Железо

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Шаблон:Карточка химического элементаШаблон:Элемент периодической системы Желе́зо (Fe от лат. Шаблон:Langi) — элемент восьмой группы (по старой классификации — побочной подгруппы восьмой группы) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Один из самых распространённых в земной коре металлов: второе место после алюминия.

Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

Собственно железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. Но на практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего — в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O, Si, Al[1]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра.

История

Шаблон:Чистить раздел Шаблон:Main Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён. Шаблон:Нет АИ 2

Первыми освоили метод выплавки железа хатты. На это указывает древнейшее (2-е тысячелетие до н. э.) упоминание железа в текстах хеттов, основавших свою империю на территории хаттов (современной Анатолии в Турции)[2].

Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2, которые часто встречаются по всему побережью Чёрного моря: эти магнетитовые пески состоят из смеси мелких зёрен магнетита, титано-магнетита или ильменита, и обломков других пород, так что выплавляемая халибами сталь была легированной, и имела превосходные свойства. Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2 Однако из описания Климента не ясноШаблон:Кому, говорит ли он именно об этой горе в Передней Азии (Ида Фригийская у Вергилия), или же о горе Ида на острове Крит, Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл[3]. Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2 В библейской книге Иисуса Навина 17,16 (ср. Судей 14,4) описывается, что филистимляне (библейские «PILISTIM», а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги) имели множество железных колесниц, то есть в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.

Шаблон:Нет АИ 2

Шаблон:Нет АИ 2 Шаблон:Нет АИ 2 (около 1400 °C, а чистое железо плавится при 1535 °C). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100—1200 °C, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке) и не обладающий упругостью стали. Первоначально его считалиШаблон:Кто вредным побочным продуктом (англ. Шаблон:Langi-en2, по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилосьШаблон:Кем, что при повторной переплавке в печи с усиленным продуванием через него воздуха чугун превращается в сталь хорошего качества, так как лишний углерод выгорает. Такой двухстадийный процесс производства стали из чугуна оказался более простым и выгодным, чем кричный, и этот принцип используется без особых изменений многие века, оставаясь и до наших дней основным способом производства железных материалов[4].

Происхождение названия

Праславянское *želězo (белор. Шаблон:Langi, укр. Шаблон:Langi, Шаблон:Lang-cu, болг. Шаблон:Langi, Шаблон:Lang-sh, польск. Шаблон:Langi, чеш. Шаблон:Langi, словен. Шаблон:Langi) имеет ясные параллели в балтийских языках (лит. Шаблон:Langi, латыш. Шаблон:Langi). Слово является однокоренным словам «железа» и «желвак»; и имеет смысл «округлый камень, окатыш, блямба»[5].

Имеется несколько версий дальнейшей этимологии этого балтославянского слова.

Одна из них связывает Шаблон:Lang-x-slav с греческим словом χαλκός, что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень»[6][7]. Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка[8].

Романские языки (итал. Шаблон:Lang-it2, фр. Шаблон:Langi, исп. hierro, порт. Шаблон:Langi, рум. Шаблон:Langi) продолжают Шаблон:Lang-lat. Латинское ferrum (< *ferzom), возможно, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего, из финикийского. Ср. ивр.barzel‏‎, шумерск. barzal, ассирийск. parzilla[9]. Отсюда же, вероятно, баскское burdina.

Германские языки заимствовали название железа (Шаблон:Lang-got, англ. Шаблон:Langi-en2, нем. Шаблон:Langi, нидерл. Шаблон:Langi, дат. Шаблон:Langi, швед. Шаблон:Langi) из кельтских[10].

Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к Шаблон:Lang-x-ie «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к Шаблон:Lang-x-ie «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой»[11].

Древнегреческое слово Шаблон:Lang-grc2, возможно, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра[12].

Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. Шаблон:Langi — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности, древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus, означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Изотопы

Шаблон:Main Природное железо состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe (изотопная распространённость 5,845 %), 56Fe (91,754 %), 57Fe (2,119 %) и 58Fe (0,282 %). Также известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72, наиболее устойчивые из которых — 60Fe (период полураспада по уточнённым в 2009 году данным составляет 2,6 миллиона лет[13]), 55Fe (2,737 года), 59Fe (44,495 суток) и 52Fe (8,275 часа); остальные изотопы имеют период полураспада менее 10 минут[14].

Изотоп железа 56Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд (см. Железная звезда), а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых[15].

Геохимия железа

Файл:IronInRocksMakeRiverRed.jpg
Гидротермальный источник с железистой водой. Оксиды железа окрашивают воду в бурый цвет

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %. Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002—0,02 мг/л. В речной воде его концентрация значительно выше — 2 мг/л.

Геохимические свойства железа

Файл:Elemental abundances-RUS.svg
Распространение железа в пересчёте на 106 атомов кремния.

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро Земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe2O3 характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.

По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Ca2+ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO · Fe2O3 или Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.

В природе также широко распространены сульфиды железа — пирит FeS2 (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в миреШаблон:Нет АИ.

Содержание железа в морской воде — 1Шаблон:E—1Шаблон:E %.

Другие часто встречающиеся минералы железа[16]:

  • Сидерит — FeCO3 — содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см³ и твёрдость 3,5—4,5 по шкале Мооса.
  • Марказит — FeS2 — содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6—4,9 г/см³ и твёрдостью 5—6 по шкале Мооса.
  • Лёллингит — FeAs2 — содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7—7,4 г/см³, твёрдость 5—5,5 по шкале Мооса.
  • Миспикель — FeAsS — содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6—6,2 г/см³ и твёрдостью 5,5—6 по шкале Мооса.
  • Мелантерит — FeSO4·7H2O — реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8—1,9 г/см³.
  • Вивианит — Fe3(PO4)2·8H2O — встречается в виде сине-серых или зелёно-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твёрдостью 1,5—2 по шкале Мооса.

Помимо вышеописанных минералов железа, существуют, например:

  • ильменит — FeTiO3
  • магномагнетит — (Fe, Mg)[Fe2O4]
  • фиброферрит — FeSO4(OH)·4,5H2O
  • ярозит — KFe3(SO4)2(OH)6
  • кокимбит — Fe2(SO4)3·9H2O
  • рёмерит — Fe2+Fe3+2(SO4)4·14H2O
  • графтонит — (Fe, Mn)3(PO4)2
  • скородит — Fe3+AsO4·2H2O
  • штренгит — FePO4·2H2O
  • фаялит — Fe2SiO4
  • альмандин — Fe3Al2[SiO4]3
  • андрадит — Ca3Fe2[SiO4]3
  • гиперстен — (Fe, Mg)2[Si2O6]
  • геденбергит — (Ca, Fe)[Si2O6]
  • эгирин — (Na, Fe)[Si2O6]
  • шамозит — Fe2+4Al[AlSi3O10](OH)6·nH2O
  • нонтронит — (Fe3+, Al)2[Si4O10](OH)2·nH2O

Основные месторождения

По данным Геологической службы США (оценка 2011 г.), мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 178 млрд тонн[17]. Основные месторождения железа находятся в Бразилии (1 место), Австралии, США, Канаде, Швеции, Германии, Венесуэле, Либерии, Украине, Польше, ЮАР, Японии, Китае, Болгарии, Монголии, Франции, Индии.

В 2019 было добыто 2,896 млрд тонн железной руды, общей стоимостью приблизительно 366 млрд долларов США[18]. Цена железной руды составляет 126,35 долларов/тонна[19].

Получение

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. В доменной печи углерод в виде кокса, железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода. Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода:

<math>\mathsf{2C+O_2 \ \longrightarrow \ 2CO\uparrow}</math>

В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III):

<math>\mathsf{3CO+Fe_2O_3 \ \longrightarrow \ 2Fe+3CO_2\uparrow}</math>

Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов; например, кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк (карбонат кальция) и доломит (карбонат магния). Для устранения других примесей используют другие флюсы.

Действие флюса (в данном случае карбонат кальция) заключается в том, что при его нагревании он разлагается до его оксида:

<math>\mathsf{CaCO_3 \ \xrightarrow{1000^\circ C} \ CaO+CO_2\uparrow}</math>

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак — метасиликат кальция:

<math>\mathsf{CaO+SiO_2 \ \xrightarrow{>1000^\circ C} \ CaSiO_3}</math>

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности — это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи, содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишки углерода и другие примеси (сера, фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана, которые содержат водород. Водород легко восстанавливает железо:

<math>\mathsf{Fe_2O_3+3H_2 \ \xrightarrow{1000^\circ C} \ 2Fe+3H_2O}</math>,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями, как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле. Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей.

Физические свойства

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен, различные примеси (в частности — углерод) повышают его твёрдость и хрупкость. Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами, атомными радиусами и значениями электроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четыре кристаллические модификации:

Металловедение не выделяет β-Fe как отдельную фазу[20], и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

  • от абсолютного нуля до 910 °C устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой;
  • от 910 до 1400 °C устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой;
  • от 1400 до 1539 °C устойчива δ-модификация с объёмно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо—углерод). Твёрдый раствор углерода в α- и δ-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

  • В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм.[21]) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α—γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали. Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлам. В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — 2862 °C.

Химические свойства

Характерные степени окисления

Степень окисления Оксид Гидроксид Характер Примечания
+2 FeO Fe(OH)2 Слабоосновный Слабый восстановитель
+3 Fe2O3 Fe(OH)3 Очень слабое основание, иногда — амфотерный Слабый окислитель
+6 Не получен <H2FeO4>* Кислотный Сильный окислитель

* Кислота в свободном виде не существует — получены только её соли.

Для железа наиболее характерны степени окисления — +2 и +3.

Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH)2. Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) — слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe2O3 и коричневый гидроксид Fe(OH)3. Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe3+ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH)3 растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe2O3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли не существующей в свободном виде кислоты HFeO2):

<math>\mathsf{Fe_2O_3 + 2NaOH \rightarrow 2NaFeO_2 + H_2O}</math>

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко переходят друг в друга при изменении окислительно-восстановительных потенциалов.

Кроме того, существует оксид Fe3O4, формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe+2(Fe+3O2)2.

Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли — ферраты (например, K2FeO4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Известны также степени окисления: −2 (тетракарбонилферрат натрия), −1, 0 (пентакарбонил железа), +1, +4, +5.

Свойства простого вещества

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующей дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe2O3·xH2O.

Взаимодействует с кислотами.

<math>\mathsf{Fe + 2HCl \rightarrow FeCl_2 + H_2\uparrow}</math>
<math>\mathsf{Fe + H_2SO_4 \rightarrow FeSO_4 + H_2\uparrow}</math>
<math>\mathsf{2Fe + 6H_2SO_4 \xrightarrow{^ot}\ Fe_2(SO_4)_3 + 3SO_2\uparrow + 6H_2O}</math>
<math>\mathsf{3Fe + 2O_2 \xrightarrow{150-600^oC} Fe_3O_4}</math>
  • Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо, образуется оксид железа (II):
<math>\mathsf{2Fe + O_2 \xrightarrow{^ot}\ 2FeO}</math>
<math>\mathsf{Fe + S \xrightarrow{^ot}\ FeS}</math>
<math>\mathsf{2Fe + 3Cl_2 \xrightarrow{^ot}\ 2FeCl_3}</math>
<math>\mathsf{2Fe + 3Br_2 \xrightarrow{p}\ 2FeBr_3}</math>
<math>\mathsf{3Fe + 4I_2 \rightarrow Fe_3I_8}</math>
<math>\mathsf{6Fe + N_2 \xrightarrow{^ot}\ 2Fe_2N}</math>
<math>\mathsf{Fe + P \xrightarrow{^ot}\ FeP}</math>
<math>\mathsf{2Fe + P \xrightarrow{^ot}\ Fe_2P}</math>
<math>\mathsf{3Fe + P \xrightarrow{^ot}\ Fe_3P}</math>
<math>\mathsf{3Fe + C \rightarrow Fe_3C}</math>
<math>\mathsf{Fe + Si \xrightarrow{1410^\circ\complement} FeSi}</math>
<math>\mathsf{2Fe + 3H_2O \xrightarrow{^ot}\ Fe_2O_3 + 3H_2\uparrow}</math>
<math>\mathsf{Fe + CuSO_4 \rightarrow FeSO_4 + Cu}</math>
  • Железо восстанавливает соединения железа(III):
<math>\mathsf{Fe + 2FeCl_3 \rightarrow 3FeCl_2}</math>

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с оксидом углерода(II) CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η5-C5H5)2Fe.

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. Железо не растворяется в холодных концентрированных серной и азотной кислотах из-за пассивации поверхности металла прочной оксидной плёнкой. Горячая концентрированная серная кислота, являясь более сильным окислителем, взаимодействует с железом.

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)2. Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

<math>\mathsf{4FeCl_2 + O_2 + 2H_2O \rightarrow 4Fe(OH)Cl_2}</math>

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH4)2Fe(SO4)2·6Н2O.

Реактивом на ионы Fe2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K3[Fe(CN)6] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe2+ и [Fe(CN)6]3− выпадает осадок гексацианоферрата (III) калия-железа (II) (турнбулева синь):

<math>\mathsf{K_3[Fe(CN)_6] + Fe^{2+} \rightarrow KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_6]\downarrow + 2K^+}</math>,

который внутримолекулярно перегруппировывается в гексацианоферрат (II) калия-железа (III) (берлинская лазурь):

<math>\mathsf{KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_6] \rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_6]}</math>

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen3 (максимум светопоглощения — 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9)[26].

Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe2O3 слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)2, основание Fe(OH)3, которое реагирует с кислотами:

<math>\mathsf{2Fe(OH)_3 + 3H_2SO_4 \rightarrow Fe_2(SO_4)_3 + 6H_2O}</math>

Соли Fe3+ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe3+, как правило, окружён шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.

Ион Fe3+ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При pH>4 этот ион практически полностью осаждается в виде Fe(OH)3[27]:

<math>\mathsf{Fe^{3+} + 3H_2O \rightarrow Fe(OH)_3\downarrow + 3H^+}</math>

При частичном гидролизе иона Fe3+ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.

Кислотные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH)3 выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

<math>\mathsf{Fe(OH)_3 + 3KOH \rightarrow K_3[Fe(OH)_6]}</math>

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH)3.

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe2O3 образует разнообразные ферриты:

<math>\mathsf{Fe_2O_3 + 2NaOH \rightarrow 2NaFeO_2 + H_2O}</math>

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

<math>\mathsf{Fe + 2FeCl_3 \rightarrow 3FeCl_2}</math>

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO4)2 — железокалиевые квасцы, (NH4)Fe(SO4)2 — железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe3+ с неорганическими тиоцианатами SCN. При этом образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа [Fe(SCN)]2+, [Fe(SCN)2]+, Fe(SCN)3, [Fe(SCN)4][28]. Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe3+ служит гексацианоферрат(II) калия K4[Fe(CN)6] (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4− выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата (II) калия-железа (III) (берлинская лазурь):

<math>\mathsf{K_4[Fe(CN)_6] + FeCl_3 \rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_6]\downarrow + 3KCl}</math>

Количественно ионы Fe3+ определяют по образованию красных (в слабокислой среде) или жёлтых (в слабощелочной среде) комплексов с сульфосалициловой кислотой. Эта реакция требует грамотного подбора буферов, так как некоторые анионы (в частности, ацетат) образуют с железом и сульфосалициловой кислотой смешанные комплексы со своими оптическими характеристиками.

Соединения железа (VI)

Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H2FeO4. Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH)3 в щёлочи[29]:

<math>\mathsf{2Fe(OH)_3 + 3Cl_2 + 10KOH\rightarrow 2K_2FeO_4 + 6KCl + 8H_2O}</math>

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щёлочи на железном аноде:

<math>\mathsf{Fe + 2KOH + 2H_2O\rightarrow K_2FeO_4 + 3H_2\uparrow}</math>

Ферраты — сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода[30]:

<math>\mathsf{4FeO_4^{2-} + 20H^+ \rightarrow 4Fe^{3+} + 3O_2\uparrow + 10H_2O}</math>

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.

Соединения железа VII и VIII

Известна степень окисления VII в анионе [FeO4][31].

Имеются сообщения об электрохимическом получении соединений железа(VIII)[32][33][34], однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.

Применение

Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

  • Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов.
  • Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
  • Магнитная окись железа (магнетит) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
  • Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
  • Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
  • Порошок железа используется как поглотитель кислорода при упаковке некоторых продуктов питания, что помогает продлить их срок хранения.
  • Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат.
  • Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
  • Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
  • Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его Шаблон:D-ll используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.
  • Порошок железа и чугуна используется в качестве искрообразователя и горючего в пиротехнике[35].

Биологическое значение железа

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). Основным внутриклеточным депо железа является глобулярный белковый комплекс — ферритин. Недостаток железа проявляется как болезнь организма: хлороз у растений и анемия у животных.

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом. В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. Именно он окрашивает кровь в красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол, в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК. Неорганические соединения железа встречаются в некоторых бактериях, иногда используется ими для связывания азота воздуха.

Железо в организме человека

В организме взрослого человека содержится около 3—4 граммов железа[36] (около 0,005 %), из которых только около 3,5 мг находится в плазме крови. Гемоглобин содержит примерно 68 % всего железа организма, ферритин — 27 %, миоглобин — 4 %, трансферрин — 0,1 %. Источниками железа при биосинтезе железосодержащих белков служат железо, поступающее из пищи, и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в гепатоцитах (клетках печени) и клетках селезёнки[37].

Суточная потребность человека в железе, по российским данным, следующая[38]: дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности — 33 мг. У женщин детородного возраста потребность в железе выше ввиду регулярной кровопотери во время менструаций[39].

Национальная академия медицины США различает среднюю потребность в железе и рекомендованное потребление железа, последняя норма разработана с тем, чтоб обеспечивать среднюю потребность для не менее 97 % в каждой группе населения. Расчет средней потребности в железе зависит от усваиваемости железа, нижеприведённая таблица основана на предположении о потреблении 10 % железа из животных продуктов (средняя усваиваемость 25 %) и 90 % железа из растительных продуктов (средняя усваиваемость 16,8 %), с общей усваиваемостью 18 %. Поскольку рацион детей до года сильно отличается от взрослого, норма для них основана на предполагаемой усваиваемости 10 %[40]

Пол Возраст Рекомендованное потребление железа
(по данным Национальной академии медицины США)[40], мг/сутки
Младенцы до 6 месяцев 0,27
Младенцы 7—12 месяцев 11
Дети 1—3 года 7
Дети 4—8 лет 10
Подростки 9—13 лет 8
Юноши 14—18 лет 11
Девушки 14—18 лет 15
Мужчины 19 лет и старше 8
Женщины 19—50 лет 18
Женщины 50 лет и старше 8

В организм животных и человека железо поступает с пищей. Наиболее богаты им печень и мясо, в меньшей степени яйца, бобовые, семена тыквы и кунжута, цельнозерновые крупы, а также некоторые виды зелени — тимьян, петрушка, полевой салат[41]. Долгое время список железосодержащих продуктов возглавлял шпинат, ошибочно внесённый из-за опечатки в результатах анализа (был потерян ноль после запятой).

Железо в питании подразделяют на гемовое, или гемное (из мяса и других животных источников) и негемовое (из растительной пищи). В гемсодержащих белках железо находится в составе гема. В негемовых железосодержащих белках железо непосредственно связывается с белком. К таким белкам относят трансферрин, ферритин, окислительные ферменты рибонуклеотидредуктазу и ксантиноксидазу, железофлавопротеины NADH-дегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа[37]. Описанные белки, содержащие негемовое железо, относятся к классу ферредоксинов, наиболее изученные из которых содержатся в хлоропластах зелёных растений и окисляются при переносе электрона в процессе фотосинтеза, а также бактериальные ферредоксины (например анаэробной бактерии Clostridium pasteurianum), участвующие в аэробном или анаэробном переносе электрона. Человеческий ферредоксин-1 участвует в гидроксилировании и расщеплении стероидных гормонов и холестерола в системе микросомальных (эндоплазматического ретикулума гепатоцитов) ферментов цитохрома Р450, а также в синтезе гормонов щитовидной железы. Сердцевина ферредоксина состоит из молекул двух- или четырёх-валентной серы и четырёхвалентного железа и имеет общую формулу вида <math>Fe_nS_mH_p</math> (например <math>Fe_2S_2</math>), она соединена с белковыми остовами через аминокислоту цистеин[42][43].Гемовое железо усваивается наиболее эффективно (от 15 до 35 %). На усвоение негемового железа (даже в животной пище его порядка 60 %[44]) влияют многочисленные факторы[45]. Заметно улучшают усвоение железа потребляемые вместе с пищей аскорбиновая кислота или мясной белок[46]. Препятствуют усвоению железа яйца, кальций, но главным образом антипитательные вещества — фитиновая кислота, оксалаты, танины и кофеин[47].

К примеру, из-за высокого уровня фитиновых соединений усвоение железа из бобовых находится в районе 0,84-0,91 %[40]. Согласно одному из американских исследований, потребление с железосодержащей пищей богатого танинами чая снижает усвоение микроэлемента на 62 %, кофе — на 35 %, а потребление апельсинового сока (с высоким содержанием аскорбиновой кислоты) увеличивает его на 85 %[48]. В то же время данные из Китая указывают на то, что даже очень высокое потребление чая в целом не сказывается на содержании железа в крови[49].

Дефицит железа

Шаблон:Main

Файл:Gray72-en.svg
При недостатке железа костный мозг продуцирует меньше эритроцитов, а клетки крови сокращаются в размерах.

При сбалансированной диете железа, поступающего с пищей, как правило, вполне достаточно. В организме легко восстанавливается равновесие между поступлением и выведением железа, и временный дефицит его легко восполняется за счёт имеющихся запасов. И, тем не менее, дефицит железа — обычное явление в развивающихся странах с ограниченной доступностью мясных продуктов. Это самое распространённое на Земле нарушение питания, которому подвержены до 2 млрд человек во всём мире[50].

В некоторых специальных случаях (анемия, а также при донорстве крови) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки (гематоген, ферроплекс). Потребность в железе значительно возрастает при анемии, вызванной, например, такими паразитарными инвазиями, как малярия и анкилостомоз, которые очень широко распространены в тропических странах.

Вегетарианцам советуют принимать примерно в 1,8 раза больше железа, чем не вегетарианцам[51]. В западных странах продукты, ориентированные на веганов, часто обогащают железом, хотя усваиваемость солей железа (железосодержащих препаратов) зачастую проблематична и польза от приёма таких добавок здоровыми людьми не доказана[52]. Известно, что организм вегетарианцев приспосабливается к диете и более эффективно удерживает имеющиеся запасы железа[53].

По результатам ряда исследований, за время приготовления в железной и чугунной посуде содержание железа в пище возрастает в от 1,2 до 21 раза [54][55][56]. При этом содержание железа сильнее возрастает в соусах или еде, приготовленной в соусе (например, чили). Испытывающим недостаток в железе даже предлагают класть в посуду, где готовится еда, Шаблон:Iw.

В то время, как некоторые исследователи считают, что кормление грудью приводит к дефициту железа, есть множество исследований, показывающих, что это не так, и дети, которых кормят грудью, усваивают железо намного лучше.

Переизбыток железа

Шаблон:See also Избыточное железо может попадать в организм городского жителя вместе с ржавой водой из-под крана (по чугунным трубам). Так же использование железной и чугунной посуды в приготовлении пищи повышает содержание в ней железа[54].

Содержание железа в воде больше 1—2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакцииШаблон:Нет АИ, может стать причиной болезни крови и печени — гемохроматоза. ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Избыточное накопление железа в организме оказывает токсическое действие. Передозировка железа стимулирует выработку свободных радикалов, угнетает антиоксидантную систему организма и, вероятно, способствует развитию атеросклероза[57], поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Навигация

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Навигационная обёртка

Шаблон:Навигационная обёртка/конец

Шаблон:Ряд Активности Металлов Шаблон:Металлы и сплавы, используемые для изготовления монет

Шаблон:Спам-ссылки

  1. Карапетьянц М. Х., Дракин С. И. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. — 4-е изд., стер. — М.: Химия, 2000, ISBN 5-7245-1130-4, с. 529
  2. Гиоргадзе Г. Г. «Текст Анитты» и некоторые вопросы ранней истории хеттов // Вестник древней истории. 1965. № 4.
  3. Гомер. Илиада, песня 23.
  4. Карл Бакс. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986, стр. 244, глава «Железо»
  5. Иванов В. В., Шанский Н. М., Шанская Т. В., Краткий этимологический словарь русского языка, издание 2-е, испр. и доп., М. Просвещение, 1971, 542 стр.
  6. Шаблон:Книга
  7. Трубачёв О. Н. Славянские этимологии. // Вопросы славянского языкознания, № 2, 1957.
  8. Шаблон:Книга
  9. Шаблон:Книга
  10. Шаблон:Книга
  11. Шаблон:Книга
  12. Шаблон:Книга
  13. Шаблон:Статья
  14. Шаблон:Справочник:Nubase2003
  15. Ю. М. Широков, Н. П. Юдин. Ядерная физика. М.: Наука, 1972. Глава Ядерная космофизика.
  16. Шаблон:Книга
  17. Gold and Precious Metals
  18. Modest global growth for iron ore production — report — MINING.COM
  19. Цена железной руды выросла до максимума за 5 лет. Кто от этого выиграет? :: Новости :: РБК Инвестиции
  20. Металловедение и термическая обработка стали. Справ. изд. В 3-х т./ Под ред. М. Л. Берштейна, А. Г. Рахштадта. — 4-е изд., перераб. и доп. Т. 2. Основы термической обработки. В 2-х кн. Кн. 1. М.: Металлургия, 1995. 336 с.
  21. T. Takahashi & W.A. Bassett, «High-Pressure Polymorph of Iron», Science, Vol. 145 #3631, 31 Jul 1964, p 483—486. Шаблон:Doi. Шаблон:Bibcode.
  22. В виде стружки или проволоки
  23. Шаблон:Книга
  24. Шаблон:Статья
  25. Горение железа в кислороде — видеоопыт в Единой коллекции цифровых образовательных ресурсов
  26. Schilt A. Analytical Application of 1,10-phenantroline and Related Compounds. Oxford, Pergamon Press, 1969.
  27. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М., Химия, 1989. С. 297.
  28. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М., Химия, 1989, С. 315.
  29. Брауэр Г. (ред.) Руководство по неорганическому синтезу. т. 5. М., Мир, 1985. С. 1757—1757.
  30. Реми Г. Курс неорганической химии. т. 2. М., Мир, 1966. С. 309.
  31. Шаблон:Статья
  32. Киселёв Ю. М., Копелев Н. С., Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Восьмивалентное железо // Докл. АН СССР. 1987. Т. 292. С. 628—631
  33. Перфильев Ю. Д., Копелев Н. С., Киселёв Ю. М., Спицын В. И. Мёссбауэровское исследование восьмивалентного железа // Докл. АН СССР. 1987. T. 296. С. 1406—1409
  34. Kopelev N.S., Kiselev Yu.M., Perfiliev Yu.D. Mossbauer spectroscopy of the oxocomplexes iron in higher oxidation statesШаблон:Недоступная ссылка // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1992. V. 157. Р. 401—411.
  35. А. В. Чувурин. Занимательная пиротехника (2003) Шаблон:Уточнить страницу
  36. Шаблон:Книга
  37. 37,0 37,1 Шаблон:Книга Шаблон:Wayback
  38. «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации» МР 2.3.1.2432-08
  39. Spotlight on… high-iron | BBC Good Food
  40. 40,0 40,1 40,2 Gregory J. Anderson, Gordon D. McLaren. Iron Physiology and Pathophysiology in Humans. Springer, 2012. ISBN 1-60327-484-7. Pages 88-90.
  41. Foods highest in Iron
  42. Шаблон:Книга
  43. [1] И. В. Довжикова Ферменты стероидогенеза (обзор литературы). Дальневосточный научный центр физиологии и патологии дыхания Сибирского отделения РАМН, Благовещенск. Бюллетень, Выпуск 37, 2010; УДК 577.175.63/.64:577.152.1
  44. Iron in the Vegan Diet — The Vegetarian Resource Group
  45. Review on iron and its importance for human health
  46. Enhancers of iron absorption: ascorbic … [Int J Vitam Nutr Res. 2004] — PubMed — NCBI
  47. Meat and ascorbic acid can promote Fe avai… [J Agric Food Chem. 2005] — PubMed — NCBI
  48. Effect of different drinks on the absorpt… [Hum Nutr Appl Nutr. 1982] — PubMed — NCBI
  49. Iron status of middle-aged women in five cou… [Eur J Clin Nutr. 1999] — PubMed — NCBI
  50. Шаблон:Cite web
  51. Institute of Medicine, Food and Nutrition Board. Dietary Reference Intakes for Vitamin A, Vitamin K, Arsenic, Boron, Chromium, Copper, Iodine, Iron, Manganese, Molybdenum, Nickel, Silicon, Vanadium, and Zinc. Washington, DC: National Academy Press, 2001.
  52. Bioavailability of iron, zinc, and other trace minerals from vegetarian diets
  53. Nonheme-iron absorption, fecal ferritin excre… [Am J Clin Nutr. 1999] — PubMed — NCBI
  54. 54,0 54,1 Шаблон:Cite web
  55. Результаты исследования влияния железной посуды на содержание железа в приготовленной в них пище, опубликованные в журнале Journal of the American Dietetic Association в выпуске от июля 1986 года. Таблица результатов доступна на: Шаблон:Cite web
  56. Шаблон:Cite web
  57. Iron overload augments the dev… [Arterioscler Thromb Vasc Biol. 1995] — PubMed — NCBI