Железо
Желе́зо — химический элемент с атомным номером 26 и символом Fe. Оно является одним из самых распространённых металлов на Земле и имеет важное значение в различных областях, включая промышленность, строительство, медицину и науку [6].
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Внешний вид простого вещества | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Сверхчистое железо |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Свойства атома | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Имя, символ, номер | Железо / Ferrum (Fe), 26 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Группа, период, блок |
8 (устар. 8), 4, d-элемент |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Атомная масса (молярная масса) |
55,845(2)[1] а. е. м. (г/моль) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Электронная конфигурация |
[Ar] 3d64s2 1s22s22p63s23p63d64s2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Радиус атома | 140 [2] 126[3] пм | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Химические свойства | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ковалентный радиус | 117 пм | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Радиус иона | (+3e) 63 (+2e) 77 [3] пм | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Электроотрицательность | 1,83 (шкала Полинга) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Электродный потенциал |
Fe←Fe3+ −0,04 В Fe←Fe2+ −0,44 В |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Степени окисления | +2; +3 (наиболее характерны) +1; +4; +6; +8 (встречаются реже) [2] +7 (в ионном соединении) [4]. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Энергия ионизации |
1-я: 759,1 (7,893)[2] кДж/моль (эВ)
3-я: (30,65) кДж/моль (эВ) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Термодинамические свойства простого вещества | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Плотность (при н. у.) | 7,874 г/см³ | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура плавления | 1812 K (1538,85 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура кипения | 3134 K (2861 °C) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Теплота плавления | 247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Теплота испарения | ~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Молярная теплоёмкость | 25,14[5] Дж/(K·моль) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Молярный объём | 7,1 см³/моль | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Кристаллическая решётка простого вещества | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Структура решётки | Кубическая объёмноцентрированная | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Параметры решётки | 2,866 Å | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Температура Дебая | 460 K | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Прочие характеристики | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Теплопроводность | (300 K) 80,4 Вт/(м·К) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Наиболее долгоживущие изотопы | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 26 | Железо
|
| 3d64s2 | |
Введение
Железо — это один из основополагающих химических элементов, занимающий важное место в периодической таблице под атомным номером 26 и обозначаемый символом Fe. Это один из самых распространённых и доступных металлов на нашей планете, что обуславливает его ключевую роль и широчайшее применение в различных отраслях человеческой деятельности. На протяжении всей истории цивилизации железо служило человечеству, находя применение в изготовлении инструментов, оружия, конструкций и других необходимых предметов. Уникальные физические и химические свойства железа, такие как высокая прочность, ковкость и устойчивость к коррозии, делают его незаменимым материалом в современной промышленности, строительстве, машиностроении, медицине, электронике и многих других сферах. Без этого металла был бы невозможен значительный технологический прогресс, который мы наблюдаем сегодня, и развитие инфраструктуры, необходимой для обеспечения потребностей человечества. Железо можно назвать одним из краеугольных элементов, формирующих облик современного мира[7].
Химические свойства
Атомная структура и электронная конфигурация
Атомная структура железа отличается определённой уникальностью и сложностью. Ядро атома этого элемента содержит 26 протонов, что соответствует его атомному номеру в периодической таблице. Вокруг ядра вращаются 26 электронов, организованных в строго определённые электронные оболочки и подоболочки в соответствии с квантовыми закономерностями. Электронная конфигурация железа может быть записана как 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d⁶ 4s², где каждая цифра обозначает главное квантовое число, а показатель степени — количество электронов на этом энергетическом уровне. Такая электронная структура обуславливает особые физико-химические свойства железа, характерные для металлов переходной группы, включая высокую химическую активность, наличие неспаренных электронов на d-подоболочке и возможность образования различных степеней окисления. Эти уникальные электронные характеристики железа лежат в основе его широчайшего практического применения в современных технологиях[8].
Изотопы
Атомы железа в природе существуют в различных изотопных формах, каждая из которых характеризуется определённым количеством нейтронов в ядре наряду с постоянным числом протонов. Среди стабильных изотопов железа наиболее распространённым является Fe-56, на долю которого приходится около 91,75 % от общего количества атомов этого элемента, встречающихся на нашей планете. Другие стабильные изотопы железа, такие как Fe-54 и Fe-57, также присутствуют, но в меньших пропорциях. Такое естественное разнообразие изотопных форм железа обусловлено особенностями его ядерной структуры и процессов нуклеосинтеза, происходивших на ранних этапах формирования Вселенной. Знание этих изотопных характеристик железа имеет важное значение для многих научных и технологических приложений, включая ядерную физику, геологию, археометрию и даже медицину. Анализ содержания различных железных изотопов позволяет получать ценную информацию, используемую для решения широкого круга исследовательских и практических задач[9].
Физические свойства
Железо обладает уникальным набором физических характеристик, которые обуславливают его огромную практическую значимость и широкое применение в современном мире. Этот металл серебристо-серого оттенка отличается высокой плотностью, достигающей около 7,87 г/см³ при нормальных условиях, что делает его одним из самых тяжёлых из всех распространённых металлов. Несмотря на свою твёрдость, железо сохраняет определённую пластичность, позволяющую подвергать его различным видам обработки и формовки, особенно при повышенных температурах. Точка плавления железа, составляющая около 1538 °C, открывает широкие возможности для его использования в высокотемпературных промышленных процессах, таких как производство стали. Важной особенностью этого элемента является его ферромагнитные свойства — способность притягиваться к внешним магнитным полям и сохранять остаточную намагниченность. Кроме того, железо характеризуется отличной электро- и теплопроводностью, что обуславливает его применение в электротехнике, электронике и других наукоёмких технологиях. Совокупность уникальных физических свойств железа делает этот металл незаменимым в широчайшем спектре отраслей — от машиностроения и строительства до медицины и освоения космоса [10].
История
Роль железа в древних цивилизациях
Железо играло важную роль в развитии древних цивилизаций. Вот несколько ключевых моментов:
1. Железный век: Переход от бронзового к железному оружию и инструментам стал революцией в развитии человечества. Железо было более доступным и прочным материалом[11].
2. Римская империя: Римляне активно использовали железо для строительства дорог, мостов, а также военных инженерных сооружений[12].
3. Средневековье: Кузнечное дело и производство оружия из железа стали ключевыми отраслями в средневековой Европе[13].
Промышленная революция и развитие металлургии
Грандиозное значение железа проявилось в полной мере в период Промышленной революции XIX века, ознаменовавшейся стремительным развитием металлургической отрасли. Так железо стало незаменимым материалом для строительства железнодорожных магистралей, мостов, машин и промышленных сооружений, во многом определивших облик индустриального мира[14].
Применение
Производство стали
Железо является основным компонентом стали. Сталь используется в строительстве, машиностроении, автомобильной промышленности и многих других областях. Она обладает высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и хорошей обработкой[15].
Производство чугуна
Чугун — сплав железа с высоким содержанием углерода. Он используется для производства литых деталей, трубопроводов, радиаторов и других изделий[15].
Железо в медицине (гемоглобин, препараты)
Кроме того, железо играет жизненно важную роль в биологических процессах человеческого организма. Этот металл является ключевым компонентом гемоглобина — белка, ответственного за транспортировку кислорода кровью. Недостаток железа может привести к анемии[16]. Поскольку недостаток железа в организме может привести к развитию анемии и других патологических состояний, то это обуславливает использование железосодержащих фармацевтических препаратов в медицине[17].
Магнитные свойства и применение в электронике
Не менее значимы и его ярко выраженные магнитные характеристики. Это позволяет использовать железо и его сплавы в производстве постоянных магнитов, электромагнитов и трансформаторов, незаменимых элементов современной электронной техники. Таким образом, железо можно по праву считать одним из наиболее универсальных и многогранных элементов, обеспечивающих функционирование ключевых отраслей промышленности, науки и медицины[18].
Экологические аспекты
Влияние добычи железа на окружающую среду
Добыча и использование железной руды, безусловно, оказывает значительное воздействие на окружающую среду, что требует особого внимания и применения надлежащих мер для минимизации негативных последствий. Открытая разработка месторождений часто сопровождается вырубкой лесов и разрушением естественных экосистем. Кроме того, технологические процессы переработки железной руды с применением химических реагентов и потреблением больших объёмов воды могут привести к загрязнению почв и водных ресурсов. Даже на стадии обогащения могут образовываться опасные отходы, требующие специальных методов утилизации[19].
Утилизация и переработка
В этой связи вопросы повторного использования и рециклинга железа и железосодержащей продукции приобретают особую важность. Повторное вовлечение старых металлических изделий и отходов в производственные циклы позволяет значительно сократить потребление первичных природных ресурсов и снизить энергозатраты. Современные технологии переработки железа дают возможность не только эффективно извлекать ценные компоненты, но и сводить к минимуму объём отходов, отправляемых на захоронение. Использование экологически безопасных методов обращения с железными отходами критически важно для уменьшения негативного воздействия на окружающую среду. Комплексный подход к рациональному использованию железа должен стать неотъемлемой частью усилий по устойчивому развитию промышленности и общества в целом[20].
Важность железа
Роль железа в жизни человечества трудно переоценить. Этот элемент не только лежит в основе ключевых отраслей экономики, но и является неотъемлемой частью нашего организма, участвуя в жизненно важных биологических процессах. Именно поэтому всестороннее понимание значения железа, а также забота об экологичном и рациональном использовании этого ценного природного ресурса должны стать обязательной частью нашего стремления к устойчивому развитию и прогрессу[21].
Примечания
- ↑ Michael E. Wieser, Norman Holden, Tyler B. Coplen, John K. Böhlke, Michael Berglund, Willi A. Brand, Paul De Bièvre, Manfred Gröning, Robert D. Loss, Juris Meija, Takafumi Hirata, Thomas Prohaska, Ronny Schoenberg, Glenda O’Connor, Thomas Walczyk, Shige Yoneda, Xiang‑Kun Zhu. Atomic weights of the elements 2011 (IUPAC Technical Report) (англ.) // Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078. — doi:10.1351/PAC-REP-13-03-02. Архивировано 5 февраля 2014 года.
- ↑ 2,0 2,1 2,2 Аликберова Л. Ю.; Кузьминых , Попов В. А. Железо. Большая российская энциклопедия 2004-2017. Научное издательство «Большая Российская энциклопедия». Дата обращения: 12 февраля 2023. Архивировано 12 февраля 2023 года.
- ↑ 3,0 3,1 Коллектив авторов. Химическая энциклопедия в 5 томах. Том 2 / И. Л. Кнунянц - главный редактор. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — С. 270. — 671 с. — ISBN 5-85270-008-8.
- ↑ Jun-Bo Lu, Jiwen Jian, Wei Huang, Hailu Lin, Jun Li. Experimental and theoretical identification of the Fe(vii) oxidation state in FeO4− (англ.) // Phys. Chem. Chem. Phys.. — 2016-11-16. — Vol. 18, iss. 45. — P. 31125—31131. — ISSN 1463-9084. — doi:10.1039/c6cp06753k.
- ↑ Химическая энциклопедия: в 5 тт. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 140. — 671 с. — 100 000 экз.
- ↑ Evgenia. Железо. pangenes (14 сентября 2021). Дата обращения: 6 апреля 2024.
- ↑ Железо: строение атома, получение, физические и химические свойства. ЯКласс. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Переходные металлы. internetурок. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Элементы: железо - главный металл природы. Московский планетарий (27 марта 2019). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Железо как химический элемент. TutorOnline. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Железный век. Большая российская энциклопедия 2004–2017. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Прочные сооружения римлян. ЯКласс. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Металлургия. ЯКласс. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Морозов А. Ю. Индустриальный мир. Фоксфорд. Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ 15,0 15,1 Черные металлы: определение, свойства и применение в промышленности. Научные Статьи.Ру (13 марта 2024). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Гемоглобин. Лаборатория ДНКОМ (5 февраля 2022). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Галкин А. Лечение железодефицитной анемии. Университетская клиника (28 июня 2021). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Сплав железа с никелем. Магнитный сплав железа с никелем. alfa-industry (16 августа 2019). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Гарант. Открытая добыча железных руд (15 декабря 2017). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Переработка металла: способы, оборудование, проблемы. VT-Metall (6 июня 2023). Дата обращения: 7 апреля 2024.
- ↑ Железо и его соединения: от основных свойств до применений в повседневной жизни. Научные Статьи.Ру (6 октября 2023). Дата обращения: 8 апреля 2024.
Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело! | Данная статья имеет статус «проверенной». Это говорит о том, что статья была проверена экспертом |