Железо относится к группе самородных элементов. Самородное железо является минералом, имеющим земное и космогенное происхождение. Содержание никеля на 3 процента выше в земном железе, по сравнению с космогенным. Также содержатся примеси магния, кобальта и других микроэлементов. Самородное железо имеет светло-серый цвет с металлическим блеском, включения кристаллов редки. Это достаточно редкий минерал, обладающий твердость в 4-5 ед. и плотностью в 7000-7800 кг на метр кубический. Археологи доказали, что самородное железо использовалось древними людьми задолго до того, как появились навыки по выплавке металла железа из руды.

Данный металл в своем первоначальном виде имеет серебристо-белый оттенок, поверхность стремительно покрывается ржавчиной при высокой влажности или в воде, богатой кислородом. Данная порода отличается хорошей пластичностью, плавится при температуре в 1530 градусов по Цельсию, из него без труда можно ковать изделия и производить прокатку. Металл обладает хорошей электро- и теплопроводностью, дополнительно его отличают от других пород магнитные свойства.

При взаимодействии с кислородом поверхность металла покрывается образующейся пленкой, которая защищает его от коррозийного воздействия. А при содержании в воздухе влаги железо окисляется, и на его поверхности образуется ржавчина. В некоторых кислотах железо растворяется, и происходит выделение водорода.

История появления железа

Железо оказало огромное влияние на развитие человеческого общества и продолжает цениться сегодня. Его используют на многих производствах. Железо помогло первобытному человеку освоить новые способы охоты, привело к развитию сельского хозяйства благодаря новым орудиям. Железо в чистом виде в те времена было частью упавших метеоритов. По сегодняшний день ходят легенды о неземном происхождении данного материала. Металлургия берет свое начало в середине второго тысячелетия до н.э. В то время в Египте освоили получение металла из железной руды.

Где добывают железо?

В чистом виде железо содержится в небесных телах. Металл был обнаружен в лунном грунте. Сейчас железо добывают из руды горных пород, и Россия занимает лидирующее место по добыче этого металла. Богатые залежи железной руды расположены в европейской части, в Западной Сибири и на Урале.

Области применения

Железо необходимо при производстве стали, которая имеет широкий диапазон применения. Практически в каждом производстве используется данный материал. Широко применяется железо в быту, его можно встретить в виде кованных изделий и чугуна. Железо позволяет придавать изделию различную форму, поэтому его используют при ковке и создании беседок, ограждений и других изделий.

Пользуются железом все хозяйки на кухне, ведь изделия из чугуна, это не что иное как сплав железа и углерода. Посуда из чугуна равномерно нагревается, долго сохраняет температуру и служит не один десяток лет. В состав практически всех столовых приборов входит железо, а из нержавеющей стали изготовляют посуду и различные кухонные принадлежности и такие необходимые предметы, как лопаты, вилы, топоры и другие полезные приспособления. Широко используется данный металл и в ювелирном деле.

Химический состав

Теллурическое железо содержит примеси никеля (Ni) 0,6-2%, кобальта (Со) до 0,3%, меди (Сu) до 0,4%, платины (Pt) до 0,1%, углерода; в метеоритном железе никель составляет от 2 до 12%, кобальт-около 0,5%, имеются также примеси фосфора, серы, углерода.

Поведение в кислотах: растворяется в НNО3.
В природе существует несколько модификаций железа - низкотемпературная имеет ОЦК ячейку (Im3m), высокотемпературная (при температурах > 1179K) ГЦК ячейку (Fm(-3)m). В больших количествах содержится в метеоритах. В железных метеоритах при травлении или нагреве проявляются видманштеттеновы фигуры.
Происхождение: теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовых лавах (Уифак, о. Диско, у западного берега Гренландии, вблизи г. Касселя Германия). В обоих пунктах с ним ассоциируют пирротин (Fe1-xS) и когенит (Fe3C), что объясняют как восстановление углеродом (в т.ч. и из вмещающих пород), так и распадом карбонильных комплексов типа Fe(CO)n. В микроскопических зернах оно не раз устанавливалось в измененных (серпентинизированных) ультраосновных породах также в парагенезисе с пирротином, иногда с магнетитом, за счет которых оно и возникает при восстановительных реакциях. Очень редко встречается в зоне окисления рудных месторождений, при образовании болотных руд. Зарегистрированы находки в осадочных породах, связываемые с восстановлением соединений железа водородом и углеводородами.
Почти чистое железо найдено в лунном грунте, что связывают как с падениями метеоритов, так и с магматическими процессами. Наконец, два класса метеоритов - железокаменные и железные содержат природные сплавы железа в качестве породообразующего компонента.

Семейство самородного железа (по Годовикову)
Группа самородного железа
< 2,9, редко до 6,4 ат. % Ni - феррит
< ~ 6,4 ат. % Ni - камасит

Группа самородного никеля
> 24 ат. % Ni - тэнит
62,5 - 92 ат. % Ni - аваруит Ni3Fe
(Ni, Fe) - Самородный никель

Железо (англ. Iron, франц. Fer, нем. Eisen) - один из семи металлов древности. Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами. Метеоритное железо обычно легко отличить от земного, так как в нем почти всегда содержится от 5 до 30% никеля, чаще всего - 7-8%. С древнейших времен железо получали из руд, залегающих почти повсеместно. Наиболее распространенны руды гематита (Fe 2 O 3 ,), бурого железняка (2Fe 2 O 3 , ЗН 2 О) и его разновидностей (болотная руда, сидерит, или шпатовое железо FeCO3,), магнетита (Fe 3 0 4) и некоторые другие. Все эти руды при нагревании с углем легко восстанавливаются при сравнительно низкой температуре начиная с 500 o С. Получаемый металл имел вид вязкой губчатой массы, которую затем обрабатывали при 700-800 o С повторной проковкой.

В древности и в средние века семь известных тогда металлов сопоставляли с семью планетами, что символизировало связь между металлами и небесными телами и небесное происхождение металлов. Такое сопоставление стало обычным более 2000 лет назад и постоянно встречается в литературе вплоть до XIX в. Во II в. н. э. железо сопоставлялось с Меркурием и называлось меркурием, но позднее его стали сопоставлять с Марсом и называть марс (Mars), что, в частности, подчеркивало внешнее сходство красноватой окраски Марса с красными железными рудами.

Свойства минерала

  • Происхождение названия: Обозначение химического элемента - от латинского ferrum, Iron – от староанглийского слова, означавшего этот металл
  • Место открытия: Qeqertarsuaq Island (Disko Island), Qaasuitsup, Greenland
  • Год открытия: известен с древних времён
  • Термические свойства: П. тр. Точка плавления (чистого железа) 1528°С
  • IMA статус: действителен, описан впервые до 1959 (до IMA)
  • Типичные примеси: Ni,C,Co,P,Cu,S
  • Strunz (8-ое издание): 1/A.07-10
  • Hey"s CIM Ref.: 1.57
  • Dana (7-ое издание): 1.1.17.1
  • Молекулярный вес: 55.85
  • Параметры ячейки: a = 2.8664Å
  • Число формульных единиц (Z): 2
  • Объем элементарной ячейки: V 23.55 ų
  • Двойникование: по {111}
  • Точечная группа: m3m (4/m 3 2/m) - Hexoctahedral
  • Пространственная группа: Im3m (I4/m 3 2/m)
  • Отдельность: по (112)
  • Плотность (расчетная): 7.874
  • Плотность (измеренная): 7.3 - 7.87
  • Тип: изотропный
  • Цвет в отраженном свете: белый
  • Форма выделения: Форма кристаллических выделений:плотные зерна с неправильными извилистыми очертаниями, плёнки, дендриты, изредка самородки.
  • Классы по систематике СССР: Металлы
  • Классы по IMA: Самородные элементы
  • Химическая формула: Fe
  • Сингония: кубическая
  • Цвет: Стально-серый, серо-черный, на полированной поверхности белый
  • Цвет черты: Серо-черный
  • Блеск: металлический
  • Прозрачность: непрозрачный
  • Спайность: несовершенная по {001}
  • Излом: крючковатый занозистый
  • Твердость: 4 5
  • Микротвердость: VHN100=160
  • Ковкость: Да
  • Магнитность: Да
  • Литература: Зарицкий П.В., Довгополов С.Д., Самойлович Л.Г. Состав и генезис рудопроявления самородного железа г. Озёрной в бассейне р. Курейки. - Вестник Харьковского ун-та, 1986, №283 (Средняя Сибирь) Мельцер М.А. и др. Самородное железо в золотонсных жилах Аллах-Юньского района и некоторые вопросы их генезиса. - Новые данные по геологии Якутии. Я., 1975, с. 74-78

Фото минерала

Статьи по теме

  • Железо - один из семи металлов древности.
    Весьма вероятно, что человек познакомился с железом метеоритного происхождения раньше, чем с другими металлами

Месторождения минерала Железо

  • Красноярский край
  • Россия
  • Кугда, Хатанга, Таймыр.

История

Железо, как инструментальный материал, известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), украшения из египетских гробниц (около 3800 года до н. э.) и кинжал из шумерского города Ура (около 3100 года до н. э.). От небесного происхождения метеоритного железа происходит, видимо, одно из названий железа в греческом и латинском языках: «сидер» (что значит «звёздный»).

Изделия из железа, полученного выплавкой, известны со времени расселения арийских племён из Европы в Азию, острова Средиземного моря, и далее (конец 4-го и 3-е тысячелетие до н. э. ). Самые древние железные инструменты из известных - стальные лезвия, найденные в каменной кладке пирамиды Хеопса в Египте (построена около 2530 года до н. э. ). Как показали раскопки в Нубийской пустыне, уже в те времена египтяне, стараясь отделить добываемое золото от тяжёлого магнетитового песка, прокаливали руду с отрубями и подобными веществами, содержащими углерод. В результате на поверхности расплава золота всплывал слой тестообразного железа, который обрабатывали отдельно. Из этого железа ковались орудия, в том числе найденные в пирамиде Хеопса. Однако после внука Хеопса Менкаура (2471-2465 год до н. э.) в Египте наступила смута: знать во главе со жрецами бога Ра свергла правящую династию, и началась чехарда узурпаторов, закончившаяся воцарением фараона следующей династии Усеркара, которого жрецы объявили сыном и воплощением самого бога Ра (с тех пор это стало официальным статусом фараонов). В ходе этой смуты культурные и технические знания египтян пришли в упадок, и, так же как деградировало искусство строительства пирамид, технология производства железа была утеряна , вплоть до того, что позднее, осваивая в поисках медной руды Синайский полуостров, египтяне не обратили никакого внимания на имевшиеся там залежи железной руды, а получали железо от соседних хеттов и митаннийцев.

Первые освоили производства железа хатты , на это указывает древнейшее (2-е тысячелетие до н. э.) упоминание железа в текстах хеттов , основавших свою империю на территории хатттов (современной Анатолии в Турции). Так, в тексте хеттского царя Анитты (около 1800 года до н. э.) говорится:

Когда на город Пурусханду в поход я пошел, человек из города Пурусханды ко мне поклониться пришел (…?) и он мне 1 железный трон и 1 железный скипетр (?) в знак покорности (?) преподнес…

(источник: Гиоргадзе Г. Г. // Вестник древней истории. 1965. № 4.)

В древности мастерами железных изделий слыли халибы . В легенде об аргонавтах (их поход в Колхиду состоялся примерно за 50 лет до троянской войны) рассказывается, что царь Колхиды Эет дал Ясону железный плуг чтобы он вспахал поле Ареса, и описываются его подданные халиберы:

Они не пашут землю, не сажают плодовые деревья, не пасут стада на тучных лугах; они добывают руду и железо из необработанной земли и выменивают на них продукты питания. День не начинается для них без тяжкого труда, в темноте ночи и густом дыму проводят они, работая весь день…

Аристотель описал их способ получения стали: «халибы несколько раз промывали речной песок их страны - тем самым выделяя чёрный шлих (тяжелая фракция состоящая в основном из магнетита и гематита), и плавили в печах; полученный таким образом металл имел серебристый цвет и был нержавеющим».

В качестве сырья для выплавки стали использовались магнетитовые пески, которые часто встречаются по всему побережью Чёрного моря : эти магнетитовые пески состоят из смеси мелких зёрен магнетита, титано-магнетита или ильменита , и обломков других пород, так что выплавляемая халибами сталь была легированной, и имела превосходные свойства. Такой своеобразный способ получения железа говорит о том, что халибы лишь распространили железо как технологический материал, но их способ не мог быть методом повсеместного промышленного производства железных изделий. Однако их производство послужило толчком для дальнейшего развития металлургии железа.

В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона , у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости меди , серебра , золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1: 160: 1280: 6400. В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие 3,11 описан «одр железный» рефаимского царя Ога.

В гробнице Тутанхамона (около 1350 года до н. э.) был найден кинжал из железа в золотой оправе - возможно, подаренный хеттами в дипломатических целях. Но хетты не стремились к широкому распространению железа и его технологий, что видно и из дошедшей до нас переписки египетского фараона Тутанхамона и его тестя Хаттусиля - царя хеттов. Фараон просит прислать побольше железа, а царь хеттов уклончиво отвечает, что запасы железа иссякли, а кузнецы заняты на сельскохозяйственных работах, поэтому он не может выполнить просьбу царственного зятя, и посылает только один кинжал из «хорошего железа» (то есть стали). Как видно, хетты старались использовать свои знания для достижения военных преимуществ, и не давали другим возможности сравняться с ними. Видимо, поэтому железные изделия получили широкое распространение только после Троянской войны и падения державы хеттов, когда благодаря торговой активности греков технология железа стала известной многим, и были открыты новые месторождения железа и рудники. Так на смену «Бронзовому» веку настал век «Железный».

По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл. Например, в 23-й песне «Илиады » Гомер рассказывает, что Ахилл наградил диском из железной крицы победителя в соревновании по метанию диска. Это железо ахейцы добывали у троянцев и сопредельных народов (Илиада 7,473), в том числе у халибов, которые воевали на стороне троянцев :

«Прочие мужи ахейские меной вино покупали,
Те за звенящую медь, за седое железо меняли,
Те за воловые кожи или волов круторогих,
Те за своих полоненых. И пир уготовлен веселый…»

Возможно, железо было одной из причин, побудивших греков-ахейцев двинуться в Малую Азию, где они узнали секреты его производства. А раскопки в Афинах показали, что уже около 1100 года до н. э. и позднее уже широко были распространены железные мечи, копья, топоры, и даже железные гвозди. В библейской книге Иисуса Навина 17,16 (ср. Судей 14,4) описывается, что филистимляне (библейские «PILISTIM», а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги) имели множество железных колесниц, то есть, в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.

Гомер в «Илиаде» и «Одиссее» называет железо «многотрудный металл», и описывает закалку орудий:

«Расторопный ковач, изготовив топор иль секиру,
В воду металл, раскаливши его, чтоб двойную
Он крепость имел, погружает…»

Гомер называет железо многотрудным, потому что в древности основным методом его получения был сыродутный процесс: перемежающиеся слои железной руды и древесного угля прокаливались в специальных печах (горнах - от древнего «Horn» - рог, труба, первоначально это была просто труба, вырытая в земле, обычно горизонтально в склоне оврага). В горне окислы железа восстанавливаются до металла раскалённым углём, который отбирает кислород, окисляясь до окиси углерода, и в результате такого прокаливания руды с углём получалось тестообразное кричное (губчатое) железо. Крицу очищали от шлаков ковкой, выдавливая примеси сильными ударами молота. Первые горны имели сравнительно низкую температуру - заметно меньше температуры плавления чугуна , поэтому железо получалось сравнительно малоуглеродистым. Чтобы получить крепкую сталь приходилось много раз прокаливать и проковывать железную крицу с углём, при этом поверхностный слой металла дополнительно насыщался углеродом и упрочнялся. Так получалось «хорошее железо» - и хотя это требовало больших трудов, изделия, полученные таким способом, были существенно более крепкими и твердыми, чем бронзовые.

В дальнейшем научились делать более эффективные печи (в русском языке - домна , домница) для производства стали, и применили меха для подачи воздуха в горн. Уже римляне умели доводить температуру в печи до плавления стали (около 1400 градусов, а чистое железо плавится при 1535 градусах). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100-1200 градусов, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке) и не обладающий упругостью стали. Первоначально его считали вредным побочным продуктом (англ. pig iron , по-русски, свинское железо, чушки, откуда, собственно, и происходит слово чугун), но потом обнаружилось, что при повторной переплавке в печи с усиленным продуванием через него воздуха, чугун превращается в сталь хорошего качества, так как лишний углерод выгорает. Такой двухстадийный процесс производства стали из чугуна оказался более простым и выгодным, чем кричный, и этот принцип используется без особых изменений многие века, оставаясь и до наших дней основным способом производства железных материалов.

Библиография: Карл Бакс. Богатства земных недр. М.: Прогресс, 1986, стр. 244, глава «Железо»

Происхождение названия

Имеется несколько версий происхождения славянского слова «железо» (белор. жалеза , укр. залізо , ст.-слав. желѣзо , болг. желязо , сербохорв. жељезо , польск. żelazo , чеш. železo , словен. železo ).

Одна из этимологий связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός , что означало железо и медь, согласно другой версии *želězo родственно словам *žely «черепаха » и *glazъ «скала», с общей семой «камень » . Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка .

Германские языки заимствовали название железа (готск. eisarn , англ. iron , нем. Eisen , нидерл. ijzer , дат. jern , швед. järn ) из кельтских .

Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к пра-и.е. *h 1 esh 2 r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе данное слово восходит к пра-и.е. *(H)ish 2 ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой» .

Древнегреческое слово σίδηρος , возможно, было заимствовано из того же источника, что и славянское, германское и балтийское слова для серебра .

Название природного карбоната железа (сидерита) происходит от лат. sidereus - звёздный; действительно, первое железо, попавшее в руки людям, было метеоритного происхождения. Возможно, это совпадение не случайно. В частности древнегреческое слово сидерос (σίδηρος) для железа и латинское sidus , означающее «звезда», вероятно, имеют общее происхождение.

Изотопы

Природное железо состоит из четырёх стабильных изотопов : 54 Fe (изотопная распространённость 5,845 %), 56 Fe (91,754 %), 57 Fe (2,119 %) и 58 Fe (0,282 %). Так же известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72, наиболее устойчивые из которых - 60 Fe (период полураспада по уточнённым в 2009 году данным составляет 2,6 миллиона лет ), 55 Fe (2,737 года), 59 Fe (44,495 суток) и 52 Fe (8,275 часа); остальные изотопы имеют период полураспада менее 10 минут .

Изотоп железа 56 Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут уменьшить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы уменьшить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд (см. Железная звезда), а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых .

Геохимия железа

Гидротермальный источник с железистой водой. Оксиды железа окрашивают воду в бурый цвет

Железо - один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, где его содержание, по оценкам, около 90 %. Содержание железа в земной коре составляет 5 %, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию . При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %. Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002-0,02 мг/л. В речной воде несколько выше - 2 мг/л.

Геохимические свойства железа

Важнейшая геохимическая особенность железа - наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме - металлическое - слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO - основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe 2 O 3 характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород .

По кристаллохимическим свойствам ион Fe 2+ близок к ионам Mg 2+ и Ca 2+ - другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.

Минералы железа

Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит , Fe 2 O 3 ; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит , FeFe 2 O 4 , Fe 3 O 4 ; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH 2 O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в корах выветривания , образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые , или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe 3 (PO 4) 2 ·8H 2 O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты .

В природе также широко распространены сульфиды железа - пирит FeS 2 (серный или железный колчедан) и пирротин . Они не являются железной рудой - пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.

По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. Содержание железа в морской воде - 1·10 −5 -1·10 −8 %.

Другие часто встречающиеся минералы железа:

  • Сидерит - FeCO 3 - содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом. Плотность равна 3 г/см³ и твёрдость 3,5-4,5 по шкале Мооса.
  • Марказит - FeS 2 - содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6-4,9 г/см³ и твёрдостью 5-6 по шкале Мооса.
  • Лёллингит - FeAs 2 - содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов. Плотность равна 7-7,4 г/см³, твёрдость 5-5,5 по шкале Мооса.
  • Миспикель - FeAsS - содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6-6,2 г/см³ и твёрдостью 5,5-6 по шкале Мооса.
  • Мелантерит - FeSO 4 ·7H 2 O - реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие. Плотность равна 1,8-1,9 г/см³.
  • Вивианит - Fe 3 (PO 4) 2 ·8H 2 O - встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твёрдостью 1,5-2 по шкале Мооса.

Помимо вышеописанных минералов железа существуют, например:

Основные месторождения

По данным Геологической службы США (оценка 2011 г.), мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 178 млрд тонн. Основные месторождения железа находятся в Бразилии (1 место), Австралии, США, Канаде, Швеции, Венесуэле, Либерии, Украине, Франции, Индии. В России железо добывается на Курской магнитной аномалии (КМА), Кольском полуострове, в Карелии и в Сибири. Значительную роль в последнее время приобретают донные океанские месторождения, в которых железо совместно с марганцем и другими ценными металлами находится в конкрециях.

Получение

В промышленности железо получают из железной руды , в основном из гематита (Fe 2 O 3) и магнетита (FeO·Fe 2 O 3).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Первый этап производства - восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C . В доменной печи углерод в виде кокса , железная руда в виде агломерата или окатышей и флюс (например, известняк) подаются сверху, а снизу их встречает поток нагнетаемого горячего воздуха.

В печи углерод в виде кокса окисляется до монооксида углерода . Данный оксид образуется при горении в недостатке кислорода :

В свою очередь, монооксид углерода восстанавливает железо из руды. Чтобы данная реакция шла быстрее, нагретый угарный газ пропускают через оксид железа(III) :

Оксид кальция соединяется с диоксидом кремния, образуя шлак - метасиликат кальция:

Шлак, в отличие от диоксида кремния, плавится в печи. Более лёгкий, чем железо, шлак плавает на поверхности - это свойство позволяет разделять шлак от металла. Шлак затем может использоваться при строительстве и сельском хозяйстве. Расплав железа, полученный в доменной печи , содержит довольно много углерода (чугун). Кроме таких случаев, когда чугун используется непосредственно, он требует дальнейшей переработки.

Излишки углерода и другие примеси (сера , фосфор) удаляют из чугуна окислением в мартеновских печах или в конвертерах. Электрические печи используются и для выплавки легированных сталей.

Кроме доменного процесса, распространён процесс прямого получения железа. В этом случае предварительно измельчённую руду смешивают с особой глиной, формируя окатыши. Окатыши обжигают, и обрабатывают в шахтной печи горячими продуктами конверсии метана , которые содержат водород . Водород легко восстанавливает железо:

,

при этом не происходит загрязнения железа такими примесями как сера и фосфор, которые являются обычными примесями в каменном угле . Железо получается в твёрдом виде, и в дальнейшем переплавляется в электрических печах.

Химически чистое железо получается электролизом растворов его солей .

Физические свойства

Явление полиморфизма чрезвычайно важно для металлургии стали. Именно благодаря α-γ переходам кристаллической решётки происходит термообработка стали . Без этого явления железо как основа стали не получило бы такого широкого применения.

Железо относится к умеренно тугоплавким металлом . В ряду стандартных электродных потенциалов железо стоит до водорода и легко реагирует с разбавленными кислотами. Таким образом, железо относится к металлам средней активности.

Температура плавления железа 1539 °C, температура кипения - 2862 °C.

Химические свойства

Характерные степени окисления

  • Кислота в свободном виде не существует - получены только её соли.

Для железа характерны степени окисления железа - +2 и +3.

Степени окисления +2 соответствует чёрный оксид FeO и зелёный гидроксид Fe(OH) 2 . Они имеют основный характер. В солях Fe(+2) присутствует в виде катиона. Fe(+2) - слабый восстановитель.

Степени окисления +3 соответствуют красно-коричневый оксид Fe 2 O 3 и коричневый гидроксид Fe(OH) 3 . Они носят амфотерный характер, хотя и кислотные, и основные свойства у них выражены слабо. Так, ионы Fe 3+ нацело гидролизуются даже в кислой среде. Fe(OH) 3 растворяется (и то не полностью), только в концентрированных щелочах. Fe 2 O 3 реагирует со щелочами только при сплавлении, давая ферриты (формальные соли кислоты несуществующей в свободном виде кислоты HFeO 2):

Железо (+3) чаще всего проявляет слабые окислительные свойства.

Степени окисления +2 и +3 легко переходят между собой при изменении окислительно-восстановительных условий.

Кроме того, существует оксид Fe 3 O 4 , формальная степень окисления железа в котором +8/3. Однако этот оксид можно также рассматривать как феррит железа (II) Fe +2 (Fe +3 O 2) 2 .

Также существует степень окисления +6. Соответствующего оксида и гидроксида в свободном виде не существует, но получены соли - ферраты (например, K 2 FeO 4). Железо (+6) находится в них в виде аниона. Ферраты являются сильными окислителями.

Свойства простого вещества

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной плёнкой оксида , препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины , который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближённо её химическую формулу можно записать как Fe 2 O 3 ·xH 2 O.

Соединения железа (II)

Оксид железа(II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH) 2 . Соли железа (II) обладают светло-зелёным цветом. При их хранении, особенно во влажном воздухе, они коричневеют за счёт окисления до железа (III). Такой же процесс протекает при хранении водных растворов солей железа(II):

Из солей железа(II) в водных растворах устойчива соль Мора - двойной сульфат аммония и железа(II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 ·6Н 2 O.

Реактивом на ионы Fe 2+ в растворе может служить гексацианоферрат(III) калия K 3 (красная кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe 2+ и 3− выпадает осадок турнбулевой сини :

Для количественного определения железа (II) в растворе используют фенантролин Phen, образующий с железом (II) красный комплекс FePhen 3 (максимум светопоглощения - 520 нм) в широком диапазоне рН (4-9) .

Соединения железа (III)

Соединения железа(III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Железо(III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов , например, KFe(SO 4) 2 - железокалиевые квасцы, (NH 4)Fe(SO 4) 2 - железоаммонийные квасцы и т. д.

Для качественного обнаружения в растворе соединений железа(III) используют качественную реакцию ионов Fe 3+ с тиоцианат-ионами SCN − . При взаимодействии ионов Fe 3+ с анионами SCN − образуется смесь ярко-красных роданидных комплексов железа 2+ , + , Fe(SCN) 3 , - . Состав смеси (а значит, и интенсивность её окраски) зависит от различных факторов, поэтому для точного качественного определения железа этот метод неприменим.

Другим качественным реактивом на ионы Fe 3+ служит гексацианоферрат(II) калия K 4 (жёлтая кровяная соль). При взаимодействии ионов Fe 3+ и 4− выпадает ярко-синий осадок берлинской лазури :

Соединения железа (VI)

Окислительные свойства ферратов используют для обеззараживания воды.

Соединения железа VII и VIII

Имеются сообщения об электрохимическом получении соединений железа(VIII). , , , однако независимых работ, подтверждающих эти результаты, нет.

Применение

Железная руда

Железо - один из самых используемых металлов , на него приходится до 95 % мирового металлургического производства.

  • Железо является основным компонентом сталей и чугунов - важнейших конструкционных материалов.
  • Железо может входить в состав сплавов на основе других металлов - например, никелевых.
  • Магнитная окись железа (магнетит) - важный материал в производстве устройств долговременной компьютерной памяти: жёстких дисков, дискет и т. п.
  • Ультрадисперсный порошок магнетита используется во многих черно-белых лазерных принтерах в смеси с полимерными гранулами в качестве тонера. Здесь одновременно используется чёрный цвет магнетита и его способность прилипать к намагниченному валику переноса.
  • Уникальные ферромагнитные свойства ряда сплавов на основе железа способствуют их широкому применению в электротехнике для магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей.
  • Хлорид железа(III) (хлорное железо) используется в радиолюбительской практике для травления печатных плат .
  • Семиводный сульфат железа (железный купорос) в смеси с медным купоросом используется для борьбы с вредными грибками в садоводстве и строительстве.
  • Железо применяется в качестве анода в железо-никелевых аккумуляторах , железо-воздушных аккумуляторах .
  • Водные растворы хлоридов двухвалентного и трёхвалентного железа, а также его сульфатов используются в качестве коагулянтов в процессах очистки природных и сточных вод на водоподготовке промышленных предприятий.

Биологическое значение железа

В живых организмах железо является важным микроэлементом, катализирующим процессы обмена кислородом (дыхания). В организме взрослого человека содержится около 3,5 грамма железа (около 0,02 %), из которых 78 % являются главным действующим элементом гемоглобина крови, остальное входит в состав ферментов других клеток, катализируя процессы дыхания в клетках. Недостаток железа проявляется как болезнь организма (хлороз у растений и анемия у животных).

Обычно железо входит в ферменты в виде комплекса, называемого гемом . В частности, этот комплекс присутствует в гемоглобине - важнейшем белке, обеспечивающем транспорт кислорода с кровью ко всем органам человека и животных. И именно он окрашивает кровь в характерный красный цвет.

Комплексы железа, отличные от гема, встречаются, например, в ферменте метан-моноксигеназе, окисляющем метан в метанол , в важном ферменте рибонуклеотид-редуктазе, который участвует в синтезе ДНК .

Неорганические соединения железа встречаются в некоторых бактериях , иногда используется ими для связывания азота воздуха.

В организм животных и человека железо поступает с пищей (наиболее богаты им печень , мясо , яйца , бобовые , хлеб , крупы , свёкла). Интересно, что некогда шпинат ошибочно был внесён в этот список (из-за опечатки в результатах анализа - был потерян «лишний» ноль после запятой).

Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсическое действие. Передозировка железа угнетает антиоксидантную систему организма, поэтому употреблять препараты железа здоровым людям не рекомендуется.

Примечания

  1. Химическая энциклопедия: в 5 т / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.). - М .: Советская энциклопедия, 1990. - Т. 2. - С. 140. - 671 с. - 100 000 экз.
  2. Карапетьянц М. Х. , Дракин С. И. Общая и неорганическая химия: Учебник для вузов. - 4-е изд., стер. - М.: Химия, 2000, ISBN 5-7245-1130-4 , с. 529
  3. М. Фасмер. Этимологический словарь русского языка. - Прогресс. - 1986. - Т. 2. - С. 42-43.
  4. Трубачёв О. Н. Славянские этимологии. // Вопросы славянского языкознания, № 2, 1957.
  5. Boryś W. Słownik etymologiczny języka polskiego. - Kraków: Wydawnictwo Literackie. - 2005. - С. 753-754.
  6. Walde A. Lateinisches etymologisches Wörterbuch. - Carl Winter’s Universitätsbuchhandlung. - 1906. - С. 285.
  7. Мейе А. Основные особенности германской группы языков. - УРСС. - 2010. - С. 141.
  8. Matasović R. Etymological Dictionary of Proto-Celtic. - Brill. - 2009. - С. 172.
  9. Mallory, J. P., Adams, D. Q. Encyclopedia of Indo-European Culture. - Fitzroy-Dearborn. - 1997. - P. 314.
  10. «New Measurement of the 60 Fe Half-Life». Physical Review Letters 103 : 72502. DOI :10.1103/PhysRevLett.103.072502 .
  11. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties ». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI :10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001 .
  12. Ю. М. Широков, Н. П. Юдин. Ядерная физика. М.: Наука, 1972. Глава Ядерная космофизика .
  13. Р. Рипан, И. Четяну. Неорганическая химия // Химия неметаллов = Chimia metalelor. - Москва: Мир, 1972. - Т. 2. - С. 482-483. - 871 с.
  14. Gold and Precious Metals
  15. Металловедение и термическая обработка стали. Справ. изд. В 3-х т./ Под ред. М. Л. Берштейна, А. Г. Рахштадта. - 4-е изд., перераб. и доп. Т. 2. Основы термической обработки. В 2-х кн. Кн. 1. М.: Металлургия, 1995. 336 с.
  16. T. Takahashi & W.A. Bassett, "High-Pressure Polymorph of Iron ," Science , Vol. 145 #3631, 31 Jul 1964, p 483-486.
  17. Schilt A. Analytical Application of 1,10-phenantroline and Related Compounds. Oxford, Pergamon Press, 1969.
  18. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М., Химия, 1989. С. 297.
  19. Лурье Ю. Ю. Справочник по аналитической химии. М., Химия, 1989, С. 315.
  20. Брауэр Г. (ред.) Руководство по неорганическому синтезу. т. 5. М., Мир, 1985. С. 1757-1757.
  21. Реми Г. Курс неорганической химии. т. 2. М., Мир, 1966. С. 309.
  22. Киселёв Ю. М., Копелев Н. С., Спицын В. И., Мартыненко Л. И. Восьмивалентное железо // Докл. АН СССР. 1987. Т.292. С.628-631
  23. Перфильев Ю. Д., Копелев Н. С., Киселёв Ю. М., Спицын В. И. Мёссбауэровское исследование восьмивалентного железа // Докл. АН СССР. 1987. T.296. С.1406-1409
  24. Kopelev N.S., Kiselev Yu.M., Perfiliev Yu.D. Mossbauer spectroscopy of the oxocomplexes iron in higher oxidation states // J. Radioanal. Nucl. Chem. 1992. V.157. Р.401-411.
  25. «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации» МР 2.3.1.2432-08

Источники (к разделу История)

  • Г. Г. Гиоргадзе. «Текст Анитты» и некоторые вопросы ранней истории хеттов
  • Р. М. Абрамишвили. К вопросу об освоении железа на территории Восточной Грузии, ВГМГ, XXII-В, 1961.
  • Хахутайшвили Д. А. К истории древнеколхской металлургии железа. Вопросы древней истории (Кавказско-ближневосточный сборник, вып. 4). Тбилиси, 1973.
  • Геродот. «История», 1:28.
  • Гомер. «Илиада», «Одиссея».
  • Вергилий. «Энеида», 3:105.
  • Аристотель. «О невероятных слухах», II, 48. ВДИ, 1947, № 2, стр. 327.
  • Ломоносов М. В. Первые основания металлургии.

См. также

  • Категория:Соединения железа

Ссылки

  • Болезни, вызванные недостатком и избытком железа в организме человека
Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева
Fe

Железорудное сырье (ЖРС) - основной вид металлургического сырья, которое используется в черной металлургии для производства чугуна, железа прямого восстановления (ЖПВ, англ. DRI) и горячебрикетированного железа (ГБЖ, англ. HBI).

Человек начал изготавливать и использовать изделия из железа в период «железного» века –примерно четыре тысячи лет назад. Сегодня железные руды –одно из наиболее распространенных полезных ископаемых. Пожалуй только угли и строительные материалы извлекаются из недр в больших объемах. Более 90% железных руд используются в черной металлургии для производства чугуна и стали.

Чугун - сплав железа с углеродом (2-4%), как правило, хрупок и содержит примеси кремния, марганца, серы, фосфора, а иногда легирующих элементов - хрома, никеля, ванадия, алюминия и др. Чугун получают из железных руд в доменных печах. Основная масса чугуна (свыше 85%) перерабатывается в сталь (предельный чугун), меньшая часть применяется для изготовления фасонного литья (литейный чугун).

Сталь – ковкий сплав железа с углеродом (и легирующие добавки), основной конечный продукт переработки железных руд. Сталь обладает высокой прочностью, вязкостью, способностью легко изменять форму при горячей и холодной обработке давлением, приобретать в зависимости от химического состава и способа термической обработки нужные свойства: жаропрочность, сопротивление истиранию, коррозионную стойкость. Благодаря этому сталь является важнейшим конструкционным материалом.

Продукция черной металлургии применяется во всех сферах промышленного производства, но в основном в машиностроении и капитальном строительстве.

Железная руда является сырьем для производства черных металлов. Железную руду, извлеченную из недр, в горном деле принято называть «сырой рудой».

Железорудное сырье (ЖРС) – вид металлургического сырья, которое используется в черной металлургии для производства чугуна и металлизированного продукта (DRI и HBI), а также в незначительном количестве в выплавке стали. Железорудное сырье подразделяется на два вида – подготовленное (агломерированное) и неподготовленное (неагломерированное) сырье. Подготовленное ЖРС – это сырье готовое для использования в доменных печах для производства чугуна. Неподготовленное ЖРС является сырьем для производства агломерированного сырья. Неподготовленное ЖРС – это концентрат, доменная и аглоруда. Концентрат производится, в основном, в результате магнитной сепарации измельченной железной руды с низким содержанием железа. Извлечение железа в концентрат составляет в среднем около 80%, содержание железа в концентрате 60-65%.

Аглоруда (железорудная мелочь) вырабатывается из богатой руды с высоким содержанием железа в результате дробления, грохочения, дешламации, крупность -10 мм.

Доменная (крупнокусковая руда) также вырабатывается из богатой руды, крупность куска -70+10 мм. Железорудное сырье для доменного процесса подвергается агломерации и окускованию. Агломерат получают из аглоруды и концентрата, а для производства окатышей применяются только концентраты.

Окатыши производятся из железорудного концентрата с добавлением известняка в результате окомкования смеси (гранулы диаметром 1 см) и последующего обжига.

Горячебрикетированное железо не являются ЖРС, т.к. фактически это уже продукты металлургического передела. В качестве сырья для производства агломерата используются смесь из аглоруды, сидерита, известняка и железосодержащих отходов производства с высоким содержанием железа (окалина и др.). Смесь также подвергается окомкованию и спеканию.

Металлургическая ценность железных руд и концентратов определяется содержанием в них полезного компонента (Fe), а также полезных (Mn, Ni, Cr, V, Ti), вредных (S, P, As, Zn, Pb, Cu, K, Na) и шлакообразующих (Si, Ca, Mg, Al) примесей. Полезные примеси являются естественными легирующими элементами стали, улучшающими ее свойства. Вредные примеси или ухудшают свойства металла (сера и медь придают металлу красноломкость, фосфор - хладоломкость, мышьяк и медь понижают свариваемость), или усложняют процесс выплавки чугуна (цинк разрушает огнеупорную кладку печи, свинец – лещадь, калий и натрий вызывают образование настылей в газоходах).

Содержание серы в товарной руде не должно превышать 0,15%. В рудах и концентратах, используемых для производства агломерата и окатышей, допустимое содержание серы может быть до 0,6%, так как при агломерации и обжиге окатышей степень удаления серы достигает 60- 90%. Предельное содержание фосфора в руде, агломерате и окатышах 0,07-0,15%. При выплавке обычных передельных чугунов допускается наличие в железорудной части доменной шихты (не более) As 0,05-0,1%, Zn 0,1-0,2%, Cu до 0,2%. Шлакообразующие примеси разделяются на основные (Ca, Mg) и кислые (Si, Al). Предпочтительны руды и концентраты с более высоким отношением основных окислов к кислым, так как сокращается ввод сырых флюсов при последующем металлургическом переделе.

Природные минеральные образования, содержащие железо и его соединения в таком объеме, когда промышленное извлечение железа целесообразно. Хотя железо входит в большем или меньшем количестве в состав всех горных пород, но под названием железных руд понимают только такие скопления железистых соединений, из которых в больших размерах и с выгодой в экономическом отношении может быть получаемо металлическое железо.


Различаются следующие промышленные типы железных руд:

  • Титано-магнетитовые и ильменит-титаномагнетитовые в базитах и ультрабазитах;
  • Апатит-магнетитовые в карбонатитах;
  • Магнетитовые и магно-магнетитовые в скарнах;
  • Магнетит-гематитовые в железных кварцитах;
  • Мартитовые и мартит-гидрогематитовые (богатые руды, образуются по железным кварцитам);
  • Гётит-гидрогётитовые в корах выветривания.

Существует три вида железорудной продукции, использующиеся в чёрной металлургии: сепарированная железная руда (обогащённая методом сепарации рассыпчатая руда), аглоруда (спечённая, окускованная путем термической обработки) и окатыши (сырая железосодержащая масса с добавлением флюсов (обычно, известняка); формуется в шарики диаметром около 1-2 см).

Х имический состав

По химическому составу железные руды представляют собой окиси, гидраты окисей и углекислые соли закиси железа, встречаются в природе в виде разнообразных рудных минералов, из которых главнейшие: магнетит, или магнитный железняк; гётит, или железный блеск (красный железняк); лимонит, или бурый железняк, к которому относятся болотные и озерные руды; наконец, сидерит, или шпатоватый железняк (железный шпат), и его разновидность сферосидерит. Обыкновенно каждое скопление названных рудных минералов представляет смесь их, иногда весьма тесную, с другими минералами, не содержащими железа, как, например, с глиной, известняком или даже с составными частями кристаллических изверженных пород. Иногда в одном и том же месторождении встречаются некоторые из этих минералов совместно, хотя в большинстве случаев преобладает какой-нибудь один, а другие связаны с ним генетически.

Богатая железная руда

Богатая железная руда имеет содержание железа свыше 57 %, а кремнезёма менее 8…10 %, серы и фосфора менее 0,15 %. Представляет собой продукт природного обогащения железистых кварцитов, созданных за счёт выщелачивания кварца и разложения силикатов при процессах длительного выветривания или метаморфоза. Бедные железные руды могут содержать минимум 26% железа.

Выделяют два главных морфологических типа залежей богатой железной руды: плоскоподобные и линейные. Плоскоподобные залегают на вершинах крутопадающих пластов железистых кварцитов в виде значительных по площади с карманоподобной подошвой и относятся к типовым корам выветривания. Линейные залежи представляют падающие в глубину клиноподобные рудные тела богатых руд в зонах разломов, трещинуватостей, дробления, изгибов в процессе метаморфоза. Руды характеризуются высоким содержанием железа (54…69 %) и низким содержанием серы и фосфора. Наиболее характерным примером метаморфозных месторождений богатых руд могут быть Первомайское и Жёлтоводское месторождения в северной части Кривбасса. Богатые железные руды идут на выплавку стали в мартеновском, конвертерном производстве или для прямого восстановления железа(горячебрикетированное железо).

Запасы

Мировые разведанные запасы железной руды составляют порядка 160 млрд тонн, в которых содержится около 80 млрд тонн чистого железа. По данным Геологической службы США, на долю месторождений железной руды России и Бразилии приходится по 18% мировых запасов железа. Мировые ресурсы и запасы железных руд по состоянию на 01.01.2010:

КАТЕГОРИЯ Млн. тн
Россия Запасы категорий А+В+С 55291
Запасы категорий С 43564
Австралия Proved + probable reserves 10800
Measured + indicated resources 25900
Inferred resources 28900
Алжир Исторические ресурсы 3000
Боливия Исторические ресурсы 40000
Бразилия Reserva lavravel 11830
70637
Венесуэла Reserves 4000
Вьетнам Исторические ресурсы 1250
Габон Исторические ресурсы ресурсы 2000
Индия Reserves 7000
Resources 25249
Иран Reserves 2500
Resources 4526,30
Казахстан Reserves 8300
Канада Reserves 1700
Китай Ensured reserves 22364
Мавритания Reserves 700
Resources 2400
Мексика Reserves 700
Пакистан Historical resources 903,40
Перу Исторические ресурсы 5000
США Reserves 6900
Турция Proved + probable reserves 113,25
Украина Запасы категорий А + В + С 24650
Запасы категорий С 7195,93
Чили Исторические ресурсы 1800
ЮАР Reserves 1000
Швеция Proved + probable reserves 1020
Measured + indicated + inferred resources 511
Весь мир Reserves 1 58 000
Крупнейшие производители железорудного сырья в 2010 году

По данным U.S. Geological Survey, мировая добыча железной руды в 2009 году составила 2,3 млрд тонн (рост на 3,6 % по сравнению с 2008 годом).

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.