Железо, раздел «Химик»
Железо можно назвать главным металлом нашего времени. Этот химический элемент очень хорошо изучен. Тем не менее никто никогда не узнает, когда и кем открыто железо: слишком давно это было. Использовать железные изделия человек начал еще в начале I тысячелетия до н. э. На смену бронзовому веку пришел железный. Металлургия железа на территории Европы и Азии начала развиваться еще в IX—VII вв. до н. э.
Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Ежегодно на нашу Землю падает больше тысячи метеоритов, часть их — железные, состоящие в основном из никелистого железа. У «небесного» железа есть одна важная технологическая особенность: в нагретом виде этот металл не поддается ковке, ковать можно лишь холодное метеоритное железо.
Железо обнаружено также и на Луне, причем в лунном грунте оно присутствует в самородном, не-окисленном состоянии, что, очевидно, объясняется отсутствием атмосферы.
На Земле железо тоже иногда встречается в самородном состоянии.
В древности железо ценилось очень высоко. В «Географии» древнегреческого ученого Страбона, написанной в самом начале нашей эры, сказано, что у африканских народов железо стоило в 10 раз дороже золота... Может быть, это справедливо, если считать главным критерием дороговизны не химическую стойкость и редкость, а значение для техники, для развития цивилизации. Главные причины того, что именно железо стало важнейшим металлом для техники и производства, заключаются в распространенности соединений этого элемента и сравнительной простоте восстановления металла из них (см. Металлургия) .
Основная масса железа находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.
По запасам в земной коре железо занимает четвертое место среди всех элементов, после кислорода, кремния и алюминия. Намного больше железа в ядре планеты, которое, согласно предположениям ученых, состоит из никеля и железа. Но это железо
недоступно и вряд ли станет доступным в обозримом будущем. Поэтому важнейшим источником железа остаются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как магнетит Fe304, пирит FeS, гематит Fe203, сидерит FeCO3. Они составляют основу главных железных руд — магнитного, бурого, красного и шпатового железняка. Больше всего железа — 72,4% — в магнетите. Крупнейшие в России железорудные месторождения — Курская магнитная аномалия, Криворожское железорудное месторождение, на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), в Казахстане — Соколовское и Сарбайское месторождения.
Железо — блестящий серебристо-белый металл (плотность 7,87 г/см3; Tпл=1539°С; Tкип = 3200° С); его легко обрабатывать: резать, ковать, прокатывать, штамповать. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия (закалка, прокатка).
Рассказывая о свойствах железа, нужно прежде всего оговорить, о каком железе идет речь — о технически чистом железе или о железе высшей чистоты. Разница в их свойствах — и физических, и химических — достаточно велика. Технически чистое железо называется низкоуглеродистой электротехнической сталью. В этом названии отражены и назначение материала, и характер главных примесей: углерода — 0,02—0,04%, а кислорода, серы, азота и фосфора еще меньше. Железо высшей чистоты содержит менее 0,001% примесей. Оба материала обладают хорошими магнитными свойствами, оба хорошо свариваются. Однако если технически чистое железо — металл средней химической активности, то высокочистое — почти инертно. Очень мала и растворимость в нем газов, особенно кислорода. Механические свойства высокочистого железа невысокие, прочность — намного меньше, чем у любой стали или чугуна. В качестве конструкционного материала железо высшей чистоты непригодно. Однако, если в высокочистое железо ввести в определенном порядке легирующие добавки, оно сможет выдержать нагрузку до 600 кг/см2 вместо обычных 17—21.
Железо в соединениях может проявлять разные степени окисления: +2, +3, +6, редко + 1, + 4 и даже 0 (в карбониле Fe(CO)5. Из соединений двухвалентного железа наиболее известны FeO — оксид железа (II), а также его сульфид и галогениды. Ионы Fe2+ образуются при растворении железа в разбавленных кислотах. А вот в концентрированных сильных кислотах — азотной и серной — железо не растворяется: оно, как говорят специалисты, пассивируется благодаря образованию на поверхности металла тонкой и плотной оксидной пленки. Практически не растворяется железо и в щелочах (кроме горячих концентрированных растворов).
Соли трехвалентного железа Fe (III) обычно получаются при окислении солей двухвалентного железа. При этом, если реакция происходит в растворе, цвет раствора меняется: характерная для Fe24 светло-зеленая окраска изменяется на бурую. Соли трехвалентного железа часто склонны к гидролизу. Железная H2Fe04 и железистая HFe02 кислоты в свободном состоянии не получены. Однако соли их — ферраты и ферриты известны и изучены достаточно хорошо.
Оксид трехвалентного железа — Fe2O3. Оксид состава Fe304 рассматривают как соединение FeO и Fe203. Гидроксиды двух- и трехвалентного железа Fe(OH)2 и Fe(OH)3 в воде растворяются плохо и в отличие от оксидов не имеют большого практического значения. Оксиды же важны не только как источник множества соединений железа, но и как важнейшее сырье для черной металлургии.
Подобно другим переходным металлам, железо образует также множество комплексных соединений.
Многие соединения железа практически важны. Хлорид железа FeCl3, например, используется как коагулянт при очистке воды, как катализатор в органическом синтезе. Ферриты, особенно двухвалентных металлов, широко применяются в вычислительной технике. Важно не путать два понятия: ферриты — соли железистой кислоты и феррит — устойчивую при обычных условиях полиморфную модификацию железа, иначе называемую альфа-железом.
Для нормальной жизнедеятельности человеку совершенно необходимы железосодержащие органические соединения. Самое известное из них — дыхательный пигмент гемоглобин. Но кроме гемоглобина железо в нашем организме есть еще и в миоглоби-не — белке, запасающем кислород в мышцах. Есть также железосодержащие ферменты. Есть, наконец, белковый комплекс ферритин, из которого образуются все другие необходимые организму железосодержащие вещества (см. Белки).
