого чавуну, взятого від доменних печей, та прискорення процесу кипіння перемішуванням металу за допомогою механічних граблів; при цьому чад знизився до 7%, а витрата вугілля - до 0,25.
Про хімічний склад шведського та південно-уральського заліза дають поняття такі дані (у %):
З усіх родів заліза, одержуваних промисловими способами, шведське кричне найбільш наближається до хімічно чистого і замість останнього застосовується у лабораторній практиці та дослідженнях. Від сиродутного заліза воно відрізняється своєю однорідністю, як від м'якого мартеновского металу (литого заліза) відсутністю марганцю; йому властива вища ступінь зварюваності, тягучості та ковкості. Шведське кричне залізо виявляє незначний тимчасовий опір на розрив - всього близько 30 кг/мм 2 при подовженні в 40% і зменшенні поперечного перерізу в 75%. Нині річна продуктивність кричного заліза Швеції впала до 50000 т, оскільки після війни 1914-18 гг. область промислових застосувань при цьому заліза сильно скоротилася. Найбільше його йде виготовлення (в Англії гол. обр. й у Німеччини) вищих сортів інструментальної і спеціальної сталей; у самій Швеції з нього роблять спеціальний дріт («квітковий»), підковні цвяхи, що добре куються в холодному стані, ланцюги та смугову заготовку для зварних труб. Для останніх двох цілей особливо важливими є властивості кричного заліза: надійна зварюваність, а для труб, крім того, вища стійкість проти іржавіння.
4) Розвиток виробництва заліза кричним процесом тягло у себе винищення лісів; після того як останні в різних країнах були взяті під захист закону, що обмежив їх вирубування річним приростом, Швеція, а потім і Росія - лісисті країни, що рясніють рудами високої якості, - стали головними постачальниками заліза на міжнародному ринку протягом всього 18 ст. У 1784 р. англієць Корт винайшов пудлінгування - процес переділу чавуну на поду вогненної печі, у топці якої спалювалося кам'яне вугілля. Після смерті Корта Роджерс і Голл ввели істотні поліпшення в конструкцію пудлінгової печі, що сприяло швидкому поширенню пудлінгування в усіх промислових країнах і змінило характер і розміри виробництва в них заліза протягом першої половини 19 століття. Цим процесом отримали масу металу, яка знадобилася для будівництва залізниць, залізниць, локомотивів, парових котлів і машин.
Паливом для пудлінгування служить довгопламенне кам'яне вугілля, але там, де його немає, доводилося вдаватися і до бурого вугілля, а в нас на Уралі - до дров. Соснові дрова дають довше полум'я, ніж кам'яне вугілля; воно добре гріє, але вміст вологи в дровах має перевищувати 12%. Згодом на Уралі була застосована до пудлінгування регенеративна піч Сіменса. Нарешті, у США і в нас (у Волзькому та Камському басейнах) пудлінгові печі працювали на нафті, що розпорошується в робочий простір печі безпосередньо.
Для швидкості переділу та зменшення витрати палива бажано мати холодний пудлінговий чавун; при виплавці його на коксі, однак, у продукті виходить багато сірки (0,2 і навіть 0,3%), а при високому вмісті фосфору в руді – і фосфору. Для звичайних торгових сортів заліза такий чавун з низьким вмістом кремнію (менше 1%), під назвою переділового, виплавлявся насамперед у великій кількості. Деревнокутний чавун, який перероблявся на Уралі та в центральній Росії, не містив сірки та давав продукт, що йшов і на виготовлення покрівельного заліза. В даний час пудлінгування служить для виробництва якісного металу за особливими специфікаціями, і тому в пудлінгові печі надходить не звичайний чавун, а високоякісний, наприклад, марганцевий або «гематит» (малофосфористий), або, навпаки, сильнофосфористий для виробництва гайкового залоз. Нижче зазначено вміст (в %) головних елементів у деяких сортах чавуну, які застосовуються для пудлінгування:
Пудлінгова піч після закінчення попередньої операції зазвичай має на поду нормальну кількість шлаку для роботи з наступним садом. При переробці кремністого чавуну шлаку залишається в печі багато, і його доводиться спускати; навпаки, білий чавун залишає під печі «сухим», і роботу доводиться починати закиданням на під потрібної кількості шлаку, який беруть з-під молота («стиглий», найбагатший магнітним окисом). На шлак закидається садок чавуну, підігрітий у чавунніку (250-300 кг у ординарних та 500-600 кг у подвійних печах); потім у топку закидають свіжу порцію пального, прочищають колосники, і печі встановлюється повна тяга. Протягом 25-35 хв. чавун плавиться, зазнаючи б. або м. значну зміну у своєму складі. Твердий чавун окислюється киснем полум'я, причому залізо, марганець і кремній дають подвійний силікат, що стікає під печі; чавун, що плавиться, оголює все нові і нові шари твердого чавуну, який теж окислюється і плавиться. Наприкінці періоду плавлення на поду виходять два рідких шари - чавуну і шлаку, на поверхні зіткнення яких відбувається, хоча і в слабкій мірі, процес окислення вуглецю магнітним окисом заліза, про що свідчать бульбашки окису вуглецю, що виділяються з ванни. Дивлячись за вмістом кремнію і марганцю в чавуні, у розплавленому металі їх залишається неоднакова кількість: у малокремнистому деревнокутному чавуні або білому – коксової плавки – кремній здебільшого вигоряє при плавленні повністю; іноді ж залишається кілька його у металі (0,3-0,25%), як і марганцю. Фосфор теж окислюється у цей час, переходячи у фосфорнозалізну сіль. Від зменшення ваги металу при вигоранні названих домішок %-ное вміст вуглецю може навіть зрости, хоча кілька його безсумнівно спалюється киснем полум'я і шлаків, що покривають перші порції розплавленого металу.
Для прискорення вигоряння кількостей кремнію, марганцю і вуглецю вдаються до пудлінгування, тобто перемішування чавуну зі шлаком за допомогою ключки з загнутим під прямим кутом кінцем. Якщо метал рідкий (сірий чавун, сильно вуглецевий), то перемішування не досягає мети, і ванну попередньо роблять густою закиданням в неї холодного стиглого шлаку або зменшенням тяги встановлюють в печі неповне горіння, що супроводжується отриманням полум'я, що сильно копить (томіння). Через кілька хвилин, протягом яких проводять безперервне перемішування, на поверхні ванни з'являються рясні бульбашки оксиду вуглецю - продукту окислення вуглецю чавуну киснем магнітного окису, розчиненої в основному залізистому шлаку. У міру ходу процесу окислення З посилюється і переходить у бурхливе «кипіння» всієї маси металу, яке супроводжується спучуванням її і таким значним збільшенням обсягу, що частина шлаку переливається через поріг робочих отворів. У міру вигоряння підвищується температура плавлення металу, і для того, щоб кипіння тривало, підвищують безперервно температуру в печі. Закінчене за низької температури кипіння дає сирий товар, т. е. високовуглецеву губчасту масу заліза, нездатну зварюватися; у гарячій печі «сідає» стиглий товар. Процес окислення домішок заліза в пудлінгової печі починається за рахунок кисню шлаку, що представляє сплав однокремнеземіка заліза (Fe 2 SiО 4) з магнітним окисом і закисом заліза змінного складу. В англійських печах склад суміші оксидів виражається формулою 5Fe 3 Про 4 ·5 FeО; після закінчення кипіння відношення окислів у виснаженому шлаку виражається формулою Fe 3 Про 4 ·5FeО, тобто в процесі окислення бере участь 80% всього магнітного окису шлаку. Реакції окиснення м. б. представлені такими термохімічними рівняннями:
Як видно з цих рівнянь, окислення Si, Р і Мn супроводжується виділенням тепла і, отже, нагріває ванну, тоді як окислення З при відновленні Fe 3 Про 4 FeO поглинає тепло і тому вимагає високої температури. Цим пояснюється порядок видалення домішок заліза і те, що вигоряння вуглецю закінчується швидше гарячої печі. Відновлення Fe 3 Про 4 до металу не відбувається, тому що для цього потрібна вища температура, ніж та, при якій йде кипіння.
Сілий «товар», щоб стати залізом, що добре зварюється, потребує ще пропарювання: товар залишають на кілька хвилин у печі і час від часу перевертають ломами, причому нижні його частини кладуть нагору; під сукупною дією кисню полум'я та шлаків, що просочують всю масу заліза, вуглець у цей час продовжує вигоряти. Як тільки вийде деяка кількість металу, що добре зварюється, з нього, уникаючи зайвого окислення, починають накочувати криці. Усього накочують у міру встигання товару від 5 до 10 криц (не більше 50 кг кожна); криці витримують (пропарюють) біля порога в області вищої температури і подають під молот для обтиснення, чим досягається виділення шлаку, і надання їм форми шматка (перетин від 10x10 до 15x15 см), зручної для прокатки у валках. На місце виданих криць переміщаються пересуванням вперед, що йдуть за ними, до останньої. Тривалість процесу при виробництві металу вищої якості (волокнисте залізо) із стиглого (високовуглецевого) деревнокутного чавуну була на Уралі така: 1) посадка чавуну – 5 хв., 2) плавлення – 35 хв., 3) томлення – 25 хв., 4) пудлінгування (перемішування) - 20 хв.; 5) пропарювання товару - 20 хв.; всього – 165 хв. Працюючи на білому чавуні, на звичайне торгове залізо, тривалість процесу скорочувалася (у 3ападній Європі) до 100 і навіть 75 хв.
Що стосується результатів роботи, то в різних металургійних районах вони змінювалися залежно від роду палива, якості чавуну та сорту заліза, що виробляється. Уральські печі, що працювали на дровах, давали вихід придатного заліза на 1 м 3 дров від 0,25 до 0,3 т; витрата нафти в нас на одиницю заліза – 0,3З, кам'яного вугілля у європейських печах – від 0,75 до 1,1. Добова продуктивність великих печей (садка чавуну 600 кг) при роботі на сушених дровах була 4-5 т; вихід матеріалу, придатного для виробництва покрівельного заліза, становив 95-93% кількості чавуну, що надійшов у переділ. У Європі добова продуктивність звичайних печей (садок 250-300 кг) - близько 3,5 т при чаді в 9%, а для високоякісного заліза - 2,5 т при чаді в 11%.
За хімічним складом і фізичними властивостями пудлінгове залізо є набагато гіршим продуктом, ніж кричне, з одного боку, і мартенівське лите - з іншого. Звичайні сорти заліза, що виготовлялися раніше в 3ападній Європі, містили багато сірки і фосфору, тому що вироблялися з нечистих коксових чавунів, а обидві ці шкідливі домішки тільки частиною переходять у шлак; кількість шлаку в пудлінговому залозі - 3-6%, у якісному металі вона вбирається у 2%. Наявність шлаку сильно знижує результати механічних випробувань пудлінгового заліза. Нижче наведено деякі дані у %, що характеризують пудлінгове залізо - звичайне зап.-європейське та гарне уральське:
Цінною властивістю, заради якої і підтримується тепер виробництво пудлінгового заліза, є його чудова зварюваність, що іноді має особливе значення з точки зору безпеки. Специфікаціями ж.-д. товариств наказується виготовлення з пудлінгового заліза зчіпних пристроїв, тяг для перекладних стрілок та болтів. Завдяки кращому опору дії води, що роз'їдає, пудлінгове залізо йде також для виробництва водопровідних труб. З нього ж виготовляють гайки (фосфористий крупнозернистий метал) та високоякісне волокнисте залізо для заклепок та ланцюгів.
Будова зварювального заліза, що виявляється під мікроскопом навіть за слабкого збільшення, характерна присутністю на фотографічному зображенні чорних і світлих складових; перші належать шлаку, а другі – зернам або волокнам заліза, отриманим при витяжці металу.
Залізо торгове
Металургійні заводи виготовляють потреб промисловості залізо двох основних видів: 1) листове і 2) сортове.
Листове залізо прокочується нині до 3 м ширини; при товщині 1-3 мм воно називається у нас тонкокатальним; від 3 мм і вище (зазвичай до 40 мм) – котельним, резервуарним, корабельним, дивлячись за призначенням, якому відповідають склад та механічні властивості матеріалу. Найбільш м'яким є котельне залізо; воно містить зазвичай 0,10-0,12% З, 0,4-0,5% Mn, Р і S - кожного трохи більше 0,05%; тимчасовий опір його на розрив не б. більше 41 кг/мм 2 (але й менше 34 кг/мм 2), подовження при розриві - близько 28%. Резервуарне залізо виробляється більш твердим та міцним; воно містить 0,12-0,15%; 0,5-0,7% Мn і трохи більше 0,06% як Р, і S; опір розриву 41-49 кг/мм 2 подовження 25-28%. Довжина листів котельного і резервуарного заліза встановлюється замовленням за розмірами виробу, що склепується з листів (уникаючи зайвих швів і обрізків), але зазвичай вона не перевищує 8 м, тому що обмежується для тонких листів їх швидким охолодженням вчас процесу прокатки, а для прокатки. .
Листове залізо менше 1 мм товщини називається чорною жерстю; воно служить виготовлення білої жерсті як покрівельний матеріал. Для останньої мети в СРСР прокочують листи розмірами 1422x711 мм вагою 4-5 кг, при товщині 0,5-0,625 мм. Покрівельне залізо випускається заводами в пачках вагою 82 кг. За кордоном чорна жерсть класифікується в торгівлі за номерами спеціального калібру - від 20 до 30-го (нормальна товщина німецької жерсті від 0,875 до 0,22 мм, а англійської - від 1,0 до 0,31 мм). Жесть виготовляється з м'якого литого заліза, що містить 0,08-0,10% С, 0,3-0,35% Мn, якщо воно виготовляється з чавуну деревокутової плавки (у нас), і 0,4-0,5% Мn, якщо вихідним матеріалом є коксовий чавун; опір розриву - від 31 до 34 кг/мм 2 подовження - 28-30%. Різновидом листового заліза є хвилясте (гофроване) залізо. Воно поділяється за характером хвиль на залізо з низькими та високими хвилями; у першому - відношення ширини хвилі до глибини коливається від 3 до 4, у другому 1-2. Хвилясте залізо роблять товщиною 0,75-2,0 мм і шириною листів 0,72-0,81 м (з низькими хвилями) та 0,4-0,6 м (з високими хвилями). Хвилясте залізо використовується для покрівель, стін легких споруд, жалюзі, і з високими хвилями, ще, йде на будівництво безстропильных перекриттів.
Сортове залізо ділиться формою поперечного перерізу на два класи: звичайне сортове залізо і фасонне.
До першого класу відноситься залізо кругле (при діаметрі менше 10 мм зване дротом), квадратне, плоске або смугове. Останнє, у свою чергу, поділяється на: власне смугове – шириною від 10 до 200 мм та товщиною понад 5 мм; обручне - тієї ж ширини, але товщиною від 5 до 1 мм, що вказується № калібру (від 3-го до 19-го нормального німецького та від 6-го до 20-го нового англійського калібру); шинне - від 38 до 51 мм завширшки і до 22 мм завтовшки; універсальне - від 200 до 1000 мм шириною і не менше 6 мм завтовшки (прокатується в спеціальних валках - універсальних). Як шинне, і обручне залізо випускається заводами скатами, катана дріт - мотками; інші сорти - у вигляді прямих (правлених) смуг, зазвичай не більше 8 м завдовжки (нормально - від 4,5 до 6 м), але за спеціальним замовленням для бетонних конструкцій смуги нарізаються до 18 мм завдовжки, а іноді й більше.
Найголовніші види фасонного заліза: кутове (рівнобоке та нерівнобоке), коробчасте (швелерне), таврове, двотаврове (балки), колонне (квадратне) та зетове залізо; існують також деякі інші менш поширені види фасонного заліза. За нормальним метричним сортиментом розміри фасонного заліза вказуються № профілю (№ - число див. ширини полиці або найбільшої висоти профілю). Кутове нерівнобоке та таврове залізо мають подвійний №; напр., № 16/8 означає кутове з полицями в 16 і 8 см або таврове з полицею в 16 см і висотою тавра 8 см. Найбільш важкі профілі фасонного заліза, що катається у нас: № 15 - кутового, № 30 - коритного, № 40 - Двотавровий.
Склад звичайного сортного заліза, що зварюється: 0,12% С, 0,4% Мn, менше 0,05% Р і S - кожного; опір його розриву 34-40 кг/мм 2; але кругле залізо для заклепок виготовляється з більш м'якого матеріалу складу: менше 0,10%, 0,25-0,35% Мn, близько 0,03% Р і S - кожного. Опір розриву 32-35 кг/мм 2 а подовження 28-32%. Фасонне залізо, що не зварюється, а склепується («будівельна сталь») містить: 0,15 - 0,20% С, 0,5% Мn, до 0,06% Р і S - кожного; його опір розриву 40-50 кг/мм 2 подовження 25-20%. Для виробництва гайок виготовляється залізо (томасівське), що містить близько 0,1%, але від 0,3 до 0,5% Р (чим більше гайки, тим більше Р). За кордоном задоволення потреб спеціальних прокатних заводів у торгівлі звертається напівпродукт - квадратна заготівля, зазвичай 50 x 50 мм у поперечному перерізі.