Железо: свойства, применение и значение

Железо (Fe): химический элемент №26, самый распространенный на Земле. Свойства, добыча, применение металла. Информация о составе ядра и коры Земли.

28 мин чтения

100%

Источник: Iron — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Металлический элемент

Железо — химический элемент с символом Fe и атомным номером 26. Это металл, относящийся к первой переходной серии и группе 8 периодической таблицы. По массе железо является наиболее распространенным элементом на Земле, составляя большую часть внешнего и внутреннего ядра. Это четвертый по распространенности элемент в земной коре, преимущественно осаждаемый метеоритами в металлическом виде. Для получения пригодного для использования металла из железных руд требуются печи, способные достигать температуры примерно на выше, чем необходимая для выплавки меди. Человечество начало осваивать этот процесс в Евразии во втором тысячелетии до нашей эры, и использование железных инструментов и оружия постепенно вытеснило медные сплавы — в некоторых регионах это произошло лишь около 1200 года до нашей эры. Это событие считается переходом от бронзового века к железному веку. В современном мире сплавы железа, такие как сталь, нержавеющая сталь, чугун и специальные стали, являются наиболее распространенными промышленными металлами благодаря своим механическим свойствам и низкой стоимости. Железо- и сталелитейная промышленность имеет большое экономическое значение, а железо является самым дешевым металлом, его цена составляет несколько долларов за килограмм или фунт. Чистая и гладкая поверхность железа имеет зеркальный серебристо-серый цвет. Железо легко реагирует с кислородом и водой, образуя бурые или черные гидратированные оксиды железа, обычно известные как ржавчина. В отличие от оксидов некоторых других металлов, образующих пассивирующие слои, ржавчина занимает больший объем, чем металл, и поэтому отслаивается, обнажая новые поверхности для коррозии. Химически наиболее распространенными степенями окисления железа являются железо(II) и железо(III). Железо обладает многими свойствами, характерными для других переходных металлов, включая другие элементы 8-й группы — рутений и осмий. Железо образует соединения в широком диапазоне степеней окисления от −4 до +7. Железо также образует множество координационных соединений, некоторые из которых, такие как ферроцен, ферриоксалат и прусский синий, имеют важное промышленное, медицинское или исследовательское применение. Тело взрослого человека содержит около 4 граммов (0,005% массы тела) железа, в основном в гемоглобине и миоглобине. Эти два белка играют важную роль в транспорте кислорода кровью и его запасании в мышцах. Для поддержания необходимого уровня метаболизм железа в организме человека требует поступления минимального количества железа с пищей. Железо также является металлом в активном центре многих важных окислительно-восстановительных ферментов, участвующих в клеточном дыхании, а также в процессах окисления и восстановления у растений и животных.

Iron is a chemical element; it has symbol Fe and atomic number 26. It is a metal that belongs to the first transition series and group 8 of the periodic table. It is, by mass, the most common element on Earth, forming much of Earth's outer and inner core. It is the fourth most common element in the Earth's crust, being mainly deposited by meteorites in its metallic state. Extracting usable metal from iron ores requires kilns or furnaces capable of reaching , about higher than that required to smelt copper. Humans started to master that process in Eurasia during the 2nd millennium BC and the use of iron tools and weapons began to displace copper alloys – in some regions, only around 1200 BC. That event is considered the transition from the Bronze Age to the Iron Age. In the modern world, iron alloys, such as steel, stainless steel, cast iron and special steels, are by far the most common industrial metals, due to their mechanical properties and low cost. The iron and steel industry is thus very important economically, and iron is the cheapest metal, with a price of a few dollars per kilogram or pound. Pristine and smooth pure iron surfaces are a mirror like silvery gray. Iron reacts readily with oxygen and water to produce brown to black hydrated iron oxides, commonly known as rust. Unlike the oxides of some other metals that form passivating layers, rust occupies more volume than the metal and thus flakes off, exposing more fresh surfaces for corrosion. Chemically, the most common oxidation states of iron are iron(II) and iron(III). Iron shares many properties of other transition metals, including the other group 8 elements, ruthenium and osmium. Iron forms compounds in a wide range of oxidation states, −4 to +7. Iron also forms many coordination compounds; some of them, such as ferrocene, ferrioxalate, and Prussian blue have substantial industrial, medical, or research applications. The body of an adult human contains about 4 grams (0.005% body weight) of iron, mostly in hemoglobin and myoglobin. These two proteins play essential roles in oxygen transport by blood and oxygen storage in muscles. To maintain the necessary levels, human iron metabolism requires a minimum of iron in the diet. Iron is also the metal at the active site of many important redox enzymes dealing with cellular respiration and oxidation and reduction in plants and animals.

Аллотропы

Известно как минимум четыре аллотропа железа (различные пространственные расположения атомов в твердом состоянии), обычно обозначаемые α, γ, δ и ε. Первые три формы наблюдаются при нормальном давлении. При охлаждении расплавленного железа ниже температуры плавления 1538 °C оно кристаллизуется в аллотроп δ, обладающий объемноцентрированной кубической (bcc) кристаллической структурой. При дальнейшем охлаждении до 1394 °C оно переходит в аллотроп γ-железа, гранецентрированную кубическую (fcc) кристаллическую структуру, или аустенит. При 912 °C и ниже кристаллическая структура снова становится bcc α-аллотропом железа. Физические свойства железа при очень высоких давлениях и температурах также были всесторонне изучены в связи с их значимостью для теорий строения ядер Земли и других планет. При давлении выше 10 ГПа и температуре в несколько сотен кельвинов или ниже α-железо преобразуется в другую гексагональную плотноупакованную (hcp) структуру, также известную как ε-железо. Высокотемпературная γ-фаза также переходит в ε-железо, но при более высоком давлении. Существуют некоторые спорные экспериментальные данные о стабильной β-фазе при давлении выше 50 ГПа и температуре не менее 1500 К. Предполагается, что она имеет орторомбическую или двойную hcp структуру. (Примечательно, что термин "β-железо" иногда также используется для обозначения α-железа выше точки Кюри, когда оно изменяет свои магнитные свойства с ферромагнитного на парамагнитное, хотя его кристаллическая структура при этом не меняется.) Считается, что внутреннее ядро Земли состоит из сплава железа и никеля с ε (или β) структурой.

Точки плавления и кипения

Точки плавления и кипения железа, а также его энтальпия атомизации, ниже, чем у предыдущих 3d-элементов от скандия до хрома, что свидетельствует о снижении вклада 3d-электронов в металлическую связь по мере их усиленного притяжения к инертному ядру ядром. Однако эти значения выше, чем у предыдущего элемента – марганца, поскольку у марганца 3d-подоболочка заполнена наполовину, и, следовательно, его d-электроны нелегко делокализуются. Аналогичная тенденция наблюдается для рутения, но не для осмия. Точка плавления железа экспериментально точно определена при давлениях менее 50 ГПа. При более высоких давлениях опубликованные данные (по состоянию на 2007 год) по-прежнему разнятся на десятки гигапаскалей и более тысячи кельвинов.

Магнитные свойства

Ниже точки Кюри α-железо изменяется от парамагнитного к ферромагнитному: спины двух неспаренных электронов в каждом атоме обычно выстраиваются в соответствии со спинами соседних атомов, создавая общее магнитное поле. Это происходит потому, что орбитали этих двух электронов (dz2 и dx2 − y2) не направлены на соседние атомы в кристаллической решетке и, следовательно, не участвуют в металлической связи. В отсутствие внешнего магнитного поля атомы спонтанно разделяются на магнитные домены размером около 10 микрометров, при этом атомы в каждом домене имеют параллельные спины, но ориентация некоторых доменов различна. Таким образом, макроскопический образец железа имеет почти нулевое суммарное магнитное поле. Приложение внешнего магнитного поля приводит к росту доменов, намагниченных в одном общем направлении, за счет соседних доменов, ориентированных в других направлениях, усиливая внешнее поле. Этот эффект используется в устройствах, предназначенных для направления магнитных полей для выполнения функциональных задач, таких как электрические трансформаторы, магнитные головки записи и электродвигатели. Примеси, дефекты решетки или границы зерен и частиц могут "фиксировать" домены в новых положениях, так что эффект сохраняется даже после снятия внешнего поля, превращая железный объект в (постоянный) магнит. 60Fe – вымерший радионуклид с большим периодом полураспада (2,6 миллиона лет). На Земле он не встречается, но его конечным продуктом распада является его "внучка" – стабильный нуклид 60Ni. В фазах метеоритов Семаркона и Червоного Кута обнаружена корреляция между концентрацией 60Ni, "внучки" 60Fe, и содержанием стабильных изотопов железа, что свидетельствует о существовании 60Fe во время формирования Солнечной системы. Возможно, энергия, высвобождаемая при распаде 60Fe, наряду с энергией, высвобождаемой 26Al, способствовала переплавлению и дифференциации астероидов после их образования 4,6 миллиарда лет назад. Содержание 60Ni, присутствующего во внеземных материалах, может дать дополнительную информацию о происхождении и ранней истории Солнечной системы. Наиболее распространенный изотоп железа 56Fe представляет особый интерес для специалистов по ядерной физике, поскольку он является наиболее распространенным конечным продуктом нуклеосинтеза. Поскольку 56Ni (14 альфа-частиц) легко образуется из более легких ядер в альфа-процессе в ядерных реакциях в сверхновых (см. процесс горения кремния), он является конечной точкой цепей слияния внутри чрезвычайно массивных звезд, поскольку добавление еще одной альфа-частицы, приводящее к образованию 60Zn, требует значительно больше энергии. Этот 56Ni, период полураспада которого составляет около 6 дней, образуется в этих звездах в больших количествах, но вскоре распадается посредством двух последовательных позитронных эмиссий в продуктах распада сверхновой в газовом облаке остатков сверхновой, сначала в радиоактивный 56Co, а затем в стабильный 56Fe. Таким образом, железо является наиболее распространенным элементом в ядре красных гигантов и наиболее распространенным металлом в железных метеоритах и в плотных металлических ядрах планет, таких как Земля. Оно также очень распространено во Вселенной по сравнению с другими стабильными металлами примерно того же атомного веса. Железо – шестой по распространенности элемент во Вселенной и наиболее распространенный тугоплавкий элемент. Хотя небольшое увеличение энергии можно получить при синтезе 62Ni, который имеет немного более высокую энергию связи, чем 56Fe, условия в звездах не подходят для этого процесса. Производство элементов в сверхновых значительно благоприятствует образованию железа по сравнению с никелем, и в любом случае 56Fe все еще имеет меньшую массу на нуклон, чем 62Ni из-за более высокой доли легких протонов. Следовательно, для образования элементов тяжелее железа требуется сверхновая, включающая быстрый захват нейтронов ядрами 56Fe. В далеком будущем Вселенной, при условии, что распад протонов не произойдет, холодное слияние, происходящее посредством квантового туннелирования, приведет к слиянию легких ядер в обычной материи в ядра 56Fe. Затем деление и эмиссия альфа-частиц приведут к распаду тяжелых ядер в железо, превратив все звездные объекты в холодные сферы из чистого железа.

Below its Curie point of , α iron changes from paramagnetic to ferromagnetic: the spins of the two unpaired electrons in each atom generally align with the spins of its neighbors, creating an overall magnetic field. This happens because the orbitals of those two electrons (dz2 and dx2 −. y2) do not point toward neighboring atoms in the lattice, and therefore are not involved in metallic bonding. In the absence of an external source of magnetic field, the atoms get spontaneously partitioned into magnetic domains, about 10 micrometers across, such that the atoms in each domain have parallel spins, but some domains have other orientations. Thus a macroscopic piece of iron will have a nearly zero overall magnetic field. Application of an external magnetic field causes the domains that are magnetized in the same general direction to grow at the expense of adjacent ones that point in other directions, reinforcing the external field. This effect is exploited in devices that need to channel magnetic fields to fulfill design function, such as electrical transformers, magnetic recording heads, and electric motors. Impurities, lattice defects, or grain and particle boundaries can "pin" the domains in the new positions, so that the effect persists even after the external field is removed – thus turning the iron object into a (permanent) magnet. 60Fe is an extinct radionuclide of long half life (2.6 million years). It is not found on Earth, but its ultimate decay product is its granddaughter, the stable nuclide 60Ni. In phases of the meteorites Semarkona and Chervony Kut, a correlation between the concentration of 60Ni, the granddaughter of 60Fe, and the abundance of the stable iron isotopes provided evidence for the existence of 60Fe at the time of formation of the Solar System. Possibly the energy released by the decay of 60Fe, along with that released by 26Al, contributed to the remelting and differentiation of asteroids after their formation 4.6 billion years ago. The abundance of 60Ni present in extraterrestrial material may bring further insight into the origin and early history of the Solar System. The most abundant iron isotope 56Fe is of particular interest to nuclear scientists because it represents the most common endpoint of nucleosynthesis. Since 56Ni (14 alpha particles) is easily produced from lighter nuclei in the alpha process in nuclear reactions in supernovae (see silicon burning process), it is the endpoint of fusion chains inside extremely massive stars, since addition of another alpha particle, resulting in 60Zn, requires a great deal more energy. This 56Ni, which has a half life of about 6 days, is created in quantity in these stars, but soon decays by two successive positron emissions within supernova decay products in the supernova remnant gas cloud, first to radioactive 56Co, and then to stable 56Fe. As such, iron is the most abundant element in the core of red giants, and is the most abundant metal in iron meteorites and in the dense metal cores of planets such as Earth. It is also very common in the universe, relative to other stable metals of approximately the same atomic weight. Iron is the sixth most abundant element in the universe, and the most common refractory element. Although a further tiny energy gain could be extracted by synthesizing 62Ni, which has a marginally higher binding energy than 56Fe, conditions in stars are unsuitable for this process. Element production in supernovas greatly favor iron over nickel, and in any case, 56Fe still has a lower mass per nucleon than 62Ni due to its higher fraction of lighter protons. Hence, elements heavier than iron require a supernova for their formation, involving rapid neutron capture by starting 56Fe nuclei. In the far future of the universe, assuming that proton decay does not occur, cold fusion occurring via quantum tunnelling would cause the light nuclei in ordinary matter to fuse into 56Fe nuclei. Fission and alpha particle emission would then make heavy nuclei decay into iron, converting all stellar mass objects to cold spheres of pure iron.

Космогенез

Обилие железа на скалистых планетах, таких как Земля, обусловлено его масштабным образованием в ходе неуправляемой термоядерной реакции и взрыва сверхновых типа Ia, которые разбрасывают железо в космическое пространство.

Металлическое железо

Металлическое или самородное железо редко встречается на поверхности Земли из-за его склонности к окислению. Однако, как внутреннее, так и внешнее ядро Земли, которые вместе составляют 35% массы всей планеты, предположительно состоят в основном из железного сплава, возможно, с никелем. Считается, что электрические токи в жидком внешнем ядре являются источником магнитного поля Земли. Другие планеты земной группы (Меркурий, Венера и Марс), а также Луна, предположительно имеют металлическое ядро, состоящее преимущественно из железа. Астероиды типа М также, как полагают, частично или в основном состоят из металлического железного сплава. Редкие железные метеориты являются основной формой природного металлического железа на поверхности Земли. На различных археологических стоянках были найдены изделия, изготовленные из кованого метеоритного железа, относящиеся к периоду, когда выплавка железа еще не была освоена; также сообщалось, что инуиты Гренландии использовали железо из метеорита Кейп-Йорк для изготовления инструментов и охотничьего оружия. Примерно 1 из 20 метеоритов состоит из уникальных железо-никелевых минералов таенита (35–80% железа) и камацита (90–95% железа). Самородное железо также редко встречается в базальтах, образовавшихся из магмы, контактировавшей с богатыми углеродом осадочными породами, что привело к достаточному снижению парциального давления кислорода для кристаллизации железа. Это явление известно как теллурическое железо и описано в нескольких местах, таких как остров Диско в Западной Гренландии, Якутия в России и Бюль в Германии.

Минералы манты

Ферропериклаза (Mg,Fe)O, твердый раствор периклаза (MgO) и вюстита (FeO), составляет около 20% объема нижней мантии Земли, что делает его второй по распространенности минеральной фазой в этом регионе после силикатного перовскита (Mg,Fe)SiO3; он также является основным носителем железа в нижней мантии. У основания переходной зоны мантии реакция γ(Mg,Fe)₂[SiO₄] ↔ (Mg,Fe)[SiO₃] + (Mg,Fe)O превращает γ-оливин в смесь силикатного перовскита и ферропериклаза и наоборот. В литературе эта минеральная фаза нижней мантии также часто называется магниевоуститом. Силикатный перовскит может составлять до 93% нижней мантии, а форма магний-железо (Mg,Fe)SiO₃ считается наиболее распространенным минералом на Земле, составляя 38% ее объема.

Земная кора

Хотя железо является наиболее распространенным элементом на Земле, большая его часть сосредоточена во внутреннем и внешнем ядрах. Доля железа в земной коре составляет всего около 5% от общей массы коры и, таким образом, является лишь четвертым по распространенности элементом в этом слое (после кислорода, кремния и алюминия). Большая часть железа в коре соединена с различными другими элементами, образуя множество железных минералов. Важным классом являются минералы оксидов железа, такие как гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4) и сидерит (FeCO3), которые являются основными железными рудами. Многие магматические породы также содержат сульфидные минералы пирротин и пентландит. В процессе выветривания железо, как правило, выщелачивается из сульфидных отложений в виде сульфата и из силикатных отложений в виде бикарбоната. Оба эти соединения окисляются в водном растворе и осаждаются даже при незначительно повышенном pH в виде оксида железа(III). Крупные месторождения железа представлены полосатыми железными формациями – типом пород, состоящим из чередующихся тонких слоев оксидов железа и полос железобедного сланца и черта. Материалы, содержащие мелко измельченные оксиды или гидроксиды железа, такие как охра, использовались в качестве желтых, красных и коричневых пигментов с доисторических времен. Они также вносят вклад в окраску различных пород и глин, включая целые геологические образования, такие как Painted Hills в Орегоне и Buntsandstein ("цветной песчаник", британский Бунтер). Благодаря Eisensandstein (юрскому "железному песчанику", например, из Дондзорфа в Германии) и Bath stone в Великобритании, соединения железа отвечают за желтоватый оттенок многих исторических зданий и скульптур. Характерный красный цвет поверхности Марса обусловлен реголитом, богатым оксидами железа. Значительное количество железа содержится в сульфидном минерале пирите (FeS2), однако извлечение железа из него затруднено, поэтому он не разрабатывается. Фактически, железо настолько распространено, что производство обычно сосредоточено только на рудах с очень высоким его содержанием. Согласно отчету Международной ресурсной панели "Запасы металлов в обществе", мировой запас железа, используемого в обществе, составляет 2200 кг на душу населения. Более развитые страны в этом отношении отличаются от менее развитых (7000–14000 против 2000 кг на душу населения).

While iron is the most abundant element on Earth, most of this iron is concentrated in the inner and outer cores. The fraction of iron that is in Earth's crust only amounts to about 5% of the overall mass of the crust and is thus only the fourth most abundant element in that layer (after oxygen, silicon, and aluminium). Most of the iron in the crust is combined with various other elements to form many iron minerals. An important class is the iron oxide minerals such as hematite (Fe2O3), magnetite (Fe3O4), and siderite (FeCO3), which are the major ores of iron. Many igneous rocks also contain the sulfide minerals pyrrhotite and pentlandite. During weathering, iron tends to leach from sulfide deposits as the sulfate and from silicate deposits as the bicarbonate. Both of these are oxidized in aqueous solution and precipitate in even mildly elevated pH as iron(III) oxide. Large deposits of iron are banded iron formations, a type of rock consisting of repeated thin layers of iron oxides alternating with bands of iron poor shale and chert. The banded iron formations were laid down in the time between and
Materials containing finely ground iron(III) oxides or oxide hydroxides, such as ochre, have been used as yellow, red, and brown pigments since pre historical times. They contribute as well to the color of various rocks and clays, including entire geological formations like the Painted Hills in Oregon and the Buntsandstein ("colored sandstone", British Bunter). Through Eisensandstein (a jurassic 'iron sandstone', e. g. from Donzdorf in Germany) and Bath stone in the UK, iron compounds are responsible for the yellowish color of many historical buildings and sculptures. The proverbial red color of the surface of Mars is derived from an iron oxide rich regolith. Significant amounts of iron occur in the iron sulfide mineral pyrite (FeS2), but it is difficult to extract iron from it and it is therefore not exploited. In fact, iron is so common that production generally focuses only on ores with very high quantities of it. According to the International Resource Panel's Metal Stocks in Society report, the global stock of iron in use in society is 2,200 kg per capita. More developed countries differ in this respect from less developed countries (7,000–14,000 vs 2,000 kg per capita).

Океаны

Океаническая наука показала роль железа в древних морях как для морских организмов, так и для климата.

Оксиды и сульфиды

Железо образует различные оксиды и гидроксиды; наиболее распространенными являются оксид железа(II,III) (Fe3O4) и оксид железа(III) (Fe2O3). Оксид железа(II) также существует, хотя он нестабилен при комнатной температуре. Несмотря на свои названия, все они фактически нестехиометрические соединения, состав которых может изменяться. Эти оксиды являются основными рудами для получения железа (см. кричные печи и доменные печи). Они также используются в производстве ферритов – полезных магнитных носителей информации в компьютерах – и пигментов. Наиболее известным сульфидом является пирит (FeS2), также известный как "золото дураков" из-за его золотистого блеска.

Органометаллические соединения

Химия органожелеза – это изучение органометаллических соединений железа, в которых атомы углерода ковалентно связаны с атомом металла. Они многочисленны и разнообразны, включая цианидные комплексы, карбонильные комплексы, сэндвич- и полусэндвич-соединения. Прусский синий, или "гексацианоферрат(II) железа(III)", Fe₄[Fe(CN)₆]₃, – старый и хорошо известный цианидный комплекс железа, широко используемый в качестве пигмента и в различных других областях. Его образование можно использовать в качестве простого качественного химического теста для различия водных растворов Fe²⁺ и Fe³⁺, поскольку они реагируют (соответственно) с феррицианидом калия и ферроцианидом калия с образованием прусского синего. Важным событием в этой области стало открытие в 1951 году исключительно стабильного сэндвич-соединения ферроцена Fe(C₅H₅)₂, сделанное Паусоном и Кили, а также независимо Миллером и его коллегами. Удивительная молекулярная структура ферроцена была установлена лишь год спустя Вудвордом, Уилкинсоном и Фишером. Ферроцен до сих пор является одним из важнейших инструментов и моделей в этой области. Железосодержащие органометаллические соединения используются в качестве катализаторов. Комплекс Кнёлкера, например, является катализатором переноса гидрирования для кетонов.

Промышленное использование

Соединения железа, производимые в промышленности в наибольших масштабах, – это сульфат железа(II) (FeSO4·7H2O) и хлорид железа(III) (FeCl3). Первый является одним из наиболее доступных источников железа(II), но менее устойчив к окислению на воздухе, чем соль Мора ((NH4)2Fe(SO4)2·6H2O). Соединения железа(II) склонны окисляться до соединений железа(III) на воздухе. Предметы, которые, вероятно, были изготовлены из железа египтянами, датируются 3000–2500 годами до нашей эры. Метеоритное железо сравнительно мягкое и ковкое, легко поддается холодной ковке, но может становиться хрупким при нагревании из-за содержания никеля.

Железообразные

Первое производство железа началось в средний бронзовый век, но потребовались века, прежде чем железо вытеснило бронзу. Образцы выплавленного железа из Асмара (Месопотамия) и Талль-Чагар-Базара (северная Сирия) были изготовлены приблизительно между 3000 и 2700 годами до н.э. Хетты основали империю в северно-центральной Анатолии около 1600 года до н.э. Они, по-видимому, первыми освоили производство железа из руды и высоко ценили его в своем обществе. Хетты начали выплавлять железо между 1500 и 1200 годами до н.э., и эта практика распространилась по всему Ближнему Востоку после падения их империи в 1180 году до н.э. Последующий период называется железным веком. Артефакты из выплавленного железа найдены в Индии, датируемые 1800–1200 годами до н.э., и в Леванте примерно с 1500 года до н.э. (что может указывать на выплавку в Анатолии или на Кавказе). Предполагаемые упоминания (сравните историю металлургии в Южной Азии) о железе в индийских Ведах использовались для обоснования утверждений о его очень раннем использовании в Индии и для датировки самих текстов. Термин "аяс" (металл) в Ригведе обозначает медь, а железо, называемое "сьяма-аяс" – буквально "чёрная медь", впервые упоминается в более поздней Атарваведе. Некоторые археологические данные свидетельствуют о выплавке железа в Зимбабве и юго-восточной Африке уже в VIII веке до н.э. Обработка железа была завезена в Грецию в конце XI века до н.э., откуда быстро распространилась по Европе. Распространение обработки железа в Центральной и Западной Европе связано с кельтской экспансией. По словам Плиния Старшего, использование железа было широко распространено в римскую эпоху. В землях, которые сейчас являются Китаем, железо появляется приблизительно в 700–500 годах до н.э. Возможно, выплавка железа была занесена в Китай через Центральную Азию. Самые ранние свидетельства использования доменной печи в Китае датируются I веком н.э., а колокольные печи использовались ещё в период Сражающихся царств (403–221 гг. до н.э.). Использование доменных и колокольных печей оставалось широко распространенным во времена династий Тан и Сун. Во время промышленной революции в Великобритании Генри Корт начал перерабатывать чугун в кованое железо (или полосовое железо), используя инновационные производственные системы. В 1783 году он запатентовал процесс рафинирования железа методом пудлинга. Позже его усовершенствовали другие, в том числе Джозеф Холл.

The first iron production started in the Middle Bronze Age, but it took several centuries before iron displaced bronze. Samples of smelted iron from Asmar, Mesopotamia and Tall Chagar Bazaar in northern Syria were made sometime between 3000 and 2700 BC. The Hittites established an empire in north central Anatolia around 1600 BC. They appear to be the first to understand the production of iron from its ores and regard it highly in their society. The Hittites began to smelt iron between 1500 and 1200 BC and the practice spread to the rest of the Near East after their empire fell in 1180 BC. The subsequent period is called the Iron Age. Artifacts of smelted iron are found in India dating from 1800 to 1200 BC, and in the Levant from about 1500 BC (suggesting smelting in Anatolia or the Caucasus). Alleged references (compare history of metallurgy in South Asia) to iron in the Indian Vedas have been used for claims of a very early usage of iron in India respectively to date the texts as such. The rigveda term ayas (metal) refers to copper, while iron which is called as śyāma ayas, literally "black copper", first is mentioned in the post rigvedic Atharvaveda. Some archaeological evidence suggests iron was smelted in Zimbabwe and southeast Africa as early as the eighth century BC. Iron working was introduced to Greece in the late 11th century BC, from which it spread quickly throughout Europe. The spread of ironworking in Central and Western Europe is associated with Celtic expansion. According to Pliny the Elder, iron use was common in the Roman era. In the lands of what is now considered China, iron appears approximately 700–500 BC. Iron smelting may have been introduced into China through Central Asia. The earliest evidence of the use of a blast furnace in China dates to the 1st century AD, and cupola furnaces were used as early as the Warring States period (403–221 BC). Usage of the blast and cupola furnace remained widespread during the Tang and Song dynasties. During the Industrial Revolution in Britain, Henry Cort began refining iron from pig iron to wrought iron (or bar iron) using innovative production systems. In 1783 he patented the puddling process for refining iron ore. It was later improved by others, including Joseph Hall.

Чугун

Чугун впервые был произведен в Китае в V веке до нашей эры, но в Европу он попал лишь в средневековый период. Самые ранние артефакты из чугуна были обнаружены археологами в современном уезде Лухэ, провинция Цзянсу, Китай. В древнем Китае чугун использовался в военном деле, сельском хозяйстве и строительстве. В средневековье в Европе были найдены способы получения кованого железа из чугуна (в этом контексте известного как передельный чугун) с использованием горнов для выковки. Для всех этих процессов требовался древесный уголь в качестве топлива. Средневековые доменные печи были высотой около 3 метров и строились из огнеупорного кирпича; подача воздуха обычно осуществлялась с помощью ручных мехов. Многие языки называют железные дороги «железной дорогой» (например, французский chemin de fer, немецкий Eisenbahn, турецкий demiryolu, русский железная дорога, китайский, японский и корейский 鐵道, вьетнамский đường sắt).

Сталь

Сталь (с меньшим содержанием углерода, чем чугун, но большим, чем кованое железо) впервые была получена в древности с использованием плавильных горнов. Кузнецы в Луристане, на западе Персии, изготавливали качественную сталь уже к 1000 году до н.э. Впоследствии были разработаны улучшенные сорта стали – индийская сталь вутц примерно в 300 году до н.э. и дамасская сталь около 500 года н.э. Эти методы были специализированными, поэтому сталь не стала массовым товаром до 1850-х годов. В XVII веке были изобретены новые способы её производства путем насыщения железа углеродом в процессе цементации. В эпоху промышленной революции были разработаны новые методы производства железных прутков без использования древесного угля, которые впоследствии стали применяться и для производства стали. В конце 1850-х годов Генри Бессемер изобрел новый способ производства стали, заключающийся в продувке расплавленного чугуна воздухом, для получения низкоуглеродистой стали. Это значительно удешевило производство стали, что привело к сокращению объемов производства кованого железа.

Основы современной химии

В 1774 году Антуан Лавуазье использовал реакцию водяного пара с металлическим железом внутри раскаленной железной трубки для получения водорода в своих экспериментах, которые привели к демонстрации закона сохранения массы, что стало решающим фактором в переходе химии от качественной науки к количественной.

Символическая роль

Железо играет определенную роль в мифологии и нашло разнообразное применение в качестве метафоры и в фольклоре. В поэме греческого поэта Гесиода «Работы и дни» (строки 109–201) перечислены различные эпохи человечества, названные в честь металлов, таких как золото, серебро, бронза и железо, для описания последовательных этапов развития человечества. Железный век тесно связан с Римом, и в «Метаморфозах» Овидия добродетели в отчаянии покидают землю, а развращенность человека становится всеобщей и полной: «Твёрдая сталь последовала за тем». Примером важности символической роли железа может служить немецкая кампания 1813 года. Фридрих Вильгельм III тогда заказал первый Железный крест как военную награду. Производство берлинских железных украшений достигло пика между 1813 и 1815 годами, когда прусская королевская семья призвала граждан жертвовать золотые и серебряные украшения для финансирования военных нужд. Надпись «Ich gab Gold für Eisen» (Я отдал золото за железо) также использовалась в более поздних военных кампаниях.

Лабораторные маршруты

Для нескольких ограниченных целей, когда это требуется, чистое железо получают в лаборатории в небольших количествах, восстанавливая чистый оксид или гидроксид водородом, либо синтезируя пентакарбонил железа и нагревая его до 250 °C для разложения с образованием порошка чистого железа. Другой способ – электролиз хлорида железа(II) на железном катоде.

Основные промышленные маршруты

Производство железа в 2009 году (миллионов тонн)
СтранаЖелезная рудаЧугунПрямое железоСталь 1,114.9549.4 573.6393.9 4.4 5.2305.025.1 0.011 26.5 66.9 87.5257.438.2 23.463.592.1 43.9 4.760.065.8 25.7 29.9 0.1 27.3 48.60.4 20.10.38 32.7Мир 1,594.9914.0 64.5 1,232.4

В настоящее время промышленное производство железа или стали состоит из двух основных этапов. На первом этапе железная руда восстанавливается коксом в доменной печи, а расплавленный металл отделяется от крупных примесей, таких как силикатные минералы. На этом этапе получается сплав – чугун – содержащий относительно большое количество углерода. На втором этапе содержание углерода в чугуне снижается путем окисления для получения ковкого железа, стали или литейного чугуна. На этой стадии могут быть добавлены другие металлы для формирования легированных сталей.

Сталелитейная промышленность

Чугун, полученный в доменной печи, содержит до 4–5% углерода (по массе), а также небольшое количество других примесей, таких как сера, магний, фосфор и марганец. Высокое содержание углерода делает его относительно слабым и хрупким. Снижение содержания углерода до 0,002–2,1% приводит к получению стали, которая может быть в 1000 раз тверже чистого железа. Из стали можно изготавливать широкий спектр изделий посредством холодной обработки, горячей прокатки, ковки, механической обработки и т.д. Удаление примесей из чугуна с сохранением 2–4% углерода дает чугун, который литейные предприятия отливают в изделия, такие как печи, трубы, радиаторы, фонарные столбы и рельсы. Стальные изделия часто подвергаются различным видам термической обработки после ковки. Отжиг заключается в нагревании до 700–800 °C на несколько часов с последующим медленным охлаждением. Это делает сталь более мягкой и пластичной.

Прямая редукция железа

Из-за экологических проблем были разработаны альтернативные методы переработки железа. "Прямое восстановление железа" восстанавливает железную руду до железосодержащего куска, называемого "губчатым" железом или "прямым" железом, пригодного для выплавки стали. В электролизе используется смесь расплавленных оксидов металлов, в которую растворяется железная руда. Электрический ток поддерживает электролит в расплавленном состоянии и восстанавливает оксид железа. Помимо жидкого железа, выделяется кислород. Выбросы углекислого газа происходят только от электроэнергии, произведенной с использованием ископаемого топлива, необходимой для нагрева и восстановления металла.

Приложения

+ Характерные значения прочности на растяжение (TS) и твердости по Бринеллю (BH) различных форм железа. МатериалТС (МПа)BH (Бринелл) Железные усы11000Аустенсорбированная (закаленная) сталь2930850–1200Мартенситная сталь2070600Байнитная сталь1380400Перлитная сталь1200350Холоднокатаная железа690200Мелкозернистая железа340100Железо, содержащее углерод14040Чистое однокристаллическое железо103

В качестве конструктивного материала

Железо – наиболее широко используемый из всех металлов, составляющий более 90% мирового производства металла. Благодаря низкой стоимости и высокой прочности оно часто является материалом выбора для восприятия напряжений и передачи сил, например, при строительстве машин и станков, железнодорожных путей, автомобилей, корпусов судов, арматуры для бетона и несущих каркасов зданий. Поскольку чистое железо достаточно мягкое, его чаще всего комбинируют с легирующими элементами для получения стали.

Механические свойства

Механические свойства железа и его сплавов имеют решающее значение для их применения в конструкциях. Эти свойства можно оценить различными способами, включая испытание по Бринеллю, испытание по Роквеллу и испытание на твердость по Виккерсу. Свойства чистого железа часто используются для калибровки измерений или для сравнения результатов испытаний. Однако механические свойства железа существенно зависят от чистоты образца: чистые, монокристаллы железа на самом деле мягче алюминия. Чистое железо (99,9%–99,999%), особенно известное как электролитическое железо, промышленно производится методом электролитического рафинирования. Увеличение содержания углерода приводит к значительному увеличению твердости и прочности на разрыв железа. Максимальная твердость 65 Rc достигается при содержании углерода 0,6%, хотя сплав обладает низкой прочностью на разрыв. Благодаря мягкости железа, с ним гораздо легче работать, чем с его более тяжелыми аналогами рутением и осмием.

Катализаторы и реагенты

Поскольку Fe дешев и нетоксичен, значительные усилия были направлены на разработку катализаторов и реагентов на основе железа. Однако железо используется в качестве катализатора в промышленных процессах реже, чем более дорогие металлы. В биологии ферменты, содержащие железо, встречаются повсеместно. Железные катализаторы традиционно применяются в процессе Габера — Боша для производства аммиака и в процессе Фишера — Тропша для конверсии монооксида углерода в углеводороды, используемые в качестве топлива и смазочных материалов. Порошкообразное железо в кислой среде используется в восстановлении Бешампа для превращения нитробензола в анилин.

Соединения железа

Оксид железа(III), смешанный с алюминиевым порошком, может быть воспламенен для создания термитной реакции, используемой при сварке крупных железных деталей (например, рельсов) и очистке руд. Оксид железа(III) и гидроксид железа(III) используются как красноватые и охристые пигменты. Хлорид железа(III) находит применение в очистке воды и очистке сточных вод, при крашении тканей, в качестве красящего агента в красках, в качестве добавки в корма для животных, а также в качестве травителя для меди при производстве печатных плат. Его также можно растворить в спирте для получения настойки железа, которая используется в качестве лекарственного средства для остановки кровотечения у канареек. Сульфат железа(II) используется в качестве предшественника для других соединений железа. Он также применяется для восстановления хроматов в цементе. Его используют для обогащения продуктов питания и лечения железодефицитной анемии. Сульфат железа(III) применяется для осаждения мелких частиц сточных вод в резервуарной воде. Хлорид железа(II) используется как восстановитель-флокулянт, при образовании комплексов железа и магнитных оксидов железа, а также в качестве восстановителя в органическом синтезе.

Биологическая и патологическая роль

Железо необходимо для жизни. Железо-серные кластеры широко распространены и включают нитрогеназы – ферменты, ответственные за биологическую фиксацию азота. Железосодержащие белки участвуют в транспорте, хранении и использовании кислорода. В среднем, организм взрослого человека содержит около 0,005% железа от массы тела, или примерно четыре грамма, три четверти которого приходится на гемоглобин – уровень, который остается постоянным, несмотря на то, что ежедневно усваивается лишь около одного миллиграмма железа, поскольку организм человека перерабатывает гемоглобин для извлечения железа. Рост микроорганизмов может стимулироваться окислением железа(II) или восстановлением железа(III).

Диета

Железо широко распространено, но особенно богатыми источниками пищевого железа являются красное мясо, устрицы, бобы, птица, рыба, листовые овощи, кресс-салат, тофу и патока. Железо в составе диетических добавок часто представлено в виде фумарата железа, хотя сульфат железа дешевле и усваивается не хуже. Его часто добавляют в продукты, такие как завтрак или обогащенная пшеничная мука. Железо наиболее эффективно усваивается организмом в хелатной форме с аминокислотами и также доступно для использования в качестве обычной добавки железа. Глицин, самая недорогая аминокислота, чаще всего используется для производства добавок железа в форме глицината.

Диетические рекомендации

Институт медицины США (IOM) обновил оценочные средние потребности (EAR) и рекомендуемые диетические нормы (RDA) железа в 2001 году. Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) использует термин «диетические референтные значения» для обозначения всего комплекса информации, при этом эталонный прием населения (PRI) заменяет RDA, а средняя потребность – EAR. Допустимый верхний уровень потребления (UL) и адекватный уровень потребления (AI) определены аналогично значениям в США. Для женщин PRI составляет 13 мг/день в возрасте 15–17 лет, 16 мг/день для женщин в возрасте 18 лет и старше в период пременопаузы и 11 мг/день в постменопаузе. В период беременности и лактации – 16 мг/день. Для мужчин PRI составляет 11 мг/день в возрасте 15 лет и старше. Для детей в возрасте от 1 до 14 лет PRI увеличивается с 7 до 11 мг/день. Значения PRI выше, чем RDA в США, за исключением периода беременности. EFSA, рассмотрев тот же вопрос безопасности, не установил UL. Младенцам, находящимся на искусственном вскармливании коровьим молоком, может потребоваться дополнительный прием железа. Часто сдающие кровь люди подвержены риску дефицита железа и часто им рекомендуется принимать добавки железа. Для целей маркировки продуктов питания и диетических добавок в США количество в порции выражается в процентах от суточной нормы (% DV). Для маркировки железа 100% суточной нормы составляло 18 мг и с 2016 года остается на уровне 18 мг. Таблица старых и новых суточных норм для взрослых представлена в разделе «Референтный суточный прием».

Недостаток

Дефицит железа является наиболее распространенным дефицитом питательных веществ в мире. Когда потеря железа не компенсируется достаточным поступлением железа с пищей, развивается состояние латентного дефицита железа, которое со временем, при отсутствии лечения, приводит к железодефицитной анемии, характеризующейся недостаточным количеством эритроцитов и недостаточным содержанием гемоглобина. Дети, женщины детородного возраста и люди с несбалансированным питанием наиболее подвержены этому заболеванию. Большинство случаев железодефицитной анемии протекают легко, но при отсутствии лечения могут вызвать такие проблемы, как учащенное или нерегулярное сердцебиение, осложнения во время беременности и задержка роста у младенцев и детей. Мозг относительно устойчив к острому дефициту железа из-за медленной скорости его транспорта через гематоэнцефалический барьер. Кратковременные колебания уровня железа в сыворотке крови (определяемые по уровню ферритина) не отражают состояние железа в мозге, однако предполагается, что длительный дефицит железа с пищей со временем может приводить к снижению его концентрации в мозге. В мозге железо играет роль в транспорте кислорода, синтезе миелина, митохондриальном дыхании, а также выступает в качестве кофактора для синтеза и метаболизма нейротрансмиттеров. В экспериментах на животных при дефиците железа с пищей наблюдаются биомолекулярные изменения, сходные с теми, что встречаются при болезни Паркинсона и болезни Гентингтона. Однако возрастное накопление железа в мозге также связывают с развитием болезни Паркинсона.

Избыток

Поглощение железа строго регулируется человеческим организмом, который не имеет регулируемых физиологических механизмов выведения железа. Ежедневно теряется лишь небольшое количество железа с отшелушивающимися клетками слизистой оболочки и эпителия кожи, поэтому контроль уровня железа осуществляется главным образом за счет регулирования его поглощения. У некоторых людей регуляция поглощения железа нарушена из-за генетического дефекта, локализующегося в области гена HLA H на 6-й хромосоме и приводящего к аномально низким уровням гепцидина – ключевого регулятора поступления железа в кровоток у млекопитающих. У этих людей избыточное поступление железа может вызывать заболевания, связанные с перегрузкой железом, известные в медицине как гемохроматоз. Передозировка железа может привести к чрезмерному уровню свободного железа в крови. Высокие концентрации свободного железа в крови реагируют с пероксидами, образуя высокореактивные свободные радикалы, способные повреждать ДНК, белки, липиды и другие клеточные компоненты. Токсичность железа развивается, когда в клетке накапливается свободное железо, что обычно происходит при превышении уровня железа над способностью трансферрина связывать его. Повреждение клеток желудочно-кишечного тракта также может нарушить их способность регулировать всасывание железа, что приводит к дальнейшему повышению его уровня в крови. Железо обычно повреждает клетки сердца, печени и других органов, вызывая неблагоприятные последствия, такие как кома, метаболический ацидоз, шок, печеночная недостаточность, коагулопатия, долгосрочное повреждение органов и даже смерть. Чрезмерное потребление железа, часто вызванное употреблением детьми большого количества таблеток сульфата железа, предназначенных для взрослых, является одной из наиболее частых токсикологических причин смерти детей до шести лет. Медицинское ведение токсичности железа является сложным и может включать использование специфического хелатирующего агента – дефероксамина, для связывания и выведения избыточного железа из организма.

СДВГ

Некоторые исследования показали, что низкий уровень железа в таламусе может играть роль в патофизиологии СДВГ. Некоторые исследователи обнаружили, что прием препаратов железа может быть эффективен, особенно при невнимательном подтипе расстройства. В 2000-х годах некоторые исследователи предполагали связь между низким уровнем железа в крови и СДВГ. Однако исследование, проведенное в 2012 году, не выявило такой корреляции.

Рак

Роль железа в защите от рака можно описать как "палка о двух концах" из-за его повсеместного присутствия в непатологических процессах. У пациентов, проходящих химиотерапию, может развиться дефицит железа и анемия, для устранения которых используется внутривенная терапия железом для восстановления его уровня. Перегрузка железом может возникнуть при чрезмерном употреблении красного мяса. Ацидофильные бактерии Acidithiobacillus ferrooxidans, Leptospirillum ferrooxidans, Sulfolobus spp., Acidianus brierleyi и Sulfobacillus thermosulfidooxidans способны ферментативно окислять железо. Образец гриба Aspergillus niger был обнаружен растущим в растворе, используемом при добыче золота, и содержал цианометаллические комплексы, такие как золото, серебро, медь, железо и цинк. Этот гриб также играет роль в растворении сульфидов тяжелых металлов.

Морские системы

Железо играет важнейшую роль в морских системах и может быть лимитирующим питательным веществом для планктонной активности. В связи с этим, значительное снижение концентрации железа может привести к замедлению роста фитопланктонных организмов, таких как диатомовые водоросли. Железо также может окисляться морскими микробами в условиях высокой концентрации железа и низкой концентрации кислорода. Железо поступает в морские системы через реки и непосредственно из атмосферы. Попав в океан, железо распространяется по водному столбу за счет перемешивания океанских вод и переработки на клеточном уровне. В Арктике морской лед играет ключевую роль в хранении и распределении железа в океане, уменьшая его содержание в океане при замерзании зимой и высвобождая обратно в воду при таянии летом. Цикл железа изменяет формы железа от растворенных до твердых частиц, влияя на его доступность для первичных продуцентов. Увеличение освещенности и температуры повышает количество железа в формах, пригодных для использования первичными продуцентами.