Железо всюду
Железо – один из самых важных металлов. В таблице Менделеева трудно найти другой металл, с которым была бы так неразрывно связанна история цивилизации. В древности у некоторых народов железо ценилось даже дороже золота. Лишь представители знати могли украшать себя изделиями из этого металла, причём нередко в золотой оправе. В Древнем Риме из железа изготовляли даже обручальные кольца.
По мере развития металлургии этот металл становился доступнее и нужнее. Тем не менее, ещё сравнительно недавно многие отсталые народы не имели о железе ни малейшего представления.
Первое железо, попавшее ещё в глубокой древности в руки человека, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения. Этот металл входит в состав метеоритов, падающих на нашу планету. Метеорное вещество выпадает ежегодно тысячами тонн на Землю, и содержит до 90% железа. Самый крупный железный метеорит найден в 1920 году в юго-западной части Африки. Он весит около 60 тонн.
Железо – один из самых распространённых элементов: в земной коре его содержится около 5%. Однако лишь примерно сороковая часть запасов этого металла сконцентрирована в виде месторождений, пригодных для разработок. Основные рудные минералы железа – магнетит, гематит, бурый железняк, сидерит. Магнетит содержит до 72% железа, как показывает его название, обладает магнитными свойствами. Гематит, или красный железняк, содержит до 70% железа. Название этого минерала произошло от греческого слова «гемма» - кровь. Само же слово «железо» произошло, как полагают одни учёные, от санкритского слова «джальжа» - металл, руда. Другие считают, что в основе русского названия элемента лежит санкритский корень «жель», означающий «блистать», «пылать».
|
|
Железо содержится в морской воде и на дне океанов. Если извлечь всё железо, растворённое в воде, то его придется 35 тонн на каждого жителя планеты, причём за всё существование человечества произведено около 6 тонн на каждого человека. Железо образуется на дне океанов в виде железомарганцевых отложений. Они находятся в глубоких океанских впадинах, в мелких водах, заливах, морях, и даже озёрах. В центре этих образований обычно располагается какой-либо предмет, например зуб акулы, а вокруг него образуется железо путём нарастания концентрированных колец осадков.
Без железа невозможна жизнь животных, растений и человека. Оно содержится в живых организмах, и без него не осуществимы жизненно важные процессы, без протекания которых всё живое обречено на гибель.
В растительном мире роль железа очень важна. За исключением железобактерий, все живые организмы – от растений до человека - связывают вдыхаемый кислород в сложные соединения. В центре их молекул находится атом металла. Для растений – это атом магния, для животных – атом железа. Железо необходимо для образования хлорофилла, который обуславливает усвоение растениями углекислоты при помощи поглощаемой ими энергии солнечного света. Хотя железо не входит в состав хлорофилла, без него этот пигмент не образуется.
Недостаток железа в почве вызывает железное голодание растений и заболевание – хлороз. Наиболее чувствительны к недостатку железа плодовые деревья – яблоня, груша, слива, персик, цитрусовые, а так же малина и виноград. Применение комплексных препаратов, содержащих железо, помогло увеличить урожай яблок и других культур.
|
|
В конце XIX века немецкий учёный Лидге опубликовал исследование о зависимости произрастания различных пород деревьев от содержания в почве различных минералов. Он заметил, что в Прирейнских провинциях залежи железа покрыты преимущественно берёзовым лесом, тогда как в окрестности их, не имеющих железных руд, растут дуб, бук и другие породы деревьев. Учёный установил зависимость роста известных пород деревьев от наличия тех или иных минеральных солей в почве. Благодаря этому было открыто месторождение меди в центре Казахстана.
Существует наука, занимающаяся поисками руд по растениям – биогеохимия. Таких растений - «геологов» известно более 40 видов. К ним относят соссюрею или горькушу, многолетнее травянистое растение, произрастающее в Средней Азии, Сибири, на Дальнем Востоке. Учёные так же установили, что зола из листьев берёзы имеет бурый цвет, если она росла на железорудном месторождении. Способность некоторых растений и живых существ накапливать химические элементы из окружающей среды иногда поразительна. Так биологи обнаружили у морского огурца «умение» синтезировать обыкновенное железо в виде круглых шариков не превышает 0.002мм. Этот феномен – новое свидетельство того, что живые организмы способны осуществлять процессы, для нормального протекания которых нужны большие температуры и высокое давление. Это наводит ученых на мысль о возможности существования биометаллургии.
Железо и его свойства
|
|
Железо Fe – элемент побочной подгруппы VIII группы и 4-го периода Периодической системы Д.И. Менделеева. Порядковый номер этого элемента – 26,а массовое число равно 56,847. Атомы железа устроены несколько отличительно от атомов главных подгрупп: он имеет 4 энергетических уровня, но заполняется у них не последний, а предпоследний, третий от ядра, уровень. На последнем уровне атомы железа содержат два электрона. На предпоследнем уровне, который может вместить 18 электронов, у атома железа находятся 14. Следовательно, распределение электронов по уровням в атомах железа таково: 2е, 8е, 14е, 2е.
Ценным его свойством является способность легко окисляться и восстанавливаться, образовывать сложные соединения со значительно отличающимися биохимическими свойствами. При химических взаимодействиях атом железа может отдать не только два электрона последнего уровня, но и электрон предпоследнего. Таким образом, основными степенями окисления атома железа могут быть +2 и +3.
Если рассматривать железо как простое вещество, то это серебристо-белый блестящий металл с температурой плавления 1539 °С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, кусается, прокатывается и штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, ему можно подарить прочность и твёрдость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.
При химическом взаимодействии атом железа будет образовывать два ряда соединений, так как он может проявлять две различные степени окисления. Число электронов, которое атом железа отдаёт при химических взаимодействиях, зависит от окислительной способности реагирующих с ним веществ. Например, в реакциях с галогенами железо образует галогеноиды, в которых оно имеет степень окисления +3:
2Fe + 3CI2 = 2FeCI3
а с серой – сульфид железа (II):
Fe + S = FeS
Раскалённое железо сгорает в кислороде с образованием железной окалины:
3Fe + 2O2 = Fe3O4
При высокой температуре (700 - 900°С) железо реагирует с парами воды:
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2↑
В соответствии с положением железа в электрохимическом ряду напряжений оно может вытеснять металлы, стоящие правее него, из водных растворов их солей, например:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
В разбавленной соляной и серной кислотах железо растворяется, т. е. окисляется ионами водорода:
Fe + 2HCI = FeCI2 + H2↑
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑
Растворяется железо и в разбавленной азотной кислоте, при этом образуются нитрат железа (III), вода и продукт восстановления азотной кислоты – N2,NO или NH3(NH4NO3) в зависимости от концентрации кислоты.
Сплавы железа
В природе чистое железо не существует. Оно входит в состав ряда минералов. К ним относятся магнитный железняк (магнетит) Fe3O4, красный железняк (гематит) Fe2O3, бурый железняк (лимонит) 2Fe2O3*3H2O. Все эти минералы используются в чёрной металлургии для производства чугуна и стали.
Чугун – это сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4% углерода, а так же марганец, кремний, фосфор, и серу. Чугун Значительно твёрже железа, но обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Различают два вида чугуна, к которым относятся серый и белый сплавы.
Серый чугун содержит 1,7-4,3% углерода, 1,25-4,0% кремния и до 1,5% марганца. Это сравнительно мягкий и поддающийся механической обработке материал. Углерод находится в этом сплаве в свободном состоянии и придаёт ему мягкость. Серый чугун используется для производства литых деталей.
Белый чугун содержит в себе 1,7-4,3% углерода, более 4% марганца, но очень мало кремния. Углерод в этом сплаве содержится в основном в виде цементита – карбида железа Fe3Cl, который твердость и хрупкость. Белый чугун используется для переработке стали.
Сталь – сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на углеродистую и легированную.
Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие, средние и твёрдые, причём, чем больше в сплаве углерода, тем она твёрже. Из мягкой и средней твёрдости сталей делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой – различные инструменты.
Легированная сталь – это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены ещё специальные добавки, такие как хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др. Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии. Такие стали применяются в строительстве, а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов. Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Они используются для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твердость при очень высоких температурах и служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.
Чугун и сталь – более прочные материалы, чем само железо. Эти сплавы – основа развития техники и важнейший материал искусства.
Существует ещё одно природное соединение железа – железный, или серный, колчедан (пирит) FeS2. Он не служит железной рудой для получения металла, но применяется для производства серной кислоты.
Соединения железа
Как уже было сказано выше, для железа характерны два ряда соединений: соединения железа(II) и железа(III).
Оксид железа(II) FeO и соответствующий ему гидроксид железа(II) Fe(OH)2 получают косвенно, в частности по следующей цепи превращений:
Fe → FeCI2 → Fe(OH)2 → FeO
Оба соединения имеют ярко выраженные основные свойства.
Катионы железа(II) Fe2+ легко окисляются кислородом воздуха или другими окислителями до катионов железа(III) Fe3+. Поэтому белый осадок гидроксида железа(II) Fe(OH)2 на воздухе сначала приобретает зелёную окраску, а затем становится бурым, превращаясь в гидроксид железа(III) Fe(OH)3:
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3
Оксид железа(III) Fe2O3 и соответствующий ему гидроксид железа(III) Fe(OH)3 также получают косвенно, например по цепочке:
Fe → FeCI3 → Fe(OH)3 → Fe2O3
Из солей железа наибольшее техническое значение имеют сульфиды и хлориды.
Кристаллогидрат сульфата железа(II) FeSO*7H2O, известный под названием железный купорос, применяют для борьбы с вредителями растений, для приготовления минеральных красок и в других целях.
Хлорид железа(III) FeCI3 используют в качестве протравы при крашении тканей.
Сульфат железа(III) Fe2(SO4)3*9H2O применяется при очистке воды и в других целях. Для распознавания соединений железа(II) и (III) проводят качественные реакции на ионы Fe2+ и Fe3+. Такой реакцией служит реакция солей железа с соединением K3(Fe(CN)6), называемым красной кровяной солью. В растворе она диссоциирует:
K3(Fe(CN)6) = 3K+ + (Fe(CN)6)3-
Реактивом на ионы является другое комплексное соединение – желтая кровяная соль – K4(Fe(CN)6), которая в растворе диссоциирует аналогично:
K4(Fe(CN)6) = 4K+ + (Fe(CN)6)4-
Если к растворам, содержащим ионы Fe2+ или Fe3+, прилить, соответственно, растворы красной кровяной соли (реактив на Fe2+) и желтой кровяной соли (реактив на Fe3+), то в обоих случаях выпадает одинаковый синий осадок:
FeCI2 + K3(Fe(CN)6) 3+ 2+
→ KFe(Fe(CN)6)↓ + KCI
FeCI3 + K4(Fe(CN)6)
Для обнаружения ионов Fe3= ещё используют взаимодействие солей железа(III) с роданидом калия KNCS или аммония NH4NCS. При этом образуется ярко окрашенный ион FeNCS2+, в результате чего весь раствор приобретает интенсивно-красный цвет:
Fe3+ + NCS ↔ FeNCS2+
Роль железа в организме человека и других живых организмов очень велика. Оно входит в состав гемоглобина крови, который осуществляет перенос кослорода от органов дыхания к другим органам и биологическим тканям.
Впервые железо в организме человека учёные обнаружили в XIII веке.
Биологическая роль железа
Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на две класса. Один из них – макроэлементы, а другой – микроэлементы.
Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах (порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем одну функцию.
Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют независимые микроэлементы, суточная потребность в которых не превышает нескольких миллиграммов, то есть, сопоставима с потребностью в витаминах.
Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15 микроэлементов, большинство из которых выполняет, по меньшей мере, какую-нибудь одну из трёх возможных функций. Во-первых, незаменимый микроэлемент сам по себе может обладать каталитической активностью по отношению к той или иной химической реакции, скорость которой значительно возрастает в присутствии ферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. Во-вторых, ион металла может образовывать комплекс одновременно с активным центром фермента, в результате чего происходит их сближение и переход в активную форму. И, в-третьих, ион металла может играть роль мощного акцептора электронов на определённой стадии.
Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которых изучены наиболее полно. Значение железа для организма человека трудно переоценить. Подтверждением этому может быть не только большая его распространенность в природе, но и важная роль в сложных процессах, происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа определяется многократностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложных биохимических процессах, активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающем нормальное функционирование тканей и организма человека.