Биогенная трансформация серы и железа

align="justify">в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решёткой

выше 1394 °C устойчив δ-Fe с объёмоцентрированной кубической решёткой

    Металловедение не выделяет β-Fe, как отдельную фазу, и рассматривает её как разновидность α-Fe. При нагреве железа или стали выше точки Кюри (769 °C ≈ 1043 K) тепловое движение ионов расстраивает ориентацию спиновых магнитных моментов электронов, ферромагнетик становится парамагнетиком — происходит фазовый переход второго рода, но фазового перехода первого рода с изменением основных физических параметров кристаллов не происходит.

    Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металловедения, существуют следующие устойчивые модификации:

      От  абсолютного нуля до 910 ºC устойчива α-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в α-железе называется ферритом.

      От 910 до 1400 ºC устойчива γ-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решёткой. Твёрдый раствор углерода в γ-железе называется аустенитом.

      От 910 до 1539 ºC устойчива δ-модификация с объёмноцентрированной кубической (ОЦК) кристаллической решеткой. Твёрдый раствор углерода в δ-железе (так же, как и в α-железе) называется ферритом. Иногда различают высокотемпературный δ-феррит и низкотемпературный α-феррит (или просто феррит), хотя их атомные структуры одинаковы.

    Наличие в стали углерода и легирующих элементов существенным образом изменяет температуры фазовых переходов (см. фазовую диаграмму железо-углерод).

В области  высоких давлений (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) возникает модификация ε-железа с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решёткой.

    Явление полиморфизма чрезвычайно важно  для металлургии стали. Именно благодаря α- γ переходам кристаллической решетки происходит термообработка стали. Без этого явления железо, как основа стали не получило бы такого широкого применения.

    Железо тугоплавко, относится к металлам средней активности. Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения — около 3200 °C. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.2. Трансформация железа 

      Многие  составные части пищевых цепей  интенсивно накапливают железо, например водная флора (сине-зелёные водоросли, тростник хвощ), бактерии, являющиеся кормом для малощетинковых червей. Далее осуществляется передача его по трофическим цепям к более высокоорганизованным существам. Интенсивна деятельность железобактерий приводит к тому, что железо в водоёмах  не рассеивается, а окисляется и концентрируется в донных отложениях.

      Нитчатые  формы железобактерий являются обитателями  поверхности вод. Железобактерии, как  геологические агенты, участвуют  в образовании железистых отложений, формируя осадочные железные руды.

      В основе деятельности железобактерий лежит  процесс окисления  Fe до Fe. Так, минерал сидерит под воздействием железобактерий превращается в Fe(OH):

4FeCO3 + 6H2O +O2 = 4Fe(OH)3 + 4CO2

Fe +1e – Fe

O2 + 4e – 2O

      Выделяют  две группы железобактерий . Первую – сравнительно небольшую группу – составляют ацидофильные «истинные» железобактерии. Процесс окисления  у этих железобактерий протекает  в кислой среде. Живут они в  кислых источниках, озёрах, но в наибольших масштабах их деятельность проявляется в рудных месторождениях, торфяниках, Процесс можно записать следующим образом:

4FeSO4 + O2 + 2HSO4 = 2Fe(SO)3 + 2H2O +Q

      Вторую  – более обширную группу – составляют микроорганизмы, окисляющие ионы Fe в нейтральной или щелочной среде. С их деятельностью связано образование железомарганцевых конкреций в пресноводных и морских водоёмах. Железобактерии выделяют в окружающую среду пероксид водорода, под действием которого окисление осуществляется по схеме:

2Fe + H2O2 + H – 2Fe +2H2O.

      Кроме того, окисление ионов Fe до Fe происходит и самопроизвольно, без непосредственного участия микроорганизмов, но в присутствии железобактерий скорость этого процесса резко возрастает, т.е. железобактерии играют роль катализаторов.

      В природе в анаэробных условиях могут происходить микробиологические процессы восстановления железа при сопряжённом окислении органических веществ гетеротрофными микроорганизмами (например, клостридиумом). 

2.3. Учебно-исследовательский эксперимент 

Опыт 3

      Реактивы и объективы: растворы хлорида железа (II), гидроксида натрия, гексацианоферрата (II) калия; накопительная культура железобактерий.

      Получите  гидроксид железа (II) реакцией обмена. Оставив его для окисления, наблюдайте за происходящими изменениями.

      У вас на столах есть накопительная культура железобактерий. Докажите, что железо в обоих случаях имеет степень +3, проведя качественную реакцию на этот ион. Запишите уравнения химических реакций в ионном виде.

      Интересные  работы по морфологии и распространению  железобактерий провёл Н. Г. Холодный. Ему удалось доказать, что в течение почти 100 лет исследователи за тело железобактерий принимали футляр из гидроксида железа (III). Он сумел получить эти микроорганизмы без футляра.

      Проведём  микробиологическое изучение культуры железобактерий. 

Опыт 4

      Готовим препарат (по общей схеме), микроскопируем его. Делаем рисунок и даём морфологическую  характеристику форм железобактерий.

      Среди железобактерий имеются кокковидные, палочковидные и нитчатые формы. За последнее время выяснилось, что большинство форм железобактерий не принадлежит к автотрофам или являются факультативными автотрофами. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Обсуждение  экологических проблем 

      Бактериальные организмы, участвующие в трансформации  серы, могут приносить как пользу, так и вред. Например, установлено, что сульфатредуцирующие бактерии разрушают материалы, не устойчивые к воздействию сероводорода. Подсчитано, что 50% ущерба от коррозии подземных трубопроводов вызвано активной жизнедеятельностью бактерий этой группы. Накопление сероводорода в почве и водоёмах оказывает сильное токсилогическое воздействие на организмы животных и растений и нередко приводит к гибели.

      В то же время сульфатредуцирующие  бактерии, восстанавливая сульфаты, являются продуцентами сероводорода и, следовательно, играют существенную роль на первом этапе геологического процесса образования месторождений серы и сульфидных руд.

      Помимо  биологического цикла соединений серы в атмосфере происходит трансформация  серосодержащих газов. Сернистый газ и сероводород выделяют в атмосферу при извержении вулканов, но это явление происходит сравнительно редко и не относится к факторам, вызывающим загрязнение атмосферы.

      Более серьёзную опасность представляют выбросы промышленных предприятий, работающих на высокосернистых сортах угля и нефти. Окисление сернистого газа в атмосфере сопровождается образованием серной кислоты, которая с осадками выпадает на почву, вызывая сильное закисление почв и гибель растительности вблизи промышленных комплексов. Кроме того, сжигание ископаемого топлива повышает содержание в воздухе токсичного оксида серы (IV). При загрязнении атмосферного фоздуха оксидами азота, углеводородами под воздействием ультфиолетового излучения оксид серы (IV) превращается в оксид серы (IV), образующий с парами воды аэрозоль серной кислоты, которая снижает продуктивность зелёных растений (угнетает процесс фотосинтеза). В свою очередь, это приводит к нарушениям в общей цепи круговорота серы.

      Жизнедеятельность железобактерий наносит большой вред трубопроводам водоснабжения и канализации. Установлено, что даже при наличии в воде двухвалентного железа (а оно присутствует практически всегда) железобактерии начинают развиваться.

      В протоплазме своих клеток они  превращают двухвалентное железо в нерастворимый гидроксид железа (III). В результате вода растворяет всё новые и новые порции железа. Гидроксид железа (III) выделяется на поверхности клеток микроорганизмов, что со временим всё больше затрудняет в них обмен веществ. Поэтому у железобактерий время от времени происходит своеобразная «линька» - сбрасывание годкоксида железа (III), который придаёт воде ржавый цвет и мутный вид. Эта ржавчина откладывается в застойных зонах водопроводных систем и становится пищей для других бактерий, продукт жизнедеятельности которых – серная кислота. В свою очередь, это вещество вызывает интенсивную электролитическую коррозию трубопровода. Например, в результате деятельности микроорганизмов вида тиобацилус ферроксиданс происходит следующий процесс:

4FeS2 +6H2O + 15O2 = 4Fe(OH)SO4 +4H2SO4.

      Вода, вытекающая из заброшенных железорудных шахт, может иметь pH 2 и больше и тем самым создавать угрозу кислотного загрязнения расположенных поблизости водоёмов. В то же время известно, что присутствие железобактерий приводит к катастрофическим последствиям в результате разрушения технического оборудования из кислоупорных сталей и алюминиевых сплавов.