Хімічні та фізичні властивості заліза, застосування

Хімічні та фізичні властивості заліза, застосування

Одним з найбільш поширених металів в земній корі після алюмінію вважається залізо. Фізичні та хімічні властивості його такі, що воно володіє відмінною електропровідністю, теплопровідністю і ковкістю, має сріблясто-білий колір і високу хімічну реакційну здатність швидко корозувати при високій вологості повітря або великих температурах. Перебуваючи в дрібнодисперсному стані, воно в чистому кисні горить і самозаймається на повітрі.

Початок історії заліза

У третьому тисячолітті до н. е. люди почали добувати і навчилися обробляти бронзу і мідь. Широкого застосування через дорожнечу вони не отримали. Тривали пошуки нового металу. Історія заліза почалася в першому столітті до н. е. У природі його можна зустріти тільки у вигляді сполук з киснем. Для отримання чистого металу необхідно відокремити останній елемент. Розплавити залізо довго не вдавалося, оскільки його треба було нагріти до 1539 градусів. І тільки з появою сиродутних печей у першому тисячолітті до нової ери стали отримувати цей метал. На перших порах він був крихким, містив багато шлаків.

З появою горнів якість заліза значно покращилася. Подальшу обробку воно проходило в ковалі, де ударами молота відділявся шлак. Ковка стала одним з головних видів обробки металу, а ковальська справа незамінною галуззю виробництва. Залізо в чистому вигляді - це дуже м 'який метал. Переважно його використовують у сплаві з вуглецем. Ця добавка підсилює таку фізичну властивість заліза, як твердість. Дешевий матеріал незабаром широко проник у всі сфери діяльності людини і зробив переворот у розвитку суспільства. Адже ще в давні часи залізні вироби покривалися товстим шаром золота. Воно мало високу ціну порівняно з благородним металом.

Залізо в природі

Одного алюмінію в літосфері міститься більше, ніж заліза. У природі його можна зустріти тільки у вигляді з 'єднань. Тривалентне залізо, вступаючи в реакцію, пофарбовує ґрунт у бурий колір і надає піску жовтуватий відтінок. Оксиди і сульфіди заліза розкидані в земній корі, іноді спостерігаються скупчення мінералів, з яких згодом і видобувають метал. Вміст двовалентного заліза в деяких мінеральних джерелах надає воді особливий присмак.

Іржава вода, поточна зі старих водопровідних труб, пофарбовується за рахунок тривалентного металу. Його атоми знаходяться і в організмі людини. Вони містяться в гемоглобіні (залізовмісному білку) крові, який постачає організм киснем і виводить вуглекислий газ. У складі деяких метеоритів міститься чисте залізо, іноді зустрічаються цілі злитки.

Які фізичні властивості залізо має?

Це пластичний сріблясто-білого кольору метал з сіроватим відтінком, що має металевий блиск. Він є хорошим провідником електричного струму і теплоти. Завдяки пластичності він чудово піддається ковці і прокатці. Залізо не розчиняється у воді, але розріджується в ртуті, плавиться при температурі 1539 і кипить при 2862 градусів за Цельсієм, має щільність 7,9 г/см ^. Особливістю фізичних властивостей заліза є те, що метал притягується магнітом і після анулювання зовнішнього магнітного поля зберігає намагніченість. Використовуючи ці властивості його можна застосовувати для виготовлення магнітів.

Хімічні властивості

Залізо володіє наступними властивостями:

  • на повітрі і у воді легко окислюється, покриваючись іржею;
  • в кисні розжарений дріт горить (при цьому утворюється окаліну у вигляді оксиду заліза);
  • при температурі 700-900 градусів за Цельсієм вступає в реакцію з парами води;
  • при нагріванні реагує з неметаллами (хлором, сірою, бромом);
  • вступає в реакції з розбавленими кислотами, в результаті отримуються солі заліза і водень;
  • не розчиняється в лужах;
  • здатне витіснити метали з розчинів їх солей (залізний цвях, у розчині мідного купоросу, покривається червоним нальотом, - це виділяється мідь);
  • у концентрованих лужах при кип 'ятінні проявляється амфотерність заліза.

Особливість властивостей

Однією з фізичних властивостей заліза є ферромагнітність. На практиці з магнітними властивостями цього матеріалу доводиться зустрічатися часто. Це - єдиний метал, який володіє такою рідкісною рисою.

Під дією магнітного поля відбувається намагання заліза. Сформовані магнітні властивості метал ще довго зберігає і сам залишається магнітом. Таке виняткове явище пояснюється тим, що структура заліза містить велику кількість вільних електронів, здатних пересуватися.

Запаси і видобуток

Одним з найпоширеніших елементів на землі є залізо. За вмістом у земній корі займає четверте місце. Відомо безліч руд, які містять його, наприклад, магнітний і бурий залізняк. Метал у промисловості отримують переважно з руд гематиту і магнетиту за допомогою доменного процесу. Спочатку відбувається його відновлення вуглецем у печі при високій температурі 2000 градусів за Цельсієм.

Для цього зверху в доменну піч подають залізну руду, кокс і флюс, а знизу нагнітається потік гарячого повітря. Також застосовують і прямий процес отримання заліза. Подрібнену руду перемішують зі спеціальною глиною, отримуючи окатиші. Далі їх обпалюють і за допомогою водню обробляють у шахтній печі, де воно легко відновлюється. Отримують тверде залізо, а потім переплавляють його в електричних печах. Чистий метал відновлюють з оксидів за допомогою електролізу водних розчинів солей.

Переваги заліза

Основні фізичні властивості речовини заліза дають йому і сплавам такі переваги перед іншими металами:

  • Мають твердість і міцність, зберігаючи пружність. У різних сплавів ці якості неоднакові і залежать від легуючих добавок, способів виробництва і термообробки.
  • Велика різноманітність чавуну і сталей дозволяють використовувати їх для будь-яких потреб у народному господарстві.
  • Високі магнітні властивості металу незамінні для виготовлення магнітопроводів.
  • Здійсненність легкої механічної обробки, завдяки фізичним властивостям заліза, дає можливість з його сплавів отримувати листи, прутки, балки, труби, фасонні профілі.
  • Значна ковкість матеріалу дозволяє використовувати його для декоративних виробів.
  • Низька вартість сплавів.

Недоліки

Крім великого числа позитивних якостей, є і ряд негативних властивостей металу:

  • Вироби схильні до корозії. Для усунення цього небажаного ефекту за допомогою легування отримують нержавіючі сталі, а в інших випадках роблять спеціальну почесну обробку конструкцій і деталей.
  • Залізо накопичує статичну електрику, тому вироби, що містять її, піддаються електрохімічній корозії і також вимагають додаткової обробки.
  • Питома вага металу становить 7,13 г/см ^. Ця фізична властивість заліза надає конструкціям і деталям підвищену вагу.

Склад і структура

У заліза за кристалічною ознакою є чотири модифікації, які відрізняються структурою і параметрами решітки. Для виплавки сплавів саме наявність фазових переходів і легуючих добавок має істотне значення. Розрізняють такі стани:

  • Альфа-фаза. Вона зберігається до 769 градусів за Цельсієм. У цьому стані залізо зберігає властивості ферромагнетика і володіє об 'ємно-центрованими ґратами кубічного типу.
  • Бета-фаза. Існує при температурі від 769 до 917 градусів за Цельсієм. Має трохи інші параметри решітки, ніж у першому випадку. Всі фізичні властивості заліза залишаються колишніми за винятком магнітних, їх воно втрачає.
  • Гамма-фаза. Будова решітки стає гранецентрованою. Така фаза проявляється в діапазоні 917-1394 градусів Цельсія.
  • Омега-фаза. Такий стан металу з 'являється при температурі вище 1394 градусів Цельсія. Від колишньої відрізняється тільки параметрами решітки.

Залізо - найбільш затребуваний метал у світі. Більше 90 відсотків всього металургійного виробництва припадає саме на нього.

Застосування

Люди почали використовувати спочатку метеоритне залізо, яке цінували вище золота. Відтоді область застосування цього металу тільки розширювалася. Нижче представлено застосування заліза, на основі його фізичних властивостей:

  • ферромагнітні оксиди використовують для виробництва магнітних матеріалів: промислових установок, холодильників, сувенірів;
  • оксиди заліза застосовують як мінеральні фарби;
  • хлорид заліза незамінний у радіолюбительській практиці;
  • сульфати заліза використовують у текстильній промисловості;
  • магнітна окис заліза - один з важливих матеріалів для виробництва пристроїв довготривалої комп 'ютерної пам' яті;
  • ультрадісперсний порошок заліза знаходить застосування в чорно-білих лазерних принтерах;
  • міцність металу дозволяє виготовляти зброю і броню;
  • зносостійкий чавун можна використовувати для виробництва гальм, дисків зчеплення, а також деталей для насосів;
  • жаростійкий - для доменних, термічних, мартенівських печей;
  • жаропрочний - для компресорного обладнання, дизельних двигунів;
  • високоякісна сталь використовується для газопроводів, корпусу опалювальних котлів, сушарок, пральних і посудомийних машин.

Ув 'язнення

Під залізом часто мають на увазі не сам метал, а його сплав - низьковуглецеву електротехнічну сталь. Отримання чистого заліза досить складний процес, і тому його використовують тільки для виробництва магнітних матеріалів. Як уже зазначалося, виняткова фізична властивість простої речовини заліза - це ферромагнетизм, тобто здатність намагатися в присутності магнітного поля.

Магнітні властивості чистого металу до 200 разів перевищують такі ж показники технічної сталі. На цю властивість впливає і зернистість металу. Чим більше зерно, тим вищі магнітні властивості. Певною мірою впливає і механічна обробка. Таке чисте залізо, що задовольняє ці вимоги, використовують для отримання магнітних матеріалів.