Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe2O3 + 3CО = 2Fe + 3CO2
возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.
Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие - клетку - и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый предельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун - это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.
Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.
Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.
Если содержание углерода в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).
Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.
Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.
Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.
4. Применение железа, его сплавов и соединений
Чугун и сталь являются сплавами железа с углеродом. Чугун содержит более 2,14% углерода, а сталь обычно содержит несколько десятых процентов углерода. Чугун также содержит небольшое количество кремния, фосфора и серы.
Различают серый чугун (содержит 2-3,5%C, а также,Si и Mn) – он не очень твердый, хорошо отливается в формы, хрупкий и при ударе легко раскалывается. Серый чугун идет на отливку машинных станин, маховых колес, канализационных труб, плит и т.п.
Чугун, в котором почти весь углерод содержится в виде цементита(Fe3C),тверже и беле серого чугуна, он называется белый чугун (содержит 2-3,5%C,Si>1%,Mn-1-1,5%). Белый чугун непосредственного применения не имеет и идет в предел на сталь.
Сталь, в отличие от чугуна, легко поддаётся ковке и прокатке. При быстром охлаждении она получается очень твердой, при медленном охлаждении мягкой. Мягкую сталь легко обрабатывают. Из неё делают гвозди, болты, проволоку, кровельное железо, детали машин. Из твердой стали изготавливают инструменты. Большое значение имеют в современной технике легированные стали. Они содержат так называемые легирующие элементы, к которым относятся хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам, марганец, медь, кремний и др. Легирующие элементы добавляются для придания стали определённых свойств.
На производстве используют стали со следующими легирующими элементами:
1. Стали, содержащие Cr, - твердые, устойчивые к коррозии. Используются для изготовления инструментов.
2. Стали, содержащие Ni,- вязкие, механически прочные, устойчивы к коррозии. Применяются для изготовления турбин, измерительных приборов, деталей, используемых при высоких температурах.
3. Стали, содержащие Mn, - обладают твердостью, механической прочностью, устойчивостью к ударениям, трению. Используются в деталях дробильных установок, для изготовления железнодорожных рельсов.
4. Стали, содержащие Ti, - жаростойки, обладают прочностью к высоким температурам, устойчивы к коррозии. Используется в самолётах, ракето- и судостроении.
5. Стали, содержащие вольфрам W, - твердые, жаропрочные и износоустойчивые. Используют для изготовления пил, фрез, штампов, нитей электрических ламп.
6. Стали, содержащие молибден Mo, - эластичные, жаростойкие, устойчивые к коррозии. Используются для изготовления лопастей турбин, броневых плит.
7. Стали, содержащие кремний Si, - обладают устойчивостью к кислотам. Используются для изготовления кислотоупорных автодеталей. Процесс насыщения кремнием называется цементацией.
8. Стали, содержащие ванадий V, - обладают высокой прочностью, упругостью, устойчивостью к ударам. Используется для изготовления деталей машин.
9. Азотированная сталь – обладает большей твердостью, чем цементированная. Выдерживает нагревание до 500 градусов, не теряя своей твердости. Используется для изготовления деталей машин.
Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа - чугун и сталь - составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа(III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.
5. Железо в организме
Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0,02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа(II) в железо(III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа - участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железа выполняет в составе сложных белков - гемопротеидов, простатической группой которых является железопорфириновый комплекс - гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталаза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4,2 г железа, в 1 л крови - около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.
6. Железо в корме
Железо обычно находится в кормах в виде иона Fe3+, который связан с белками или органическими кислотами. При участии аскорбиновой кислоты в желудке животного Fe3+ восстанавливается в Fe2+. Обычно лишь около 10% железа кормов абсорбируется в кишечнике, откуда оно поступает в печень, где частично депонируется в составе белка ферритина ( являющимся депо Fe3+).
Ферритин синтезируется печенью как гликопротеин, который может связывать более 4000 атомов железа на одну молекулу белка. Гемосидерин является нерастворимым соединением железа, производным ферритина; высокое содержание железа, производным ферритина; высокое содержание железа в тканях вызывает токсический эффект и приводит к гемохроматозу.
Другая часть железа, поступившего в организм, в составе трансферрина поступает в костный мозг на синтез гемма.
Роль железа в организме велика. Железо входит в структуру костной ткани, скорлупы. Железо находится в составе каталазы, пероксидаз, активных участников реакций биологического окисления. Как компонент гемоглобина и миоглобина, железо необходимо для транспорта кислорода и углекислоты. В частности, из общего количества железа в организме 60-70% составляет железо в составе гемоглобина. Как компонент цитохромов и негеминовых белков, железо необходимо для реакций окислительного фосфорилирования. Как компонент важного лизосомального фермента миелопероксидазы, железо участвует в фагоцитозе и разрушении бактерий нейтрофилами. Поэтому снижение доступности железа для данного фермента фагатоцитов может нарушить переваривающую способность этих клеток в отношении бактерий.
Железо необходимо для поддержания функций лимфоидных тканей, куда оно доставляется трансферрином, для связывания которого на наружной мембране клеток имеется специальные рецепторы; недостаток железа вызывает атрофию лимфоидных тканей средней степени.
У различных животных содержание железа в крови колеблется в широких пределах (в среднем от 13 до 39 мкМ), данные приведены в Приложении. Признаком недостаточности железа в организме является анемия (малокровие). Более часто анемия этой этиологии наблюдается у новорожденных поросят, поскольку в молоке свиноматок обычно низкий уровень этого элемента.
Недостаток железа у цыплят и индюшат приводит к гипохромной анемии. У цыплят красного оперения отмечают полную депигментацию оперения