Железо
l Желе зо — элемент побочной подгруппы восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов
История l Железо как инструментальный материал известно с древнейших времён, самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4 -м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это наконечники для стрел и украшения из метеоритного железа, то есть, сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), из которого состоят метеориты. От их небесного происхождения идёт, видимо, одно из наименований железа в греческом языке: «сидер» (а на латыни это слово значит «звёздный» ).
Химические свойства l l Основные степени окисления железа — +2 и +3. При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида, препятствующего 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 Fe 2 O 3·x. H 2 O. С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe 3 O 4, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe 2 O 3. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид Fe. O. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как Fe. S. При нагревании железо реагирует с галогенами. Так как Fe. F 3 нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200— 300 °C. При хлорировании железа (при температуре около 200 °C) образуется летучий димер Fe 3 Cl 6. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется Fe. Br 3. При нагревании Fe. Cl 3 и, особенно, Fe. Br 3 отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа(II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe 3 I 8.
l l При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe 3 N, с фосфором, образуя фосфиды Fe. P, Fe 2 P и Fe 3 P, с углеродом, образуя карбид Fe 3 C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, Fe. Si. 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 Fe 2(CO)9 и Fe 3(CO)12. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η 5 -C 5 H 5)2 Fe. 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. С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа(II):
Физические свойства l l l Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристобелого 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, он имеет четыре кристаллические модификации: до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа) в температурном интервале 769— 917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика в температурном интервале 917— 1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой
Применение l l l l l 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. Ультрадисперсный порошок магнетита используется в черно-белых лазерных принтерах в качестве тонера. Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей. 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.
Биологическое значение l l l В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3, 5 грамма железа (около 0, 02 %), из которых 75 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. 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. И именно он окрашивает кровь в характерный 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.
l В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб, крупы, свёкла). 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 реакции, может стать причиной болезни крови и печени (гемохроматоз). ПДК железа в воде 0, 3 мг/л.
