Железо: свойства и применение элементов

Что такое железо?

--Железо как элемент

Железо (Fe) - самый распространенный и вездесущий элемент на Земле, основа технического прогресса человечества. Железо - переходный элемент, встречающийся в земной коре преимущественно в виде минералов, таких как гематит (Fe₂O₃) и магнетит (Fe₃O₄). Помимо промышленного использования, железо необходимо живым организмам, поскольку оно играет основную роль в биологических процессах. Например, у человека оно является ключевым компонентом гемоглобина - белка красных кровяных телец, используемого для переноса кислорода. Двойное значение железа - биологическое и техническое - является одной из причин того, что оно относится к наиболее ценным элементам, с которыми знакомы люди.

--Железные металлы и сплавы

Железные сплавы и металлы являются основой современного промышленного и инженерного дизайна. Чистое железо очень вязкое и мягкое, но при смешивании с другими элементами становится более прочным, долговечным, износостойким и устойчивым к коррозии. Два основных класса - сталь и чугун, каждый из которых имеет свои отличительные свойства и области применения.

История железа

Железо было жизненно важным элементом на протяжении всей жизни человека. Железный век, начавшийся около 1200 года до н. э., был периодом революции, когда люди перешли от бронзы к использованию инструментов и оружия, изготовленных из железа, что изменило сельское хозяйство, войну и строительство. На протяжении веков процессы рафинирования, такие как выплавка и сплавление, позволили людям получить больший контроль над железом, что привело к появлению широкого спектра металлов и сплавов на основе железа, используемых сегодня.

Свойства сплавов и металлов на основе железа

-Описание химических свойств

С химической точки зрения железо очень реакционноспособно, особенно в присутствии кислорода, что приводит к образованию оксидов железа, широко известных как ржавчина. Ржавчина - это, пожалуй, одна из самых больших проблем при использовании и хранении изделий на основе железа. Железо обычно содержит два стабильных числа окисления: +2 (железистый) и +3 (железистый). Эти числа окисления имеют решающее значение для большинства химических реакций, например, когда оно вступает в реакцию с кислотами.

Например, при обработке железа соляной кислотой оно реагирует с образованием хлорида железа и газообразного водорода. При повышенных температурах железо реагирует с углеродом, образуя сталь - основу современного строительства и производства. Чистое железо менее реакционноспособно, чем его сплавы, но атмосферные условия и введение примесных элементов могут существенно повлиять на его химическое поведение.

--Таблица данных физических свойств

Дополнительную информацию можно найти в Stanford Advanced Materials (SAM).

Производство стали и другие распространенные виды использования железа

Основное промышленное применение железа - производство стали, самого распространенного металла, используемого в строительстве, транспорте и машиностроении. Сталь сочетает в себе твердость и прочность железа с пластичностью и может использоваться для изготовления таких конструкционных элементов, как балки, стержни и плиты. Чугун также является одним из основных видов продукции, который ценится за теплопроводность и прочность на сжатие. Чугун находит применение в блоках двигателей, трубах, посуде и тяжелом оборудовании.

Железо также имеет важное биологическое значение. Оно входит в состав гемоглобина и миоглобина - белков крови и мышц, отвечающих за доставку кислорода. Без железа люди и другие организмы подвержены таким заболеваниям, как анемия, которая препятствует доставке кислорода и выработке энергии.

Методы подготовки

Промышленное производство железа обычно начинается с железной руды, которая добывается и очищается путем плавки. Она выплавляется вместе с коксом (углеродом) и известняком в доменной печи. Высокая температура отделяет железную руду от примесей, в результате чего получается расплавленное железо. Оно может быть очищено или объединено для получения стали или других соединений железа.

В последние годы методы прямого восстановления становятся все более популярными как более экологичные альтернативы. В методах прямого восстановления используется водород или другие восстановители для измельчения руды с целью извлечения железа, при этом выбросы углекислого газа ниже, чем при плавке.

Часто задаваемые вопросы

Каково основное промышленное использование железа?

Для производства стали используется большая часть железа, которое ценится за свою прочность, гибкость и надежность в строительстве, транспорте и производстве.

Чем чугун отличается от стали?

Чугун содержит больше углерода, что делает его хрупким, но идеальным для использования при сжатии и удержании тепла. Сталь прочнее и долговечнее, и ее можно использовать для большего числа применений как в конструкциях, так и в механике.

Какие экологические проблемы связаны с производством железа?

Устаревшая плавка приводит к выбросам CO₂ и утилизации отходов. Новые методы, такие как прямое восстановление с помощью водорода, сводят к минимуму воздействие на окружающую среду.

Как железо функционирует в организме человека?

Железо необходимо для производства гемоглобина, который переносит кислород внутри красных кровяных телец. Потребление железа в здоровых количествах необходимо для поддержания здоровья крови и предотвращения анемии.