Большая Советская Энциклопедия (ЖЕ) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ" (серия книг .txt) 📗

  Физические свойства Ж. зависят от его чистоты. В промышленных железных материалах Ж., как правило, сопутствуют примеси углерода, азота, кислорода, водорода, серы, фосфора. Даже при очень малых концентрациях эти примеси сильно изменяют свойства металла. Так, сера вызывает т. н. красноломкость, фосфор (даже 10^-20% Р) — хладноломкость; углерод и азот уменьшают пластичность, а водород увеличивает хрупкость Ж. (т. н. водородная хрупкость). Снижение содержания примесей до 10^-7—10^-9% приводит к существенным изменениям свойств металла, в частности к повышению пластичности.

  Ниже приводятся физические свойства Ж., относящиеся в основном к металлу с общим содержанием примесей менее 0,01% по массе:

  Атомный радиус 1,26

  Ионные радиусы Fe²⁺O,80

  Плотность (20^oC) 7,874 г/см³

  t_пл 1539°С

  t_kип около 3200^оС

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

  Теплопроводность (25°С) 74,04 вт/(м·К)

  [0,177 (кал/см·сек·град)]

  Теплоёмкость Ж. зависит от его структуры и сложным образом изменяется с температурой; средняя удельная теплоёмкость (0-1000^oC) 640,57 дж/(кг·К) [0,153 кал/ (г·град)].

  Удельное электрическое сопротивление (20°С)

  9,7·10^-8ом·м [9,7·10^-6ом·см]

  Температурный коэффициент электрического сопротивления

  (0—100°С) 6,51·10^-3

  Модуль Юнга 190—210·10³Мн/м.²

  (19-21·10³кгс/мм²)

  Температурный коэффициент модуля Юнга

  4·10^-6

  Модуль сдвига 84,0·10³Мн/м² [8,4·10³кгс/мм²]

  Кратковременная прочность на разрыв

  170-210Мн/м²[17-21кгс/мм²]

  Относительное удлинение 45—55%

  Твёрдость по Бринеллю 350—450 Мн/м²

  [35—45 кгс/мм²]

  Предел текучести 100Мн/м²[10 кгс/мм²]

  Ударная вязкость 300 Мн/м² [30 кгс/мм²]

  Конфигурация внешней электронной оболочки атома Fe 3d⁶4s². Ж. проявляет переменную валентность (наиболее устойчивы соединения 2- и 3-валентного Ж.). С кислородом Ж. образует закись FeO, окись Fe₂O₃ и закись-окись Fe₃O₄ (соединение FeO с Fe₂O₃, имеющее структуру шпинели). Во влажном воздухе при обычной температуре Ж. покрывается рыхлой ржавчиной (Fe₂O₃·nH₂O). Вследствие своей пористости ржавчина не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и поэтому не предохраняет его от дальнейшего окисления. В результате различных видов коррозии ежегодно теряются миллионы тонн Ж. (см. Коррозия металлов). При нагревании Ж. в сухом воздухе выше 200°С оно покрывается тончайшей окисной плёнкой, которая защищает металл от коррозии при обычных температурах; это лежит в основе технического метода защиты Ж. — воронения. При нагревании в водяном паре Ж. окисляется с образованием Fe₃O₄ (ниже 570°С) или FeO (выше 570°С) и выделением водорода.

  Гидроокись Fe (OH)₂ образуется в виде белого осадка при действии едких щелочей или аммиака на водные растворы солей Fe²⁺ в атмосфере водорода или азота. При соприкосновении с воздухом Fe (OH)₂ сперва зеленеет, затем чернеет и наконец быстро переходит в красно-бурую гидроокись Fe (OH)₃. Закись FeO проявляет основные свойства. Окись Fe₂O₃ амфотерна и обладает слабо выраженной кислотной функцией; реагируя с более основными окислами (например, с MgO), она образует ферриты — соединения типа Fe₂O₃·nMeO, имеющие ферромагнитные свойства и широко применяющиеся в радиоэлектронике. Кислотные свойства выражены и у 6-валентного Ж., существующего в виде ферратов, например K₂FeO₄, солей не выделенной в свободном состоянии железной кислоты.

  Ж. легко реагирует с галогенами и галогеноводородами, давая соли, например хлориды FeCl₂ и FeCl₃. При нагревании Ж. с серой образуются сульфиды FeS и FeS₂. Карбиды Ж. — Fe₃C (цементит) и Fe₂C (e-карбид) — выпадают из твёрдых растворов углерода в Ж. при охлаждении. Fe₃C выделяется также из растворов углерода в жидком Ж. при высоких концентрациях С. Азот, подобно углероду, даёт с Ж. твёрдые растворы внедрения; из них выделяются нитриды Fe₄N и Fe₂N. С водородом Ж. даёт лишь малоустойчивые гидриды, состав которых точно не установлен. При нагревании Ж. энергично реагирует с кремнием и фосфором, образуя силициды (например, Fe₃Si) и фосфиды (например, Fe₃P).

  Соединения Ж. с многими элементами (О, S и др.), образующие кристаллическую структуру, имеют переменный состав (так, содержание серы в моносульфиде может колебаться от 50 до 53,3 ат.%). Это обусловлено дефектами кристаллической структуры. Например, в закиси Ж. часть ионов Fe²⁺ в узлах решётки замещена ионами Fe³⁺; для сохранения электронейтральности некоторые узлы решётки, принадлежавшие ионам Fe²⁺, остаются пустыми и фаза (вюстит) в обычных условиях имеет формулу Fe_0,947O.

  Нормальный электродный потенциал Ж. в водных растворах его солей для реакции

  составляет — 0,44 в, а для реакции

  равен — 0,036 в. Т. о., в ряду активностей Ж. стоит левее водорода. Оно легко растворяется в разбавленных кислотах с выделением H₂ и образованием ионов Fe²⁺.

  Своеобразно взаимодействие Ж. с азотной кислотой. Концентрированная HNO₃ (плотность 1,45 г/см³) пассивирует Ж. вследствие возникновения на его поверхности защитной окисной плёнки; более разбавленная HNO₃ растворяет Ж. с образованием ионов Fe²⁺ или Fe³⁺, восстанавливаясь до MH₃ или N₂O и N₂.

  Растворы солей 2-валентного Ж. на воздухе неустойчивы — Fe²⁺ постепенно окисляется до Fe³⁺. Водные растворы солей Ж. вследствие гидролиза имеют кислую реакцию. Добавление к растворам солей Fe³⁺ тиоцианат-ионов SCN^- даёт яркую кроваво-красную окраску вследствие возникновения Fe (SCN)₃, что позволяет открывать присутствие 1 части Fe³⁺ примерно в 10⁶ частях воды. Для Ж. характерно образование комплексных соединений.

  Получение и применение. Чистое Ж. получают в относительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его окислов. Разрабатывается способ непосредственного получения Ж. из руд электролизом расплавов. Постепенно увеличивается производство достаточно чистого Ж. путём его прямого восстановления из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах.