Залізо (латинське Ferrum), Fe, хімічний елемент VIII групи періодичної системи Менделєєва; атомний номер 26, атомна маса 55,847; блискучий сріблясто-білий метал. Елемент в природі складається з чотирьох стабільних ізотопів: 54 Fe (5,84%), 56 Fe (91,68%), 57 Fe (2,17%) і 58 Fe (0,31%).
Історична довідка. Ж. було відомо ще в доісторичні часи, проте широке застосування знайшло значно пізніше, т. К. У вільному стані зустрічається в природі вкрай рідко, а отримання його з руд стало можливим лише на певному рівні розвитку техніки. Ймовірно, вперше людина познайомилася з метеоритним Ж. про що свідчать його назви на мовах древніх народів: давньоєгипетське "бені-пет" означає "небесне залізо"; давньогрецьке sideros пов'язують з латинським sidus (родовий відмінок sideris) - зірка, небесне тіло. У хетських текстах 14 ст. до н. е. згадується про Ж. як про метал, що впав з неба. У романських мовах зберігся корінь назви, даного римлянами (наприклад, французьке fer, італійське ferro).
Поширеність в природі. За змістом в літосфері (4,65% по масі) Ж. займає друге місце серед металів (на першому алюміній). Воно енергійно мігрує в земній корі, утворюючи близько 300 мінералів (оксиди, сульфіди, силікати, карбонати, титанати, фосфати і т. Д.). Ж. бере активну участь в магматичних, гідротермальних і гіпергенних процесах, з якими пов'язане утворення різних типів його родовищ (см.Железние руди). Ж. - метал земних глибин, воно накопичується на ранніх етапах кристалізації магми, в ультраосновних (9,85%) і основних (8,56%) породах (в гранітах його всього 2,7%). У біосфері Ж. накопичується в багатьох морських і континентальних опадах, утворюючи осадові руди.
Важливу роль в геохімії Ж. грають окислювально-відновні реакції - перехід 2-валентного Ж. в 3-валентний і назад. У біосфері при наявності органічних речовин Fe 3+ відновлюється до Fe 2+ і легко мігрує, а при зустрічі з киснем повітря Fe 2+ окислюється, утворюючи скупчення гидроокисей 3-валентного Ж. Широко поширені сполуки 3-валентного Ж. мають червоний, жовтий, бурий кольори. Цим визначається забарвлення багатьох осадових гірських порід і їх найменування - "червоно-кольорова формація" (червоні і бурі суглинки і глини, жовті піски і т. Д.).
Фізичні та хімічні властивості. Значення Ж. у сучасній техніці визначається не тільки його широким розповсюдженням в природі, а й поєднанням вельми цінних властивостей. Воно пластично, легко кується як в холодному, так і нагрітому стані, піддається прокатці, штампування і волочіння. Здатність розчиняти вуглець і ін. Елементи служить основою для отримання різноманітних залізних сплавів.
Ж. може існувати у вигляді двох кристалічних решіток: a- і g- об'емноцентрірованной кубічної (ОЦК) і гранецентрированной кубічної (ГЦК). Нижче 910 ° C стійко a - Fe з ОЦК-гратами (а = 2,86645? При 20 ° C). Між 910 ° C і 1400 ° C стійка g-модифікація з ГЦК-решіткою (а = 3,64). Вище 1400 ° C знову утворюється ОЦК-решітка d-Fe (а = 2,94), стійка до температури плавлення (1539 ° C). a - Fe феромагнітний аж до 769 ° C (точка Кюрі). Модифікація g-Fe і d-Fe парамагнітни.
Фізичні властивості Ж. залежать від його чистоти. У промислових залізних матеріалах Ж. як правило, супроводжують домішки вуглецю, азоту, кисню, водню, сірки, фосфору. Навіть при дуже малих концентраціях ці домішки сильно змінюють властивості металу. Так, сірка викликає т. Н. красноломкость. фосфор (навіть 10 -20% Р) -хладноломкость; вуглець і азот зменшують пластичність. а водень збільшує крихкість Ж. (т. н. воднева крихкість). Зниження вмісту домішок до 10 -7 - 10 -9% приводить до істотних змін властивостей металу, зокрема до підвищення пластичності.
Атомний радіус 1,26
Іонні радіуси Fe 2+ O, 80. Fe 3+ O, 67
Щільність (20 o C) 7,874 г / см 3
tkіп близько 3200 о С
Температурний коефіцієнт лінійного розширення (20 ° C) 11,7 · 10 -6
Теплопровідність (25 ° C) 74,04 вт / (м · К)
Теплоємність Ж. залежить від його структури і складним чином змінюється з температурою; середня питома теплоємність (0-1000 o C) 640,57 дж / (кг · К) [0,153 кал / (г · град)].
Питомий електричний опір (20 ° C)
9,7 · 10 -8 ом · м [9,7 · 10 -6 ом · см]
Температурний коефіцієнт електричного опору
(0-100 ° C) 6,51 · 10 -3
Модуль Юнга 190-210 · 10 3 Мн / м. 2
Температурний коефіцієнт модуля Юнга
Модуль зсуву 84,0 · 10 3 Мн / м 2 [8,4 · 10 3 кгс / мм 2]
Короткочасна міцність на розрив
170-210Мн / м 2 [17-21кгс / мм 2]
Відносне подовження 45-55%
Твердість по Брінеллю 350-450 Мн / м 2
? Межа плинності 100Мн / м 2 [10 кгс / мм 2]
Ударна в'язкість 300 Мн / м 2 [30 кгс / мм 2]
Конфігурація зовнішньої електронної оболонки атома Fe 3d 6 4s 2. Ж. проявляє змінну валентність (найбільш стійкі сполуки 2- і 3-валентного Ж.). З киснем Ж. утворює закис FeO, окис Fe2 O3 і закис-окис Fe3 O4 (з'єднання FeO з Fe2 O3. Має структуру шпінелі). У вологому повітрі при звичайній температурі Ж. покривається рихлою іржею (Fe2 O3 · n H2 O). Внаслідок своєї пористості іржа не перешкоджає доступу кисню і вологи до металу і тому не оберігає його від подальшого окислення. В результаті різних видів корозії щорічно втрачаються мільйони тонн Ж. (див. Корозія металів). При нагріванні Ж. у сухому повітрі вище 200 ° C воно покривається найтоншої окісної плівкою, яка захищає метал від корозії при звичайних температурах; це лежить в основі технічного методу захисту Ж. - вороніння. При нагріванні у водяній парі Ж. окислюється з утворенням Fe3 O4 (нижче 570 ° C) або FeO (вище 570 ° C) і виділенням водню.
Гідроокис Fe (OH) 2 утворюється у вигляді білого осаду при дії їдких лугів або аміаку на водні розчини солей Fe 2+ в атмосфері водню або азоту. При зіткненні з повітрям Fe (OH) 2 спершу зеленіє, потім чорніє і нарешті швидко переходить в червоно-бурого гідроокис Fe (OH) 3. Закис FeO проявляє основні властивості. Окис Fe2 O3 амфотерна і володіє слабо вираженою кислотною функцією; реагуючи з більш основними оксидами (наприклад, з MgO), вона утворює ферити - з'єднання типу Fe2 O3 · n MeO, що мають феромагнітні властивості і широко застосовуються в радіоелектроніці. Кислотні властивості виражені і у 6-валентного Ж. існуючого у вигляді Феррата, наприклад K2 FeO4. солей не виділеної у вільному стані залізної кислоти.
Ж. легко реагує з галогенами і галогеноводородами, даючи солі, наприклад хлориди FeCl2 і FeCl3. При нагріванні Ж. з сіркою утворюються сульфіди FeS і FeS2. Карбіди Ж. - Fe3 C (цементит) і Fe2 C (e-карбід) - випадають з твердих розчинів вуглецю в Ж. при охолодженні. Fe3 C виділяється також з розчинів вуглецю в рідкому Ж. при високих концентраціях С. Азот, подібно вуглецю, дає з Ж. тверді розчини впровадження; з них виділяються нітриди Fe4 N і Fe2 N. З воднем Ж. дає лише малостійкі гідриди, склад яких точно не встановлено. При нагріванні Ж. енергійно реагує з кремнієм і фосфором, утворюючи силіциди (наприклад, Fe3 Si) і Фосфіди (наприклад, Fe3 P).
Нормальний електродний потенціал Ж. у водних розчинах його солей для реакції
складає - 0,44 в, а для реакції
дорівнює - 0,036 в. Т. о. в ряду активностей Ж. варто лівіше водню. Воно легко розчиняється в розбавлених кислотах з виділенням H2 і утворенням іонів Fe 2+.
Своєрідно взаємодія Ж. з азотною кислотою. Концентрована HNO3 (щільність 1,45 г / см 3) пасивує Ж. унаслідок виникнення на його поверхні захисної окисної плівки; більш розбавлена HNO3 розчиняє Ж. з утворенням іонів Fe 2+ або Fe 3+. відновлюючись до MH3 або N2 O і N2.
Розчини солей 2-валентного Ж. на повітрі нестійкі - Fe 2+ поступово окислюється до Fe 3+. Водні розчини солей Ж. внаслідок гідролізу мають кислу реакцію. Додавання до розчинів солей Fe 3+ тиоцианат-іонів SCN - дає яскраву криваво-червоне забарвлення внаслідок виникнення Fe (SCN) 3. що дозволяє відкривати присутність 1 частини Fe 3+ приблизно в 10 6 частинах води. Для Ж. характерне утворення комплексних з'єднань.
Отримання і застосування. Чисте Ж. отримують у відносно невеликих кількостях електролізом водних розчинів його солей або відновленням воднем його оксидів. Розробляється спосіб безпосереднього здобуття Ж. з руд електролізом розплавів. Поступово збільшується виробництво достатньо чистого Ж. шляхом його прямого відновлення з рудних концентратів воднем, природним газом або вугіллям при відносно низьких температурах.
На основі Ж. створюються матеріали, здатні витримувати вплив високих і низьких температур, вакууму і високого тиску, агресивних середовищ, великих змінних напруг, ядерних випромінювань і т. П. Виробництво Ж. і його сплавів постійно зростає. У 1971 в СРСР виплавлено 89,3 млн. Т чавуну і 121 млн. Т стали.
? Л. А. Шварцман, Л. В. Ванюкова.
Залізо як художній матеріал використовувалося з давніх-давен в Єгипті (підставка для голови з гробниці Тутанхамона біля Фів, середина 14 ст. До н. Е. Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамії (кинджали, знайдені біля Кархеміша, 500 до н. Е. Британський музей , Лондон), Індії (залізна колона в Делі, 415). З часів середньовіччя збереглися численні високохудожні вироби з Ж. в країнах Європи (Англії, Франції, Італії, Росії та ін.) - ковані огорожі, дверні петлі, настінні кронштейни, флюгера, обкуття скринь, светци. Ковані наскрізні вироби із прутів і вироби з просечного листового Ж. (часто із слюдяною підкладкою) відрізняються площинними формами, чітким лінійно-графічним силуетом і ефектно проглядаються на світло-повітряному тлі. У 20 ст. Ж. використовується для виготовлення решіток, огорож, ажурних інтер'єрних перегородок, свічників, монументів.
Залізо в організмі. Ж. присутній в організмах всіх тварин і в рослинах (в середньому близько 0,02%); воно необхідне головним чином для кисневого обміну і окислювальних процесів. Існують організми (т. Н. Концентратори), здатні накопичувати його в великих кількостях (наприклад, железобактерии - до 17-20% Ж.). Майже все Ж. у організмах тварин і рослин пов'язано з білками. Недолік Ж. викликає затримку росту і явленіяхлороза рослин. пов'язані зі зниженим утворенням хлорофілу. Шкідливий вплив на розвиток рослин надає і надлишок Ж. викликаючи, наприклад, стерильність квіток рису і хлороз. У лужних грунтах утворюються недоступні для засвоєння корінням рослин з'єднання Ж. і рослини не отримують його в достатній кількості; в кислих грунтах Ж. переходить в розчинні сполуки в надмірній кількості. При нестачі або надлишку в грунтах засвоєних з'єднань Ж. захворювання рослин можуть спостерігатися на значних територіях (см.Біогеохіміческіе провінції).
В організм тварин і людини Ж. поступає з їжею (найбільш багаті їм печінка, м'ясо, яйця, бобові, хліб, крупи, шпинат, буряк). У нормі людина отримує з раціоном 60-110 мг Ж. що значно перевищує його добову потребу. Всмоктування надійшов з їжею Ж. відбувається у верхньому відділі тонких кишок, звідки воно в пов'язаної з білками формі надходить в кров і розноситься з кров'ю до різних органів і тканин, де депонується у вигляді Ж.- білкового комплексу - феритину. Основне депо Ж. в організмі - печінка і селезінка. За рахунок Ж. феритину відбувається синтез всіх залізовмісних сполук організму: в кістковому мозку синтезується дихальний пігментгемоглобін. в м'язах - міоглобін. в різних тканинах цитохроми і ін. залізовмісні ферменти. Виділяється Ж. з організму головним чином через стінку товстих кишок (у людини близько 6-10 мг на добу) і в незначній мірі нирками. Потреба організму в Ж. змінюється з віком і фізичним станом. На 1 кг ваги необхідно дітям - 0,6, дорослим - 0,1 і вагітним - 0,3 мг Ж. на добу. У тварин потреба в Ж. орієнтовно становить (на 1 кг сухої речовини раціону): для дійних корів - не менше 50 мг, для молодняка - 30-50 мг, для поросят - до 200мг, для супоросних свиней - 60 мг.
У медицині лікарські препарати Ж. (відновлене Ж. лактат Ж. гліцерофосфат Ж. сульфат 2-валентного Ж. таблетки Бло, розчин яблочнокіслого Ж. ферамід, гемостимулин і ін.) Використовують при лікуванні захворювань, що супроводжуються недоліком Ж. в організмі (залізодефіцитна анемія ), а також як загальнозміцнюючі засоби (після перенесених інфекційних захворювань та ін.). Ізотопи Ж. (52 Fe, 55 Fe і 59 Fe) застосовують як індикатори при медико-біологічних дослідженнях і діагностиці захворювань крові (анемії, лейкози, поліцитемія і ін.).
??Літ .: Загальна металургія, М. 1967; Некрасов Б. В. Основи загальної хімії, т. 3, М. 1970; Ремі Г. Курс неорганічної хімії, пер. з нім. т. 2, М. 1966; Коротка хімічна енциклопедія, т. 2, М. 1963; Левінсон Н. Р. [Вироби з кольорового і чорного металу], в кн. Російське декоративне мистецтво, т. 1-3, М. 1962-65; Вернадський В. І. Біогеохімічні нариси. 1922-1932, М. - Л. 1940; Граник С. Обмін заліза у тварин і рослин, в збірці: Мікроелементи, пер. з англ. М. 1962; Діксон М. Уебб Ф. ферменти, пров. з англ. М. 1966; Neogi P. Iron in ancient India, Calcutta, 1914; Friend J. N. Iron in antiquity, L., 1926; Frank E. B. Old French ironwork, Camb. (Mass.), 1950; Lister R. Decorative wrought ironwork in Great Britain, L. 1960.