2. 1. Съдържание
1.1 Какво е желязо
1.2 Физични свойства
- Механични
- Изотопи
1.3 Химични свойства
1.4 Наличие в природата
1.5 Приложение
Използвана литература
1.Интернет страници
Какво е желязо?
Желязото е химичен елемент, метал, с атомен номер 26 и символ
Fe (на латински: ferrum). Той е част от група 8 и период 4 на
3. периодичната система, поради което се класифицира като
преходен метал. Желязото и неговите сплави, най-вече стоманата,
са най-масово използваните метали и феромагнити в ежедневния
живот.
Повърхността му е блестяща и сребристосива, но изложена на
въздух оксидира и се покрива с червен или кафяв железен оксид
(ръжда). Отделните кристали чисто желязо са меки (по-меки от
алуминия), като добавянето на относително малки примеси
значително увеличава твърдостта и якостта. Стоманата
представлява сплав на желязото с малко количество въглерод и
други метали и може да бъде 1000 пъти по-твърда от чистото
желязо.
Желязо-56 е най-тежкият стабилен изотоп, образуван от алфа-
процеса при звездния нуклеосинтез. За образуването на елементи,
по-тежки от желязото и никела е необходима свръхнова.
Желязото е най-изобилният елемент в ядрата на червените
гиганти, най-изобилният метал в железните метеорити и в
плътните метални планети, като Земята.
Физични свойства
Изотопи
Срещащото се в природата желязо се състои от четири устойчиви
изотоп: 5,845% 54Fe, 91,754% 56Fe, 2,119% 57Fe и 0,282% 58Fe. От
тях само 57Fe има ядрен спин (−1/2). Теоретично нуклидът 54Fe
трябва да претърпява двоен бета-разпад, но този процес не е
наблюдаван експериментално и е установена само долна граница
за периода на полуразпад: t1/2>3,1×1022 години.
60Fe е изчезнал радиоактивен изотоп с голям период на
полуразпад (2,6 милиона години). Той не се среща на Земята, но в
4. резултат на неговия разпад е образуван устойчивият изотоп
никел-60
Най-често срещаният изотоп 56Fe представлява особен интерес,
тъй като той е най-масовата крайна точка на нуклеосинтеза.
Често е сочен неправилно за изотопа с най-голяма енергия на
свързване, макар че в действителност такъв е никел-62. 56Ni се
образува лесно от по-леки ядра при алфа-процеса в свръхновите и
представлява крайна точка на синтеза в крайно масивните звезди,
тъй като добавянето на допълнителна алфа-частица би образувала
цинк-60, което изисква много повече енергия. Така никел-56,
който има период на полуразпад около 6 дни, се образува в
големи количества в тези звезди, но бързо се разпада с две
последователни излъчвания на позитрон, първо до радиоактивния
кобалт-56, а след това до устойчивото желязо-56. По тази
причина този изотоп се среща във Вселената много по-често от
другите устойчиви метали с подобна атомна маса.
При изследвания на паднали на Земята метеорити е установена
корелация между концентрациите на 60Ni, продукт на разпада на
60Fe, и изобилието от устойчиви железни изотопи, което
свидетелства за наличието на 60Fe по времето, когато е
образувана Слънчевата система. Възможно е енергията,
отеделена при разпада на 60Fe, да е допринесла, наред с енергията
от разпада на радиоактивния изотоп 26Al, за повторното
разтопяване и диференциацията на астероидите след тяхното
образуване преди 4,6 милиарда години. Изобилието от 60Ni в
извънземен материал може да даде допълнителна информация за
произхода на Слънчевата система и нейната ранна история.
5. Механични свойства
Характеристични стойности на якостта на опън (TS) и твърдостта
(BH) на различни форми и сплави на желязото
Материал
TS
(MPa)
BH
(по Бринел)
Монокристални мустаци 11000
Закалена стомана 2930 850–1200
Мартензитна стомана 2070 600
Бейнитна стомана 1380 400
Перлитна стомана 1200 350
Студенообработено желязо 690 200
Дребнозърнесто желязо 340 100
Въглеродосъдържащо желязо 140 40
Чист железен кристал 10 3
Твърдостта на чистото желязо има толкова устойчиви стойности,
че често се използва за калибриране на измервания или сравнение
на изпитвания, но механичните свойства на желязото се влияят
силно от наличието на примеси. Чистите железни кристали са по-
меки от алуминия, а най-чистото произвеждано в промишлени
условия желязо (99,99%) има твърдост по Бринел 20-30. При
увеличаване на съдържанието на въглерод първоначално се
наблюдава значително нарастване на твърдостта и опънната
якост. Максимална твърдост се получава при съдържание на
въглерод около 0,6%, но тази сплав има ниска опънна якост.
6. Химични свойства и съединения
Степен на
окисление
Представително съединение
−2 динатриев тетракарбонилферат
−1
0 железен пентакарбонил
1 циклопентадиенилжелезен дикарбонил димер
2 железен сулфат, фероцен
3 железен хлорид, фероценов тетрафлуорборат
4 бариев ферат
5
6 калиев ферат
Желязото образува химични съединения главно в степени на
окисление +2 и +3. Такива са широко използваните в
промишлеността железен(II) сулфат (FeSO4·7H2O) и железен(III)
хлорид (FeCl3). Съединенията на желязо(II) са склонни да
оксидират до съединения на желязо(III) при излагане на въздух.
Има и съединения със смесена валентност, които съдържат
едновременно центрове на желязо(II) и желязо(III), например
магнетитът (Fe3O4) или оцветителят пруско синьо (Fe4(Fe[CN]6)3).
Желязото може да се свързва и в по-високи степени на
окисление, до +6, както в калиевия ферат (K2FeO4). Желязо(IV) е
чест посредник в много биохимични оксидационни реакции.В
много металоорганични съединения желязото участва със
степени на окисление +1, 0, -1 и дори -2. За определянето на тези
7. степени често се използва техниката на мьосбауеровата
спектроскопия.
За разлика от повечето други метали желязото не образува
амалгама с живака, поради което то често се използва за
изработване на съдове за съхранение и транспорт на живак.
При по-висока температура се покрива с тънка оксидна корица,
която го предпазва. При още по-висока температура изгаря:
3Fe + 2O2 → Fe3O4
В среда с влажен въздух желязото бързо оксидира, като се
образува ръжда. Тя представлява хидратирани железни оксиди:
Fe2O и няма защитен ефект, защото слоят не е плътен, а се рони.
При висока температура желязото взаимодейства с неметали:
2Fe + 3Cl2 → 2FeCl3
С метали и въглерод желязото образува сплави. Желязото лесно
се разтваря в минерални киселини:
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2↑
Концентрираните азотна киселина (HNO3) и сярна киселина
(H2SO4) пасивират повърхността на желязото. То реагира само с
концентрирани разтвори на алкални основи при висока
температура, като се получава комплексно съединение:
Fe + 4NaOH + 2H2O → Na4[Fe(OH)6] + H2
Желязото взаимодейства с вода при нагряване:
3Fe + 4HOH → Fe3O4 + 4H2↑ – при температура по-ниска от 570
градуса
Fe + HOH → FeO + H2↑ – при температура по – висока от 570 o
C
Трижелезният тетраоксид (Fe3O4) е смесен оксид – FeO.Fe2O3
8. Взаимодейства и с разтвори на някои соли, които са съставени от
метал, който се намира след желязото в реда на относителната
активност:
Fe + CuSO4 → FeSO4 + Cu
Наличие в природата
Желязото е шестият най-разпространен химичен елемент във
Вселената. То се образува при последния екзотермичен етап на
звездния нуклеосинтез, при процеса на силициево изгаряне в
масивните звезди. То е най-тежкият устойчив елемент, който се
образува по този начин.
Процесът започва с второто най-тежко устойчиво ядро,
формирано при силициевото изгаряне, това на калция.
Калциевото ядро се обединява с едно хелиево ядро, образувайки
неустойчив титан. Преди да се разпадне, титанът може да се
обедини с още едно хелиево ядро, образувайки неустойчив хром,
който от своя страна може да погълне още едно хелиево ядро и да
се превърне в неустойчиво желязо. Поглъщането на ново хелиево
ядро довежда до образуването на нестабилен никел-56, който
вече поглъща хелиеви ядра със загуба на енергия, поради което се
разпада до неустойчив кобалт-56, а той от своя страна – до вече
устойчивото желязо-56.
На желязото се падат около 5% от количеството вещество в
земната кора, но за ядрото, което включва 35% от масата на
планетата се смята, че е изградено предимно от сплав на желязо и
никел. Така желязото е най-разпространеният елемент на Земята,
но едва четвъртият в земната кора.
Самородното желязо се среща рядко на повърхността на Земята,
тъй като то лесно оксидира, но неговите оксиди са широко
разпространени и формират основната част от железните руди.
9. По-голямата част от желязото в земната кора е във вид на
минерали на железния оксид, като хематит (Fe2O3) и магнетит
(Fe3O4). Големи залежи от желязо има в геоложки формации,
образувани от множество се тънки слоеве магнетит или хематит,
редуващи се с пластове бедни на желязо седименти, които са
образувани преди 3,7 до 1,8 милиарда години.
Приложение
Желязото е най-употребяваният метал, като заема 95% от
световния добив на метали.
Основен компонент на стоманата и чугуна – едни от най-
важните строителни материали. Желязото се използва
основно за строителни конструкции, а също и в
машиностроенето.
Оксидите му са важен елемент в производствата на
устройства за запис на данни: касети, дискети, твърди
дискове.
Сулфатите на желязото в смес с меден сулфат се използват
за борба с вредителите в селското стопанство.
