ЖЕЛЕ́ЗО

ЖЕЛЕ́ЗО (лат. Ferrum; англ. Iron), Fe, хи­мич. эле­мент VIII груп­пы ко­рот­кой фор­мы (8-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы; ат. н. 26, ат. м. 55,845. В при­ро­де че­ты­ре ста­биль­ных изо­топа: $\ce {^{54}Fe}$ (5,845%), $\ce {^{56}Fe}$ (91,754%), $\ce {^{57}Fe}$ (2,119%), $\ce {^{58}Fe}$ (0,282%); ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 45–72.

Распространённость в природе

Ж. – один из са­мых рас­про­стра­нён­ных эле­мен­тов на Зем­ле: со­дер­жа­ние в зем­ной ко­ре 4,65% по мас­се. Об­ра­зу­ет св. 300 ми­не­ра­лов (см. Же­лез­ные ру­ды), наи­бо­лее важ­ные из ко­то­рых ге­ма­тит, маг­не­тит, гё­тит, си­де­рит, пир­ро­тин, пи­рит, иль­ме­нит. Ж. встре­ча­ет­ся в при­ро­де в сво­бод­ном ви­де (см. Же­ле­зо са­мо­род­ное, Же­лез­ные ме­тео­ри­ты); кон­цен­три­ру­ет­ся гл. обр. в ульт­ра­ос­нов­ных и ос­нов­ных по­ро­дах. В био­сфе­ре Ж. вос­ста­нав­ли­ва­ет­ся до сте­пе­ни окис­ле­ния +2 и на­ка­п­ли­ва­ет­ся в оса­доч­ных по­ро­дах. Под дей­ст­ви­ем ки­сло­ро­да воз­ду­ха Ж. при­об­ре­та­ет сте­пень окис­ле­ния +3 и вхо­дит в со­став раз­но­вид­но­стей суг­лин­ка, гли­ны, пес­ка крас­но­го, бу­ро­го и жёл­то­го цве­та. При­сут­ст­ву­ет в при­род­ных во­дах; осо­бен­но мно­го Ж. в ви­де ка­тио­нов $\ce {Fe^{2+}}$ со­дер­жит­ся в во­дах ми­нер. ис­точ­ни­ков (до 100 мг/дм³). Ж. – жиз­нен­но важ­ный эле­мент для всех ор­га­низ­мов – вхо­дит в со­став разл. бел­ков (напр., гемо­гло­би­нов, фер­ри­ти­на), фер­мен­тов (напр., ка­та­ла­зы, ци­то­хро­мов). В ор­га­низ­ме взрос­ло­го че­ло­ве­ка со­дер­жит­ся 4–5 г Ж., из них 65% – в ге­мо­гло­би­не кро­ви; Ж. на­ка­п­ли­ва­ет­ся так­же в пе­че­ни, ко­ст­ном моз­ге и се­лезёнке.

Исторические сведения

Кинжал и остатки ножен из Аладжа-Хююка. Железо, золото. 2-я пол. 3-го тыс. до н. э. Музей Анатолийской цивилизации (Анкара).

Са­мые ран­ние из­де­лия из Ж. (ок. 5000 до н. э.) най­де­ны в Са­мар­ре (Сев. Ме­со­по­та­мия) и Си­ал­ке (Сев. Иран). В ран­нем и сред­нем брон­зо­вом ве­ке (2-я пол. 4-го – 3-е тыс.) же­лез­ные и би­ме­тал­лич. ору­дия и ук­ра­ше­ния (кин­жа­лы, но­жи, тёс­ла, коль­ца, обой­ми­цы и др.) из­вест­ны в Ана­то­лии (Алад­жа-Хю­юк), на юге Вост. Ев­ро­пы (ям­ная куль­ту­ра), в Сая­но-Ал­тай­ском на­го­рье (афа­нась­ев­ская куль­ту­ра). Они из­го­тов­ле­ны из ме­тео­рит­но­го Ж. с вы­со­ким со­дер­жа­ни­ем ни­ке­ля ме­то­дом ков­ки. У ко­чев­ни­ков брон­зо­во­го ве­ка из­де­лия из Ж. свя­за­ны с элит­ны­ми по­гре­бе­ния­ми. В кур­ган­ном мо­гиль­ни­ке у с. Бол­ды­ре­во в Орен­бург­ской обл. (ям­ная куль­ту­ра), об­на­ру­же­на се­рия из­де­лий из Ж., из­го­тов­лен­ных из ме­тео­ри­тов раз­ных ти­пов. Об­ра­бот­ка ме­тео­рит­но­го Ж. не при­ве­ла к воз­ник­но­ве­нию ме­тал­лур­гии. Ж., на это ука­зы­ва­ет и эти­мо­ло­гия сло­ва «Ж.» (егип. «же­ле­зо не­ба», хетт­ское «чёр­ное же­ле­зо не­ба»).

Первые свидетельства о ме­тал­лур­гии (вы­плав­ке из ру­ды) Ж. относятся к сред­нему брон­зо­вому ве­ку. Пер­вое из­де­лие из ме­тал­лур­гич. (крич­но­го) Ж. – би­ме­тал­лич. нож из по­гре­бе­ния ка­та­комб­ной куль­ту­ры у с. Ге­ра­си­мов­ка Бел­го­род­ской обл. кон. 3-го тыс. (воз­мож­но, вве­зе­но с Зап. Кав­ка­за).

Гео­гра­фия на­хо­док из Ж. позд­не­го брон­зо­во­го ве­ка (2-е тыс. до н. э.) рас­ши­ря­ет­ся (Ближ­ний Вос­ток, Иран, Кав­каз, Зап. Си­бирь, Ка­зах­стан, Ки­тай, Ин­дия, Ев­ро­па, кро­ме её сев. рай­онов, Сев. Аф­ри­ка и, воз­мож­но, Тро­пи­че­ская Аф­ри­ка). Из­де­лия из Ж. про­дол­жа­ли быть ред­ко­стью и об­ла­да­ли зна­чит. цен­но­стью. На Ближ­нем Вос­то­ке стои­мость Ж. в 35–40 раз пре­вос­хо­ди­ла стои­мость се­реб­ра. Из Ж. здесь из­го­тав­ли­ва­ли гл. обр. ук­ра­ше­ния, пред­ме­ты куль­то­во­го и пре­стиж­но­го ха­рак­те­ра. В степ­ных и ле­со­степ­ных рай­онах Вост. Ев­ро­пы ко­ли­че­ст­во же­лез­ных и би­ме­тал­лич. ору­дий по­сте­пен­но воз­рас­та­ет к кон­цу брон­зо­во­го ве­ка (по­сле 13–12 вв. до н. э.). Воз­мож­но, Ж. по­лу­ча­ли в ка­че­ст­ве со­пут­ст­вую­ще­го про­дук­та при плав­ке суль­фид­ной мед­ной ру­ды (халь­ко­пи­рит и др.).

Пер­вые письм. сви­де­тель­ст­ва о вы­ра­бот­ке и ис­поль­зо­ва­нии Ж. и ста­ли до­шли до нас из тек­стов, свя­зан­ных с хет­та­ми и Ми­тан­ни. Из них сле­ду­ет, что уже хат­ты зна­ли Ж. («текст Анит­ты», 18 в.). Пер­вое сви­де­тель­ст­во о крич­ном Ж. от­но­сит­ся к 15 в. (ар­хив в Телль-эль-Амар­не и др.). В хетт­ском по­сла­нии 13 в. фи­гу­ри­ру­ет тер­мин «хо­ро­шее же­ле­зо» (ве­ро­ят­но, сталь). В Ки­тае Ж. впер­вые упо­ми­на­ет­ся в свя­зи с да­нью ми­фич. имп. Яоу.

Рас­про­стра­не­ние ме­тал­лур­гии Ж. и ши­ро­кое ис­поль­зо­ва­ние же­лез­ных из­де­лий свя­за­но с осо­бой эпо­хой че­ло­ве­че­ской ис­то­рии – же­лез­ным ве­ком.

Изготовление железных наконечникову самбуру (Кения).

В тра­диц. куль­ту­рах вы­плав­ка и об­ра­бот­ка Ж., как од­ни из са­мых слож­ных тех­но­ло­гич. про­цес­сов, тре­бую­щих вы­со­кой сте­пе­ни спе­циа­ли­за­ции, вос­при­ни­ма­лись как сверхъ­ес­теств. спо­соб­ность, пе­ре­да­вав­шая­ся по на­след­ст­ву. Ме­тал­лур­ги и куз­не­цы за­ни­ма­ли изо­ли­ро­ван­ное по­ло­же­ние в об­ще­ст­ве, они мог­ли вы­пол­нять функ­ции жре­цов, зна­ха­рей, про­во­дить об­ре­за­ние, ино­гда их вы­де­ля­ли в при­ви­ле­ги­ро­ван­ную или, на­про­тив, низ­шую кас­ту (Зап. Аф­ри­ка, Юж. Си­бирь, Ин­дия и Шри-Лан­ка, Ир­лан­дия и др.); у бу­рят куз­не­цы, по­доб­но ша­ма­нам, де­ли­лись на «бе­лых» и «чёр­ных». В ми­фо­ло­гии куз­нец пред­ста­ёт обыч­но в ро­ли де­ми­ур­га, из­го­то­ви­те­ля вол­шеб­ных пред­ме­тов и т. п. (др.-греч. Ге­фест, фин. Иль­ма­ри­нен, груз. Пир­ку­ши, герм. Вё­лунд, осет. Кур­да­ла­гон и др.), тес­но свя­зан­но­го с ог­нём и не­бом, от­ку­да его род­ст­во с бо­гом-гро­мов­ни­ком. С др. сто­ро­ны, ми­фо­ло­гич. об­раз куз­не­ца свя­зы­ва­ет­ся с под­зем­ным ми­ром и хто­нич. пер­со­на­жа­ми (кар­ли­ки у гер­ман­цев). Же­лез­ные пред­ме­ты час­то ис­поль­зу­ют­ся как ма­гич. обе­ре­ги.

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма Ж. $3d^64s^2$; в со­еди­не­ни­ях обыч­но про­яв­ля­ет сте­пе­ни окис­ле­ния +2, +3, ре­же +1, +4, +6, +8; энер­гии ио­ни­за­ции $\ce{Fe^0 → Fe+ → Fe^2+ → Fe^3+}$ со­от­вет­ст­вен­но рав­ны 7,893, 16,183, 30,65 эВ; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,83; атом­ный ра­ди­ус 140 пм; ион­ные ра­диу­сы $\ce {Fe^2+}$ 92 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6), $\ce{Fe^3+}$ 79 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6).

Ж.– бле­стя­щий се­реб­ри­сто-бе­лый пла­стич­ный ков­кий ме­талл. При нор­маль­ном дав­ле­нии су­ще­ст­ву­ет в ви­де че­ты­рёх кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ций: до 769 °С ус­той­чи­во фер­ро­маг­нит­ное $\ce {α-Fe}$ с ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ров. ре­шёт­кой, при 769 °С (точ­ка Кю­ри) $\ce {α-Fe}$ без из­ме­не­ния па­ра­мет­ров ре­шёт­ки ста­но­вит­ся па­ра­маг­нит­ным $\ce {β-Fe}$, ко­то­рое ус­той­чи­во в ин­тер­ва­ле от 769 до 917 °С; в ин­тер­ва­ле от 917 до 1394 °С су­ще­ст­ву­ет $\ce{γ-Fe}$ (ку­бич. гра­не­цен­три­ров. ре­шёт­ка); вы­ше 1394 °С – $\ce {δ-Fe}$ (ку­бич. объ­ём­но­цен­три­ров. ре­шёт­ка); при вы­со­ком дав­ле­нии об­ра­зу­ет­ся $\ce {ε-Fe}$ (гек­са­го­наль­ная плот­но­упа­ко­ван­ная ре­шёт­ка); $t_{пл}$ 1538 °C; $t_{кип}$ 2861 °C; при 273 К плот­ность 7874 кг/м³, удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние 9,71·10^–8 Ом·м, те­п­ло­про­вод­ность 74,0  Вт/(м·К). До­бав­ка к Ж. да­же очень ма­лых (ок. 0,01%) ко­ли­честв др. химич. эле­мен­тов су­ще­ст­вен­но из­ме­ня­ет его ме­ха­нич. и фи­зи­ко-хи­мич. свой­ст­ва.

Спо­соб­ность Ж. рас­тво­рять уг­ле­род и др. эле­мен­ты ле­жит в ос­но­ве по­лу­че­ния разл. же­ле­за спла­вов. Уг­ле­род об­ра­зу­ет с Ж. твёр­дые рас­тво­ры вне­дре­ния, яв­ляю­щие­ся струк­тур­ны­ми со­став­ляю­щи­ми же­ле­зо­уг­ле­ро­ди­стых спла­вов: с $\ce {γ-Fe}$ – ау­сте­нит (со­дер­жит 2% С по мас­се при 1130 °C), с $\ce{α-Fe}$ – фер­рит (0,02–0,04% С при 723 °C и ме­нее 0,01% при ком­нат­ной темп-ре). При за­кал­ке ау­сте­ни­та об­ра­зу­ет­ся мар­тен­сит – пе­ре­сы­щен­ный твёр­дый рас­твор уг­ле­ро­да в $\ce{α-Fe}$. В спла­вах Ж. уг­ле­род при­сут­ству­ет так­же в ви­де кар­би­да $\ce{Fe3C}$ (це­мен­ти­та). С др. эле­мен­та­ми (напр., с крем­ни­ем, мар­ган­цем, хро­мом) Ж. об­ра­зу­ет фер­ро­спла­вы.

Ж. – ме­талл сред­ней хи­мич. ак­тив­ности. С га­ло­ге­на­ми об­ра­зу­ет ди­га­ло­гени­ды (напр., ди­хло­рид $\ce{FeCl2}$) и три­га­ло­ге­ни­ды (напр., три­хло­рид $\ce{FeCl3}$); с се­рой – суль­фи­ды (мо­но­суль­фид $\ce{FeS}$, ди­суль­фид $\ce{FeS2}$ и др.); с азо­том – твёр­дые рас­тво­ры, при боль­шом ко­ли­че­стве азо­та – ряд нит­ри­дов слож­но­го соста­ва; с фос­фо­ром – ряд фос­фи­дов слож­но­го со­ста­ва; с ки­сло­ро­дом – же­ле­за ок­си­ды. В су­хом воз­ду­хе Ж. по­кры­ва­ет­ся ок­сид­ной плён­кой, пре­пят­ст­вую­щей даль­ней­ше­му окис­ле­нию, во влаж­ном – лег­ко окис­ля­ет­ся, по­кры­ва­ясь ржав­чи­ной, со­стоя­щей в осн. из гид­ра­ти­ро­ван­но­го ок­си­да $\ce{Fe2O3·nH2O}$. Из-за по­рис­то­сти ржав­чи­на не пре­пят­ст­ву­ет дос­ту­пу вла­ги и ки­сло­ро­да к по­верх­но­сти ме­тал­ла, что при­во­дит к даль­ней­ше­му окис­ле­нию Ж. – кор­ро­зии.

Ж. не рас­тво­ря­ет­ся в ще­ло­чах, лег­ко взаи­мо­дей­ст­ву­ет с раз­бав­лен­ны­ми ки­сло­та­ми. Кон­цен­три­ро­ван­ные сер­ная $\ce{H2SO4}$ и азот­ная $\ce{HNO3}$ ки­сло­ты на хо­ло­ду пас­си­ви­ру­ют Ж. вслед­ст­вие об­ра­зо­ва­ния на по­верх­но­сти ме­тал­ла не­рас­тво­ри­мой в ки­сло­тах ок­сид­ной плён­ки; при на­гре­ва­нии – окис­ля­ют с об­ра­зо­ва­ни­ем со­еди­не­ний $\ce{Fe(III)}$.

Ж. об­ра­зу­ет два ря­да со­лей – со­ли $\ce{Fe(II)}$, напр. суль­фат $\ce{FeSO4}$, нит­рат $\ce{Fe(NO3)2}$, и со­ли $\ce{Fe(III)}$, напр. суль­фат $\ce{Fe2(SO4)3}$, нит­рат $\ce{Fe(NO3)3}$. Все со­ли Ж. в вод­ном рас­тво­ре под­вер­га­ют­ся гид­ро­ли­зу, в слу­чае $\ce{Fe(III)}$ – в зна­чит. сте­пе­ни. Со­ли $\ce{Fe(II)}$ про­яв­ля­ют вос­ста­но­вит. свой­ст­ва, на воз­ду­хе окис­ля­ют­ся до со­еди­не­ний $\ce{Fe(III)}$. Со­ли $\ce{Fe(III)}$ про­яв­ля­ют сла­бые окис­лит. свой­ст­ва по от­но­ше­нию к силь­ным вос­ста­но­ви­те­лям, та­ким как се­ро­во­до­род $\ce{H2S}$ и ио­дид ка­лия $\ce{Kl}$, и вос­ста­нав­ли­ва­ют­ся до со­еди­не­ний $\ce{Fe(II)}$, напр.: $\ce{2FeCl3 + H2S= 2FeCl2 + S + 2HCl; 2FeCl3 + 2KI = 2FeCl2 + I2 + 2KCl}$. Из вод­ных рас­тво­ров со­ли Ж. вы­де­ля­ют­ся в ви­де кри­стал­ло­гид­ра­тов с разл. ко­ли­че­ст­вом мо­ле­кул во­ды, напр. $\ce{FeSO4⋅7H2O, \: Fe2(SO4)_3⋅9H2O}$.

Су­ще­ст­ву­ют со­еди­не­ния, в ко­то­рых Ж. фор­маль­но про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния 0, – кар­бо­ни­лы, напр. пен­та­кар­бо­нил­же­ле­зо $\ce{Fe(CO)5}$. Сте­пень окис­ле­ния +6 Ж. про­яв­ля­ет в фер­ра­тах$\ce{(VI)}$, напр. фер­рат$\ce{(VI)}$ ка­лия $\ce{K2FeO4}$. Та­кие со­еди­не­ния мож­но рас­смат­ри­вать как со­ли не­су­ще­ст­вую­щей ки­сло­ты $\ce{H2FeO4}$; со­еди­не­ния $\ce{Fe(VI)}$ не­ус­той­чи­вы и яв­ля­ют­ся очень силь­ны­ми окис­ли­те­ля­ми. Ж. об­ра­зу­ет ком­плекс­ные со­еди­не­ния, мно­гие из ко­то­рых име­ют боль­шое прак­тич. зна­че­ние, напр. ка­лия гек­са­циа­но­фер­ра­ты(II, III). Ж. вхо­дит в со­став разл. же­ле­зо­ор­га­ни­че­ских со­еди­не­ний (см., напр., Фер­ро­цен).

Биологическая роль

Су­точ­ная по­треб­ность че­ло­ве­ка в Ж. со­став­ля­ет ок. 15 мг. При не­дос­тат­ке Ж. у че­ло­ве­ка и жи­вот­ных раз­ви­ва­ет­ся ане­мия, у рас­те­ний не об­ра­зу­ет­ся хло­ро­фил­л, в ре­зуль­та­те на­ру­ша­ет­ся про­цесс фо­то­син­те­за: рас­те­ния пе­ре­ста­ют ас­си­ми­ли­ро­вать ди­ок­сид уг­ле­ро­да и вы­де­лять ки­сло­род (см. в ст. Хло­роз рас­те­ний).

Получение

До сер. 14 в. Ж. по­лу­ча­ли сы­ро­дут­ным спо­со­бом. Же­лез­ную ру­ду вос­ста­нав­ли­ва­ли дре­вес­ным уг­лём в гор­не (сы­ро­дут­ный про­цесс); в ре­зуль­та­те по­лу­ча­ли кри­цу (глы­бу Ж.), из ко­то­рой уда­ля­ли шлак и по­луча­ли ме­талл – сы­рьё для вы­ко­вы­ва­ния разл. из­де­лий. При бо­лее ин­тен­сив­ном ду­тье темп-ра в гор­не по­вы­ша­лась, часть Ж. на­уг­ле­ро­жи­ва­лась и пре­вра­ща­лась в чу­гун, ко­то­рый из-за хруп­ко­сти не на­хо­дил при­ме­не­ния и счи­тал­ся от­хо­дом про­из-ва. С 14 в. чу­гун ста­ли ис­поль­зо­вать для от­лив­ки разл. из­де­лий, горн был ре­кон­ст­руи­ро­ван в шахт­ную печь («дом­ни­цу»), а за­тем в до­менную печь. В 18 в. в Ев­ро­пе для пе­ре­дела чу­гу­на в Ж. ста­ли ис­поль­зо­вать вы­со­ко­ог­не­упор­ные тиг­ли (ти­гель­ный про­цесс), пуд­лин­го­вый про­цесс в пла­мен­ной от­ра­жа­тель­ной пе­чи (см. Пуд­лин­го­ва­ние). В сер. 19 в. бы­ли раз­ра­бо­та­ны бес­се­ме­ров­ский про­цесс, то­ма­сов­ский про­цесс и мар­те­нов­ский про­цесс пром. про­из-ва ста­ли; позд­нее – элек­тро­ста­ле­пла­виль­ный и ки­сло­род­но-кон­вер­тер­ный про­цес­сы.

Совр. тех­но­ло­гии по­лу­че­ния Ж. из руд вклю­ча­ют дроб­ле­ние, обо­га­ще­ние руд до 64–68%-но­го со­дер­жа­ния Ж., по­лу­че­ние кон­цен­тра­та (74–83% $\ce{Fe}$), пи­ро­ме­тал­лур­гич. вос­ста­нов­ле­ние кок­сом в до­мен­ной пе­чи (до­мен­ный про­цесс), вы­плав­ку ста­ли из чу­гу­на в мар­те­нов­ской пе­чи, ки­сло­род­ном кон­вер­те­ре, элек­тро­пе­чи. Тех­нич. Ж. (т. н. арм­ко-же­ле­зо) вы­плав­ля­ют из чу­гу­на в ста­ле­пла­виль­ных пе­чах или ки­сло­род­ных кон­вер­те­рах. Чис­тое Ж. по­лу­ча­ют вос­ста­нов­ле­ни­ем ок­си­дов (при темп-ре 750–1200 °С по­лу­ча­ют т. н. губ­ча­тое Ж.), элек­тро­ли­зом вод­ных рас­тво­ров или рас­пла­вов со­лей Ж., раз­ло­же­ни­ем пен­та­кар­бо­нил­же­ле­за $\ce{Fe(CO)5}$ (т. н. кар­бо­ниль­ное Ж.). Для по­лу­че­ния вы­со­ко­чис­то­го Ж. ис­поль­зу­ют зон­ную плав­ку и др. ме­то­ды.

Применение

До 95% Ж. вы­плав­ля­ют в ви­де чу­гу­на и ста­ли – важ­ней­ших кон­ст­рук­ци­он­ных ма­те­риа­лов в тех­ни­ке и пром. про­из-ве. Тех­нич. Ж. слу­жит ма­те­риа­лом для сер­деч­ни­ков элек­тро­маг­ни­тов, яко­рей элек­тро­ма­шин, пла­стин ак­ку­му­ля­то­ров. Кар­бо­ниль­ное Ж. ис­поль­зу­ет­ся в осн. как ка­та­ли­за­тор. Ра­дио­нук­ли­ды $\ce{^55Fe}$ ($T_{1/2}$ 2,73 го­да) и $\ce{^59Fe}$ ($T_{1/2}$ 44,51 сут) при­ме­ня­ют­ся в ка­че­ст­ве изо­топ­ных ин­ди­ка­то­ров.