Химични и физични свойства на желязото

Желязо

26

МанганЖелязоКобалт

Fe

Ru

220px-Fe-TableImageПериодична система

Външен вид

сребристо-сив метал240px-Fe26

Общи данни

Име, символ, №

Желязо, Fe, 26

Химическа серия

Преходен метал

Група, период, блок

8, 4, d

Свойства на атома

Атомна маса

55,845 u

Атомен радиус (calc)

140 (156) pm

Ковалентен радиус

125 pm

Радиус на ван дер Ваалс

pm

Електронна конфигурация

[Ar] 3d6 4s2

e на енергийно ниво

2, 8, 14, 2

Оксидационни с-ния (оксид)

2, 3, 4, 6

Кристална структура

кубична

Физични свойства

Агрегатно състояние

Твърдо вещество

Плътност

7874 kg/m³

Температура на топене

1811 K (1538 °C)

Температура на кипене

3023 K (2750 °C)

Моларен обем

7,09×10-6 m³/mol

Специф. топлина на топене

349,6 kJ/mol

Специф. топлина на изпарение

13,8 kJ/mol

Скорост на звука

4910 m/s при 293,15K

Други

Електроотрицателност

1,83 (скала на Полинг)

Специф. топлинен капацитет

440 J/(kg·K)

Специф. електропроводимост

9,93×106 S/m

Специф. ел. съпротивление

0,0961 Ω.mm²/m

Топлопроводимост

80,2 W/(m·K)

Йонизационен потенциал

762,5 kJ/mol

Желязото е химичен елемент, метал, с атомен номер 26 и символ Fe. Той е част от група 8 и период 4 на периодичната система, поради което се класифицира като преходен метал. Желязото и неговите сплави, най-вече стоманата, са най-масово използваните метали и феромагнити в ежедневния живот.

Повърхността му е блестяща и сребристосива, но изложена на въздух оксидира и се покрива с червен или кафяв железен оксид (ръжда). Отделните кристали чисто желязо са меки (по-меки от алуминия), като добавянето на относително малки примеси значително увеличава твърдостта и якостта. Стоманата представлява сплав на желязото с малко количество въглерод и други метали и може да бъде 1000 пъти по-твърда от чистото желязо.

Желязо-56 е най-тежкият стабилен изотоп, образуван от алфа-процеса при звездния нуклеосинтез. За образуването на елементи, по-тежки от желязото иникела е необходима свръхнова. Желязото е най-изобилният елемент в ядрата на червените гиганти, най-изобилният метал в железните метеорити и в плътните метални планети, като Земята.

Произход на наименованието

Има няколко версии за произхода на славянската дума „желязо“ (беларус. жалеза“, рус. железо“, укр. залізо“, полски „Żelazo, словенски „Železo). Една от тези версии свързва тази дума със санкритската жалжа“, която означава „метал, руда“. Другата версия свързва с гръцката дума „χαλχοσ“, която означава желязо, мед.

Европейските iron (англ.), Eisen (нем.) произлизат от санскритската исира“ — твърд, силен. Латинското „ferrum“ произлиза от „fars“ — твърдост.

Физични свойства

Механични свойства

Характеристични стойности на опънната якост (TS) и твърдостта (BH) на различни форми и сплави на желязото[1][2]

Материал

TS

(MPa)

BH

(по Бринел)

Монокристални мустаци 11000
Закалена стомана 2930 850–1200
Мартензитна стомана 2070 600
Бейнитна стомана 1380 400
Перлитна стомана 1200 350
Студенообработено желязо 690 200
Дребнозърнесто желязо 340 100
Въглеродосъдържащо желязо 140 40
Чист железен кристал 10 3

Твърдостта на чистото желязо има толкова устойчиви стойности, че често се използва за калибриране на измервания или сравнение на изпитвания,[2][3]но механичните свойства на желязото се влияят силно от наличието на примеси. Чистите железни кристали са по-меки от алуминия,[1] а най-чистото произвеждано в промишлени условия желязо (99,99%) има твърдост по Бринел 20-30.[4] При увеличаване на съдържанието на въглерод първоначално се наблюдава значително нарастване на твърдостта и опънната якост. Максимална твърдост се получава при съдържание на въглерод около 0,6%, но тази сплав има ниска опънна якост.[5]

Алотропни форми

Желязото е метал, който проявява изявена алотропия. Съществуват поне четири алотропни форми на желязото, обозначавани като α, γ, δ и ε, като според някои спорни експериментални данни при много високо налягане и температура се образува и устойчива β форма.[6]Pure_iron_phase_diagram_EN

Фазова диаграма на чистото желязо при ниски налягания

Когато разтопеното желязо се охлажда, при 1538 °C то кристализира в δ алотропна форма, която има обемноцентрирана кубична кристална решетка. При охлаждане до 1394 °C кристалната решетка се изменя в стенноцентрирана и се получава γ-желязо или аустенит. При 912 °C кристалната структура отново става обемноцентрирана и се формира α-желязо или ферит, а при 770 °C (точка на Кюри) желязото става магнитно. При преминаването през точката на Кюри видът на кристалните решетки не се променя, а атомите се групират според своя електронен спин.[7]

При налягане над приблизително 10 GPa и температури до няколкостотин келвина, α-желязото се трансформира в шестоъгълна компактна структура, известна като ε-желязо. γ-желязото също може да се превърне в ε-желязо, но при по-високо налягане. β-желязото, ако съществува, би се формирало при налягане поне 50 GPa и температура над 1500 K, като се предполага, че би имало орторомбична или двойношестоъгълна компактна структура.[6] ε- и β-желязото могат да съществуват само при високо налягане, но играят важна роля в моделирането на твърдите части на планетните ядра – смята се, че ядрото на Земята е съставено основно от желязно-никелова сплав с ε (или β) структура.

Желязото има най-голямо значение за техниката във вид на сплави с други метали и с въглерод, така че да се получи стомана. Съществуват множество видове стомана с различни свойства, които до голяма степен зависят от алотропните форми на желязото. α-желязото (ферит) е най-устойчивата форма при нормални температури. То е относително мек метал, който може да разтваря ограничено количество въглерод (не повече от 0,021% по маса при 910 °C).[8] Над 912 °C феритът се трансформира в аустенит, който също е мек, но може да разтваря значително по-големи количества въглерод (до 2,04% по маса при 1146 °C). Тази форма се използва широко и за съдържащите значителен процент легиращи материали неръждаеми стомани.[7]

Изотопи

Срещащото се в природата желязо се състои от четири устойчиви изотоп: 5,845% 54Fe, 91,754% 56Fe, 2,119% 57Fe и 0,282% 58Fe. От тях само 57Fe има ядрен спин (−1/2). Теоретично нуклидът54Fe трябва да претърпява двоен бета-разпад, но този процес не е наблюдаван експериментално и е установена само долна граница за периода на полуразпад: t1/2>3,1×1022 години.

60Fe е изчезнал радиоактивен изотоп с голям период на полуразпад (2,6 милиона години).[9] Той не се среща на Земята, но в резултат на неговия разпад е образуван устойчивият изотоп никел-60.

В миналото основните измервания на изотопния състав на желязото са насочени към определяне на вариациите в 60Fe, дължащи се на процесите, свързани с нуклеосинтез и образуване на руди. През последните години напредъкът в техниката на масспектрометрията дават възможност за откриване и измерване на съвсем малки естествени вариации в съотношението между устойчивите изотопи. Тези изследвания намират приложение главно в науките за Земята и планетологията, макар че се появяват и първи приложения в биологичните и промишлени системи.[10]

Най-често срещаният изотоп 56Fe представлява особен интерес, тъй като той е най-масовата крайна точка на нуклеосинтеза. Често е сочен неправилно за изотопа с най-голяма енергия на свързване, макар че в действителност такъв е никел-62.[11] 56Ni се образува лесно от по-леки ядра при алфа-процеса в свръхновите и представлява крайна точка на синтеза в крайно масивните звезди, тъй като добавянето на допълнителна алфа-частица би образувала цинк-60, което изисква много повече енергия. Така никел-56, който има период на полуразпад около 6 дни, се образува в големи количества в тези звезди, но бързо се разпада с две последователни излъчвания на позитрон, първо до радиоактивния кобалт-56, а след това до устойчивото желязо-56. По тази причина този изотоп се среща във Вселената много по-често от другите устойчиви метали с подобна атомна маса.

При изследвания на паднали на Земята метеорити е установена корелация между концентрациите на 60Ni, продукт на разпада на 60Fe, и изобилието от устойчиви железни изотопи, което свидетелства за наличието на 60Fe по времето, когато е образувана Слънчевата система. Възможно е енергията, отеделена при разпада на 60Fe, да е допринесла, наред с енергията от разпада на радиоактивния изотоп 26Al, за повторното разтопяване и диференциацията на астероидите след тяхното образуване преди 4,6 милиарда години. Изобилието от 60Ni в извънземен материал може да даде допълнителна информация за произхода на Слънчевата система и нейната ранна история.[12]

Химични свойства и съединения

Степен на

окисление

Представително съединение

−2 динатриев тетракарбонилферат
−1
0 железен пентакарбонил
1 циклопентадиенилжелезен дикарбонил димер
2 железен сулфат, фероцен
3 железен хлорид, фероценов тетрафлуорборат
4 бариев ферат
5
6 калиев ферат

Желязото образува химични съединения главно в степени на окисление +2 и +3. Такива са широко използваните в промишленосттажелезен(II) сулфат (FeSO4·7H2O) и железен(III) хлорид (FeCl3). Съединенията на желязо(II) са склонни да оксидират до съединения на желязо(III) при излагане на въздух.[13] Има и съединения със смесена валентност, които съдържат едновременно центрове на желязо(II) и желязо(III), например магнетитът (Fe3O4) или оцветителят пруско синьо (Fe4(Fe[CN]6)3).[13]

Желязото може да се свързва и в по-високи степени на окисление, до +6, както в калиевия ферат (K2FeO4). Желязо(IV) е чест посредник в много биохимични оксидационни реакции.[14][13] В много металоорганични съединения желязото участва със степени на окисление +1, 0, -1 и дори -2. За определянето на тези степени често се използва техниката на мьосбауеровата спектроскопия.[15]

За разлика от повечето други метали желязото не образува амалгама с живака, поради което то често се използва за изработване на съдове за съхранение и транспорт на живак.[16]

При по-висока температура се покрива с тънка оксидна корица, която го предпазва. При още по-висока температура изгаря:

3Fe + 2O2 → Fe3O4

В среда с влажен въздух желязото бързо оксидира, като се образува ръжда. Тя представлява хидратирани железни оксиди:

Fe2O и няма защитен ефект, защото слоят не е плътен, а се рони.

При висока температура желязото взаимодейства с неметали:

2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3

С метали и въглерод желязото образува сплави. Желязото лесно се разтваря в минерални киселини:

Fe + 2HClFeCl2 + H2

Концентрираните азотна киселина (HNO3) и сярна киселина (H2SO4) пасивират повърхността на желязото. То реагира само с концентрирани разтвори на алкални основи при висока температура, като се получава комплексно съединение:

Fe + 4NaOH + 2H2O → Na4[Fe(OH)6] + H2

Желязото взаимодейства с вода при нагряване:

3Fe + 4HOHFe3O4 + 4H2 — при температура по-ниска от 570 градуса

Fe + HOHFeO + H2 — при температура по — висока от 570 oC

Трижелезният тетраоксид (Fe3O4) е смесен оксид — FeO.Fe2O3

Взаимодейства и с разтвори на някои соли, които са съставени от метал, който се намира след желязото в реда на относителната активност:

Fe + CuSO4 FeSO4 + Cu

Наличие в природата

Желязото е шестият най-разпространен химичен елемент във Вселената.[17] То се образува при последния екзотермичен етап на звездния нуклеосинтез, при процеса на силициево изгаряне в масивните звезди. То е най-тежкият устойчив елемент, който се образува по този начин.

Процесът започва с второто най-тежко устойчиво ядро, формирано при силициевото изгаряне, това на калция. Калциевото ядро се обединява с едно хелиево ядро, образувайки неустойчив титан. Преди да се разпадне, титанът може да се обедини с още едно хелиево ядро, образувайки неустойчив хром, който от своя страна може да погълне още едно хелиево ядро и да се превърне в неустойчиво желязо. Поглъщането на ново хелиево ядро довежда до образуването на нестабилен никел-56, който вече поглъща хелиеви ядра със загуба на енергия, поради което се разпада до неустойчив кобалт-56, а той от своя страна — до вече устойчивото желязо-56.

На желязото се падат около 5% от количеството вещество в земната кора, но за ядрото, което включва 35% от масата на планетата се смята, че е изградено предимно от сплав на желязо и никел. Така желязото е най-разпространеният елемент на Земята, но едва четвъртият в земната кора.[18][19]

Самородното желязо се среща рядко на повърхността на Земята, тъй като то лесно оксидира, но неговите оксиди са широко разпространени и формират основната част от железните руди. По-голямата част от желязото в земната кора е във вид на минерали на железния оксид, като хематит (Fe2O3) и магнетит (Fe3O4). Големи залежи от желязо има в геоложки формации, образувани от множество се тънки слоеве магнетит или хематит, редуващи се с пластове бедни на желязо седименти, които са образувани преди 3,7 до 1,8 милиарда години.[20][21]

Приблизително 1 от 20 метеорита е съставен от редките желязно-николево минерали тенит (35-80% желязо) и камацит (90-95% желязо). Макар и редки, железните метеорити са основната форма на естествено метално желязо на земната повърхност.[22] Чрез мьосбауерова спектроскопия е установено, че червеният цвят на повърхността на Марс се дължи на богатия на железни оксиди реголит.[23]

История

220px-Ingot-pigЖелезен слитък от добиваното до 19 век желязо в с.Радуил

Желязото е известно на хората от древни времена.

Археологическите разкопки намират изделия от желязо, датирани около 4 хилядолетие пр.н.е. и се отнасят към древноегипетската и шумерскатацивилизации. Предметите, правени от желязо от това време, включват накрайници за стрели и украшения. В тях се е използвало метеоритно желязо, по-точно сплав от желязо и никел, от която се състоят метеоритите. В много езици е останало споменаването за небесния произход на желязото.

Между 2 хилядолетие пр.н.е. и 3 хилядолетие пр.н.е. в Месопотамия и Древен Египет се появяват първите предмети, направени от топено желязо (определя се по отсъствието на никел в състава му). Независимо от това желязото се е използвало основно в култови предмети. Вероятно по това време то е било много скъпо.

Между 1600 и 1200 г. пр.н.е. производството на желязо се е развивало в Близкия изток, но все още значително е отстъпвало по разпространение набронза.

В периода между 12 и 10 век пр.н.е. в Близкия Изток станала рязка промяна в производството на инструменти и оръжия — от използването на бронз към желязо. Вероятно такъв бърз преход се е наложил не толкова заради прогреса в производството на желязо, колкото заради проблемите при доставката на калай — един от компонентите на бронза. Този исторически период някои автори наричат „Железен век“.

Добив

В промишлеността желязото се получава от желязна руда, най-често хематит (Fe2O3) и магнетит (Fe3O4).

Първи етап на производство — в доменна пещ се подават рудата и въглеводороди, за да се получи чугун.

Втори етап — в мартенова пещ се премахва излишният въглерод и се получава стомана или желязо.

Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 Q (получаване в горната част на пещта)

FeO + CFe + CO + Q (получаване в долната част на пещта)

Химически чисто желязо се получава с помощта на електролиза от разтвори на негови соли.

Приложение

Желязото е най-употребяваният метал, като заема 95% от световния добив на метали.

  • Основен компонент на стоманата и чугуна — едни от най-важните строителни материали. Желязото се използва основно за строителни конструкции, а също и в машиностроенето.
  • Оксидите му са важен елемент в производствата на устройства за запис на данни: касети, дискети, твърди дискове.
  • Сулфатите на желязото в смес с меден сулфат се използват за борба с вредителите в селското стопанство.

Биологична роля

Желязото играе важна роля в живота на практически всички организми, с изключение на някои бактерии.

В организма на животните желязото влиза в състава на много ферменти и белтъчини (протеини), участващи в окислително-редукционните реакции, например в процеса на дишането, тъй като то влиза в състава на хемоглобина.

Потребността на човек от желязо на 1 kg тегло е: деца — 0,6 mg, възрастни — 0,1 mg и бременни — 0,3 mg желязо на денонощие. Като правило, желязото, което приемаме с храната, е напълно достатъчно, но в някои специални случаи като (анемия, донорство на кръв) е необходимо да се приемат желязосъдържащи хранителни добавки.

Внимание! Предозирането с желязо вреди на организма! Ето защо на здрави хора не се препоръчва употребяването на препарати, съдържащи желязо!

Легендата, че спанакът съдържа много желязо, се ражда след печатна грешка. При описване резултатите от направено през 1870 г. немско изследване на съдържанието на желязо в различни храни, десетичната запетая в стойността за спанака била отместена по грешка надясно, като в резултат била публикувана десет пъти по-висока стойност. Грешката била поправена през 1937 г., но чрез пресата и филмите за Попай Моряка (започнали през 1929 г.) в масовото съзнание вече се бил утвърдил митът за богатия на желязо спанак.