Свойства железа

Железо характеризуется полиморфизмом и имеет четыре модификации кристаллов:

1. 
   b-Fe (феррит) с объемно-центрированной кубической решеткой и ферромагнитными свойствами образуется до 769 °C (769 °C ? 1043 K - точка Кюри для железа).
   
2. 
   v-Fe существует при 769-917 °C и отличается от b-Fe только параметрами кубической решетки, ориентированной на тело, и парамагнитными свойствами.
   
3. 
   g-Fe (аустенит) с гранецентрированной кубической решеткой существует при 917-1394°C.
   
4. 
   d-Fe с объемно-центрированной кубической решеткой стабильна при температуре выше 1394°C.
   

Металлургия не выделяет b-Fe в отдельную фазу и рассматривает ее как разновидность b-Fe. При нагреве чугуна или стали выше точки Кюри (769 °C? 1043 К) тепловое движение ионов дезориентирует магнитные спиновые моменты электронов, ферромагнитный становится парамагнитным - происходит фазовый переход второго рода, но при этом не происходит фазового перехода первого рода с изменением физических параметров кристаллов.
Для чистого железа при нормальном давлении, с точки зрения металлургии, получаются следующие стабильные модификации:

1. 
   b-модификация с объемной центрированной кубической (ЦЦК) кристаллической решеткой стабильна в диапазоне от абсолютного нуля до 910 °C.
   
2. 
   g-модификация с гранецентрированной кубической (ГЦК) кристаллической решеткой стабильна в диапазоне температур от 910 до 1400 °C.
   

Электронная модификация с объемно-центрированной кубической (КЦК) кристаллической решеткой стабильна в диапазоне температур от 1400 до 1539 °C.
Наличие углерода и легирующих элементов в стали существенно изменяет температуру фазовых переходов (см. диаграмму "Железо-углеродная фаза"). Твердый раствор углерода в би-железе и d-железе называется ферритом. Иногда различают высокотемпературные b-ферриты и низкотемпературные b-ферриты (или просто ферриты), хотя их атомная структура схожа. Твердый раствор углерода в G-железе называется аустенит.
В диапазоне высокого давления (свыше 104 МПа, 100 тыс. атм.) присутствует модификация э-железа с шестигранной закрытой решеткой.
Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Во время термической обработки стали происходят b-g переходы кристаллической решетки. Без этого явления железо не было бы столь широко использовано в качестве основы для стали.
Железо имеет высокую температуру плавления и является одним из промежуточных металлов. Температура его плавления составляет 1539 °C, а температура кипения - 2862 °C.
Химические свойства
Основные состояния окисления железа: +2 и +3.
При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотным оксидным слоем, который предотвращает дальнейшее окисление металла. Во влажном воздухе железо покрыто рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует проникновению кислорода и влаги в металл и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, примерно ее химическую формулу можно записать как Fe2O3-xH2O.
Железо реагирует с кислородом при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe3O4; при сгорании в чистом кислороде образуется оксид Fe2O3. При прохождении кислорода или воздуха через расплавленное железо образуется оксид FeO. При нагревании серы и порошка железа образуется сульфид, примерная формула которого может быть записана как FeS.
При нагревании железо реагирует с галогенами. Поскольку FeF3 не является летучим, железо устойчиво к действию фтора до температур 200-300 °C. При хлорировании железа (при температуре около 200 °C) образуется летучий диммер Fe3Cl6. Если взаимодействие железа и брома происходит при комнатной температуре или при нагреве и повышенном давлении паров брома, образуется FeBr3. При нагревании FeCl3 и особенно FeBr3 растворяют галоген и становятся галогенидами железа(II). При взаимодействии железа с йодом образуется Fe3I8-дид.
При нагревании железо вступает в реакцию с азотом с образованием Fe3N, с фосфором с образованием фосфидов FeP, Fe2P и Fe3P, с углеродом с образованием карбида Fe3C и с кремнием с образованием различных силицидов, например, FeSi.
При повышенном давлении металлическое железо вступает в реакцию с оксидом углерода (II) CO, образуя при нормальных условиях жидкий, сильно летучий пентакарбонил железа Fe(CO)5. Известны также карбонилы железа составов Fe2(CO)9 и Fe3(CO)12. Карбонильные группы железа служат исходными веществами для синтеза металлоорганических соединений, в том числе ферроцена состава (z5-C5H5)2Fe.
Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных щелочных растворах. Железо нерастворимо в холодной концентрированной серной и азотной кислотах, так как поверхность металла пассивируется твердой окисной пленкой. Горячая концентрированная серная кислота является более сильным окислителем, который взаимодействует с железом.
Железо вступает в реакцию с соляной кислотой и разбавленной (около 20%) серной кислотой с образованием солей черных металлов:
Fe + 2HCl > FeCl2 + H2^;
Fe + H2SO4 > FeSO4 + H2^.
Когда железо вступает в реакцию с около 70% серной кислоты, в результате реакции образуется сульфат железа:
2Fe + 6H2SO4 > Fe2(SO4)3 + 3SO2^ + 6H2O.
Оксид железа(II) FeO имеет основные свойства, и ему соответствует основание Fe(OH)2. Оксид железа(III) Fe2O3 является слабо амфотерическим, что соответствует еще более слабому основанию Fe(OH)2, чем Fe(OH)3, которое реагирует с кислотами:
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 > Fe2(SO4)3 + 6H2O.
Гидроксид железа Fe(III) Fe(OH)3 обладает слабыми амфотерными свойствами, он может реагировать только с концентрированными щелочами:
Fe(OH)3 + 3CON > K3[Fe(OH)6].
Полученные гидроксокомплексы железа(III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разлагаются и выпадает Fe(OH)3.
Соединения железа(III) в растворах восстановлены металлическим железом:
Fe + 2FeCl3 > 3FeCl2.
При хранении водных растворов солей железа(II) наблюдается окисление железа(II) в железо(III):
4FeCl2 + O2 + 2H2O > 4Fe(OH) Cl2.
Из солей железа(II) в водном растворе, соль Мора, двойной сульфат аммония и железо(II) (NH4)2Fe(SO4)2-6H2O, является стабильным.
Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозаряженными катионами, такими как алюминий, например, KFe(SO4)2 - железо-калиевый алюминий, (NH4) Fe(SO4)2 - железо-аммонийный алюминий и т.д.
Действие газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа(III) приводит к образованию соединений железа(VI) - ферратов, например, феррата калия(VI) K2FeO4. Имеются сообщения об образовании соединений железа(VIII) под действием сильных окислителей.
Для обнаружения соединений железа(III) в растворе используется качественная реакция ионов Fe3+ с ионами тиоцианата SCN. Когда ионы Fe3+ взаимодействуют с анионами SCN?, образуется ярко-красный роданид железа Fe(SCN)3. Другим реагентом для ионов Fe3+ является гексаферрат калия(II) K4[Fe(CN)6] (желтая соль крови). Взаимодействие ионов Fe3+ и [Fe(CN)6]4? осаждает светло-голубой осадок прусской лазури:
4K4[Fe(CN)6] + 4Fe3+ > 4KFeIII[FeII(CN)6]v + 12K+.
Гексаферрат калия(III) K3[Fe(CN)6] (красная соль крови) может служить реагентом для ионов Fe2+ в растворе. Взаимодействие ионов Fe2+ и [Fe(CN)6]3 осаждает осадок синего цвета Тернбулла:
3K3[Fe(CN)6] + 3Fe2+ > 3KFeII[FeIII(CN)6]v + 6K+.
Интересно, что берлинская лазурь и Тернбулл-лазурь являются двумя формами одного и того же вещества из-за равновесия в растворе:
KFeIII[FeII(CN)6] - KFeII[FeIII(CN)6].
Биологическая роль железа