Контрольная работа

по дисциплине: «Химия»

на тему: «Характеристика радиотехнических материалов» 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Домашняя  контрольная работа по химии

  Железо

  ЖЕЛЕЗО (латинское  название Ferrum), химический символ Fe, проводник, элемент VIII группы периодической системы. Атомный номер 26, атомная масса 55,847.

  Железо высокой  чистоты – это блестящий серебристо-белый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.

  Природное железо представляет собой смесь четырёх  стабильных изотопов с массовыми числами: 54 (содержание в природной смеси 5,82% по массе), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%).

  Конфигурация  двух внешних электронных слоёв  3s²p⁶d⁶4s². Обычно образует соединения в степенях окисления +3 (валентность III) и +2 (валентность II). Известны также соединения с атомами железа в степенях окисления +4, +6 и некоторых других. Радиус нейтрального атома железа 0,126 нм, радиус иона Fe²⁺ -- 0,08 нм, иона Fe³⁺ -- 0,067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа при переходе от Fe⁰ к Fe⁵⁺ составляют 7,893,  16,183,  30,65,  57,79 эВ. Сродство к электрону 0,58 эВ;  электроотрицательность по Полингу 1,83.

  При обычном  давлении железо существует в четырёх  кристаллических модификациях.

  При температурах от комнатной до 917°С, а также в интервале температур 1394-1535°С существует α-Fe с кубической объёмно-центрированной решёткой (а = 0,286645 нм, z = 2, пространственная группа Im3m); α-Fe ферромагнитно, но при 769°С (точка Кюри) переходит в парамагнитное состояние. Парамагнитное железо (β-Fe) устойчиво в интервале 769-917°С. В интервале 917-1394°С существует γ-Fe с гранецентрированной кубической решеткой (при 950°С а = 0,3656 нм, z = 4, простанственная группа Fm3m). Выше 1394°С существует δ-Fe с объёмноцентрированной кубической решеткой (при 1425°С а = 0,293 нм, z = 2, пространственная группа Im3m). При высоких давлениях существует ε-Fe с гексагонной плотноупакованной решеткой, которое также образуется и при нормальном давлении при легировании железа рядом элементов.

  Для железа с  общим содержанием примесей не более 0,01% температура плавления 1535°С, температура кипения 2750°С, плотность в г/см³: α-Fe 7,87 (20°С), 7,67 (600°С); γ-Fe 7,59 (1000°С); δ-Fe 7,409; жидкого железа 7,024 (1538°С), 6,962 (1600°С), 6,76 (1800°С).

  Температурный коэффициент линейного расширения 11,7·10^-6 (при 20°С).

  Теплоёмкость  медленно увеличивается с ростом температуры до 523 К, затем резко  возрастает, достигая максимума в точке Кюри, после чего снижается. Средняя удельная теплоёмкость (0-1000°С) 640,57 Дж/(кг·К).

  Теплопроводность  [Вт/(м∙К)]: 132 (100 К), 80,3 (300 К), 69,4 (400 К), 32,6 (1000 К), 31,8 (1500 К). Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ – 0,447 B, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +0,771 B.

  По сравнению  с медью и алюминием даже чистое железо имеет значительно более  высокое удельное сопротивление ρ ≈ 0,1 мкОм•м. Значение ρ у стали (т.е. у железа с примесью углерода и других элементов) ещё выше. Температурный коэффициент электрического сопротивления в диапазоне 0-100°С составляет 6,51·10^-3.

  Магнитная проницаемость  1,45•10⁶ (для монокристалла), магнитная индукция насыщения 2,18 Тл, коэрцитивная сила 5-6 А/м (для карбонильного железа).

  Состав и  магнитные свойства железа, подвергнутого  различным видам обработки, приведены  в следующей таблице:

  Железо неограниченно  растворяет Al, Cu, Mn, Ni, Co, Si, Ti, хорошо растворяет V, Cr и Pt, ограниченно – Mo, Sn, C, S, P, As, H₂, N₂, O₂, не растворяет Pb, Ag, Bi. С углеродом железо образует твёрдые растворы внедрения – феррит и мартенсит с α-Fe, аустенит с γ-Fe. В зависимости от содержания углерода в железе различают: мягкое железо (менее 0,2% углерода), сталь (0,2-1,7% углерода) и чугун (1,7-5% углерода). 

  В земной коре на долю железа приходится около 4,1% массы (2-е место среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее прауитческое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe₂O₃, содержит до 70%  Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe₃O₄, содержит 72,4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит HFeO₂∙nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeCO₃, содержит около 48% Fe). Встречаются также большие месторождения пирита FeS₂ (другие названия – серный колчедан, дисульфид железа и др.), но они пока большого практического применения не имеют.

  Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом  – чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14% по массе (обычно на уровне 3,5-4%). В сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0,8-1%).

  Чугун получают в домнах. Домна представляет собой  усечённых конус высотой до 30-40 метров, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащённую железную руду, восстановитель кокс, а также плавильные материалы (известняк и другие добавки), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей (шлаков). Снизу в домну подают дутьё (чистый кислород или воздух, обогащённый кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°С. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

        Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO₂;

        Fe₂O₃ + CO = 2Fe + 3CO₂ 
возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.

  Этот расплав  периодически выпускают из домны  и дают застыть в специальных  формах. Чугун бывает белый (используется для получения стали) и серый (литьевой). Белый чугун – это твёрдый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры и другие изделия, которые должны работать на изгиб.

  Твёрдый чугун  легче расплавленного, поэтому при  его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании  металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать  из чугуна различные отливки.

  Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (состоят только из Fe и С) и легированными – с добавками хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающих механические и иные свойства стали.

  Стали получают путём переработки чугуна и металлического лома в кислородном конвертере, электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня.

  Физические  свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, её можно ковать, прокатывать. В отличие от чугуна, сталь при затвердевании сжимается, поэтому полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прожатия в металле исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов. 

  С кислородом железо реагирует при нагревании. При  сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂O₃, при сгорании в чистом кислороде – оксид Fe₃O₄. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeO.

  Азот в малых  концентрациях образует с железом  твердые растворы внедрения, в больших  – нитриды Fe₂N и другие. При нормальном давлении растворимость N₂ в α-Fe до 0,01 ат. %, в γ-Fe около 0,1 ат. %.

  Железо способно поглощать водород при травлении кислотами и в процессе катодного выделения железа при электролизе. Адсорбируясь на дефектах структуры, водород резко снижает прочность и пластичность железа (так называемая водородная хрупкость). Твёрдое железо поглощает водород с образованием твёрдых растворов внедрения. Растворимость водорода в железе при комнатной температуре менее 0,005%, в расплавленном железе – почти в 25 раз больше. Гидриды железа существуют только при высоких давлениях H₂; известны гидриды интерметаллидов железа, например TiFeH₂.

  Железо при  нагревании реагирует с галогенами, давая соли, например хлориды FeCl₂ и FeCl₃. Железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°С, так как FeF₃ нелетуч. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeCl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода (I) образуется иодид Fe₃I₈.

  При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближённую формулу которого можно записать как FeS.

  С кремнием и  фосфором железо энергично реагирует  при нагревании, образуя силициды (например, Fe₃Si) и фосфиды (например, Fe₃P).

  При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода CO, причём образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе ферроцена состава [Fe(-C₅H₅)₂].

  Чистое металлическое  железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная плёнка пассивирует его поверхность.

  С соляной и  разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с  образованием солей железа (II):

     Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

     Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

  При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

        2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO4)₃ + SO₂ + 4H₂O

  Оксид железа (II) FeO обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(OH)₂. Оксид железа (III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает ещё более слабое, чем Fe(OH)₂, основание Fe(OH)₃, которое реагирует с кислотами:

        2Fe(OH)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

  Гидроксид железа (III) Fe(OH)₃ проявляет слабо амфотерные свойства, он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

        Fe(OH)₃ + KOH = K[Fe(OH)₄]

  Образующиеся  при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причём в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)₃.

  Соединения  железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

        Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

  При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

        4FeCl₂ + O₂ + H₂O = 4Fe(OH)Cl₂

  Из солей  железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора – железо (II) и двойной сульфат аммония (NH₄)₂Fe(SO₄)₂•6H₂O.