Хімічне і фізичні властивості заліза

Залізо - всім відомий хімічний елемент. Він відноситься до середніх по хімічній активності металів. Властивості і застосування заліза ми розглянемо в цій статті.

Поширеність в природі

Існує досить велика кількість мінералів, до складу яких входить ферум. Насамперед, це магнетит. Він на сімдесят два відсотки складається з заліза. Його хімічна формула - Fe₃O₄. Даний мінерал ще називають магнітний залізняк. Він володіє світло-сірим кольором, іноді з темно-сірим, аж до чорного, з металевим блиском. Найбільша його родовище серед країн СНД знаходиться на Уралі.

Наступний мінерал з високим вмістом заліза - гематит - він на сімдесят відсотків складається з даного елемента. Його хімічна формула - Fe₂O₃. Його ще називають червоним залізняком. Він володіє забарвленням від червоно-коричневої до червоно-сірої. Найбільше родовище на території країн СНД знаходиться у Кривому Розі.

Третій за змістом феруму мінерал - лимонит. Тут заліза шестдесят відсотків від загальної маси. Це кристаллогидрат, тобто в його кристалічну решітку вплетені молекули води, його хімічна формула - Fe₂O₃•H₂O. Як зрозуміло з назви, даний мінерал має жовто-коричневий колір, зрідка бурий. Він є однією з головних складових природних охр і використовується як пігмент. Його також називають бурий залізняк. Найбільші місця залягання - Крим, Урал.

У Сидерит, так званому Шпатовий залізняк, сорок вісім відсотків феруму. Його хімічна формула - FeCO₃. Його структура неоднорідна і складається з з`єднаних разом кристалів різного кольору: сірих, блідо-зелених, сіро-жовтих, коричнево-жовтих та ін.

Останній часто зустрічається в природі мінерал з високим вмістом феруму - пірит. Він володіє такою хімічною формулою FeS₂. Заліза в ньому знаходиться сорок шість відсотків від загальної маси. Завдяки атомам сірки даний мінерал має золотисто-жовте забарвлення.

Багато з розглянутих мінералів застосовуються для отримання чистого заліза. Крім того, гематит використовують у виготовленні прикрас з натуральних каменів. Вкраплення піриту можуть матися в прикрасах з лазуриту. Крім цього, в природі залізо зустрічається у складі живих організмів - воно є одним з найважливіших компонентів клітини. Даний мікроелемент обов`язково повинен надходити в організм людини в достатній кількості. Лікувальні властивості заліза в чому пов`язані з тим, що даний хімічний елемент є основою гемоглобіну. Тому вживання феруму добре позначається на стані крові, а отже, і всього організму в цілому.

Залізо: фізичні і хімічні властивості

Розглянемо по порядку два цих великих розділу. Фізичні властивості заліза - це його зовнішній вигляд, щільність, температура плавлення і т. Д. Тобто всі відмінні риси речовини, які пов`язані з фізикою. Хімічні властивості заліза - це його здатність вступати в реакцію з іншими сполуками. Почнемо з перших.

Фізичні властивості заліза

У чистому вигляді при нормальних умовах це тверда речовина. Воно має сріблясто-сірим кольором і яскраво вираженим металевим блиском. Механічні властивості заліза включають в себе рівень твердості за шкалою Мооса. Вона дорівнює чотирьом (середня). Залізо володіє хорошою електропровідністю і теплопровідністю. Останню особливість можна відчути, доторкнувшись до залізного предмета в холодному приміщенні. Так як цей матеріал швидко проводить тепло, він за короткий проміжок часу забирає більшу його частину з вашої шкіри, і тому ви відчуваєте холод. Доторкнувшись, наприклад, до дерева, можна відзначити, що його теплопровідність набагато нижче. Фізичні властивості заліза - це і його температури плавлення і кипіння. Перша складає 1539 градусів за шкалою Цельсія, друга - 2860 градусів за Цельсієм. Можна зробити висновок, що характерні властивості заліза - хороша пластичність і легкоплавкость. Але і це ще далеко не все.

Також у фізичні властивості заліза входить і його Ферромагнітність. Що це таке? Залізо, магнітні властивості якого ми можемо спостерігати на практичних прикладах кожен день, - єдиний метал, що володіє такою унікальною відмітною рисою. Це пояснюється тим, що даний матеріал здатний намагнічуватися під дією магнітного поля. А по припинення дії останнього залізо, магнітні властивості якого тільки що сформувалися, ще надовго само залишається магнітом. Такий феномен можна пояснити тим, що в структурі даного металу присутня безліч вільних електронів, які здатні пересуватися.

З точки зору хімії

Даний елемент відноситься до металів середньої активності. Але хімічні свойст заліза є типовими і для всіх інших металів (крім тих, які знаходяться правіше водню в електрохімічному ряду). Воно здатне реагувати з багатьма класами речовин.

Почнемо з простих

Феррум вступає у взаємодію з кілородом, азотом, галогенами (йодом, бромом, хлором, фтором), фосфором, карбоном. Перше, що потрібно розглянути, - реакції з оксигенів. При спалюванні феруму утворюються його оксиди. Залежно від умов проведення реакції і пропорцій між двома учасниками вони можуть бути різноманітними. Як приклад такого роду взаємодій можна навести наступні рівняння реакцій: 2Fe + O₂ = 2FeO- 4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O₃- 3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄. І властивості оксиду заліза (як фізичні, так і хімічні) можуть бути різноманітними, залежно від його різновиду. Такого роду реакції відбуваються при високих температурах.

Наступне - взаємодія з азотом. Воно також може відбутися тільки за умови нагрівання. Якщо взяти шість молей заліза і один моль азоту, отримаємо два благаючи нітриду заліза. Рівняння реакції буде виглядати наступним чином: 6Fe + N₂ = 2Fe₃N.

При взаємодії з фосфором утворюється фосфід. Для проведення реакції необхідні такі компоненти: на три благаючи феруму - один моль фосфору, в результаті утворюється один моль фосфіду. Рівняння можна записати наступним чином: 3Fe + P = Fe₃P.

Крім того, серед реакцій з простими речовинами можна також виділити взаємодія з сіркою. При цьому можна отримати сульфід. Принцип, за яким відбувається процес утворення даної речовини, подібний до описаним вище. А саме відбувається реакція приєднання. Для всіх хімічних взаємодій подібного роду потрібні спеціальні умови, в основному це високі температури, рідше - каталізатори.

Також поширені в хімічній промисловості реакції між залізом і галогенами. Це хлорування, бромування, йодування, фторування. Як зрозуміло з назв самих реакцій, це процес приєднання до атомів феруму атомів хлору / брому / йоду / фтору з утворенням хлориду / бромида / йодиду / фториду відповідно. Дані речовини широко використовуються в різноманітних галузях промисловості. Крім того, феррум здатний з`єднуватися з кремнієм при високих температурах. Завдяки тому що хімічні властивості заліза різноманітні, його часто використовують в хімічній галузі промисловості.

Феррум і складні речовини

Від простих речовин перейдемо до тих, молекули яких складаються з двох і більше різних хімічних елементів. Перше, що потрібно згадати, - реакцію феруму з водою. Тут проявляються основні властивості заліза. При нагріванні води разом з залізом утворюється основний оксид (називається він так тому, що при взаємодії з тією ж водою утворює гідроксид, по-іншому кажучи - підстава). Отже, якщо взяти по одному молю обох компонентів, утворюються такі речовини, як діоксид феруму і водень у вигляді газу з різким запахом - також в молярних пропорціях один до одного. Рівняння такого роду реакції можна записати наступним чином: Fe + H₂O = FeO + H₂. Залежно від пропорцій, у яких змішати ці два компоненти, можна одержати ди- або триоксид заліза. Обидва цих речовини дуже поширені в хімічній промисловості, а також використовуються в багатьох інших галузях.

З кислотами і солями

Так як феррум знаходиться лівіше водню в електрохімічному ряду активності металів, він спосособен витісняти даний елемент із з`єднань. Прикладом цьому є реакція заміщення, яку можна спостерігати при додаванні заліза до кислоти. Наприклад, якщо змішати в однакових молярних пропорціях залізо і сульфатну кислоту (вона ж сірчана) середньої концентрації, в результаті отримаємо сульфат заліза (ІІ) і водень в однакових молярних пропорціях. Рівняння такої реакції буде виглядати таким чином: Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂.

При взаємодії з солями проявляються відновні властивості заліза. Тобто за допомогою нього можна виділити менше активний метал із солі. Наприклад, якщо взяти один моль сульфату міді і стільки ж феруму, то можна отримати сульфат заліза (ІІ) і чисту мідь в однакових молярних пропорціях.

Значення для організму

Один з найпоширеніших у земній корі хімічних елементів - залізо. Властивості речовини ми вже розглянули, тепер підійдемо до нього з біологічної точки зору. Феррум виконує дуже важливі функції як на клітинному рівні, так і на рівні всього організму. В першу чергу залізо є основою такого білка, як гемоглобін. Він необхідний для транспорту кисню по крові від легенів до всіх тканин, органів, до кожної клітини організму, в першу чергу до нейронів головного мозку. Тому корисні властивості заліза неможливо переоцінити.

Крім того що він впливає на кровотворення, феррум також важливий для повноцінного функціонування щитовидної залози (для цього потрібен не тільки йод, як деякі вважають). Також залізо бере участь у внутрішньоклітинному обміні речовин, регулює імунітет. Ще феррум в особливо великій кількості міститься в клітинах печінки, оскільки допомагає нейтралізувати шкідливі речовини. Також він є одним з головних компонентів багатьох видів ферментів нашого організму. У добовому раціоні людини повинно міститися від десяти до двадцяти міліграмів даного мікроелемента.

Продукти, багаті залізом

Таких чимало. Вони є як рослинного, так і тваринного походження. Перші - це злаки, бобові, крупи (особливо гречка), яблука, гриби (білі), сухофрукти, шипшина, груші, персики, авокадо, гарбуз, мигдаль, фініки, помідори, броколі, капуста, чорниця, ожина, селера та ін . Другі - печінка, м`ясо. Вживання продуктів з високим вмістом заліза особливо важливо в період вагітності, так як організм несформованого плоду вимагає великої кількості даного мікроелемента для повноцінного росту і розвитку.

Ознаки нестачі в організмі заліза

Симптомами занадто маленького кількості феруму, що надходить в організм, є втома, постійне замерзання рук і ніг, депресії, ламкість волосся і нігтів, зниження інтелектуальної активності, травні розлади, низька працездатність, порушення в роботі щитовидної залози. Якщо ви помітили кілька з цих симптомів, то варто збільшити кількість продуктів з вмістом заліза в своєму раціоні або купити вітаміни або харчові добавки з вмістом феруму. Також обов`язково потрібно звернутися до лікаря, якщо які-небудь з цих симптомів ви відчуваєте занадто гостро.

Використання феруму в промисловості

Застосування і властивості заліза тісно пов`язані. У зв`язку з його феромагнітні, його застосовують для виготовлення магнітів - як більш слабких для побутових цілей (сувенірні магніти на холодильник і т. Д.), Так і більш сильних - для промислових цілей. У зв`язку з тим що розглянутий метал має високу міцність і твердістю, його з давнини використовували для виготовлення зброї, обладунків та інших військових та побутових інструментів. До слова, ще в Давньому Єгипті було відомо метеоритне залізо, властивості якого перевершують такі у звичайного металу. Також таке особливе залізо використовувалося і в Стародавньому Римі. З нього виготовляли елітне зброю. Щит або меч, виконаний з метеоритного металу, міг мати тільки дуже багатий і знатний чоловік.

Взагалі, метал, який ми розглядаємо в даній статті, є самим різнобічно використовуваним серед усіх речовин даної групи. Насамперед, з нього виготовляються сталь і чавун, які застосовуються для виробництва всіляких виробів, необхідних як у промисловості, так і в повсякденному житті.

Чавуном називається сплав заліза і вуглецю, в якому другий присутній від 1,7 до 4,5 відсотка. Якщо другий менше, ніж 1,7 відсотка, то такого роду сплав називається сталлю. Якщо вуглецю в складі присутні близько 0,02 відсотка, то це вже звичайне технічне залізо. Присутність в сплаві вуглецю необхідно для надання йому більшої міцності, термостійкості, стійкості до іржавіння.

Крім того, в сталі може міститися багато інших хімічних елементів в якості домішок. Це і марганець, і фосфор, і кремній. Також в такого роду сплав для надання йому певних якостей можуть бути додані хром, нікель, молібден, вольфрам і багато інші хімічні елементи. Види сталі, в яких присутня велика кількість кремнію (близько чотирьох відсотків), використовуються як трансформаторних. Ті, у складі яких багато марганцю (аж до дванадцяти-чотирнадцяти відсотків), знаходять своє застосування при виготовленні деталей залізниць, млинів, дробарок та інших інструментів, частини яких схильні до швидкого стирання.

Молібден вводять до складу сплаву, щоб зробити його більш термоустойчивим - такі стали використовуються як інструментальних. Крім того, для отримання всім відомих і часто використовуваних в побуті у вигляді ножів та інших побутових інструментів нержавіючих сталей необхідно додавання в сплав хрому, нікелю й титану. А для того щоб отримати ударостійку, високоміцну, пластичну сталь, досить додати до неї ванадій. При введенні до складу ніобію можна домогтися високої стійкості до корозії та впливу хімічно агресивних речовин.

Мінерал магнетит, який був згаданий на початку статті, потрібен для виготовлення жорстких дисків, карт пам`яті та інших пристроїв подібного типу. Завдяки магнітним властивостям, залізо можна знайти в пристрої трансформаторів, двигунів, електронних виробів тощо. Крім того, феррум можуть додавати в сплави інших металів для додання їм більшої міцності і механічної стійкості. Сульфат даного елемента застосовують у садівництві для боротьби зі шкідниками (поряд з сульфатом міді). Хлориди заліза є незамінними при очищенні води. Крім того, порошок магнетиту використовується в чорно-білих принтерах. Головний спосіб застосування піриту - отримання з нього сірчаної кислоти. Даний процес відбувається в лабораторних умовах в три етапи. На першій стадії пірит феруму спалюють, отримуючи при цьому оксид заліза і діоксид сірки. На другому етапі відбувається перетворення діоксиду сульфуру в його триоксид за участю кисню. І на завершальній стадії отримане речовина пропускають через водяний пар в присутності каталізаторів, тим самим і отримуючи сірчану кислоту.

Одержання заліза

В основному добувають даний метал з двох основних його мінералів: магнетиту і гематиту. Роблять це за допомогою відновлення заліза з його сполук вуглецем у вигляді коксу. Робиться це в доменних печах, температура в яких сягає двох тисяч градусів за шкалою Цельсія. Крім того, є спосіб відновлення феруму воднем. Для цього необов`язково наявність доменної печі. Для здійснення даного методу беруть спеціальну глину, змішують її з подрібненою рудою і обробляють воднем в шахтній печі.

Висновок

Властивості і застосування заліза різноманітні. Це, мабуть, найважливіший в нашому житті метал. Ставши відомим людству, він зайняв місце бронзи, яка на той момент була основним матеріалом для виготовлення всіх знарядь праці, а також зброї. Сталь і чавун багато в чому перевершують сплав міді з оловом з точки зору своїх фізичних властивостей, стійкості до механічних впливів.

Крім того, залізо на нашій планеті більш поширене, ніж багато інші метали. Масова частка його в земній корі становить майже п`ять відсотків. Це четвертий за поширеністю в природі хімічний елемент. Також даний хімічний елемент дуже важливий для нормального функціонування організму тварин і рослин, насамперед тому, що на його основі побудований гемоглобін. Залізо є найважливішим мікроелементом, вживання якого важливо для підтримки здоров`я і нормальної роботи органів. Крім перерахованого вище, це єдиний метал, який володіє унікальними магнітними властивостями. Без феруму неможливо уявити наше життя.