Неорганическая химия. Т. 3, кн. 2. Под ред. Ю.Д. Третьякова (975566), страница 3
Текст из файла (страница 3)
6.3). Найденные в бактериях фсрредоксины, содержащие по восемь атомов железа и серы, играют ключевую роль в процессах фиксации атмосферного азота. В молекуле бактериального ферредоксина обнаружены две одинаковые группировки [Ее„5,,1, имеющие форму куба и находящиеся на расстоянии 1,2 нм друг от друга. Эти два кластера расположены внутри полости, образованной цепями из связанных друг с другом аминокислот.
В состав нитрогеназы (см. т. 2, с. 169) входят также белки с молекулярной массой около 220 тыс., содержащие два атома молибдена и до 32 атомов железа*. Около 13% железа в организме человека находится в форме ферритина — глобулярного белка, в пустотах которого присутствуют оксогидроксокомплексы железа(1!1). Ферритин выступает в роли хранилища железа в организме**. * Марри Р., Греннер Х, Мейгс 11., Радузал В. Биохимия человека. — Мл Мир, !993. *' Ьга Х., Тлей Е С. ГГАее.
Сбепь Кея. — 2005. — У. 38. — Р. 167. !4 6.2. НАХОЖДЕНИЕ В ПРИРОДЕ, ПОЛУЧЕНИЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ Нахождение в природе железа. По распространенности в природе среди элементов 8 — !О-й групп безусловным лидером является железо, точнее — его изотоп 'ьГе, ялра которого имеют наибольшую энергию связи протонов и нейтронов и, следовательно, обладают высокой стабильностью. Количество атомов железа во Вселенной существенно превосходит число атомов любого из соседних элементов в Периодической системе и по порядку величины близко к числу атомов водорода и гелия.
Например, на Солнце содержание водорода оценивают в 1 1Оц условных единиц, гелия — 6,31. 1О'", а железа — 3,16 10". Это объясняется тем, что ядро нуклида "Ге принадлежит к числу магических, т.е. имеющих полностью заполненные ялерные оболочки. При возрастании числа нуклонов в ядре энергия связи в расчете на нуклон вначале быстро увеличивается, достигая максимума как раз на ядре железа, затем постепенно убывает (рис. 6.ч)*. " Тедлел Р.ллг, Происхождение химических элементов.
— Мс Мир, 1975. !5 50 !00 По содержанию в земной коре железо стоит на 4-м месте (4,! %), уступая лишь кислороду, кремнию и алю- 8 минию; никель (8.!О" %) входит во вторую десятку, кобальт (2. 1О '%)— 7 в третью, а платиновые металлы относят к числу редких (Кц 1О '%, Р! о !5о к 1О 7% Р»$6,10-8% КЬ 2 !О в% 08 10 "%, (г 3 1О ю%). В земной коре жеРис. 6.4. Зависимость энергии связи в рас- лезо представлено главным образом чете на нУклон от заРЯда ЯдРа элемента гематитом ГевОз (кРасный железник), магнетитом Ге,О» (магнитный железняк), лимонитом Ге,О, хН,О (бурый железняк), сидеритом ГеСО, (железный шпаг, шпатовый железняк), ильменитом ГеТ(О, и серасодержащим минералом пиритом ГеБ, (железный колчедан).
В целом известно более 300 железосодержащих минералов. Значительное количество железа входит в состав различных силикатов и алюмосиликатов, составляющих горные породы. При их выветривании соединения железа, главным образом оксид и оксогидроксид железа(Ш), попадают в кварцевый песок, глины и почву, придавая им желто- коричневый, землистый цвет. В свободном виде на Земле встречается железо метеоритного происхождения, часто в виде сплава с никелем. Известно и самородное железо в аиде чешуек или мелких листочков, вкрапленных в базальты. Лишь изредка оно образует отдельные куски. Такие находки настолько редки, что в каменном и бронзовом веке изготовляемые из самородного железа орудия Диаграмма состояния системы железо — углерод Лиаграмма состояния системы железо — углерод в области до 5 мас.
% углерода, изображенная на рис. 6.5, и, имеет важное значение в металлургии для целенаправлснного производства разных сортов сталей и чугунов. Чистое железо кристаллизуется в трех модификациях: а, 7, Ь, каждая из которых растворяет некоторое количество углерода и устойчива в определенном интервале температур. Твердые растворы углерода в и-железе называют 05еуритом, в 7-желсзе— аустенитом. Модификации а-Гс я б-Ге имеют кубическую объемно-центрированную, 7-Гс — кубическую грансцентрированную решетку. Растворимость углерода оказывается наибольшей в у-железе. Расплавы, содержащие до 1,75 мас. % углерода, после быстрого охлаждения до ! !50'С представляют собой однородный твердый раствор — аустенит (яз него получают сталь).
Он мягкий, не обладает фсрромагнетизмом, кристаллизуется в виде многогранных зерен. В расплавах, содержащих более 1,7% углерода, после охлаждения до 1 !47 'С кроме твердого аустснита существует еше жидкая эвтектика состава, отвечающего точке А (см. рис, 6.5, а).
При охлаждении ниже ! 147'С она кристаллизуется и заполняет тонкой смесью кристаллов пространство между кристаллами аустенита. Получающиеся твердые системы представляют собой чугун. В зависимости от условий эвтектяка может кристаллизоваться двумя способами. При быстром охлаждении до температуры 220' («закалка») затвердевшая эвтектика состоит из кристаллов маувненсита — твердого раствора труда ценились намного дороже золота. Земная мантия содержит значительное количество железа в форме шпинелей, силикатов, оксидов.
Считается, что железо с примесью никеля и серы образует основную часть земного ядра. В поверхностном слое Луны содержание железа достигает 0,5%. Освоение способов получения железа из железной руды послужило началом железного века. Для восстановления оксидов железа углем требуется температура выше 1 400'С, которую не может дать обычный костер. Именно поэтому на ранних стадиях развилина общества железные руды не были доступны в качестве сырья для получения металла. Людям приходилось ограничиваться лишь случайными находками метеоритного железа. В начале первого тысячелетия до н.э. был освоен сыродугный способ восстановления руды, основанный на использовании горна — сооружения из камней, обмазанных глиной. В стенах горна оставляли отверстия, в которые по специальным глиняным трубкам — соплам — при помощи кожаных мешков, называемых мехами, нагнетали воздух.
В горн всасывали древесный уголь и железную руду, а сверху разводили костер. Образующийся металл сваривался в крицу — пористую массу, из которой ковкой получали излелия. На смену сыродутному способу пришло доменное производство. Это произошло в результате увеличения высоты печи, потребовавшего также введение флюсов — специальных добавок, образующих с содержащейся в руде пустой породой ле~ коплавкие шлаки. Поскольку в доменной печи в отличие от горна расплавленный металл длительное время контактирует с углем, он науглероживается, преврагцаясь в чугун.
Это требует лишней операции по «переделу» чугуна в сталь и железо. Первые доменные печи появились в Нидерландах в конце Х!У вЂ” начале ХУ вл в ХУ1 в. они достигали высоты 4 — 5 м. В России доменное производство возникло в ХУ11 в., а в следующем столе~ни получило развитие на Урале. углерола в а-железе. Он имеет тетрагональную решетку, кристаллизуется в виде игольчатых кристаллов, обладает высокой твердостью. При медленном охлаждении образуется смесь кристаллов аустенита и устойчивого графита. Затвердевшая эвтектика из аустенита и цементита называется ледебуритолб причем из расплава, содержагцего 4,3 мас. % углерода, выделяется только ледебурит. При охлаждении аустенита ниже 1147'С происхолит его перекристаллизация.
Из твердых рве~воров, содержащих менее 0,9 мас.% углерода, в первую очередь выделяешься феррит (твердый раствор углерола в о-Ее; см. рис. 6.5, а), а из растворов, содержащих более 0,9 мас.% углерода, первым кристаллизуется цементит Ге,С, козорый называют вторичным цементитом. В обоих случаях состав остающегося твердого раствора приближается к составу, соответствующему эвтектоидной точке В.
В этой точке происходит одновременное выделение кристаллов феррита и цементита в виде тонкой слоистой смеси, называемой лерлиеолг. Расплав, содержащий 0,9 мас.% углерода, при охлаждении может образовать чистый перлит, не содержащий выделившиеся ранее крупные кристаллы феррита или Ге,С. Регулируя состав исходного расплава, скорость охлаждения и время нагревания при выбранных по лиаграмме температурах, можно получить сплавы с разными характеристиками; микроструктурой, составом, ориентацией и напряжениями в кристаллах.
Если затем полученную систему очень быстро охладить !закалить), то все дальнейшие превращения сильно затормозятся. и созданная структура сохранится, хотя и окажется термодинамически неустойчивой. Это и есть путь получения разных сортов с~алей. Получение железа. В настоящее время железную руду восстанавливают коксом в доменных печах, при этом расплавленное железо частично реагирует с углеродом, образуя карбид железа Ге,С (цементит), а частично растворяет его. При затвердевании расплава образуется чугун. Чугун, используемый для получения сгали, называют передельным.
Сталь в отличие от чугуна содержит меньшее количество углерода. Лишний углерод, содержащийся в чугуне, необходимо выжечь. Этого добиваются, пропуская над расплавленным чугуном воздух, обогащенный кислородом. Существует и прямой метод получения железа, основанный на восстановлении окатышей магнитного железняка природным газом или водородом: ~ ооо с ГезОх + СНх — э ЗГе + СО, + 2Н,О Очень чистое железо в виде порошка получают разложением карбонила Ге(СО) . Сплавы железа Сплавы на основе железа разделяют на чугуны и стали.
Чугун — сплав железа с углеродом (2 — б мас. % углерода), солержаший углерод в виле твердого раствора, а также кристаллы графиза и цемегпита Ге~с. различают несколько видов чугуна, отличаюшихся по свойствам и цвету излома. Белый чугун содержит углерод в виде цементита. Он обладает высокой хрупкостью и весь идет на перепел в сталь (передельный чугун). Серый чугун содержит включения графита — они хорошо видны на изломе. Он менее хрупок, чем белый, и используется для изготовления маховых колес, радиаторов водяного отопления. Добавка в расплав небольшого количества магния вызывае~ выделение графита не в виде пластинок, а в форме шарообразных включений. Такой 19 модифицированный чугун обладает высокой прочностью, его использую~ для изготовления коленчатых валов двигателей. Зеркальный чугун, содержащий 1О— 20 мас.
% марганца и около 4 мас. % углерода, служит раскислителем при производстве стали. Сырьем для производства чугуна служат железная руда и кокс. Выплавку чугуна проводят в домнах — больших печах высотой до 80 м, выложенных изнугри огнеупорным кирпичом, а сверху покрытых стальным кожухом.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
