Железо: история, нахождения, месторождения, свойства

Содержание

Введение                                                                                                                                     3

1. История железа                                                                                                                   4

2. Нахождение в природе                                                                                                         6

3. Месторождения железных руд                                                                                           7

4. Физические свойства                                                                                                          10

5. Химические свойства                                                                                                          11

6. Применение железа и его сплавов                                                                                    14

7. Получение железа                                                                                                                16

8. Биологическая роль железа                                                                                              19

9. Интересные факты                                                                                                              20

Заключение                                                                                                                               21

Список литературы                                                                                                                 22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Железо – важнейший металл современной индустрии [1]. Это химический элемент, имеющий 26-й атомный номер в периодической таблице Дмитрия Ивановича Менделеева и  расположенный в 4 периоде в побочной подгруппе VIII группы периодической системы элементов.

Железо – один из самых распространенных металлов в земной коре. Люди научились извлекать его из руды и обрабатывать около 4 тыс. лет назад. Этот металл является одним из важнейших химических элементов, который в чистом виде практически не используется, но его сплавы плотно вошли в жизнь человечества.

Более 90% производимых в наше время металлов приходится на железо и его сплавы с углеродом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. История железа

            Железо – один из семи металлов древности. Самородное железо в природе практически не встречается. Первым железом, которое попало в руки человека, было железо метеоритного происхождения. Хотя человек использует железо с древних времен, изделия из него встречаются крайне редко из-за свойства железа окисляться, т.е. ржаветь. Первое упоминание об использовании железа датируются 5-м тысячелетием до н.э. Железо в те времена было очень дорогим, ценилось оно дороже золота. Изделия из железа помещались в оправу из золота.

            С самородными металлами народы, населяющие все континенты, познакомились почти в одно и то же время. С железом же происходило знакомство иначе и оно растянулось на более длинные исторические промежутки времени [2]. В Египте железо получали еще во втором тысячелетии до н.э., в Древней Греции - в конце II тысячелетия, в Китае - в середине первого тысячелетия до н.э. А на американском континенте лишь с приходом европейцев. Объясняется это тем, что в государствах, где запасы самородных металлов, в первую очередь меди и олова, были невелики, у людей возникала необходимость поиска новых металлов, чтобы заменить самородные. В Америке находились крупнейшие месторождения меди, поэтому потребности в других металлах не было. А вот африканские племена перешагнули через медный век, к железному веку. С увеличением численности населения, с занятием людьми новых территорий. Выработка железа неуклонно росла, и оно перешло из ранга драгоценных металлов в обычные [3]. 
            Из известных тогда металлов железо было самым прочным. Из него изготавливали различные орудия труда, оружие, инструменты. В начале нашей эпохи железо уже производили в Европе и в Азии. Лучшими металлургами были индийцы [2]. 
            Как же развивались способы получения железа? Первоначально человек использовал метеоритное железо, но оно было очень редким и очень дорогим. Затем стали получать нагреванием руд с углем, делая это на хорошо продуваемых ветром местах. Но, полученное таким способом железо было губчатым, с большим содержанием шлаков и хрупким. Важнейшим шагом в технологии получения железа стало появление горна, который был открыт сверху и обложен изнутри огнеупорными материалами (рис.1). Используя данный способ, получалось относительно качественное железо, о чем говорят раскопки, произведенные археологами в Сирии на месте древних городов.  
Первые плавильные печи появились к концу пятнадцатого века. В них получали только чугун. В 1885 году был предложен способ производства стали, который называется конверторным. Примерно в это же время был внедрен и мартеновский способ получения стали. При выплавке стали в мартеновских печах, получалась очень высококачественная сталь, практически свободная от шлаков [3].

            Происхождение названия химического элемента происходит по предположению одних ученых слова джальджа (санскритский язык), что означало металл, руда. По предположению других от санскритского корня -жель, что означало "блестеть, пылать" 
Химический символ Fe железо получило от латинского слова ferrum, что собственно и обозначает в переводе железо [2].

 

 Рисунок 1. Выплавка железа в горне ( фрагмент древнегреческой вазы)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Нахождение в природе

            Железо – самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: на его долю приходится около 4% массы земной коры. Среди всех элементов оно занимает 4-е место, среди металлов- 2-е, уступая лишь алюминию. 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 [4].

            Основные рудные минералы железа:

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

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

Гетит – FeO(OH);

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

Сидерит – Fe(CO3) (около 48,2% Fe);

Пирит (железный колчедан) – 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 водного оксида 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.

            Железо является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, где среднее содержание его колеблется в интервале 0,01-26 мг/л [5].

 

 

 

 

 

 

3. Месторождения железных руд

            По меньшей мере 12 стран в мире имеют разведанные запасы железных руд, которые превышают миллиард тонн. К числу таких стран относятся Россия, Австралия, Канада, США, ЮАР, Индия, Франция. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире [6].

Рисунок 2. Месторождения железа, алюминия, ртути и урана в мире

            В пределах России месторождения железных руд находятся на Урале, где целые горы (например, Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком превосходного качества. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири и на Дальнем Востоке. Общее количество железных руд нашей страны составляет больше половины мировых запасов [4].

Рисунок 3. Распределение ресурсов железных руд по субъектам РФ, млрд т (по состоянию на 2007 г.)

            К крупнейшим месторождениям нашей страны относятся:

  Курская магнитная аномалия (КМА)

            Курская магнитная аномалия (КМА) – крупнейший железорудный бассейн в России, расположен на территории Курской, Белгородской и Орловской областей.

            Общая площадь бассейна 120 тысяч км2. Разведанные запасы железистых кварцитов свыше 25 млрд т с содержанием Fe 32-37 % и свыше 30 млрд т богатых руд с 52-66 % Fe. Главные месторождения: Коробковское, Лебединское, Михайловское, Чернянское, Погромецкое, Стойленское, Яковлевское, Гостищевское и др. (рис. 4). Магнитные аномалии в районе города Курск открыты П. Б. Иноходцевым в 1783 [7].

 

Рисунок 4. Карта Курской магнитной аномалии

  Качканарская группа железорудных месторождений

            Качканарская группа железорудных месторождений в Свердловской области (Исовский район). Известна с 18 века. Объединяет два крупных месторождения – Качканарское и Гусевогорское. Запасы титаномагнетитовых руд на Качканарском месторождении – 3,3 млрд т на Гусевогорском – 3,4 млрд т ; это месторождение является одновременно уникальным по запасам ванадия. Разрабатывается карьерным способом с 1963 года [8].

  Оленегорское месторождение железистых кварцитов

            Оленегорское месторождение железистых кварцитов - скопление железных руд Кольского полуострова. Расположено в нескольких км от г. Оленегорска. Открыто и разведано в 1921–1932. Разрабатывается с 1954. Включает 5 месторождений. Месторождения сложены комплексом верхнеархейских (2740 ± 60 млн. лет) метаморфических пород (различные гнейсы, амфиболиты, железистые кварциты). Содержание в руде Fe – 33,14 %. Руды в основном представлены полосчатыми магнетитовыми и магнетит-гематитовыми железистыми кварцитами. Основной рудный минерал большинства месторождений группы – магнетит. Запасы руды месторождения составляют 329 млн т. Общие прогнозные запасы руд – около 2 млрд т при среднем содержании железа 32% [9].

 

 

 

4. Физические свойства железа

            Традиционно, железо – это серебристо-белый металл с активными химическими реакционными свойствами. Его физические свойства отражены в таблице 1. Оно корродирует при высокой влажности или воздействии высоких температур. В кислороде оно способно гореть, в мелкодисперсном состоянии - самовозгораться. Переоценить значимость применения железа в современной технике сложно, это обуславливается наличием достаточно ценных качеств. Оно пластично, хорошо поддается ковке, штамповке, прокатке, волочению. Возможность растворять в своем составе углерод и другие вещества является основой для получения сплавов с различными свойствами.

            Железом называют его сплавы с различными химическими элементами (до 0,8 % по массе) – углеродом, водородом, азотом, фосфором, кислородом, серой и пр., которые даже при незначительных концентрациях меняют его физические свойства. Азот и углерод – снижают пластичность, водород – увеличивает хрупкость, сера вызывает красноломкость, а фосфор — хладноломкость.

            95% всей металлургической промышленности составляют сплавы железа с различными веществами. Богатые углеродом сплавы (более 2% по общему весу) – чугуны выплавляют из обогащенных железом руд в доменных печах. Низкоуглеродистые марки стали (менее 2%) производят в мартеновских, конверторных, электрических печах путем окисления излишнего углерода. В электродуговых и индукционных печах выплавляют высоколегированные стали (со значительным массовым содержанием хрома, никеля и других элементов). Для выпуска сплавов железа особого назначения разработаны и используются новые технологические процессы – электрошлаковый и вакуумный переплав, электро-лучевая, плазменная плавки [4].

                    Табл. 1

                                      Основные физические свойства  железа

                    

5. Химические свойства железа

            Конфигурация внешней электронной оболочки атома 3d64s2. Железо проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного железа). В химическом отношении железо относится к металлам средней активности. В электрохимическом ряду напряжений металлов они располагаются левее водорода, между хромом и кобальтом. Чистый металл при комнатной температуре довольно устойчив, его активность сильно увеличивается при нагревании, особенно если он находится в мелкодисперсном состоянии. Наличие примесей значительно снижает устойчивость металла.

  Взаимодействие с неметаллами

            При нагревании на воздухе выше 200 °С железо взаимодействует с кислородом, образуя оксиды нестехиометрического состава FexO, мелкодисперсное железо сгорает с образованием смешанного оксида железа (II, III):

                              3Fe + 2O2 = Fe3O4                                          (1)

С галогенами металл реагирует, образуя галогениды :

                             2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3                                                                          (2)

Металл довольно устойчив к действию фтора.

При взаимодействии с азотом при невысокой температуре железо образует нитриды различного состава, например:

                               4Fe + N2 = 2Fe2N                                                         (3)