Какой минерал содержится в железе

Железо — ковкий металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует при высоких температурах или при высокой влажности на воздухе. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается и на воздухе. Обозначается символом Fe (лат. Ferrum). Один из самых распространённых в земной коре металлов (второе место после алюминия).

СТРУКТУРА

Для железа установлено несколько полиморфных модификаций, из которых высокотемпературная модификация — γ-Fe(выше 906°) образует решетку гранецентрированного куба типа Сu (а0 = 3,63), а низкотемпературная — α-Fe-решетку центрированного куба типа α-Fe (a0 = 2,86).
В зависимости от температуры нагрева железо может находиться в трех модификациях, характеризующихся различным строением кристаллической решетки:

1. В интервале температур от самых низких до 910°С —а-феррит (альфа-феррит), имеющий строение кристаллической решетки в виде центрированного куба;
2. В интервале температур от 910 до 1390°С — аустенит, кристаллическая решетка которого имеет строение гранецентрированного куба;
3. В интервале температур от 1390 до 1535°С (температура плавления) — д-феррит (дельта-феррит). Кристаллическая решетка д-феррита такая же, как и а-феррита. Различие между ними только в иных (для д-феррита больших) расстояниях между атомами.

При охлаждении жидкого железа первичные кристаллы (центры кристаллизации) возникают одновременно во многих точках охлаждаемого объема. При последующем охлаждении вокруг каждого центра надстраиваются новые кристаллические ячейки, пока не будет исчерпан весь запас жидкого металла.
В результате получается зернистое строение металла. Каждое зерно имеет кристаллическую решетку с определенным направлением его осей.
При последующем охлаждении твердого железа при переходах д-феррита в аустенит и аустенита в а-феррит могут возникать новые центры кристаллизации с соответствующим изменением величины зерна

СВОЙСТВА

В чистом виде при нормальных условиях это твердое вещество. Оно обладает серебристо-серым цветом и ярко выраженным металлическим блеском. Механические свойства железа включают в себя уровень твердости по шкале Мооса. Она равна четырем (средняя). Железо обладает хорошей электропроводностью и теплопроводностью. Последнюю особенность можно ощутить, дотронувшись до железного предмета в холодном помещении. Так как этот материал быстро проводит тепло, он за короткий промежуток времени забирает большую его часть из вашей кожи, и поэтому вы ощущаете холод.
Дотронувшись, к примеру, до дерева, можно отметить, что его теплопроводность намного ниже. Физические свойства железа — это и его температуры плавления и кипения. Первая составляет 1539 градусов по шкале Цельсия, вторая — 2860 градусов по Цельсию. Можно сделать вывод, что характерные свойства железа — хорошая пластичность и легкоплавкость. Но и это еще далеко не все. Также в физические свойства железа входит и его ферромагнитность. Что это такое? Железо, магнитные свойства которого мы можем наблюдать на практических примерах каждый день, — единственный металл, обладающий такой уникальной отличительной чертой. Это объясняется тем, что данный материал способен намагничиваться под действием магнитного поля. А по прекращении действия последнего железо, магнитные свойства которого только что сформировались, еще надолго само остается магнитом. Такой феномен можно объяснить тем, что в структуре данного металла присутствует множество свободных электронов, которые способны передвигаться.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

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 %.

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4,1 % массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeFe2O4, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH2O). 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 Fe3(PO4)2·8H2O, образующий чёрные удлинённые кристаллы и радиально-лучистые агрегаты.
Содержание железа в морской воде — 1·10−5-1·10−8 %
В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe2O3) и магнетита (FeO·Fe2O3).
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.
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.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

Происхождение теллурическое (земное) железо редко встречается в базальтовыхлавах (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 том числе 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.

ПРИМЕНЕНИЕ

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 чёрно-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.

Железо (англ. Iron) — Fe

КЛАССИФИКАЦИЯ

Hey’s CIM Ref1.57

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Железными рудами называются горные породы, содержащие железо, извлечение железа из которых является экономически целесообразным. Минералов, содержащих железо, очень много, но в большинстве случаев или содержание железа в них невелико, или самый минерал встречается в природе в небольших количествах.
Имеющие наибольшее значение минералы, содержащие железо, могут быть разделены на следующие четыре группы в зависимости от их химического состава: 1) окислы железа; 2) углекислое железо; 3) кремнистое железо и 4) сернистые соединения железа. Названия и перечень этих минералов представлены в табл. 7.

Магнетит. Химическая формула магнетита (магнитного железняка) Fe3O4. В нем содержится 72,4% Fe и 27,6% O2. Цвет его темный, от серого до черного; минерал обладает магнитными свойствами. Сингония кубическая, вид симметрии гексооктаэдрический, твердость 5,5—6; уд. вес 4,9—5,2. Доля этого минерала в общей добыче железных руд невелика. Однако в некоторых металлургических районах, например на Урале или в Швеции, магнетитовые руды являются преобладающими.
В природных условиях магнетит, сохраняя свое кристаллическое строение, в той или иной степени окисляется. Содержание кислорода в магнитном железняке в этом случае уже не отвечает полностью формуле Fe3O4 или FeO*Fe2O3.
Обычно в рудах, образованных магнитным железняком, кроме магнетита, встречаются продукты его выветривания — полумартит и мартит. По классификации, принятой акад. М.А. Павловым. к магнитным железнякам относят такие руды, у которых отношение Feобщ/FeO менее 3,5 (вместо 2.333 в неокисленном магнитном железняке). К полумартитам относят руды с отношением Feобщ/FeO более 3,5 и менее 7 и, наконец, к мартитам — руды с отношением Feобщ/FeO более 7. И.А. Соколов, принимая те же цифры, берег вместо отношения Feобщ/FeO отношение Feобщ/FeFeO. Таким образом, приведенная классификация магнетитовых руд является условной.
Гематит. В химически чистой окиси железа содержится 70% Fe и 30°/о O2. В природе известны две полиморфные модификации окиси железа — устойчивая a-Fe2O3 (тригональной оингонии) и неустойчивая y-Fe2O3 (кубической сингонии), обладающая сильномагнитными свойствами и носящая название маггемита.
Гематит представлен первой модификацией. Цвет кристаллических разностей гематита железо-черный до стально-серого. Удельный вес гематита 5,0—5,3, твердость 5,5—6. Гематит составляет основу важнейших в мире месторождений железной руды. Связанные с породами различных геологических периодов, эти руды широко распространены в разнообразных видах. Многие из этих видов названы по их отличительным особенностям; например, красный железняк, оолитовый красный железняк, железистая слюда, красная стеклянная голова и т. д.
Бурые железняки. Долгое время считалось, что окись железа образует с водой следующие химические соединения: турьит — 2Fe2O3*H2O (66,31% Fe и 5,3% гидратной воды); гетит — Fe2O3*H2O (62,92% Fe и 10,1% гидратной воды); лимонит — 2Fe2О3*3Н2О (59,88% Fe и 14,43% гидратной воды); ксаитоондерит—Fe2O3*2Н2О (57,14% Fe и 18,36% гидратной моды); лимнит — Fe2O3*3Н2О (52,3% Fe и ‘25,3% гидратной воды).
В последнее время в результате рентгенометрических исследований установлено, что в действительности окись железа образует с водой одно химическое соединение с отношением Fe2О3:H2O = 1:1, обладающее определенной кристаллической решеткой. Все более богатые водой разности гидроокислов железа по существу являются гидрогелями, а не соединениями определенного состава. Они, как правило, содержат адсорбированную воду в различных количествах.
В современных учебниках по минералогии формулу гетита часто изображают в виде HFeO2 (учитывая, что Fe в гетите связано с гидроксилом), а формула лимонита (все гидроокиси железа, для которых Fe2O3:H2O > 1)—HFeO2*aq (aqua по-латыни вода). Турьит, по рентгенометрическим и термическим исследованиям, оказался смесью гетита и лимонита с гидрогематитом и, следовательно, не является самостоятельным минералам.
Сингония гетита — ромбическая, ромбодипирамидальный вид симметрии.
Цвет лимонита и гетита — темнобурый до черного. Твердость гетита 4,5—5,5, лимонита 4—1; удельный вес гетита 4,0—4,4, лимонита — колеблется от 3,3 до 4,0.
По физическому состоянию и внешнему виду различают много разновидностей бурых железняков: бурая стеклянная голова, обыкновенный бурый железняк, болотные и озерные руды и другие.
Карбонаты. Важнейшим представителем этой группы является минерал, называемый сидеритом, железным шпатом или шпатовым железняком; состав его определяется формулой FeCO3 (48,3% Fe и 37,9% CO2). Из изоморфных примесей чаще всего присутствуют углекислые марганец и магний. Сингония сидерита — тригональная. Цвет сидерита в свежем состоянии — желтовато-белый, сероватый, иногда с зеленым или буроватым оттенком. Твердость сидерита 3,5—4,5; удельный вес 3,9.
При выветривании сидерит окисляется с образованием лимонита, гетита.
Силикаты железа. Силикаты железа входят как примеси в состав некоторых железных руд. К силикатам железа относят много минералов, например группу хлоритов, одним из представителей которых является шамозит (примерная формула 4FeO*Al2O3*3SiO2*4H2O). Содержание FeO в этом силикате колеблется от 34,3 до 42,5%.
Из минералов других групп, содержащих силикаты железа, следует назвать нонтронит, состав которого определяется формулой: m {Mg3 [Si4O10] [ОН]2} p {(Fe, Аl)2 [Si4O10] [OН]2} nH2O, альмандин — Fe3Al2[SiO4]3; а андрадит Ca3Fe2[SiO4]3.
Сернистые соединения железа. Одним из минералов, представляющих эту группу, шляется пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS2, содержащий 46,7% Fe и 53,4% S. Вследствие высокого содержания серы минералы, содержащие сернистые соединения железа, в качестве железных руд не применяются. Пиритные или колчеданные руды добывают в значительных количествах для производства серной кислоты, при этом руды обжигают на воздухе. Во время обжига большая часть серы удаляется, твердый остаток в основном представляет собой окись железа и носит название пиритных огарков. Эти огарки после агломерации могут идти в доменную плавку.
Марказит представляет собой полиморфную разность FeS2 и имеет ромбическую сингонию (пирит имеет кубическую сингонию).