Химия описать железо. Железо — общая характеристика элемента, химические свойства железа и его соединений. Физические свойства железа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Железо - двадцать шестой элемент Периодической таблицы. Обозначение - Fe от латинского «ferrum». Расположен в четвертом периоде, VIIIB группе. Относится к металлам. Заряд ядра равен 26.

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре: оно составляет 4% (масс.) земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном состоянии железо находят только в метеоритах.

К важнейшим рудам железа относятся магнитный железняк Fe 3 O 4 , красный железняк Fe 2 O 3 , бурый железняк 2Fe 2 O 3 ×3H 2 O и шпатовый железняк FeCO 3 .

Железо - серебристый (рис. 1) пластичный металл. Оно хорошо поддается ковке, прокатке и другим видам механической обработки. Механические свойства железа сильно зависят от его чистоты - от содержания в нем даже весьма малых количеств других элементов.

Рис. 1. Железо. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса железа

Относительной молекулярная масса вещества (M r) - это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 55,847.

Аллотропия и аллотропные модификации железа

Железо образует две кристаллические модификации: α-железо и γ-железо. Первая из них имеет кубическую объемноцентрированную решетку, вторая - кубическую гранецентрированную. α-Железо термодинамически устойчиво в двух интервалах температур: ниже 912 o С и от 1394 o С до температуры плавления. Температура плавления железа равна 1539 ± 5 o С. Между 912 o С и от 1394 o С устойчиво γ-железо.

Температурные интервалы устойчивости α- и γ-железа обусловлены характером изменения энергии Гиббса обеих модификаций при изменении температуры. При температурах ниже 912 o С и выше 1394 o С энергия Гиббса α-железа меньше энергии Гиббса γ-железа, а в интервале 912 — 1394 o С - больше.

Изотопы железа

Известно, что в природе железо может находиться в виде четырех стабильных изотопов 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Их массовые числа равны 54, 56, 57 и 58 соответственно. Ядро атома изотопа железа 54 Fe содержит двадцать шесть протонов и двадцать восемь нейтронов, а остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные изотопы железа с массовыми числами от 45-ти до 72-х, а также 6 изомерных состояний ядер. Наиболее долгоживущим среди вышеперечисленных изотопов является 60 Fe с периодом полураспада равным 2,6 млн. лет.

Ионы железа

Электронная формула, демонстрирующая распределение по орбиталям электронов железа выглядит следующим образом:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

В результате химического взаимодействия железо отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Fe 0 -2e → Fe 2+ ;

Fe 0 -3e → Fe 3+ .

Молекула и атом железа

В свободном состоянии железо существует в виде одноатомных молекул Fe. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу железа:

Сплавы железа

До XIX века из сплавов железа были известны в основном его сплавы с углеродом, получившие названия стали и чугуна. Однако в дальнейшем были созданы новые сплавы на основе железа, содержащие хром, никель и другие элементы. В настоящее время сплавы железа подразделяют на углеродистые стали, чугуны, легированные стали и стали с особыми свойствами.

В технике сплавы железа принято называть черными металлами, а их производство - черной металлургией.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

Задание

Элементарный состав вещества следующий: массовая доля элемента железа 0,7241 (или 72,41%), массовая доля кислорода 0,2759 (или 27,59%). Выведите химическую формулу.

Решение

Массовая доля элемента Х в молекуле состава НХ рассчитывается по следующей формуле:

ω (Х) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Обозначим число атомов железа в молекуле через «х», число атомов кислорода через «у».

Найдем соответствующие относительные атомные массы элементов железа и кислорода (значения относительных атомных масс, взятые из Периодической таблицы Д.И. Менделеева, округлим до целых чисел).

Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16.

Процентное содержание элементов разделим на соответствующие относительные атомные массы. Таким образом мы найдем соотношения между числом атомов в молекуле соединения:

x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O);

x:y = 72,41/56: 27,59/16;

x:y = 1,29: 1,84.

Наименьшее число примем за единицу (т.е. все числа разделим на наименьшее число 1,29):

1,29/1,29: 1,84/1,29;

Следовательно, простейшая формула соединения железа с кислородом имеет вид Fe 2 O 3 .

Ответ

Fe 2 O 3

Железо – химический элемент

1. Положение железа в периодической таблице химических элементов и строение его атома

Железо - это d- элемент VIII группы; порядковый номер – 26; атомная масса Ar (Fe ) = 56; состав атома: 26-протонов; 30 – нейтронов; 26 – электронов.

Схема строения атома:

Электронная формула: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Металл средней активности, восстановитель:

Fe 0 -2 e - → Fe +2 , окисляется восстановитель

Fe 0 -3 e - → Fe +3 , окисляется восстановитель

Основные степени окисления: +2, +3

2. Распространённость железа

Железо – один из самых распространенных элементов в природе . В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию . Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила автоматическая станция “Луна”, обнаружено железо в неокисленном состоянии.

Железные руды довольно широко распространены на Земле. Названия гор на Урале говорят сами за себя: Высокая, Магнитная, Железная. Агрохимики в почвах находят соединения железа.

Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30-70% и более.

Основными железными рудами являются :

магнетит (магнитный железняк) – Fe 3 O 4 содержит 72% железа, месторождения встречаются на Южном Урале, Курской магнитной аномалии:

гематит (железный блеск, кровавик)– Fe 2 O 3 содержит до 65% железа, такие месторождения встречаются в Криворожском районе:

лимонит (бурый железняк) – Fe 2 O 3* nH 2 O содержит до 60% железа, месторождения встречаются в Крыму:

пирит (серный колчедан, железный колчедан, кошачье золото) – FeS 2 содержит примерно 47% железа, месторождения встречаются на Урале.

3. Роль железа в жизни человека и растений

Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO 2 .

Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, и вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

4. Физические свойства железа.

Железо – это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539 о С. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02 -0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозиии хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.

5. Получение железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:

FeO + C = Fe + CO

Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O

Опыт "Получение железа алюминотермией"

6. Химические свойства железа

Как элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления. Мы рассмотрим только соединения, в которых железо проявляет степени окисления +2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O = 4Fe(OH) 3

2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину - оксид железа (II,III) - вещество чёрного цвета:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

C кислородом во влажном воздухе образуется Fe 2 O 3 * nH 2 O

Опыт "Взаимодействие железа с кислородом"

3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H 2 O t˚C → Fe 3 O 4 + 4H 2

4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

Fe + S t˚C → FeS

5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 (разб .) = FeSO 4 + H 2

6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании

2Fe + 6H 2 SO 4 (конц .) t˚C → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (конц .) t˚C → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O Железо (III)

7. Применение железа.

Основная часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали - сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4% углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.

Чугуны необходимы для производства различных отливок - станин тяжелых машин и т.п.

Изделия из чугуна

Стали используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок, листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для производства различных сортов сталей применяют так называемые легирующие добавки, которыми служат различные металлы: М

Тренажёр №2 - Генетический ряд Fe 3+

Тренажёр №3 - Уравнения реакций железа с простыми и сложными веществами

Задания для закрепления

№1. Составьте уравнения реакций получения железа из его оксидов Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 , используя в качестве восстановителя:
а) водород;
б) алюминий;
в) оксид углерода (II).
Для каждой реакции составьте электронный баланс.

№2. Осуществите превращения по схеме:
Fe 2 O 3 -> Fe - +H2O, t -> X - +CO, t -> Y - +HCl ->Z
Назовите продукты X, Y, Z?

Железо в чистом виде – это пластичный металл серого цвета, легко подвергаемый обработке. И всё же, для человека элемент Fe более практичен в сочетании с углеродом и другими примесями, которые позволяют образовывать металлические сплавы – стали и чугуны. 95% – именно столько всей производимой на планете металлической продукции содержит железо в качестве основного элемента.

Железо: история

Первые железные изделия, изготовленные человеком, датированы учёными IV тыс. до н. э., причем исследования показали, что для их производства использовалось метеоритное железо, для которого характерно 5-30-процентное содержание никеля. Интересно, но пока человечество не освоило добычу Fe путём его переплавки, железо ценилось дороже золота. Объяснялось это тем, что более крепкая и надежная сталь куда больше подходила для изготовления орудий труда и оружия, нежели медь и бронза.

Первый чугун научились получать древние римляне: их печи могли повышать температуру руды до 1400 о С, в то время как чугуну было достаточно 1100-1200 о С. Впоследствии они же получили и чистую сталь, температура плавления которой, как известно, составляет 1535 градуса по Цельсию.

Химические свойства Fe

С чем взаимодействует железо? Железо взаимодействует с кислородом, что сопровождается образованием оксидов; с водой в присутствии кислорода; с серной и соляной кислотами:

3Fe+2O 2 = Fe 3 O 4
4Fe+3O 2 +6H 2 O = 4Fe(OH) 3
Fe+H 2 SO 4 = FeSO 4 +H 2
Fe+2HCl = FeCl 2 +H 2

Также железо реагирует на щелочи, только если они представляют собой расплавы сильных окислителей. Железо не реагирует с окислителями при обычной температуре, однако всегда начинает вступать в реакцию при её повышении.

Применение железа в строительстве

Применение железа строительной отраслью в наши дни нельзя переоценить, ведь металлоконструкции являются основой абсолютно любого современного строения. В этой сфере Fe используется в составе обычных сталей, литейного чугуна и сварочного железа. Данный элемент находится везде, начиная с ответственных конструкций и заканчивая анкерными болтами и гвоздями.

Возведение строительных конструкций из стали обходится гораздо дешевле, к тому же здесь можно говорить и о более высоких темпах строительства. Это заметно увеличивает использование железа в строительстве, в то время как сама отрасль осваивает применение новых, более эффективных и надежных сплавов на основе Fe.

Использование железа в промышленности

Использование железа и его сплавов – чугуна и стали – это основа современного машино-, станко-, авиа-, приборостроения и изготовления прочей техники. Благодаря цианидам и оксидам Fe функционирует лакокрасочная промышленность, сульфаты железа применяются при водоподготовке. Тяжелая промышленность и вовсе немыслима без использования сплавов на основе Fe+C. Словом, Железо – это незаменимый, но вместе с тем доступный и относительно недорогой металл, который в составе сплавов имеет практически неограниченную сферу применения.

Применение железа в медицине

Известно, что в каждом взрослом человеке содержится до 4 грамм железа. Этот элемент крайне важен для функционирования организма, в частности, для здоровья кровеносной системы (гемоглобин в эритроцитах). Существует множество лекарственных препаратов на основе железа, которые позволяют повышать содержание Fe во избежание развития железодефицитной анемии.

Обозначение - Fe (Iron);
Период - IV;
Группа - 8 (VIII);
Атомная масса - 55,845;
Атомный номер - 26;
Радиус атома = 126 пм;
Ковалентный радиус = 117 пм;
Распределение электронов - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ;
t плавления = 1535°C;
t кипения = 2750°C;
Электроотрицательность (по Полингу/по Алпреду и Рохову) = 1,83/1,64;
Степень окисления: +8, +6, +4, +3, +2, +1, 0;
Плотность (н. у.) = 7,874 г/см 3 ;
Молярный объем = 7,1 см 3 /моль.

Соединения железа :

Железо является самым распространенным металлом в земной коре (5,1% по массе) после алюминия .

На Земле железо в свободном состоянии встречается в незначительных количествах в виде самородков, а также в упавших метеоритах.

Промышленным способом железо добывают на железнорудных месторождениях, из железосодержащих минералов: магнитного, красного, бурого железняка.

Следует сказать, что железо входит в состав многих природных минералов, обуславливая их природную окраску. Окраска минералов зависит зависит от концентрации и соотношения ионов железа Fe 2+ /Fe 3+ , а также от атомов, окружающих эти ионы. Например, присутствие примесей ионов железа влияет на окраску многих драгоценных и полудрагоценных камней: топазов (от бледно-желтого до красного), сапфиров (от голубого до темно-синего), аквамаринов (от светло-голубого до зеленовато-голубого) и проч.

Железо содержится в тканях животных и растений, например, в организме взрослого человека присутствует около 5 г железа. Железо является жизненно важным элементом, оно входит в состав белка гемоглобина, участвуя в транспортировке кислорода от легких к тканям и клеткам. При недостатке железа в организме человека развивается малокровие (железодефицитная анемия).

Рис. Строение атома железа .

Электронная конфигурация атома железа - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (см. Электронная структура атомов). В образовании химических связей с другими элементами могут участвовать 2 электрона, находящихся на внешнем 4s-уровне + 6 электронов 3d-подуровня (всего 8 электронов), поэтому в соединениях железо может принимать степени окисления +8, +6, +4, +3, +2, +1, (наиболее часто встречаются +3, +2). Железо обладает средней химической активностью.

Рис. Степени окисления железа: +2, +3.

Физические свойства железа:

металл серебристо-белого цвета;
в чистом виде достаточно мягкий и пластичный;
хобладает хорошей тепло- и электропроводимостью.

Железо существует в виде четырех модификаций (различаются строением кристаллической решетки): α-железо; β-железо; γ-железо; δ-железо.

Химические свойства железа

реагирует с кислородом, в зависимости от температуры и концентрации кислорода могут образовываться различные продукты или смесь продуктов окисления железа (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4):
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ;
окисление железа при низких температурах:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 ;
реагирует с водяным паром:
3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2 ;
мелко раздробленное железо реагирует при нагревании с серой и хлором (сульфид и хлорид железа):
Fe + S = FeS; 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3 ;
при высоких температурах реагирует с кремнием, углеродом, фосфором:
3Fe + C = Fe 3 C;
с другими металлами и с неметаллами железо может образовывать сплавы;
железо вытесняет менее активные металлы из их солей:
Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu;
с разбавленными кислотами железо выступает в роли восстановителя, образуя соли:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 ;
с разбавленной азотной кислотой железо образует различные продукты восстановления кислоты, в зависимости от ее концентрации (N 2 , N 2 O, NO 2).

Получение и применение железа

Промышленное железо получают выплавкой чугуна и стали.

Чугун - это сплав железа с примесями кремния, марганца, серы, фосфора, углерода. Содержание углерода в чугуне превышает 2% (в стали менее 2%).

Чистое железо получают:

в кислородных конверторах из чугуна;
восстановлением оксидов железа водородом и двухвалентным оксидом углерода;
электролизом соответствующих солей.

Чугун получают из железных руд восстановлением оксидов железа. Выплавку чугуна осуществляют в доменных печах. В качестве источника тепла в доменной печи используется кокс.

Доменная печь является очень сложным техническим сооружением высотой в несколько десятков метров. Она выкладывается из огнеупорного кирпича и защищается внешним стальным кожухом. По состоянию на 2013 год самая крупная доменная печь была построена в Южной Корее сталелитейной компанией POSCO на металлургическом заводе в городе Кванъян (объем печи после модернизации составил 6000 кубометров при ежегодной производительности 5 700 000 тонн).

Рис. Доменная печь .

Процесс выплавки чугуна в доменной печи идет непрерывно в течение нескольких десятилетий, пока печь не выработает свой ресурс.

Рис. Процесс выплавки чугуна в доменной печи .

обогащенные руды (магнитный, красный, бурый железняк) и кокс засыпаются через колошник, расположенный в самом верху доменной печи;
процессы восстановления железа из руды под действием оксида углерода (II) протекают в средней части доменной печи (шахте) при температуре 450-1100°C (оксиды железа восстанавливаются до металла):
- 450-500°C - 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 ;
- 600°C - Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 ;
- 800°C - FeO + CO = Fe + CO 2 ;
- часть двухвалентного оксида железа восстанавливается коксом: FeO + C = Fe + CO.
параллельно идет процесс восстановления оксидов кремния и марганца (входят в железную руду в виде примесей), кремний и марганец входят в состав выплавляющегося чугуна:
- SiO 2 + 2C = Si + 2CO;
- Mn 2 O 3 + 3C = 2Mn + 3CO.
при термическом разложении известняка (вносится в доменную печь) образуется оксид кальция, который реагирует с оксидами кремния и алюминия, содержащихся в руде:
- CaCO 3 = CaO + CO 2 ;
- CaO + SiO 2 = CaSiO 3 ;
- CaO + Al 2 O 3 = Ca(AlO 2) 2 .
при 1100°C процесс восстановления железа прекращается;
ниже шахты располагается распар, самая широкая часть доменной печи, ниже которой следует заплечник, в котором выгорает кокс и образуются жидкие продукты плавки - чугун и шлаки, накапливающиеся в самом низу печи - горне;
в верхней части горна при температуре 1500°C в струе вдуваемого воздуха происходит интенсивное сгорание кокса: C + O 2 = CO 2 ;
проходя через раскаленный кокс, оксид углерода (IV) превращается в оксид углерода (II), являющийся восстановителем железа (см. выше): CO 2 + C = 2CO;
шлаки, образованные силикатами и алюмосиликатами кальция, располагаются выше чугуна, защищая его от действия кислорода;
через специальные отверстия, расположенные на разных уровнях горна, чугун и шлаки выпускаются наружу;
бОльшая часть чугуна идет на дальнейшую переработку - выплавку стали.

Сталь выплавляют из чугуна и металлолома конверторным способом (мартеновский уже устарел, хотя еще и применяется) или электроплавкой (в электропечах, индукционных печах). Суть процесса (передела чугуна) заключается в понижении концентрации углерода и других примесей путем окисления кислородом.

Как уже было сказано выше, концентрация углерода в стали не превышает 2%. Благодаря этому, сталь в отличие от чугуна достаточно легко поддается ковке и прокатке, что позволяет изготавливать из нее разнообразные изделия, обладающие высокой твердостью и прочностью.

Твердость стали зависит от содержания углерода (чем больше углерода, тем тверже сталь) в конкретной марке стали и условий термообработки. При отпуске (медленном охлаждении) сталь становится мягкой; при закалке (быстром охлаждении) сталь получается очень твердой.

Для придания стали нужных специфических свойств в нее добавляют лигирующие добавки: хром, никель, кремний, молибден, ванадий, марганец и проч.

Чугун и сталь являются важнейшими конструкционными материалами в подавляющем большинстве отраслей народного хозяйства.

Биологическая роль железа:

в организме взрослого человека содержится около 5 г железа;
железо играет важную роль в работе кроветворных органов;
железо входит в состав многих сложных белковых комплексов (гемоглобина, миоглобина, различных ферментов).

Железо один из наиболее распространенных химических элементов на земле. Еще с древних времен люди научились его использовать для облегчения своего труда. С развитием технологий, сфера применения его значительно расширялась. Если несколько тысяч лет назад железо использовалось лишь для изготовления нехитрых орудий труда используемых для возделывания земли, то сейчас этот химический элемент применяют практически во всех сферах высокотехнологичных производств.

Как писал Плиний Старший. «Железные рудокопы доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем, мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем домы, разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности. Но тем же железом производим брани, битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи, но мещем окрыленное вдаль то из бойниц, то из мощных рук, то в виде оперенных стрел. Самое порочнейшее, по мнению моему, ухищрение ума человеческого. Ибо, чтобы смерть скорее постигла человека, соделали ее крылатою и железу придали перья. Того ради да будет вина приписана человеку, а не природе». Очень часто его используют для изготовления различных сплавов, состав которых в разных соотношениях входит железо. Наиболее известным из таких сплавов является сталь и чугун.

Электричество плавит железо

Свойства сталей разнообразны. Есть стали, предназначенные для долгого пребывания в морской воде, стали, выдерживающие высокую температуру и агрессивное действие горячих газов, стали, из которых делают мягкую увязочную проволоку, и стали для изготовления упругих и жестких пружин...

Такое разнообразие свойств вытекает из разнообразия составов сталей. Так, из стали, содержащей 1% углерода и 1,5% хрома , делают шарикоподшипники высокой стойкости; сталь, содержащая 18% хрома и 89% никеля , - это всем известная «нержавейка», а из стали, содержащей 18% вольфрама , 4% хрома и 1% ванадия , изготовляют токарные резцы.

Это разнообразие составов сталей очень затрудняет их выплавку. Ведь в мартеновской печи и конвертере атмосфера окислительная, и такие элементы, как хром, легко окисляются и переходят в шлак, т. е. теряются. Значит, чтобы получить сталь с содержанием хрома 18%, в печь надо дать гораздо больше хрома, чем 180 кг на тонну стали. А хром - металл дорогой. Как найти выход из этого положения?

Выход был найден в начале XX в. Для выплавки металла было предложено использовать тепло электрической дуги. В печь круглого сечения загружали металлолом, заливали чугун и опускали угольные или графитовые электроды. Между ними и металлом в печи («ванне») возникала электрическая дуга с температурой около 4000°С. Металл легко и быстро расплавлялся. А в такой закрытой электропечи можно создавать любую атмосферу - окислительную, восстановительную или совершенно нейтральную. Иными словами, можно предотвратить выгорание ценных элементов. Так была создана металлургия качественных сталей.

Позднее был предложен еще один способ электроплавки - индукционный. Из физики известно, что если металлический проводник поместить в катушку, по которой проходит ток высокой частоты, то в нем индуцируется ток и проводник нагревается. Этого тепла хватает, чтобы за определенное время расплавить металл. Индукционная печь состоит из тигля, в футеровку которого вделана спираль. По спирали пропускают ток высокой частоты, и металл в тигле расплавляется. В такой печи тоже можно создать любую атмосферу.

В электрических дуговых печах процесс плавки идет обычно в несколько стадий. Сначала из металла выжигают ненужные примеси, окисляя их (окислительный период). Затем из печи убирают (скачивают) шлак, содержащий окислы этих элементов, и загружают форросплавы - сплавы железа с элементами, которые нужно ввести в металл. Печь закрывают и продолжают плавку без доступа воздуха (восстановительный период). В результате сталь насыщается требуемыми элементами в заданном количестве. Готовый металл выпускают в ковш и разливают.

Стали, особенно высококачественные, оказались очень чувствительными к содержанию примесей. Даже небольшие количества кислорода , азота , водорода , серы , фосфора сильно ухудшают их свойства - прочность, вязкость, коррозионную стойкость. Эти примеси образуют с железом а другими содержащимися в стали элементами неметаллические соединения, которые вклиниваются между зернами металла, ухудшают его однородность и снижают качество. Так, при повышенном содержании кислорода и азота в сталях снижается их прочность, водород вызывает появление флокенов - микротрещин в металле, которые приводят к неожиданному разрушению стальных деталей под нагрузкой, фосфор увеличивает хрупкость стали на холоде, сера вызывает красноломкость - разрушение стали под нагрузкой при высоких температурах.

Металлурги долго искали пути удаления этих примесей. После выплавки в мартеновских печах , конвертерах и электропечах металл раскисляют - прибавляют к нему алюминий , ферросилиций (сплав железа с кремнием) или ферромарганец. Эти элементы активно соединяются с кислородом, всплывают в шлак и уменьшают содержание кислорода в стали. Но кислород все же остается в стали, а для высококачественных сталей и оставшиеся его количества оказываются слишком большими. Необходимо было найти другие, более эффективные способы.

В 50-х годах металлурги начали в промышленном масштабе вакуумировать сталь. Ковш с жидким металлом помещают в камеру, из которой откачивают воздух. Металл начинает бурно кипеть и газы из него выделяются. Однако представьте себе ковш с 300 т стали и прикиньте, сколько времени пройдет, пока он прокипит полностью, и насколько за это время охладится металл.

Вам сразу станет ясно, что такой способ годится лишь для небольших количеств стали. Поэтому были разработаны другие, более быстрые и эффективные способы вакуумирования. Сейчас они применяются во всех развитых странах, и это позволило улучшить качество стали. Но требования к ней все росли и росли.

В начале 60-х годов в Киеве, во Всесоюзном институте электросварки им. Е. О. Патона, был разработан способ электрошлакового переплава стали, который очень скоро начали применять во многих странах. Этот способ очень прост. В водоохлаждаемый металлический сосуд - кристаллизатор - помещают слиток металла, который надо очистить, и засыпают его шлаком особого состава. Затем слиток подключают к источнику тока. На конце слитка возникает электрическая дуга, и металл начинает оплавляться. Жидкая сталь реагирует со шлаком и очищается не только от окислов, но и от нитридов, фосфидов и сульфидов. В кристаллизаторе застывает новый, очищенный от вредных примесей слиток. В 1963 г. за разработку и внедрение метода электрошлакового переплава группа работников Всесоюзного института электросварки во главе с Б. И. Медоваром и Ю. В. Латашом была удостоена Ленинской премии.

По несколько иному пути пошли ученые-металлурги из Центрального научно-исследовательского института черной металлургии им. И. П. Бардина. В содружестве с работниками металлургических заводов они разработали еще более простой способ. Шлаки особого состава для очистки металла расплавляют и выливают в ковш, а затем в этот жидкий шлак выпускают металл из печи. Шлак перемешивается с металлом и поглощает примеси. Метод этот быстр, эффективен и не требует больших затрат электроэнергии. Его авторы С. Г. Воинов, А. И. Осипов, А. Г. Шалимов и другие в 1966 г. также были удостоены Ленинской премии.

Однако у читателя уже, наверное, возник вопрос: а к чему все эти сложности? Ведь мы уже говорили, что в обычной электрической печи можно создать любую атмосферу. Значит, можно просто откачать из печи воздух и вести плавку в вакууме. Но не спешите в патентное бюро! Этот способ уже давно был использован в небольших индукционных печах, а в конце 60-х и начале 70-х годов его начали применять и в довольно больших дуговых и индукционных электропечах. Сейчас способы вакуумного дугового и вакуумного индукционного переплава получили довольно широкое распространение в промышленно развитых странах.

Здесь мы описали только основные способы очистки стали от вредных примесей. Существуют десятки их разновидностей. Они помогают металлургам удалить пресловутую ложку дегтя из бочки меда и получить высококачественный металл.

Как получить железо без доменных печей

Выше уже говорилось, что черная металлургия с точки зрения химика - занятие, мягко говоря, нелогичное. Сначала железо насыщают углеродом и другими элементами, а потом тратят много труда и энергии для выжигания этих элементов. Не проще ли сразу восстановить железо из руды. Ведь именно так и поступали древние металлурги, которые получали размягченное горячее губчатое железо в сыродутных горнах. В последние годы эта точка зрения уже вышла из стадии риторических вопросов и опирается на совершенно реальные и даже осуществленные проекты. Получением железа непосредственно из руды, минуя доменный процесс, занимались еще в прошлом веке. Тогда этот процесс и получил название прямого восстановления. Однако до последнего времени он не нашел большого распространения. Во-первых, все предложенные способы прямого восстановления были малопроизводительными, а во-вторых, полученный продукт - губчатое железо - был низкокачественным и загрязненным примесями. И все же энтузиасты продолжали работать в этом направлении.

Положение коренным образом изменилось с тех пор, когда в промышленности начали широко использовать природный газ. Он оказался идеальным средством восстановления железной руды. Основной компонент природного газа - метан CH 4 разлагают окислением в присутствии катализатора в специальных аппаратах - реформерах по реакции 2СН 4 + O 2 → 2СО + 2Н 2 .

Получается смесь восстановительных газов - окиси углерода и водорода. Эта смесь поступает в реактор, в который подается и железная руда. Оговоримся сразу - формы и конструкции реакторов очень разнообразны. Иногда реактором служит вращающаяся трубчатая печь типа цементной, иногда - шахтная печь, иногда - закрытая реторта. Этим и объясняется разнообразие названий способов прямого восстановления: Мидрекс, Пурофер, Охалата-и-Ламина, СЛ-РН и т. д. Число способов уже перевалило за два десятка. Но суть их обычно одна и та же. Богатое железорудное сырье восстанавливается смесью окиси углерода и водорода.

Но что же делать с полученной продукцией? Из губчатого железа не только хорошего топора - хорошего гвоздя отковать нельзя. Как бы ни была богата исходная руда, чистого железа из нее все равно не получится. По законам химической термодинамики даже восстановить все содержащееся в руде железо не удастся; часть его все равно останется в продукте в виде окислов. И здесь на помощь нам приходит испытанный друг - электропечь. Губчатое железо оказывается почти идеальным сырьем для электрометаллургии. Оно содержит мало вредных примесей и хорошо плавится.

Итак, опять двухступенчатый процесс! Но это уже другой способ. Выгода схемы прямое восстановление - электропечь состоит в ее дешевизне. Установки прямого восстановления значительно дешевле и потребляют меньше энергии, чем доменные печи. Такая бездоменная технология сталеплавильного производства была заложена в проект Оскольского электрометаллургического комбината.

В нашей стране вблизи Старого Оскола сооружается большой металлургический комбинат, который будет работать именно по такой схеме. Его первая очередь уже введена в эксплуатацию. Заметим, что прямой переплав - не единственный способ применения губчатого железа в черной металлургии. Его можно также использовать вместо металлолома в мартеновских печах, конвертерах и электросталеплавильных печах.

Способ переплава губчатого железа в электропечах бурно распространяется и за рубежом, особенно в странах, располагающих большими запасами нефти и природного газа, т. е. в странах Латинской Америки и Ближнего Востока. Однако, уже исходя из этих соображений (наличия природного газа), пока нет еще оснований считать, что новый способ когда-нибудь полностью вытеснит традиционный двухступенчатый способ доменная печь - сталеплавильный агрегат.

Будущее железа

Железный век продолжается. Примерно 90% всех используемых человечеством металлов и сплавов - это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют в различных конструкциях самостоятельную роль, а если уж их в соответствии с традицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чаще они заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколько процентов потребляемых нами пластиков.

Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и в массе - дешевы. Сырьевая база этого металла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд хватило бы по меньшей мере на два века вперед. Железу еще долго быть фундаментом цивилизации.