Дополнительный материал для учителя Аннотация

Дополнительный материал для учителя
по теме «Что ни век, то век железный»
Аннотация
В предлагаемом дополнительном материале даны расширенные сведения по
истории использования железа человеком, нахождению железа в природе,
основным соединениям железа, физиологическим свойствам железа,
применению железа, а также интересные факты о железе.
История использования железа человеком
Железо известно с древних времен. Самые первые изделия, выполненные из
железа, были найдены во время археологических раскопок. Датируются
предметы IV тысячами лет до нашей эры, это наследие древнеегипетской и
древнешумерской цивилизаций. Железные изделия того времени
представляли собой украшения и наконечники для оружия (рис.5). При
изготовлении этих предметов использовали метеоритное железо (рис.1), а
вернее сплав железа с никелем, который встречается в падающих на землю
метеоритах. Во многих языках остались реминисценции о железе, как
небесном металле.
В Месопотамии, Египте, Анатолии во II-III вв. до н.э. стали появляться
первые изделия, выполненные из переплавленного железа, в их составе уже
не было никеля. В основном железо использовалось в культовых
принадлежностях. Вероятнее всего, в то далекое время железо было самым
дорогим металлом, дороже даже золота.
Во времена античной Греции оружие изготавливали в основном из бронзы.
Но в 23-й песне «Илиады» Гомер рассказал, что по окончании соревнования
по дискоболу Ахилл наградил победителя железным диском. В середине II
века до нашей эры производство железа повсеместно распространялось в
Передней Азии (Ближний Восток), но большую часть все же составляли
изделия из бронзы.
В XII – X вв. до н.э. в Передней Азии произошел скачок в производстве
металлических приспособлений. Теперь оружие и другие предметы
производили не из бронзы, а из железа. Такой скачок вероятнее всего был
вызван не появлением прогрессивных методов производства железа, а
перебоями поставок олова – одного из главных компонентов бронзы. Период
массового перехода на производство железных изделий называют Железным
веком.
В древние времена основным способом получения железа был сыродутный
метод. В специальных горнах прокаливались перемежающиеся слои
древесного угля и железной руды. В результате такого прокаливания
получалось тестообразное губчатое или кричное железо. Такое железо
освобождалось от шлака в процессе ковки. В первых горнах температура
была довольно низкой, даже ниже температуры плавления чугуна. Поэтому
железо было малоуглеродистым, а, значит, хрупким. Для увеличения
прочности металла предметы из железа дополнительно еще раз прокаливали
в присутствии угля, в результате поверхность металла насыщалась
углеродом, а изделия становились заметно прочнее, намного прочнее таких
же изделий из бронзы.
С развитием производства железа стали появляться более совершенные
горны (на Руси говорили домны или домница), через какое-то время люди
научились достигать температуры плавления чугуна. Изначально чугун
считался побочным продуктом, от которого нет никакой пользы. В
английском языке есть выражение «pig iron», что в переводе на русский
означает «свинское железо» или «чушки», а в свою очередь от слова
«чушки» и произошло название «чугун». Спустя какое-то время был
обнаружен тот факт, что при дополнительном прожигании чугуна в горне
при достижении высокой температуры чугун переплавляется в железо очень
высокой прочности. Процесс, состоящий из двух стадий, оказался не только
более эффективным, но и более выгодным. Несколько последующих веков
использовался именно такой двухстадийный способ.
Первые упоминания о производстве железа из метеоритов в Китае относятся
к тому же времени, что и в древнеевропейских странах. Вероятно, начиная с
VIII века до нашей эры, там стало развиваться производство изделий из
железа. В I веке до нашей эры в Китае научились производить чугун.
Нахождение в природе
По распространенности в природе железо является вторым металлом после
алюминия и находится на четвертом месте среди всех элементов, уступаю
лишь кислороду, алюминию. Содержание химического элемента в земной
коре по массе составляет 4,65%. Известно более 300 минералов,
содержащихся в составе железных руд (сульфиды, оксиды, силикаты,
фосфаты, карбонаты, титанаты, и т. д.).
Важнейшие рудные минералы железа: магномагнетит, титаномагнетит,
магнетит, гематит, лимонит, гидрогематит, сидерит, гётит, гидрогётит,
железистые хлориты (тюрингит шамозит, и т.д.). В промышленных рудах
содержание железа составляет 16 - 70%. Существуют богатые (менее 50%
железа), рядовые (50—25% железа) и бедные (≥ 25% железа) железные руды.
В зависимости от того, каков химический состав железной руды, ее
применяют для выплавки чугуна после обогащения или в естественном виде.
Железные руды, содержание металла в которых менее 50%, обогащаются до
60%, в основном способами магнитной сепарации либо гравитационным
обогащением. Железные руды, которые идут в доменную шихту, не должны
содержать S, Р и Cu более 0,1 — 0,3% и As, Sn, Zn, Pb 0,05—0,09%, т.к. могут
ухудшиться условия плавки или качество стали. Примесь в железной руде
кремния, никеля, титана и вольфрама в большинстве случаев полезна. Mn, Cr
и Ni улучшают качество стали, титан и вольфрам попутно извлекаются в
процессах обогащения и металлургического передела.
Соединения железа
Оксиды железа
1. Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему
соответствует основание Fe(ОН)2. Это оксид черного цвета, тугоплавкий,
легко окисляется на воздухе.
Химические свойства
6FeО + O2 =2Fe3O4 (300-500 °С);
FeО + 2HCl (разб) =FeCl2 + H2O;
FeО + H2 = Fe + H2O (350 °С);
FeО + CО = Fe + СO2 (800-1000 °С).
Получение
2Fe + О2 = 2FeO (150-600 °С).
2. Оксид железа (III) Fe2O3 - твердое вещество, буро-красного цвета,
амфотерен и обладает слабо выраженными кислотными свойствами.
Используют
этот
оксид
для
изготовления
красок
красного
цвета
(неорганический пигмент). Ему соответствует слабое амфотерное основание
Fe(ОН)3.
Химические свойства
Fe2O3 + 6HCl(разб) =2FeCl3 + 3H2O (τ).
После сильного прокаливания Fe2O3 становится инертным, и с
кислотами не взаимодействует.
Fe2O3 + 2NaOH(конц.) = 2NaFeO2 (красн.) + H2O (600 °С, р);
3Fe2O3 + H2 = 2Fe3O4 + H2O (400 °С);
Fe2O3 + 2Al = 2Fe + Al2O3;
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2 (700 °С).
Получение
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O.
Гидроксиды железа
1.
Fe(ОН)2
нерастворимое
основание
белого
цвета,
термически
неустойчивое соединение, легко окисляется на воздухе, обладает основными
свойствами. Гидроксид железа (II) находит применение при изготовлении
активной массы железо-никелевых аккумуляторов.
Получение
Белый гидроксид железа (II) Fe(OH)2 образуется при действии растворов
щелочей на водные растворы солей железа без доступа воздуха.
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + Na2SO4
Химические свойства
На воздухе протекает быстрее окисление гидроксида:
4Fe(ОН)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(ОН)3;
Fe(ОН)2 + 2HCl(разб) = FeCl2 + 2H2O;
- Fe(OH)2 = FeO + H2O (150-200 °С; примеси Fe, Fe3O4).
2. Fe(ОН)3 нерастворимое соединение буро-красного цвета, обладает
амфотерными свойствами. Применяют его в составе лекарственных
препаратов
для
лечения
и
профилактики
дефицита
железа
и
железодефицитной анемии.
Получение
FeCl3 + 3 NaOH = Fe(ОН)3 + 3NaCl.
Химические свойства
2Fe(ОН)3 + 3H2SO4 (разб) = Fe2(SO4)3 + 6H2O;
Fe(ОН)3 + NaOH = Na[Fe(OH)4].
Соли железа
Железо образует простые соли почти со всеми анионами. Растворимы в
воде нитраты, сульфаты, галогениды (кроме фторидов), ацетаты и др. Катион
железа (II) может быть окислен многими окислителями до катиона железа
(III). Растворы солей железа (II) и его твердые соли постепенно окисляются
даже просто при хранении на воздухе:
4FeCO3 + 2H2O + O2 = 4FeO(OH)↓ + 2CO2↑
4FeS + 6H2O + O2 = 4FeO(OH)↓ + 4H2S↑
Физиологические свойства
Железо – уникальный микроэлемент, присутствующий в организмах всех
растений и животных, но в очень малых количествах (в среднем около
0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа
(II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 1720% железа (рис.4).
Основная биологическая функция железа — участие в транспорте
кислорода и окислительных процессах. Будучи природным окислителем,
железо (III) помогает крови насыщать органы и ткани жизненно
необходимым кислородом. Ионы железа (III) входят в состав молекул
миоглобина и гемоглобина, окрашивая кровь в красный цвет (рис. 13).
Железо участвует в процессах тканевого дыхания, играет важную роль в
процессах кроветворения. Железо поступает в организм с пищей, усваивается
в кишечнике и разносится по кровеносным сосудам, в костный мозг, где
образуются красные кровяные тельца – эритроциты. Большая часть железа в
крови содержится в составе гемоглобина, некоторое количество находится в
тканях и внутренних органах как запасный фонд.
Суточная потребность человека в железе (от 100 до 300 мг) с избытком
покрывается пищей. В организме среднего человека (масса тела 70 кг)
содержится 4,2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. Его содержание зависит
от гемоглобина, веса, роста, пола и возраста. Железо поступает в организм
при употреблении мясных продуктов: свиной и говяжьей печени, свежего
мяса, а также
рыбы, куриных яиц, молока, гороха, фасоли, сои, круп
(гречневой, овсяной, пшенной), муки и хлеба.
Недостаток железа в крови приводит к снижению гемоглобина в крови и
развитию железодефицитной анемии (малокровия). Анемия вызывает
разнообразные нарушения в работе организма: снижение иммунитета,
задержку роста и развития у детей, повышение утомляемости, сухость кожи,
бледность кожных покровов, одышку, тахикардию, гипотонию мышц,
расстройства пищеварения, отсутствие аппетита и многие другие внешние и
внутренние проявления болезни. Железистую анемию, лечат с помощью
препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как
общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (350 мг и выше) может
оказывать токсичное действие на организм человека.
Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому
производят микроудобрения, в составе которых содержатся соединения
железа.
Применение железа
Железо — один из самых используемых металлов, на него приходится до
95% мирового
металлургического производства. Значение железа в
современной технике определяется не только его широким распространением
в природе, но и сочетанием весьма ценных свойств.
Способность расплавленного железа растворять углерод и другие
элементы служит основой для получения разнообразных сплавов. К примеру,
чугун является прочным сплавом с низкой температурой плавления, путем
литья ему можно придать любую необходимую форму. В зависимости от
состава
сталь
может
быть
прочным
и
пластичным
материалом,
используемым в изготовлении, например, профильного проката, который
применяется в строительстве мостов и морских судов, или тугоплавким и
очень твердым металлом, который служит материалом при производстве
металлорежущего инструмента и др.
Уникальные магнитные свойства ряда сплавов на основе железа
способствуют
их
широкому
применению
в
электротехнике
для
магнитопроводов, трансформаторов и электродвигателей.
Железо
применяется
в
качестве
анода
в
железо-никелевых
аккумуляторах, железо-воздушных аккумуляторах.
Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а
также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах
очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных
предприятий.
Интересные факты о железе
- Первое железо, как металл, попало в руки человека «с неба». Не зря люди
считали железо – небесным металлом, т.к. впервые его добыли из падающих
на поверхность земли метеоритов. В древнейших предметах из железа есть
существенная доля примесей никеля, именно такое железо содержится в
метеоритах. Крупнейший железный метеорит нашли в 1920 году в югозападной Африке. Метеорит назвали «Гоба», он весил 60 тонн.
- Железо в организм животных и человека поступает с пищей. Наиболее
богаты железом такие продукты как мясо, печень, яйца, бобовые, крупы,
хлеб. Интересно заметить, что когда-то в этот список был ошибочно внесен
шпинат (по причине опечатки в записях результатов анализа, а именно был
утерян «лишний» ноль после разделительной запятой).
- Многие косвенные данные подтверждают тот факт, что ядро нашей
планеты главным образом состоит из сплавов железа. Радиус ядра Земли
составляет приблизительно 3470 км, в то время как радиус самой Земли
равен 6370 км.
- В свободном виде железо было обнаружено на Луне. Процесс
определения возраста лунных минералов при помощи радиоактивных
изотопов показал, что они были кристаллизованы примерно 3,2 - 4,2
миллиарда лет назад. Данные цифры приблизительно совпадают с возрастом
самых древних минералов, когда-либо обнаруженных на Земле.
- В Европе ранний Железный век продлился примерно с 1000 до 450 гг. до
н. э. Данную эпоху называют гальштаттской, от названия города в Австрии,
где археологами было найдено много железных предметов. В древности у
определенных народов железо было дороже золота. Только представители
знати имели право украшать себя железными изделиями, нередко они были в
золотой оправе. Из железа даже изготавливали обручальные кольца, как в
Древнем Риме.
- Все материалы, способные к намагничиванию, делятся на магнитотвердые и
магнитомягкие. Разница между ними в том, что магнитомягкие материалы
быстро теряют свои магнитные свойства, в то время как магнитотвердые
сохраняют их достаточно долго.
- Достаточно несколько раз провести железным брусочком по сильному
магниту, чтобы он и сам намагнитился. Если несколько раз быстро открыть и
закрыть железные ножницы, они начнут притягивать иголки или железные
опилки. Этим эффектом можно воспользоваться, если иголка упала в узкую
щель, а постоянного магнита, чтобы достать ее, под рукой нет.
- Постоянный магнит, изготовленный путем намагничивания обыкновенного
железа, сохраняет свои свойства недолго. Достаточно ударить им о твердую
поверхность или нагреть выше 60 градусов, чтобы он снова размагнитился.
- Различные добавки к железу, превращающие его в сталь, могут сильно
изменить и его магнитные свойства. Сталь, способная к закалке, является
магнитотвердым материалом и может стать основой для сильного магнита.
Из закаленной стали делают напильники, полотна ножовок и т.д.
Нержавеющая сталь, из которой делают кухонную утварь и столовые
приборы, не поддается ни закалке, ни намагничиванию.
- В домашних условиях постоянный магнит можно сделать из закаленной
стали с помощью катушки индуктивности. Катушка должна быть таких
размеров, чтобы заготовка для магнита полностью поместилась внутри нее.
Если вы используете ток от электросети, то во избежание короткого
замыкания обязательно включите в схему плавкий предохранитель.