Свойства оксида железа

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Данная работа посвящена изучению свойств оксида железа (III) Fe₂O₃, также известного как минералы: гематит (?-Fe₂O₃), лимонит (Fe₂O₃*H2O), входит в состав магнетита (FeO*Fe₂O₃).

Тема курсовой работы представляет практический и теоретический интерес. Проект будет полезен предприятиям, синтезирующим вещество Fe₂O₃ в промышленных масштабах.

Также проект полезен как сборник информации о железе, некоторых его оксидах, оксиде железа (III) в частности, и минералах, в состав которых он входит.

Цели, выполнение которых необходимо достичь по окончании работы над проектом: собрать наиболее полную информацию об оксиде железа (III), изучить его свойства и способы синтеза.

Задачи проекта:

1.Собрать полноценную и актуальную информацию по теме.

2.Изучить свойства железа и его оксида (III) Fe₂O₃, на основе чего узнать о применении этих веществ.

3.Рассмотреть все возможные способы синтеза и выделить наиболее выгодный из них.

По окончании данного проекта следует сделать заключение по проделанной работе, указать какие задачи были выполнены, а какие нет.

1. ЖЕЛЕЗО

Железо было известно еще до нашей эры. Люди древнего Египта и Северной Америки пользовались предметами, сделанными из метеоритного железа. В те времена железо было самым распространенным материалом после бронзы.

Считается, что народы Кавказа и Туркестана первыми получили железо из минералов. Позже железо распространилось в Вавилон, Египет, Грецию и Рим. Железо, полученное примитивным способом (который состоял в нагревании железной руды с древесным углем в ямах или печах из глины), было загрязнено шлаком и очищалось долгой ковкой.

На древнем Востоке при выплавке железа использовались печи, оснащенные мехами для подачи воздуха. В XV в. за счет увеличения потока подаваемого воздуха была увеличена температура выплавки. Благодаря этому удалось получить чугун, который был очень хрупок и ломался от удара молотка. Позже было получено ковкое железо путем нагревания чугуна с древесным углем в горне в токе воздуха.

Огромным скачком в металлургии железа является замена древесного угля коксом - восстановителем, источником углерода и одновременно горючим материалом. Уже в XIX в. были разработаны технологические процессы получения стали. [26]

1.1 Нахождение в природе

В природе железо практически не встречается в свободном состоянии. Обычно оно входит в состав минералов в виде различных соединений. Его содержание в земной коре составляет 4,7 вес. %.

Наиболее типичными минералами железа являются: Сидерит, Лимонит, Гематит, Магнетит. Также существуют и другие минералы: Вюстит, Пирит, Марказит, Лёллингит, Миспикель, Мелантерит, Вивианит и пр.

Залежи полезных ископаемых, содержащих минералы железа, находятся в разных странах: России, Швеции, Норвегии, Франции, Греции, Италии, Кубе, Турции и пр. [1]

Процентное содержание железа в минералах колеблется от 25 до 70%. Руды, содержащие менее 45% железа, относятся к бедным и в промышленности не используются. Обогащают руды магнитным способом. Гематит или лимонит превращают в магнетит термической обработкой и пропускают через магнитное поле для отделения от пустой природы.

Железо входит в состав гемоглобина - компонента эритроцитов крови живых организмов. У некоторых видов вместо железа в молекуле гемоглобина присутствует медь. [2]

1.2 Получение и применение

Чистое мало окисляемое металлическое железо может быть получено восстановлением оксида железа (III) Fe₂O₃ водородом при нагревании:

Fe₂O₃+3H₂=2Fe+3H₂O

Восстанавливая Fe₂O₃ водородом при 278-340°С, получают пирофорное железо, при 550-650°С - железо, свыше 700°С - спекшуюся массу губчатого металлического железа.

Чисто железо можно получить путем термического разложения пентакарбонила железа Fe(CO)₅ без доступа кислорода и при температуре свыше 140°С, а также электролизом водного раствора FeCl₂·4H₂O с добавлением NH₄Cl при 30°С. [1]

Загрязненное металлическое железо может быть получено алюмо- или кремнетермическим восстановлением оксида железа (III) Fe₂O₃ и оксидов железа (II, III) Fe₃O₄.

Fe₂O₃+2Al=2Fe+Al₂O₃

3Fe₃O₄+8Al=9Fe+4Al₂O₃ [3]

Для получения различных ферросплавов (феррохрома, ферровольфрама, ферромолибдена и др.) применяются алюмо- или кремнетермическое восстановление смеси Fe₂O₃ с оксидами соответствующих металлов (Cr₂O₃, WO₃, MoO₃ и т.д.). При кремнетермическом восстановлении используют элементарный кремний или ферросилиций. [4]

Для получения сверхчистого железа (10^-6% примесей) используют метод зонной плавки.

Для получения чугуна или сырого железа (сплавы железа с углеродом) используются минералы, не содержащие серу, мышьяк и фосфор: гематит, лимонит, магнетит, сидерит. [5]

Получение чугуна путем восстановления железных руд осуществляется в доменных печах. Процесс превращения чугуна (сырого железа) в ковкое железо проходит путем окисления и частичного удаления примесей (S, P, As, Si и пр.), т.е. путем аффинажа по процессу Пудделя, Бессемера, Томаса или Мартена.

Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, которые соединены основаниями. Ее высота - 65 м, диаметр 5-11м. Рабочий объем печи - 200-2000 м³, производительность - около 2000 т чугуна в сутки. Верхний конус печи называется шахтой. Он сделан из огнеупорных кирпичей и имеет в верхней части так называемый «колошник» - автоматическое устройство для удаления доменных газов. Нижний конус сделан из огнеупорного силикатного кирпича. В его нижней части находится горн, имеющий цилиндрическую форму. Сама печь поддерживается металлическими конструкциями, так как имеет достаточной большой вес.

Процесс выплавки чугуна проходит так: сверху в доменную печь загружают измельченную железную руду, которую послойно перемешивают с коксом; снизу под давлением поступает предварительно нагретый воздух, в котором сгорает кокс. Образующийся при горении оксид углерода восстанавливает железо из его оксидов:

3CO+Fe₂O₃=2Fe+3CO₂^

Так как реакция обратима, в соответствии с принципом Ле-Шателье, равновесие смещается влево при повышенной температуре. Поэтому реакция осуществляется, в основном, в верхней части печи, где температура ниже. Часть Fe₂O₃ восстанавливается только до FeO:

Fe₂O₃+CO=2FeO+CO₂^

В нижней части печи, где температура очень высокая, восстановителем является непосредственно углерод:

FeO+C=Fe+CO

Вследствие очень высокой температуры в нижней части печи железо плавится и стекается вниз. Пространство, освобожденное в связи с этим, заполняют сверху новыми слоями руды и кокса. [8]

Железо и его сплавы активно применяются во всех отраслях промышленности в связи с его возможностью сохранять механические и физико-химические свойства при температурах до 900 °C. Сплавы железа бывают нескольких типов: магнитные, немагнитные, кислотостойкие, твердые, нержавеющие, жаропрочные и др.

Стали используются в производстве электровозов, вагонов, железно-дорожных рельсов, тракторов, буровых установок, подъемных кранов и применяются во многих других отраслях. [12]

Помимо стали и чугуна известны сплавы, содержащие 4-6,5% железа, такие как латунь и бронза. В них железо служит добавкой для модификации прочности, пластичности, твердости, ковкости, скорости старения и др. свойств.

Железо и его сплавы для современной техники имеют огромное значение. Расход железа превышает 100 млн. тонн в год во всем мире. [17]

1.3 Физические свойства и химические свойства

Чистое железо в компактном состоянии представляет собой серебристо-серый металл с синеватым отливом, имеющий плотность 7,867 г/см³, твердость 4-5 по шкале Мооса, т. пл. 1536°C и т. кип. 3250°C. Железа существует в виде четырех аллотропных модификаций, а именно: ?-Fe, устойчивое до 768°C, ?-Fe, устойчивое в интервале 768-906°C, ?-Fe, устойчивое в интервале 906-1401°C, и ?-Fe, устойчивое в интервале 1401-1536°С.

Модификация ?, ?, ? имеют кубическую объёмноцентрированную кристаллическую структуру, а модификация ?-гранецентрированную кубическую структуру решетки. Модификация ? и ? - ферромагнитны, а ? и ? - диамагнитны. Ферромагнетизм исчезает, когда железо нагрето до точки Кюри 768°C. [3]

В тонко измельченном состоянии металлическое железо обладает пирофорными свойствами и образуется в результате перегонки амальгамы железа или восстановления Fe₂O₃ водородом примерно при 270°.

Горячее пирофорное железо самопроизвольно загорается на воздухе, поскольку, будучи тонкоизмельченным и имея водород включения, энергично взаимодействует с кислородом воздуха. [14]

Известно очень большое число сплавов (чугуны, стали и др.), образуемых железом с различными металлами (Со, Ni, Мn, Сr, Мо, W, V, Nb, Zr, Sb, Ti, Sn, Pb, Al, Be, Mg, Zn и Cu), а также с неметаллами -- углеродом, кремнием, азотом, фосфором, серой, водородом.

Было замечено, что железо в легированных сталях образует твердые растворы, эвтектические твердые сплавы и интерметаллические соединения с многочисленными элементами. Примеры интерметаллических соединений: Fe₃Mo₂, Fe₅Nb₃, FeCr, FeZn₇, Fe₅Zn₂₁, Fe₂Sn, FeSn, FeSn₂, Fe₂W, Fe₃W₂, Fe₃Zr₂, Fe₃Ti, FeAl₃, Fe₂N, Fe₄N, Fe₃P, Fe₃C, Fe₂C, Fe₃Si₂, FeSi, FeSi₂ и Fe₂Si.

Основным легирующим элементом железа является углерод. Введенный в относительно небольших количествах углерод существенно изменяет характер и свойства железа. Уже говорилось о том, что сплавы железа с другими элементами, содержащие 0--1,7% углерода, относятся к сталям, а содержащие 1,7--6,7% углерода,-- к чугунам. Углерод может находиться в железе в виде графита (элементный углерод) или в форме цементита.

Системы железо -- углерод с содержанием углерода более 6,67% не рассматриваются, поскольку в технике используются только сплавы, содержащие примерно до 5% углерода. Углерод способствует увеличению прочности, твердости, сопротивления и уменьшению пластичности. [16]

Механические свойства железа зависят от степени его чистоты. В чистом состоянии железо достаточно мягко, ковко, тягуче, вязко, оно хорошо проводит тепло и электричество. При загрязнении железа различными неметаллами или металлами механические свойства его в значительной степени меняются.

В компактном состоянии чистое железо устойчиво в сухом воздухе и ржавеет во влажном воздухе, превращаясь в Fe₂O₃ · n Н₂O (где n имеет значение, близкое к единице) -- ржавчину; последняя образует пористую, рыхлую пленку, которая не предохраняет железо от действия кислорода.



Когда загрязненное железо соприкасается с влагой и двуокисью углерода из атмосферы, на поверхности металла образуются гальванические пары, в которых железо, являясь отрицательным элементом, разрушается. Из-за электрохимической коррозии поверхность загрязненного железа во влажном воздухе за короткое время покрывается ржавчиной. Ионы Fe²⁺ с анионами ОН^- (из воды) или СО₃^2- (образовавшимися при растворении СO₂ в воде) образуют Fe(OH)₂ или FeCO₃, которые в водной среде и в присутствии кислорода превращаются в Fe(OH)₃ (или в Fe₂O₃·3H₂O). [19]

Для предохранения железа от действия коррозионных агентов его покрывают слоем масляной краски, эмали или другого металла: Zn (цинкование), Sn (лужение), Сr (хромирование), Ni (никелирование), Cd (кадмирование), РЬ (свинцевание) -- либо проводят поверхностное окисление расплавленным NaNO₃ или KNO₃.

Пары воды разлагаются нагретым докрасна железом выше 700° по обратимому уравнению:

3Fe+4H₂O=Fe₃O₄+4H₂^

При комнатной температуре железо растворяет примерно 0,005% водорода. При этом образуется гидрид включения FeH, который способствует увеличению твердости железа:

2Fe+4H₂O=2FeH

Один грамм железа растворяет при 1530°C 0,272 см³ водорода, при 1550°--0,279 см³ водорода и при 1650°--0,310 см³ водорода.

Насыщенное водородом железо при нагревании на воздухе до 900° теряет значительную часть этого газа.

При обычной температуре сухой кислород не взаимодействует с железом. При нагревании полированной железной пластинки в кислороде выше 150° наблюдается потемнение ее поверхности, а при нагревании до белого каления образуется магнетит:

3Fe+2O₂=Fe₃O₄

При 1900° в присутствии кислорода железо полностью превращается в оксиды.

При ? 900° растворимость кислорода в ?-Fe равна 0,18%, а в ?-Fe и ?-Fe она больше. Железо с небольшим содержанием кислорода образует твердые и хрупкие сплавы.

При нагревании железо взаимодействует с газообразным хлором, превращаясь в Fe₂Cl₆, но не вступает в реакцию с жидким хлором. При действии паров брома или йода на порошкообразное кристаллическое железо получают Fe₃Br₈ (или 2FeBr₃ · FeBr₂) и Fe₃I₈ (или 2FeI_3·FeI₂):

2Fe+3Cl₂=Fe₂Cl₆

3Fe+4Br₂=Fe₃Br₈

Нагреванием порошкообразного металлического железа в парах брома при 190° получают Fe₂Br₆:

2Fe+3Br₂=Fe₂Br₆

Тонко измельченное железо взаимодействует при нагревании с серой, образуя сульфиды FeS, FeS₂:

Fe+S (ромбич.) = FeS Fe+2S (ромбич.) = FeS₂

Сера плохо растворима в железе, но сульфид железа FeS (из сплавов системы железо -- сера) образует с железом эвтектику, которая содержит 30% серы, плавится при 985°, обладает ломкостью при красном калении и ухудшает качество железа (чугуна или стали).

При нагревании железного порошка в токе аммиака образуются нитриды Fe₂N, Fe₄N:

Фосфор, мышьяк и кремний образуют с железом при нагревании интерметаллические соединения, например Fe₃P, Fe₂P,FeP, Fe₃As₂, Fe₂As, Fe₃As₄, Fe₃Si₂, FeSi, FeSi₂, Fe₂Si.

Поскольку нормальный потенциал системы Fe/Fe²⁺ равен -0,44 в, железо относится к легко окисляемым металлам. Под действием разбавленных неорганических кислот (НСl, H₂SO₄ и др.) оно превращается в соответствующие соли железа (II) с выделением водорода:

Fe+2HCl - FeCl₂ +H₂ Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

Разбавленная азотная кислота, взятая в избытке, взаимодействует с железом по уравнению:

4Fe+10HNO₃= 4Fe(NO₃)₂+NH₄NO₃+3H₂O

Концентрированные кислоты, такие, как HNO₃ и H₂SO₄, взаимодействуют с железом при нагревании по уравнениям:

Fe + 4HNO₃ = Fe(NO₃)₃ + NO + 2H₂O

2Fe + 6H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Нормальный потенциал системы Fe/Fe³⁺ равен --0,036 в. [11]

Под действием концентрированных кислот HNO₃, H₂SO₄, Н₂СгO₄ железо становится пассивным благодаря образованию плотной защитной пленки на поверхности металла, меняющей значение электрохимического потенциала.

Железо подвергается действию концентрированных растворов щелочей. Разбавленные растворы щелочей действуют на железо только в присутствии двуокиси углерода.

Железо вытесняет металлы Bi, Sb, Pb, Sn, Cu, Ag, Hg, и Au из растворов их солей. [12]

С физиологической точки зрения железо имеет особое значение для организма человека и животных, поскольку является катализатором процесса дыхания. Как уже упоминалось, железо входит в состав молекулы гемоглобина. Молекула гемоглобина состоит из интерциклического соединения гема, которое содержит двухвалентное железо, и белка глобина. В легких человека гемоглобин присоединяет кислород, превращаясь в оксигемоглобин, который разносится кровью, снабжая кислородом все клетки организма. [22]

2. МИНЕРАЛЫ

Магнетит, Fe₃O₄, содержит до 72% железа и представляет собой черные кубические кристаллы со слабым металлическим блеском, плотностью 4,9--5,2 г/см³, твердостью 5,6--6 по шкале Мооса и магнитными свойствами.

Гематит, ?-Fe₂O₃ (от греческого слова hematikos, что означает «кровавый»), содержит до 65% железа и представляет собой красно-черные ромбоэдрические кристаллы с плотностью 5--5,3 г/см³, твердостью 5,5--6 по шкале Мооса. ?-Fe₂O₃ легко восстанавливается при нагревании под действием Н₂, С, СО, А1, Si и др.

Лимонит (гетит), Fe₂O₃*H₂O или HFeO₂, содержит до 60% железа и представляет собой кристаллы, гранулы, оолиты или конкреции черно-коричневого цвета. Плотность лимонита 3,3--4 г/см³, твердость 1--4 по шкале Мооса. Плотность гетита 4--4,4г/см³, твердость 4,5--5,5 по шкале Мооса. В отличие от других железосодержащих руд лимонит и гетит легче всех восстанавливаются до металлического железа.

Сидерит, FeCO₃, содержит примерно 35% железа, обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом, плотностью 3,9 г/см³ и твердостью 3,5--4,5 по шкале Мооса.

Пирит, FeS₂, содержит 46,6% железа и встречается в виде кубических кристаллов, желтых, как латунь, с металлическим блеском (желтовато-коричневым оттенком), плотностью 4,9--5,2 г/см³, твердостью 6--6,5 по шкале Мооса. Он содержит в небольшом количестве Со, Ni, As, Sb и иногда Сu, Ag, Аu.

Марказит, FeS₂, также содержит 46,6% железа, но встречается в виде желтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 4,6--4,9 г/см³ и твердостью 5--6 по шкале Мооса. При температуре 450° он превращается в пирит.

Лёллингит, FeAs₂, содержит 27,2% железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов с плотностью 7,0 -- 7,40 г/см³ и твердостью 5 -- 5,5 по шкале Мооса.

Миспикель, FeAsS, содержит 34,3% железа и встречается в виде белых моноклинных призм с плотностью 5,6--6,2 г/см³ и твердостью 5,5--6 по шкале Мооса.

Мелантерит, FeSO₄*7H₂O, реже встречается в природе и представляет собой зеленые (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие, с плотностью 1,8--1,9 г/см³.

Вивианит, Fe₃(PO₄)₂ *8Н₂O, встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов с плотностью 2,95 г/см³ и твердостью 1,5--2 по шкале Мооса.

Помимо описанных, известны и другие минералы, например: ильменит FeTiO₃, магномагнетит (Fe, Mg)[Fe₂O₄], фиброферрит FeSO₄(OH)*4,5Н₂O, ярозит KFe₃(SO₄)₂(OH)₆, кокимбит Fe₂(SO₄)₃*9Н₂O, рёмерит Fe²⁺Fe^3/2+(SO₄)₄*14H₂O, графтонит (Fe, Мn)₃(РO₄)₂, скородит Fe³⁺AsO₄*2Н₂O, штренгит FePO₄*2H₂O, фаялит Fe₂SiO₄, альмандит Fe₃Al₂[SiO₄]₃, андрадит Ca₃Fe₂[SiO₄]₃, гиперстен (Fe, Mg)₂[Si₂O₆], геденбергит (Са, Fe)[Si₂O₆], эгирин (Na, Fe) [Si₂O₆], шамозит Fe₄²⁺Al[AlSi₃O₁₀(OH)₆ *nН₂0, нонтронит (Fe³⁺, Al)₂[Si₄O₁₀](OH)₂*nH₂O.

Кроме этих минералов, многие алюмосиликаты, какими являются глины, загрязнены соединениями железа. [1, 6]

3. ОКСИДЫ ЖЕЛЕЗА

Оксид железа (II), FeO, получают окислением металлического железа, термическим разложением FeC₂O₄·2H₂O без доступа воздуха, восстановлением оксида железа (III) Fe₂O₃ оксидом углерода при 500° или водородом при 700-800°, прокаливанием (650-700° в отсутствие воздуха) смеси стехиометрически необходимых количеств Fe₂O₃ и порошка металлического железа, нагреванием FeCO₃ при 490-581°:

Соединение FeO представляет собой диамагнитный черный неустойчивый кристаллический порошок (структура типа NaCl). Оно превращается в Fe₂O₃ при нагревании до 200-250° на воздухе, диспропорционирует на Fe₃O₄ и металлическое железо при 570°, плавится примерно при 1360°; трудно растворимо в воде и щелочах, легко растворяется в кислотах с образованием солей железа (II); восстанавливается до металлического железа под действием H₂ или CO при нагревании; разлагает при нагревании воду с образованием Fe₂O₃ и выделением H₂:

2FeO+H₂O=Fe₂O₃+H₂^ [11, 13]

Оксид железа (II) образует с многочисленными оксидами металлов соединения типа шпинелей Fe²⁺[Me₂³⁺O₄] или перовскита Fe²⁺Me⁴⁺O₃.

Оксид железа (III), Fe₂O₃, является самым устойчивым природным кислородсодержащим соединением железа, которое встречается в форме минералов гематита или красного железняка. [14]

Известны три модификации оксида железа (III), а именно: ?-Fe₂O₃, ?-Fe₂O₃ и ?-Fe₂O₃. Модификация ?-Fe₂O₃ (соответствующая гематиту) парамагнитна и образуется окислением железа на воздухе при температуре выше 200°, а также нагреванием ?-Fe₂O₃ в течение 3 часов при 110° или сжиганием пирофорного железа на воздухе при комнатной температуре и давлении меньше 760 мм рт. ст. Модификация ?-Fe₂O₃ ферромагнитна и образуется окислением железа на воздухе при температуре ниже 200°, а также окислением Fe₃O₄ или нагреванием ?-Fe₂O₃ при 300°. Модификация ?-Fe₂O₃ ферромагнитна и образуется окислением растворов солей железа (II) в щелочах. [15]

Модификации оксида железа(III) могут также быть получены прокаливанием гидроксида железа (III), Fe(OH)₃ при 700°, нитрата Fe(NO₃)₃*6Н₂O при 600--800°, карбоната FeCO₃ при 500° на воздухе, сульфата FeSO₄ или пирита FeS₂ на воздухе:

Нагревание порошкообразного железа или трихлорида железа в водном паре также дает Fe₂O₃.

Соединение ?-Fe₂O₃ представляет собой красный порошок с плотностью 5,24 г/см³, который плавится примерно при 1550°,трудно растворим в воде и может быть восстановлен до Fe₃O₄, FeO или металлического железа водородом, углеродом, оксидом углерода, металлическим алюминием или элементным кремнием. При восстановлении ?-, ?-, ?-Fe₂O₃ водородом (280--340°) образуется пирофорное металлическое железо, а при алюмо- или кремнетермическом восстановлении модификаций ?-, ?-, ?-Fe₂O₃ образуется загрязненное металлическое железо.

Растворимость ?-, ?-, ?-Fe₂O₃ модификаций в кислотах зависит от температуры и продолжительности прокаливания окиси перед растворением. Если оксид железа был слегка прокален, он растворяется в кислотах.

Окись железа под названием железный сурик, охра, мумия, применяется как пигмент приготовления для красок. [1]

Оксид железа(II, III), Fe₃O₄, со структурой шпинели Fe²⁺[Fe₂³⁺O₄] встречается в природе в виде минерала магнетита.

Соединение Fe₃O₄ можно получить прокаливанием других оксидов железа или восстановлением Fe₂O₃ (400--500°) водородом, насыщенным парами воды, или оксидом углерода (800°).

Fe₃O₄ представляет собой ферромагнитные ломкие (твердость 5,6--6,5 по шкале Мооса) черные кубические кристаллы с металлическим блеском; они трудно растворимы в воде и кислотах, имеют т. пл. 1538° и разлагаются при 1787°. [18]

Оксид железа(II, III) устойчив в сухом воздухе и служит для изготовления электродов, поскольку является хорошим проводником электрического тока и устойчив к действию химических реагентов. [12]

4. ОКСИД ЖЕЛЕЗА (III)

4.1 Применение

Применяется как сырьё при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель аналоговой и цифровой информации (напр. звука и изображения) на магнитных лентах (ферромагнитный ?-Fe₂O₃), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла.[1]

В пищевой промышленности используется в качестве пищевого красителя (E172).

В ракетомоделизме применяется для получения катализированого карамельного топлива, которое имеет скорость горения на 80% выше, чем обычное топливо.[23]

Является основным компонентом железного сурика (колькотара). [12]

4.2 Колькотар

Колькотар -- коричневая минеральная краска. Другие названия: парижская или английская красная краска, caput mortuum vitrioli, крокус, железный сурик; в алхимии -- красный лев. [15]

По составу колькотар представляет более или менее чистую безводную окись железа. Хотя безводная окись железа и встречается в природе в очень больших количествах (красный железняк, железный блеск), но ценные сорта этой краски вырабатываются искусственно или получаются как побочный продукт при добывании нордгаузенской кислоты из железного купороса, а также при прокаливании основных серножелезных солей, выделяющихся из раствора при приготовлении железного купороса из купоросного камня. [27]

4.3 Получение и синтез

1. Fe₂O₃ образуется при прокаливании на воздухе всех гидратов и кислородных соединений железа, а также Fe(NO₃)₃ и FeSO₄. Так, например, прокаливают в течение 2 час. на полном пламени бунзеновской горелки Fe(OH)₃, полученный по методу Г. Гюттига и Г. Гарсайда.

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O [1]

2. По указанию Д. Н. Финкельштейна 100 г Fe(NO₃)₃ * 9H₂O нагревают в большом фарфоровом тигле на электрической плитке. Вначале соль спокойно плавится, образуя бурую жидкость, постепенно испаряющуюся. При 121° жидкость начинает кипеть, выделяя постоянно кипящую 68%-ную HNO₃.

Постепенно жидкость начинает загустевать и необходимо частое перемешивание, чтобы избежать толчков и разбрызгивания. Начиная со 130°, непрерывно перемешивают жидкость фарфоровым шпателем, причем она загустевает, образуя пасту (без перемешивания жидкость внезапно затвердевает в сплошную массу). При 132° паста сразу рассыпается в порошок, продолжая выделять пары HNO₃.

Не переставая перемешивать, продолжают нагревание до полного высушивания; весь процесс занимает 20--25 мин. Сухую массу растирают, переносят в тигель и прокаливают в муфеле при 600--700° в течение 8--10 час. При достаточной чистоте исходного нитрата железа полученный продукт отвечает квалификации х. ч. Выход 95--98% теоретического, т. е. около 19 г. [9]

3. Для приготовления чистого препарата к нагретому до кипения раствору закисной соли железа прибавляют вычисленное количество горячего раствора щавелевой кислоты, причем выпадает закисное щавелевокислое железо. Его отфильтровывают, тщательно промывают водой, высушивают и прокаливают при доступе воздуха, непрерывно перемешивая. Выход 90--93% теоретического. Получаемый препарат содержит 99,79--99,96% Fe₂O₃. [8]

4. В фарфоровый котелок емкостью 4 л, снабженный крышкой, помещают раствор 500 г Fe(NO₃)₃ * 9Н₂О в 2 л воды. Через трубку, проходящую до дна котелка, пропускают не слишком сильный ток NH₃, промытого щелочью и водой. Время от времени перемешивают жидкость газоотводящей трубкой.

По окончании осаждения жидкости дают отстояться, раствор декантируют и промывают осадок горячей водой до удаления NO₃ в промывных водах. Отмытый Fe(OH)₃ просушивают в фарфоровых чашках, после чего прокаливают в течение 5--6 час. при 550--600°. Выход 96 г (96--97% теоретического). [10]

5. При получении Fe₂O₃, служащего сырьем для приготовления Fe высокой чистоты, исходный нитрат железа должен быть исключительно чист. Путем многократной перекристаллизации Fe(NO₃)₃ * 9Н₂О Кливс и Томпсон получили препарат, содержащий всего 0,005% Si и менее 0,001% других примесей. [14]

6. По Брандту целесообразнее всего исходить из химически чистого железа. Последнее растворяют в НСl, раствор при нагревании обрабатывают сероводородом, фильтруют и в фильтрате двухвалентное железо окисляют в трехвалентное кипячением с небольшим количеством HNO₃. Смесь дважды выпаривают с концентрированной HCl и, растворив остаток в избытке разбавленной НСl, несколько раз взбалтывают раствор с эфиром в большой делительной воронке.

Если исходный материал содержал Со, то содержимому воронки дают отстояться, спускают через кран нижний (водный) слой и к оставшейся в воронке эфирной вытяжке прибавляют часть по объему смеси, полученной встряхиванием НСl (уд. в. 1,104) с эфиром. Сильно встряхивают, снова сливают нижний слой и операцию повторяют.

Очищенную эфирную вытяжку фильтруют, эфир отгоняют (или просто удаляют нагреванием на водяной бане), и оставшийся раствор FeCl₃ несколько раз выпаривают с НNО₃. Последнее выпаривание ведут с добавлением NH₄NO₃.

Выпаривание целесообразно проводить в плоской фарфоровой чашке.

После выпаривания остается хрупкая соляная масса, легко отделяющаяся от чашки. Ее истирают в ступке и порциями по 40--50 г умеренно прокаливают в платиновой чашке. Остаток несколько раз смешивают с сухим углекислым аммонием и вновь прокаливают при слабом красном калении, часто перемешивая.

Эту операцию повторяют до приблизительно постоянного веса (точно постоянный вес не может быть достигнут, так как незначительное количество Fe₂O₃ уносится парами (NH₄)₂СО₃). [11]

железо металл оксид минерал

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Цели, поставленные в начале исследовательской работы, были полностью выполнены:

1) Собрана информация о железе, его оксидах и минералах:

Железо - ковкий, серебристо-белый металл с высокой реакционной способностью. В соединения проявляет степени окисления +2, +3, +6. Имеет оксиды: Fe⁺²O, Fe₂⁺³O₃, Fe₃O₄ (Fe⁺²O·Fe⁺³₂O₃). Оксид железа (III) Fe₂O₃ помимо получения синтетическим путем, можно обнаружить в залежах природных руд. Он входит в состав некоторых минералов таких как: гематит, лимонит, магнетит.

2) Изучены свойства Fe₂O₃ и сделаны выводы о его применении:

Вещество Fe₂O₃ используется для получения чистого мало окисляемого железа путем восстановления водородом, а так же в электронных носителях информации (вследствие магнитности), как полирующее средство (красный крокус) для стали и стекла, в пищевой промышленности и является основным компонентом колькотара (так как соединение является красящим).

3) Изучены несколько способов синтеза вещества. Наибольший выход продукта равняется 98% от теоретического. Добиться этого результата можно по методу Д.Н. Финкельштейна, путем нагревания Fe(NO₃)₃ * 9H₂O в большом фарфоровом тигле на электрической плитке при постоянном помешивании.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1)Рипан Р. Неорганическая химия: В 2-х т./Р. Рипан, И. Четяну; Перев. с рум. Д.Г. Батыра, Х.М. Харитона; Под ред. В.И. Спицына, И.Д. Колли. - М.: Издательство «Мир» 1972. - 2 т.

2)Кнунянц И.Л. Краткая химическая энциклопедия: В 5-ти т. / Ред. кол. И.Л. Кнунянц (отв. ред.) и др. - М.: Издательство «Советская Энциклопедия», 1967 - 5 т.

3)Лидин, Р.А. Химические свойства неорганических веществ: учеб. пособие для вузов / Р.А. Лидин, Молочко, Л.Л Андреева. Под ред. Р.А. Лидина.- М.: Химия, 2000 - 480 с.

4)Некрасов Б.В. Основы общей химии Т. I. изд. 3-е, испр. и доп. Издательство «Химия», 1973 - 656 с.

5)Реми Г. Курс неорганической химии в 2-х т. / Г. Реми; А.П. Григорьева, А.Г. Рыков; Под ред. А.В. Новоселовой. - М.: Издательство «Мир»,1966 - 2 т.

6)Паффенгольц К.Н. Геологический словарь: в 2-х т./ Ред. ком. К.Н. Паффенгольц (отв.ред.), Л.И. Боровиков, А.И. Жамайда, И.И. Краснов и др.-М.: Издательство «Недра», 1978 - 2 т.

7)Эфимов А.И. Свойства неорганических соединений. Справочник / А.И. Ефимов и др. - Л.: Химия, 1983 - 392 с.

8)Брауэр Г. Руководство по неорганическому синтезу: в 6 т. Пер. с нем./ Под ред. Г Брауэр. - М.: Издательство «Мир», 1985 - 6 т.

9)Карякин Ю.В. Чистые химические реактивы / Ю.В. Карякин, И.И. Ангелов. - М.: Государственная научно-техническое издательство химической литературы, 1955 - 585 с.

10)Ключников Н.Г. Практикум по неорганическому синтезу. - М.: Издательство «Просвещение» , 1979 - 271 с.

11)Терентьева Е.А. Неорганические синтезы: В 2-х т. / Пер. с англ. Е.А. Терентьевой, под ред. Д.И. Рябчикова, - М.: Издательство иностранной литературы, 1951 - 2т.

12)Глинка Н.Л. Общая химия: Учебное пособие для вузов. - 23-е изд., испр./ Под ред. В.А. Робиновича. - Л.: Химия 1983-704 с.: ил.

13)Захаров Л.Н. Начала техники лабораторных работ. - Л.: Химия, 1981 - 192 с.

14)Спицын В.И. Неорганическая химия. Ч. I: Учебник - М.: Издательство МГУ, 1991 - 480 с.: ил.

15)Рабинович В.А. Краткий химический справочник. - Л.: Химия, 1977.

16)Ахметов Н.С. Общая и неорганическая химия. - М.: Высшая школа, 2004.

17)Карапетянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. - М.: Химия, 1981.

18)Практикум по общей и неорганической химии / Под ред. Воробьева А.А., Дракина С.И. - М.: Химия, 1984.

19)Жарский И.М., Новиков Г.И. Физические методы исследования в неорганической химии. - М.: Высшая школа, 1988.

20)Краснов К.С. Молекулы и химическая связь. - М.: Высшая школа, 1974.

21)Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Основы неорганической химии. - М.: Издательство «Мир», 1979.

22)Исидоров В.А. Экологическая химия. - СПб.: Химиздат, 2001.

23)Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая химия. Ч. 1 M.: Мир, 1969.

24)Ливер Э. Электронная спектроскопия неорганических соединений, М.: Мир, 1987, 2 т.

25)Лидин Р.А. и др. Химические свойства неорганических веществ. - 3-е изд., испр. - М.: Химия, 2000 - 480 с.

26)Трифонов Д.Н., Трифонов В.Д. Как были открыты химические элементы - М.: Просвещение, 1980.

27)Химия: Справ. изд. / В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. 2-е изд., стереотип. -- М.: Химия, 2000.

Размещено на Allbest.ru