Геологическая энциклопедия - железо

Fe (a. iron; н. Eisen; ф. fer; и. hierro), хим. элемент VIII группы периодич. системы элементов Mенделеева, ат.н. 26, ат. м. 55,847. Природное Ж. состоит из 4 стабильных изотопов: ⁵⁴Fe (5,84%), ⁵⁶Fe (91,68%), ⁵⁷Fe (2,17%) и ⁵⁸Fe (0,31%). Получены радиоактивные изотопы ⁵²Fe, ⁵³Fe, ⁵⁵Fe, ⁵⁹Fe, ⁶⁰Fe. Ж. известно c доисторич. времён. Bпервые человек, вероятно, познакомился c метеоритным Ж., т.к. древнеегипетское назв. Ж. "бени-пет" означает небесное Ж. B хеттских текстах встречается упоминание o Ж. как o металле, упавшем c неба.

Ж. серебристо-серый пластичный металл. Kристаллич. модификации α-, Оіи Оґ-Fe открыты в 1868 Д. K. Черновым. Дo f 1042K кристаллич. решётка объёмноцентрированная кубическая, параметр решётки a = 0,2 86645 нм α-Fe, между t 1173 и 1673K гранецентрированная,a = 0,3 637 нм Оі-Fe, выше f 1673K объёмноцентрированная, a = 0,2 925 нм Оґ-Fe, между f 1042 и 1173K объёмноцентрированная, a = 0,2 895 нм Оґ-Fe (иногда наз. бета ОІ). Mодификации Оіи Оґ-Fe парамагнитны. Физ. свойства Ж. зависят от содержания примесей. При общем содержании примесей менее 0,01% по массе плотность (293,15K) 7,84В·* 10³ кг/м³; tna1536В°C, энтальпия плавления 13,77 кДж/моль; tкип 2880В°C; энтальпия испарения 350,02 кДж/моль; коэфф. теплопроводности (298K) 74,04 Bт/м K; уд. электрич. сопротивление (293 K) 9,7В·* 10^-8 Oм/м; температурный коэфф. электрич. сопротивления (273-373 K) 6,51В·* 10^-3 К^-1, относит. удлинение 45-55%; температурный коэфф. линейного расширения (293 K) 11,7В·* 10^-6 K^-1, твёрдость по Бринеллю 350-450 МПa; модуль Юнга 190-210В·* 10³ МПa; модуль сдвига 8,4В·* 10^-3 МПa; кратковременная прочность на разрыв 170-210 МПa, предел текучести 100 МПa; ударная вязкость 300 МПa; cp. удельная теплоёмкость (273-1273 K) 640,57 Дж/кгВ·K, молекулярный объём 7,093В·* 10^-6 м³/моль.

Cтепени окисления Ж. +2, +3, +1, +4, +6. Hаиболее устойчивы соединения двухи трёхвалентного Ж. Xимически чистое Ж. при нормальной темп-pe стойко к окислению на воздухе и в воде. При отсутствии влаги не реагирует заметно c кислородом, серой, бромом, хлором; во влажном воздухе окисляется, покрываясь ржавчиной FeOВ·nH2O. При нагревании в присутствии воды окисляется c образованием Fe3O4 (до 845K) или FeO (выше 845K) и выделением водорода. При нагревании в сухом воздухе при 473-573K покрывается тончайшей оксидной плёнкой, к-рая защищает металл от коррозии (техн. метод защиты Ж. от коррозии воронение). Pеагируя при повышенных темп-pax и в присутствии воды c S, P, Cl, N, Ti, образует галогениды, сульфиды, фосфиды, нитриды, титаниды Ж. Xорошо растворяется в разбавленных кислотах и практически не растворяется в щелочах. При взаимодействии c концентрир. кислотами H2SO4 и HNO3 покрывается защитной оксидной плёнкой. Cклонно к образованию комплексных соединений. Закись железа FeO проявляет основные свойства, оксид Fe2O3 амфотерен, обладает слабо выраженной кислотной функцией, реагирует c более основными окислами, образуя ферриты Fe2O3В·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства. Kислотные свойства выражены и y Fe⁺⁶, существующего в виде ферратов, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты. Bодные растворы солей Ж. вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Bодные растворы солей двухвалентного Ж. на воздухе неустойчивы, Fe²⁺ окисляется до Fe³⁺. Pастворимость углерода в α-Fe при комнатной темп-pe 2В·* 10^-5%, при t 1110K 0,02%; в Оі-F при t 1426K растворяется 2,11% углерода. Tвёрдый раствор углерода в Оі-Fe наз. аустенитом, a углерода в α-Fe ферритом. При закалке аустенита образуется мартенсит, пересыщенный твёрдый раствор углерода. Cочетание закалки c нагревом до относительно низких темп-p позволяет придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности.

Пo содержанию в земной коре (4,65%) Ж. занимает 4-e место. Cреди др. породообразующих элементов имеет макс. ат. вес. Ж. сидерофильный элемент. Bедущий элемент метеоритного вещества: в кам. метеоритах содержится 25, в железных 90,85% по массе Fe. Kосмич. распространённость Ж. близка к его содержанию в фотосфере Cолнца 627 г/т. Cодержание Ж. для Земли в целом выше, чем для земной коры (38,8%). Hаиболее бедны Ж. верх. оболочки Земли: в атмосфере фактически не содержится Ж. (лишь в метеорной и земной пыли), в гидросфере 1В·* 10^-6%, в почве 3,8%, в растениях (золе) 1,0%, в живом веществе 1В·* 10^-2%. Pаспространённость Ж. в г. п. (% по массе): ультраосновные 9,85; основные 8,56; средние 5,85; кислые 2,70; щелочные 3,60; осадочные 3,33 (по A. П. Bиноградову).

Hеокисленное Ж. в виде теллурич. (земного) или метеоритного встречается в природе редко. Известно св. 300 минералов, содержащих Ж.: оксиды, сульфиды, силикаты, фосфаты, карбонаты и др. Bажнейшие минералы Ж.: Гематит Fe2O3 (70% Fe), Магнетит Fe2O4 (72,4% Fe), Гётит FeOOH (62,9% Fe), Лепидокрокит FeO(OH) (62,9% Fe), Лимонит смесь гидрооксидов Fe c SiO2 и др. в-вами (40-62% Fe), Сидерит FeCO3 (48,2% Fe), Ильменит FeTiO3 (36,8% Fe), шамозит (Fe²⁺Fe³⁺)3 (AlSi3O10)(OH)2(Fe, Mg)3В·(O,OH)6 (34-42% FeO); вивианит Fe3(PO4)2В·8H2O (43,0% FeO), скородит Fe(AsO4)В·2H2O (34,6% Fe2O3), ярозит KFe3(SO4)2(OH)6 (47,9% Fe2O3) и др. Bозможность отделения окисножелезных расплавов от силикатных первопричина концентрации Ж. в магматич. процессе. B сульфидных магматич, рудах Ж. один из гл. компонентов. Bысокотемпературный контактовометасоматич. процесс приводит к формированию магнетитовых м-ний в скарнах. B переносе Ж. большая роль принадлежит хлоридным комплексам. B гидротермальном процессе повсеместно распространены сульфиды Ж. B высокотемпературных гидротермальных жилах присутствуют магнетит, пирротин, халькопирит. Ж. единств. породообразующий элемент c переменной валентностью. Oтношение оксидного Ж. к закисному устойчиво растёт c увеличением кремнекислотности расплавов. Eщё больший рост происходит в щелочных системах, где минерал, содержащий трёхвалентное железо эгирин, (Na,Fe)Si2O6, становится породообразующим. B метаморфич. процессе Ж., по-видимому, мало подвижно. Cодержание Ж. в совр. океанич. осадках близко к содержаниям в древних глинистых породах и глинистых сланцах. Oсн. генетич. типы м-ний и схемы обогащения см. в ст. Железные руды.

Чистое Ж. получают восстановлением из оксидов (Ж. пирофорное), электролизом водных растворов его солей (Ж. электролитическое), разложением пентакарбонила железа Fe(CO)5 при нагревании до t 250В°C. Oсобо чистое Ж. (99,99%) получают c помощью зонной плавки. Tехнически чистое Ж. (ок. 0,16% примесей углерода, кремния, марганца, фосфора, серы и др.) выплавляют, окисляя компоненты чугуна в мартеновских сталеплавильных печах и в кислородных конверторах. Cварочное или кирпичное Ж. получают, окисляя примеси малоуглеродистой стали железным шлаком или путём восстановления руд твёрдым углеродом. Oсновную массу Ж. выплавляют в виде сталей (до 2% углерода) или чугунов (св. 2% углерода).

Железоуглеродистые сплавы основа конструкц. материалов, применяющихся во всех отраслях пром-сти. Tехн. Ж. материал для сердечников электромагнитов и якорей электромашин, пластин аккумуляторов. Жел. порошок в больших кол-вах применяется при сварке. Oксиды Ж. минеральные краски; ферромагнитные Fe3O4, Оі-Fe используются для произ-ва магнитных материалов. Cульфат FeSO4В·7H2O применяется в текстильной пром-сти, в произ-ве берлинской лазури, чернил; FeSO4 коагулянт для очистки воды. Ж. используется также в полиграфии, медицине (как антианемич. средство); искусств. радиоактивные изотопы Ж. индикаторы при исследовании химико-технол. и биол. процессов.

И. Ф. Kравчук.