|
Один из семи металлов древности.(Железо) - (реферат)Один из семи металлов древности.(Железо) - (реферат)Дата добавления: март 2006г. Один из семи металлов древности. Железо (англ. Iron, франц. Fer, нем. Eisen) - один из семи металлов древности. Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Железо обычно легко отличить от земного, так как в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего - 7-8%. С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно. Наиболее распространенны руды гематита (Fe2O3, ), бурого железняка (2Fe2O3, ЗН2О) и его разновидностей (болотная руда, сидерит, или шпатовое железо FeCO, ), магнетита (Fe304) и некоторые другие. Все эти руды при нагревании с углем легко восстанавливаются при сравнительно низкой температуре начиная с 500oС. Получаемый металл имел вид вязкой губчатой массы, которую затем обрабатывали при 700-800oС повторной проковкой. Этимология названий железа на древних языках довольно отчетливо отражает историю знакомства наших предков с этим металлом. Многие древние народы, несомненно, познакомились с ним, как с металлом, упавшим с неба, т. е. как с метеоритным железом. Так, в древнем Египте железо имело название би-ни-пет (бенипет, коптское - бенипе), что в буквальном переводе означает небесная руда, или небесный металл. В эпоху первых династий Ур в Месопотамии железо именовали ан-бар (небесное железо). В папирусе Эберса (ранее 1500 г. до н. э. ) имеются два упоминания о железе; в одном случае о нем говорится как о металле из города Кэзи (Верхний Египет), в другом - как о металле небесного изготовления (артпет). Древнегреческое название железа, так же как и северокавказское зидо, связано с древнейшим словом, уцелевшим в латинском языке, -- sidereus (звездный от Sidus - звезда, светило). На древнем и современном армянском языке железо называется еркат, что означает капнувшее (упавшее) с неба. O том, что древние люди пользовались вначале именно железом метеоритного происхождения, свидетельствуют и распространенные у некоторых народов мифы о богах или демонах, сбросивших с неба железные предметы и орудия, - плуги, топоры и пр. Интересен также факт, что к моменту открытия Америки индейцы и эскимосы Северной Америки не были знакомы со способами получения железа из руд, но умели обрабатывать метеоритное железо. В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX в. Во II в. н. э. железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами. Впрочем, некоторые народы не связывали название железа с небесным происхождением металла. Так, у славянских народов железо называется по "функциональному" признаку. Русское железо (южнославянское зализо, польское zelaso, литовское gelesis и т. д. ) имеет корень "лез" или "рез" (от слова лезо - лезвие). Такое словообразование прямо указывает на функцию предметов, изготовлявшихся из железа, -- режущих инструментов и оружия. Приставка "же", по-видимому, смягчение более древнего "зе" или "за"; она сохранилась в начальном виде у многих славянских народов (у чехов - zelezo). Старые немецкие филологи - представители теории индоевропейского, или, как они его называли, индогерманского праязыка - стремились произвести славянские названия от немецких и санскритских корней. Например, Фик сопоставляет слово железо с санскритским ghalgha (расплавленный металл, от ghal - пылать). Но вряд ли это соответствует действительности: ведь древним людям была недоступна плавка железа. С санскритским ghalgha скорее можно сопоставить греческое название меди, но не славянское слово железо. Функциональный признак в названиях железа нашел отражение и в других языках. Так, на латинском языке наряду с обычным названием стали (chalybs), происходящим от наименования племени халибов, жившего на южном побережье Черного моря, употреблялось название acies, буквально обозначающее лезвие или острие. Это, слово в точности соответствует древнегреческому , применявшемуся в том же самом смысле. Упомянем в нескольких словах о происхождении немецкого и английского названий железа. Филологи обычно принимают, что немецкое слово Eisen имеет кельтское происхождение, так же как и английское Iron. В обоих терминах отражены кельтские названия рек (Isarno, Isarkos, Eisack), которые затем трансформировались) isarn, eisarn) и превратились в Eisen. Существуют, впрочем, и другие точки зрения. Некоторые филологи производят немецкое Eisen от кельтского isara, означающего "крепкий, сильный". Существуют также теории, утверждающие, что Eisen происходит от ayas или aes (медь), а также от Eis (лед) и т. д. Староанглийское название железа (до 1150 г. ) - iren; оно употреблялось наряду с isern и isen и перешло в средние века. Современное Iron вошло в употребление после 1630 г. Заметим, что в "Алхимическом лексиконе" Руланда (1612) в качестве одного из старых названий железа приведено слово Iris, означающее "радуга" и созвучное Iron. Ставшее международным, латинское название Ferrum принято у романских народов. Оно, вероятно, связано с греколатинским fars (быть твердым), которое происходит от санскритского bhars (твердеть). Возможно сопоставление и с ferreus, означающим у древних писателей "нечувствительный, непреклонный, крепкий, твердый, тяжкий", а также с ferre (носить). Алхимики наряду с Ferrum ynoтребляли и многие другие названия, например Iris, Sarsar, Phaulec, Mineraи др. Железные изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к очень давним временам (IV - V тысячелетиях до н. э. ), в Египте и Месопотамии. Однако железный век в Египте начался лишь с ХIIв. до н. э. , а в других странах еще позднее. В древнерусской литературе слово железо фигурирует в древнейших памятниках (с XI в. ) под названиями желъзо, железо, жельзо. Железо - один из самых распространенных элементов в природе. Содержание в земной коре составляет 4, 65% по массе. Известно свыше 300 минералов, из которых слогаются месторождения железных руд. Промышленное значение имеют руды с содержанием Fe свыше 16%. Важнейшие рудные минералы Ж. : магнитный железняк Fe3O4 (содержит 72, 4% Fe), гематит Fe2O3 (70% Fe), гетит a-FeO(OH), или Fe2O3H2O, лепидокротит g-FeO(OH) и гидрогетит Fe2O3 xH2O(ок. 62% Fe). Наряду с полезными примесями – Mn, Cr, Ni, Ti, V, Co – железо содержит и вредные примеси – S, P и др. Различают следующие типы руд. Бурые железняки –руды гидроксидов Fe(III); содержат до 66, 1%, имеют осадочное происхождение. Крупнейшие месторождения в России, во Франции, Гвинее. Гематитовые руды –содержат обычно 50-65% железа. Для них характерно залегание поверх бедных руд (30-40%Fe) магнетитовых кварцитов. Крупнейшие месторождения в России, США, Канаде, Бразилии. Магнетитовые руды –или магнитные железняки; содержат чаще всего до 45-60% Fe. Крупнейшие месторождения в России и Швеции. Силикатные руды –(25-40% Fe) осадочного происхождения, используемые для выплавки чугуна в Германии, Югославии и др. европейских странах, относятся к группе зеленых слюд-хлоритов. Главные минералы: шамозит Fe4(Fe, Al)2[Al2Si2O10](OH)8 и тюринит (Mg, Fe)3, 5Al1, 5[Si2, 5Al1, 5O10](OH)6 nH2O – содержат до 42% Fe. Месторождения в Австрии, Германии и др. Мировые раазведанные месторождения составляют 231, 9 млрд. т, или 93 млрд. т в пересчете на Ж. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. Наибольшие запасы кроме России сосредоточены в Бразилии, Канаде, Австрии, США, Индии, ЮАР, Швеции. Перспективно использование бедных горных пород и железомарганцевых коррекций. Мировые запасы последних оцениваются в 300 млрд. т. В чрезвычайно редких случаях Ж. встречается в земной коре в составе минерала иоцита FeO а также в виде самородного железа–метеоритного и теллурического. Теллурическое Ж. образуется в результате восстановления оксидов и сульфидов Ж. углеродом из железистой магмы и при подземных пожарах угля, контактирующего с пластами руды. В периодической системе железо находится в четвертом периоде, в побочной подгруппе VIII группы. Химический знак – Fe (феррум). Порядковый номер – 26, электронная формула 1s2 2s2 2p6 3d6 4s2. Электронно-графическая формула Степени окисления +2 и +3 (наиб. характ. ), +1, +4, +6, +8; энергия ионизации при последовательном переходе от Fe к Fe 7, 893, 16, 183, 30, 65, 57, 79 эВ; сродство к электрону 0, 58 эВ; электроотрицательность по Полингу 1, 8; атомный радиус 0, 126нм, ионные радиусы (в нм в скобках указаны координац. числа) для Fe 0, 077(4), 0, 092(6), 0, 106(8) для Fe 0, 063(4), 0, 079(6), 0, 092(8). Железо –блестящий серебристо-белый пластичный металл. Легко подвергается ковке, прокатке и др. видам обработки в горячем и холодном состояниях. Физические с-ва железа зависят от его чистоты. Ниже приводятся данные для чистейшего железа с содержанием примесей менее 0, 01%. Железо имеет две кристаллические модификации, a и g. Ниже 910° С устойчиво a -железо, обладающее обьемно-центрированной кубич. Решеткой, a =2, 86645 А (20) и плотн. 7, 847 (20). Между 910-1400 устойчиво g - Ж. с гранецентрированной решеткой с параметром a=3, 64 А. Выше 1400° С Ж. преходит в d - железо со структурой a - модификаций ( a = 2, 64 А), устойчивое до температуры плавления. Атомный радиус Ж. 1, 26 А; ионные радиусы Fe 0, 80 А; Fe 0. 67 А. Т. пл. 1539° , т. кип. около 3200° . Теплота плавления 3, 64 ккал\г-атом, теплота испарения 81, 3 ккал\г-атом; термический коэфиц. линейного расширения 11, 7*10 (20°); теплопроводность 0, 17 кал\см град сек(25). Теплоемкость Ж. зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой. Средняя удельная теплоемкость Ж в интервале от 0-1000 С° 0, 153 кал\г град. Удельное электросопротивление 9, 7*10 ом см(20). При исследовании Ж. од 0, 75 К сверхпроводимость не была выявлена. Модуль нормальной упругости Ж. 19-21*10кГ\мм ; относительное удлинение 45-55%; твердость по Бренелю 35-45 кГ\мм; предел текучести при растяжении (d )*10 кГ\мм. Ударная вязкость 30 кГ\мм. По химическим свойствам Ж. как переходный элемент близок к соседним элементам той же группы периодической системы– никелю и кобальту. В соединениях Ж. чаще всего 2- и 3- валентно, но известны также валентности 1, 4 и 6. В химическом отношении Ж. – металл средней активности. В сухом воздухе при нагревании до 150 – 200 С°на поверхности компактного Ж. образуется тонкая защитная окисная пленка, предохраняющая от дальнейшего окисления. Эта пленка образуется в рез. Быстрой адсорбции кислорода и толщина ее не превосходит 30– 40 А. Во влажном воздухе железо легко окисляется и покрывается ржавчиной: Из кислородных соединений для Ж. наиболее характерны окислы двух и трехвалентного Ж. : Оксид железа (III) Fe2O3 – порошок бурого цвета, не растворяется в воде. Оксид железа (III) получают: А) разложением гидроксида железа (III): А) взаимодействует с твердыми щелочами NaOH и KOH и с карбонатами натрия и калия при высокой температуре: при высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой: 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 Тонкий слой Fe3O4на поверхности Ж. обладает высокими защитными свойствами против окисления и по этому в ряде случаев создание этого поверхностного слоя (воронение) применяется для защиты от коррозии. Оксид железа (II) FeO –черное кристаллическое вещество, нерастворимое в воде. Оксид железа (II) получают восстановлением оксида железа(II, III) оксидом углерода (II): Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2. Оксид железа (II) –основной оксид, легко реагирует с кислотами, при этом образуются соли железа(II): При взаимодействии Ж. с галогенами или с галогеноводородами образуются галогениды Ж. Известны все галогениды 2- и 3-х валентного Ж. , за исключением иодида Fe(III). Из них наибольшее практическое значение имеютжелеза хлориды. 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 Хлорид железа (III) Непосредственное соединение Ж. с серой приводит к образованию моносульфида FeS2: Fe + S = FeS Сульфид железа (II) Железо как и его ближайшие аналоги –кобальт и никель, способно поглощать водород; поглощение водорода наблюдается при травлении кислотами и в процессе катодного выделения Ж. при электролизе. В последнем случае водород проникает в Ж. в виде протонов, чем и обьясняется его глубокая проникающая способность. Адсорбируясь на дефектах структуры–дислокациях, границах блоков мозаики и границах зерен, водород действует как сильное поверхностно-активное вещество и резко снижает прочность и эластичность Ж. (так наз. Водородная хрупкость). С повышением температуры этот эффект исчезает необратимо, по- видемому в связи с образованием молекулярного водорода. Водород, поглащенный Ж. в твердом состоянии, находится в Ж. в виде твердых растворов внедрения. При комнатной температуре растворимость водорода вa- Fe можно считать Вопрос образования гидридов Ж. и их точные стехеометрические составы (FeH, FeH2, FeH3, и FeH6) нельзя считать окончательно решенным. Имеющиеся в литературе данные позволяют привести нек-рые с-ва этих гидридов: FeH-гранулы серого цвета, устойчив до 150°; FeH2-темно-серое вещество, устойчиво под слоем эфира до 50°, при 53-55, 6° переходит в FeH; FeH3-гранулы черного цвета, выше 58-60°переходит в FeH. Железо взаимодействует с азотом; при малых концентрациях азот поглощается Ж. и дает твердые растворы, при больших концентрациях азота образуются нитриды Ж. , отвечающие составам Fe4N, Fe2N. При повышении температуры растворимость азота в a-Fe резко повышается (от 0, 02% при 300° до 0, 1% при 590°), а растворимость в g-Fe наоборот понижается. Максимальная температура устойчивого состояния соединения Fe4N составляет 680°, а для Fe2N не установлена. При взаимодействии Ж. с углеродом образуются твердые растворы внедрения в a-Fe и g-Fe, получившие названия соответственно феррит и аустенит. При больших концентрациях улерода образуются карбиды: 3Fe + C = Fe3C Карбид железа (цементит) Согласно диаграмме состояния системы Fe-C, предельная растворимость С в a-Fe невелика( Сплавы Ж. с фосфором могут быть изготовлены непосредственным сплавлением компонентов, термическим восстановением водородом некоторых фосфатов(FePO4, Fe2P2O7 и др. ) а также электролизом соответствующих соединений. С многими металлами Ж. образует твердые растворы. При нагревании железного порошка, полученного восстановлением из FeO (водородом), в струе СО при 150°-200° и давлении около 100атм. Образуется карбонил железа состава Fe(СО)5: ЭHСО(р, т)® Fe(СО)5 Представляет собой желтоватую жидкость (т. пл. - 20°, т. кип. - 103°), растворимую в бензоле и эфирах, нерастворимую в воде. Взаимодействие Ж. с водяным паром при высоких температурах ведет к образованию окислов Ж. и водорода по уравнениям: Своеобразно действие на Ж. азотной к-ты разных концентраций Разбавленная азотная кислота окисляет железо до нитрата железа (III): Fe + 4HNO3 = Fe(NO3)3 + NO + 2H2O. Соли 2-валентного Ж. в водных растворах имеют бледно-зеленый цвет. Р-ры вследствие гидролиза показывают кислую реакцию; на воздухе постепенно окисляются до Fe(III). Устойчивость р-ров солей повышается в присутствие избытка кислот тормозящих гидролиз, а вследствие этого и окисление. Более устойчивы двойные соли Fe(II) напр. Ме2SO4ЧFeSO4Ч6H2O, где Ме – однозарядный ион металла или аммония. Из комплексных солей наиб. изестны гексацианоферраты(II), гексацианоферроаты. Из них практически наиболее важен калия гексацианоферроат K3[Fe(CN)6], так наз. желтая кровяная соль При взаимодействии ионов [Fe(CN)6]3- с катионами железа Fe2+ образуется темно-синий осадок – турнбулева синь: 3Fe2+ +2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2Ї Соли 3-валентногоЖ. -обычно получаются окислением солей Fe(II) или при растворении свежеосаженной гидроокиси Fe(III) в кислотах. При взаимодействии растворимых солей Fe(Ш) с оксалатом аммония образуется коричневый осадок оксалата Fe(Ш), при избытке реактива - раствор комплексной соли (NH4)3[Fe(C2O4)3]. Этот раствор под действием сета претерпевает внутреннее окисление-восстановление; Fe(Ш) превращается в Fe(II), а ион C2O42+ окисляется в углекислый газ; реакция может служить для измерения энергии света и используется при светокопировке чертежей. При взаимодействии солей Fe(III) с роданид-ионами образуется соединение Fe(CNS)3кроваво-красного цвета, извлекаемое эфиром. Простой цианид железа (Ш) не известен. Напротивгексацианоферраты(Ш) хорошо изучены. Наибольшее практич. значение имеет калия гексацианоферриат K3Fe(CN)6. Реактивом для определения катиона железа Fe2+ является гексациано (III) феррат калия (красная кровяная соль) K3[Fe(CN)6]: При взаимодействии ионов [Fe(CN)6]3- с катионами железа Fe2+ образуется темно-синий осадок – турнбулева синь: 3Fe2+ +2[Fe(CN)6]3- = Fe3[Fe(CN)6]2Ї А) Реактивом для обнаружения катиона Fe3+ является гексациано (II) феррат калия (желтая кровяная соль) K2[Fe(CN)6]. При взаимодействии ионов [Fe(CN)6]4- с ионами Fe3+ образуется темно-синий осадок – берлинская лазурь: 4FeCl3 + 3K4[Fe(CN)6] « Fe4[Fe(CN)6]3Ї +12KCl, Б) Катионы Fe3+ легко обнаруживаются с помощью роданида аммония (NH4CNS). В результате взаимодействия ионов CNS-1 с катионами железа (III) Fe3+ образуется малодиссоциирующий роданид железа (III) кроваво-красного цвета: FeCl3 + 3NH4CNS « Fe(CNS)3 + 3NH4Cl, Имеются полярографические, амперометрические, кулонометрические и др. способы определения Ж. Железо в чистом виде получают различными методами: электролизом водных растворов его солей, термическим разложение в вакууме пентокарбонила Ж. и др. Технически чистое железо–“Армко железо”, ”Вит” и др. марки производят в мартеновских печах. В Табл. 2 приводится содержание примесей в нек. марках железа. , полуаемых приведенными выше методами. Все эти методы за исключением мартеновского весьма дороги. Основным промышленным методом получения Ж. служит производство его в виде различных сплавов с углеродом–чугунов и углеродистых сталей. При восстановлении железа в доменных печах образуется чугун, в машиностроении используют в основном сталь. Чугуны получают доменным процессом. Чугуны по назначению разделяются на передельный и литеный. Передельный чугун – идет на дальнейшую переработку в углеродистые и др. стали. Литейный – для производства чугунных отливок. Хромисто –никилевые чугуны для дальнейшего извлечения из них никеля либо изготовления малолигированных никелевых и хромо– никелевых сталей. Мартеновкий, конверторный и электроплавильный сводятся к удалению избыточного углерода и вредных рпимесей путем их выжигания и к доводке содержания лигирующих элементов до заданного. Максимальное содержание углерода в чугуне 4, 4%, кремния 1, 75%, марганца 1, 75%, фосфора 0, 30%, серы 0, 07%. В сталеплавильной печи содержание углерода , кремния и марганца нужно понизить до десятых долей процента. Передел чугуна осуществляется посредством реакций окисления, проводимых при высоких температурах. Железо, содержание которого в чугуне значительно выше, чем других веществ, частично окисляется: Оксид железа (II), перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний, марганец фосфор и углерод: После завершения окислительных реакций в сплаве содержится оксид железа (II) от которого необходимо избавиться. Кроме того, нужно довести до установленных норм содержание в стали углерода, кремния и марганца. Этого достигают добавляя раскислители, например ферромарганец. Марганец реагирует с оксидом железа (II): Сжность металлургич процесса получения Ж. и сталей, включая доменный процесс и передел чугуна, является причиной постоянного развития и совершенствования метода прямого получения Ж. из железных руд. Важнейшие сплавы железа – чугуны и стали –являются основными конструкционными материалами практически во всех отраслях современного производства. Хлорид железа (III) FeCl3 применяется для очистки воды. В органическом синтезе FeCl3 применяется как катализатор. Нитрат железа Fe(NO3)3 · 9H2O используют при окраске тканей. Железо является одним из важнейших микроэлементов в организме человека и животных (в организме взрослого человека содержится в виде соединений около 4 г Fe). Оно входит в состав гемоглобина, миоглобина, различных ферментов и других сложных железобелковых комплексов, которые находятся в печени и селезенке. Железо стимулирует функцию кроветворных органов. Химические свойства. Табл. 3 3Fe + 2O2=Fe3O4(мелкодисперсное состояние железа) Fe + H2 – не образует стехеометрических соединений. Железопоглащает водород. 2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3( реагируют все Hal кроме I2) 1. Славинский М. П. , Физико – химические свойства элементов, М. , 1962. 2. Анализ черных металлов, под ред. С. В. Липина, М. ,1971. 3. Кэмп Д. М. и Френсис К. Б. , Производство и обработка стали, пер. с англ. , под ред. И. П. Бардина, 5 изд. , М. , 1976. 4. Э. Т. Оганесян. “Руководство по химии поступающим в вузы”. Москва. 1994 год. 5. Ю. В. Ходаков, Д. А. Эпштейн, “Неорганическая химия”, М. , 1975. В своей работе я расскажу об одном из наиболее распространенных элементов на Земле-Fe(железо). Изделия из метеоритного железа найдены в захоронениях, относящихся к очень давним временам (IV–V тысячелетиях до н. э. ), в Египте и Месопотамии. С тех пор прошло не мало времени и в наши дни железо является одним из основных конструкционных материалами практически во всех отраслях современного производства. Реферат на тему: “Феррум – один из семи металлов древности. ” По предмету: химия. |
|
