Курсовая работа (т): Свойства оксида железа

Свойства оксида железа

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена изучению свойств оксида железа (III) Fe₂O₃, также известного как минералы: гематит (α-Fe₂O₃), лимонит (Fe₂O₃•H2O), входит в состав магнетита (FeO•Fe₂O₃).

Тема курсовой работы представляет практический и теоретический интерес. Проект будет полезен предприятиям, синтезирующим вещество Fe₂O₃ в промышленных масштабах.

Также проект полезен как сборник информации о железе, некоторых его оксидах, оксиде железа (III) в частности, и минералах, в состав которых он входит.

Цели, выполнение которых необходимо достичь по окончании работы над проектом: собрать наиболее полную информацию об оксиде железа (III), изучить его свойства и способы синтеза.

Задачи проекта:

.Собрать полноценную и актуальную информацию по теме.

.Изучить свойства железа и его оксида (III) Fe₂O₃, на основе чего узнать о применении этих веществ.

.Рассмотреть все возможные способы синтеза и выделить наиболее выгодный из них.

По окончании данного проекта следует сделать заключение по проделанной работе, указать какие задачи были выполнены, а какие нет.

1. ЖЕЛЕЗО

Железо было известно еще до нашей эры. Люди древнего Египта и Северной Америки пользовались предметами, сделанными из метеоритного железа. В те времена железо было самым распространенным материалом после бронзы.

Считается, что народы Кавказа и Туркестана первыми получили железо из минералов. Позже железо распространилось в Вавилон, Египет, Грецию и Рим. Железо, полученное примитивным способом (который состоял в нагревании железной руды с древесным углем в ямах или печах из глины), было загрязнено шлаком и очищалось долгой ковкой.

На древнем Востоке при выплавке железа использовались печи, оснащенные мехами для подачи воздуха. В XV в. за счет увеличения потока подаваемого воздуха была увеличена температура выплавки. Благодаря этому удалось получить чугун, который был очень хрупок и ломался от удара молотка. Позже было получено ковкое железо путем нагревания чугуна с древесным углем в горне в токе воздуха.

Огромным скачком в металлургии железа является замена древесного угля коксом - восстановителем, источником углерода и одновременно горючим материалом. Уже в XIX в. были разработаны технологические процессы получения стали. [26]

1.1 Нахождение в природе

В природе железо практически не встречается в свободном состоянии. Обычно оно входит в состав минералов в виде различных соединений. Его содержание в земной коре составляет 4,7 вес. %.

Наиболее типичными минералами железа являются: Сидерит, Лимонит, Гематит, Магнетит. Также существуют и другие минералы: Вюстит, Пирит, Марказит, Лёллингит, Миспикель, Мелантерит, Вивианит и пр.

Залежи полезных ископаемых, содержащих минералы железа, находятся в разных странах: России, Швеции, Норвегии, Франции, Греции, Италии, Кубе, Турции и пр. [1]

Процентное содержание железа в минералах колеблется от 25 до 70%. Руды, содержащие менее 45% железа, относятся к бедным и в промышленности не используются. Обогащают руды магнитным способом. Гематит или лимонит превращают в магнетит термической обработкой и пропускают через магнитное поле для отделения от пустой природы.

Железо входит в состав гемоглобина - компонента эритроцитов крови живых организмов. У некоторых видов вместо железа в молекуле гемоглобина присутствует медь. [2]

1.2 Получение и применение

Чистое мало окисляемое металлическое железо может быть получено восстановлением оксида железа (III) Fe₂O₃ водородом при нагревании:

Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O

Восстанавливая Fe₂O₃ водородом при 278-340°С, получают пирофорное железо, при 550-650°С - железо, свыше 700°С - спекшуюся массу губчатого металлического железа.

Чисто железо можно получить путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅ без доступа кислорода и при температуре свыше 140°С, а также электролизом водного раствора FeCl₂·4H₂O с добавлением NH₄Cl при 30°С. [1]

Загрязненное металлическое железо может быть получено алюмо- или кремнетермическим восстановлением оксида железа (III) Fe₂O₃ и оксидов железа (II, III) Fe₃O₄.

Fe₂O₃+2Al=2Fe+Al₂O₃

Fe₃O₄+8Al=9Fe+4Al₂O₃ [3]

Для получения различных ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама, ферромолибдена и др.) применяются алюмо- или кремнетермическое восстановление смеси Fe₂O₃ с оксидами соответствующих металлов (Cr₂O₃, WO₃, MoO₃ и т.д.). При кремнетермическом восстановлении используют элементарный кремний или ферросилиций. [4]

Для получения сверхчистого железа (10^-6% примесей) используют метод зонной плавки.

Для получения чугуна или сырого железа (сплавы железа с углеродом) используются минералы, не содержащие серу, мышьяк и фосфор: гематит, лимонит, магнетит, сидерит. [5]

Получение чугуна путем восстановления железных руд осуществляется в доменных печах. Процесс превращения чугуна (сырого железа) в ковкое железо проходит путем окисления и частичного удаления примесей (S, P, As, Si и пр.), т.е. путем аффинажа по процессу Пудделя, Бессемера, Томаса или Мартена.

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, которые соединены основаниями. Ее высота - 65 м, диаметр 5-11м. Рабочий объем печи - 200-2000 м³, производительность - около 2000 т чугуна в сутки. Верхний конус печи называется шахтой. Он сделан из огнеупорных кирпичей и имеет в верхней части так называемый «колошник» - автоматическое устройство для удаления доменных газов. Нижний конус сделан из огнеупорного силикатного кирпича. В его нижней части находится горн, имеющий цилиндрическую форму. Сама печь поддерживается металлическими конструкциями, так как имеет достаточной большой вес.

Процесс выплавки чугуна проходит так: сверху в доменную печь загружают измельченную железную руду, которую послойно перемешивают с коксом; снизу под давлением поступает предварительно нагретый воздух, в котором сгорает кокс. Образующийся при горении оксид углерода восстанавливает железо из его оксидов:

CO+Fe₂O₃=2Fe+3CO₂↑

Так как реакция обратима, в соответствии с принципом Ле-Шателье, равновесие смещается влево при повышенной температуре. Поэтому реакция осуществляется, в основном, в верхней части печи, где температура ниже. Часть Fe₂O₃ восстанавливается только до FeO:

Fe₂O₃+CO=2FeO+CO₂↑

В нижней части печи, где температура очень высокая, восстановителем является непосредственно углерод:

FeO+C=Fe+CO

Вследствие очень высокой температуры в нижней части печи железо плавится и стекается вниз. Пространство, освобожденное в связи с этим, заполняют сверху новыми слоями руды и кокса. [8]

Железо и его сплавы активно применяются во всех отраслях промышленности в связи с его возможностью сохранять механические и физико-химические свойства при температурах до 900 °C. Сплавы железа бывают нескольких типов: магнитные, немагнитные, кислотостойкие, твердые, нержавеющие, жаропрочные и др.

Стали используются в производстве электровозов, вагонов, железно-дорожных рельсов, тракторов, буровых установок, подъемных кранов и применяются во многих других отраслях. [12]

Помимо стали и чугуна известны сплавы, содержащие 4-6,5% железа, такие как латунь и бронза. В них железо служит добавкой для модификации прочности, пластичности, твердости, ковкости, скорости старения и др. свойств.

Железо и его сплавы для современной техники имеют огромное значение. Расход железа превышает 100 млн. тонн в год во всем мире. [17]

.3      Физические свойства и химические свойства

Чистое железо в компактном состоянии представляет собой серебристо-серый металл с синеватым отливом, имеющий плотность 7,867 г/см³, твердость 4-5 по шкале Мооса, т. пл. 1536°C и т. кип. 3250°C. Железа существует в виде четырех аллотропных модификаций, а именно: α-Fe, устойчивое до 768°C, β-Fe, устойчивое в интервале 768-906°C, γ-Fe, устойчивое в интервале 906-1401°C, и δ-Fe, устойчивое в интервале 1401-1536°С.

Модификация α, β, δ имеют кубическую объёмноцентрированную кристаллическую структуру, а модификация γ-гранецентрированную кубическую структуру решетки. Модификация α и δ - ферромагнитны, а β и γ - диамагнитны. Ферромагнетизм исчезает, когда железо нагрето до точки Кюри 768°C. [3]

В тонко измельченном состоянии металлическое железо обладает пирофорными свойствами и образуется в результате перегонки амальгамы железа или восстановления Fe₂O₃ водородом примерно при 270°.

Горячее пирофорное железо самопроизвольно загорается на воздухе, поскольку, будучи тонкоизмельченным и имея водород включения, энергично взаимодействует с кислородом воздуха. [14]

Известно очень большое число сплавов (чугуны, стали и др.), образуемых железом с различными металлами (Со, Ni, Мn, Сr, Мо, W, V, Nb, Zr, Sb, Ti, Sn, Pb, Al, Be, Mg, Zn и Cu), а также с неметаллами - углеродом, кремнием, азотом, фосфором, серой, водородом.

Было замечено, что железо в легированных сталях образует твердые растворы, эвтектические твердые сплавы и интерметаллические соединения с многочисленными элементами. Примеры интерметаллических соединений: Fe₃Mo₂, Fe₅Nb₃, FeCr, FeZn₇, Fe₅Zn₂₁, Fe₂Sn, FeSn, FeSn₂, Fe₂W, Fe₃W₂, Fe₃Zr₂, Fe₃Ti, FeAl₃, Fe₂N, Fe₄N, Fe₃P, Fe₃C, Fe₂C, Fe₃Si₂, FeSi, FeSi₂ и Fe₂Si.

Основным легирующим элементом железа является углерод. Введенный в относительно небольших количествах углерод существенно изменяет характер и свойства железа. Уже говорилось о том, что сплавы железа с другими элементами, содержащие 0-1,7% углерода, относятся к сталям, а содержащие 1,7-6,7% углерода,- к чугунам. Углерод может находиться в железе в виде графита (элементный углерод) или в форме цементита.

Системы железо - углерод с содержанием углерода более 6,67% не рассматриваются, поскольку в технике используются только сплавы, содержащие примерно до 5% углерода. Углерод способствует увеличению прочности, твердости, сопротивления и уменьшению пластичности. [16]

Механические свойства железа зависят от степени его чистоты. В чистом состоянии железо достаточно мягко, ковко, тягуче, вязко, оно хорошо проводит тепло и электричество. При загрязнении железа различными неметаллами или металлами механические свойства его в значительной степени меняются.

В компактном состоянии чистое железо устойчиво в сухом воздухе и ржавеет во влажном воздухе, превращаясь в Fe₂O₃ · n Н₂O (где n имеет значение, близкое к единице) - ржавчину; последняя образует пористую, рыхлую пленку, которая не предохраняет железо от действия кислорода.

Когда загрязненное железо соприкасается с влагой и двуокисью углерода из атмосферы, на поверхности металла образуются гальванические пары, в которых железо, являясь отрицательным элементом, разрушается. Из-за электрохимической коррозии поверхность загрязненного железа во влажном воздухе за короткое время покрывается ржавчиной. Ионы Fe²⁺ с анионами ОН^- (из воды) или СО₃^2- (образовавшимися при растворении СO₂ в воде) образуют Fe(OH)₂ или FeCO₃, которые в водной среде и в присутствии кислорода превращаются в Fe(OH)₃ (или в Fe₂O₃·3H₂O). [19]

Для предохранения железа от действия коррозионных агентов его покрывают слоем масляной краски, эмали или другого металла: Zn (цинкование), Sn (лужение), Сr (хромирование), Ni (никелирование), Cd (кадмирование), РЬ (свинцевание) - либо проводят поверхностное окисление расплавленным NaNO₃ или KNO₃.

Пары воды разлагаются нагретым докрасна железом выше 700° по обратимому уравнению:

Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂↑

При комнатной температуре железо растворяет примерно 0,005% водорода. При этом образуется гидрид включения FeH, который способствует увеличению твердости железа:

Fe+4H₂O=2FeH

Один грамм железа растворяет при 1530°C 0,272 см³ водорода, при 1550°-0,279 см³ водорода и при 1650°-0,310 см³ водорода.

Насыщенное водородом железо при нагревании на воздухе до 900° теряет значительную часть этого газа.

При обычной температуре сухой кислород не взаимодействует с железом. При нагревании полированной железной пластинки в кислороде выше 150° наблюдается потемнение ее поверхности, а при нагревании до белого каления образуется магнетит:

Fe+2O₂=Fe₃O₄

При 1900° в присутствии кислорода железо полностью превращается в оксиды.

При ≈ 900° растворимость кислорода в α-Fe равна 0,18%, а в β-Fe и γ-Fe она больше. Железо с небольшим содержанием кислорода образует твердые и хрупкие сплавы.

При нагревании железо взаимодействует с газообразным хлором, превращаясь в Fe₂Cl₆, но не вступает в реакцию с жидким хлором. При действии паров брома или йода на порошкообразное кристаллическое железо получают Fe₃Br₈ (или 2FeBr₃ · FeBr₂) и Fe₃I₈ (или 2FeI_3·FeI₂):

Fe+3Cl₂=Fe₂Cl₆

Fe+4Br₂=Fe₃Br₈

Fe+3Br₂=Fe₂Br₆

Тонко измельченное железо взаимодействует при нагревании с серой, образуя сульфиды FeS, FeS₂:

Fe+S (ромбич.) = FeS Fe+2S (ромбич.) = FeS₂

Сера плохо растворима в железе, но сульфид железа FeS (из сплавов системы железо - сера) образует с железом эвтектику, которая содержит 30% серы, плавится при 985°, обладает ломкостью при красном калении и ухудшает качество железа (чугуна или стали).

При нагревании железного порошка в токе аммиака образуются нитриды Fe₂N, Fe₄N:

Фосфор, мышьяк и кремний образуют с железом при нагревании интерметаллические соединения, например Fe₃P, Fe₂P,FeP, Fe₃As₂, Fe₂As, Fe₃As₄, Fe₃Si₂, FeSi, FeSi₂, Fe₂Si.

Поскольку нормальный потенциал системы Fe/Fe²⁺ равен -0,44 в, железо относится к легко окисляемым металлам. Под действием разбавленных неорганических кислот (НСl, H₂SO₄ и др.) оно превращается в соответствующие соли железа (II) с выделением водорода:

Fe+2HCl - FeCl₂ +H₂ Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

Разбавленная азотная кислота, взятая в избытке, взаимодействует с железом по уравнению:

4Fe+10HNO₃= 4Fe(NO₃)₂+NH₄NO₃+3H₂O

Концентрированные кислоты, такие, как HNO₃ и H₂SO₄, взаимодействуют с железом при нагревании по уравнениям:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Нормальный потенциал системы Fe/Fe³⁺ равен -0,036 в. [11]

Под действием концентрированных кислот HNO₃, H₂SO₄, Н₂СгO₄ железо становится пассивным благодаря образованию плотной защитной пленки на поверхности металла, меняющей значение электрохимического потенциала.

Железо подвергается действию концентрированных растворов щелочей. Разбавленные растворы щелочей действуют на железо только в присутствии двуокиси углерода.

Железо вытесняет металлы Bi, Sb, Pb, Sn, Cu, Ag, Hg, и Au из растворов их солей. [12]

С физиологической точки зрения железо имеет особое значение для организма человека и животных, поскольку является катализатором процесса дыхания. Как уже упоминалось, железо входит в состав молекулы гемоглобина. Молекула гемоглобина состоит из интерциклического соединения гема, которое содержит двухвалентное железо, и белка глобина. В легких человека гемоглобин присоединяет кислород, превращаясь в оксигемоглобин, который разносится кровью, снабжая кислородом все клетки организма. [22]