§27. Поширеність Феруму в природі. Застосування заліза. Руйнування заліза в природних умовах

Поширеність у природі

За поширенням у природі Ферум посідає четверте місце серед елементів. Зустрічається виключно у сполуках. У земній корі його міститься 4,65%. Це дуже багато, але людям доступна мала його кількість: більша частина перебуває в розсіяному стані. Основні мінерали, що містить Ферум – це залізняки:

червоний залізняк (гематит) – Fe₂O₃;
магнітний залізняк (магнетит) – Fe₃O₄;
шпатовий залізняк (сидерит) – FeCO₃;
бурий залізняк (лимоніт) – Fe₂O₃ ∙ H₂O;
пірит – FeS₂.

Найбагатшими родовищами гематиту на Україні є Криворізький залізорудний басейн; лимоніту – Керченське родовище. У воді багатьох мінеральних джерел містяться солі Феруму, наприклад гідрогенкарбонат Fe(HCO₃)₂. В організмі дорослих людей всього біля 3,5 г Феруму. Основна його маса входить до складу еритроцитів (75%). Багато Феруму в печінці, селезінці та кістковому мозку. Чимало його в цитоплазмі, де за його участю відбувається процес внутріклітинного дихання.

Зрідка зустрічається самородне залізо космічного (метеоритного) походження: залізо входить до складу метеоритів.

Застосування заліза

Застосування заліза в людській цивілізації поклало початок залізному віку. Бронза давала засоби праці і зброю, але не могла замінити кам’яне знаряддя. Це зробило залізо. З усіх металів залізо має найбільше значення у житті людини. Уся сучасна техніка пов’язана із застосуванням заліза та його сплавів. Це пояснюється здатністю його значно поліпшувати фізико-хімічні властивості під впливом різних компонентів.

Сплави – це сполуки металів з домішками інших речовин.

Залізо здатне швидко намагнічуватися й розмагнічуватися, тому його застосовують для виготовлення осердя електромагнітів, електромашин, трансформаторів. Його використовують для виготовлення мембран мікрофонів, як каталізатор при синтезі амоніаку та деяких органічних сполук.

Найбільше на практиці використовують сплави заліза – чавун і сталь. Сплави заліза є основою машинобудування.

Чавун – це сплав заліза з Карбоном (більше 1,7%) та деякою кількістю Si, Mn, P, S.

Сталь – це ковкий сплав заліза з Карбоном (до 1,7%) та іншими домішками.

Із чавуну виготовляють масивні деталі машин, грати мостів, труби, хімічну апаратуру, різні художні вироби. З нього зроблено всесвітньо відому огорожу літнього саду в Петербурзі. Чавун із домішками магнію стає дуже міцним і не крихким. З такого чавуну виготовляють колінчасті вали суднових двигунів.

Використання чавуну

Із сталі виготовляють вимірювальні і ріжучі інструменти, кузови автомобілів, побутові холодильники, пральні машини, дахове залізо, консервні банки. Сталі з особливими властивостями (нержавіючі, жаростійкі, магнітні) використовують для виготовлення деталей газових турбін, реактивних двигунів, ракетних установок, обладнання у хімічній, харчовій та інших галузях промисловості. У побут нержавіюча сталь увійшла у вигляді ножів, ложок, виделок та різних предметів загального вжитку. Вироби із сталі прикрашають арки станцій метрополітену. Сполуки заліза використовують в медицині для лікування анемій (недостатня кількість червонокрівців).

Використання сталі

Руйнування заліза в природних умовах

Усім відомо, що залізні вироби під дією повітря, дощу, вологи іржавіють, тобто залізо покривається жовто-бурою іржею і переходить у стан таких хімічних сполук, які містяться в рудах. Чисте, метеоритне залізо не підлягає корозії. Але залізо, яке добувають на Землі містить домішки інших елементів. Корозійне руйнування заліза та його сплавів зумовлене перебігом таких реакцій:

а) в атмосфері кисню: 4Fe + 3O₂ → 2Fe₂O₃;
б) у вологому повітрі: 2Fe + 2H₂O + O₂ = 2Fe(OH)₂ або
4Fe(OH)₂ + 2H₂O + O₂ = 4Fe(OH)₃.

Процес руйнування металів називається корозією (з латинської korrodere – «роз’їдати»).

Корозія – це самочинне руйнування металів і сплавів внаслідок взаємодії їх із зовнішнім середовищем.

Корозія металів

Іржа легко відшаровується, вона пухка, проникна для кисню і вологи. Тому шар іржі не захищає залізо від подальшого руйнування. У результаті корозії поступово руйнуються металеві конструкції, деталі машин, стають непридатними інструменти.

Особливо сильної корозії зазнають металеві матеріали в апаратах хімічної промисловості від дії кислот, лугів та інших агресивних речовин, до того ж, як правило, за високих температур і підвищеного тиску. Пряма втрата заліза від корозії складає понад 10% щорічної виплавки металу, це – понад 20 млн. тонн заліза в світі. Вчені вважають, що кожна шоста домна працює на повернення збитків від корозії.

Проте шкода від корозії не зводиться лише до втрати металу через його руйнування. Величезні витрати пов’язані з:

виведенням із ладу деталей, обладнання і цілих механізмів;
витратами на ремонт пошкоджених деталей машин та обладнання або їх заміну;
втрата нафти та газу з пошкоджених трубопроводів;
втрата здоров’я і життя під час аварій, пов’язаних із пошкодженням деталей машин;
витратами на захист від корозії.

Підсумок

Ферум належить до числа найбільш поширених елементів у природі (четверте місце).
У Землі Ферум зустрічається виключно у сполуках.
Залізо і його сплави є основою машинобудування.
Корозія – це руйнування металів і сплавів під дією умов оточуючого середовища.

?

У якому вигляді зустрічається Ферум у природі?
До складу яких залізняків входить Ферум?
Наведіть приклади застосування заліза.
Що таке корозія металів?
Які наслідки процесу ржавіння заліза.
Назвіть компоненти довкілля, що спричиняють корозію металів?

Завдання для самоконтролю

Фронтальна робота

366. У нафтовій промисловості трубопроводи, резервуари сильно іржавіють через те, що сира нафта, рідке паливо, супутні нафтові гази містять домішки сірки, сірководню, сульфідів. Складіть рівняння реакцій, які відбуваються між:
а) сіркою і залізом;
б) сірководнем і залізом.

367. Помічено, що поблизу промислових об’єктів метали іржавіють значно швидше, ніж далеко від них. Назвіть можливі причини цього.

368. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:
Fe → FeS → SO₂KClO₃ → O₂ → FeO
Hg → O₂ → Fe₃O₄
Hg → O₂ →H₂O

369. Напишіть рівняння реакцій, що відповідають схемам:
FeS₂ + O₂ → ? + ?
H₂S + Fe → ? + ?
? + O₂ → Fe₃O₄? + ? → FeO

∆

370. Формулі Fe₃O₄ відповідає:
а) магнітний залізняк;
б) шпатовий залізняк;
в) бурий залізняк.

371. За поширенням у Землі елемент Ферум займає місце:
а) перше;
б) четверте;
в) п’яте;
г) друге.

372. Яка ознака горіння заліза:
а) виділення газу;
б) утворення іскор;
в) утворення осаду?

373. Процесу корозії заліза сприяють:
а) домішки;
б) сухе повітря;
в) вологе повітря.

374. Під час корозії заліза на повітрі утворюються сполуки:
а) FeO;
б) Fe₂O₃;
в) Fe(OH)₃;
г) FeS.

III

375. Допишіть рівняння реакцій. Поставте коефіцієнти:
C₃H₆ + O₂ → CO₂ + ?
CS₂ + O₂ → CO₂ + ?
Fe + HCl →
Fe + H₂SO₄ →
Fe + CuSO₄ →
Fe + Cu(NO₃)₂ →

376. Складіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здійснити такі перетворення:
Hg → O₂ → CuO
Hg → O₂ → Fe₃O₄

377. Розрахуйте масову частку Феруму у речовині, формула якої – Fe(OH)₃.

378. У результаті розкладу мінералу малахіту Cu₂CO₃(OH)₂ утворюється три оксиди. Складіть рівняння цієї реакції.

Цифри і факти

• Величезну масу заліза витрачено на всі війни земної кулі. Лише у першу світову війну було витрачено 200 млн. тонн сталі, за другу світову війну – близько 800 млн. тон. За останні три роки другої світової війни було виготовлено 660 тис гармат, більше 1 млн. кулеметів, біля 6 млн. автоматів. Із сплавів заліза виготовляють танки, бронеавтомобілі, артилерійські установки, бронепоїзди та інше.

• Російська назва заліза («железо») походить від слова «жель», що означає «блищати». «палати». Поширеність і відносна простота добування із руд зробили залізо доступним ще у давнину – залізний вік прийшов на зміну бронзовому у другому тисячолітті до нашої ери.

• У 1910 році в Стокгольмі, на міжнародному геологічному конгресі радянський вчений А. Е. Ферсман «намалював картину», яка могла відбутися на Землі, якби наступив «залізний голод». «На вулицях жах руйнування: ні вагонів, ні потягів, ні автомобілів; навіть камінь перетворився б у глиняну масу, рослини загинули б. Руйнівна буря пронеслася б над землею і смерть людства стала б неминуча, хоча людина не дожила б до цього часу, втративши три грами Феруму зі свого тіла». За прогнозами вченого, він мав наступити до 1970 року.

• Перше залізо, яке потрпило до рук людини було не земного, а космічного походження – метеоритне, тому його назвали «небесним каменем». Щорічно на Землю випадали тисячі тон метеоритної речовини, деякі зі вмістом 90 відсотків Феруму.

Метеоритний камінь

• Найбільший метеорит знайдено 1920 року в Африці, який важив 60 тон. У 1895 році у льодах Гренландії знайшли метеорит масою 34 тони. У кінці минулого століття в аризонській пустелі знайдена вибоїна розміром 1200х175 метрів – слід гігантського метеорита.

Метеоритна яма

• У давнину залізо цінувалося більше за золото. У Сародавньому Римі з нього виготовляли шлюбні обручки. У гробницях фараонів знайдено залізні шоломи, зброя.

• Залізо – метал-трудівник. Уже на початку ХІХ століття із кожних 100 кг металу, який використовували у промисловості і сільському господарстві – 95% припадає на залізо. Однак залізною зброєю руйнується все те, що людина створювала із заліза і за його допомогою.

• У 1778 році побудовано перший залізний міст, 1778 – перший залізний водопровід, 1818 – перший залізний корабель.

• Добувати чисте залізо на Землі ще не навчилися, тому воно й іржавіє. В Індії є колонна із чистого заліза, ймовірно метеоритного походження, висотою 7 метрів, вагою 6,5 тон, даіметром 30-42 см, яка не іржавіє.

Домашній експеримент

Очистка від іржі

Листки й стебла картоплі або помідор подрібніть ножем і залийте слабким розчином хлоридної кислоти (5%). Аптечну кислоту розводять водою навпіл. Посудину із сумішшю закрийте і дайте настоятися. Через 5-7 днів злийте екстракт і приготуйте травильний розчин. Якщо іржі багато, то на 5 об’ємів екстракту добавте 40 об’ємів хлоридної кислоти і 30 об’ємів води. Якщо іржі небагато то на 5 об’ємів екстракту добавте 10 об’ємів кислоти. Можна добавити невелику кількість води. У травильний розчин опустіть іржаву деталь. Вона швидко стане як нова, а метал при цьому не зруйнується.