Химическое и физические свойства железа

Хорошо всем известный химический элемент железо относится к средним по химической активности металлам. В природе он не встречается в чистом виде, а входит в состав минералов. Железо занимает по своей распространенности на Земле четвертое место среди химических элементов. Без него сегодня просто невозможно представить человечество.

Среди всего многообразия минералов, содержащих в своем химическом составе феррум, следует особенно выделить следующие:

- магнетит, содержащий 72% железа (Fe3O4), который еще называют магнитным железняком; обладает цветами от светло-серого до черного, основные месторождения на территории СНГ находятся на Урале;

- гематит или красный железняк состоит на 70% из феррума (Fe2O3); окраска от красно-серого до красно-коричневого оттенков, самое большое месторождение находится в Кривом Роге;

- лимонит или бурый железняк на 60% состоит из данного элемента, в кристаллической решетке содержатся молекулы воды (Fe2O3*H2O); цветовая гамма от желто-коричневого до бурого цветов, наиболее крупные месторождения обнаружены в Крыму и на Урале;

- сидерит или шпатовый железняк состоит из железа на 48% (FeCO3), неоднородная структура вещества содержит кристаллы различных цветов: светло-зеленого, серого, желто-коричневого, серо-желтого и других;

- пирит на 46% из своей общей массы содержит феррум (FeS2), обладает золотисто-желтой окраской.

Значение железа трудно переоценить, ведь он является важным микроэлементом для живых клеток, входит в состав гемоглобина, который влияет на состояние человеческой крови. Многие минералы, в состав которых входит железо, применяются для получения чистого химического элемента. А гематит и пирит, например, используют и для изготовления ювелирных украшений.

Железо обладает физическими и химическими свойствами. Причем к физическим свойствам относятся, плотность, внешний вид, температура плавления и т.п., а к химическим – способность вступать в реакции с другими элементами и соединениями.

Физические свойства железа

При нормальных условиях и в чистом виде железо представляет собой твердое вещество, обладающее серебристо-серым цветом с характерным металлическим блеском. Этот элемент обладает четвертым (средним) уровнем твердости по шкале Мооса. Для него характерна хорошая теплопроводность и электропроводность. Первое свойство легко проверить по собственным ощущениям, дотронувшись до железного предмета на холоде, когда металл очень быстро охладит поверхность кожи. Сравнив эти ощущения с аналогичным опытом, проводимым с деревянным предметом, например, можно установить данное свойство в его четкой закономерности.

К важным физическим свойствам железа относится температура плавления (1539 градусов Цельсия) и кипения (2860 градусов Цельсия). Из этого следует, что феррум отличается легкоплавкостью. Кроме того, железу свойственна прекрасная пластичность и ферромагнитность. Последнее свойство феррума выгодно выделяет его среди прочих металлов. Ведь именно этот элемент способен намагничиваться. Сформированные свойства металла под воздействием магнитного поля способны сохраняться довольно длительное время, что красноречиво свидетельствует о том, что в структуре железа присутствует большое количество свободных электронов.

Химические свойства железа

Феррум относится к металлам со средней химической активностью. Вместе с группой металлов, находящихся в электрохимическом ряду правее водорода, железо проявляет типичные свойства, вступая в реакции со многими классами химических веществ. Например, азотом, кислородом, галогенами (бромом, йодом, фтором, хлором), карбоном, фосфором.

Оксиды железа получаются при сжигании железа при высоких температурах. Химические реакции зависят от опытных условий и пропорций веществ. Уравнения могут выглядеть следующим образом: 2Fe+O2=2FeO; 3Fe+2O2=Fe3O4; 4Fe+3O2=2Fe2O3.

Взаимодействие железа с азотом также возможно только при высокой температуре реакции. Формула реакции: 6Fe+N2=2Fe3N.

Три моля феррума и один моль фосфора способны образовать фосфид железа: 3Fe+P=Fe3P.

Кроме того, по вышеуказанному принципу происходит образование и сульфидов (взаимодействие феррума с серой). Для ускорения химических реакций специальные условия их проведения кроме высоких температур подразумевают и использование катализаторов.

В химической промышленности получили распространение реакции железа с галогенами. К ним относятся йодирование, бромирование, хлорирование и фторирование. При высоких температурах феррум способен также соединяться с кремнием.

Кроме простых химических реакций железа с веществами, молекулярное строение которых включает лишь один элемент, следует упомянуть и более сложные. В таких химических реакциях феррум соединяется с веществами, состоящими из двух и более элементов. В первую очередь к таким реакциям относится соединение железа с водой: Fe+H2O=FeO+H2. Однако в зависимости от пропорций веществ, участвующих в реакции можно получить не только оксид железа, но и гидроксид, либо ди- или триоксид железа. Все эти вещества нашли широкое применение, как в химической промышленности, так и во многих других отраслях.

Способность данного химического элемента вытеснять водород из соединений создает возможность при добавлении железа к кислоте (например серной кислоте средней концентрации) в соответствующих равных пропорциях получить сульфат и водород: Fe+H2SO4=FeSO4+H2.

Восстановительные свойства феррума наблюдаются при взаимодействии с солями. Например, с помощью железа можно выделить менее активный металл из соли. Так, один моль феррума и один моль сульфата меди создадут чистую медь и сульфат железа в одинаковых пропорциях.

Значение железа для человеческого организма

Железо является одним из самых распространенных химических элементов, находящихся в земной коре. Для человеческого организма на клеточном уровне этот металл играет очень важную роль. Ведь он входит в состав белка - гемоглобина. А он, в свою очередь, осуществляет транспортировку кислорода в крови ко всем тканям и органам. Феррум очень важен для образования крови и ферментов, работы щитовидной железы, обмена веществ на клеточном уровне, устойчивости иммунитета, нейтрализации вредных веществ в печени. Суточная доза данного микроэлемента в организме человека составляет от 10 мг до 20 мг.

Употребление в рационе питания продуктов животного и растительного происхождения, богатых железом, позволит оказывать организму достаточную для нормального функционирования поддержку. В первую очередь к таким пищевым продуктам относятся печень и мясо. А кроме того, злаки, крупы (особенно гречка) и бобовые, яблоки, сухофрукты и грибы (особенно белые), груши, персики и шиповник, миндаль, авокадо и тыква, брокколи, помидоры и финики, черника, капуста, сельдерей, ежевика и другие.

Симптомами низкого содержания в организме феррума являются повышенная усталость, депрессии, холодные конечности, ломкость ногтей и волос, низкая интеллектуальная активность и работоспособность, пищеварительные расстройства и нарушения нормального функционирования щитовидной железы.

Промышленное использование железа

Наиболее выраженные физические и химические свойства железа определили и сферу его использования. Так, его ферромагнитность явилась причиной изготовления магнитов. А высокая прочность металла определила его использование в изготовлении оружия, военных и бытовых инструментов.

Наибольшее применение нашло железо при изготовлении стали и чугуна, которые, в свою очередь, стали важными исходными материалами для огромного перечня готовых изделий практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Соединение железа с углеродом в разных пропорциях и является способом изготовления стали (углерода менее 1,7%) или чугуна (углерода от 1,7% до 4,5%). Причем для изготовления стали самых разных марок используется и достаточно широкий перечень других химических элементов. К ним относится марганец, кремний, фосфор, никель, молибден, хром, вольфрам и другие вещества.