КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ - самопроизвольное физико-химическое разрушение и превращение полезного металла в бесполезные химические соединения. Большинство компонентов окружающей среды, будь то жидкости или газы, способствуют коррозии металлов; постоянные природные воздействия вызывают ржавление стальных конструкций, порчу корпусов автомобилей, образование питтингов (ямок травления) на хромированных покрытиях и т.д. В этих примерах поверхность металла видимым образом разрушается, но понятие коррозии включает случаи внутреннего разрушительного воздействия, например на границе между кристаллами металла. Эта так называемая структурная (межкристаллитная) коррозия протекает внешне незаметно, но может приводить к авариям и даже несчастным случаям. Зачастую неожиданные повреждения металлических деталей связаны с напряжениями, в частности, связанными с коррозионной усталостью металла. Не всегда коррозия имеет деструктивный характер. Например, зеленая патина, часто наблюдаемая на бронзовых скульптурах, является оксидом меди, который эффективно защищает металл под оксидной пленкой от дальнейшей атмосферной коррозии. Этим объясняется прекрасное состояние многих старинных бронзовых и медных монет. Борьба с коррозией проводится методами защиты, разработанными на основе хорошо известных научных принципов, однако она остается одной из самых серьезных и сложных задач современной техники. Ок. 20% общего количества металлов ежегодно теряется из-за коррозии, и огромные средства тратятся на защиту от коррозии.

Электрохимическая природа коррозии. М. Фарадеем (1830-1840) была установлена связь между химическими реакциями и электрическим током, что явилось основой электрохимической теории коррозии. Однако детальное понимание коррозионных процессов пришло только в начале 20 в. Электрохимия как наука возникла в 18 в. благодаря изобретению А.Вольта (1799) первого гальванического элемента (вольтов столб), с помощью которого был получен непрерывный ток за счет преобразования химической энергии в электрическую. Гальванический элемент состоит из одной электрохимической ячейки, в которой два различных металла (электроды) частично погружены в водный раствор (электролит), способный проводить электричество. Электроды вне электролита соединяются электрическим проводником (металлической проволочкой). Один электрод ("анод") растворяется (корродирует) в электролите, образуя ионы металла, которые переходят в раствор, в то время как ионы водорода накапливаются на другом электроде ("катоде"). Поток положительных ионов в электролите компенсируется посредством прохождения тока электронов (электрического тока) от анода к катоду во внешней цепи.

СХЕМА ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА иллюстрирует принцип естественного процесса коррозии металла.

Ионы металла, переходя в раствор, реагируют с компонентами раствора, давая продукты коррозии. Эти продукты зачастую растворимы и не препятствуют дальнейшей коррозии металлического анода. Так, если две смежные области, например на поверхности стали, хотя бы слабо отличаются друг от друга по составу или структуре, то в подходящей (например, влажной) среде на этом месте образуется коррозионная ячейка. Одна область является анодом по отношению к другой, и именно она будет корродировать. Таким образом, все малые локальные неоднородности металла образуют анодно-катодные микроячейки, по этой причине металлическая поверхность содержит многочисленные участки, потенциально подверженные коррозии. Если сталь опустить в обычную воду или почти любую водосодержащую жидкость, то уже готов подходящий электролит. Даже в умеренно влажной атмосфере на поверхности металла будет оседать конденсат влаги, приводящий к возникновению электрохимической ячейки. Как уже отмечалось, электрохимическая ячейка состоит из электродов, погруженных в электролит (т.е. из двух полуячеек). Потенциал (электродвижущая сила, ЭДС) электрохимической ячейки равен разности потенциалов электродов обеих полуячеек. Потенциалы электродов измеряются относительно водородного электрода сравнения. Измеренные электродные потенциалы металлов сведены в ряд напряжений, в котором благородные металлы (золото, платина, серебро и др.) находятся на правом конце ряда и имеют положительное значение потенциала. Обычные, неблагородные, металлы (магний, алюминий и т.д.) имеют сильно отрицательные потенциалы и располагаются ближе к началу ряда слева от водорода. Положение металла в ряду напряжений указывает на его устойчивость к коррозии, которая возрастает от начала ряда к его концу, т.е. слева направо.

См. также ЭЛЕКТРОХИМИЯ; ЭЛЕКТРОЛИТЫ.

Поляризация. Движение положительных (водородных) ионов в электролите по направлению к катоду с последующим разрядом приводит к образованию молекулярного водорода на катоде, что изменяет потенциал данного электрода: устанавливается обратный по знаку (стационарный) потенциал, который уменьшает общее напряжение ячейки. Ток в ячейке очень быстро спадает до чрезвычайно малых величин; в этом случае говорят, что ячейка "поляризована". Это состояние предполагает уменьшение или даже прекращение коррозии. Однако взаимодействие растворенного в электролите кислорода с водородом может свести на нет подобный эффект, поэтому кислород называют "деполяризатором". Эффект поляризации иногда проявляется в уменьшении скорости коррозии в стоячих водах вследствие недостатка кислорода, хотя такие случаи нетипичны, поскольку эффекты конвекции в жидкой среде обычно достаточны для подвода растворенного кислорода к поверхности катода. Неравномерное распределение деполяризатора (как правило, это кислород) над поверхностью металла тоже может вызывать коррозию, поскольку при этом образуется кислородная концентрационная ячейка, в которой коррозия происходит таким же образом, как в любой электрохимической ячейке.

Пассивность и другие анодные эффекты. Термин "пассивность" (пассивирование) был первоначально использован по отношению к коррозионной стойкости железа, погруженного в концентрированный раствор азотной кислоты. Однако это более общее явление, так как в определенных условиях многие металлы находятся в пассивном состоянии. Феномен пассивности был объяснен в 1836 Фарадеем, который показал, что ее причиной является чрезвычайно тонкая оксидная пленка, образующаяся в результате химических реакций на поверхности металла. Такая пленка может восстанавливаться (изменяться химически), и металл вновь становится активным при контакте с металлом, имеющим более отрицательный потенциал, например, железо в соседстве с цинком. При этом образуется гальваническая пара, в которой пассивный металл является катодом. Водород, выделяющийся на катоде, восстанавливает его защитную оксидную пленку. Оксидные пленки на алюминии защищают его от коррозии, и потому анодированный алюминий, получающийся в результате анодного окислительного процесса, используется как в декоративных целях, так и в быту. В широком химическом смысле все анодные процессы, протекающие на металле, являются окислительными, однако термин "анодное окисление" подразумевает целенаправленное образование значительного количества твердого оксида. Пленка определенной толщины образуется на алюминии, являющемся анодом в ячейке, электролитом которой служит серная или фосфорная кислота. Во многих патентах описаны различные модификации этого процесса. Первоначально анодированная поверхность имеет пористую структуру и может быть окрашена в любой желаемый цвет. Введение в электролит бихромата калия дает яркий оранжево-желтый оттенок, в то время как гексацианоферрат(II) калия, перманганат свинца и сульфид кобальта окрашивают пленки в голубой, красно-коричневый и черный цвета соответственно. Во многих случаях применяются водорастворимые органические красители, и это придает металлический глянец окрашенной поверхности. Образующийся слой необходимо закрепить, для чего достаточно обработать поверхность кипящей водой, хотя используются и кипящие растворы ацетатов никеля или кобальта.

Структурная (межкристаллитная) коррозия. Различные сплавы, в частности алюминиевые, увеличивают свою твердость и прочность при старении; процесс ускоряют, подвергая сплав термообработке. При этом образуются субмикроскопические частицы, которые располагаются вдоль пограничных слоев микрокристаллов (в межкристаллитном пространстве) сплава. В определенных условиях область, непосредственно примыкающая к границе, становится анодом по отношению к внутренней части кристалла, и в коррозионной среде границы между кристаллитами будут преимущественно подвержены коррозии, причем коррозионные трещины глубоко внедряются в структуру металла. Эта "структурная коррозия" серьезно влияет на механические свойства. Ее можно предотвратить либо с помощью правильно подобранных режимов термообработки, либо защитой металла непроницаемым для коррозии покрытием. Плакирование - холодное покрытие одного металла другим: высокопрочный сплав прокатывается между тонкими полосками чистого алюминия и уплотняется. Металл, входящий в подобную композицию, становится коррозионностойким, при этом само покрытие слабо сказывается на механических свойствах.

См. также МЕТАЛЛОПОКРЫТИЯ.

Предотвращение коррозии. При электрохимической коррозии образующиеся продукты часто растворяются (переходят в раствор) и не препятствуют дальнейшему разрушению металла; в некоторых случаях в раствор можно добавить химическое соединение (ингибитор), которое реагирует с первичными продуктами коррозии с образованием нерастворимых и обладающих протекторными свойствами соединений, которые осаждаются на аноде или на катоде. Например, железо легко корродирует в разбавленном растворе обычной соли (NaCl), однако при добавлении сульфата цинка в раствор образуется малорастворимый гидроксид цинка на катоде, а при добавлении фосфата натрия - нерастворимый фосфат железа на аноде (примеры катодных и анодных ингибиторов соответственно). Такие методы защиты можно применять только в тех случаях, когда конструкция целиком или частично погружена в жидкую коррозионную среду. Для уменьшения скорости коррозии часто используют катодную защиту. В этом методе на систему накладывается электрическое напряжение таким образом, чтобы вся защищаемая конструкция была катодом. Это осуществляется подключением конструкции к одному полюсу выпрямителя или генератора постоянного тока, в то время как к другому полюсу подключается внешний химически инертный анод, такой, как графит. Например, в случае защиты от коррозии трубопроводов нерастворимый анод зарывается в землю вблизи от них. В некоторых случаях для этих целей используются дополнительные защитные аноды, например, подвешенные внутри емкостей для хранения воды, причем вода в емкости выполняет роль электролита. В других методах катодной защиты обеспечивается достаточный ток, протекающий от какого-либо иного источника через конструкцию, которая полностью становится катодом и содержит возможные локальные аноды и катоды при одном и том же потенциале. Для этого к защищаемому металлу подсоединяют металл с более отрицательным потенциалом, который в образуемой гальванической паре играет роль протекторного анода и разрушается первым. Протекторные аноды из цинка применялись уже с 1825, когда знаменитый английский химик Х.Дэви предложил использовать их для защиты медной обшивки деревянных корпусов кораблей. Аноды на основе магниевых сплавов широко используются для защиты корпусов современных кораблей от коррозии в морской воде. Протекторные аноды чаще применяются по сравнению с анодами, связанными с внешними источниками тока, поскольку они не требуют энергозатрат. Окрашивание поверхности также используется для защиты от коррозии, особенно если конструкция не полностью погружена в жидкость. Металлические покрытия можно наносить путем напыления металлов или при помощи гальванотехники (например, хромирование, цинкование, никелирование).

Типы специфической коррозии. Коррозия в напряженном состоянии представляет собой разрушение металла под влиянием комбинированного действия статической нагрузки и коррозии. Основной механизм - первоначальное образование коррозионных питтингов и трещин с последующим разрушением конструкции, вызванным концентрациями напряжения в этих трещинах. Детали механизма коррозии сложны и не всегда понятны, они могут быть связаны с остаточными напряжениями. Чистые металлы, а также латунь не склонны к коррозии в напряженном состоянии. В случае сплавов появляются трещины в межкристаллитном пространстве, которое является анодом по отношению к внутренним участкам зерен; это увеличивает вероятность коррозионного воздействия вдоль межкристаллитных границ и облегчает последующий процесс растрескивания по ним. Коррозионная усталость также является следствием совместного действия механического напряжения и коррозии. Однако циклические нагрузки опаснее статических. Усталостное растрескивание часто наступает и в отсутствие коррозии, но разрушительный эффект коррозионных трещин, которые создают места концентрации напряжения, очевиден. Вероятно, все так называемые усталостные механизмы включают коррозию, так как невозможно полностью исключить поверхностную коррозию. Коррозия под действием жидких металлов - особая форма коррозии, которая не включает электрохимический механизм. Жидкие металлы имеют большое значение в системах охлаждения, в частности, ядерных реакторов. В качестве охладителей используются жидкие калий и натрий и их сплавы, а также жидкие свинец, висмут и свинцово-висмутовые сплавы. Большинство конструкционных металлов и сплавов при контакте с подобной жидкой средой в той или иной степени подвергаются деструкции, при этом механизм коррозии в каждом случае может быть различным. Во-первых, материал контейнера или труб в системе теплопередачи может в небольшой степени растворяться в жидком металле, а так как растворимость обычно изменяется с температурой, растворенный металл может осаждаться из раствора в охлажденной части системы, забивая при этом каналы и клапаны. Во-вторых, возможно межкристаллитное проникновение жидкого металла, если существует его селективная реакция с легирующими добавками конструкционного материала. Здесь, как и в случае электрохимической межкристаллитной коррозии, механические свойства ухудшаются без видимых проявлений и без изменения массы конструкции; правда, такие случаи разрушительного воздействия встречаются редко. В-третьих, жидкий и твердый металлы могут взаимодействовать с образованием поверхностного сплава, который в некоторых случаях служит диффузионным барьером по отношению к дальнейшему воздействию. Эрозионная коррозия (ударная, кавитационная коррозия) относится к механическому воздействию жидкого металла, текущего в турбулентном режиме. В экстремальных случаях это приводит к кавитации и эрозионному разрушению конструкции.

См. также КАВИТАЦИЯ. Коррозионные эффекты радиации интенсивно исследуются в связи с развитием атомной энергетики, однако в открытой печати мало информации по этому вопросу. Общеупотребительный термин "радиационное повреждение" относится ко всем изменениям механической, физической или химической природы твердых материалов, которые обусловлены воздействием радиации следующих типов: ионизирующее излучение (рентгеновское или g), легкие заряженные частицы (электроны), тяжелые заряженные частицы (a-частицы) и тяжелые незаряженные частицы (нейтроны). Известно, что бомбардировка металла тяжелыми частицами высоких энергий приводит к возникновению нарушений на атомном уровне, которые при соответствующих обстоятельствах могут быть местами возникновения электрохимических реакций. Однако более важное изменение происходит не в самом металле, а в его окружении. Такие непрямые эффекты возникают в результате действия ионизирующего излучения (например, g-лучей), которое не изменяет свойства металла, но в водных растворах вызывает образование высокореакционных свободных радикалов и пероксида водорода, а подобные соединения способствуют возрастанию скорости коррозии. Кроме того, такой ингибитор коррозии, как дихромат натрия, будет восстанавливаться и терять свою эффективность. Под действием ионизирующего излучения оксидные пленки также ионизируются и теряют свои коррозионнозащитные свойства. Все вышеперечисленные особенности сильно зависят от конкретных условий, связанных с коррозией.

Окисление металлов. Большинство металлов взаимодействует с кислородом воздуха с образованием стабильных оксидов металла. Скорость, с которой происходит окисление, сильно зависит от температуры, и при нормальной температуре на металлической поверхности образуется только тонкая пленка оксида (на меди, например, это заметно по потемнению поверхности). При более высоких температурах процесс окисления протекает быстрее. Благородные металлы представляют исключение из этого правила, так как обладают малым сродством к кислороду. Предполагается, что золото вообще не окисляется при нагревании на воздухе или в кислороде, а слабое окисление платины при температурах до 450° С прекращается при нагревании до более высоких температур. Обычные же конструкционные металлы окисляются с образованием четырех типов оксидных соединений: летучих, плотных, защитных или непористых. Небольшое число тугоплавких металлов, таких, как вольфрам и молибден, становятся хрупкими при высоких температурах и образуют летучие оксиды, поэтому защитный оксидный слой не образуется и при высокой температуре металлы следует защищать инертной атмосферой (инертные газы). Сверхлегкие металлы образуют, как правило, слишком плотные оксиды, которые пористы и не защищают металлы от дальнейшего окисления. По этой причине магний окисляется очень легко. Защитные оксидные слои образуются у многих металлов, но обычно они обладают умеренной защитной способностью. Оксидная пленка на алюминии, например, полностью покрывает металл, однако при напряжениях сжатия развиваются трещины, по-видимому, за счет изменений температуры и влажности. Защитный эффект оксидных слоев ограничивается относительно низкими температурами. Многие "тяжелые металлы" (например, медь, железо, никель) образуют непористые оксиды, которые, хотя и не растрескиваются, не всегда защищают основной металл. Теоретически эти оксиды представляют большой интерес и активно исследуются. Они содержат менее стехиометрического количества металла; отсутствующие атомы металла образуют дырки в решетке оксида. Вследствие этого атомы могут диффундировать сквозь решетку, и толщина оксидного слоя постоянно увеличивается.

Применение сплавов. Так как все известные конструкционные металлы склонны к окислению, элементы конструкции, которые находятся при высоких температурах в окислительной среде, следует изготовлять из сплавов, которые в качестве легирующего элемента содержат металл, стойкий к действию окислителя. Этим требованиям отвечает хром - достаточно дешевый металл (применяемый в виде феррохрома), который присутствует в составе почти всех высокотемпературных сплавов, отвечающих требованиям устойчивости к окислению. Поэтому все нержавеющие стали, легированные хромом, имеют хорошую устойчивость к окислению и находят широкое применение в домашнем хозяйстве и промышленности. Сплав нихром, который повсеместно применяется в качестве проволоки для спиралей электрических печей, содержит 80% никеля и 20% хрома и вполне стоек к окислению при температурах до 1000° С. Не меньше, чем устойчивость к окислению, важны механические свойства, и часто оказывается, что определенные элементы сплавов (такие, как хром) придают сплаву и высокотемпературную прочность, и устойчивость к окислению, так что проблема высокотемпературного окисления не вносила серьезных затруднений до тех пор, пока не стали использовать (в газотурбинных двигателях) в качестве топлива мазут, содержащий ванадий или натрий. Эти загрязнения вместе с серой в топливе дают продукты сгорания, обладающие чрезвычайно сильным коррозионным действием. Попытки решить эту проблему завершились разработкой добавок, которые при сгорании образуют безопасные летучие соединения с ванадием и натрием. Фреттинг-коррозия не включает в себя электрохимическую коррозию или прямое окисление в газовой фазе, а является в основном механическим эффектом. Это повреждение сочленных металлических поверхностей в результате истирания при их малых многократных относительных смещениях; наблюдается в виде царапин, язв, раковин; сопровождается заклиниванием и снижает устойчивость к коррозионной усталости, т.к. образующиеся царапины служат исходными точками для развития коррозионной усталости. Типичные примеры - повреждения в пазах крепления лопаток турбин при вибрации, истирание рабочих колес компрессора, изнашивание зубьев шестеренок, резьбовых соединений и т.д. При малых многократных смещениях защитные оксидные пленки разрушаются, истираются в порошок и увеличивается скорость коррозии. Фреттинг-коррозия стали легко идентифицируется по наличию красно-коричневых частиц оксида. Борьбу с фреттинг-коррозией ведут путем совершенствования конструкций, применения защитных покрытий, эластомерных прокладок, смазок.

См. также

МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ;

МЕТАЛЛОВ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА.

ЛИТЕРАТУРА

Кеше Г. Коррозия металлов. М., 1984 Колотыркин Я.М. Металл и коррозия. М., 1985 Люблинский Е.Я. Что нужно знать о коррозии. Л., 1986 Фомин Г.С. Коррозия и защита от коррозии. Энциклопедия международных стандартов. М., 1994

Составить слова из слова коррозия металлов

С (carboneum), неметаллический химический элемент IVA подгруппы (C, Si, Ge, Sn, Pb) периодической системы элементов. Встречается в природе в виде кристаллов алмаза (рис. 1), графита или фуллерена и других форм и входит в состав органических (уголь, нефть, организмы животных и растений и др.) и неорганических веществ (известняк, пищевая сода и др.). Углерод широко распространен, но содержание его в земной коре всего 0,19% (см. также АЛМАЗ; ФУЛЛЕРЕНЫ).

Рис. 1. СТРУКТУРА алмаза (а) и графита (б).

Углерод широко используется в виде простых веществ. Кроме драгоценных алмазов, являющихся предметом ювелирных украшений, большое значение имеют промышленные алмазы - для изготовления шлифовального и режущего инструмента. Древесный уголь и другие аморфные формы углерода применяются для обесцвечивания, очистки, адсорбции газов, в областях техники, где требуются адсорбенты с развитой поверхностью. Карбиды, соединения углерода с металлами, а также с бором и кремнием (например, Al4C3, SiC, B4C) отличаются высокой твердостью и используются для изготовления абразивного и режущего инструмента. Углерод входит в состав сталей и сплавов в элементном состоянии и в виде карбидов. Насыщение поверхности стальных отливок углеродом при высокой температуре (цементация) значительно увеличивает поверхностную твердость и износостойкость.

См. также СПЛАВЫ. В природе существует множество различных форм графита; некоторые получены искусственно; имеются аморфные формы (например, кокс и древесный уголь). Сажа, костяной уголь, ламповая сажа, ацетиленовая сажа образуются при сжигании углеводородов при недостатке кислорода. Так называемый белый углерод получается сублимацией пиролитического графита при пониженном давлении - это мельчайшие прозрачные кристаллики графитовых листочков с заостренными кромками.

Историческая справка. Графит, алмаз и аморфный углерод известны с древности. Издавна известно, что графитом можно маркировать другой материал, и само название "графит", происходящее от греческого слова, означающего "писать", предложено А.Вернером в 1789. Однако история графита запутана, часто за него принимали вещества, обладающие сходными внешними физическими свойствами, например молибденит (сульфид молибдена), одно время считавшийся графитом. Среди других названий графита известны "черный свинец", "карбидное железо", "серебристый свинец". В 1779 К.Шееле установил, что графит можно окислить воздухом с образованием углекислого газа. Впервые алмазы нашли применение в Индии, а в Бразилии драгоценные камни приобрели коммерческое значение в 1725; месторождения в Южной Африке были открыты в 1867. В 20 в. основными производителями алмазов являются ЮАР, Заир, Ботсвана, Намибия, Ангола, Сьерра-Леоне, Танзания и Россия. Искусственные алмазы, технология которых была создана в 1970, производятся для промышленных целей.

Аллотропия. Если структурные единицы вещества (атомы для одноатомных элементов или молекулы для полиатомных элементов и соединений) способны соединяться друг с другом в более чем одной кристаллической форме, это явление называется аллотропией. У углерода три аллотропические модификации - алмаз, графит и фуллерен. В алмазе каждый атом углерода имеет 4 тетраэдрически расположенных соседа, образуя кубическую структуру (рис. 1,а). Такая структура отвечает максимальной ковалентности связи, и все 4 электрона каждого атома углерода образуют высокопрочные связи С-С, т.е. в структуре отсутствуют электроны проводимости. Поэтому алмаз отличается отсутствием проводимости, низкой теплопроводностью, высокой твердостью; он самый твердый из известных веществ (рис. 2). На разрыв связи С-С (длина связи 1,54 , отсюда ковалентный радиус 1,54/2 = 0,77 ) в тетраэдрической структуре требуются большие затраты энергии, поэтому алмаз, наряду с исключительной твердостью, характеризуется высокой температурой плавления (3550° C).

Рис. 2. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ТВЕРДОСТЬ МИНЕРАЛОВ по шкале Мооса (качественная оценка) (1) и по шкале истинной относительной твердости (количественная оценка) (2). По кривой 2 видно, насколько алмаз тверже наиболее твердых материалов.

Другой аллотропической формой углерода является графит, сильно отличающийся от алмаза по свойствам. Графит - мягкое черное вещество из легко слоящихся кристалликов, отличающееся хорошей электропроводностью (электрическое сопротивление 0,0014 Ом*см). Поэтому графит применяется в дуговых лампах и печах (рис. 3), в которых необходимо создавать высокие температуры. Графит высокой чистоты применяют в ядерных реакторах в качестве замедлителя нейтронов. Температура плавления его при повышенном давлении равна 3527° C. При обычном давлении графит сублимируется (переходит из твердого состояния в газ) при 3780° C.

Рис. 3. СХЕМА КОКСОВОЙ ПЕЧИ для коксования битумных углей в отсутствие воздуха (газовоздушная обогревающая смесь не попадает в камеру, где находится коксуемый уголь).

Структура графита (рис. 1,б) представляет собой систему конденсированных гексагональных колец с длиной связи 1,42 (значительно короче, чем в алмазе), но при этом каждый атом углерода имеет три (а не четыре, как в алмазе) ковалентные связи с тремя соседями, а четвертая связь (3,4 ) слишком длинна для ковалентной связи и слабо связывает параллельно уложенные слои графита между собой. Именно четвертый электрон углерода определяет тепло- и электропроводность графита - эта более длинная и менее прочная связь формирует меньшую компактность графита, что отражается в меньшей твердости его в сравнении с алмазом (плотность графита 2,26 г/см3, алмаза - 3,51 г/см3). По той же причине графит скользкий на ощупь и легко отделяет чешуйки вещества, что и используется для изготовления смазки и грифелей карандашей. Свинцовый блеск грифеля объясняется в основном наличием графита. Волокна углерода имеют высокую прочность и могут использоваться для изготовления искусственного шелка или другой пряжи с высоким содержанием углерода. При высоких давлении и температуре в присутствии катализатора, например железа, графит может превращаться в алмаз. Этот процесс реализован для промышленного получения искусственных алмазов. Кристаллы алмаза растут на поверхности катализатора. Равновесие графит алмаз существует при 15 000 атм и 300 K или при 4000 атм и 1500 K. Искусственные алмазы можно получать и из углеводородов. К аморфным формам углерода, не образующим кристаллов, относят древесный уголь, получаемый нагревом дерева без доступа воздуха, ламповую и газовую сажу, образующуюся при низкотемпературном сжигании углеводородов при недостатке воздуха и конденсируемую на холодной поверхности, костяной уголь - примесь к фосфату кальция в процессе деструкции костной ткани, а также каменный уголь (природное вещество с примесями) и кокс, сухой остаток, получаемый при коксовании топлив методом сухой перегонки каменного угля или нефтяных остатков (битуминозных углей), т.е. нагреванием без доступа воздуха. Кокс применяется для выплавки чугуна, в черной и цветной металлургии. При коксовании образуются также газообразные продукты - коксовый газ (H2, CH4, CO и др.) и химические продукты, являющиеся сырьем для получения бензина, красок, удобрений, лекарственных препаратов, пластмасс и т.д. Схема основного аппарата для производства кокса - коксовой печи - приведена на рис. 3. Различные виды угля и сажи отличаются развитой поверхностью и поэтому используются как адсорбенты для очистки газа, жидкостей, а также как катализаторы. Для получения различных форм углерода применяют специальные методы химической технологии. Искусственный графит получают прокаливанием антрацита или нефтяного кокса между углеродными электродами при 2260° С (процесс Ачесона) и используют в производстве смазочных материалов и электродов, в частности для электролитического получения металлов.

Строение атома углерода. Ядро наиболее стабильного изотопа углерода массой 12 (распространенность 98,9%) имеет 6 протонов и 6 нейтронов (12 нуклонов), расположенных тремя квартетами, каждый содержит 2 протона и два нейтрона аналогично ядру гелия. Другой стабильный изотоп углерода - 13C (ок. 1,1%), а в следовых количествах существует в природе нестабильный изотоп 14C с периодом полураспада 5730 лет, обладающий b-излучением. В нормальном углеродном цикле живой материи участвуют все три изотопа в виде СO2. После смерти живого организма расход углерода прекращается и можно датировать С-содержащие объекты, измеряя уровень радиоактивности 14С. Снижение b-излучения 14CO2 пропорционально времени, прошедшему с момента смерти. В 1960 У.Либби за исследования с радиоактивным углеродом был удостоен Нобелевской премии.

См. также ДАТИРОВКА ПО РАДИОАКТИВНОСТИ. В основном состоянии 6 электронов углерода образуют электронную конфигурацию 1s22s22px12py12pz0. Четыре электрона второго уровня являются валентными, что соответствует положению углерода в IVA группе периодической системы (см. ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ). Поскольку для отрыва электрона от атома в газовой фазе требуется большая энергия (ок. 1070 кДж/моль), углерод не образует ионные связи с другими элементами, так как для этого необходим был бы отрыв электрона с образованием положительного иона. Имея электроотрицательность, равную 2,5, углерод не проявляет и сильного сродства к электрону, соответственно не являясь активным акцептором электронов. Поэтому он не склонен к образованию частицы с отрицательным зарядом. Но с частично ионным характером связи некоторые соединения углерода существуют, например, карбиды. В соединениях углерод проявляет степень окисления 4. Чтобы четыре электрона смогли участвовать в образовании связей, необходимо распаривание 2s-электронов и перескок одного из этих электронов на 2pz-орбиталь; при этом образуются 4 тетраэдрические связи с углом между ними 109°. В соединениях валентные электроны углерода лишь частично оттянуты от него, поэтому углерод образует прочные ковалентные связи между соседними атомами типа С-С с помощью общей электронной пары. Энергия разрыва такой связи равна 335 кДж/моль, тогда как для связи Si-Si она составляет всего 210 кДж/моль, поэтому длинные цепочки -Si-Si- неустойчивы. Ковалентный характер связи сохраняется даже в соединениях высокореакционноспособных галогенов с углеродом, CF4 и CCl4. Углеродные атомы способны предоставлять на образование связи более одного электрона от каждого атома углерода; так образуются двойная С=С и тройная СєС связи. Другие элементы также образуют связи между своими атомами, но только углерод способен образовывать длинные цепи. Поэтому для углерода известны тысячи соединений, называемых углеводородами, в которых углерод связан с водородом и другими углеродными атомами, образуя длинные цепи или кольцевые структуры.

См. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ. В этих соединениях возможно замещение водорода на другие атомы, наиболее часто на кислород, азот и галогены с образованием множества органических соединений. Важное значение среди них занимают фторуглеводороды - углеводороды, в которых водород замещен на фтор. Такие соединения чрезвычайно инертны, и их используют как пластичные и смазочные материалы (фторуглероды, т.е. углеводороды, в которых все атомы водорода замещены на атомы фтора) и как низкотемпературные хладагенты (хладоны, или фреоны, - фторхлоруглеводороды). В 1980-х годах физиками США был обнаружены очень интересные соединения углерода, в которых атомы углерода соединены в 5- или 6-угольники, образующие молекулу С60 по форме полого шара, имеющего совершенную симметрию футбольного мяча. Поскольку такая конструкция лежит в основе "геодезического купола", изобретенного американским архитектором и инженером Бакминстером Фуллером, новый класс соединений был назван "бакминстерфуллеренами" или "фуллеренами" (а также более коротко - "фазиболами" или "бакиболами"). Фуллерены - третья модификация чистого углерода (кроме алмаза и графита), состоящая из 60 или 70 (и даже более) атомов, - была получена действием лазерного излучения на мельчайшие частички углерода. Фуллерены более сложной формы состоят из нескольких сотен атомов углерода. Диаметр молекулы С60 УГЛЕРОД 1нм. В центре такой молекулы достаточно пространства для помещения большого атома урана.

См. также ФУЛЛЕРЕНЫ.

Стандартная атомная масса. В 1961 Международные союзы теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) и по физике приняли за единицу атомной массы массу изотопа углерода 12C, упразднив существовавшую до того кислородную шкалу атомных масс. Атомная масса углерода в этой системе равна 12,011, так как она является средней для трех природных изотопов углерода с учетом их распространенности в природе.

См. АТОМНАЯ МАССА. Химические свойства углерода и некоторых его соединений. Некоторые физические и химические свойства углерода приведены в статье ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКИЕ. Реакционная способность углерода зависит от его модификации, температуры и дисперсности. При низких температурах все формы углерода достаточно инертны, но при нагревании окисляются кислородом воздуха, образуя оксиды:

Мелкодисперсный углерод в избытке кислорода способен взрываться при нагревании или от искры. Кроме прямого окисления существуют более современные методы получения оксидов. Субоксид углерода C3O2 образуется при дегидратации малоновой кислоты над P4O10:

C3O2 имеет неприятный запах, легко гидролизуется, вновь образуя малоновую кислоту.

Монооксид углерода(II) СО образуется при окислении любой модификации углерода в условиях недостатка кислорода. Реакция экзотермична, выделяется 111,6 кДж/моль. Кокс при температуре белого каления реагирует с водой: C + H2O = CO + H2; образующаяся газовая смесь называется "водяной газ" и является газообразным топливом. СO образуется также при неполном сгорании нефтепродуктов, в заметных количествах содержится в автомобильных выхлопах, получается при термической диссоциации муравьиной кислоты:

Степень окисления углерода в СО равна +2, а поскольку углерод более устойчив в степени окисления +4, то СО легко окисляется кислородом до CO2: CO + O2 (r) CO2, эта реакция сильно экзотермична (283 кДж/моль). СО применяют в промышленности в смеси с H2 и другими горючими газами в качестве топлива или газообразного восстановителя. При нагревании до 500° C CO в заметной степени образует С и CO2, но при 1000° C равновесие устанавливается при малых концентрациях СO2. CO реагирует с хлором, образуя фосген - COCl2, аналогично протекают реакции с другими галогенами, в реакции с серой получается сульфид карбонила COS, с металлами (M) СO образует карбонилы различного состава M(CO)x, являющиеся комплексными соединениями. Карбонил железа образуется при взаимодействии гемоглобина крови с CO, препятствуя реакции гемоглобина с кислородом, так как карбонил железа - более прочное соединение. В результате блокируется функция гемоглобина как переносчика кислорода к клеткам, которые при этом погибают (и в первую очередь поражаются клетки мозга). (Отсюда еще одно название СО - "угарный газ"). Уже 1% (об.) СO в воздухе опасен для человека, если он находится в такой атмосфере более 10 мин. Некоторые физические свойства СО приведены в таблице. Диоксид углерода, или оксид углерода(IV) CO2 образуется при сгорании элементного углерода в избытке кислорода c выделением тепла (395 кДж/моль). CO2 (тривиальное название - "углекислый газ") образуется также при полном окислении СО, нефтепродуктов, бензина, масел и др. органических соединений. При растворении карбонатов в воде в результате гидролиза также выделяется СО2:

Такой реакцией часто пользуются в лабораторной практике для получения CO2. Этот газ можно получить и при прокаливании бикарбонатов металлов:

при газофазном взаимодействии перегретого пара с СО:

при сжигании углеводородов и их кислородпроизводных, например:

Аналогично окисляются пищевые продукты в живом организме с выделением тепловой и других видов энергии. При этом окисление протекает в мягких условиях через промежуточные стадии, но конечные продукты те же - СO2 и H2O, как, например, при разложении сахаров под действием ферментов, в частности при ферментации глюкозы:

Многотоннажное производство углекислого газа и оксидов металлов осуществляется в промышленности термическим разложением карбонатов:

CaO в больших количествах используется в технологии производства цемента. Термическая стабильность карбонатов и затраты теплоты на их разложение по этой схеме возрастают в ряду CaCO3 < SrCO3 < BaCO3. Углекислый газ - химически неактивное соединение, однако в некоторых случаях он может поддерживать процесс горения, например, магний горит в среде СО2. Материалы, горящие при низких температурах - дерево, нефтепродукты, бумага и др., - не горят в среде СО2. Поэтому, а также из-за большей, чем у воздуха, плотности (СO2 в 1,5 раза тяжелее), углекислый газ используют в огнетушителях. В твердом состоянии СО2 известен как "сухой лед". При высоких концентрациях CO2 опасен для человека, так как блокирует доступ кислорода

(см. также ПОЖАРНАЯ ПРОФИЛАКТИКА И ПРОТИВОПОЖАРНАЯ ЗАЩИТА). Электронное строение оксидов углерода. Электронное строение любого оксида углерода можно описать тремя равновероятными схемами с различным расположением электронных пар - тремя резонансными формами:

Все оксиды углерода имеют линейное строение.

Угольная кислота. При взаимодействии СO2 с водой образуется угольная кислота H2CO3. В насыщенном растворе CO2 (0,034 моль/л) только часть молекул образует H2CO3, а большая часть CO2 находится в гидратированном состоянии CO2*H2O.

Карбонаты. Карбонаты образуются при взаимодействии оксидов металлов с CO2, например, Na2O + CO2 -> NaHCO3 которые при нагревании разлагаются с выделением СО2: 2NaHCO3 -> Na2CO3 + H2O + CO2 Карбонат натрия, или соду, производят в содовой промышленности в больших количествах преимущественно методом Сольве:

Другим методом соду получают из CO2 и NaOH

Карбонат-ион CO32- имеет плоское строение с углом O-C-O, равным 120°, и длиной СО-связи 1,31

(см. также ЩЕЛОЧЕЙ ПРОИЗВОДСТВО).

Галогениды углерода. Углерод непосредственно реагирует с галогенами при нагревании, образуя тетрагалогениды, но скорость реакции и выход продукта невелики. Поэтому галогениды углерода получают другими методами, например, хлорированием дисульфида углерода получают CCl4: CS2 + 2Cl2 -> CCl4 + 2S Тетрахлорид CCl4 - негорючее вещество, используется в качестве растворителя в процессах сухой чистки, но не рекомендуется применять его как пламегаситель, так как при высокой температуре происходит образование ядовитого фосгена (газообразное отравляющее вещество). Сам ССl4 также ядовит и при вдыхании в заметных количествах может вызвать отравление печени. СCl4 образуется и по фотохимической реакции между метаном СH4 и Сl2; при этом возможно образование продуктов неполного хлорирования метана - CHCl3, CH2Cl2 и CH3Cl. Аналогично протекают реакции и с другими галогенами.

Реакции графита. Графит как модификация углерода, отличающаяся большими расстояниями между слоями гексагональных колец, вступает в необычные реакции, например, щелочные металлы, галогены и некоторые соли (FeCl3) проникают между слоями, образуя соединения типа KC8, KC16 (называемые соединениями внедрения, включения или клатратами). Сильные окислители типа KClO3 в кислой среде (серной или азотной кислоты) образуют вещества с большим объемом кристаллической решетки (до 6 между слоями), что объясняется внедрением кислородных атомов и образованием соединений, на поверхности которых в результате окисления образуются карбоксильные группы (-СООН) - соединения типа оксидированного графита или меллитовой (бензолгексакарбоновой) кислоты С6(COOH)6. В этих соединениях отношение С:O может изменяться от 6:1 до 6:2,5.

Карбиды. Углерод образует с металлами, бором и кремнием разнообразные соединения, называемые карбидами. Наиболее активные металлы (IA-IIIA подгрупп) образуют солеподобные карбиды, например Na2C2, CaC2, Mg4C3, Al4C3. В промышленности карбид кальция получают из кокса и известняка по следующим реакциям:

Карбиды неэлектропроводны, почти бесцветны, гидролизуются с образованием углеводородов, например CaC2 + 2H2O = C2H2 + Ca(OH)2 Образующийся по реакции ацетилен C2H2 служит исходным сырьем в производстве многих органических веществ. Этот процесс интересен, так как он представляет переход от сырья неорганической природы к синтезу органических соединений. Карбиды, образующие при гидролизе ацетилен, называются ацетиленидами. В карбидах кремния и бора (SiC и B4C) связь между атомами ковалентная. Переходные металлы (элементы B-подгрупп) при нагревании с углеродом тоже образуют карбиды переменного состава в трещинах на поверхности металла; связь в них близка к металлической. Некоторые карбиды такого типа, например WC, W2C, TiC и SiC, отличаются высокой твердостью и тугоплавкостью, обладают хорошей электропроводностью. Например, NbC, TaC и HfC - наиболее тугоплавкие вещества (т.пл. = 4000-4200° С), карбид диниобия Nb2C - сверхпроводник при 9,18 К, TiC и W2C по твердости близки алмазу, а твердость B4C (структурного аналога алмаза) составляет 9,5 по шкале Мооса (см. рис. 2). Инертные карбиды образуются, если радиус переходного металла < 1,3 , а при большем радиусе образуются реакционноспособные карбиды типа Mn3C, Ni3C3, Fe3C.

Азотпроизводные углерода. К этой группе относится мочевина NH2CONH2 - азотное удобрение, применяемое в виде раствора. Мочевину получают из NH3 и CO2 при нагревании под давлением:

Дициан (CN)2 по многим свойствам подобен галогенам и его часто называют псевдогалоген. Дициан получают мягким окислением цианид-иона кислородом, пероксидом водорода или ионом Cu2+: 2CN-> (CN)2 + 2e. Цианид-ион, являясь донором электронов, легко образует комплексные соединения с ионами переходных металлов. Подобно СО, цианид-ион является ядом, связывая жизненно важные соединения железа в живом организме. Цианидные комплексные ионы имеют общую формулу [[M(CN)x]]-0,5x, где х - координационное число металла (комплексообразователя), эмпирически равно удвоенному значению степени окисления иона металла. Примерами таких комплексных ионов являются (строение некоторых ионов приведено ниже) тетрацианоникелат(II)-ион [[Ni(CN)4]]2-, гексацианоферрат(III) [[Fe(CN)6]]3-, дицианоаргентат [[Ag(CN)2]]-:

Карбонилы. Монооксид углерода способен непосредственно реагировать со многими металлами или ионами металлов, образуя комплексные соединения, называемые карбонилами, например Ni(CO)4, Fe(CO)5, Fe2(CO)9, [[Fe(CO)4]]3, Mo(CO)6, [[Co(CO)4]]2. Связь в этих соединениях аналогична связи в описанных выше цианокомплексах. Ni(CO)4 - летучее вещество, используется для отделения никеля от других металлов. Ухудшение структуры чугуна и стали в конструкциях часто связано с образованием карбонилов. Водород может входить в состав карбонилов, образуя карбонилгидриды, такие, как H2Fe(CO)4 и HCo(CO)4, проявляющие кислотные свойства и реагирующие со щелочью: H2Fe(CO)4 + NaOH -> NaHFe(CO)4 + H2O Известны также карбонилгалогениды, например Fe(CO)X2, Fe(CO)2X2, Co(CO)I2, Pt(CO)Cl2, где Х - любой галоген

(см. также МЕТАЛЛООРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ).

Углеводороды. Известно огромное количество соединений углерода с водородом

(см. ХИМИЯ ОРГАНИЧЕСКАЯ).

ЛИТЕРАТУРА

Сюняев З.И. Нефтяной углерод. М., 1980 Химия гиперкоординированного углерода. М., 1990

Составить слова из слова углерод

ЖЕЛЕ́ЗО -а; ср.

1. Химический элемент (Fe), ковкий металл серебристого цвета, образующий в соединении с углеродом сталь и чугун.

2. Обиходное название малоуглеродистой стали, металла серебристого цвета. Ковать ж. Ветер стучит железом крыши.

3. О том, что является сильным, твёрдым, крепким (о внешних физических качествах). Руки у тебя - ж.! // О том, что является жёстким, непреклонным (о внутренних моральных качествах). Характер у него - ж.

4. Разг. О лекарстве, содержащем железистые вещества. Организму не хватает железа. Пить ж. Яблоки содержат ж.

5. Разг. техн. Аппаратные средства компьютера (в отличие от программных средств). Купить недостающее железо.

◊ Выжечь калёным желе́зом. Искоренять, уничтожать что-л., прибегая к крайним, чрезвычайным мерам. Куй желе́зо, пока горячо (см. Кова́ть).

◁ Желе́зный; Желе́зистый; Желе́зка; Желе́зина (см.).

* * *

желе́зо (лат. Ferrum), химический элемент VIII группы периодической системы. Блестящий серебристо-белый металл. Образует полиморфные модификации; при обычной температуре устойчиво α-Fe (кристаллическая решётка - кубическая объёмно-центрированная) с плотностью 7,874 г/см³. α-Fe вплоть до 769°C (точка Кюри) ферромагнитно; t_пл 1535°C. На воздухе окисляется - покрывается рыхлой ржавчиной. По распространённости элементов в природе железо находится на 4-м месте; образует около 300 минералов. На долю сплавов железа с углеродом и другими элементами приходится около 95% всей металлической продукции (чугун, сталь, ферросплавы). В чистом виде практически не используется (в быту железными часто называют стальные или чугунные изделия). Необходимо для жизнедеятельности животных организмов; входит в состав гемоглобина.

* * *

ЖЕЛЕЗО - ЖЕЛЕ́ЗО (лат. Ferrum), Fe (читается «феррум»), химический элемент, атомный номер 26, атомная масса 55,847. Происхождение как латинского, так и русского названий элемента однозначно не установлено. Природное железо представляет собой смесь четырех нуклидов (см. НУКЛИД) с массовыми числами 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурация двух внешних электронных слоев 3s²p⁶d⁶4s². Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других.

В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт (см. КОБАЛЬТ) и никель (см. НИКЕЛЬ). Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.

Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe²⁺ - 0,080 нм, иона Fe³⁺ - 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1,8.

Железо высокой чистоты - это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.

Нахождение в природе

В земной коре железо распространено достаточно широко - на его долю приходится около 4,1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит (см. ГЕМАТИТ), Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит (см. МАГНЕТИТ), Fe₃О₄; содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит (см. СИДЕРИТ), карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита (см. ПИРИТ) FeS₂ (другие названия - серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10^-5-1·10^-8% железа.

История получения железа

Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9 по 7 в. до н. э., когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, (см. ЖЕЛЕЗНЫЙ ВЕК) пришедшего на смену бронзовому веку (см. БРОНЗОВЫЙ ВЕК). Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи - домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс (см. КОКС). В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства - домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

Физические и химические свойства

При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0,286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво b-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0,36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри (см. КЮРИ ТОЧКА)) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное a-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как g-модификацию железа, а b-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции d-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа - a, b, g и d- возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7,87 г/см³. Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ -0,447В, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +0,771В.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe₂О₃·хН₂О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂О₃, при сгорании в чистом кислороде - оксид Fe₃О₄. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами (см. ГАЛОГЕНЫ). Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeСl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена (см. ФЕРРОЦЕН) состава [Fe(-C₅H₅)₂].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)₂. Оксид железа (III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)₂, основание Fe(ОН)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)₃ проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)₃ + КОН = К[Fe(ОН)₄]

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)_3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)Cl₂

Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа (II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ - железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ - железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) - ферраты, например, феррат (VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами CNS^-. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами CNS^- образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4- выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4-.

Сплавы железа с углеродом

Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом - различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно - на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию - нагреванию при температуре около 1000 °C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей - шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300 °C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe₂O₃ + 3CО = 2Fe + 3CO₂

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие - летку - и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун - это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

Применение железа, его сплавов и соединений

Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа - чугун и сталь - составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.

Железо в организме

Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, (см. МИКРОЭЛЕМЕНТЫ) то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии (см. ЖЕЛЕЗОБАКТЕРИИ), использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза (см. ХЕМОСИНТЕЗ), могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа - участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков - гемопротеидов (см. ГЕМОПРОТЕИДЫ), простетической группой которых является железопорфириновый комплекс - гем (см. ГЕМ). Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин (см. ГЕМОГЛОБИН) и миоглобин, (см. МИОГЛОБИН) универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, (см. ЦИТОХРОМЫ) ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина (см. ФЕРРИТИН), осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови - около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

Составить слова из слова железо