Аналітична хімія феруму

 

 

Індивідуальне науково - дослідне завдання з аналітичної хімії

 на тему :

“Аналітична хімія феруму”

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План

 

 

1.Походження назви

2.Поширення в природі

3.Ізотопи

4.Історія заліза

5.Отримання

6.Фізичні властивості

7.Хімічні властивості

8.Застосування

9.Джерела

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Походження назви

Залізо  —  хімічна  речовина,  яка  складається з феруму — хімічного елемента з атомним номером 26, що позначається в хімічних формулах символом Fe.

Атомна  маса  заліза 55,847. Це сріблясто-сірий, пластичний і ковкий метал, який легко  окиснюється  утворюючи  оксиди феруму в вигляді товстої плівлки (іржа) що сповільнюють  подальше  руйнування  заліза.  Залізо електропровідний метал. Його твердість  за Брінеллем не перевищує 100 HB; модуль Юнга 190-210·103 МПа; модуль зсуву  8,4·103  МПа; границя міцності на розрив 170—210 МПа, границя текучості — 100  МПа;  ударна  в'язкість  300  МПа; середня питома теплоємність (273—1273 К)

640,57  Дж/кг·К;  густина 7840 кг/м3. На повітрі окиснюється, покриваючись іржею FeO·nH2O. Серед інших породоутворюючих елементів має максимальну атомну масу.

Ймовірною  версією  свого  походження  слово  «залізо»  українською та споріднені терміни  у  слов'янських  мовах  (біл.  жалеза,  рос. железо, цер.-слов. железо, болг.  желязо, сербськохорв. жељезо, пол. їelazo, чеськ. ћelezo, словен. ћelezo) беруть початок від санскритського «джальжа», що означало «метал», «руда».

Наукова  назва  хімічного  елемента  і термін у романських мовах (іт. ferro, фр.fer,  ісп.  hierro,  порт.  ferro,  рум.  fier)  походить  від латинського слова «феррум»  (лат.  ferrum).  Латинське  ferrum, скоріш за все, запозичене з якоїсь східної  мови,  ймовірно  з  фінікійської (для порівняння івр. barzel, шумерськ. barzal, ассирійськ. parzilla).

Германські  мови  запозичили  назву  заліза  (готськ.  eisarn,  англ. iron, нім.

Eisen, нід. ijzer, дан. jern, швед. jдrn) з кельтських мов.

 

2. Поширення в  природі

За  поширеністю  в  природі  ферум  займає  друге  місце  серед  металів  (після алюмінію).  На  нього  припадає 5,10% маси земної кори. За вмістом в земній корі ферум  займає  4-е  місце.  Зустрічається він винятково у вигляді різних сполук. Вільне залізо знаходять лише в метеоритах.

Ферум  — поширений елемент метеоритної речовини: в кам'яних метеоритах міститься 25, а в  залізних  90,85 мас.% Fe. Космічна поширеність заліза близька до його вмісту в фотосфері Сонця — 627 г/т. Середньопланетна частка феруму в речовині. Землі велика — 38,8%. Найбідніша на ферум поверхня Землі.

Найважливішими  природними  сполуками  феруму,  що  мають промислове значення, є магнітний  залізняк  Fe3O4, червоний залізняк Fe2O3, бурий залізняк Fe2O3 · nH2O та  пірит FeS2. Оксиди феруму служать рудами, з яких добувають залізо, а пірит — сировиною для сульфатно-кислотного виробництва.

Розповсюдженість  феруму  в гірських породах (% за масою): ультраосновні — 9,85;основні  —  8,56;  середні  —  5,85; кислі — 2,70; лужні — 3,60; осадові — 3,33. Відомо  понад  300  мінералів,  що  містять  ферум:  оксиди, сульфіди, силікати, фосфати, карбонати та ін.

Найважливіші  мінерали  феруму:  гематит  Fe2O3  (70% Fe), магнетит Fe3O4 (72,4%Fe),  ґетит  FeOOH  (62,9% Fe), лепідокрокіт FeO(OH) (62,9% Fe), лімоніт — суміш гідрооксидів  Fe з SiO2 та ін. речовинами (40-62% Fe), сидерит FeCO3 (48,2% Fe), ільменіт  FeTiO3  (36,8%  Fe),  шамозит  (34-42%  FeO),  вівіаніт  (43,0%  FeO), скородит (34,6% Fe2О3), ярозит (47,9% Fe2О3) та ін. Багаті   родовища   магнітного  залізняку  зосереджені  на  Уралі  в  районі  м.

Магнітогорська  і  в  Курській  області  (так  звана Курська магнітна аномалія).Родовища  червоного  залізняку  є  в  Україні  в  районі м. Кривий Ріг. Родовища бурого  залізняку  зосереджені  на  Керченському  півострові. Крім того, потужні родовища  залізних  руд  виявлені і в інших місцях — на Кольському півострові, в Сибіру і на Далекому Сході.

 

3. Ізотопи

Природне  залізо  складається  з  чотирьох  стабільних  ізотопів: 54Fe (ізотопна поширеність  5,845%),  56Fe  (91,754%),  57Fe (2,119%) і 58Fe (0,282%). Так само відомо  більше  20 нестабільних ізотопів заліза з масовими числами від 45 до 72, найбільш  стійкі  з  яких  — 60Fe (період напіврозпаду за уточненими в 2009 році даних  становить  2,6 мільйона років [5]), 55Fe (2,737 року), 59Fe (44,495 доби) і  52Fe  (8,275  години); інші ізотопи мають період напіврозпаду менше 10 хвилин.

Ізотоп  заліза  56Fe  відноситься  до  найбільш  стабільних  ядер:  усі наступні елементи  можуть  зменшити  енергію  зв'язку  на  нуклон  шляхом  розпаду, а всі попередні  елементи,  в  принципі, могли б зменшити енергію зв'язку на нуклон за рахунок  синтезу.  Вважають,  що  залізом  закінчується  ряд синтезу елементів в ядрах  нормальних  зірок  (див.  Залізна  зірка), а всі наступні елементи можуть утворитися тільки в результаті вибухів наднових .

 

4. Історія заліза

Використання  заліза  почалося  набагато  раніше,  ніж  його  виробництво. Перші залізні  вироби  мали  космічне  (метеоритне)  походження  і  були виготовлені з уламків  метеоритів  ще  в  III—II  тис.  до н. е. Час від часу знаходили шматки сірувато-чорного  металу,  який  перековували в кинджал або наконечник списа, що був зброєю міцнішою і пластичнішою, ніж бронза, і довше тримав гостре лезо.

Першим  кроком  у  зародженні  металургії  заліза  було  отримання  його  шляхом відновлення  його з окису. Руда перемішувалася з деревним вугіллям і закладалася в  піч.  При  високій температурі, створюваної горінням вугілля, вуглець починав з'єднуватися  не  тільки  з  атмосферним  киснем,  але  і з тим, що пов'язаний з атомами  заліза.  Після  вигоряння  вугілля  в печі залишалася так звана криця — грудка  речовини з домішкою відновленого заліза. Крицю потім знову розігрівали і піддавали   обробці   куванням,  вибиваючи  залізо  із  шлаку.  Таке  залізо  не відрізнялось  твердістю  та  пружністю,  у  зв'язку  з чим мало обмежену область застосування.

Вперше  залізо  навчилися  обробляти  народи  Анатолії.  Давньогрецька  традиція вважала  відкривачем заліза народ халібів, для яких традиційно використовувалась стійка  «батько  заліза»,  і  сама  назва народу бере початок саме від грецького слова («залізо»).

«Залізна  революція»  почалася на рубежі I тисячоліття до н.е. в Ассирії. З VIII століття  до н.е. зварне залізо швидко стало поширюватися в Європі. Першими, хто почав  на  землях  сучасної  України  виплавляти  з  болотної  руди  залізо були кіммерійці  (VII ст. до н.е.)[8]. У IV - III ст. до н.е. більша частина арсеналу зброї  скіфських воїнів — мечі, кинджали, бойові сокири тощо були виготовлені із заліза.  В  III столітті до н.е. залізо витіснило бронзу в Галлії, в II столітті нової  ери з'явилося у Німеччині, а в VI столітті нашої ери вже широко вживалося в Скандинавії. У Японії залізний вік настав тільки в VIII столітті нашої ери.

Побачити  залізо  у рідкому стані металурги змогли тільки в XIX столітті, однак, ще  на  початку  I  тисячоліття до нової ери — індійські майстри зуміли вирішити проблему  отримання  пружної  сталі без розплавлення заліза. Таку сталь називали булатом,  але  через складність виготовлення і відсутності необхідних матеріалів у  більшій  частині  світу  ця  сталь  так  і  залишилася індійським секретом на тривалий час.

Технологічніший  шлях одержання пружної сталі, при якому не потрібні ні особливо чиста  руда,  ні графіт, ні спеціальні печі, був знайдений в Китаї в II столітті нашої  ери.  Сталь перековували дуже багато разів, при кожному куванні складаючи пластину  вдвічі,  внаслідок  чого  виходив  відмінний  матеріал  для  зброї, що отримав назву дамаська сталь, з якого, зокрема, робилися японські катани.

З  XVI  століття  в  Європі  набув  поширення  так  званий  переробний  процес в металургії  —  технологія,  при  якій залізо ще при отриманні за рахунок високої температури  плавлення і інтенсивного навуглецьовуванния перетворюється в чавун, а  вже  потім,  рідкий  чавун,  звільняючись  від  зайвого вуглецю при відпалі в горнах, перероблявся на сталь.

 

5. Отримання

У  промисловості  залізо  отримують  із  залізної  руди,  в основному з гематиту (Fe2O3) і магнетиту (FeO · Fe2O3).

Існують  різні  способи  вилучення  заліза  з руд. Найбільш поширеним є доменний процес.

Перший  етап  виробництва  —  відновлення  заліза  вуглецем  в доменній печі при температурі  2000  °C.  У  доменній печі вуглець у вигляді коксу, залізна руда у вигляді  агломерату  або окатишів і флюс (наприклад, вапняк) подаються зверху, а знизу їх зустрічає потік нагнітається гарячого повітря.

У  печі  вуглець  у вигляді коксу окислюється до монооксиду вуглецю. Даний оксид утворюється при горінні в нестачі кисню:

У  свою  чергу, монооксид вуглецю відновлює залізо з руди. Щоб дана реакція йшла швидше, нагрітий чадний газ пропускають через оксид заліза(III): Флюс  додається  для  позбавлення  від  небажаних  домішок  (в  першу  чергу відсилікатів;  наприклад  кварц)  у  видобутій  руді.  Типовий  флюс містить вапняк (карбонат  кальцію)  і  доломіт  (карбонат  магнію).  Для усунення інших домішок використовують інші флюси.

Дія  флюсу  (в  даному  випадку  карбонат  кальцію)  полягає в тому, що при його нагріванні він розкладається до його оксиду: Оксид  кальцію  з'єднується  з  діоксидом  кремнію, утворюючи шлак — метасилікат кальцію: Шлаки,  на  відміну  від  діоксиду  кремнію, плавиться в печі. Більш легкий, ніж залізо,  шлак  плаває  на  поверхні — це властивість дозволяє розділяти шлак від металу.  Шлаки  потім  можуть  використовуватися  при  будівництві та сільському господарстві.  Розплав  заліза, отриманий в доменній печі, містить досить багато вуглецю    (чавун).   Крім   таких   випадків,   коли   чавун   використовується безпосередньо,  він  вимагає  подальшої  переробки.  Надлишки  вуглецю  та  інші домішки  (сірка, фосфор) видаляють з чавуну окисленням в мартенівських печах або в  конвертерах.  Електричні  печі  використовуються  і  для  виплавки  легованих сталей.

Крім  доменного  процесу,  поширений  процес  прямого  отримання заліза. У цьому випадку  попередньо  подрібнену  руду  змішують  з  особливою  глиною,  формуючи окатиші.  Окатиші  обпалюють,  і  обробляють  в шахтній печі гарячими продуктами конверсії метану, які містять водень. Водень легко відновлює залізо: при  цьому  не  відбувається  забруднення  заліза  такими  домішками  як сірка і фосфор,  які  є  звичайними  домішками  в  кам'яному  вугіллі. Залізо береться в твердому вигляді, і надалі переплавляється в електричних печах.

Хімічно чисте залізо виходить електролізом розчинів його солей.

 

6. Фізичні властивості

Залізо  —  блискучий  сріблясто-білий  важкий  метал.  Густина  його  7,86 т/м3;температура  плавлення  1538  °C,  температура  кипіння  2862  °C. Залізо досить пластичне.  Воно легко кується, штампується, витягується в дріт і прокатується в тонкі  листи, легко намагнічується і розмагнічується. Вище температури Кюрі (770°C)  втрачає  феромагнітні властивості. До температури 912 °C існує в алотропній модифікації  б-заліза  з  об'ємноцентрованою  кубічною  кристалічною ґраткою, за вищої  температури — г-заліза із гранецентрованою кубічною ґраткою, вище 1394 °C знову змінює тип ґратки на об'ємноцентровану кубічну.

 

7. Хімічні властивості

Шматки чистого заліза (99,97%+), очищені методом електролізу.

Ферум  належить  до восьмої групи періодичної системи елементів Менделєєва. Його атоми   на   зовнішній  електронній  оболонці  мають  по  два  електрони,  а  на передостанній  — 14 електронів. Атоми феруму можуть легко втрачати два електрони і  перетворюватись  у  двовалентні  катіони  Fe2+.  Вони  можуть  втрачати і триелектрони  (один  з  передостанньої  оболонки)  і  перетворюватись у тривалентні катіони   Fe3+.   Таким   чином,   залізо   утворює  два  ряди  сполук.  Сполуки тривалентного  феруму  стійкіші.  У  сухому  повітрі  при  звичайній температурі залізо  досить  стійке,  але у вологому швидко ржавіє, вкриваючись товстим шаром іржі.  Іржа  є  сумішшю  оксидів  і  гідроксидів  феруму. Найбільшу частину іржі складає  сесквіоксид  заліза  Fe2O3 і тригідроксид заліза Fe(OH)3. Крім того, до її  складу  входить  монооксид  заліза  FeO,  дигідроксид заліза Fe(OH)2 та інші сполуки. Процес ржавіння заліза можна зобразити такими приблизними рівняннями:

2Fe + O2 + 2Н2О = 2Fe(OH)2

4Fe(OH)2 + O2 + 2Н2О = 4Fe(OH)3

Fe(OH)2 = FeO + H2O

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O

      Іржа  досить  крихка і пориста. Тому вона не може ізолювати метал від атмосфери, через  що  процес  ржавіння  відбувається  безперервно.  При високій температурі залізо  легко  сполучається з киснем, ; утворюючи окалину Fe3O4 (FeO · Fe2O3). В атмосфері  кисню  розжарена  залізна дротина горить яскравим полум'ям, утворюючи теж  окалину  Fe3O4. При нагріванні залізо може легко реагувати з хлором, сіркою та іншими неметалами:

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3

Fe + S = FeS

      В  електрохімічному  ряді напруг залізо стоїть лівіше від водню, тому воно легко реагує з розведеними хлоридною і сульфатною кислотами:

Fe + 2HCl = FeCl2 + Н2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

    З розведеною нітратною кислотою залізо теж легко реагує: