ЖЕЛЕЗО

ЖЕЛЕЗО (лат. Ferrum),
Fe, химический элемент VIII группы периодич. системы Менделеева; ат. н.
26, ат. м. 55,847; блестящий серебристо-белый металл. Элемент в природе
состоит из четырёх стабильных изотопов: ⁵⁴Fe (5,84%), ⁵⁶Fe
(91,68%), ⁵⁷Fe (2,17%) и ⁵⁸Fe (0,31%).

Историч. справка. Ж. было
известно ещё в доисторич. времена, однако широкое применение нашло значительно
позже, т. к. в свободном состоянии встречается в природе крайне редко,
а получение его из руд стало возможным лишь на определённом уровне развития
техники. Вероятно, впервые человек познакомился с метеоритным Ж., о чём
свидетельствуют его названия на языках древних народов: древнеегипетское
<бе-ни-пет" означает "небесное железо"; древ-негреч. sideros связывают
с латинским sidus (род. падеж sideris)- звезда, небесное тело. В хеттских
текстах 14 в. до н. э. упоминается о Ж. как о металле, упавшем с неба.
В романских языках сохранился корень названия, данного римлянами (напр.,
франц. fer, итал. ferro).

Способ получения Ж. из руд
был изобретён в зап. части Азии во 2-м тысячелетии до н. э.; вслед за тем
применение Ж. распространилось в Вавилоне, Египте, Греции; на смену бронзовому
веку пришёл железный век. Гомер (в 23-й песне "Илиады") рассказывает,
что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по
метанию диска. В Европе и Др. Руси в течение мн. веков Ж. получали по сыродутному
процессу. Железную руду восстанавливали древесным углём в горне (см.
Восстановление
металлов), устроенном в яме; в горн мехами нагнетали воздух, продукт
восстановления - крицу ударами молота отделяли от шлака и из неё выковывали
различные изделия. По мере усовершенствования способов дутьяи увеличения
высоты горна темп-pa процесса повышалась и часть Ж. науглероживалась, т.
е. получался чугун;
этот сравнительно хрупкий продукт считали отходом
произ-ва. Отсюда название чугуна "чушка", "свинское железо"- англ. pig
iron. Позже было замечено, что при загрузке в горн не железной руды, а
чугуна также получается низкоуглеродистая железная крица, причём такой
двухста-дийный процесс (см.
Кричный передел) оказался более выгодным,
чем сыродутный. В 12-13 вв. кричный способ был уже широко распространён.

В 14 в. чугун начали выплавлять
не только как полупродукт для дальнейшего передела, но и как материал для
отливки различных изделий. К тому же времени относится и реконструкция
горна в шахтную печь ("домницу"), а затем и в доменную печь. В сер. 18
в. в Европе начал применяться тигельный процесс получения стали, к-рый
был известен на терр. Сирии ещё в ранний период средневековья, но в дальнейшем
оказался забытым. При этом способе сталь получали расплавлением металлич.
шихты в небольших сосудах (тиглях) из высокоогнеупорной массы. В последней
четв. 18 в. стал развиваться пудлинговый процесс передела чугуна в Ж. на
поду пламенной отражат. печи (см. Пудлингование). Пром. переворот
18- нач. 19 вв., изобретение паровой машины, строительство жел. дорог,
крупных мостов и парового флота вызвали громадную потребность в Ж. и его
сплавах. Однако все существовавшие способы произ-ва Ж. не могли удовлетворить
потребности рынка. Массовое произ-во стали началось лишь в сер. 19 в.,
когда были разработаны бессемеровский, томасовский и мартеновский процессы.
В 20 в. возник и получил широкое распространение электросталеплавильный
процесс, дающий сталь высокого качества.

Распространённость в природе.
По содержанию в литосфере (4,65% по массе) Ж. занимает второе место среди
металлов (на первом алюминий). Оно энергично мигрирует в земной коре, образуя
ок. 300 минералов (окислы, сульфиды, силикаты, карбонаты, титанаты, фосфаты
и т. д.). Ж. принимает активное участие в магматических, гидротермальных
и гипергенных процессах, с к-рыми связано образование различных типов его
месторождений (см. Железные руды). Ж.- металл земных глубин, оно
накапливается на ранних этапах кристаллизации магмы, в ультраосновных (9,85%
) и основных (8,56%) породах (в гранитах его всего 2,7%). В биосфере Ж.
накапливается во многих морских и континентальных осадках, образуя осадочные
руды.

Важную роль в геохимии Ж.
играют окислительно-восстановит. реакции - переход 2-валентного Ж. в 3-валентное
и обратно. В биосфере при наличии орга-нич. веществ Fe³⁺ восстанавливается
до Fe²⁺ и легко мигрирует, а при встрече с кислородом воздуха
Fe²⁺ окисляется, образуя скопления гидроокисей 3-валентного
Ж. Широко распространённые соединения 3-валентного Ж. имеют красный, жёлтый,
бурый цвета. Этим определяется окраска многих осадочных горных пород и
их наименование -"красно-цветная формация" (красные и бурые суглинки и
глины, жёлтые пески и т. д.).

Физические и химические свойства.
Значение Ж. в совр. технике
определяется не только его широким распространением в природе, но и сочетанием
весьма ценных свойств. Оно пластично, легко куётся как в холодном, так
и нагретом состоянии, поддаётся прокатке, штамповке и волочению. Способность
растворять углерод и др. элементы служит основой для получения разнообразных
железных сплавов.

Ж. может существовать в виде
двух кристаллич. решёток: а- и у-объёмноцентрированной кубической (ОЦК)
и гранецентрированной кубической (ГЦК). Ниже 910 °С устойчиво а - Fe с
ОЦК-решёткой (а = 2,86645 А при 20 °С). Между 910 ⁰С
и 1400 °С устойчива у-модификация с ГЦК-решёткой (а = 3,64 А). Выше
1400 ⁰С вновь образуется ОЦК-решётка 6-Fe (a = 2,94 А),
устойчивая до темп-ры плавления (1539 °С). а - Fe ферромагнитно вплоть
до 769 °С (точка Кюри). Модификации y-Fe и б - Fe парамагнитны.

Полиморфные превращения Ж.
и стали при нагревании и охлаждении открыл в 1868 Д. К. Чернов. Углерод
образует с Ж. твёрдые растворы внедрения, в к-рых атомы С, имеющие
небольшой атомный радиус (0,77 А), размещаются в междоузлиях кристаллич.
решётки металла, состоящей из более крупных атомов (атомный радиус Fe 1,26
А). Твёрдый раствор углерода в у - Fe наз. аустенитом, а в а - Fe
- ферритом. Насыщенный твёрдый раствор углерода в Y - Fe содержит
2,0% С по массе при 1130 °С; а - Fe растворяет всего 0,02- 0,04% С при
723 °С, и менее 0,01% при комнатной темп-ре. Поэтому при закалке аустенита
образуется мартенсит - пересыщенный твёрдый раствор углерода в а
- Fe, очень твёрдый и хрупкий. Сочетание закалки с отпуском (нагревом
до относительно низких температур для уменьшения внутр. напряжений) позволяет
придать стали требуемое сочетание твёрдости и пластичности (см. Железоуглеродистые
сплавы, Термическая обработка металлов).

Физич. свойства Ж. зависят
от его чистоты. В пром. жел. материалах Ж., как правило, сопутствуют примеси
углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых
концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает
т. н. красноломкость, фосфор (даже 10^-2% Р) - хладноломкость;
углерод
и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает
хрупкость
Ж.
(т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^-7
- 10^-9% приводит к существенным изменениям свойств металла,
в частности к повышению пластичности.

Ниже приводятся физич. свойства
Ж., относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее
0,01% по массе:

Атомный радиус 1,26 А

Ионные радиусы Fe⁸⁺0,80A,
Fe³⁺ 0.67A

Плотность (20⁰C)
7 ,874 г/см³

t

t

Температурный коэфф. линейного
расширения (20°С) 11,7*10^-6

Теплопроводность (25°С) 74,04
вт/(м*K)
[0,177 кал/(см*сек*град)]

Теплоёмкость Ж. зависит от
его структуры и сложным образом изменяется с темп-рой; средняя уд. теплоёмкость
(0-1000°С) 640,57 дж/(кг*К) [0,153 кал/(г*град)].

Уд. электрич. сопротивление

Температурный
коэфф. электрич. сопротивления Модуль
Юнга

Температурный
коэфф. модуля Юнга

Модуль
сдвига

Кратковременная прочность
на разрыв

Относительное удлинение
Твёрдость по Бринеллю

Предел текучестииУдарная
вязкость.

Конфигурация внеш. электронной
оболочки атома Ж. проявляет
переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного
Ж.). С кислородом Ж. образует закись
окись и закись-окись
(соединение, имеющее структуру
шпинели).
Во
влажном воздухе при обычной температуре Ж. покрывается рыхлой ржавчиной
Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода
и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления.
В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Ж.
(см. Коррозия металлов). При нагревании Ж. в сухом воздухе выше
200 °С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл
от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода
защиты Ж. - воронения. При нагревании в водяном паре Ж. окисляется
с образованием(ниже 570 °С)
или FeO (выше 570 °С) и выделением водорода.

Гидроокись
образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака
на водные растворы солей Fe²⁺ в атмосфере водорода или азота.
При соприкосновении с воздухом
сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурую
гидроокись Закись
проявляет основные свойства. Окись
амфо-терна и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более
основными окислами (напр., с,
она образует ферриты - соединения типа,
имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике.
Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Ж., существующего в виде ферратов,
напр. , солей не выделенной
в свободном состоянии железной кислоты.

Ж. легко реагирует с галогенами
и га-логеноводородами, давая соли, напр. хлориды
. При нагревании Ж. с серой образуются сульфиды FeS и.
Карбиды Ж.- (цементит) и
(е-карбид) - выпадают из твёрдых растворов углерода в Ж. при охлаждении.
Feвысоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, даёт с Ж. твёрдые растворы
внедрения; из них выделяются нитриды
и. С водородом Ж. даёт лишь
малоустойчивые гидриды, состав к-рых точно не установлен. При нагревании
Ж. энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (напр.,
и фосфиды (напр.).

Соединения Ж. с многими элементами
(О, S и др.), образующие кристаллич. структуру, имеют переменный состав(так,
содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это
обусловлено дефектами кристаллич. структуры. Напр., в закиси Ж. часть ионов
Fe²+ в узлах решётки замещена ионами Fe³⁺; для сохранения
электронейтральности нек-рые узлы решётки, принадлежавшие ионам Fe²⁺,
остаются пустыми и фаза (вюстит) в обычных условиях имеет формулу

Нормальный электродный потенциал
Ж. в водных растворах его солей для реакции
составляет - 0,44 в, а для реакцииравен
-0,036 в. Т. о., в ряду активностей Ж. стоит левее водорода.
Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением Ни образованием ионов Fe²⁺. Своеобразно взаимодействие Ж. с азотной
кислотой. Концентрированная
(плотн. 1,45 г/см³) пассивирует Ж. вследствие возникновения
на его поверхности защитной окисной плёнки; более разбавленная
растворяет Ж. с образованием ионов Fe²⁺ или Fe³⁺,
восстанавливаясь доили
и .. Растворы солей 2-валентного
Ж. на воздухе неустойчивы -
постепенно окисляется до
Водные растворы солей Ж. вследствие гидролиза имеют кислую реакцию.
Добавление к растворам солей Fe³⁺ тиоцианат-ионов SCN- даёт
яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения
что позволяет открывать присутствие 1 части Fe³⁺ примерно в
10⁶ частях воды. Для Ж. характерно образование комплексных
соединений.

Получение и применение. Чистое
Ж. получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов
его солей или восстановлением водородом его окислов. Разрабатывается способ
непосредственного получения Ж. из руд электролизом расплавов. Постепенно
увеличивается производство достаточно чистого Ж. путём его прямого восстановления
из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно
низких темп-рах.

Ж.- важнейший металл современной
техники. В чистом виде Ж. из-за его низкой прочности практически не используется,
хотя в быту "железными" часто называют стальные или чугунные изделия. Основная
масса Ж. применяется в виде весьма различных по составу и свойствам сплавов.
На долю сплавов Ж. приходится примерно 95% всей металлич. продукции. Богатые
углеродом сплавы (св. 2% по массе) - чугуны, выплавляют в доменных печах
из обогащённых жел. руд (см. Доменное производство). Сталь различных
марок (содержание углерода менее 2% по массе) выплавляют из чугуна в мартеновских
и электрич. печах и конвертерах путём окисления (выжигания) излишнего углерода,
удаления вредных примесей (гл. обр. S, P, О) и добавления легирующих элементов
(см. Мартеновская печь, Конвертер). Высоколегированные стали (с
большим содержанием никеля, хрома, вольфрама и др. элементов) выплавляют
в электрич. дуговых и индукционных печах. Для производства сталей и сплавов
Ж. особо ответственного назначения служат новые процессы - вакуумный, электрошлаковый
переплав, плазменная и электронно-лучевая плавка и др. Разрабатываются
способы выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах,обеспечивающих
высокое качество металла и автоматизацию процесса.

На основе Ж. создаются материалы,
способные выдерживать воздействие высоких и низких темп-р, вакуума и высоких
давлений, агрессивных сред, больших переменных напряжений, ядерных излучений
и т. п. Производство Ж. и его сплавов постоянно растёт. В 1971 в СССР выплавлено
89,3 млн. т чугуна и 121 млн. т стали.

Л. А. Шварцман, Л. В.
Ванюкова. Железо как художественный материал использовалось с древности
в Египте (подставка для головы из гробницы Тутанхамона ок. Фив, сер. 14
в. до н. э., Музей Ашмола, Оксфорд), Месопотамии (кинжалы, найденные ок.
Кархемиша, 500 до н. э., Британский музей, Лондон), Индии (железная колонна
в Дели, 415). Со времён средневековья сохранились многочисл. высокохудожеств.
изделия из Ж. в странах Европы (Англии, Франции, Италии, России и др.)
- кованые ограды, дверные петли, настенные кронштейны, флюгера, оковки
сундуков, светцы. Кованые сквозные изделия из прутьев и изделия из просечного
листового Ж. (часто со слюдяной подкладкой) отличаются плоскостными формами,
чётким линейно-графич. силуэтом и эффектно просматриваются на свето-воздушном
фоне. В 20 в. Ж. используется для изготовления решёток, оград, ажурных
интерьерных перегородок, подсвечников, монументов. Т. Л. Железо
в организме.

Ж. присутствует в организмах
всех животных и в растениях (в среднем ок. 0,02% ); оно необходимо гл.
обр. для кислородного обмена и окислительных процессов. Существуют организмы
(т. н. концентраторы), способные накапливать его в больших кол-вах (напр.,
железобактерии
- до 17-20% Ж.). Почти всё Ж. в организмах животных и растений связано
с белками. Недостаток Ж. вызывает задержку роста и явления
хлороза растений,
связанные
с пониженным образованием хлорофилла.
Вредное влияние на развитие
растений оказывает и избыток Ж., вызывая, напр., стерильность цветков риса
и хлороз. В щелочных почвах образуются недоступные для усвоения корнями
растений соединения Ж., и растения не получают его в достаточном кол-ве;
в кислых почвах Ж. переходит в растворимые соединения в избыточном кол-ве.
При недостатке или избытке в почвах усвояемых соединений Ж. заболевания
растений могут наблюдаться на значительных территориях (см. Биогеохимические
провинции).

В организм животных и человека
Ж. поступает с пищей (наиболее богаты им печень, мясо, яйца, бобовые, хлеб,
крупы, шпинат, свёкла). В норме человек получает с рационом 60-110 мг
Ж.,
что значительно превышает его суточную потребность. Всасывание поступившего
с пищей Ж. происходит в верхнем отделе тонких кишок, откуда оно в связанной
с белками форме поступает в кровь и разносится с кровью к различным органам
и тканям, где депонируется в виде Ж.-белкового комплекса - ферритина. Осн.
депо Ж. в организме - печень и селезёнка. За счёт Ж. ферритина происходит
синтез всех железосодержащих соединений организма: в костном мозге синтезируется
дыхательный пигмент гемоглобин, в мышцах - миоглобин, в различных
тканях цитохромы и др. железосодержащие ферменты. Выделяется Ж.
из организма гл. обр. через стенку толстых кишок (у человека ок. 6-10 мг
в
сутки) и в незначит. степени почками. Потребность организма в Ж. меняется
с возрастом и физич. состоянием. На 1 кг веса необходимо детям -
0,6, взрослым-0,1 и беременным - 0,3
мг Ж. в сутки. У животных потребность
в Ж. ориентировочно составляет (на 1 кг сухого вещества рациона):
для дойных коров - не менее 50
мг, для молодняка - 30-50
мг;
для
поросят - до 200 мг,
для супоросных свиней - 60 мг.

В. В. Ковальский.

В медицине лекарственные
препараты Ж. (восстановленное Ж., лактат Ж., глицерофосфат Ж., сульфат
2-валентного Ж., таблетки Бло, раствор яблочнокислого Ж., ферамид, гемости-мулин
и др.) используют при лечении заболеваний, сопровождающихся недостатком
Ж. в организме (железодефицитная анемия), а также как общеукрепляющие средства
(после перенесённых инфекционных заболеваний и др.). Изотопы Ж. (⁵²Fe,
⁵⁵Fe
и ⁵⁹Fe) применяют как индикаторы при медико-биологич. исследованиях
и диагностике заболеваний крови (анемии, лейкозы, полици-темия и др.).

Лит.: Общая металлургия,
М., 1967; Некрасов Б. В., Основы общей химии, т. 3, М., 1970; Реми Г.,
Курс неорганической химии, пер. с нем., т. 2, М., 1966; Краткая химическая
энциклопедия, т. 2, М., 1963; Левинсон Н. Р., [Изделия из цветного и чёрного
металла], в кн.: Русское декоративное искусство, т. 1 - 3, М., 1962-65:
Вернадский В. И., Биогеохимические очерки. 1922 - 1932, М.- Л., 1940; Граник
С., Обмен железа у животных и растений, в сб.: Микроэлементы, пер. с англ.,
М., 1962; Диксон М., Уэбб Ф., Ферменты, пер. с англ., М., 1966; Neogi P.,
Iron in ancient India, Calcutta, 1914; Friend J. N., Iron in antiquity,
L., 1926; Frank Е. В., Old French ironwork, Camb. (Mass.), 1950; Lister
R., Decorative wrought ironwork in Great Britain, L., 1960.