Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение  высшего профессионального образования

«Московский авиационный институт

(Национальный исследовательский университет)»

Реферат

На тему «Железо»

Выполнил: студент

Группа

Имя

Проверил: преподаватель

Белая А.В.

Москва 2015

Содержание

1. История открытия

2. Нахождение в природе

3. Получение

4. Физические свойства

5. Электронное строение атома

6. Свойства соединений

7. Применение

История Открытия.

Железо было известно ещё в доисторические времена, однако широкое применение нашло значительно позже, т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко, а получение его из руд стало возможным лишь на определённом уровне развития техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным Железом, о чём свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское "бени-пет" означает "небесное железо"; древнегреческое sideros связывают с латинским sidus (родительный падеж sideris) — звезда, небесное тело. В хеттских текстах 14 в. до н. э. упоминается о Железе как о металле, упавшем с неба. В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (например, французское fer, итальянское ferro).

Способ получения Железа из руд был изобретён в западной части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем применение Железа распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому веку пришёл железный век. Гомер (в 23-й песне "Илиады") рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. В Европе и Древней Руси в течение многих веков Железо получали по сыродутному процессу. Железную руду восстанавливали древесным углём в горне, устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт восстановления — крицу ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали различные изделия. По мере усовершенствования способов дутья и увеличения высоты горна температура процесса повышалась и часть Железа науглероживалась, т. е. получался чугун; этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом производства. Отсюда название чугуна "чушка", "свинское железо" — английское pig iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой двухстадийный процесс оказался более выгодным, чем сыродутный. В 12—13 вв. кричный способ был уже широко распространён. В 14 в. чугун начали выплавлять не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция горна в шахтную печь ("домницу"), а затем и в доменную печь. В середине 18 в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, который был известен на территории Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлические шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней четверти 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в Железо на поду пламенной отражательной печи. Промышленный переворот 18 — начала 19 вв., изобретение паровой машины, строительство железных дорог, крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в Железе и его сплавах. Однако все существовавшие способы производства Железа не могли удовлетворить потребности рынка. Массовое производство стали началось лишь в середине 19 в., когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы. В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный процесс, дающий сталь высокого качества.

Нахождение в природе.

Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре; оно составляет около 5% земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном виде железо находят в метеоритах, изредка встречается самородное железо (феррит) в земной коре как продукт застывания магмы.

Железо входит в состав многих минералов, из которых слагаются месторождения железных руд.

Основные рудные минералы железа:

Гематит (железный блеск, красный железняк) – Fe2O3 (до 70% Fe);

Магнетит (магнитный железняк) – Fe3O4 (до 72,4% Fe);

Гетит – FeOOH

Гидрогетит – FeOOH*nH2O (лимонит) – (около 62% Fe);

Сидерит – Fe(CO3) (около 48,2% Fe);

Пирит – FeS2

Месторождения железных руд образуются в различных геологических условиях; с этим связано разнообразие состава руд и условий их залегания. Железные руды разделяются на следующие промышленные типы:

1. Бурые железняки – руды водной окиси железа (главный минерал

гидрогетит), 30-55% железа.

2. Красные железняки, или гематитовые руды (главный минерал – гематит, иногда с магнетитом), 51-66% железа.

3. Магнитные железняки (главный минерал – магнетит), 50-65% железа.

4. Сидеритовые или карбонатные осадочные руды, 30-35% железа.

5. Силикатные осадочные железные руды, 25-40% железа.

Большие запасы железных руд находятся на Урале, где целые горы (например Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири, на дальнем Востоке. Богатые залежи имеются на Украине. Железо является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, где среднее содержание его колеблется в интервале 0,01-26 мг/л. Животные организмы и растения аккумулируют железо. Активно аккумулируют железо некоторые виды водорослей, бактерии. В теле человека содержание железа колеблется от 4 до 7г (в тканях, крови, внутренних органах). Железо поступает в организм с пищей. Суточная потребность взрослого человека в железе составляет 11 30мг. В основных пищевых продуктах содержится следующее количество железа (в мкг/100г.):

Рыба – 1000, Мясо – 3000, Молоко – 70, Хлеб – 4000,

Картофель, овощи, фрукты – от 600 до 900.

Получение железа.

В промышленности железо получают из железной руды, в основном изгематита(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 видекокса, железная руда в видеагломератаилиокатышейифлюс(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 недостаткекислорода:

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

Флюсдобавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь отсиликатов; например,кварц) в добываемой руде. Типичный флюс содержитизвестняк(карбонат кальция) идоломит(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 егооксида:

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

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 вдоменной 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 чугунаокислениемвмартеновских печахили в конвертерах.Электрические печииспользуются 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 конверсииметана, которые содержатводород. Водород легковосстанавливаетжелезо:

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 получаетсяэлектролизомрастворов егосолей.

Физические свойства.

Железо — типичный металл, в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металлпластичен, различные примеси (в частности —углерод) повышают еготвёрдостьихрупкость. Обладает ярко выражен-нымимагнитнымисвойствами. Часто выделяют так называемую «триаду железа» — группу трёх металлов (железо Fe,кобальтCo,никельNi), обладающих схожимифизическими свойст-вами,атомными радиусамии значениямиэлектроотрицательности.

Для железа характерен полиморфизм, оно имеет четырекристаллическиемодификации:

• до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объемно-центрированной кубической решёткойи свойствамиферромагнетика(769 °C ≈ 1043K—точка Кюридля железа);

• в температурноминтервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмноцентрированнойкубической решёткии магнитными свойствамипарамагнетика;

• в температурноминтервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированнойкубической решёткой;

• выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объемно-центрированной кубической решёткой.

Металловедениене выделяет β-Fe как отдельную фазу^[17], и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри(769 °C ≈ 1043K) тепловое движение ионов расстраивает ориентациюспиновыхмагнитных моментовэлектронов,ферромагнетикстановитсяпарамагнетиком— происходитфазовый переходвторого рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит. Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зренияметалловедения, 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 объемно-центрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой.

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

• В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм.^[18]) 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 рядустандартных электродных потенциаловжелезо 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.

Электронное строение атома

5.1 Электронная формула атома.

Fe: Порядковый номер: 26

Период: IV

Группа: VIII , Подгруппа: В

Электронное строение атома: 1S ² 2S ² 2P ⁶ 3S ² 3P⁶ 4S ² 3D⁶

Атомный номер железа: 26 - определяет величину положительного заряда ядра его атома и общее количество электронов в его электронной оболочке. Номер периода: 4 - показывает количество квантовых слоев (энергоуровней) в электронной оболочке атома. Железо находится в побочной подгруппе В - номер группы соответствует количеству валентных электронов элемента, способных участвовать в окислительно-восстановительных процессах, а положение железа в побочной подгруппе означает, что валентные электроны располагаются только на внешнем энергетическом уровне. Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других. Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe2+ — 0,080 нм, иона Fe3+ — 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.

По мере увеличения суммарного числа электронов в атомах (при возрастании зарядов их ядер, или порядковых номеров химических элементов) атомные орбитали заселяются таким образом, что появление электронов на орбитали с более высокой энергией зависит только от главного квантового числа n и не зависит от всех остальных квантовых чисел, в том числе и от l.

	4S2			3D6
n	4	4	3		3	3	3	3
l	0	0	2		2	2	2	2
ml	0	0	-2,-1,0,1,2		-2,-1,0,1,2	-2,-1,0,1,2	-2,-1,0,1,2	-2,-1,0,1,2
mn

Свойства соединения.

Свойства простого вещества

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкойоксида, 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:

С соляной кислотой:

С разбавленной серной кислотой:

Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо. C концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании:

Взаимодействие с кислородом:

Железо горит в кислороде, нагретое горит на воздухе, пирофорное — на воздухе без нагревания:

Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо:

Взаимодействие с порошком серы при нагревании:

Взаимодействие с галогенами при нагревании:

Горение в хлоре:

При повышенном давлении паров брома:

Взаимодействие с йодом:

Взаимодействие с неметаллами:

С азотом при нагревании:

С фосфором при нагревании:

С углеродом:

С кремнием:

Взаимодействие раскалённого железа с водяным паром:

Железо восстанавливает металлы, которые в ряду активности стоят правее него, из растворов солей:

Железо восстанавливает соединения железа(III):

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.