Металлы с выраженными магнитными свойствами

Эти металлы имеют температуру плавления около 1500°С, могут притягиваться магнитом и намагничиваться, поэтому из них изготовляют постоянные магниты, сердечники трансформаторов, детали телефонных и телеграфных аппаратов и т. п.

Основным таким материалом в электротехнике является железо ‒ элемент восьмой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева (приложение 1) с атомным номером 26. Атом железа может потерять 2 электрона и превратиться в ион Fe²⁺. Возможна потеря атомом еще и третьего электрона. В этом случае образуется ион Fe³⁺.

Чистое железо ‒ серебристо-белый металл, быстро тускнеющий (ржавеющий) на влажном воздухе или в воде, содержащей кислород. Железо пластично, легко подвергается ковке и прокатке, температура плавления 1539°С (таблица 4). Обладает сильными магнитными свойствами (ферромагнетик), хорошей тепло- и электропроводностью. Образует много сплавов с различными металлами.

Таблица 4

Физические свойства железа

Свойство	Численное значение	Единица измерения
Относительная атомная масса	55,84	-
Атомный радиус	0,13	нм
Плотность		Кг/м^3
Температура плавления		°С
Температура кипения		°С

Химические свойства железа

Железо ‒ активный металл. На воздухе образуется защитная оксидная пленка, препятствующая коррозии металла. При сильном нагревании на воздухе железо раскаляется и медленно окисляется, а в чистом кислороде горит. Очень эффектным является опыт по сжиганию стальной пружинки. На пружинке закрепляют спичку (напротив ее головки) и зажимают ее в лабораторных щипцах. Спичку, опущенную головкой вниз, поджигают. Когда пламя достигнет пружинки, ее сразу переносят в стакан с кислородом. Дно сосуда заранее засыпают слоем песка, чтобы на стекло не попали капли расплавленного металла.Пружинка сгорает в кислороде, разбрасывая искры во все стороны (это напоминает сварку металла). Железо вытесняет из растворов солей металлы, находящиеся в электрохимическом ряду напряжений правее железа. Железный гвоздь, погруженный в голубоватый раствор медного купороса, постепенно покрывается налетом красной металлической меди:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu.

Железо взаимодействует с хлором, углеродом и другими неметаллами при нагревании:

2Fe + 3Cl₂ = 2FeCl₃.

Во влажном воздухе железо окисляется и покрывается ржавчиной, которая частично состоит из гидратированного оксида железа (III):

4Fe + 3О₂+ 6Н₂О = 4Fe(ОН)₃.

Железо растворяется в разбавленных серной и соляной кислотах c выделением водорода:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂.

С водой железо реагирует и в обычных условиях, но очень медленно и с участием кислорода. В результате на поверхности металла образуется коричневый или желто-бурый налет ‒ ржавчина. Разрушение железа под действием воды и кислорода называют коррозией. Ежегодно из-за коррозии теряется примерно 1/5 всего произведенного металла. Для предотвращения разрушения железа его смазывают специальными смазочными маслами, покрывают красками, лаками, керамическими эмалями, слоем другого металла, устойчивого к коррозии, ‒ никеля, хрома, цинка.

Железо в природе

Железо - один из самых распространённых в земной коре металлов (таблица 5). Он занимает второе место после алюминия. В чистом виде железо в природе не встречается.

Таблица 5

Основные данные по железным рудам

Название минерала	Химическая формула	Содержание железа, %	Месторождение
Магнетит	Fe3O4		Урал
Гематит	Fe2O3		Криворожское
Лимонит	Fe2O3∙nH2O		Крым, Урал
Пирит	FeS2		Урал
Сидерит	FeСO3		Урал

Получение железа

В лаборатории

Чистое железо получают электролитическим разложением солей железа:

FeCl₂ = Fe²⁺ + 2Cl^-.

Получение железа из оксида с помощью алюминия называется алюмотермией:

8Al + 3Fe₃O₄ = 9Fe + 4Al₂O₃.

В промышленности

На долю железа приходится около 95% металлургического производства в мире. Это один из наиболее востребованных и используемых металлов. Основная масса железа используется не в чистом виде, а виде чугуна и стали - сплавов с углеродом и другими элементами. Основная масса железа вырабатывается в доменных печах (рис. 4). Процесс, протекающий в доменной печи при получении сплавов железа, основан на восстановлении оксидов железа при нагревании.

Рис. 4. Получение стали в доменной печи

Домна – сложнейшее инженерное сооружение высотой более 60 м и диаметром 10 м, снабженное системой контроля и управления, предназначенное для выплавки чугуна – продукта химико-восстановительных процессов.

Снизу через фурму (устройство для подвода дутья) поступают горячий воздух, кислород, метан, а навстречу движется шихта – смесь, состоящая из кокса (источник энергии и восстановитель), подготовленного рудного концентрата и флюса (последний для связывания пустой породы в шлаки). Домну через колошник (верхняя часть шахтных доменных плавильных печей) покидает доменный газ, содержащий до 30% СО.

Основными химическими реакциями доменного процесса являются:

- горение кокса в зоне над горном (нижняя часть домны, где происходит горение топлива). Шлак выполняет также функцию защиты чугуна от окисления;

- восстановление железа;

- восстановление примесных элементов;

- насыщение железа углеродом;

- образование шлаков.