Геохимические свойства железа. Минералы железа в древней истории человечества Минерал в состав входит железо

Железными рудами называются горные породы, содержащие железо, извлечение железа из которых является экономически целесообразным. Минералов, содержащих железо, очень много, но в большинстве случаев или содержание железа в них невелико, или самый минерал встречается в природе в небольших количествах.
Имеющие наибольшее значение минералы, содержащие железо, могут быть разделены на следующие четыре группы в зависимости от их химического состава: 1) окислы железа; 2) углекислое железо; 3) кремнистое железо и 4) сернистые соединения железа. Названия и перечень этих минералов представлены в табл. 7.

Магнетит. Химическая формула магнетита (магнитного железняка) Fe3O4. В нем содержится 72,4% Fe и 27,6% O2. Цвет его темный, от серого до черного; минерал обладает магнитными свойствами. Сингония кубическая, вид симметрии гексооктаэдрический, твердость 5,5-6; уд. вес 4,9-5,2. Доля этого минерала в общей добыче железных руд невелика. Однако в некоторых металлургических районах, например на Урале или в Швеции, магнетитовые руды являются преобладающими.
В природных условиях магнетит, сохраняя свое кристаллическое строение, в той или иной степени окисляется. Содержание кислорода в магнитном железняке в этом случае уже не отвечает полностью формуле Fe3O4 или FeO*Fe2O3.
Обычно в рудах, образованных магнитным железняком, кроме магнетита, встречаются продукты его выветривания - полумартит и мартит. По классификации, принятой акад. М.А. Павловым. к магнитным железнякам относят такие руды, у которых отношение Feобщ/FeO менее 3,5 (вместо 2.333 в неокисленном магнитном железняке). К полумартитам относят руды с отношением Feобщ/FeO более 3,5 и менее 7 и, наконец, к мартитам - руды с отношением Feобщ/FeO более 7. И.А. Соколов, принимая те же цифры, берег вместо отношения Feобщ/FeO отношение Feобщ/FeFeO. Таким образом, приведенная классификация магнетитовых руд является условной.
Гематит. В химически чистой окиси железа содержится 70% Fe и 30°/о O2. В природе известны две полиморфные модификации окиси железа - устойчивая a-Fe2O3 (тригональной оингонии) и неустойчивая y-Fe2O3 (кубической сингонии), обладающая сильномагнитными свойствами и носящая название маггемита.
Гематит представлен первой модификацией. Цвет кристаллических разностей гематита железо-черный до стально-серого. Удельный вес гематита 5,0-5,3, твердость 5,5-6. Гематит составляет основу важнейших в мире месторождений железной руды. Связанные с породами различных геологических периодов, эти руды широко распространены в разнообразных видах. Многие из этих видов названы по их отличительным особенностям; например, красный железняк, оолитовый красный железняк, железистая слюда, красная стеклянная голова и т. д.
Бурые железняки. Долгое время считалось, что окись железа образует с водой следующие химические соединения: турьит - 2Fe2O3*H2O (66,31% Fe и 5,3% гидратной воды); гетит - Fe2O3*H2O (62,92% Fe и 10,1% гидратной воды); лимонит - 2Fe2О3*3Н2О (59,88% Fe и 14,43% гидратной воды); ксаитоондерит-Fe2O3*2Н2О (57,14% Fe и 18,36% гидратной моды); лимнит - Fe2O3*3Н2О (52,3% Fe и "25,3% гидратной воды).
В последнее время в результате рентгенометрических исследований установлено, что в действительности окись железа образует с водой одно химическое соединение с отношением Fe2О3:H2O = 1:1, обладающее определенной кристаллической решеткой. Все более богатые водой разности гидроокислов железа по существу являются гидрогелями, а не соединениями определенного состава. Они, как правило, содержат адсорбированную воду в различных количествах.
В современных учебниках по минералогии формулу гетита часто изображают в виде HFeO2 (учитывая, что Fe в гетите связано с гидроксилом), а формула лимонита (все гидроокиси железа, для которых Fe2O3:H2O > 1)-HFeO2*aq (aqua по-латыни вода). Турьит, по рентгенометрическим и термическим исследованиям, оказался смесью гетита и лимонита с гидрогематитом и, следовательно, не является самостоятельным минералам.
Сингония гетита - ромбическая, ромбодипирамидальный вид симметрии.
Цвет лимонита и гетита - темнобурый до черного. Твердость гетита 4,5-5,5, лимонита 4-1; удельный вес гетита 4,0-4,4, лимонита - колеблется от 3,3 до 4,0.
По физическому состоянию и внешнему виду различают много разновидностей бурых железняков: бурая стеклянная голова, обыкновенный бурый железняк, болотные и озерные руды и другие.
Карбонаты. Важнейшим представителем этой группы является минерал, называемый сидеритом, железным шпатом или шпатовым железняком; состав его определяется формулой FeCO3 (48,3% Fe и 37,9% CO2). Из изоморфных примесей чаще всего присутствуют углекислые марганец и магний. Сингония сидерита - тригональная. Цвет сидерита в свежем состоянии - желтовато-белый, сероватый, иногда с зеленым или буроватым оттенком. Твердость сидерита 3,5-4,5; удельный вес 3,9.
При выветривании сидерит окисляется с образованием лимонита, гетита.
Силикаты железа. Силикаты железа входят как примеси в состав некоторых железных руд. К силикатам железа относят много минералов, например группу хлоритов, одним из представителей которых является шамозит (примерная формула 4FeO*Al2O3*3SiO2*4H2O). Содержание FeO в этом силикате колеблется от 34,3 до 42,5%.
Из минералов других групп, содержащих силикаты железа, следует назвать нонтронит, состав которого определяется формулой: m {Mg3 [ОН]2} p {(Fe, Аl)2 2} nH2O, альмандин - Fe3Al23; а андрадит Ca3Fe23.
Сернистые соединения железа. Одним из минералов, представляющих эту группу, шляется пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS2, содержащий 46,7% Fe и 53,4% S. Вследствие высокого содержания серы минералы, содержащие сернистые соединения железа, в качестве железных руд не применяются. Пиритные или колчеданные руды добывают в значительных количествах для производства серной кислоты, при этом руды обжигают на воздухе. Во время обжига большая часть серы удаляется, твердый остаток в основном представляет собой окись железа и носит название пиритных огарков. Эти огарки после агломерации могут идти в доменную плавку.
Марказит представляет собой полиморфную разность FeS2 и имеет ромбическую сингонию (пирит имеет кубическую сингонию).

Задавшись вопросом - для чего нужна железная руда становится понятно, что без нее человек не достиг бы высот современного развития цивилизации. Орудия труда и оружие, детали машин и станки – все это можно сделать из железной руды. Сегодня нет ни одной отрасли народного хозяйства, обходящейся без стали или чугуна.

Железо относится к широко распространенным в земной коре химическим элементам. В земной коре этот элемент в чистом виде практически не встречается, он находится в виде соединений (окислов, карбонатов, солей и прочего). Минеральные соединения, в которых содержится значительное количество этого элемента, называют железными рудами. Промышленное использование руд, содержащих в своем составе ≥ 55% железа экономически обосновано. Рудные материалы с меньшим содержанием металла подвергаются предварительному обогащению. Методы обогащения при добыче железных руд постоянно совершенствуются. Поэтому, в настоящее время, требования к количеству железа в составе железной руды (бедной) постоянно снижаются. Руда состоит из соединений рудообразующего элемента, минеральных примесей и пустой породы.

руды, образовавшиеся под действием высокой температуры, называют магматогенными;
образовавшиеся в результате оседания на дне древних морей – экзогенными;
под действием экстремального давления и температуры – метаморфогенными.

Происхождение породы определяет условия добычи полезных ископаемых и в каком виде содержится железо в них.

Главная особенность железных руд – их широкая распространенность и очень значительные запасы в земной коре.

Основные железосодержащие минеральные соединения это:

гематит – это наиболее ценный источник железа, так как содержит порядка 68-72% элемента и минимум вредных примесей, залежи гематита называют красным железняком;
магнетит - главное свойство железной руды данного вида – магнитные свойства. Наравне с гематитом отличается содержанием железа равным 72,5%, а также высоким содержанием серы. Образует месторождения - магнитные железняки;
группа водных окислов металла под общим названием бурые железняки. Эти руды имеют невысокое содержание железа, примеси марганца, фосфора. Это определяет свойства железной руды данного типа – значительную восстанавливаемость, пористость структуры;
сидерит (карбонат железа) – отличается высоким содержанием пустой породы, самого металла содержится порядка 48%.

Применение железной руды

Железная руда используется для выплавки из нее чугунов, сталистого чугуна и стали. Однако, прежде чем, железную руду используют по назначению, она подвергается обогащению на горно-обогатительных комбинатах. Это относится к бедным рудным материалам, содержание железа в которых ниже 25-26%. Разработано несколько методов обогащения бедных руд:

магнитный способ, он заключается в использовании различий магнитной проницаемости компонентов руды;
флотационный способ, использующий различные коэффициенты смачиваемости частиц руды;
промывочный способ, удаляющий пустые примеси струями жидкостей под большим давлением;
гравитационный способ, применяющий специальные суспензии для удаления пустой породы.

В результате обогащения из железной руды получают концентрат, содержащий до 66-69% металла.

Как и где используется железная руда и концентраты:

руда используется в доменном производстве для выплавки чугунов;
для получения стали прямым способом, минуя стадию чугуна;
для получения ферросплавов.

В итоге, из полученной стали и чугуна изготавливаются профильный и листовой прокат, из которых потом изготавливают необходимые изделия.

Более-менее общеизвестно, что материал, в обиходе называемый железом, даже в простейшем случае представляет собой сплав собственно железа, как химического элемента, с углеродом. При концентрации углерода менее 0,3 % получается мягкий пластичный тугоплавкий металл, за которым и закрепляется название его основного ингредиента - железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.

При концентрации углерода более 0,3 %, но менее 2,14 % сплав называется сталью. В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке - при резком охлаждении сталь приобретает большую твёрдость - замечательное достоинство, однако, почти совершенно сводимое на нет благоприобретенной в процессе той же закалки хрупкостью.

Наконец, при концентрации углерода свыше 2,14 % мы получаем чугун. Хрупкий, легкоплавкий, хорошо пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой, металл.

Одним из определяющих условий начала производства металла являются знания о минералах, данный металл содержащих. Эти минералы должны быть заметны, обращать на себя внимание, как своеобразным внешним видом, так и некими специфическими свойствами, которые древний человек мог использовать, в том числе и в архаичных термических процессах. Все минералы железа, которые подробно рассматриваются ниже, подобными внешними данными и свойствами обладают в полной мере.

История первобытного человеческого общества была неразрывно связана с камнем и изделиями из него. Самые примитивные из этих изделий представляли собой обыкновенную речную гальку, оббитую с одного края. Возраст древнейших каменных орудий датируется периодом около 2,5 млн. лет.

Сначала наши предки использовали любую гальку. Однако, осваивая новые территории, они стали проявлять интерес к самым разнообразным горным породам. Трудно сказать, когда первобытный человек научился их различать, но то, что его излюбленным камнем на протяжении всего антропогена стал кремень, известно достоверно. Это пристрастие обусловлено удивительными свойствами кремня – его способностью при направленных ударах не раскалываться на куски, а давать тонкие отщепы и пластины с острыми краями. Оббив камень с разных сторон, древний человек получал ручное рубило и множество острых отщепов. И то и другое находило применение: рубила использовались для обработки дерева, отщепы – для резания мяса.

Прошло немало времени, прежде чем человек научился отделять от кремневых камней пластины. Это потребовало развития определенных навыков обработки камня. Расщепляя камень, древний мастер получал одну или несколько пластин – прекрасный материал для изготовления наконечников копий, скребков и ножевидных инструментов. Именно в кремне была впервые найдена и воплощена форма таких известных орудий, как топор, серп, нож, молоток.

Высокими потребительскими свойствами обладали также яшма – крепкая и очень твердая порода, обсидиан и нефрит. Однако эти камни встречались и встречаются в природе значительно реже, чем кремень.

2.2.1 Гётит (α-Fe) (гидрогётит, лимонит, бурый железняк)

Этот минерал получил свое название в честь И. В. Гете – гениального поэта, а, кроме того, выдающегося натуралиста и знатока минералов. Наверное, именно он, во всем многообразии его проявлений и стал первой рудой, из которой люди научились извлекать железо.

Рисунок 10 – Гётит

На земной поверхности железо в двухвалентной форме медленно выщелачивается из горных пород почвенными и речными водами, содержащими растительные гумусовые кислоты. На лугах и других открытых местах, в насыщенной кислородом воде озер оно окисляется до трехвалентного и осаждается в виде нерастворимого гетита, образуя «озерные», «луговые» и «дерновые» руды. Отсюда происходит еще одно название гетита – лимонит – от греческого слова «леймон», что значит «мокрый луг» или «болото» (рисунки 11,12).

Строго говоря, лимонит это не минерал, а смесь различных минералов – гидроксидов железа, из которых главным и является гётит. По существу лимонит – «природная ржавчина», откуда (за характерный ржаво-бурый цвет) происходит другое его название «бурый железняк». Именно в болотах, озерах и на морском мелководье возникают необычные на вид лимонитовые руды (рисунок 13). Лимонит таких руд напоминает бобы или мелкие птичьи яйца. Поэтому широкое распространение получили такие названия лимонита, как «бобовая руда» или «гороховый камень». Также гетит встречается в виде пачкающей руки рыхлой охры, в виде лаково черных гроздьев и почек, и каскадов сосулек, и нежно бархатных покровов и подушечек в трещинах и пещерах, и в виде блестящих вееров и алмазно-черных, либо рыжих иголочек и волосков в кристаллах аметиста – все это гидроксиды железа, то есть, все это гетит или гидрогетит. Кроме того, гетит распространен в виде «стеклянной головы» – красивых сферолитовых корок с лаково-черной поверхностью.

Рисунок 11- Добыча «озерных» руд Рисунок 12 – Добыча «луговых»

Рисунок 13 – Болотная руда

2.2.2 Гематит (Fe 2 O 3)

Гематит – минерал с красивой формой, сверкающими гранями, цветом от стального до железно-черного, с особенным красноватым оттенком, который отчетливо выделяет гематит среди похожих на него минералов (рисунок 14). Современное название этого минерала впервые встречается у Теофраста (естествоиспытателя и философа, жившего в 372–287 гг. до н.э. и написавшего трактат «О камнях»). Оно происходит от греческого слова «гэма» – кровь, что связано с вишневым или сургучно-красным цветом порошка минерала, как и синонимы гематита – «кровавик», «красный железняк». Еще один старинный синоним гематита –«железный блеск». Кристаллы гематита обладают высокими твердостью и плотностью, сильным полуметаллическим блеском, вишнево-красным цветом. Особые блестящие кристаллы таблитчатой формы раньше называли «спекуляритом», а тонкопластинчатые, иногда собранные в параллельные пакеты, – «железной слюдкой».

Рисунок 14 - Гематит

Весьма распространены сферолитовые коры гематита; в старину немецкие горняки называли их «стеклянная голова». Несравненно реже встречается другая форма расщепления кристаллов гематита – «железная роза», где пластинчатые кристаллы располагаются наподобие карт в развернутой колоде. Ценятся «железные розы» наравне с самыми дорогими минералами.

Гематит встречается также в плотных массах, в своеобразных порошковых выделениях («железная сметана»), а больше всего – в виде зернистых вкраплений в различных породах. В значительных количествах он выделяется при вулканических процессах. Известен факт, когда в 1817 г. при извержении Везувия всего за 10 суток образовалась метровая толща гематита. Плотный гематит – великолепный минерал для вырезания различных фигурок.

Именно от гематита происходи слово «гемма», обозначающее резной камень. В Древнем Египте и Вавилоне резной гематит широко использовался в качестве украшений, в Древней Греции резные камни на свой лад выполняли функции замков и ключей. Все то, что мы привыкли запирать, греки запечатывали личной печатью. Для изготовления таких печатей с углубленным изображением использовались чаще всего гематит и халцедон.

Другой сферой применения гематита была медицина. Знаменитый медик античности Диоскур называл гематит в числе пяти главных камней для врачевания (с янтарем, лазуритом, нефритом и малахитом). Гематиту приписывалась способность заживлять кровоточащие раны, врачевать болезни мочевого пузыря и венерические заболевания.

Тонкий порошок гематита «крокус» в древности использовался для полировки золотых и серебряных изделий. Надо отметить, что абразивные свойства минерала, в отличие от медицинских, не потеряли своего значения и по сей день.

Считается, что первым предназначением гематита стало его применение в виде минеральной краски. Древнейшая находка гематитовых красок в человеческих погребениях датируется примерно 40 тыс. лет до н.э.

Красная гематитовая краска – мумия – являлась обязательным компонентом мумифицирования у древних египтян (откуда и происходит ее название). Амулеты из гематита в строго определенном порядке укладывались между бинтами мумий фараонов. Вплоть до Средневековья единственной желтой краской была охра. Она изготовлялась путем смешивания гематита с мелом. Позднее краску желтого цвета стали изготавливать из смеси оксида свинца с суриком.

Наконец, удивительные кристаллы кровавика («камня скорпиона») находили особое применение в Средневековой магии. Только при наличии на пальце перстня с кровавиком средневековый маг мог дерзать вызывать к общению духов умерших.

2.2.3 Сидерит (FeCO 3)

Еще одним претендентом на звание первого рудного минерала железа в истории человечества является сидерит. Его природные проявления являются, пожалуй, наименее эффектными среди других железных руд. Они представляют, как правило, почки, конкреции или оолитовые (шаровидные) текстуры многочисленных коричнево-желтых оттенков (рисунок 15).

Рисунок 15 – Сидерит

Название минерала происходит от греческого слова «сидерос» – железо (которое, в свою очередь обозначает также звезду, т.е. железо это звездный металл – металл, приходящий с неба). Существует и другая версия происхождения слова «сидерос», получившая распространение в последние десятилетия. Согласно этой версии греческое «сидерос» имеет кавказское происхождение от корня «сидо», что означает «красный». Важным обстоятельством, подтверждающим эту версию, является общепризнанный факт, говорящий о том, что родиной рудного железа является Малая Азия, откуда посредством легендарного народа кузнецов – халиберов, о железе узнали и древние греки. Отсюда же происходит еще одно название минерала – халибит. Другие распространенные названия: гирит, флинц, железный шпат, белая руда. Особенно большое значение сидеритовые руды сыграли в развитии металлургии железа раннего средневековья, когда главным центром его производства стал Альпийский регион. Именно в Альпах находятся известные месторождения сидерита: Нейдорф и Эруберг, а также знаменитая «гора» – Айзенерц.

2.2.4 Пирит и марказит (FeS 2)

Название «пирит» происходит от греческого слова «пирос» – огонь, огнеподобный.

Удар по нему рождает искры, поэтому в древности кусочки пирита служили идеальным кресалом. Свое второе имя «колчедан» минерал получил в XVI в. – оно было присвоено пириту выдающимся немецким учёным Агриколой (Георгом Бауэром) и также имеет греческие корни, поскольку происходит от названия греческого полуострова Халкидики, богатого различными рудами. Впоследствии название «колчеданы» распространилось и на весь класс сульфидов, подобных пириту, а собственно пирит стали называть железным или серным колчеданом.

Желтый цвет пирита иногда маскируется бурой или пестрой побежалостью, т.к. он часто содержит примеси мышьяка, кобальта, никеля, реже – меди, золота, серебра. Самым характерным в облике минерала является форма его кристаллов – чаще всего это куб (рисунок 16). Самый крупный из известных кристаллов пирита, размером 50 см по ребру был найден близ города Ксанти в Северо-Восточной Греции. В Древней Индии кристаллы пирита выполняли роль амулета, защищавшего от крокодилов.

Рисунок 16 – Пирит

В природе пирит широко распространен и очень заметен. Он буквально бросается в глаза золотистым цветом, ярким блеском почти всегда чистых граней, четкими кристаллическими формами. По этим причинам пирит известен с глубокой древности. Цветом и блеском он напоминает латунь, и даже золото, за что заслужил когда-то снисходительное прозвище «кошкино золото». Еще ярче блестит полированный пирит. Из полированного пирита делали зеркала древние инки. Древнейшими известными месторождениями пирита являются Рио-Тинто и Новохун (Испанские Пиренеи), Рио-Марина (о.Эльба), Уральские горы.

Удивительным свойством пирита является замещение его кристаллами в восстановительной обстановке органических останков. При этом образуются эффектные окаменелости: пиритизированные раковины, куски древесины и даже целые фрагменты стволов и других частей растений и пр. Процесс замещения может идти очень энергично: в известном случае «фалунского человека» тело рудокопа, погибшего в глубокой (130 м) выработке, было полностью замещено пиритом всего за 60 лет. При этом полностью сохранился внешний вид человека. Возможно, отсюда и происходит знаменитая легенда о «каменном госте», известная у многих народов мира.

Марказит имеет тот же химический состав, что и пирит, но иную кристаллическую структуру и встречается гораздо реже пирита. В античные времена пирит и марказит отожествляли. Немецкие горняки позднего Средневековья, называя оба этих минерала серными колчеданами, все же выделяли марказит в особую разновидность «копьевидный», «лучистый», «гребенчатый» колчедан.

Лишь в 1814 г. установили, что марказит – особый минерал, а в 1845г. было составлено его первое научное описание и закрепилось название «марказит». Древнее арабское «марказит» первоначально обозначало также пирит, сурьму и висмут. Ювелиры до сих пор называют пирит «марказитом».

2.2.5 Магнетит (Fe 3 O 4)

Магнетит очень тяжелый минерал, обладающий полуметаллическим «тусклым» блеском, железно-черного цвета, с синей или радужной побежалостью. Для магнетита характерны черно-серые кристаллы (рисунок 17). По одной из легенд магнетит был назван в честь греческого пастуха Магнеса. Магнес пас свое стадо на одном из малоприметных плоскогорий в Фессалии и вдруг его посох с железным наконечником и его подбитые гвоздями сандалии притянула к себе гора сложенная сплошным серым камнем. Именно магнитность является редчайшим среди минералов отличительным свойством магнетита.

Рисунок 17 – Магнетит

О магнетите писали многие ученые и поэты древнего мира и Средневековья: Аристотель посвятил ему специальное сочинение («О магните»), Лукреций и Клавдиан описывали в стихах, в сказках «Тысяча и одна ночь» рассказывается о магнитной горе среди моря, сила притяжения которой была столь велика, что выдергивала гвозди из кораблей, которые тут же разрушались и тонули.

Однако реальное применение магниту, по-видимому, впервые было найдено в Китае, где во II в. до н.э. был изобретен компас. Древнейшие из известных компасов в странах Востока имели вид маленькой тележки, на которой сидел железный человечек и указывал протянутой рукой на юг.

Таким образом, задолго до открытия металлов, минералы железа привлекали к себе внимание человека и широко им использовались. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что «случайное» открытие способа выплавки железа из руды было хорошо подготовлено всей предыдущей историей развития цивилизации.

Цели . Познакомить с положением железа в периодической системе химических элементов Д.И.Менделеева, строением атома, природными месторождениями, соединениями, современными методами получения, свойствами и применением железа. Способствовать выработке у школьников навыков коллективного труда и товарищеской взаимопомощи.
Оборудование и реактивы . Пробирки, таблицы по доменному производству; растворы HCl и H 2 SO 4 , порошки Fe(OH) 2 и Fe(OH) 3 , железные опилки, растворы желтой кровяной соли K 4 и красной кровяной соли K 3 .
Тип урока . Элементы лекции, рассказ, беседа.

ХОД УРОКА

Учитель . Сегодня мы продолжим речь о металлах, вы узнаете о положении железа в периодической системе химических элементов, о строении его атома, о химических свойствах металла железа, его соединениях, получении и применении, роли железа в развитии человеческого общества. Какова роль железа в человеческом обществе?
Ученик . Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло своего значения в настоящее время. Из всех металлов оно наиболее широко используется в современной промышленности.
Первобытный человек начал использовать железные орудия труда за несколько тысячелетий до нашей эры. В те годы единственным источником этого металла были упавшие на землю метеориты, которые содержат довольно чистое железо. В середине 2-го тысячелетия до
н. э. в Египте была освоена металлургия железа – получение его из железных руд. Это событие стало началом железного века в истории человечества, который пришел на смену каменному и бронзовому векам. На территории России начало железного века относится к рубежу 2–1-го тысячелетий до н. э.
Учитель . Каково распространение железа в природе?
Ученик . Железо – один из самых распространенных элементов в природе. В земной коре его массовая доля составляет 5,1%, по этому показателю оно уступает только кислороду, кремнию и алюминию. Много железа находится и в небесных телах, что установлено по данным спектрального анализа. В образцах лунного грунта, которые доставила советская автоматическая станция «Луна», обнаружено железо в неокисленном состоянии .
Учитель . В виде каких соединений железо встречается в природе?
Ученик . Железо входит в состав большинства горных пород. Для получения железа используют железные руды с содержанием железа 30–70% и более. (Пользуясь физической картой России, ученик показывает и называет месторождения соединений железа.)
Основными железными рудами являются:

– гематит Fe 2 O 3 – содержит до 65% железа, такие месторождения железа встречаются в Криворожском районе;
– лимонит Fe 2 O 3 n H 2 O – содержит до 60% железа, месторождения лимонита встречаются в Крыму, например керченское месторождение;
– пирит FeS 2 – содержит примерно 47% железа, месторождения пирита встречаются на Урале.
Учитель . Как получают железо в промышленности?
Ученик . В настоящее время основным промышленным способом переработки железных руд является производство чугуна доменным процессом. Чугун – это сплав железа, содержащий
2,2–4% углерода, а также кремний, марганец, фосфор, серу. В дальнейшем большая часть чугуна подвергается переделу в сталь. Сталь отличается от чугуна главным образом меньшим содержанием углерода (до 2%), фосфора и серы.
Учитель . Большое внимание уделяется разработке методов прямого получения железа из руд без осуществления доменного процесса. В чем преимущество прямого получения железа? Главное состоит в том, что восстановление оксидов железа можно проводить без участия металлургического кокса. Его заменяют более дешевым и распространенным топливом – бурым углем, природным газом. При прямом получении железа можно использовать и бедные железные руды, шлаки других производств, содержащие железо.
Прямое восстановление железа проводят в слегка наклоненных вращающихся печах, похожих на печи, в которых получают цемент. В печь непрерывно загружают руду и уголь, которые постепенно перемещаются к выходу, противотоком идет нагретый воздух, создается температура ниже точки плавления железа.
Чтобы получить технически чистое железо прямым восстановлением, руду подвергают обогащению. При этом удается повысить массовую долю железа, отделить пустую породу (куски железа легко отделяются от шлака) и снизить содержание вредных примесей (серы и фосфора). В процессе обогащения руду измельчают в дробильных установках и подают в магнитный сепаратор. Последний представляет собой барабан с электромагнитами, в который при помощи транспортера подается измельченная руда. Пустая порода свободно проходит через магнитное поле и падает. Зерна руды, содержащие магнитные минералы железа, намагничиваются и отделяются от барабана позднее пустой породы. Такую магнитную сепарацию можно проводить несколько раз.
Затем руду обогащают методом флотации . Для этого руду помещают в емкость с водой, где растворяют флотационные поверхностно-активные вещества, которые избирательно абсорбируются на поверхности полезного минерала. В результате абсорбции флотореагента частицы минерала не смачиваются водой и в ней не тонут. Через раствор пропускают воздух, пузырьки которого прикрепляются к кусочкам минерала и поднимают их на поверхность. Частицы пустой породы хорошо смачиваются водой и оседают на дне емкости. Обогащенную руду собирают с поверхности раствора вместе с пеной. В результате содержание железа в руде может быть повышено до 70–72% .
Рассмотрим схему одного из способов прямого получения железа. Процесс проводят в вертикальной печи, в которую сверху подают обогащенную руду, а снизу – газ, служащий восстановителем. Этот газ получают сжиганием природного в недостатке кислорода. Восстановительный газ содержит 30% СО, 55% Н 2 , 13% Н 2 О и 2% СО 2 . Следовательно, восстановителями служат оксид углерода(II) СО и водород:

Fe 2 O 3 + 3СО = 2Fe + 3CO 2 ,

Fe 2 O 3 + 3H 2 = 2Fe + 3H 2 O.

Восстановление ведут при температуре 850–900 °С, что ниже температуры плавления железа (1539 °С).
Для многих современных отраслей техники требуется железо очень высокой степени чистоты. Тогда очистку технического железа проводят карбонильным методом. Карбонилы – это соединения металлов с оксидом углерода(II) СО. Железо взаимодействует с СО при повышенном давлении и температуре 100–200 °С, образуя пентакарбонил железа:

Пентакарбонил железа – жидкость, которую легко можно отделить от примесей перегонкой. При температуре около 250 °С карбонил легко разлагается, образуя порошок железа:

Fe(CO) 5 = Fe + 5CO.

Если полученный порошок подвергнуть спеканию в вакууме, то получится металл, содержащий 99,98–99,999% железа. Зачем нужно получать металл такой степени чистоты?
Ученик . Железо высокой степени чистоты нужно прежде всего для изучения его свойств, т.е. для научных целей. Если бы не удалось получить чистое железо, то не узнали бы, что это – мягкий, легко обрабатывающийся металл. Химически чистое железо намного более инертно, чем железо техническое. Важной отраслью использования чистого железа является производство специальных ферросплавов, свойства которых ухудшаются от присутствия примесей .
Учитель . Каковы же химические свойства железа?
Ученик . Химические свойства железа обусловлены строением электронных оболочек его атомов. Железо – элемент побочной подгруппы VIII группы 4-го большого периода. Железо относится к d-элементам, электронная формула атома имеет окончание …3d 6 4s 2 . Железо в соединениях проявляет степени окисления +2 и +3. Максимальная степень окисления железа +6. Она проявляется в ферратах – солях несуществующей железной кислоты. Например, Na 2 FeО 4 – феррат натрия .
Учитель . Как реагирует железо с кислородом?
Ученик . В электрохимическом ряду напряжений железо стоит левее водорода, т. е. имеет более отрицательный стандартный электродный потенциал. Поэтому железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах с выделением водорода :

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 ,

Fe + H 2 SO 4 (разб.) = FeSO 4 + H 2 .

Более концентрированную серную кислоту (40–60%) железо восстанавливает до
оксида серы(IV):

Fe + 2H 2 SO 4 = FeSO 4 + SO 2 + 2H 2 O.

В серной кислоте еще более высокой концентрации (от 80 до 100%) железопассивируется – покрывается тонкой и прочной оксидной пленкой, которая предохраняет металл от растворения. Такое же явление пассивации наблюдается и в сильно концентрированной азотной кислоте, поэтому концентрированные серную и азотную кислоты можно перевозить в железной таре.
С разбавленной азотной кислотой железо может реагировать с образованием соли железа(II), а с более концентрированным раствором кислоты – соли железа(III) и различных продуктов восстановления кислоты, например:

4Fe + 10HNO 3 = 4Fe(NO 3) 2 + NH 4 NO 3 + 3H 2 O,

3Fe + 8HNO 3 = 3Fe(NO 3) 2 +2NO + 4H 2 O,

Fe + 6HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O.

Учитель . Вспомните, что называется коррозией. Каковы ее последствия?
Ученик . Коррозия – это разрушение металла под действием окружающей среды. Образование ржавчины можно представить в следующем виде:

4Fe + 3О 2 + 6H 2 O = 4Fe(OН) 3 ,

Ржавчина отслаивается от поверхности металла, имеет много пор, поэтому не предохраняет металл от дальнейшей коррозии. Из-за коррозии гибнет огромное количество железа и его сплавов. В XIX в., когда не существовало надежных методов борьбы с коррозией, от нее гибла половина выплавляемого металла. В современных условиях от коррозии гибнет 1/6 часть выплавляемого чугуна. Поэтому борьба с коррозией – одна из важнейших задач человечества .
Учитель . Обладают ли амфотерностью соединения железа?
(На поставленный вопрос может ответить сам учитель или заранее подготовленный, интересующийся химией ученик.)
Гидроксид железа(III) амфотерен, т. е. проявляет свойства основания в реакции с кислотами:

Fe(OH) 3 + 3HCl = FeCl 3 + 3H 2 O,

и кислотные свойства в реакциях с концентрированными растворами щелочей:

Амфотерный характер имеет и оксид железа(III), который реагирует и с кислотами, и с основными оксидами:

Fe 2 O 3 + 6HСl = 2FeCl 3 + 3H 2 O,

Учитель заостряет внимание учащихся на том, что существуют характерные реакции на соединения двухвалентного и трехвалентного железа, сопровождая свой рассказ проведением опытов.
Учитель . Для обнаружения ионов железа(III) удобно применять комплексное соединение железа, называемое желтой кровяной солью или гексацианоферратом(II) калия K 4 . При взаимодействии ионов (Fe(CN) 6) 4– с ионами Fe 3+ образуется темно-синий осадок – берлинская лазурь:

Другое соединение железа – красная кровяная соль или гексацианоферрат(III) калия K 3 является реактивом на ионы Fe 2+ .
При взаимодействии ионов (Fe(CN) 6) 3– с ионами Fe 2+ также образуется темно-синий осадок – турнбулева синь:

Перечислите основные области применения железа. Какое природное значение имеет железо?
(Учащиеся отвечают на поставленные вопросы, учитель поясняет их ответы.)
Первый ученик . Ферраты различных металлов используют в современных отраслях радиоэлектроники и автоматики .
Второй ученик . Необычные соединения образует железо с водородом, азотом и углеродом. Атомы этих неметаллов имеют размеры меньше атомов железа и легко внедряются между узлов кристаллической решетки металла, образуя твердые растворы внедрения.

Твердые растворы внедрения внешне похожи на металл, но их свойства сильно отличаются от свойств железа. Большей частью это очень твердые и хрупкие вещества. С водородом железо образует гидриды FeH и FeH 2 , с азотом – нитриды Fe 4 N и Fe 2 N, с углеродом – карбид Fe 3 С – цементит, содержащийся в чугуне и стали .
Третий ученик . Железо – это металл, использование которого в промышленности и быту не имеет пределов. Широко распространена сталь в современной технике. Оксиды и соли железа применяют в производстве красок, магнитных материалов, катализаторов, лекарственных препаратов, удобрений .
Четвертый ученик . Без железа не может функционировать организм человека, в нем содержится около 3–4 г железа, из них в крови – 2 г. Железо входит в состав гемоглобина. Недостаточное содержание железа в организме человека приводит к головной боли, быстрой утомляемости и другим заболеваниям. Железо также необходимо для роста растений. В целом по значимости железо в настоящее время является главным металлом .

Для закрепления изученного материала учащимся предлагаются следующие вопросы .

1. Каково положение железа в периодической системе химических элементов?
2. Какие степени окисления проявляет железо в соединениях?
3. Какие соединения железа обладают амфотерными свойствами?
4. Как реагирует железо с азотной и серной кислотами различной концентрации?
5. Как отличить соединения двух- и трехвалентного железа?
6. Каково применение и значение соединений железа на современном этапе развития человечества?

Если позволяет время, то можно закрепить рассмотренный материал по производству железа, используя следующие вопросы .

1. В чем преимущество прямого метода получения железа?
2. Для чего применяют обогащение руды?
3. Как обогащают руду методом флотации?
4. В чем основной смысл очистки технического железа карбонильным методом?

ЛИТЕРАТУРА

Книга для чтения по неорганической химии. Сост. В.А.Крицман, М.: Просвещение, 1984;
Фельдман Ф.Г., Рудзитис Г.Е. Химия. Учебник для 9 класса общеобразовательных учебных учреждений. М.: Просвещение, 1999;
Хомченко Г.П. Химия для поступающих в вузы. М.: Высшая школа, 1993.

Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре; оно составляет около 5% земной коры. Встречается железо в виде различных соединений: оксидов, сульфидов, силикатов. В свободном виде железо находят в метеоритах, изредка встречается самородное железо (феррит) в земной коре как продукт застывания магмы.

Железо входит в состав многих минералов, из которых слагаются месторождения железных руд.

Основные рудные минералы железа: Гематит (железный блеск, красный железняк) - Fe 2 0 3 (до 70% Fe); Магнетит (магнитный железняк) - Ре 3 0 4 (до 72,4%> Fe); Гетит - FeOOFI

Гидрогетыт - Fe00H*nH 2 0 (лимонит) - (около 62% Fe); Сидерит - Fe(C0 3) (около 48,2% Fe); Пирит - FeS 2

Месторождения железных руд образуются в различных геологических условиях; с этим связано разнообразие состава руд и условий их залегания. Железные руды разделяются на следующие промышленные типы:

Бурые железняки - руды водной окиси железа (главный минерал - гидрогетит), 30-55%) железа.

Красные железняки, или гематитовые руды (главный минерал - гематит, иногда с магнетитом), 51 -66% железа.

Магнитные железняки (главный минерал - магнетит), 50-65% железа.

Сидеритовые или карбонатные осадочные руды, 30-35% железа.

Силикатные осадочные железные руды, 25-40% железа.

Большие запасы железных руд находятся на Урале, где целые горы (например Магнитная, Качканар, Высокая и др.) образованы магнитным железняком. Большие залежи железных руд имеются вблизи Курска, на Кольском полуострове, в Западной и Восточной Сибири, на дальнем Востоке. Богатые залежи имеются на Украине.

Железо является также одним из наиболее распространенных элементов в природных водах, где среднее содержание его колеблется в интервале 0,01-26 мг/л.

Животные организмы и растения аккумулируют железо. Активно аккумулируют железо некоторые виды водорослей, бактерии.

В теле человека содержание железа колеблется от 4 до 7т (в тканях, крови, внутренних органах).Железо поступает в организм с пищей. Суточная потребность взрослого человека в железе составляет 11-30мг. В основных пищевых продуктах содержится следующее количество железа (в мкг/100г.): Рыба - 1000 Мясо - 3000 Молоко - 70 Хлеб - 4000

В теле человека содержание железа колеблется от 4 до 7г (в тканях, крови, внутренних органах).Железо поступает в организм с пищей. Суточная потребность взрослого человека в железе составляет 11-30мг. В основных пищевых продуктах содержится следующее количество железа (в мкг/100г.): Рыба - 1000 Мясо-3000 Молоко - 70 Хлеб - 4000

Картофель, овощи, фрукты - от 600 до 900

Биологическая роль железа

Для нормального роста и выполнения биологических функций человеку и животным кроме витаминов необходим целый ряд неорганических элементов. Эти элементы можно разделить на 2 класса макроэлементы и микроэлементы.

Макроэлементы, к которым относятся кальций, магний, натрий, калий, фосфор, сера и хлор, требуются организму в относительно больших количествах (порядка нескольких граммов в сутки). Часто они выполняют более чем одну функцию.

Более непосредственное отношение к действию ферментов имеют незаменимые микроэлементы, суточная потребность в которых не превышает нескольких миллиграммов, т.е. сопоставима с потребностью в витаминах. Известно, что в пище животных обязательно должно содержаться около 15 микроэлементов.

Большинство незаменимых микроэлементов служит в качестве кофакторов или простетических групп ферментов. При этом они выполняют какую-нибудь одну функцию из трех (по меньшей мере) возможных функций. Во-первых, незаменимый микроэлемент сам по себе может обладать каталитической активностью по отношению к той иди иной химической реакции, скорость которой в значительной степени возрастает в присутствии ферментного белка. Это особенно характерно для ионов железа и меди. Во-вторых, ион металла может образовывать комплекс одновременно и с субстратом и с активным центром фермента, в результате оба они сближаются друг с другом и переходят в активную форму. Наконец, в-третьих, ион металла может играть роль мощного акцептора электронов на определенной стадии каталитического цикла.

Железо относится к тем микроэлементам, биологические функции которых изучены наиболее полно.

Значение железа для организма человека, как и в целом для живой природы, трудно переоценить. Подтверждением этому может быть не только большая распространенность его в природе, но и важная роль в сложных метаболических процессах, происходящих в живом организме. Биологическая ценность железа определяется многогранностью его функций, незаменимостью другими металлами в сложных биохимических процессах, активным участием в клеточном дыхании, обеспечивающем нормальное функционирование тканей и организма человека.

Железо принадлежит к восьмой группе элементов периодической системы Д. И. Менделеева (атомный номер 26, атомный вес 55,847 , плотность 7,86 г/см). Ценным его свойством является способность легко окисляться и восстанавливаться, образовывать сложные соединения со значительно отличающимися биохимическими свойствами, непосредственно участвовать в реакциях электронного транспорта.