Желе́зо ( химический символ — Fe , от лат. Fe rrum ) — химический элемент 8-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26.

Простое вещество железо — это ковкий переходный металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует на воздухе при высоких температурах или при высокой влажности . В чистом кислороде железо горит , а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе.

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 , ванадий и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов делают его «металлом № 1» по важности для человека.

В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего — в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,65 % (4-е место после O , Si , Al ). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра , что проявляется в наличии магнитного поля Земли .

История

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.).

Первыми освоили метод выплавки железа хатты . На это указывает древнейшее (2-е тысячелетие до н. э.) упоминание железа в текстах хеттов , основавших свою империю на территории хаттов (современной Анатолии в Турции) .

В древности мастерами железных изделий считались халибы .

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 описан «одр железный» рефаимского царя Ога .

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл .

В библейской книге Иисуса Навина 17,16 (ср. Судей 14,4) описывается, что филистимляне (библейские «PILISTIM», а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги ) имели множество железных колесниц, то есть в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.

В дальнейшем филистимляне 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 °C, а чистое железо плавится при 1535 °C). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100—1200 °C, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке) и не обладающий упругостью стали. ^{[ неавторитетный источник ]} Первоначально его считали ^{[ кто? ]} вредным побочным продуктом ( англ. pig iron , по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилось ^{[ кем? ]} , 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 .

Происхождение названия

Праславянское *želězo ( белор. жалеза , укр. залізо , ст.‑слав. желѣзо , болг. желязо , сербохорв. жељезо , польск. żelazo , чеш. železo , словен. železo ) имеет ясные параллели в балтийских языках ( лит. geležis , латыш. dzelzs ). Слово является однокоренным словам « железа » и « желвак »; и имеет смысл «округлый камень, окатыш, блямба» .

Имеется несколько версий дальнейшей этимологии этого балтославянского слова.

Одна из них связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός , что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely « черепаха » и *glazъ «скала», с общей семой « камень » . Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка .

Романские языки ( итал. ferro , фр. fer , исп. hierro , порт. ferro , рум. fier ) продолжают лат. ferrum . Латинское ferrum (< *ferzom ), возможно, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего, из финикийского. Ср. ивр. barzel ‎, шумерск. barzal , ассирийск. parzilla . Отсюда же, вероятно, баскское burdina .

Германские языки заимствовали название железа ( готск. eisarn , англ. iron , нем. Eisen , нидерл. ijzer , дат. jern , швед. järn ) из кельтских .

Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h ₁ esh ₂ r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish ₂ ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой» .

Древнегреческое слово σίδηρος (sidеros), возможно, происходит от той же основы, что и славянские, германские и балтийские слова, обозначающие "серебро" .

Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus — звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности, древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus , означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Изотопы

Природное железо состоит из четырёх стабильных изотопов : ⁵⁴ Fe ( изотопная распространённость 5,845 %), ⁵⁶ Fe (91,754 %), ⁵⁷ Fe (2,119 %) и ⁵⁸ Fe (0,282 %). Также известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72, наиболее устойчивые из которых — ⁶⁰ Fe ( период полураспада по уточнённым в 2009 году данным составляет 2,6 миллиона лет ), ⁵⁵ Fe (2,737 года), ⁵⁹ Fe (44,495 суток) и ⁵² Fe (8,275 часа); остальные изотопы имеют период полураспада менее 10 минут .

Изотоп железа ⁵⁶ Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут увеличить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы увеличить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд (см. Железная звезда ), а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых .

Геохимия железа

Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию . При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %. Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном , амфиболом , оливином и биотитом . В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002—0,02 мг/л. В речной воде его концентрация значительно выше — 2 мг/л.

Геохимические свойства железа

Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро Земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe ₂ O ₃ характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород .

По кристаллохимическим свойствам ион Fe ²⁺ близок к ионам Mg ²⁺ и Ca ²⁺ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах .

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк ( гематит , Fe ₂ O ₃ ; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк ( магнетит , FeO · Fe ₂ O ₃ или Fe ₃ O ₄ ; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит ( гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH ₂ O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания , образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые , или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe ₃ (PO ₄ ) ₂ ·8H ₂ O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты .

В природе также широко распространены сульфиды железа — пирит FeS ₂ (серный или железный колчедан) и пирротин . Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире ^{[ источник не указан 3965 дней ]} .

Содержание железа в морской воде — 1⋅10 ⁻⁵ —1⋅10 ⁻⁸ %.

Другие часто встречающиеся минералы железа :

• Сидерит — FeCO ₃ — содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см³ и твёрдость 3,5—4,5 по шкале Мооса.
• Марказит — FeS ₂ — содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6—4,9 г/см³ и твёрдостью 5—6 по шкале Мооса.
• Лёллингит — FeAs ₂ — содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7—7,4 г/см³, твёрдость 5—5,5 по шкале Мооса.
• Миспикель — FeAsS — содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6—6,2 г/см³ и твёрдостью 5,5—6 по шкале Мооса.
• Мелантерит — FeSO ₄ ·7H ₂ O — реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8—1,9 г/см³.
• Вивианит — Fe ₃ (PO ₄ ) ₂ ·8H ₂ O — встречается в виде сине-серых или зелёно-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твёрдостью 1,5—2 по шкале Мооса.

Помимо вышеописанных минералов железа, существуют, например:

Основные месторождения

По данным Геологической службы США (оценка 2011 года), мировые разведанные запасы железной руды составляют около 160 млрд тонн . Основные залежи железа(в пересчёте на содержание элементарного железа) находятся в России (1 место), Бразилии, Австралии, США, Канаде, Швеции, Германии, Венесуэле, Либерии, Украине, Польше, ЮАР, Японии, Китае, Болгарии, Монголии, Франции, Индии. Эти данные не учитывают открытого недавно в Боливии крупнейшего в мире месторождения Эль-Мутун , запасы которого оцениваются в 40,2 млрд тонн руды (5 % мировых запасов ).

В 2019 было добыто 2,896 млрд тонн железной руды, общей стоимостью приблизительно 366 млрд долларов США . Цена железной руды составляет 126,35 долларов/тонна .

Физические свойства

Железо — типичный металл , в свободном состоянии — серебристо-белого цвета с сероватым оттенком. Чистый металл пластичен , различные примеси (в частности — углерод ) повышают его твёрдость и хрупкость . Обладает ярко выраженными магнитными свойствами. Часто выделяют так называемую « » — группу трёх металлов (железо Fe, кобальт Co, никель Ni), обладающих схожими физическими свойствами , атомными радиусами и значениями электроотрицательности .

Для железа характерен полиморфизм , оно имеет четыре кристаллические модификации:

• до 769 °C существует α-Fe (феррит) с объёмноцентрированной кубической решёткой и свойствами ферромагнетика (769 °C ≈ 1043 K — точка Кюри для железа);
• в температурном интервале 769—917 °C существует β-Fe, который отличается от α-Fe только параметрами объёмно-центрированной кубической решётки и магнитными свойствами парамагнетика ;
• в температурном интервале 917—1394 °C существует γ-Fe ( аустенит ) с гранецентрированной кубической решёткой ;
• выше 1394 °C устойчиво δ-Fe с объёмно-центрированной 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 °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 объёмно-центрированной кубической ( ОЦК ) кристаллической решёткой.

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

• В области высоких давлений (свыше 13 ГПа, 128,3 тыс. атм. ) 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 ряду стандартных электродных потенциалов железо 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.

Химические свойства

Характерные степени окисления

Степень окисления	Оксид	Гидроксид	Характер	Примечания
+2	FeO	Fe(OH) 2	Слабоосновный	Слабый восстановитель
+3	Fe 2 O 3	Fe(OH) 3	Очень слабое основание, иногда — амфотерный	Слабый окислитель
+6	Не получен	<H 2 FeO 4 > *	Кислотный	Сильный окислитель

^* Кислота в свободном виде не существует — получены только её соли.

Химическая активность железа зависит от степени его чистоты, дисперсности , присутствия влаги и кислорода.

Для железа наиболее характерны степени окисления — +2 и +3.

Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH) ₂ . Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) — слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe ₂ O ₃ и коричневый гидроксид Fe(OH) ₃ . Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe ³⁺ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH) ₃ растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe ₂ O ₃ реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли не существующей в свободном виде кислоты HFeO ₂ ):

${\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}O_{3}+2NaOH\rightarrow 2NaFeO_{2}+H_{2}O}}}$

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко переходят друг в друга при изменении окислительно-восстановительных потенциалов.

Кроме того, существует оксид Fe ₃ O ₄ , формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe ⁺² (Fe ⁺³ O ₂ ) ₂ .

Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли — ферраты (например, K ₂ FeO ₄ ). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Известны также степени окисления: −2 ( тетракарбонилферрат натрия ), −1, 0 ( пентакарбонил железа ), +1, +4, +5.

Свойства простого вещества

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида , 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 Fe ₂ O ₃ ·xH ₂ O.

Взаимодействует с кислотами .

• С соляной кислотой , образуя хлорид железа (ΙΙ) :

${\displaystyle {\mathsf {Fe+2HCl\rightarrow FeCl_{2}+H_{2}\uparrow }}}$

• С разбавленной серной кислотой , образуя сульфат железа (II) :

${\displaystyle {\mathsf {Fe+H_{2}SO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+H_{2}\uparrow }}}$

• Концентрированные азотная и серная кислоты пассивируют железо. C концентрированной серной кислотой взаимодействует только при нагревании, образуя сульфат железа(III) :

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+6H_{2}SO_{4}\xrightarrow {^{o}t} \ Fe_{2}(SO_{4})_{3}+3SO_{2}\uparrow +6H_{2}O}}}$

• Взаимодействие с кислородом .

• Железо горит в кислороде при нагревании; или без, в случае пирофорности ; образуя оксид железа (II, III) : :

${\displaystyle {\mathsf {3Fe+2O_{2}{\xrightarrow {150-600^{o}C}}Fe_{3}O_{4}}}}$

• Пропускание кислорода или воздуха через расплавленное железо, образуется оксид железа (II) :

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+O_{2}\xrightarrow {^{o}t} \ 2FeO}}}$

• Взаимодействует с порошком серы при нагревании, образуя сульфид железа (II) :

${\displaystyle {\mathsf {Fe+S\xrightarrow {^{o}t} \ FeS}}}$

• Взаимодействует с галогенами при нагревании:

• Горит в хлоре , образуя хлорид железа (III) :

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+3Cl_{2}\xrightarrow {^{o}t} \ 2FeCl_{3}}}}$

• При повышенном давлении взаимодействует с парами брома , образуя бромид железа (III) :

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+3Br_{2}{\xrightarrow {p}}\ 2FeBr_{3}}}}$

• Взаимодействует с йодом , образуя йодид железа (II, III) :

${\displaystyle {\mathsf {3Fe+4I_{2}\rightarrow Fe_{3}I_{8}}}}$

• Взаимодействие с неметаллами .

• С азотом при нагревании, образуя нитрид дижелеза :

${\displaystyle {\mathsf {4Fe+N_{2}\xrightarrow {^{o}t} \ 2Fe_{2}N}}}$

• С фосфором при нагревании, образуя фосфиды железа :

${\displaystyle {\mathsf {Fe+P\xrightarrow {^{o}t} \ FeP}}}$

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+P\xrightarrow {^{o}t} \ Fe_{2}P}}}$

${\displaystyle {\mathsf {3Fe+P\xrightarrow {^{o}t} \ Fe_{3}P}}}$

• С углеродом , образуя карбид железа :

${\displaystyle {\mathsf {3Fe+C\rightarrow Fe_{3}C}}}$

• С кремнием при нагревании, образуя силицид железа :

${\displaystyle {\mathsf {Fe+Si\xrightarrow {1410^{\circ }\complement } FeSi}}}$

• Взаимодействие раскалённого железа с водяным паром даёт оксид железа (III) :

${\displaystyle {\mathsf {2Fe+3H_{2}O\xrightarrow {^{o}t} \ Fe_{2}O_{3}+3H_{2}\uparrow }}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {Fe+CuSO_{4}\rightarrow FeSO_{4}+Cu}}}$

• Железо восстанавливает соединения железа(III):

${\displaystyle {\mathsf {Fe+2FeCl_{3}\rightarrow 3FeCl_{2}}}}$

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 Fe ₂ (CO) ₉ и Fe ₃ (CO) ₁₂ . Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава (η ⁵ -C ₅ H ₅ ) ₂ Fe.

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.

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH) ₂ . Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

${\displaystyle {\mathsf {4FeCl_{2}+O_{2}+2H_{2}O\rightarrow 4Fe(OH)Cl_{2}}}}$

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа(II) (NH ₄ ) ₂ Fe(SO ₄ ) ₂ ·6Н ₂ O.

Реактивом на ионы Fe ²⁺ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K ₃ [Fe(CN) ₆ ] (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe ²⁺ и [Fe(CN) ₆ ] ³⁻ выпадает осадок гексацианоферрата (III) калия-железа (II) (турнбулева синь):

${\displaystyle {\mathsf {K_{3}[Fe(CN)_{6}]+Fe^{2+}\rightarrow KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_{6}]\downarrow +2K^{+}}}}$ ,

который внутримолекулярно перегруппировывается в гексацианоферрат (II) калия-железа (III) ( берлинская лазурь ):

${\displaystyle {\mathsf {KFe^{II}[Fe^{III}(CN)_{6}]\rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_{6}]}}}$

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen ₃ (максимум светопоглощения — 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9) .

Соединения железа (III)

Оксид железа(III) Fe ₂ O ₃ слабо амфотерен , ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH) ₂ , основание Fe(OH) ₃ , которое реагирует с кислотами:

${\displaystyle {\mathsf {2Fe(OH)_{3}+3H_{2}SO_{4}\rightarrow Fe_{2}(SO_{4})_{3}+6H_{2}O}}}$

Соли Fe ³⁺ склонны к образованию кристаллогидратов. В них ион Fe ³⁺ , как правило, окружён шестью молекулами воды. Такие соли имеют розовый или фиолетовый цвет.

Ион Fe ³⁺ полностью гидролизуется даже в кислой среде. При pH>4 этот ион практически полностью осаждается в виде Fe(OH) ₃ :

${\displaystyle {\mathsf {Fe^{3+}+3H_{2}O\rightarrow Fe(OH)_{3}\downarrow +3H^{+}}}}$

При частичном гидролизе иона Fe ³⁺ образуются многоядерные оксо- и гидроксокатионы, из-за чего растворы приобретают коричневый цвет.

Кислотные свойства гидроксида железа(III) Fe(OH) ₃ выражены очень слабо. Он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

${\displaystyle {\mathsf {Fe(OH)_{3}+3KOH\rightarrow K_{3}[Fe(OH)_{6}]}}}$

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа(III) устойчивы только в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает Fe(OH) ₃ .

При сплавлении со щелочами и оксидами других металлов Fe ₂ O ₃ образует разнообразные ферриты :

${\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}O_{3}+2NaOH\rightarrow 2NaFeO_{2}+H_{2}O}}}$

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

${\displaystyle {\mathsf {Fe+2FeCl_{3}\rightarrow 3FeCl_{2}}}}$

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов , например, KFe(SO ₄ ) ₂ — железокалиевые квасцы, (NH ₄ )Fe(SO ₄ ) ₂ — железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe ³⁺ с неорганическими тиоцианатами SCN ⁻ . При этом образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа [Fe(SCN)] ²⁺ , [Fe(SCN) ₂ ] ⁺ , Fe(SCN) ₃ , [Fe(SCN) ₄ ] ⁻ . Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe ³⁺ служит гексацианоферрат(II) калия K ₄ [Fe(CN) ₆ ] (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe ³⁺ и [Fe(CN) ₆ ] ⁴⁻ выпадает ярко-синий осадок гексацианоферрата (II) калия-железа (III) (берлинская лазурь):

${\displaystyle {\mathsf {K_{4}[Fe(CN)_{6}]+FeCl_{3}\rightarrow KFe^{III}[Fe^{II}(CN)_{6}]\downarrow +3KCl}}}$

Количественно ионы Fe ³⁺ определяют по образованию красных (в слабокислой среде) или жёлтых (в слабощелочной среде) комплексов с сульфосалициловой кислотой . Эта реакция требует грамотного подбора буферов, так как некоторые анионы (в частности, ацетат) образуют с железом и сульфосалициловой кислотой смешанные комплексы со своими оптическими характеристиками.

Соединения железа (VI)

Ферраты — соли не существующей в свободном виде железной кислоты H ₂ FeO ₄ . Это соединения фиолетового цвета, по окислительным свойствам напоминающие перманганаты, а по растворимости — сульфаты. Получают ферраты при действии газообразного хлора или озона на взвесь Fe(OH) ₃ в щёлочи :

${\displaystyle {\mathsf {2Fe(OH)_{3}+3Cl_{2}+10KOH\rightarrow 2K_{2}FeO_{4}+6KCl+8H_{2}O}}}$

Ферраты также можно получить электролизом 30%-ного раствора щёлочи на железном аноде:

${\displaystyle {\mathsf {Fe+2KOH+2H_{2}O\rightarrow K_{2}FeO_{4}+3H_{2}\uparrow }}}$

Ферраты — сильные окислители. В кислой среде разлагаются с выделением кислорода :

${\displaystyle {\mathsf {4FeO_{4}^{2-}+20H^{+}\rightarrow 4Fe^{3+}+3O_{2}\uparrow +10H_{2}O}}}$

Окислительные свойства ферратов используют для .

Соединения железа VII и VIII

Известна степень окисления +7 в анионе [FeO ₄ ] ⁻ .

Имеются сообщения об электрохимическом получении соединений железа (VIII) , однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды , в основном из гематита (Fe ₂ O ₃ ) и магнетита (FeO·Fe ₂ O ₃ ).

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 виде кокса , железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (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 недостатке кислорода :

${\displaystyle {\mathsf {2C+O_{2}\ \longrightarrow \ 2CO\uparrow }}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {3CO+Fe_{2}O_{3}\ \longrightarrow \ 2Fe+3CO_{2}\uparrow }}}$

Флюс добавляется для избавления от нежелательных примесей (в первую очередь от силикатов ; например, кварц ) в добываемой руде. Типичный флюс содержит известняк ( карбонат кальция ) и доломит ( 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 его оксида :

${\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}\ {\xrightarrow {1000^{\circ }C}}\ CaO+CO_{2}\uparrow }}}$

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

${\displaystyle {\mathsf {CaO+SiO_{2}\ {\xrightarrow {>1000^{\circ }C}}\ CaSiO_{3}}}}$

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 в доменной 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 чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются 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 конверсии метана , которые содержат водород . Водород легко восстанавливает железо:

${\displaystyle {\mathsf {Fe_{2}O_{3}+3H_{2}\ {\xrightarrow {1000^{\circ }C}}\ 2Fe+3H_{2}O}}}$ ,

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 получается электролизом растворов его солей .

Применение

Железо — один из самых используемых металлов , на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

• Железо является основным компонентом сталей и чугунов — важнейших конструкционных материалов .
• Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов — например, никелевых.
• Магнитная окись железа ( магнетит ) — важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
• Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
• Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих чёрно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
• Порошок железа используется как поглотитель кислорода при упаковке некоторых продуктов питания, что помогает продлить их срок хранения.
• Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат .
• Семиводный сульфат железа ( железный купорос ) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
• Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах , железо-воздушных аккумуляторах .
• Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.
• Порошок железа и чугуна используется в качестве искрообразователя и горючего в пиротехнике .

Биологическое значение железа

В живых организмах железо является важным микроэлементом , катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). Основным внутриклеточным депо железа является глобулярный белковый комплекс — ферритин . Недостаток железа проявляется как болезнь организма: хлороз у растений и анемия у животных.

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом . В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине — важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. Именно он окрашивает кровь в красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол , в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК . Неорганические соединения железа встречаются в некоторых бактериях , иногда используется ими для связывания азота воздуха.

Железо в организме человека

В организме взрослого человека содержится около 3—4 граммов железа (около 0,005 %), из которых только около 3,5 мг находится в плазме крови. Гемоглобин содержит примерно 68 % всего железа организма, ферритин — 27 %, миоглобин — 4 %, трансферрин — 0,1 %. Источниками железа при биосинтезе железосодержащих белков служат железо, поступающее из пищи, и железо, освобождающееся при постоянном распаде эритроцитов в гепатоцитах (клетках печени) и клетках селезёнки .

Суточная потребность человека в железе, по российским данным, следующая : дети — от 4 до 18 мг, взрослые мужчины — 10 мг, взрослые женщины — 18 мг, беременные женщины во второй половине беременности — 33 мг.

У женщин детородного возраста потребность в железе выше ввиду регулярной кровопотери во время менструаций .

«Национальная академия медицины США» (National Academy of Medicine) различает среднюю потребность в железе и рекомендованное потребление железа, последняя норма разработана с тем, чтоб обеспечивать среднюю потребность для не менее 97 % в каждой группе населения. Расчёт средней потребности в железе зависит от усваиваемости железа, нижеприведённая таблица основана на предположении о потреблении 10 % железа из животных продуктов (средняя усваиваемость 25 %) и 90 % железа из растительных продуктов (средняя усваиваемость 16,8 %), с общей усваиваемостью 18 %. Поскольку рацион детей до года сильно отличается от взрослого, норма для них основана на предполагаемой усваиваемости 10 % .

Пол	Возраст	Рекомендуемая суточная норма потребления железа ( по данным « » (National Academy of Medicine) ) , мг / сутки
Младенцы	до 6 месяцев	0,27
Младенцы	7—12 месяцев	11
Дети	1—3 года	7
Дети	4—8 лет	10
Подростки	9—13 лет	8
Юноши	14—18 лет	11
Девушки	14—18 лет	15
Мужчины	19 лет и старше	8
Женщины	19—50 лет	18
Женщины	50 лет и старше	8

В организм животных и человека железо поступает с пищей. Наиболее богаты им печень и мясо , в меньшей степени яйца , бобовые ( чечевица , фасоль ), семена тыквы и кунжута , цельнозерновые крупы ( крупа гречневая ), а также некоторые виды зелени — тимьян , петрушка , полевой салат . Долгое время список железосодержащих продуктов возглавлял шпинат , ошибочно внесённый из-за опечатки в результатах анализа (был потерян ноль после запятой).

Железо в питании подразделяют на гемовое , или гемное (из мяса и других животных источников) и негемовое (из растительной пищи). В гемсодержащих белках железо находится в составе гема . В негемовых железосодержащих белках железо непосредственно связывается с белком. К таким белкам относят трансферрин , ферритин , окислительные ферменты рибонуклеотидредуктазу и ксантиноксидазу , NADH-дегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа . Описанные белки, содержащие негемовое железо, относятся к классу ферредоксинов , наиболее изученные из которых содержатся в хлоропластах зелёных растений и окисляются при переносе электрона в процессе фотосинтеза, а также бактериальные ферредоксины (например анаэробной бактерии Clostridium pasteurianum ), участвующие в аэробном или анаэробном переносе электрона. Человеческий ферредоксин-1 участвует в гидроксилировании и расщеплении стероидных гормонов и холестерола в системе микросомальных (эндоплазматического ретикулума гепатоцитов) ферментов цитохрома Р450 , а также в синтезе гормонов щитовидной железы. Сердцевина ферредоксина состоит из молекул двух- или четырёх-валентной серы и четырёхвалентного железа и имеет общую формулу вида ${\displaystyle Fe_{n}S_{m}H_{p}}$ (например ${\displaystyle Fe_{2}S_{2}}$ ), она соединена с белковыми остовами через аминокислоту цистеин .Гемовое железо усваивается наиболее эффективно (от 15 до 35 %). На усвоение негемового железа (даже в животной пище его порядка 60 % ) влияют многочисленные факторы . Заметно улучшают усвоение железа потребляемые вместе с пищей аскорбиновая кислота или мясной белок . Препятствуют усвоению железа яйца , кальций , но главным образом — фитиновая кислота , оксалаты , танины и кофеин .

К примеру, из-за высокого уровня фитиновых соединений усвоение железа из бобовых находится в районе 0,84-0,91 % . Согласно одному из американских исследований, потребление с железосодержащей пищей богатого танинами чая снижает усвоение микроэлемента на 62 %, кофе — на 35 %, а потребление апельсинового сока (с высоким содержанием аскорбиновой кислоты) увеличивает его на 85 % . В то же время данные из Китая указывают на то, что даже очень высокое потребление чая в целом не сказывается на содержании железа в крови .

Дефицит железа

При сбалансированной диете железа, поступающего с пищей, как правило, вполне достаточно. В организме легко восстанавливается равновесие между поступлением и выведением железа, и временный дефицит его легко восполняется за счёт имеющихся запасов. И, тем не менее, дефицит железа — обычное явление в развивающихся странах с ограниченной доступностью мясных продуктов. Это самое распространённое на Земле нарушение питания , которому подвержены до 2 млрд человек во всём мире .

В некоторых специальных случаях ( анемия , а также при донорстве крови ) необходимо применять железосодержащие препараты и пищевые добавки ( гематоген , ферроплекс ). Потребность в железе значительно возрастает при анемии, вызванной, например, такими паразитарными инвазиями , как малярия и анкилостомоз , которые очень широко распространены в тропических странах.

Вегетарианцам советуют принимать примерно в 1,8 раза больше железа, чем не вегетарианцам . В западных странах продукты, ориентированные на веганов, часто обогащают железом, хотя усваиваемость солей железа (железосодержащих препаратов) зачастую проблематична и польза от приёма таких добавок здоровыми людьми не доказана . Известно, что организм вегетарианцев приспосабливается к диете и более эффективно удерживает имеющиеся запасы железа .

По результатам ряда исследований, за время приготовления в железной и чугунной посуде содержание железа в пище возрастает в от 1,2 до 21 раза . При этом содержание железа сильнее возрастает в соусах или еде, приготовленной в соусе (например, чили). Испытывающим недостаток в железе даже предлагают класть в посуду, где готовится еда, .

В то время, как некоторые исследователи считают, что кормление грудью приводит к дефициту железа, есть множество исследований, показывающих, что это не так, и дети, которых кормят грудью, усваивают железо намного лучше.

Переизбыток железа

Избыточное железо может попадать в организм городского жителя вместе с ржавой водой из-под крана (по чугунным трубам). Также использование железной и чугунной посуды в приготовлении пищи повышает содержание в ней железа .

Содержание железа в воде превышающее 1—2 мг/л значительно ухудшает её органолептические свойства, придавая ей неприятный вяжущий вкус, и делает воду малопригодной для использования, вызывает у человека аллергические реакции ^{[ источник не указан 1689 дней ]} , может стать причиной болезни крови и печени — гемохроматоза . ПДК железа в воде 0,3 мг/л.

Избыточное накопление железа в организме оказывает токсическое действие. Передозировка железа стимулирует выработку свободных радикалов , угнетает антиоксидантную систему организма и, вероятно, способствует развитию атеросклероза , поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Примечания

Литература

• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• .
• .
• Абрамишвили Р. М. К вопросу об освоении железа на территории Восточной Грузии, ВГМГ, XXII-В, 1961.
• М., 1976.
• Бакс К. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986. 384 стр. Глава «Железо».
• .
• Граков Б. Н. Ранний железный век. М.: Изд-во МГУ, 1977. 235 с.
• Татарченко Д.М. Металлургия чугуна, железа и стали в общедоступном изложении. — Государственное научно-техническое издательство, 1932.
• Хахутайшвили Д. А. К истории древнеколхской металлургии железа. Вопросы древней истории (Кавказско-ближневосточный сборник, вып. 4). Тбилиси, 1973.

Ссылки

• .
• .
• .