Желе́зо — химический элемент 8-й группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26.
1‑я: 759,1 (7,893)[2] кДж/моль (эВ)
2‑я: (16,183) кДж/моль (эВ)
3‑я: (30,65) кДж/моль (эВ) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) 7,874 г/см3 Температура плавления 1812 K (1538,85 °C) Температура кипения 3134 K (2861 °C) Мол. теплота плавления 247,1 кДж/кг 13,8 кДж/моль Мол. теплота испарения ~6088 кДж/кг ~340 кДж/моль Молярная теплоёмкость 25,14[5] Дж/(K·моль) Молярный объём 7,1 см3/моль Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Кубическая объёмноцентрированная Параметры решётки 2,866 Å Температура Дебая 460 K Прочие характеристики Теплопроводность (300 K) 80,4 Вт/(м·К) Номер CAS 7439-89-6 Эмиссионный спектр Наиболее долгоживущие изотопы Основная статья: Изотопы железа
Желе́зо (химический символ — Fe, от лат. Ferrum) — химический элемент 8-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы восьмой группы, VIIIB) четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 26.
Простое вещество железо — это ковкий переходный металл серебристо-белого цвета с высокой химической реакционной способностью: железо быстро корродирует на воздухе при высоких температурах или при высокой влажности. В чистом кислороде железо горит, а в мелкодисперсном состоянии самовозгорается на воздухе.
Один из самых распространённых в земной коре металлов: второе место после алюминия.
Собственно железом обычно называют его сплавы с малым содержанием примесей (до 0,8 %), которые сохраняют мягкость и пластичность чистого металла. На практике же чаще применяются сплавы железа с углеродом: сталь (до 2,14 вес. % углерода) и чугун (более 2,14 вес. % углерода) с добавками легирующих элементов (марганец, кремний и др.), а также высоколегированные стали со значительным содержанием легирующих металлов (хром, никель, кобальт, молибден и др.). Совокупность специфических свойств железа и его сплавов, а также доступность делают его «металлом № 1» по важности для человека.
В природе железо редко встречается в чистом виде, чаще всего — в составе железо-никелевых метеоритов. Распространённость железа в земной коре — 4,7 %[3] (4-е место после O, Si, Al[6]). Считается также, что железо составляет бо́льшую часть земного ядра, что проявляется в наличии магнитного поля Земли.
Происхождение названия
Праславянское *želězo (бел. жалеза, укр. залізо, ст.‑слав. желѣзо, болг. желязо, сербохорв. жељезо, пол. żelazo, чеш. železo, словен. železo) имеет ясные параллели в балтийских языках (лит. geležis, латыш. dzelzs). Слово является однокоренным словам «железа» и «желвак»; и имеет смысл «округлый камень, окатыш, блямба»[7].
Имеется несколько версий дальнейшей этимологии этого балтославянского слова.
Одна из них связывает праслав. *želězo с греческим словом χαλκός, что означало «железо» и «медь»; согласно другой версии, *želězo родственно словам *žely «черепаха» и *glazъ «скала», с общей семой «камень»[8][9]. Третья версия предполагает древнее заимствование из неизвестного языка[10].
Романские языки (итал. ferro, фр. fer, исп. hierro, порт. ferro, рум. fier) продолжают лат. ferrum. Латинское ferrum (< *ferzom), возможно, заимствовано из какого-то восточного языка, скорее всего, из финикийского. Ср. ивр. barzel, шумерск. barzal, ассирийск. parzilla[11].
Германские языки заимствовали название железа (гот. eisarn, англ. iron, нем. Eisen, нид. ijzer, дат. jern, швед. järn) из кельтских[12].
Пракельтское слово *isarno- (> др.-ирл. iarn, др.-брет. hoiarn), вероятно, восходит к праиндоевр. *h1esh2r-no- «кровавый» с семантическим развитием «кровавый» > «красный» > «железо». Согласно другой гипотезе, слово восходит к праиндоевр. *(H)ish2ro- «сильный, святой, обладающий сверхъестественной силой»[13].
Древнегреческое слово σίδηρος (sideros), возможно, происходит от той же основы, что и славянские, германские и балтийские слова, обозначающие «серебро»[14].
История
Содержимое этого раздела нуждается в чистке. Текст содержит много маловажных, неэнциклопедичных или устаревших подробностей, или не относящееся к теме статьи. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. (24 октября 2024) Основная статья: История железаЖелезо как инструментальный материал известно с древнейших времён. Самые древние изделия из железа, найденные при археологических раскопках, датируются 4-м тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизациям. Это изготовленные из метеоритного железа, то есть сплава железа и никеля (содержание последнего колеблется от 5 до 30 %), украшения из египетских гробниц (около 3800 года до н. э.)[15][16] и кинжал из шумерского города Ура (около 3100 года до н. э.).[17]
Первыми освоили метод выплавки железа хатты. На это указывает древнейшее (2-е тысячелетие до н. э.) упоминание железа в текстах хеттов, основавших свою империю на территории хаттов (современной Анатолии в Турции)[18].
В древности мастерами железных изделий считались халибы[19].
В самой глубокой древности железо ценилось дороже золота, и по описанию Страбона, у африканских племён за 1 фунт железа давали 10 фунтов золота, а по исследованиям историка Г. Арешяна стоимости меди, серебра, золота и железа у древних хеттов были в соотношении 1 : 160 : 1280 : 6400.[20] В те времена железо использовалось как ювелирный металл, из него делали троны и другие регалии царской власти: например, в библейской книге Второзаконие описан «одр железный» рефаимского царя Ога[21].
По описаниям Гомера, хотя во время Троянской войны (примерно 1250 год до н. э.) оружие было в основном из меди и бронзы, но железо уже было хорошо известно и пользовалось большим спросом, хотя больше как драгоценный металл[22].
В библейской книге Иисуса Навина (Нав. 17:16 (ср. Судей (Суд. 14:4) описывается, что филистимляне (библейские «PILISTIM», а это были протогреческие племена, родственные позднейшим эллинам, в основном пеласги) имели множество железных колесниц, то есть в это время железо уже стало широко применяться в больших количествах.
В дальнейшем филистимляне научились строить более эффективные печи (в русском языке — горн, горнило) для производства стали, и применили меха для подачи воздуха. Уже римляне умели доводить температуру в печи до плавления стали (около 1400 °C, а чистое железо плавится при 1535 °C). При этом образуется чугун с температурой плавления 1100—1200 °C, очень хрупкий в твёрдом состоянии (даже не поддающийся ковке) и не обладающий упругостью стали.[23][неавторитетный источник] Первоначально его считали[кто?] вредным побочным продуктом (англ. pig iron, «свинское железо, чушки»), но потом обнаружилось[кем?], что при повторной переплавке в печи с усиленным продуванием через него воздуха чугун превращается в сталь хорошего качества, так как лишний углерод выгорает. Такой двухстадийный процесс производства стали из чугуна оказался более простым и выгодным, чем кричный, и этот принцип используется без особых изменений многие века и остаётся до сегодняшнего дня основным способом производства железных материалов[24].
Изотопы
Основная статья: Изотопы железаПриродное железо состоит из четырёх стабильных изотопов: 54Fe (изотопная распространённость 5,845 %), 56Fe (91,754 %), 57Fe (2,119 %) и 58Fe (0,282 %). Также известно более 20 нестабильных изотопов железа с массовыми числами от 45 до 72, наиболее устойчивые из которых — 60Fe (период полураспада по уточнённым в 2009 году данным составляет 2,6 миллиона лет[25]), 55Fe (2,737 года), 59Fe (44,495 суток) и 52Fe (8,275 часа); остальные изотопы имеют период полураспада менее 10 минут[26].
Изотоп железа 56Fe относится к наиболее стабильным ядрам: все следующие элементы могут увеличить энергию связи на нуклон путём распада, а все предыдущие элементы, в принципе, могли бы увеличить энергию связи на нуклон за счёт синтеза. Полагают, что железом оканчивается ряд синтеза элементов в ядрах нормальных звёзд (см. Железная звезда), а все последующие элементы могут образоваться только в результате взрывов сверхновых[27].
Геохимия железа
Железо — один из самых распространённых элементов во Вселенной, в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы и, 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 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86 % всего железа, а в мантии 14 %. Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002—0,02 мг/л. В речной воде его концентрация значительно выше — 2 мг/л.
Возникновение в природе
Железо является конечной точкой в череде превращений элементов друг в друга и в синтезе всё более тяжёлых элементов в процессе термоядерного выгорания у большинства звёзд во Вселенной. Именно этим и объясняется его высокое распространение в природе. Для образования более тяжёлых элементов, включая металлы, нужны более редкие и более катастрофические по масштабам Вселенной процессы — например, взрывы сверхновых звёзд или слияния нейтронных звёзд[28][29].
Геохимические свойства железа
Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро Земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe2O3 характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.
По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Ca2+ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.
