Il ferro è un elemento chimico

1. La posizione del ferro nella tavola periodica degli elementi chimici e la struttura del suo atomo

Il ferro è un elemento d del gruppo VIII; numero di serie - 26; massa atomica Ar (Fe ) = 56; composizione dell'atomo: 26 protoni; 30 - neutroni; 26 - elettroni.

Schema della struttura dell'atomo:

Formula elettronica: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Metallo a media attività, agente riducente:

Fe 0 -2 e - → Fe +2 , l'agente riducente è ossidato

Fe 0 -3 e - → Fe +3 , l'agente riducente è ossidato

Principali stati di ossidazione: +2, +3

2. Prevalenza di ferro

Il ferro è uno degli elementi più abbondanti in natura. . Nella crosta terrestre, la sua frazione di massa è del 5,1%, secondo questo indicatore seconda solo a ossigeno, silicio e alluminio. Molto ferro si trova anche nei corpi celesti, come stabilito dai dati dell'analisi spettrale. In campioni di suolo lunare, che sono stati consegnati dalla stazione automatica "Luna", il ferro è stato trovato in uno stato non ossidato.

I minerali di ferro sono abbastanza diffusi sulla Terra. I nomi delle montagne degli Urali parlano da soli: High, Magnetic, Iron. I chimici agricoli trovano composti di ferro nel suolo.

Il ferro è nella maggioranza rocce. Per ottenere il ferro vengono utilizzati minerali di ferro con un contenuto di ferro del 30-70% o più.

I principali minerali di ferro sono :

magnetite(minerale di ferro magnetico) - Fe 3 O 4 contiene il 72% di ferro, depositi si trovano negli Urali meridionali, l'anomalia magnetica di Kursk:

ematite(lucentezza di ferro, pietra di sangue) - Fe2O3 contiene fino al 65% di ferro, tali depositi si trovano nella regione di Krivoy Rog:

limonite(minerale di ferro marrone) - Fe 2 O 3 * nH 2 O contiene fino al 60% di ferro, i depositi si trovano in Crimea:

pirite(pirite di zolfo, pirite di ferro, oro di gatto) - FeS 2 contiene circa il 47% di ferro, depositi si trovano negli Urali.

3. Il ruolo del ferro nella vita umana e vegetale

I biochimici hanno scoperto l'importante ruolo del ferro nella vita di piante, animali e esseri umani. Essendo parte di un composto organico estremamente complesso chiamato emoglobina, il ferro determina il colore rosso di questa sostanza, che a sua volta determina il colore del sangue dell'uomo e degli animali. Il corpo di un adulto contiene 3 g di ferro puro, il 75% del quale fa parte dell'emoglobina. Il ruolo principale dell'emoglobina è il trasferimento di ossigeno dai polmoni ai tessuti e nella direzione opposta - CO 2.

Anche le piante hanno bisogno di ferro. Fa parte del citoplasma, partecipa al processo di fotosintesi. Le piante coltivate su un substrato privo di ferro hanno foglie bianche. Una piccola aggiunta di ferro al substrato - e diventano verdi. Inoltre, vale la pena spalmare un foglio bianco con una soluzione di sale contenente ferro e presto il luogo imbrattato diventa verde.

Quindi per lo stesso motivo - la presenza di ferro nei succhi e nei tessuti - le foglie delle piante diventano verdi allegramente e le guance di una persona arrossiscono brillantemente.

4. Proprietà fisiche del ferro.

Il ferro è un metallo bianco argenteo con punto di fusione di 1539 o C. È molto duttile, quindi è facilmente lavorabile, forgiato, laminato, stampato. Il ferro ha la capacità di essere magnetizzato e smagnetizzato, quindi viene utilizzato come nucleo di elettromagneti in varie macchine e apparati elettrici. Può essere conferita maggiore resistenza e durezza mediante metodi di azione termica e meccanica, ad esempio mediante tempra e laminazione.

Esistono ferro chimicamente puro e tecnicamente puro. Il ferro tecnicamente puro, infatti, è un acciaio a basso tenore di carbonio, contiene 0,02 -0,04% di carbonio, e ancora meno ossigeno, zolfo, azoto e fosforo. Il ferro chimicamente puro contiene meno dello 0,01% di impurità. ferro chimicamente puro grigio argento, lucido aspetto esteriore un metallo molto simile al platino. Il ferro chimicamente puro è resistente alla corrosione e resiste bene all'azione degli acidi. Tuttavia, frazioni insignificanti di impurità lo privano di queste preziose proprietà.

5. Ottenere il ferro

Recupero da ossidi con carbonio o monossido di carbonio (II), nonché idrogeno:

FeO + C = Fe + CO

Fe 2 O 3 + 3CO \u003d 2Fe + 3CO 2

Fe 2 O 3 + 3H 2 \u003d 2Fe + 3H 2 O

Esperienza "Come ottenere il ferro con l'alluminotermia"

6. Proprietà chimiche del ferro

Come elemento di un sottogruppo laterale, il ferro può presentare diversi stati di ossidazione. Considereremo solo i composti in cui il ferro presenta stati di ossidazione +2 e +3. Quindi, possiamo dire che il ferro ha due serie di composti in cui è bivalente e trivalente.

1) Nell'aria il ferro si ossida facilmente in presenza di umidità (ruggine):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O \u003d 4Fe (OH) 3

2) Un filo di ferro riscaldato brucia in ossigeno, formando scaglie - ossido di ferro (II, III) - una sostanza nera:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

Cossigeno nelle forme di aria umida Fe 2 o 3 * nH 2 o

Esperienza "Interazione del ferro con l'ossigeno"

3) Ad alte temperature (700–900°C), il ferro reagisce con il vapore acqueo:

3Fe + 4H 2 O t˚C → Fe 3 O 4 + 4H 2

4) Il ferro reagisce con i non metalli quando riscaldato:

Fe + S t˚C → FeS

5) Il ferro si dissolve facilmente in acido cloridrico e acido solforico diluito in condizioni normali:

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 (diff.) \u003d FeSO 4 + H 2

6) Negli acidi concentrati - agenti ossidanti, il ferro si dissolve solo se riscaldato

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

Fe + 6HNO 3 (conc .) t˚C → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 OFerro(III)

7. L'uso del ferro.

La maggior parte del ferro prodotto nel mondo viene utilizzata per produrre ferro e acciaio - leghe di ferro con carbonio e altri metalli. Le ghise contengono circa il 4% di carbonio. Gli acciai contengono meno dell'1,4% di carbonio.

La ghisa è necessaria per la produzione di vari getti: i letti di macchine pesanti, ecc.

Prodotti in ghisa

Gli acciai vengono utilizzati per la fabbricazione di macchine, vari materiali da costruzione, travi, lamiere, laminati, rotaie, utensili e molti altri prodotti. Per la produzione diverse varietà gli acciai utilizzano i cosiddetti additivi leganti, che sono vari metalli: M

Simulatore №2 - Serie genetica Fe 3+

Simulatore n. 3 - Equazioni per le reazioni del ferro con sostanze semplici e complesse

Compiti per il fissaggio

n. 1. Componi le equazioni per le reazioni di ottenimento del ferro dai suoi ossidi Fe 2 O 3 e Fe 3 O 4 usando come agente riducente:
a) idrogeno;
b) alluminio;
c) monossido di carbonio (II).
Per ogni reazione, fai un bilancio elettronico.

n. 2. Eseguire le trasformazioni secondo lo schema:
Fe 2 O 3 -> Fe - + H2O, t -> X - + CO, t -> Y - + HCl -> Z
Dai un nome ai prodotti X, Y, Z?

Composti di ferro(II).

I composti del ferro con uno stato di ossidazione del ferro di +2 sono instabili e si ossidano facilmente a derivati ​​del ferro (III).

Fe 2 O 3 + CO \u003d 2FeO + CO 2.

Idrossido di ferro (II) Fe (OH) 2 appena precipitato ha un colore verde-grigiastro, non si scioglie in acqua, si decompone a temperature superiori a 150°C, si scurisce rapidamente per ossidazione:

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

Presenta proprietà anfotere debolmente espresse con predominanza di quelle basiche, reagisce facilmente con acidi non ossidanti:

Fe(OH) 2 + 2HCl = FeCl 2 + 2H 2 O.

Interagisce con soluzioni alcaline concentrate quando riscaldato per formare tetraidroxoferrato (II):

Fe (OH) 2 + 2NaOH \u003d Na 2.

Manifesta proprietà ricostituenti, quando interagiscono con acido nitrico o solforico concentrato, si formano sali di ferro (III):

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

Si ottiene dall'interazione di sali di ferro (II) con una soluzione alcalina in assenza di ossigeno atmosferico:

FeSO 4 + 2NaOH \u003d Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.

Sali di ferro (II). Il ferro (II) forma sali con quasi tutti gli anioni. Solitamente i sali cristallizzano sotto forma di idrati cristallini verdi: Fe (NO 3) 2 6H 2 O, FeSO 4 7H 2 O, FeBr 2 6H 2 O, (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O (sale Mohr ) e altri Le soluzioni saline hanno un colore verde chiaro e, a causa dell'idrolisi, un ambiente acido:

Fe 2+ + H 2 O \u003d FeOH + + H +.

Mostra tutte le proprietà dei sali.

Quando si trovano nell'aria, vengono lentamente ossidati dall'ossigeno disciolto in sali di ferro (III):

4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O \u003d 4FeOHCl 2.

Reazione qualitativa al catione Fe 2+ - interazione con esacianoferrato di potassio (III) (sale rosso del sangue):

FeSO 4 + K 3 = KFe↓ + K 2 SO 4

Fe 2+ + K + + 3- = KFe↓

come risultato della reazione si forma un precipitato di colore blu- esacianoferrato (II) ferro (III) - potassio.

Lo stato di ossidazione +3 è caratteristico del ferro.

Ossido di ferro (III) Fe 2 O 3 - sostanza di colore marrone, esiste in tre modificazioni polimorfiche.

Esibisce proprietà anfotere debolmente espresse con una predominanza di quelle di base. Reagisce facilmente con gli acidi:

Fe 2 O 3 + 6HCl \u003d 2FeCl 3 + 3H 2 O.

Non reagisce con soluzioni alcaline, ma forma ferriti quando fuso:

Fe 2 O 3 + 2NaOH \u003d 2NaFeO 2 + H 2 O.

Mostra proprietà ossidanti e riducenti. Quando riscaldato, viene ridotto dall'idrogeno o dal monossido di carbonio (II), mostrando proprietà ossidanti:

Fe 2 O 3 + H 2 \u003d 2FeO + H 2 O,

Fe 2 O 3 + CO \u003d 2FeO + CO 2.

In presenza di agenti ossidanti forti in ambiente alcalino, presenta proprietà riducenti e si ossida a derivati ​​del ferro (VI):

Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O.

A temperature superiori a 1400°C si decompone:

6Fe 2 O 3 \u003d 4Fe 3 O 4 + O 2.

Si ottiene per decomposizione termica dell'idrossido di ferro (III):

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

o ossidazione della pirite:

4FeS 2 + 11O 2 \u003d 2Fe 2 O 3 + 8SO 2.

FeCl 3 + 3KCNS \u003d Fe (CNS) 3 + 3KCl,

Storia

Il ferro come materiale strumentale è noto fin dall'antichità. I più antichi prodotti in ferro rinvenuti durante gli scavi archeologici risalgono al IV millennio a.C. e. e appartengono all'antica civiltà sumera e all'antica egizia. Questi sono fatti di ferro meteorico, cioè una lega di ferro e nichel (il contenuto di quest'ultimo varia dal 5 al 30%), gioielli provenienti da tombe egizie (circa 3800 a.C.) e un pugnale dalla città sumera di Ur (circa 3100 a.C.). e.). Apparentemente, uno dei nomi di ferro in greco e latino: "sider" (che significa "stellato").

I prodotti del ferro ottenuti dalla fusione sono noti fin dall'epoca dell'insediamento delle tribù ariane dall'Europa all'Asia, alle isole del Mar Mediterraneo e oltre (fine del IV e III millennio a.C.). Gli strumenti di ferro più antichi conosciuti sono lame d'acciaio trovate nella muratura della piramide di Cheope in Egitto (costruita intorno al 2530 a.C.). Come hanno dimostrato gli scavi nel deserto nubiano, già a quei tempi gli egizi cercavano di separare l'oro estratto dalla sabbia pesante di magnetite, minerale calcinato con crusca e sostanze simili contenenti carbonio. Di conseguenza, uno strato di ferro pastoso galleggiava sulla superficie dell'oro fuso, che veniva lavorato separatamente. Da questo ferro furono forgiati strumenti, compresi quelli trovati nella piramide di Cheope. Tuttavia, dopo il nipote di Cheope Menkaur (2471-2465 a.C.), in Egitto si ebbe un tumulto: la nobiltà, guidata dai sacerdoti del dio Ra, rovesciò la dinastia regnante, e iniziò un balzo di usurpatori, che si concluse con l'ascesa al trono faraone della dinastia successiva, Userkar, che i sacerdoti dichiararono figlio e incarnava lo stesso dio Ra (da allora questo è diventato lo status ufficiale dei faraoni). Durante questo tumulto, le conoscenze culturali e tecniche degli egizi caddero in decadimento e, proprio come l'arte di costruire le piramidi si degradò, la tecnologia di produzione del ferro andò perduta, al punto che in seguito, esplorando la penisola del Sinai alla ricerca di minerale di rame, gli egiziani non prestavano alcuna attenzione ai depositi di minerale di ferro lì, ma ricevevano ferro dai vicini Ittiti e Mitanni.

Il primo padroneggiò la produzione del ferro Hatt, questo è indicato dalla più antica menzione (II millennio aC) del ferro nei testi degli Ittiti, che fondarono il loro impero sul territorio dell'Hatt (l'odierna Anatolia in Turchia). Quindi, nel testo del re ittita Anitta (circa 1800 aC) si dice:

Quando sono andato in campagna nella città di Puruskhanda, un uomo della città di Puruskhanda è venuto a inchinarsi a me (...?) e mi ha presentato 1 trono di ferro e 1 scettro di ferro (?) in segno di umiltà (?) ...

(fonte: Giorgadze G. G.// Bollettino di storia antica. 1965. N. 4.)

Nei tempi antichi, i khalib erano considerati maestri dei prodotti in ferro. La leggenda degli Argonauti (la loro campagna verso la Colchide ebbe luogo circa 50 anni prima della guerra di Troia) narra che il re della Colchide, Eet, diede a Giasone un aratro di ferro per arare il campo di Ares, e vengono descritti i suoi sudditi, gli alabri :

Non arano la terra, non piantano alberi da frutto, non pascolano armenti nei prati ricchi; estraggono minerale e ferro dalla terra incolta e barattano cibo per loro. La giornata non inizia per loro senza un duro lavoro, trascorrono nell'oscurità della notte e nel fumo denso, lavorando tutto il giorno ...

Aristotele descrisse il loro metodo per ottenere l'acciaio: “i Khalib lavarono più volte la sabbia fluviale del loro paese, separando così il concentrato nero (una frazione pesante costituita principalmente da magnetite ed ematite), e lo fondevano nelle fornaci; il metallo così ottenuto aveva un colore argenteo ed era inossidabile."

Le sabbie di magnetite, che si trovano spesso lungo l'intera costa del Mar Nero, sono state utilizzate come materie prime per la fusione dell'acciaio: queste sabbie di magnetite sono costituite da una miscela di grani fini di magnetite, titanio-magnetite o ilmenite, e frammenti di altre rocce, cosicché l'acciaio fuso dai Khalib era legato e aveva proprietà eccellenti. Un modo così particolare di ottenere il ferro suggerisce che i Khalib diffondessero il ferro solo come materiale tecnologico, ma il loro metodo non poteva essere un metodo per la produzione industriale diffusa di prodotti in ferro. Tuttavia, la loro produzione è stata l'impulso per ulteriori sviluppi siderurgia.

Nel tempi antichi il ferro era valutato più dell'oro e, secondo la descrizione di Strabone, le tribù africane davano 10 libbre d'oro per 1 libbra di ferro e, secondo la ricerca dello storico G. Areshyan, il costo di rame, argento, oro e ferro tra gli antichi Ittiti era nel rapporto 1: 160: 1280: 6400 A quei tempi il ferro era usato come metallo da gioielleria, da esso si ricavavano troni e altre insegne del potere reale: ad esempio, nel libro biblico Deuteronomio 3.11, il Viene descritto il "letto di ferro" del re Rephaim Og.

Nella tomba di Tutankhamon (circa 1350 aC) è stato trovato un pugnale di ferro in una cornice d'oro - forse un dono degli Ittiti per scopi diplomatici. Ma gli Ittiti non si adoperarono per la diffusione capillare del ferro e delle sue tecnologie, come risulta anche dalla corrispondenza del faraone egiziano Tutankhamon e di suo suocero Hattusil, il re degli Ittiti, giunta fino a noi. Il faraone chiede di inviare altro ferro, e il re degli Ittiti risponde evasivamente che le riserve di ferro sono esaurite e che i fabbri sono impegnati nei lavori agricoli, quindi non può soddisfare la richiesta del genero reale, e invia un solo pugnale da "ferro buono" (cioè acciaio). Come puoi vedere, gli Ittiti hanno cercato di usare le loro conoscenze per ottenere vantaggi militari e non hanno dato ad altri l'opportunità di raggiungerli. Apparentemente, quindi, i prodotti siderurgici si diffusero solo dopo la guerra di Troia e la caduta degli Ittiti, quando, grazie all'attività commerciale dei Greci, la tecnologia del ferro divenne nota a molti e furono scoperti nuovi giacimenti e miniere di ferro. Così l'età del bronzo fu sostituita dall'età del ferro.

Secondo le descrizioni di Omero, sebbene durante la guerra di Troia (circa 1250 aC) le armi fossero principalmente di rame e bronzo, il ferro era già noto e molto richiesto, sebbene più simile un metallo prezioso. Ad esempio, nella 23a canzone dell'Iliade, Omero dice che Achille ha premiato il vincitore in una gara di lancio del disco con un disco di ferro. Gli Achei estrassero questo ferro dai Troiani e dai popoli vicini (Iliade 7,473), compresi i Khalib, che combatterono dalla parte dei Troiani:

“Altri uomini degli Achei hanno comprato vino con me,
Quelli per il rame squillante, per il ferro grigio cambiato,
quelli per pelli di bue o buoi dalle corna alte,
Quelli per i loro prigionieri. E si prepara un'allegra festa..."

Forse il ferro fu uno dei motivi che spinsero i Greci achei a trasferirsi in Asia Minore, dove appresero i segreti della sua produzione. E gli scavi ad Atene lo hanno dimostrato già intorno al 1100 a.C. e. e in seguito erano già diffuse spade di ferro, lance, asce e persino chiodi di ferro. Il libro biblico di Giosuè 17:16 (cfr. Giudici 14:4) descrive che i Filistei (biblico "PILISTIM", e queste erano tribù protogreche imparentate con i successivi Elleni, principalmente Pelasgi) avevano molti carri di ferro, cioè, in questo il ferro è già ampiamente utilizzato in grandi quantità.

Omero nell'Iliade e nell'Odissea chiama il ferro "un metallo duro" e descrive l'indurimento degli strumenti:

“Un veloce falsario, avendo fatto un'ascia o un'ascia,
Metallo nell'acqua, riscaldandolo in modo che raddoppi
Aveva una fortezza, si immerge..."

Omero chiama il ferro difficile, perché anticamente il metodo principale per ottenerlo era il processo di soffiatura grezza: strati alternati di minerale di ferro e carbone venivano calcinati in apposite fornaci (fucine - dall'antico "Corno" - un corno, una pipa, originariamente era solo un tubo scavato nel terreno, solitamente orizzontalmente nel pendio di un burrone). Nel focolare, gli ossidi di ferro vengono ridotti a metallo dal carbone ardente, che porta via l'ossigeno, ossidandosi in monossido di carbonio e, come risultato di tale calcinazione del minerale con il carbone, si ottiene il ferro pastoso (spugnoso). Kritsu è stato ripulito dalle scorie forgiando, spremendo le impurità con forti colpi di martello. I primi focolari avevano una temperatura relativamente bassa, notevolmente inferiore al punto di fusione della ghisa, quindi il ferro si rivelò relativamente a basse emissioni di carbonio. Per ottenere un acciaio resistente, è stato necessario calcinare e forgiare più volte il ferro kritsa con carbone, mentre lo strato superficiale del metallo era ulteriormente saturo di carbonio e indurito. Fu così che si otteneva il "ferro buono" - e sebbene richiedesse molto lavoro, i prodotti ottenuti in questo modo erano significativamente più forti e duri di quelli di bronzo.

In futuro, hanno imparato a realizzare forni più efficienti (in russo - altoforno, domnitsa) per la produzione di acciaio e hanno utilizzato pellicce per fornire aria alla fornace. Già i romani erano in grado di portare la temperatura nella fornace alla fusione dell'acciaio (circa 1400 gradi, e il ferro puro fonde a 1535 gradi). In questo caso, la ghisa si forma con un punto di fusione di 1100-1200 gradi, che è molto fragile allo stato solido (nemmeno suscettibile di forgiatura) e non ha l'elasticità dell'acciaio. Inizialmente era considerato un sottoprodotto dannoso. ghisa, in russo, ghisa, lingotti, da dove, in effetti, deriva la parola ghisa), ma poi si è scoperto che quando viene rifusa in una fornace con un aumento dell'aria che la attraversa, la ghisa si trasforma in acciaio di buona qualità, in quanto in eccesso il carbonio si brucia. Un tale processo in due fasi per la produzione di acciaio dalla ghisa si è rivelato più semplice e redditizio del bloomery, e questo principio è stato utilizzato senza grandi cambiamenti per molti secoli, rimanendo fino ad oggi il metodo principale per la produzione di ferro materiali.

Bibliografia: Karl Bucks. Ricchezza dell'interno della terra. M.: Progresso, 1986, p.244, capitolo "Ferro"

origine del nome

Esistono diverse versioni dell'origine della parola slava "ferro" (bielorusso zhalez, ucraino zalizo, antico slavo. ferro da stiro, rigonfiamento. ferro, Serbohorv. zhezo, polacco. Zelazo, ceco železo, sloveno zelzo).

Una delle etimologie collega Praslav. *ZelEzo con la parola greca χαλκός , che significava ferro e rame, secondo un'altra versione *ZelEzo simile alle parole *zelante"tartaruga" e *occhio"rock", con il seme generale "pietra". La terza versione suggerisce un antico prestito da una lingua sconosciuta.

Le lingue germaniche presero in prestito il nome ferro (gotico. eisarn, Inglese ferro da stiro, Tedesco Eisen, inferno. ijzer, dat. jern, svedese jarn) dal celtico.

Parola praceltica *isarno-(> OE iarn, OE Bret hoiarn), probabilmente risale a Proto-IE. *h 1 esh 2 r-no- "sanguinoso" con lo sviluppo semantico "sanguinoso" > "rosso" > "ferro". Secondo un'altra ipotesi, questa parola risale a pra-i.e. *(H)ish 2ro- "forte, santo, dotato di potere soprannaturale" .

parola greca antica σίδηρος , potrebbe essere stato preso in prestito dalla stessa fonte delle parole slave, germaniche e baltiche per argento.

Il nome di carbonato di ferro naturale (siderite) deriva dal lat. sidereo- stellare; infatti, il primo ferro caduto nelle mani delle persone era di origine meteorica. Forse questa coincidenza non è casuale. In particolare, la parola greca antica sideros (σίδηρος) per ferro e latino sidus, che significa "stella", hanno probabilmente un'origine comune.

isotopi

Il ferro naturale è costituito da quattro isotopi stabili: 54 Fe (abbondanza isotopica 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) e 58 Fe (0,282%). Sono noti anche più di 20 isotopi del ferro instabili con numeri di massa da 45 a 72, i più stabili dei quali sono 60 Fe (l'emivita secondo i dati aggiornati nel 2009 è di 2,6 milioni di anni), 55 Fe (2.737 anni), 59 Fe (44.495 giorni) e 52 Fe (8.275 ore); i restanti isotopi hanno un'emivita inferiore a 10 minuti.

L'isotopo di ferro 56 Fe è tra i nuclei più stabili: tutti i seguenti elementi possono ridurre l'energia di legame per nucleone per decadimento e tutti gli elementi precedenti, in linea di principio, potrebbero ridurre l'energia di legame per nucleone a causa della fusione. Si ritiene che una serie di sintesi di elementi nei nuclei delle stelle normali termini con il ferro (vedi Stella di ferro) e tutti gli elementi successivi possano essere formati solo a seguito di esplosioni di supernova.

Geochimica del ferro

Sorgente idrotermale con acqua ferruginosa. Gli ossidi di ferro fanno diventare l'acqua marrone

Il ferro è uno degli elementi più abbondanti nel sistema solare, specialmente sui pianeti. gruppo terrestre in particolare sulla Terra. Una parte significativa del ferro dei pianeti terrestri si trova nei nuclei dei pianeti, dove si stima che il suo contenuto sia di circa il 90%. Il contenuto di ferro nella crosta terrestre è del 5% e nel mantello circa il 12%. Tra i metalli, il ferro è secondo solo all'alluminio in termini di abbondanza nella crosta. Allo stesso tempo, circa l'86% di tutto il ferro si trova nel nucleo e il 14% nel mantello. Il contenuto di ferro aumenta notevolmente nelle rocce ignee della composizione di base, dove è associato a pirosseno, anfibolo, olivina e biotite. Nelle concentrazioni industriali, il ferro si accumula durante quasi tutti i processi esogeni ed endogeni che si verificano nella crosta terrestre. Nell'acqua di mare il ferro è contenuto in quantità molto piccole di 0,002-0,02 mg/l. Nell'acqua del fiume, è leggermente superiore - 2 mg / l.

Proprietà geochimiche del ferro

La caratteristica geochimica più importante del ferro è la presenza di diversi stati di ossidazione. Il ferro in forma neutra - metallica - compone il nucleo della terra, forse presente nel mantello e molto raramente presente nella crosta terrestre. Il ferro ferroso FeO è la principale forma di ferro nel mantello e nella crosta terrestre. L'ossido di ferro Fe 2 O 3 è caratteristico delle parti superiori, più ossidate, della crosta terrestre, in particolare delle rocce sedimentarie.

In termini di proprietà cristallochimiche, lo ione Fe 2+ è vicino agli ioni Mg 2+ e Ca 2+, altri elementi principali che costituiscono una parte significativa di tutte le rocce terrestri. A causa della loro somiglianza cristallochimica, il ferro sostituisce il magnesio e, in parte, il calcio in molti silicati. Il contenuto di ferro nei minerali di composizione variabile di solito aumenta al diminuire della temperatura.

minerali di ferro

È noto un gran numero di minerali e minerali contenenti ferro. Di massima importanza pratica sono il minerale di ferro rosso (ematite, Fe 2 O 3; contiene fino al 70% di Fe), il minerale di ferro magnetico (magnetite, FeFe 2 O 4, Fe 3 O 4; contiene il 72,4% di Fe), il minerale di ferro marrone o limonite (goethite e idrogoethite, rispettivamente FeOOH e FeOOH nH 2 O). Goethite e idrogoethite si trovano più spesso nelle croste di agenti atmosferici, formando i cosiddetti "cappelli di ferro", il cui spessore raggiunge diverse centinaia di metri. Possono anche essere di origine sedimentaria, cadendo da soluzioni colloidali nei laghi o nelle zone costiere dei mari. In questo caso si formano minerali di ferro oolitici o legumi. Vivianite Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O si trova spesso in essi, formando cristalli neri allungati e aggregati radiali radianti.

In natura sono diffusi anche i solfuri di ferro: pirite FeS 2 (pirite di zolfo o ferro) e pirrotite. Non sono minerali di ferro: la pirite viene utilizzata per produrre acido solforico e la pirrotite spesso contiene nichel e cobalto.

In termini di riserve di minerale di ferro, la Russia è al primo posto nel mondo. Il contenuto di ferro nell'acqua di mare è 1·10 −5 -1·10 −8%.

Altri minerali di ferro comuni sono:

• Siderite - FeCO 3 - contiene circa il 35% di ferro. Ha un colore bianco-giallastro (con una sfumatura grigia o marrone in caso di contaminazione). La densità è di 3 g/cm³ e la durezza è di 3,5-4,5 sulla scala di Mohs.
• Marcasite - FeS 2 - contiene il 46,6% di ferro. Si presenta sotto forma di cristalli rombici bipiramidali gialli, come l'ottone, con una densità di 4,6-4,9 g / cm³ e una durezza di 5-6 sulla scala di Mohs.
• Lollingite - FeAs 2 - contiene il 27,2% di ferro e si presenta sotto forma di cristalli rombici bipiramidali bianco-argento. La densità è 7-7,4 g / cm³, la durezza è 5-5,5 sulla scala di Mohs.
• Mispikel - FeAsS - contiene il 34,3% di ferro. Si presenta sotto forma di prismi monoclini bianchi con una densità di 5,6-6,2 g / cm³ e una durezza di 5,5-6 sulla scala di Mohs.
• La melanterite - FeSO 4 7H 2 O - è meno comune in natura ed è un cristallo monoclino verde (o grigio per le impurità) con lucentezza vitrea, fragile. La densità è di 1,8-1,9 g/cm³.
• Vivianite - Fe 3 (PO 4) 2 8H 2 O - si presenta sotto forma di cristalli monoclini blu-grigio o verde-grigio con una densità di 2,95 g / cm³ e una durezza di 1,5-2 sulla scala di Mohs.

Oltre ai suddetti minerali di ferro, ci sono, ad esempio:

Principali depositi

Secondo l'US Geological Survey (stima del 2011), le riserve accertate di minerale di ferro nel mondo sono circa 178 miliardi di tonnellate. I principali giacimenti di ferro si trovano in Brasile (1° posto), Australia, USA, Canada, Svezia, Venezuela, Liberia, Ucraina, Francia, India. In Russia, il ferro viene estratto dall'anomalia magnetica di Kursk (KMA), dalla penisola di Kola, dalla Carelia e dalla Siberia. Recentemente, hanno acquisito un ruolo significativo i depositi oceanici di fondo, in cui il ferro, insieme al manganese e ad altri metalli preziosi, si trova nei noduli.

Ricevuta

Nell'industria, il ferro si ottiene dal minerale di ferro, principalmente dall'ematite (Fe 2 O 3) e dalla magnetite (FeO Fe 2 O 3).

Esistere vari modi estrazione del ferro dai minerali. Il più comune è il processo di dominio.

La prima fase della produzione è la riduzione del ferro con il carbonio in un altoforno alla temperatura di 2000°C. In un altoforno, il carbonio sotto forma di coke, il minerale di ferro sotto forma di sinterizzazione o pellet e il flusso (come il calcare) vengono immessi dall'alto e vengono accolti da un flusso di aria calda iniettata dal basso.

Nella fornace, il carbonio sotto forma di coke viene ossidato a monossido di carbonio. Questo ossido si forma durante la combustione in mancanza di ossigeno:

A sua volta, il monossido di carbonio recupera il ferro dal minerale. Per rendere questa reazione più veloce, il monossido di carbonio riscaldato viene fatto passare attraverso l'ossido di ferro (III):

L'ossido di calcio si combina con il biossido di silicio, formando una scoria - metasilicato di calcio:

Le scorie, a differenza del biossido di silicio, vengono fuse in una fornace. Più leggere del ferro, le scorie galleggiano sulla superficie: questa proprietà consente di separare le scorie dal metallo. Le scorie possono quindi essere utilizzate nell'edilizia e nell'agricoltura. Il fuso di ferro ottenuto in un altoforno contiene molto carbonio (ghisa). Tranne in questi casi, quando la ghisa viene utilizzata direttamente, richiede un'ulteriore lavorazione.

Il carbonio in eccesso e altre impurità (zolfo, fosforo) vengono rimossi dalla ghisa mediante ossidazione in forni a focolare aperto o in convertitori. I forni elettrici sono utilizzati anche per la fusione di acciai legati.

Oltre al processo di altoforno, è comune il processo di produzione diretta del ferro. In questo caso, il minerale prefrantumato viene mescolato con argilla speciale per formare pellet. I pellet vengono tostati e trattati in un forno a tino con prodotti caldi di conversione del metano che contengono idrogeno. L'idrogeno riduce facilmente il ferro:

,

mentre non c'è contaminazione del ferro con impurità come zolfo e fosforo, che sono impurità comuni nel carbone. Il ferro si ottiene in forma solida e poi fuso in forni elettrici.

Il ferro chimicamente puro si ottiene per elettrolisi delle soluzioni dei suoi sali.

Proprietà fisiche

Il fenomeno del polimorfismo è estremamente importante per la metallurgia dell'acciaio. È grazie alle transizioni α-γ del reticolo cristallino che avviene il trattamento termico dell'acciaio. Senza questo fenomeno, il ferro come base dell'acciaio non avrebbe ricevuto un uso così diffuso.

Il ferro è un metallo moderatamente refrattario. In una serie di potenziali elettrodi standard, il ferro sta prima dell'idrogeno e reagisce facilmente con gli acidi diluiti. Pertanto, il ferro appartiene ai metalli di media attività.

Il punto di fusione del ferro è 1539 °C, il punto di ebollizione è 2862 °C.

Proprietà chimiche

Stati di ossidazione caratteristici

• L'acido non esiste nella sua forma libera - sono stati ottenuti solo i suoi sali.

Per il ferro, gli stati di ossidazione del ferro sono caratteristici - +2 e +3.

Lo stato di ossidazione +2 corrisponde all'ossido nero FeO e all'idrossido verde Fe(OH) 2 . Sono fondamentali. Nei sali, Fe(+2) è presente come catione. Fe(+2) è un agente riducente debole.

+3 stati di ossidazione corrispondono all'ossido di Fe 2 O 3 rosso-bruno e all'idrossido di Fe(OH) 3 marrone. Sono di natura anfotera, sebbene le loro proprietà acide e basiche siano debolmente espresse. Pertanto, gli ioni Fe 3+ vengono completamente idrolizzati anche in un ambiente acido. Fe (OH) 3 si dissolve (e anche allora non completamente), solo in alcali concentrati. Fe 2 O 3 reagisce con gli alcali solo quando fusi, dando ferriti (sali formali di un acido che non esiste in forma libera di acido HFeO 2):

Il ferro (+3) mostra più spesso deboli proprietà ossidanti.

Gli stati di ossidazione +2 e +3 passano facilmente tra loro quando cambiano le condizioni redox.

Inoltre, c'è l'ossido di Fe 3 O 4, lo stato di ossidazione formale del ferro in cui è +8/3. Tuttavia, questo ossido può anche essere considerato come ferrite di ferro (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2 .

C'è anche uno stato di ossidazione di +6. L'ossido e l'idrossido corrispondenti non esistono in forma libera, ma sono stati ottenuti sali - ferrati (ad esempio K 2 FeO 4). Il ferro (+6) è in loro sotto forma di anione. I ferrati sono forti agenti ossidanti.

Proprietà di una sostanza semplice

Se conservato in aria a temperature fino a 200 ° C, il ferro viene gradualmente ricoperto da un denso film di ossido, che impedisce un'ulteriore ossidazione del metallo. Nell'aria umida, il ferro è ricoperto da uno strato sciolto di ruggine, che non impedisce l'accesso di ossigeno e umidità al metallo e la sua distruzione. La ruggine non ha permanente Composizione chimica, approssimativamente la sua formula chimica può essere scritta come Fe 2 O 3 xH 2 O.

Composti di ferro(II).

L'ossido di ferro (II) FeO ha proprietà di base, corrisponde alla base Fe (OH) 2. I sali di ferro (II) hanno un colore verde chiaro. Se conservati, specialmente in aria umida, diventano marroni a causa dell'ossidazione al ferro (III). Lo stesso processo si verifica durante la conservazione di soluzioni acquose di sali di ferro (II):

Dei sali di ferro (II) in soluzioni acquose, il sale di Mohr è stabile: doppio solfato di ammonio e ferro (II) (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O.

L'esacianoferrato di potassio (III) K 3 (sale rosso del sangue) può fungere da reagente per gli ioni Fe 2+ in soluzione. Quando gli ioni Fe 2+ e 3− interagiscono, il blu di turnbull precipita:

Per quantificazione ferro (II) in soluzione, viene utilizzata la fenantrolina Phen, che forma un complesso FePhen 3 rosso con il ferro (II) (assorbimento massimo della luce - 520 nm) in un ampio intervallo di pH (4-9).

Composti di ferro(III).

I composti di ferro (III) nelle soluzioni sono ridotti dal ferro metallico:

Il ferro (III) è in grado di formare doppi solfati con cationi di tipo allume caricati singolarmente, ad esempio KFe (SO 4) 2 - allume di ferro e potassio, (NH 4) Fe (SO 4) 2 - allume di ferro e ammonio, ecc.

Per il rilevamento qualitativo dei composti di ferro(III) in soluzione, viene utilizzata la reazione qualitativa degli ioni Fe 3+ con gli ioni tiocianato SCN −. Quando gli ioni Fe 3+ interagiscono con gli anioni SCN −, si forma una miscela di complessi tiocianato di ferro rosso brillante 2+ , + , Fe(SCN) 3 , -. La composizione della miscela (e quindi l'intensità del suo colore) dipende da vari fattori, quindi questo metodo non è applicabile per la determinazione qualitativa accurata del ferro.

Un altro reagente di alta qualità per gli ioni Fe 3+ è l'esacianoferrato di potassio (II) K 4 (sale sanguigno giallo). Quando gli ioni Fe 3+ e 4− interagiscono, precipita un precipitato blu brillante di blu di Prussia:

Composti di ferro(VI).

Le proprietà ossidanti delle ferrate vengono utilizzate per disinfettare l'acqua.

Composti di ferro VII e VIII

Ci sono rapporti sulla preparazione elettrochimica dei composti di ferro (VIII). , , , tuttavia, non esistono opere indipendenti che confermino questi risultati.

Applicazione

Minerale di ferro

Il ferro è uno dei metalli più utilizzati, rappresentando fino al 95% della produzione metallurgica mondiale.

• Il ferro è il componente principale di acciai e ghise, i materiali strutturali più importanti.
• Il ferro può far parte di leghe a base di altri metalli, ad esempio il nichel.
• L'ossido di ferro magnetico (magnetite) è un materiale importante nella produzione di dispositivi di memoria per computer a lungo termine: dischi rigidi, floppy disk, ecc.
• La polvere di magnetite ultrafine viene utilizzata in molte stampanti laser in bianco e nero miscelata con granuli polimerici come toner. Utilizza sia il colore nero della magnetite che la sua capacità di aderire a un rullo di trasferimento magnetizzato.
• Le proprietà ferromagnetiche uniche di un certo numero di leghe a base di ferro contribuiscono al loro uso diffuso nell'ingegneria elettrica per i circuiti magnetici di trasformatori e motori elettrici.
• Il cloruro di ferro (III) (cloruro ferrico) viene utilizzato nella pratica radioamatoriale per incidere i circuiti stampati.
• Il solfato ferroso (solfato di ferro) mescolato con solfato di rame viene utilizzato per controllare i funghi dannosi nel giardinaggio e nell'edilizia.
• Il ferro è usato come anodo nelle batterie ferro-nichel, batterie ferro-aria.
• Le soluzioni acquose di cloruri di ferro bivalente e ferrico, nonché i suoi solfati, sono utilizzate come coagulanti nella purificazione delle acque naturali e reflue nel trattamento delle acque delle imprese industriali.

Il significato biologico del ferro

Negli organismi viventi, il ferro è un importante oligoelemento che catalizza i processi di scambio di ossigeno (respirazione). Il corpo di un adulto contiene circa 3,5 grammi di ferro (circa lo 0,02%), di cui il 78% è il principale elemento attivo dell'emoglobina nel sangue, il resto fa parte degli enzimi di altre cellule, catalizzando i processi di respirazione nelle cellule. La carenza di ferro si manifesta come una malattia del corpo (clorosi nelle piante e anemia negli animali).

Normalmente, il ferro entra negli enzimi come un complesso chiamato eme. In particolare, questo complesso è presente nell'emoglobina, la più importante proteina che assicura il trasporto dell'ossigeno con il sangue a tutti gli organi dell'uomo e degli animali. Ed è lui che macchia il sangue di un caratteristico colore rosso.

Complessi di ferro diversi dall'eme si trovano, ad esempio, nell'enzima metano monoossigenasi, che ossida il metano a metanolo, nell'importante enzima ribonucleotide reduttasi, che è coinvolto nella sintesi del DNA.

I composti inorganici del ferro si trovano in alcuni batteri e talvolta sono usati da loro per legare l'azoto atmosferico.

Il ferro entra nel corpo degli animali e dell'uomo con il cibo (il fegato, la carne, le uova, i legumi, il pane, i cereali, le barbabietole ne sono i più ricchi). È interessante notare che una volta gli spinaci sono stati erroneamente inclusi in questo elenco (a causa di un errore di battitura nei risultati dell'analisi: lo zero "extra" dopo la virgola è stato perso).

Una dose eccessiva di ferro (200 mg o più) può essere tossica. Un sovradosaggio di ferro deprime il sistema antiossidante del corpo, quindi non è consigliabile utilizzare preparati a base di ferro per persone sane.

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Guarda anche

• Categoria: Composti di ferro

Collegamenti

• Malattie causate da carenza ed eccesso di ferro nel corpo umano

Sistema periodico di elementi chimici di D. I. Mendeleev
																						Fe

Il ferro è il principale materiale strutturale. Il metallo è usato letteralmente ovunque: dai razzi e sottomarini alle posate e agli ornamenti forgiati sulla griglia. In larga misura, ciò è facilitato da un elemento in natura. Tuttavia, la vera ragione è, tuttavia, la sua forza e durata.

In questo articolo, caratterizzeremo il ferro come un metallo, indicheremo le sue utili proprietà fisiche e chimiche. Separatamente, spieghiamo perché il ferro è chiamato metallo ferroso, come si differenzia dagli altri metalli.

Per quanto strano possa sembrare, a volte sorge ancora la domanda se il ferro sia un metallo o un non metallo. Il ferro è un elemento dell'8° gruppo, 4 periodi della tavola di D. I. Mendeleev. Il peso molecolare è 55,8, che è abbastanza.

Questo è un metallo grigio argento, piuttosto morbido, duttile, con proprietà magnetiche. In effetti, il ferro puro si trova e viene utilizzato molto raramente, poiché il metallo è chimicamente attivo ed entra in una varietà di reazioni.

A proposito di cos'è il ferro, questo video dirà:

Concetto e caratteristiche

Il ferro è solitamente chiamato una lega con una piccola percentuale di impurità - fino allo 0,8%, che conserva quasi tutte le proprietà del metallo. Non è nemmeno questa opzione che trova largo impiego, ma acciaio e ghisa. Il suo nome - metallo ferroso, ferro, o meglio, lo stesso ghisa e acciaio, ricevuto a causa del colore del minerale - nero.

Oggi le leghe di ferro sono chiamate metalli ferrosi: acciaio, ghisa, ferrite, manganese e talvolta cromo.

Il ferro è un elemento molto comune. In termini di contenuto nella crosta terrestre, è al 4° posto, dietro l'ossigeno, e. Il nucleo della Terra contiene l'86% di ferro e solo il 14% - nel mantello. Nell'acqua di mare, la sostanza contiene pochissimo - fino a 0,02 mg / l, nell'acqua di fiume un po' di più - fino a 2 mg / l.

Il ferro è un metallo tipico e anche abbastanza attivo. Reagisce con acidi diluiti e concentrati, ma sotto l'azione di agenti ossidanti molto forti può formare sali di ferro. Nell'aria, il ferro si ricopre rapidamente di una pellicola di ossido che impedisce ulteriori reazioni.

Tuttavia, in presenza di umidità, invece di un film di ossido, appare la ruggine che, a causa della sua struttura sciolta, non impedisce un'ulteriore ossidazione. Questa caratteristica - corrosione in presenza di umidità - è il principale svantaggio delle leghe di ferro. Vale la pena notare che le impurità provocano corrosione, mentre il metallo chimicamente puro è resistente all'acqua.

Parametri importanti

Il ferro metallico puro è abbastanza duttile, si presta bene alla forgiatura e viene fuso male. Tuttavia, piccole impurità di carbonio ne aumentano significativamente la durezza e la fragilità. Questa qualità divenne una delle ragioni per lo spostamento degli strumenti di bronzo da quelli di ferro.

• Se confrontiamo le leghe di ferro e, da quelle che erano conosciute nel mondo antico, è ovvio che, sia in termini di resistenza alla corrosione, e, quindi, in termini di durabilità. Tuttavia, la massa ha portato all'esaurimento delle miniere di stagno. E, poiché è molto inferiore a, i metallurgisti del passato avevano la questione della sostituzione. E il ferro ha sostituito il bronzo. Quest'ultimo è stato completamente soppiantato quando è apparso l'acciaio: il bronzo non dà una tale combinazione di durezza ed elasticità.
• Il ferro forma una triade di ferro con il cobalto. Le proprietà degli elementi sono molto vicine, più vicine delle loro controparti con la stessa struttura dello strato esterno. Tutti i metalli hanno ottime proprietà meccaniche: sono facilmente lavorabili, laminati, stirati, possono essere forgiati e stampati. Il cobalto è meno reattivo e più resistente alla corrosione del ferro. Tuttavia, la minore prevalenza di questi elementi non ne consente un uso tanto diffuso quanto il ferro.
• Il principale "concorrente" del ferro in termini di utilizzo è. Ma in realtà, entrambi i materiali hanno qualità completamente diverse. lungi dall'essere forte come il ferro, si allunga peggio, non si può forgiare. Differisce invece il metallo, molto meno il peso, che facilita notevolmente il design.

La conduttività elettrica del ferro è molto media, mentre l'alluminio in questo indicatore è secondo solo all'argento e all'oro. Il ferro è un ferromagnete, cioè rimane magnetizzato in assenza di un campo magnetico e viene attirato in un campo magnetico.

Proprietà così diverse portano a campi di applicazione completamente diversi, tanto che i materiali strutturali "combattono" molto raramente, ad esempio nella produzione di mobili, dove la leggerezza di un profilo in alluminio si contrappone alla resistenza di uno in acciaio.

I vantaggi e gli svantaggi del ferro sono discussi di seguito.

Pro e contro

Il principale vantaggio del ferro rispetto ad altri metalli strutturali è la prevalenza e la relativa facilità di fusione. Ma, considerando quanto ferro viene utilizzato, questo è un fattore molto importante.

Vantaggi

I vantaggi del metallo includono altre qualità.

• Forza e durezza pur mantenendo l'elasticità: non stiamo parlando di ferro chimicamente puro, ma di leghe. Inoltre, queste qualità variano in un intervallo abbastanza ampio a seconda del tipo di acciaio, del metodo di trattamento termico, del metodo di produzione e così via.
• Una varietà di acciai e ferriti consente di creare e selezionare un materiale per letteralmente qualsiasi attività, dal telaio del ponte all'utensile da taglio. La capacità di ottenere le proprietà desiderate aggiungendo impurità molto piccole è un vantaggio insolitamente grande.
• La facilità di lavorazione permette di ottenere i prodotti di più diverso tipo: barre, tubi, sagomati, travi, lamiere ecc.
• Le proprietà magnetiche del ferro sono tali che il metallo è il materiale principale nella produzione di azionamenti magnetici.
• Il costo delle leghe, ovviamente, dipende dalla composizione, ma è comunque significativamente inferiore a quello della maggior parte delle leghe non ferrose, sebbene con caratteristiche di resistenza più elevate.
• La duttilità del ferro conferisce al materiale possibilità decorative molto elevate.

Screpolatura

Gli svantaggi delle leghe di ferro sono significativi.

• Prima di tutto, questa è una resistenza alla corrosione insufficiente. Tipi speciali di acciai - inossidabili, hanno questa qualità utile, ma sono molto più costosi. Molto più spesso, il metallo è protetto da un rivestimento: metallo o polimero.
• Il ferro è in grado di accumulare elettricità, quindi i prodotti realizzati con le sue leghe sono soggetti a corrosione elettrochimica. Casi di dispositivi e macchine, tubazioni devono essere protetti in qualche modo: protezione catodica, protezione del battistrada e così via.
• Il metallo è pesante, quindi le strutture in ferro aumentano significativamente il peso dell'oggetto da costruzione: un edificio, un vagone ferroviario, una nave marittima.

Composizione e struttura

Il ferro esiste in 4 diverse modifiche, che differiscono l'una dall'altra nei parametri e nella struttura del reticolo. La presenza delle fasi è davvero di importanza decisiva per la fusione, poiché sono proprio le transizioni di fase e la loro dipendenza dagli elementi di lega che assicurano il corso stesso dei processi metallurgici in questo mondo. Parliamo quindi delle seguenti fasi:

• La fase α è stabile fino a +769 C, ha un reticolo cubico centrato sul corpo. La fase α è ferromagnetica, cioè mantiene la sua magnetizzazione in assenza di campo magnetico. Una temperatura di 769 C è il punto di Curie per il metallo.
• La fase β esiste da +769 C a +917 C. La struttura della modifica è la stessa, ma i parametri del reticolo sono leggermente diversi. Allo stesso tempo, quasi tutti Proprietà fisiche ad eccezione del magnetico: il ferro diventa paramagnetico.
• γ - la fase appare nell'intervallo da +917 a +1394 C. Ha un reticolo cubico a facce centrate.
• La fase δ esiste al di sopra di una temperatura di +1394 C e ha un reticolo cubico centrato sul corpo.

C'è anche una modifica ε, che appare ad alta pressione, oltre che come risultato del doping con alcuni elementi. La fase ε ha un reticolo esagonale compatto.

Questo video parlerà delle proprietà fisiche e chimiche del ferro:

Proprietà e caratteristiche

Molto dipende dalla sua purezza. La differenza tra le proprietà del ferro chimicamente puro e dell'acciaio tecnico ordinario, e ancor più legato, è molto significativa. Di solito, caratteristiche fisiche risultato per ferro tecnico con un contenuto di impurità dello 0,8%.

È necessario distinguere le impurità nocive dagli additivi leganti. I primi, zolfo e fosforo, ad esempio, conferiscono fragilità alla lega senza aumentare la durezza o la resistenza meccanica. Il carbonio nell'acciaio aumenta questi parametri, cioè è un componente utile.

• La densità del ferro (g/cm3) dipende in una certa misura dalla fase. Quindi, α-Fe ha una densità di 7,87 g / cu. cm a temperatura normale e 7,67 g/cu. cm a +600 C. La densità della fase γ è inferiore - 7,59 g / cu. cm e la fase δ è ancora inferiore - 7,409 g / cc.
• Il punto di fusione della sostanza è +1539 C. Il ferro appartiene a metalli moderatamente refrattari.
• Punto di ebollizione - +2862 C.
• La forza, ovvero la resistenza a carichi di vario tipo: pressione, tensione, flessione, è regolata per ogni grado di acciaio, ghisa e ferrite, quindi è difficile parlare di questi indicatori in generale. Pertanto, gli acciai ad alta velocità hanno una resistenza alla flessione pari a 2,5–2,8 GPa. E lo stesso parametro del ferro tecnico convenzionale è 300 MPa.
• Durezza sulla scala di Mohs - 4-5. Gli acciai speciali e il ferro chimicamente puro ottengono tassi molto più elevati.
• Resistenza elettrica specifica 9,7·10-8 ohm·m. Il ferro conduce la corrente molto peggio del rame o dell'alluminio.
• Anche la conducibilità termica è inferiore a quella di questi metalli e dipende dalla composizione delle fasi. A 25°C è 74,04 W/(mK), a 1500°C è 31,8 [W/(m.K)].
• Il ferro è perfettamente forgiato, sia a temperature normali che elevate. Ghisa e acciaio possono essere fusi.
• Una sostanza non può essere definita biologicamente inerte. Tuttavia, la sua tossicità è molto bassa. Questo è connesso, però, non tanto con l'attività dell'elemento, quanto con l'incapacità del corpo umano di assorbirlo bene: il massimo è del 20% della dose ricevuta.

Il ferro non può essere attribuito a sostanze ambientali. Tuttavia, il principale danno per l'ambiente non è causato dai suoi rifiuti, poiché il ferro si arrugginisce abbastanza rapidamente, ma dai rifiuti di produzione: scorie, gas rilasciati.

Produzione

Il ferro è uno degli elementi più comuni, quindi non richiede grandi spese. I depositi vengono sviluppati sia con metodi aperti che minerari. In effetti, tutti i minerali minerari includono il ferro, ma vengono sviluppati solo quelli in cui la proporzione di metallo è sufficientemente grande. Si tratta di minerali ricchi - minerale di ferro rosso, magnetico e marrone con un contenuto di ferro fino al 74%, minerali con un contenuto medio - marcasite, ad esempio, e minerali poveri con un contenuto di ferro almeno del 26% - siderite.

Il minerale ricco viene immediatamente inviato all'impianto. Le razze a medio e basso contenuto si arricchiscono.

Esistono diversi metodi per produrre leghe di ferro. Di norma, la fusione di qualsiasi acciaio include la produzione di ghisa. Viene fuso in un altoforno a una temperatura di 1600 C. La carica - sinterizzazione, pellet, viene caricata nel forno insieme al flusso e soffiata con aria calda. In questo caso, il metallo si scioglie e il coke brucia, il che consente di bruciare le impurità indesiderate e separare le scorie.

Per ottenere l'acciaio, viene solitamente utilizzata la ghisa bianca, in cui è legato il carbonio composto chimico con ferro. I 3 modi più comuni sono:

• focolare aperto - il ferro fuso con l'aggiunta di minerale e rottami viene fuso a 2000 C per ridurre il contenuto di carbonio. Eventuali ingredienti aggiuntivi vengono aggiunti alla fine della fusione. In questo modo si ottiene l'acciaio di altissima qualità.
• convertitore di ossigeno: un metodo più produttivo. Nella fornace, lo spessore della ghisa viene soffiato con aria ad una pressione di 26 kg / mq. vedi Una miscela di ossigeno con aria o ossigeno puro può essere utilizzata per migliorare le proprietà dell'acciaio;
• elettrofusione - più spesso utilizzato per produrre acciai legati speciali. La ghisa viene cotta in un forno elettrico ad una temperatura di 2200 C.

L'acciaio può essere ottenuto anche con il metodo diretto. Per fare ciò, i pellet con un alto contenuto di ferro vengono caricati in un forno a tino e soffiati con idrogeno a una temperatura di 1000 C. Quest'ultimo ripristina il ferro dall'ossido senza passaggi intermedi.

In connessione con le specifiche della metallurgia ferrosa, vengono venduti minerali con un certo contenuto di ferro o prodotti finiti - ghisa, acciaio, ferrite. Il loro prezzo è molto diverso. Il costo medio del minerale di ferro nel 2016 - ricco, con un contenuto di elementi superiore al 60%, è di $ 50 per tonnellata.

Il costo dell'acciaio dipende da molti fattori, il che a volte rende gli alti e bassi dei prezzi del tutto imprevedibili. Nell'autunno del 2016, il costo del tondo per cemento armato, dell'acciaio laminato a caldo ea freddo è aumentato notevolmente a causa di un altrettanto forte aumento dei prezzi del carbone da coke, un partecipante indispensabile nella fusione. A novembre, le aziende europee offrono una bobina di acciaio laminato a caldo a 500 euro per tonnellata.

Area di applicazione

L'ambito di utilizzo del ferro e delle leghe di ferro è enorme. È più facile indicare dove il metallo non viene utilizzato.

• Costruzione: la costruzione di tutti i tipi di telai, dal telaio portante del ponte, al caminetto decorativo nell'appartamento, non può fare a meno dell'acciaio diverse varietà. Raccordi, tiranti, travi a I, canali, angoli, tubi: in edilizia vengono utilizzati assolutamente tutti i prodotti sagomati e componibili. Lo stesso vale per la lamiera: ne viene ricavata la copertura e così via.
• Ingegneria meccanica - c'è molto poco che può essere paragonato all'acciaio in termini di resistenza e resistenza all'usura, quindi le parti del corpo della stragrande maggioranza delle macchine sono realizzate in acciaio. Soprattutto nei casi in cui l'apparecchiatura deve funzionare a temperature e pressioni elevate.
• Strumenti: con l'aiuto di elementi di lega e tempra, al metallo può essere conferita durezza e resistenza vicino ai diamanti. Gli acciai ad alta velocità sono la base di qualsiasi utensile da lavorazione.
• In ingegneria elettrica l'uso del ferro è più limitato, proprio perché le impurità peggiorano notevolmente le sue proprietà elettriche, e sono già piccole. Ma il metallo è indispensabile nella produzione di parti magnetiche di apparecchiature elettriche.
• Gasdotto: le comunicazioni di qualsiasi tipo e tipo sono realizzate in acciaio e ghisa: riscaldamento, condotte idriche, gasdotti, comprese le linee principali, guaine per cavi elettrici, oleodotti e così via. Solo l'acciaio è in grado di sopportare carichi e pressioni interne così enormi.
• Uso domestico - L'acciaio è usato ovunque: dagli accessori e posate alle porte e serrature in ferro. La robustezza del metallo e la resistenza all'usura lo rendono indispensabile.

Il ferro e le sue leghe combinano forza, durata e resistenza all'usura. Inoltre, il metallo è relativamente economico da produrre, il che lo rende un materiale indispensabile per l'economia nazionale moderna.

A proposito di leghe di ferro con metalli non ferrosi e nero pesante diranno questo video:

Il corpo umano contiene circa 5 g di ferro, la maggior parte (70%) fa parte dell'emoglobina nel sangue.

Proprietà fisiche

Allo stato libero, il ferro è un metallo bianco argenteo con una sfumatura grigiastra. Il ferro puro è duttile e ha proprietà ferromagnetiche. In pratica vengono comunemente utilizzate leghe di ferro: ghise e acciai.

Fe è l'elemento più importante e più comune dei nove d-metalli del sottogruppo secondario del gruppo VIII. Insieme al cobalto e al nichel forma la "famiglia del ferro".

Quando forma composti con altri elementi, usa spesso 2 o 3 elettroni (B \u003d II, III).

Il ferro, come quasi tutti gli elementi d del gruppo VIII, non mostra una valenza maggiore pari al numero del gruppo. La sua valenza massima raggiunge VI ed è estremamente rara.

I composti più tipici sono quelli in cui gli atomi di Fe si trovano negli stati di ossidazione +2 e +3.

Metodi per ottenere il ferro

1. Il ferro commerciale (in una lega con carbonio e altre impurità) si ottiene per riduzione carbotermica dei suoi composti naturali secondo lo schema:

Il recupero avviene gradualmente, in 3 fasi:

1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO = 3Fe O + CO 2

3) FeO + CO \u003d Fe + CO 2

La ghisa risultante da questo processo contiene più del 2% di carbonio. In futuro, gli acciai sono ottenuti da leghe di ghisa contenenti meno dell'1,5% di carbonio.

2. Il ferro purissimo si ottiene in uno dei seguenti modi:

a) decomposizione del pentacarbonil Fe

Fe(CO) 5 = Fe + 5CO

b) riduzione dell'idrogeno di FeO puro

FeO + H 2 \u003d Fe + H 2 O

c) elettrolisi di soluzioni acquose di sali di Fe+2

FeC 2 O 4 \u003d Fe + 2СO 2

ferro(II) ossalato

Proprietà chimiche

Fe - un metallo di media attività, mostra proprietà generali caratteristiche dei metalli.

Una caratteristica unica è la capacità di "arrugginire" in aria umida:

In assenza di umidità con aria secca, il ferro inizia a reagire sensibilmente solo a T > 150°C; una volta calcinato, si forma la "scaglia di ferro" Fe 3 O 4:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

Il ferro non si dissolve in acqua in assenza di ossigeno. A temperature molto elevate, Fe reagisce con il vapore acqueo, spostando l'idrogeno dalle molecole d'acqua:

3 Fe + 4H 2 O (g) \u003d 4H 2

Il processo di ruggine nel suo meccanismo è la corrosione elettrochimica. Il prodotto ruggine è presentato in forma semplificata. Si forma infatti uno strato incoerente di una miscela di ossidi e idrossidi di composizione variabile. A differenza del film Al 2 O 3, questo strato non protegge il ferro da ulteriori distruzioni.

Tipi di corrosione

Protezione dalla corrosione del ferro

1. Interazione con alogeni e zolfo ad alta temperatura.

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

2Fe + 3F 2 = 2FeF 3

Fe + I 2 \u003d FeI 2

Si formano composti in cui predomina il tipo di legame ionico.

2. Interazione con fosforo, carbonio, silicio (il ferro non si combina direttamente con N 2 e H 2, ma li dissolve).

Fe + P = Fe x P y

Fe + C = Fe x C y

Fe + Si = FexSiy

Si formano sostanze a composizione variabile, poiché berthollides (nei composti prevale la natura covalente del legame)

3. Interazione con acidi "non ossidanti" (HCl, H 2 SO 4 dil.)

Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2

Poiché Fe si trova nella serie di attività a sinistra dell'idrogeno (E ° Fe / Fe 2+ \u003d -0,44 V), è in grado di spostare H 2 dagli acidi ordinari.

Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2

4. Interazione con acidi "ossidanti" (HNO 3 , H 2 SO 4 conc.)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+

HNO 3 concentrato e H 2 SO 4 "passiva" il ferro, quindi a temperature normali il metallo non si dissolve in essi. Con un forte riscaldamento si verifica una lenta dissoluzione (senza rilascio di H 2).

In razb. Il ferro HNO 3 si dissolve, va in soluzione sotto forma di cationi Fe 3+ e l'anione acido viene ridotto a NO *:

Fe + 4HNO 3 \u003d Fe (NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Si scioglie molto bene in una miscela di HCl e HNO 3

5. Atteggiamento verso gli alcali

Fe non si dissolve in soluzioni acquose di alcali. Reagisce con alcali fusi solo a temperature molto elevate.

6. Interazione con sali di metalli meno attivi

Fe + CuSO 4 \u003d FeSO 4 + Cu

Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. Interazione con monossido di carbonio gassoso (t = 200°C, P)

Fe (polvere) + 5CO (g) \u003d Fe 0 (CO) 5 pentacarbonile di ferro

Composti Fe(III).

Fe 2 O 3 - ossido di ferro (III).

Polvere rosso-marrone, n. R. in H 2 O. In natura - "minerale di ferro rosso".

Modi per ottenere:

1) decomposizione dell'idrossido di ferro (III)

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

2) torrefazione della pirite

4FeS 2 + 11O 2 \u003d 8SO 2 + 2Fe 2 O 3

3) decomposizione dei nitrati

Proprietà chimiche

Fe 2 O 3 è un ossido basico con segni di anfoterismo.

I. Le principali proprietà si manifestano nella capacità di reagire con gli acidi:

Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZH 2 O

Fe 2 O 3 + 6HCI \u003d 2FeCI 3 + 3H 2 O

Fe 2 O 3 + 6HNO 3 \u003d 2Fe (NO 3) 3 + 3H 2 O

II. Debole proprietà acide. Fe 2 O 3 non si dissolve in soluzioni acquose di alcali, ma quando fuso con ossidi solidi, alcali e carbonati, si formano ferriti:

Fe 2 O 3 + CaO \u003d Ca (FeO 2) 2

Fe 2 O 3 + 2NaOH \u003d 2NaFeO 2 + H 2 O

Fe 2 O 3 + MgCO 3 \u003d Mg (FeO 2) 2 + CO 2

III. Fe 2 O 3 - materia prima per la produzione di ferro nella metallurgia:

Fe 2 O 3 + ZS \u003d 2Fe + ZSO o Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2

Fe (OH) 3 - idrossido di ferro (III).

Modi per ottenere:

Ottenuto dall'azione degli alcali su sali solubili Fe3+:

FeCl 3 + 3NaOH \u003d Fe (OH) 3 + 3NaCl

Al momento della ricezione di Fe(OH) 3 - precipitato mucomorfo rosso-marrone.

L'idrossido di Fe (III) si forma anche durante l'ossidazione di Fe e Fe (OH) 2 in aria umida:

4Fe + 6H 2 O + 3O 2 \u003d 4Fe (OH) 3

4Fe(OH) 2 + 2Í 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3

L'idrossido di Fe(III) è il prodotto finale dell'idrolisi dei sali di Fe 3+.

Proprietà chimiche

Fe(OH) 3 è una base molto debole (molto più debole di Fe(OH) 2). Mostra notevoli proprietà acide. Pertanto, Fe (OH) 3 ha un carattere anfotero:

1) le reazioni con gli acidi procedono facilmente:

2) un precipitato fresco di Fe(OH) 3 viene sciolto in caldo conc. soluzioni di KOH o NaOH con formazione di complessi idrossilici:

Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K 3

In una soluzione alcalina, Fe (OH) 3 può essere ossidato a ferrati (sali dell'acido di ferro H 2 FeO 4 non isolati allo stato libero):

2Fe(OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O

Sali Fe 3+

I più praticamente importanti sono: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe (NO 3) 3, Fe (SCN) 3, K 3 4 - sale sanguigno giallo \u003d Fe 4 3 Blu di Prussia (precipitato blu scuro)

b) Fe 3+ + 3SCN - \u003d Fe (SCN) 3 Fe (III) tiocianato (soluzione rosso sangue)