Железо как химический элемент¶

Железо — химический элемент VIII группы периодической системы Д. И. Менделеева, атомный номер 26, атомная масса 55,845. Обозначается символом Fe (лат. ferrum). Простое вещество железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реактивностью: во влажном воздухе быстро покрывается ржавчиной. Железо относится к переходным металлам и является одним из самых распространённых элементов земной коры.

¶Распространённость в природе

По распространённости в земной коре железо занимает второе место среди металлов после алюминия и четвёртое среди всех элементов — около 4,65 % массы коры. В чистом виде в природе встречается редко, преимущественно в виде метеоритного железа и редкого минерала самородного железа. Основная масса заключена в рудах: магнетит (Fe₃O₄), гематит (Fe₂O₃), лимонит, сидерит (FeCO₃), пирит (FeS₂).

Значительная часть железа Земли сосредоточена в ядре планеты, которое, по современным представлениям, состоит преимущественно из железа с примесью никеля. Именно наличием железного ядра объясняется магнитное поле Земли.

¶Физические свойства

Чистое железо — пластичный металл с температурой плавления 1538 °C и температурой кипения около 2862 °C. Плотность — 7,87 г/см³. Обладает выраженными ферромагнитными свойствами: способно намагничиваться и сохранять остаточную намагниченность. При температуре выше точки Кюри (770 °C) ферромагнетизм исчезает.

Железо имеет несколько аллотропных модификаций. Наиболее важны α-железо (устойчиво при обычных температурах, объёмно-центрированная кубическая решётка) и γ-железо (существует при высоких температурах, гранецентрированная решётка). Полиморфные превращения играют ключевую роль в термической обработке стали.

¶Химические свойства

Железо — металл средней активности. Во влажном воздухе окисляется с образованием гидратированного оксида железа — ржавчины. При нагревании реагирует с кислородом, серой, галогенами, углеродом. В зависимости от условий проявляет степени окисления +2 и +3, реже +6 (ферраты).

Железо вытесняет менее активные металлы из растворов их солей, растворяется в разбавленных кислотах. В концентрированных серной и азотной кислотах при низких температурах пассивируется, покрываясь плотной оксидной плёнкой.

¶История освоения

Использование железа человеком началось значительно позже меди и бронзы. Метеоритное железо применялось ещё в древности, но было редким и дорогим. Широкое освоение металлургии железа относят к началу I тысячелетия до н. э. — этот период получил название железного века.

На территории России древнейшие железоделательные производства известны с I тысячелетия до н. э. Сыродутный способ получения железа в горнах господствовал до XIV века, когда появились доменные печи. В России развитие металлургии связано с Уралом: к XVIII веку уральские заводы Демидовых вывели страну в число крупнейших производителей железа в Европе.

¶Сплавы и применение

В чистом виде железо применяется ограниченно. Основная ценность — в сплавах:

• Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14 %). Различают углеродистую и легированную сталь; последняя содержит добавки хрома, никеля, марганца, вольфрама и других элементов.
• Чугун — сплав с содержанием углерода свыше 2,14 %. Бывает передельным (для производства стали) и литейным.
• Специальные сплавы — нержавеющие, жаропрочные, магнитные, с особыми физическими свойствами.

Железо и его сплавы — основа современной промышленности: машиностроение, строительство, транспорт, производство труб, инструмента, бытовой техники. На долю чёрной металлургии приходится значительная часть мирового потребления металлов.

¶Биологическая роль

Железо — незаменимый микроэлемент для живых организмов. Входит в состав гемоглобина, обеспечивающего транспорт кислорода в крови, миоглобина мышц, цитохромов дыхательной цепи. Суточная потребность человека — около 10–20 мг. Недостаток железа вызывает железодефицитную анемию, избыток также токсичен. Богаты железом печень, красное мясо, бобовые, гречка.

¶Мировое производство и Россия

Железо — самый используемый металл в мире. Крупнейшие производители стали — Китай, Индия, Япония, США, Россия. Российская металлургия опирается на богатую сырьевую базу: месторождения Курской магнитной аномалии, Урала, Сибири. Крупнейшие предприятия отрасли — Магнитогорский, Череповецкий, Новолипецкий металлургические комбинаты.

¶Интересные факты

• В ядре Земли железа больше, чем во всей остальной планете вместе взятой.
• Красный цвет крови и Марса («красной планеты») обусловлен соединениями железа.
• Общее количество железа в организме взрослого человека — около 4–5 граммов, большая часть — в крови.
• Железо — один из немногих элементов, известных человечеству с древнейших времён под собственным названием.

Источники: Большая российская энциклопедия; учебные курсы неорганической и общей химии; материалы по истории металлургии; данные геохимии и бионеорганической химии.