Какая кристаллическая решетка у железа?

Железо атомная масса степень окисления валентность плотность температура кипения плавления физические химические свойства структура теплопроводность электропроводность кристаллическая решетка
Содержание

Какая кристаллическая решетка у железа?

Железо, свойства атома, химические и физические свойства

Железо, свойства атома, химические и физические свойства.

55,845(2) 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2

Железо — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26. Расположен в 8-й группе (по старой классификации — побочной подгруппе восьмой группы), четвертом периоде периодической системы.

Физические свойства железа

Атом и молекула железа. Формула железа. Строение атома железа:

Железо (лат. Ferrum) – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Fe и атомным номером 26. Расположен в 8-й группе (по старой классификации – побочной подгруппе восьмой группы), четвертом периоде периодической системы.

Железо – металл. Относится к группе переходных металлов. Относится к чёрным металлам .

Как простое вещество железо при нормальных условиях представляет собой ковкий, вязкий металл серебристо-белого цвета с сероватым оттенком с высокой химической реакционной способностью. Собственно железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. На практике чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода), а также нержавеющая (легированная) сталь с добавками легирующих металлов (хром, марганец, никель и др.).

Молекула железа одноатомна.

Химическая формула железа Fe.

Электронная конфигурация атома железа 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 . Потенциал ионизации (первый электрон) атома железа равен 762,47 кДж/моль (7,9024681(12) эВ).

Строение атома железа. Атом железа состоит из положительно заряженного ядра (+26), вокруг которого по четырем оболочкам движутся 26 электронов. При этом 24 электрона находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку железо расположено в четвертом периоде, оболочек всего четыре. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлена s- и р-орбиталями. Третья – внутренняя оболочка представлена s-, р- и d-орбиталями. Четвертая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внутреннем энергетическом уровне атома железа на 3d-орбитали находится два спаренных и четыре неспаренных электрона. На внешнем энергетическом уровне атома железа – на s-орбитали находится два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома железа состоит из 26 протонов и 30 нейтронов.

Радиус атома железа (вычисленный) составляет 156 пм.

Атомная масса атома железа составляет 55,845(2) а. е. м.

Железо – один из самых распространённых в земной коре металлов – занимает четвертое место. Содержание в земной коре железа составляет 6,3 % (по массе). По этому показателю железо уступает только кислороду, кремнию и алюминию.

Тип кристаллической решетки железа

Определение кристаллической решетки

Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме. Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.

Объемно-центрированная решетка

Строение кристаллической решетки металлов данного типа представляет собой следующую структуру. Это куб, в узлах которого находится восемь атомов. Еще один располагается в центре свободного внутреннего пространства ячейки, что и объясняет название «объемно-центрированная».

Это один из вариантов наиболее простого строения элементарной ячейки, а значит, и всей решетки в целом. Такой тип имеют следующие металлы:

  • молибден;
  • ванадий;
  • хром;
  • марганец;
  • альфа-железо;
  • бетта-железо и другие.

Основные свойства таких представителей — высокая степень ковкости и пластичности, твердость и прочность.

Виды кристаллических решеток

В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:

  • Ионная кристаллическая решетка.
  • Атомная кристаллическая решетка.
  • Молекулярная кристаллическая решетка.

    Металлическаякристаллическая решетка.
    Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.

    Атомно — кристаллическое строение металлов

    Внутреннее строение металлов и их характеристики определяют их физико-химические свойства. Электроны на внешних орбитах атомов слабо связаны с ядром и имеют отрицательный заряд. При наличии разницы потенциалов электроны мигрируют к положительному полюсу, создавая электрический ток. Это физическое явление обуславливает электропроводность.

    Кристаллическое строение свойственно металлам и их сплавам в твердом фазовом состоянии. Атомы выстраиваются в определенную объемную структуру, называемую кристаллической решеткой. Число атомов в вершинах и на гранях этой структуры, а также дистанция между ними определяют такие физические свойства металла, как электро- и теплопроводность, вязкость, текучесть и т.д. Кристаллическое строение металлов и сплавов может быть двух типов:

    • Межатомная дистанция одинакова по всем направлениям. Это так называемое изотропное строение. При этом физические свойства кристалла также одинаковы по всем направлениям.
    • Межатомное расстояние по горизонтали и по вертикали разное. Такой кристалл называют анизотропным, и его физические параметры меняются в зависимости от направления.

    Атомно-кристаллическое строение металлов

    В реальном куске металлов, составленному из множества изолированных кристаллических фрагментов, атомно кристаллическое строение принадлежит к третьему типу — квазиизотропному. В среднем свойства такого куска близки к изотропным. При выстраивании кристаллической решетки некоторые атомы не попадают на свое место, смещаются или теряются. В этом случае говорят о дефектах кристаллического строения металлов. Дефекты структуры отрицательно влияют на свойства изделия, особенно если оно должно быть монокристаллом, как, например, в электронике, лазерной технике и других отраслях высоких технологий.

    Атомная кристаллическая решетка

    Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления. Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.

    Типы кристаллических решеток

    Дистанцию соседними атомами называют параметром решетки, у разных металлов он составляет 2 — 6 ангстрем. Существуют три основных типа кристаллических решеток:

    • Кубическая: объемно-центрированная — включает в себя девять атомов. Свойственна железу, хрому, молибдену, и ванадию.
    • Кубическая гранецентрированная: включает в себя уже 14 атомов. Присуща меди, золоту, свинцу, алюминию.
    • Гексагональная: атомов уже 17 и размещены они наиболее плотно. Так кристаллизуются магний, цинк кадмий и другие.

    Уникальная возможность железа заключается в том, что до 910°С оно имеет кубическую объемно-центрированную структуру, а при нагреве свыше этой температуры переходит к гранецентрированной.

    Металлическая кристаллическая решетка

    Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.

    Атомная кристаллическая решётка

    В узлах находятся атомы, о чём и говорит название. Эти вещества очень крепкие и прочные, так как между частицами образуется ковалентная связь. Соседние атомы образуют между собой общую пару электронов (а, точнее, их электронные облака наслаиваются друг на друга), и поэтому они очень хорошо связаны друг с другом. Самый наглядные пример – алмаз, который по шкале Мооса обладит наибольшей твёрдостью. Интересно, что алмаз, как и графит, состоит из углевода. Графит является очень хрупким веществом (твёрдость по шкале Мооса – 1), что является наглядным примером того, как много зависит от вида.

    Читайте также  Какое масло используют для закалки стали?

    Атомная кр. решётка плохо распространена в природе, к ней относятся: кварц, бор, песок, кремний, оксид кремния (IV), германий, горный хрусталь. Для этих веществ характерна высокая температура плавления, прочность, а также эти соединения очень твёрдые и нерастворимые в воде. Из-за очень сильной связи между атомами, эти химические соединения почти не взаимодействуют с другими и очень плохо проводят ток.

    Кристаллические решетки, видео

    И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.

    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

    При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.

    Научно-популярный журнал Познавайка

    Эта статья доступна на английском – Crystal Lattice in Chemistry.

    Металлическая кристаллическая решётка

    Из-за наличия в узлах ионов, может показаться, что металлическая решетка похожа на ионную. На самом деле, это две совершенно разные модели, с разными свойствами.

    Металлическая гораздо гибче и пластичнее ионной, для неё характерна прочность, высокая электро- и теплопроводность, эти вещества хорошо плавятся и отлично проводят электрический ток. Это объясняется тем, что в узлах находятся положительно заряженные ионы металлов (катионы), которые могут перемещаться по всей структуре, тем самым обеспечивают течение электронов. Частицы хаотично движутся около своего узла (они не имеют достаточной энергии, чтобы выйти за пределы), но как только появляется электрическое поле, электроны образуют поток и устремляются из положительной в отрицательную область.

    Металлическая кристаллическая решётка характерна для металлов, например: свинец, натрий, калий, кальций, серебро, железо, цинк, платина и так далее. Помимо прочего, она подразделяется ещё на несколько типов упаковок: гексагональная, объёмно центрированная (наименее плотная) и гранецентрированная. Первая упаковка характерна для цинка, кобальта, магния, вторая для бария, железа, натрия, третья для меди, алюминия и кальция.

    Таким образом, от типа решётки зависят многие свойства, а также строение вещества. Зная тип, можно предсказать, к примеру, какой будет тугоплавкость или прочность объекта.

    Кристаллическая решетка железа

    Основными строительными блоками твердых веществ, таких как соль или лед, являются молекулы. Каждая молекула состоит из двух или более атомов, например, натрий+хлор (NaCl), как у поваренной соли и водород+кислород, как у льда (H2O). В металлах, однако, такими строительными блоками являются отдельные атомы металла: атомы железа (Fe) в железном прутке или меди (Cu) в медной проволоке. Каждое зерно на рисунке 1 есть то, что называется кристаллом. В кристалле, который состоит из атомов, все атомы однородно расположены по слоям. Как показано на рисунке 2, если провести линии, которые соединяют центры атомов, то трехмерные ряды маленьких кубиков заполнят все пространство, занимаемое отдельным зерном. Эту трехмерную структуру и называют кристаллической решеткой атомов.


    Рисунок 2 – Кристаллическая решетка железа

    Кристаллическое строение металлов. Типы кристаллических решеток

    Когда металл образует твердую структуру, то все его атомы стремятся занять такие положения в пространстве относительно друг друга, чтобы они соответствовали минимуму потенциальной энергии. Этому минимуму соответствует кристаллическая решетка.

    Под кристаллической решеткой понимают такую пространственную атомную структуру, которая может быть получена, если известны координаты ограниченного числа ее атомов и вектора их трансляции в пространстве. Указанное число атомов называется базисом решетки, а их положения образуют так называемую элементарную ячейку.

    Все металлы кристаллизуются в трех основных типах решеток:

    • гранецентрированная кубическая (ГЦК);
    • объемно-центрированная кубическая (ОЦК);
    • гексагональная плотноупакованная (ГПУ).

    Благодаря кристаллическому строению металлы обладают такими свойствами, как пластичностью, упругостью и металлическим блеском.

    Кристаллическая решетка феррита

    В железе при комнатной температуре эти кубики имеют атомы в каждой из восьми углов и один атом прямо в центре куба. Эту кристаллическую решетку называют объемноцентрированной, а геометрическое расположение атомов называют объемноцентрированной решеткой. Железо с объемноцентрированной кристаллической решеткой называют ферритом

    . Другое название для феррита – альфа-железо или α-железо.

    Решетки ГЦК, ОЦК, ГПУ

    Изучая кристаллическое строение металлов, охарактеризуем подробнее каждый тип кристаллической решетки. Начнем с ГЦК. Она показана ниже на рисунке.

    Как видно, это решетка представляет собой кубик, в котором атомы расположены в его вершинах и в центрах всех шести граней. Применяя методы кристаллографии, несложно показать, что для получения такой решетки в пространстве достаточно всего четырех атомов и векторов трансляций, совпадающих с ребрами куба.

    Примерами металлов, которые кристаллизуются в ГЦК, являются алюминий, медь, золото и серебро. Железо образует ГЦК решетку только при высоких температурах.

    ОЦК решетка показана ниже.

    Мы видим, что она соответствует кубику, в вершинах и в центре которого находится атом. Всего два атома необходимо, чтобы в прямоугольных декартовых координатах построить ОЦК решетку. Такие металлы, как ванадий, тантал, ниобий, вольфрам имеют именно эту кристаллическую структуру.

    Наконец, ГПУ решетка. Она представлена ниже на рисунке.

    Эта кристаллическая решетка металлов отличается от двух предыдущих тем, что она в пространстве образует не куб, а правильную шестиугольную призму, которая состоит из шести атомов. В данной структуре кристаллизуются такие элементы, как титан, цирконий, магний и кобальт.

    Какая кристаллическая решетка у железа?

    Строение металлов. Часть 2. |

    Имеют ли сплавы кристаллическую решетку и как она построена?

    Разберем сначала, как получают сплавы. Их получают путем сплавления одних металлов с другими или металлов с неметаллами. Многие расплавленные металлы хорошо растворяются один в другом и дают твердый раствор. Медь хорошо растворяется в никеле, свинец — в сурьме и т. д.

    Свойства сплава зависят.

    Их свойства зависят не только от того, какие химические элементы входят в состав сплава, но и от структуры сплава, т. е. от того, как построена кристаллическая решетка сплава. Изучение сплавов показало, что составные части сплава могут образовать либо механическую смесь, когда при затвердевании сплава отдельные, составляющие его вещества образуют кристаллы, равномерно распределяющиеся в толще всего металла, или химические соединения, т. е. когда один из металл образует новое вещество с новыми химическими и физическими свойствами.

    Механическая смесь.

    Что такое механическая смесь? Вы знаете, что такую смесь можно получить из порошка железа и серы, причем эти вещества легко можно отделить друг от друга. Например, при взбалтывании в воде сера всплывает на поверхность, а металлический порошок железа оседает на дно.

    Такого рода механические смеси встречаются и среди сплавов. Например, свинец и сурьма — это механическая смесь.

    Рис.7. Сплав свинца с сурьмой (схема структуры)

    Рассматривая такие сплавы в микроскоп, можно различить отдельные мельчайшие кристаллики свинца и сурьмы (рис. 7). Механическую смесь дает также алюминий с кремнием и висмут с кадмием. В твердых растворах металлы могут растворяться один в другом. При этом атомы одного металла равномерно распределяются в другом. При застывании атомы растворенного металла остаются рассеянными в другом металле, образуя твердый раствор. К таким растворам относят железо и углерод, железо и никель, железо и хром и др.

    Металлы и их соединения.

    Как же здесь построена кристаллическая решетка? Исследованиями многих ученых доказано, что твердые растворы могут быть построены по-разному. В том случае, когда твердый раствор содержит металлы, атомы которых имеют приблизительно одинаковые размеры, атомы растворенного металла не занимают каких-либо особых положений. Они замещают атомы растворителя в любом месте кристаллической решетки. Эти сплавы называют твердыми растворами замещения (рис. 8,а), к ним относятся сплавы железа с хромом, железа с никелем, железа с марганцем, сплав меди с никелем и кобальтом.

    Однако могут быть такие твердые растворы, когда атомы растворителя по своим размерам отличаются от атомов растворенного вещества. В этом случае атомы растворяющегося элемента внедряются в промежутки кристаллической решетки между атомами растворителя. Такого рода твердые растворы называют растворами внедрения (рис. 8,б). Чаще всего растворы внедрения образуются при сплавлении металлов с неметаллами.

    Железо

    Чистое железо (99,97%), очищенное методом электролиза

    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

    Две модификации кристаллической решетки железа

    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.
    Читайте также  Как опрессовать ГБЦ в домашних условиях?

    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 %. 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.
    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

    Кольцо из железа

    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.

    1.Металлы. Строение и свойства металлов. Металлическая связь. Типы кристаллических решёток металлов. Полиморфизм и анизотропия.

    Кубическая (1 атом на ячейку), а)

    Объемно-центрированная кубическая (ОЦК) (2 атома на ячейку), б)

    Гранецентрированная кубическая (ГЦК) (4 атома на ячейку), в)

    Гексагональная плотноупакованная (ГП) (6 атомов на ячейку), г)

    Рис. 2. Основные типы кристаллических решеток металлов

    Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубическая ячейка (рис. 2, б), в которой положительно заряженные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы.

    У ГЦК-решетки (рис. 2, в) элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. металлы.

    Третьей распространенной разновидностью плотноупакованных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 2, г). ГПУ-ячейка состоит из отстоящих друг от друга на параметр с параллельных центрированных гексагональных оснований. Три иона (атома) находятся на средней плоскости между основаниями.

    У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, берилий, титан и др.

    Компактность кристаллической решетки или степень заполненности ее объема атомами является важной характеристикой. Она определяется такими показателями как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность упаковки.

    Параметр решетки – это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки. Параметры решетки измеряется в нанометрах (1 нм = 10 -9 м =10 A). Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а.

    Читайте также  Аргонная сварка что это такое?

    Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра – сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а =1,633, то атомы упакованы наиболее плотно, и решетка называется гексагональной плотноупакованной (рис. 1, г). Некоторые металлы имеют гексагональную решетку с менее плотной упаковкой атомов (с/а > 1,633). Например, для цинка с/а = 1,86, для кадмия с/а = 1,88.

    Параметры а кубических решеток металлов находятся в пределах от 0,286 до 0,607 нм. Для металлов с гексагональной решеткой а лежит в пределах 0,228-0,398 нм, а с в пределах 0,357-0,652 нм.

    Параметры кристаллических решеток металлов могут быть измерены с помощью рентгеноструктурного анализа.

    При подсчете числа атомов в каждой элементарной ячейке следует иметь в виду, что каждый атом входит одновременно в несколько ячеек. Например, для ГЦК-решетки, каждый атом, находящийся в вершине куба, принадлежит 8 ячейкам, а атом, центрирующий грань, двум. И лишь атом, находящийся в центре куба, полностью принадлежит данной ячейке.

    Рис. 3. Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А: а) – объемноцентрированная кубическая (К 8); б) – гранецентрированная кубическая (К 12); в) – гексагональная плотноупакованная (Г 12)

    Таким образом, ОЦК- и ГЦК-ячейки содержат соответственно 2 и 4 атома.

    Под координационным числом понимается количество ближайших соседей данного атома.

    В ОЦК решетке (рис. 3, а

    ) атом
    А
    (в центре) находится на наиболее близком равном расстоянии от восьми атомов, расположенных в вершинах куба, т. е. координационное число этой решетки равно 8 (К 8).

    В ГЦК решетке (рис. 3, б)

    атом
    А
    (на грани куба) находится на наиболее близком равном расстоянии от четырех атомов
    1
    ,
    2, 3, 4,
    расположенных в вершинах куба, от четырех атомов
    5, 6, 7, 8,
    расположенных на гранях куба, и, кроме того, от четырех атомов
    9, 10, 11, 12,
    принадлежащих расположенной рядом кристаллической ячейке. Атомы
    9, 10, 11, 12
    симметричны атомам
    5
    ,
    6, 7, 8.
    Таким образом, ГЦК решетки координационное число равно 12 (К 12).

    В ГПУ решетке при с/а =

    1,633 (рис. 3,
    в
    ) атом
    А
    в центре шестигранного основания призмы находится на наиболее близком равном расстоянии от шести атомов
    1
    ,
    2, 3, 4, 5, 6,
    размещенных в вершинах шестигранника, и от трех атомов
    7, 8, 9,
    расположенных в средней плоскости призмы. Кроме того, атом
    А
    оказывается на таком же расстоянии еще от трех атомов
    10, 11, 12,
    принадлежащих кристаллической ячейке, лежащей ниже основания. Атомы
    10, 11, 12
    симметричны атомам
    7, 8, 9.
    Следовательно, для ГПУ решетки координационное число равно 12 (Г 12).

    Плотность упаковки представляет собой отношение суммарного объема, занимаемого собственно атомами в кристаллической решетке, к ее полному объему. Различные типы кристаллических решеток имеют разную плотность упаковки атомов. В ГЦК решетке атомы занимают 74 % всего объема кристаллической решетки, а межатомные промежутки (“поры”) 26 %. В ОЦК решетке атомы занимают 68 % всего объема, а “поры” 32 %. Компактность решетки зависит от особенностей электронной структуры металлов и характера связи между их атомами.

    От типа кристаллической решетки сильно зависят свойства металла.

    У некоторых металлов кристаллическая решетка может изменяться при изменении температуры. Это явление называется полиморфизмом

    или
    аллотропией
    . Полиморфизм может вызывать изменение свойств.

    Общее строение

    Металлы – твёрдые вещества, имеющие кристаллическое строение. Исключение составляет ртуть – жидкий металл. Кристаллические решётки представляют собой упорядоченные определённым образом атомы металла. Каждый атом состоит из положительно заряженного ядра и нескольких отрицательно заряженных электронов. В атомах металлов недостаточно электронов, поэтому они являются ионами.

    Единица кристаллической решётки – элементарная кристаллическая ячейка, в условных узлах и на гранях которой находятся положительно заряженные ионы. Их удерживают вместе металлические связи, возникающие за счёт беспорядочного движения отделившихся от атомов электронов (благодаря чему атомы превратились в ионы).

    Рис. 1. Схема металлической связи.

    Свободное движение электронов обусловливает электро- и теплопроводность металлов.

    ЖЕЛЕЗО — металл № 1 в мире

    Первым железом, который попал в руки человека, был металл метеоритного происхождения. Люди уже умели плавить металлы, и быстро оценили преимущества звездного металла. Потом железосодержащие минералы обнаружили на земле. Изделия из этого металла настолько изменили жизнь, что эпоху после Бронзового века назвали Железным веком.

    История

    История железа уходит в тысячелетия. Около 3500 лет назад, как писал А. Азимов,

    «техника выплавки … железа была разработана в кавказских предгорьях».

    Там находилось Хеттское царство. Воинственные хетты охраняли секрет выплавки пуще глаза, потому цена железа бывала выше цен на золото в десятки раз. Владеющие железным оружием почти автоматически выходили победителями в боях. А войны в основном шли за территории.

    С изобретением сварного оружия пришел век чёрного металла.

    Свойства

    Железо (Ferrum, в формулах обозначается Fe) — химически активный элемент, относится к металлам. В таблице Менделеева имеет атомный № 26. Ferrum — черный металл.

    Физические характеристики сильно зависят от чистоты металла.

    Железо имеет 4 модификации; их различие в структуре и кристаллической решетке.

    Химические свойства железа:

    1. Степени окисления +2, +3.
    2. В присутствии влаги воздуха корродирует, причем слой ржавчины не мешает дальнейшему разрушению металла. Постоянной формулы ржавчина не имеет, общая ее формула Fe2O3·x H2O.
    3. Концентрированные растворы H2SO4 и HNO3 пассивируют поверхность железа, образуют оксидную пленку.
    4. При взаимодействии с неметаллами образуют нитриды, фосфиды, силициды, карбиды железа.
    5. Реагирует с металлами, восстанавливая их из растворов солей.
    6. Железная кислота в свободном виде не существует; ее соли — ферраты — обладают сильными окислительными свойствами. Эти свойства используют для обеззараживания воды.

    Минералы

    Железа в виде соединений и минералов на Земле много. Это второй по распространенности металл.

    Железосодержащие минералы Название, содержание Fe (в %%)
    Гематит (красный железняк) До 70
    Магнетит (магнитный железняк) 72
    Сидерит 35
    Марказит Больше 46
    Миспикель 34
    Гётит 62,9

    Железные руды делятся на 11 промышленных типов.

    Получение металла

    Есть несколько способов получения железа:

    1. Прямые способы. Это производство губчатого железа в шахтных и тоннельных печах. Производство железной крицы во вращающихся печах. Возможно получение железа в реакторах кипящего слоя и химико-термический способ.
    2. Доменный процесс — распространенный метод. Железная руда и флюс восстанавливаются углеродом кокса, в результате получаем чугун. При надобности из чугуна удаляют примеси (фосфор, сера) и избытки углерода в мартеновских печах или в конвертерах. Легированную сталь получают в электрических печах (ЭПС).
    3. Химически чистое железо можно получить из раствора его солей с помощью электролиза.

    Плюсы и минусы

    Множество достоинств, но и недостатков не меньше.

    Достоинства Недостатки
    Легкая механическая обработка Высокая плотность; изделия получаются тяжелыми
    Твердость, упругость, прочность — лучшие свойства сплавов Коррозия металла в присутствии влаги
    Возможность получать заданные свойства сплавов при добавлении малого количества примесей Склонность к электрохимическому корродированию

    Ковкость дает возможность производить декоративные изделия.

    Сплавы

    Ориентироваться в море сплавов железа (сталей, чугунов) помогает маркировка. Она поможет определить состав сплава, количество углерода и легирующие элементы, отличить их свойства.

    Стали делят по применению:

    Вид и марки стали Применение
    Строительная Ст0-3 Вторичные элементы конструкций, малоответственные делали (перила, настилы)
    Строительная Ст3 Можно использовать для несущих конструкций, но при плюсовых температурах
    Конструкционная Ст20 Малонагруженные детали
    Легированная 10ХСНД Используют в сварных конструкциях судо- и вагоностроения, химическом машиностроении
    Легированная 18ХГТ Выдерживает ударные нагрузки, высокое давление
    Легированная 09Г2С Для работы под давлением, при температурах от -70 до +450 градусов.

    Применение

    Более 90% всего металлургического производства занимает железо и его сплавы.

    Применение соединений железа:

    • двух- и трехвалентное железо используют в качестве коагулянта в системах водоочистки;
    • аноды в железо-никелевых и железо-воздушных аккумуляторах изготовлены из самого известного черного металла;
    • магнетит в виде ультрадисперсного порошка применяют в черно-белых лазерных принтерах;
    • FeCl3 применяют радиолюбители (травят печатные платы);
    • магнетит незаменим в изготовлении носителей памяти (жесткие диски).

    Для большинства организмов без железа нет жизни; при его помощи кислород доставляется к каждой клетке организма. Недостаток железа влечет за собой хлорозы у растений и железодефицитные анемии у животных.

    Купить — в листах и порошке

    Цена листового железа 26900 руб/тонну; порошок ПЖР от 85 рублей за килограмм.

    Мне 42 года и я специалист в области минералогии. Здесь на сайте я делюсь информацией про камни и их свойства — задавайте вопросы и пишите комментарии!

  • Оцените статью
    Добавить комментарий