Железо

1. Железо

«…Железо не только основа
всего мира, самый главный
металл окружающей нас природы, оно – основа культуры и
промышленности, оно – орудие войны и мирного труда. И
трудно во всей таблице Менделеева найти другой элемент,
который был бы так связан с прошлым, настоящим и будущими
судьбами человечества».
А.Е. Ферсман
1

2. Железо

1. Железо. Физические свойства. Полиморфизм железа
2. Химические свойства железа – отношение к водяному пару,
кислотам, кислороду воздуха, галогенам, сере
3. Получение железа из оксида алюмотермией
4. Получение железа
5. Применение железа
6. Коррозия железа и методы борьбы с ней
2

3. Железо

Желе́зо — 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 (второе место после
алюминия).
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.
3

4. Железо

4

5. Железо

5

6. Железо

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
изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и
никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30%), украшения
из египетских гробниц (около 3800 года до н.э.) и кинжал из
шумерского города Ура (около 3100 года до н.э.). От небесного
происхождения метеоритного железа происходит, видимо, одно из
названий железа в греческом и латинском языках: «сидер» (что
значит «звёздный»).
Изделия из железа, полученного выплавкой, известны со времени
расселения арийских племён из Европы в Азию, острова Средиземного
моря, и далее (конец 4-го и 3-е тысячелетие до н.э.). Самый древние
железные инструменты из известных – стальные лезвия, найденные в
каменной кладке пирамиды Хеопса в Египте (построена около 2530
года до н.э.). Как показали раскопки в Нубийской пустыне, уже в те
времена египтяне, стараясь отделить добываемое золото от тяжёлого
магнетитового песка, прокаливали руду с отрубями и подобными
веществами, содержащими углерод. В результате на поверхности
расплава золота всплывал слой тестообразного железа, который
обрабатывали отдельно. Из этого железа ковались орудия, в том числе
найденные в пирамиде Хеопса.
6

7. Железо

Получение железа первобытным способом
7

8. Железо

В древности мастерами железных изделий слыли халибы, которых
Геродот (История 1:28) перечисляет в числе эллинских племён Малой
Азии, подвластных царю Лидии Крёзу. Аристотель описал их способ
получения стали: халибы несколько раз промывали речной песок их
страны – тем самым выделяя черный шлих (тяжелая фракция
состоящая в основном из магнетита и гематита), и плавили в печах;
полученный таким образом металл имел серебристый цвет и был
нержавеющим.
В качестве сырья для выплавки стали использовались магнетитовые
пески, 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. Такой своеобразный способ получения железа
говорит о том, что халибы лишь распространили железо как
технологический материал, но их способ не мог быть методом
повсеместного промышленного производства железных изделий.
Однако их производство послужило толчком для дальнейшего
развития металлургии железа.
8

9. Железо

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по
описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали
10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости
меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении
1:160:1280:6400. В те времена железо использовалось как ювелирный
металл, из него делали троны и другие регалии царской власти:
например, в библейской книге Второзаконие 3,11 описан «одр
железный» рефаимского царя Ога.
В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до Р.Х.) был найден кинжал
из железа в золотой оправе – возможно, подаренный хеттами в
дипломатических целях.
Железные изделия получили широкое распространение только после
Троянской войны и падения державы хеттов, когда благодаря торговой
активности греков технология железа стала известной многим, и были
открыты новые месторождения железа и рудники. Так на смену
«Бронзовому» веку настал век «Железный».
Гомер в «Илиаде» и «Одиссее» называет железо «многотрудный
металл», и описывает закалку орудий:
«Расторопный ковач, изготовив топор иль секиру,
В воду металл, раскаливши его, чтоб двойную
Он крепость имел, погружает…»
9

10. Железо

Гомер называет железо многотрудным, потому что в древности
основным методом его получения был сыродутный процесс:
перемежающиеся слои железной руды и древесного угля
прокаливались в специальных печах (горнах – от древнего «Horn» –
рог, труба, первоначально это была просто труба, вырытая в земле,
обычно горизонтально в склоне оврага). В горне окислы железа
восстанавливаются до металла раскалённым углём, который отбирает
кислород, окисляясь до окиси углерода, и в результате такого
прокаливания руды с углём получалось тестообразное кричное
(губчатое) железо. Крицу очищали от шлаков ковкой, выдавливая
примеси сильными ударами молота. Первые горны имели сравнительно
низкую температуру – заметно меньше температуры плавления чугуна,
поэтому железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Чтобы
получить крепкую сталь приходилось много раз прокаливать и
проковывать железную крицу с углём, при этом поверхностный слой
металла дополнительно насыщался углеродом и упрочнялся. Так
получалось «хорошее железо» – и хотя это требовало больших трудов,
изделия, полученные таким способом, были существенно более
крепкими и твердыми, чем бронзовые.
10

11. Железо

В дальнейшем научились делать более эффективные печи (в русском
языке – домна, домница) для производства стали, и применили меха
для подачи воздуха в горн. Уже римляне умели доводить температуру
в печи до плавления стали (около 1400 градусов, а чистое железо
плавится при 1535 градусах). При этом образуется чугун с
температурой плавления 1100-1200 градусов, очень хрупкий в
твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке) и не обладающий
упругостью стали.
Первоначально его считали вредным побочным продуктом (англ. pig
iron, по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и
происходит слово чугун), но потом обнаружилось, 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.
11

12. Железо

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего оно
встречается в составе железо-никелевых метеоритов.
Распространённость железа в земной коре – 4,65% (4-е место после O,
Si, Al). Считается так же, что железо составляет бо́льшую часть
земного ядра.
Известно свыше 300 минералов, из которых слагаются месторождения
железных руд. Промышленное значение имеют руды с содержанием Fe
свыше 16%.
Рудные полезные ископаемые – горные породы и минералы, из
которых при данных технологических возможностей целесообразно
добывать металлы, в большей степени приурочены к магматических и
метаморфических.
Поэтому их поиски в Украине геологи ведут в пределах фундамента
Украинского щита, Донецкого кряжа, Вулканического хребта Карпат.
12

13. Железо

Железные руды разделяются на следующие промышленные типы:
1. Бурые железняки – главный минерал гидрогетит, содержание
железа в них 55-30% и меньше.
2. Красные железняки – главный минерал гематит, содержание
железа в них 51-66% при небольшом содержании вредных
примесей – серы и фосфора.
3. Магнитные железняки, или контактово-соматические руды –
главный минерал магнетит, содержание железа в богатых рудах
колеблется от 50 до 65%.
4. Сидеритовые, или карбонатные, осадочные руды (шпатовые
железняки) с содержанием железа в среднем 30-35%.
5. Силикатные осадочные железные руды, содержание железа 2540%.
13

14. Железо

Разнообразные ресурсы железных руд имеются в почти 100 странах
мира. Прогнозные и выявленные их ресурсы достигают 664,3 млрд.
тонн. В десятку обладателей крупнейших залежей железа входят:
Российская Федерация, США, Бразилия, Австралия, Украина, Китай,
Канада, Казахстан, Индия и Швеция. В каждой из этих стран запасы
сырья для чёрной металлургии превышают 10 млрд. тонн. В целом эти
залежи оцениваются в 555,8 млрд. тонн или 83,7% мировых
выявленных запасов.
Добыча железных руд в 2005 г. велась в 52 странах мира открытым и
подземным способами. Производство товарных руд составило около
1100 млн. тонн.
Экспорт товарных железных руд в 2003 г. составил 500,5 млн. тонн,
тогда как в 1993 г. – 392,0, т. е. объёмы экспорта этого вида сырья
возрастают. Почти 95% железных руд экспортировали страны, на
территории которых они были добыты: Австралия, Бразилия, Канада,
Индия, ЮАР, Швеция, Российская Федерация, Украина, Мавритания и
Венесуэла.
Импорт товарных железных руд в 2003 г. в мире составил 486,3 млн.
тонн, а в 1993 г. – 383,1, т.е. и этот показатель заметно возрастает.
Главными импортерами и потребителями важнейшего для чёрной
металлургии сырья являются: Япония, Китай, Германия, Южная Корея,
Великобритания, Франция, США, Италия, Тайвань, Польша, Бельгия и14
Люксембург.

15. Железо

Украина имеет широкую и развитую чёрную металлургию, потребности
которой в железной руде полностью удовлетворяются собственными
месторождениями. При этом значительная часть товарного
железорудного сырья экспортируется в другие страны. Чёрная
металлургия является одной из базовых отраслей экономики Украины,
осуществляющая около 14% производства товарной продукции от всей
промышленности страны и обеспечивающая высокий экспортный
потенциал.
В Государственном балансе полезных ископаемых Украины учтены
запасы железных руд в размере 28491,2 млн. тонн. Они сосредоточены
в 52 месторождениях, из которых ныне разрабатываются 24. Кроме
того, разведаны запасы железных руд объёмом в 10,8 млрд. тонн, не
включённые в Государственный баланс.
По производству товарных железных руд (4,9% мировых) Украина
занимает 7-е место в мире, уступая лишь Китаю, Бразилии, Австралии,
Индии, Российской Федерации и США.
Общими разведанными запасами железных руд горнодобывающие
предприятия страны обеспечены на 180 лет вперёд, а запасами
месторождений, которые эксплуатируются (или разрабатывались до
недавнего времени) – на 130 лет.
15

16. Урок №118. Ферум

Залежи железных руд сосредоточены в Криворожском, Керченском,
Кременчугском и Белозерском районах. Криворожский железорудный
бассейн расположен в Днепропетровской и частично Кировоградской
областях.
В Кривбассе свыше 300 месторождений богатых железных руд, их
разведанные запасы составляют 18 млрд. т. Кременчугский
железорудный район расположен в Полтавской обл. Запасы - 4,5 млрд.
т. Белозерский железорудный район - в Запорожской обл. Пласты
железной руды мощностью от 60-80 до 200-250 м простираются на 70
км. Керченский железорудный бассейн в Крыму имеет запасы 1,8
млрд. т. Украины богата марганцевые руды. Никопольский
марганцевый бассейн - один из крупнейших в мире. Размещен в
Днепропетровской и Запорожской областях. Запасы руды - 2 млрд. т. В
его состав входят Никопольское, Великотокмацкое и Ингулецкое
месторождения.
Украина имеет большие залежи железосодержащего сырья. Это
преимущественно руды метаморфического происхождения
(железистые и магнетитовые кварциты), связанные с Украинским
щитом, и руды осадочного происхождения (бурые железняки),
связанные с Керченским полуостровом.
16

17. Железо

Месторождения железной руды в Украине сосредоточиваются в
железорудных районах и железорудных бассейнах. Всего известно 52
месторождения, из них разрабатывается 28. Крупнейшим
железорудным бассейном является Криворожский.
Второе место по запасам железных руд в Украине занимает
Кременчугский железорудный район.
Большие залежи сырья для черной металлургии выявлено в
Белозерском железорудном районе Запорожской области.
Промышленное значение имеет Керченский железорудный бассейн.
В Украине есть значительные запасы марганцевых руд, которые
используют в черной металлургии. Эти руды залегают вблизи
крупнейших месторождений железных руд и коксующихся углей. Сама
природа словно создала уникальные территориальные сочетания для
развития в этих регионах черной металлургии.
17

18. Железо

18

19. Железо

Гематит
Широко распространённый минерал железа Fe2O3, одна из главнейших железных
руд. В природе встречается несколько разновидностей гематита: железный
блеск, железная слюда, красный железняк, красная стеклянная голова
(кровавик), спекулярит.
Содержание железа достигает в нем 70%. Гематит известен с давних пор. В
Вавилоне и Древнем Египте он использовался в украшениях, для изготовления
печатей, наряду с халцедоном служил излюбленным материалом в качестве
резного камня. У Александра Македонского был перстень с вставкой из гематита,
который, как он полагал, делал его неуязвимым в бою. В древности и в Средние
века гематит слыл лекарством, останавливающим кровь.
Цвет гематита чёрный до тёмно-стального в кристаллах и вишнёво-красный у
скрытокристаллических и порошковатых разностей. Формы кристаллов –
ломтеобразные или плоские, а также пластинчатые, расположенные подобно
лепесткам розы («железная роза»). Блеск полуметаллический до металлического
у кристаллов. Непрозрачен. Цвет черты характерный вишнёво-красный, от
синевато-красного до красно-коричневого оттенков. Твёрдость 5,5-6,5. Хрупкий.
Плотность 4,9-5,3. Медленно растворим в соляной кислоте.
Из гематитовых руд выплавляют чугун. Гематит применяется в живописи как
минеральный пигмент, в производстве клеёнки, линолеума, красных
карандашей, стойких окрашенных эмалей. Как поделочный камень с древнейших
времён и поныне используется для изготовления недорогих полированных
вставок и мелких резных изделий.
Утверждается, что гематит это камень магов и заклинателей, защищающий от
злой силы.
19

20. Железо

20

21. Железо

Магнетит (магнитный железняк) FeO·Fe2O3 (Fe3O4) – минерал чёрного цвета,
обладает сильными магнитными свойствами.
Магнетит содержит 72% железа. Это самая богатая железная руда.
Замечательное в этом минерале его природный магнетизм – свойство, благодаря
которому он был открыт. Как сообщал римский ученый Плиний, магнетит назван
в честь греческого пастуха Магнеса. Магнес пас стадо возле холма над р. Хинду
в Фессалии. Неожиданно посох с железным наконечником и подбитые гвоздями
сандалии притянула к себе гора, сложенная сплошным серым камнем. Минерал
магнетит дал в свою очередь название магниту. Второй вариант происхождения
названия – от античного города Магнесия в Малой Азии.
Цвет чёрный. Блеск обычно металлический, но иногда бывает жирно-смоляной
или матовый. Непрозрачен. Твёрдость 5,5-6. Плотность 4,9-5,2.
Порошок медленно растворим в HCl.
Имеет магнитные свойства. Может изменять показания компаса. По данному
признаку его можно найти: стрелка компаса показывает на магнетит и его
залежи.
Может истираться в песок, который не теряет магнитных свойств. При
поднесении магнита магнетитный песок притягивается к полюсам магнита.
Распространён весьма широко, образует большие скопления и рудные залежи.
Изделия из плавленого магнетита используют в качестве электродов для
некоторых электрохимических процессов.
21

22. Железо

22

23. Железо

Бурый железняк – осадочная горная порода, природное скопление
гидроксидов железа. Состав: гетит, лимонит, азовскит и прочие. Бурый
железняк – тонкодисперсная смесь минералов, имеющих окраску от
тёмно-коричневой до светло-жёлтой. Наблюдается в виде рыхлых,
землистых масс, оолитов, бобовин, конкреций, сталактитов.
Упрощенно выражается формулой HFeO2·nH2O (гетит).
Бурый железняк – одна из самых распространённых железных руд,
имеющих промышленное значение при содержании железа свыше
30%. Бурый железняк широко используют в металлургической
промышленности. На территории Украины бурый железняк встречается
в Криворожском и Керченском жедезорудных бассейнах. Среди
наиболее крупных месторождений бурого железняка – Керченское.
23

24. Железо

Сидерит (карбонат железа, железный шпат) (от др.-греч. Σίδηρος –
железо) FeCO3 – минерал осадочного происхождения бурого цвета,
растворяется в минеральных кислотах. Светло-желтые до бурого,
иногда белые друзы, мраморовидные массы. Твердость 4; плотность
ок. 4 г/см3.При окислении переходит в бурый железняк. Важная руда
для получения железа, так как в составе до 48 % железа и нет серы и
фосфора. Агрегаты зернистые, землистые, плотные, иногда в
шаровидных конкрециях.
Месторождения главным образом гидротермальные.
Происхождение: гидротермальное – встречается в полиметаллических
месторождениях как жильный минерал. Легко выветривается до
лимонита.
24

25. Железо

Лимонит (от др.-греч. Λειμών – луг; по местонахождению в сырых
местах) – собирательное название для природных минеральных
агрегатов, представляющих собой смеси гидроокисей трёхвалентного
железа. В составе обычно преобладают скрытокристаллические формы
минерала гётита. Скопления лимонита образуют месторождения
«бурого железняка» и так называемые «болотные руды». Является
составной частью многих разновидностей природных охр,
используемых в качестве минеральных пигментов. Химический состав:
Окись железа (Fe2О3) 86-89%, вода (Н2О) 10-14%. Плавится, при
нагревании в стеклянной трубке выделяет большое количество воды.
Растворяется в соляной кислоте.
25

26. Железо

Пирит (греч. πυρίτης λίθος, буквально – камень, высекающий огонь),
серный колчедан, железный колчедан – минерал, сульфид железа
химического состава FeS2. Пирит кристаллизуется в кубической
сингонии, образуя кристаллы; на гранях кристаллов характерна грубая
штриховка, параллельная рёбрам куба. Но распространён
преимущественно в виде сплошных масс, мелкозернистых агрегатов,
прожилков, а в осадочных горных породах – желваков и стяжений
различной формы. Цвет на свежем сколе светлый латунно-жёлтый до
золотисто-жёлтого, со временем меняется до тёмно-жёлтого, часто с
побежалостью, за счёт образования поверхностной окисной плёнки.
Имеет металлический блеск. Обладает полупроводниковыми
свойствами.
Твёрдость по шкале Мооса 6-6,5; плотность 4,9-5,2 г/см³, температура
плавления 1177-1188°C. Нерастворим в воде.
Пирит – один из самых распространённых в Земной коре сульфидов.
Большие его залежи сосредоточены в месторождениях
гидротермального происхождения, особенно в серноколчеданных
залежах, осадочных и метаморфических породах. В осадочных породах
пирит образуется в закрытых морских бассейнах, подобных Чёрному
морю, в результате осаждения сероводорода. Кроме того, пирит в
небольших количествах образуется при магматических процессах.
26

27. Железо

Он часто образует псевдоморфозы по органическим остаткам (по
древесине и различным остаткам организмов. В осадочных породах пирит
часто замещает растительные и животные остатки, образуя эффектные
окаменелости: пиритизированные раковины аммонитов, куски древесины
и даже фрагменты стволов и других частей деревьев. Такие процессы
могут идти очень быстро. Известен случай, когда тело рудокопа,
погибшего в глубокой шахте, полностью заместилось пиритом всего за 60
лет. Это произошло в Швеции в 13 веке). На земной поверхности
неустойчив, и со временем кристаллы пирита разрушаются, окисляясь до
лимонита.
В золоторудных месторождениях золото часто связано с пиритом, как
пространственно, так и в виде микроскопических включений в нём. Пирит
– главный источник получения кобальта, в значительной мере селена и
таллия.
Пирит не является самостоятельным предметом разработки и добывается
попутно из колчеданных руд при обогащении флотацией связанных с ним
более ценных полезных ископаемых.
Пирит является сырьём для получения серной кислоты, серы и железного
купороса, но последнее время редко используется для этих целей. В
последнее время всё чаще применяется в качестве корректирующей
добавки при производстве цементов.
27

28. Железо

В огромных объёмах он извлекается при разработке гидротермальных
месторождений меди, свинца, цинка, олова и других цветных металлов.
Но переработка пирита в полезные компоненты обычно оказывается
экономически невыгодной, и его отправляют в отвалы.
Греческое название «камень, высекающий огонь» связано со свойством
пирита давать искры при ударе. Благодаря этому свойству
использовался в замках кремневых ружей и пистолетов в качестве
кремня (пара сталь-пирит).
В Средние века минерал пользовался широкой популярностью в Европе
под названием «Алмаз Альпийский». Мода на украшения из пирита была
особенно распространена во Франции. Им украшали пряжки туфель,
подвязки, браслеты, корпуса часов и даже зонтики от солнца. Но
украшения быстро темнели, а во влажной среде окисление пирита
приводило к образованию бурого, рыхлого минерала лимонита – того,
что мы в обиходе называем «ржавчиной».
28

29. Железо

Испанцы – первые исследователи Америки – называли пирит «камнем
инков», поскольку пирит был в особой чести у индейцев. В
захоронениях индейских вождей часто находили полированные
таблички пирита, вероятно, служившие зеркалами (вопрос спорный).
Постоянное присутствие пирита в золоторудных месторождениях,
сильный металлический блеск и яркий желтый цвет делают его
похожим на золото. В старину пирит в шутку называли «кошкино
золото». Англоязычные народы называют пирит «fool's gold» – «глупое
золото», или «золото для дураков».
29

30. Железо

Железомарганцевые конкреции – конкреции (шаровидный (иногда
как бы сплюснутый, неправильно округленный) минеральный агрегат
радиально-лучистого строения ) с преобладанием в химическом
составе железа и марганца, формирующиеся на дне озёр, океанов, а
также в почвах.
В первых двух случаях представляют практический интерес, в
последнем могут являться диагностическим признаком при изучении
почвы.
В состав конкреций входят Mn(22,3-23,5%), Fe(4,5-5,6%), Co(0,190,22%), Ni(1,24-1,54%), Cu(1-1,17%), Zn(0,113-0,117%). Часто
присутствуют и другие примеси. Такой состав делает выгодной их
добычу.
30

31. Железо

Железная руда
31

32. Железо

Простое вещество железо – ковкий металл серебристо-белого цвета со
средней химической реакционной способностью.
Для железа характерен полиморфизм.
Стабильное при обычных условиях -железо при нагревании
претерпевает следующие полиморфные превращения:
-Fe –(769°C) -Fe –(910°C) -Fe –(1400°C) δ-Fe –(1539°C) Fеж.
Кристаллические - и -модификации железа металлурги называют и -ферритами. Обе модификации имеют объемноцентрированную
кубическую элементарную ячейку и кристаллографически
неразличимы (изменяется слабо лишь размер ячейки). Однако -Fe
обладает ферромагнитными свойствами, а другие полиморфные
модификации - парамагнетики. Структура γ-Fe –
гранецентрированная, а -Fe - объемноцентрированная кубическая
(параметры их элементарных ячеек отличаются от параметров ячеек
-Fe и -Fe).
32

33. Железо

Конфигурация внешних
электронных оболочек железа
3d64s2; степени окисления +2 и +3
(наиболее характерны), +1, +4,
+6, +8.
Ниже приводятся данные о
физических свойствах железа с
общим содержанием примесей не
более 0,01%.
Т. пл. 1535°С, т. кип. 2750°С.
Плотность (в г/см3):
-Fe 7,87 (20°С), 7,67 (600°С);
-Fe 7,59 (1000°С);
-Fe 7,409;
жидкого железа 7,024 (1538°С),
6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С).
Твердость по Моосу 4-5.
Внешний вид
химически чистого
железа
33

34. Железо

В сухом воздухе при температурах до 200°С на поверхности
компактного железа образуется тончайшая оксидная пленка,
защищающая металл от дальнейшего окисления.
Выше 200°С скорость коррозии железа увеличивается, образуется
слой окалины; внутренняя зона ее состоит из вюстита FеxО (х = 0,890,95), поверх него лежит слой Fe3O4, затем Fe2O3.
3Fe (порошок) + 2O2 = (FeIIFe2III)O4 (150-600°С, сгорание на воздухе).
34

35. Железо

Ржавление железа (атмосферная коррозия) во влажном воздухе,
особенно содержащем капли морской воды, идет быстрее; ржавчина
содержит также и гидроксиды железа, в основном FeO(OH).
4Fe + 3О2 + 6Н2О = 4Fe(OH)3.
Iron reacting in water
35

36. Железо

36

37. Железо

37

38. Железо

38

39. Железо

39

40. Железо

40

41. Железо

С галогенами железо образует галогениды
железа (III)
2Fe + 3Br2 = 2FeBr3,
с серой – сульфид:
Fe + S = FeS (600-950°С).
В реакциях железо проявляет
восстановительные свойства:
Fe + Fe2O3 = 3FeO (900°C).
Iron reacting with chlorine
41

42. Железо

Iron + sulphur
42

43. Железо

В ряду напряжений железо располагается
между цинком и оловом, что указывает на его
способность растворяться в кислотахнеокислителях с выделением водорода:
Fe + 2НСl = FeСl2 + Н2 ,
Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2 .
Разбавленная азотная кислота (~30%)
переводит железо в соли FeIII:
Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O.
Только в очень разбавленной (~3%) азотной
кислоте железо растворяется с образованием
нитрата железа (II):
4Fe + 10HNO3 = 4Fe(NO3)2 + NH4NO3 + 3Н2О.
Концентрированные кислоты-окислители
(HNO3, H2SO4) пассивируют железо на холоде
(благодаря образованию нерастворимой в
кислотах оксидной пленки), однако
растворяют его при нагревании:
2Fe + 6Н2SO4(КОНЦ) = Fe2(SO4)3 + 3SO2 +
6Н2О,
Fe + 6HNO3(КОНЦ) = Fe(NO3)3 + 3NO2 + 3H2O.
Iron in hydrochloric acid
43

44. Железо

Железо не растворяется в воде и растворах холодных щелочей, с
горячими концентрированными растворами щелочей реагирует.
Fe + 2NaOH (50%-й) + 2H2O = Na2[Fe(OH)4] + H2 (кип. в атмосфере
N2).
4Fe + 20NaOH (50%-й) + 3O2 + 6Н2O = 4Na5[Fe(OH)8] (20-25°С),
2Fe + 14NaOH (50%-й) + 3Br2 + 2Н2O = 2Na4[Fe(H2O)(OH)7] + 6NaBr
(50-60°С).
Fe + 2KOH + 3KNO3 = K2FeO4 + 3KNO2 + H2O (400-420°C).
44

45. Железо

При нагревании железо реагирует с водой, причем в зависимости от
температуры получаются различные продукты:
при t < 570°С:
при t > 570°С:
Раньше этот процесс (при 700°С) использовали для промышленного
получения водорода («железо-паровой способ»).
4Н2О + 3Fe ⇄ Fe3O4 + 4Н2,
Н2О + Fe ⇄ FeO + Н2.
45

46. Железо

Большое значение имеет взаимодействие железа с углеродом,
протекающее в ходе традиционного для черной металлургии
доменного процесса. 3Fe + C = Fe3C.
46

47. Железо

Важным промышленным процессом является азотирование железа:
Fe –(NH3) Fe2+XN (0 < x ≤ 0,5), Fe3N, Fe4N (350-550°C).
Ионно-плазменное азотирование
47

48. Железо

Железо вытесняет менее активные металлы из их солей:
Fe + CuSO4(p) = FeSO4 + Cu .
48

49. Железо

Железо способно образовывать соединения с углеродсодержащими
веществами:
Fe + 5CO = [Fe(CO)5] (180-220°C, p).
Fe + 2C5H6(г) = Fe(C5H5)2 + H2(г).
49

50. Железо

Высокодисперсное железо, полученное, например, восстановлением
оксидов водородом, самовоспламеняется на воздухе, т.е. является
пирофорным веществом.
Опыт по воспламенению бумаги
пирофорным железом
50

51. Железо

Железная колонна в Дели – железная колонна высотой семь метров
и весом в шесть с половиной тонн, входящая в состав архитектурного
ансамбля Кутб-Минара, расположенного примерно в 20 километрах
южнее Старого Дели. Широкую известность колонна приобрела тем,
что за 1600 лет своего существования практически избежала
коррозии.
Железная колонна – одна из главных достопримечательностей Дели. С
давних времен стекались к ней толпы богомольцев – считается, что
если стать к колонне спиной и охватить её сзади руками, это принесёт
счастье (другой вариант поверья – исполнится загаданное желание).
Во избежание вандализма в 1997 г. вокруг колонны была устроена
ограда.
Еще одно название железной колонны в Дели – «Кутубова колонна».
Колонна была воздвигнута в 415 г. в честь царя Чандрагупты II,
скончавшегося в 413 г.
51

52. Железо

52

53. Железо

Стойкость колонны против атмосферной коррозии. Возможные
объяснения.
Нержавеющая сталь. О колонне сложилось много легенд,
касающихся ее исключительной стойкости. Гиды часто рассказывают,
что для создания этого памятника была использована нержавеющая
сталь. Однако анализ показывает, что делийская колонна не содержит
легирующих элементов, приводящих к повышенной
коррозионной стойкости.
Чистое железо. Противоположное мнение заключалось в том, что
колонна изготовлена из очень чистого железа. Такая гипотеза в
течение ряда лет даже присутствовала в учебниках по металлургии
как пример высокой атмосферной стойкости чистого железа.
Метеоритное железо и внеземное происхождение колонны.
Популярной была гипотеза о том, что колонна в Дели изготовлена из
метеоритного железа. Известно, что оно хорошо сопротивляется
коррозии. Но в метеоритном железе всегда находили никель, а в
железе индийских колонн никеля не обнаружили.
Железную колонну в Дели не обошли своим вниманием и уфологи,
связывающие ее происхождение с внеземными цивилизациями.
53

54. Железо

Особый тепловой режим жизни колонны. Есть объяснения,
указывающие на то, что благодаря своей массе колонна долго
сохраняет тепло и в условиях местного климата на её поверхности не
образуется роса.
Уникальные климатические условия. Сухость воздуха
Ряд гипотез объясняет антикоррозийную стойкость надземной части
железной колонны сухостью атмосферного воздуха в Дели.
Шведским металловедом Й. Врангленом были поставлены опыты, при
которых отрезанные от колонны кусочки доставлялись на морское
побережье и промышленный район Швеции (морская и промышленная
атмосфера наиболее опасны для стали), где они успешно
корродировали. Подземная часть колонны, исследованная тем же
Й. Врангленом, покрыта слоем ржавчины толщиной в сантиметр.
Встречаются также коррозионные язвы глубиной до 10 сантиметров.
Естественное азотирование поверхности колонны
Некоторые исследователи утверждают, что в атмосфере Дели когда-то
было повышенное содержание аммиака (из-за скопления людей и
животных), которое в субтропическом климате Индии позволило
получить на поверхности колонны защитный слой нитридов железа.
Другими словами, колонна якобы азотирована самой природой.
54

55. Железо

Поверхностная защита железа колонны
Ряд гипотез основаны на том, что колонна сохранилась благодаря
особым условиям, случайно или целенаправленно приведшим к
образованию на поверхности колонны защитной пленки.
Колонну предохраняли люди
Поскольку колонна долгое время была (и остается) объектом
культового преклонения, а затем – особой достопримечательностью,
она никогда не оставалась без внимания людей.
Религиозные обряды требовали умащать колонну маслами и
благовониями. Благодаря этому на колонне постоянно присутствовала
пленка, предохраняющая ее от коррозии.
Особые приемы изготовления колонны
Ряд гипотез предполагает, что древние металлурги, вольно или
невольно создали специальную защитную пленку.
В частности, предполагают, что при изготовлении колонны она была
обработана перегретым паром, и таким образом произведено
воронение стали.
Есть теория о том, что железную колонну в Дели защищает пленка из
шлака, образовавшегося при ее изготовлении.
55

56. Железо

Колонна в Дели, как прообраз современных атмосферостойких
сталей
Есть версия, что при выплавке «на глазок», как это бывало в
древности, возможны очень большие отклонения в качестве металла.
Одним из таких исключений и могла стать колонна.
Современные атмосферостойкие стали, обладают своими
особенностями за счет высокого содержания в них такого, казалось бы
вредного, элемента, как фосфор. При совместном взаимодействии
меди и фосфора, а также хрома с кислородом, углекислым газом и
парами воды образуются труднорастворимые соединения, которые
входят в состав окисной пленки, обволакивающей сталь. Эта пленка
хорошо предохраняет металл. Скорость коррозии конструкций под
такой защитой в обычных условиях составляет порядка 0,3 мм за 100
лет.
Такие стали под маркой «Кор-тен» (COR-TEN) были изобретены в США
в 30-х годах ХХ века и содержали до 0,15% фосфора. В делийской
колонне его 0,11÷0,18%.
56

57. Железо

Ато́миум – одна из главных достопримечательностей и символ
Брюсселя. Атомиум был спроектирован к открытию всемирной
выставки 1958 архитектором Андре Ватеркейном как символ атомного
века и мирного использования атомной энергии и построен под
руководством архитекторов Андре и Мишеля Полаков.
Сооружение, покрытое изначально алюминиевым слоем, а после
завершённого в феврале 2006 капремонта – стальной оболочкой,
состоит из девяти атомов, которые объединены в кубический фрагмент
кристаллической решётки железа, увеличенный в 165 миллиардов раз.
Высота атомиума составляет 102 м, вес – около 2400 тонн, а диаметр
каждой из девяти сфер – 18 м. Шесть из них являются доступными для
посетителей. Сферы соединены между собой трубами длиной 23 м,
содержащими эскалаторы и соединительные коридоры. Всего между
шарами существует 20 соединительных труб. В средней из них
находится лифт, способный за 25 секунд поднять посетителей к
ресторану и обзорной платформе, находящимся в самом высоком шаре
Атомиума.
57

58.

58

59.

Клауд Гейт (англ. Cloud Gate; в переводе на рус. Облачные врата, иногда Облачные
ворота) – американская общественная скульптура британского художника и
скульптора индийского происхождения – Аниша Капура, расположенная на площади
AT&T Плаза в Миллениум-парке в городе Чикаго. Вся скульптура состоит из каркаса и
168 листов нержавеющей стали, сваренных воедино и тщательно отполированных.
Высота Клауд Гейт – 10 м, длина – 20 м, ширина – 13 м, общий вес – 99,8 тонн. В
народе скульптура получила прозвище The Bean (рус. Боб) за свою бобово-образную
форму
59

60. Железо

Гидротермальный источник с железистой водой.
Окислы железа окрашивают воду в бурый цвет.
60

61.

В Антарктиде из ледника Тейлора временами выходит Кровавый
водопад. Вода в нём содержит двухвалентное железо, которое,
соединяясь с атмосферным воздухом, окисляется и образует ржавчину.
Это и придаёт водопаду кроваво-рыжий цвет. Однако двухвалентное
железо в воде появляется не просто так – его производят бактерии,
живущие в изолированном от внешнего мира водоёме глубоко подо
льдом. Эти бактерии сумели организовать жизненный цикл при полном
отсутствии солнечного света и кислорода. Они перерабатывают
остатки органики, и поглощают трёхвалентное железо из окружающих
пород.
61

62. Железо

Поверхность Марса.
Окислы железа окрашивают песчаную поверхность в бурый
цвет.
62

63. Железо

• Домашнее задание
• 1. Учить §41,42
• 2. Письменно выполнить тренировочные упражнения
63