Geležis

Projektas

Kristina Rusteikaitė

Tadas Bakanas

Remigijus Grybauskas

Irmantas Vaikasas

9a klasė

Geležis yra ketvirtasis pagal paplitimą Žemės plutos elementas – Žemės plutoje jos yra 4,7% masės. Gryna geležis sutinkama labai retai. Kai kurie meteoritai sudaryti iš geležies. Grynos geležies aptikta Mėnulio grunte.

Manoma, kad daugiausiai geležies (kartu su nikeliu) yra Žemės branduolyje.

Svarbiausios geležies rūdos – magnetitas Fe3O4, hematitas – Fe2O3, sideritas – FeCO3, limonitas – HFeO2 · nH2O, getitas – FeOOH. Rūda, turinti daugiau kaip 50% geležies, vadinama sodria, 50-25% – vidutine, mažiau kaip

25% – skurdžia rūda. Vidutinė ir skurdi rūda sodrinama prieš dedant ją į aukštakrosnę ketui gauti. Didžiausi geležies rūdų telkiniai yra

Australijoje, Brazilijoje, JAV, Indijoje, Kanadoje, Rusijoje.

Lietuvoje rasta magnetito intarpų netoli Marcinkonių. Pelkėse ir upių, tekančių pelkėtomis vietomis, šlaituose rasta limonito. Nedideliais kiekiais randama ir kitų geležies rūdų.

GELEŽIES GAVIMAS

Pirmiausia žmogus savo reikmėms panaudojo meteoritinę geležį. Tik II

tūkstantmetyje pr.Kr. jis išmoko geležį gauti iš rūdų. Senovėje geležis buvo lydoma iš limonito. Geležis ir jos dirbiniai įvairiose pasaulio šalyse pradėti naudoti ir gaminti įvairiu laiku: Mažojoje Azijoje, Egipte,

Mesopotamijoje, Užkaukazėje, Indijoje – XII – IX a.pr.Kr., Viduržemio jūros pakrantėse – XII – X a.pr.Kr., Europoje – VIII – II a.pr.Kr.

Lietuvoje geležies amžiaus pradžia laikomas V a.pr.Kr. Vietinė geležis pradėta gaminti maždaug I a., o iki to laiko geležinių dirbinių turėta nedaug. Kaip ir anksčiau, įrankiai buvo daromi iš akmens, žalvario, medžio, kaulo, rago. Tuo laikotarpiu jau atsirado piliakalnių. Juose rasta židinių, krosnelių metalams lydyti, gynybinių įrengimų.

Iki XIV a. geležis iš rūdos buvo redukuojama medžio anglimi žaizdre, į kurį buvo pučiamas oras dumplėmis, kai kur naudojo medinius stūmoklinius siurblius. Vėliau atsirado šachtinės krosnys, o nuo XVI a. – aukštakrosnės.

Lietuvoje geležis buvo lydoma iki XIX a. Liejyklos XV a. veikė

Rūdininkų girioje, vėliau – Kražiuose, Linkmenų, Raseinių, Ukmergės apylinkėse. Ilgainiui darbo įrankių reikėjo vis daugiau, todėl teko tobulinti ir plėsti geležies gamybą.

Iš geležies rūdų pirmiausia gaminamas ketus, o iš jo lydomas plienas.Ketus gaunamas aukštakrosnėse. Jos būna įvairių dydžių.

Aukštakrosnėse iš vidaus išklota kaitrai atspari medžiaga, iš viršaus apdengta plieniniais lakštais. Be pertraukos veikia apie 5-10 metų. Ji veikia priešpriešinės srovės principu. Kietos medžiagos – įkrova juda iš viršaus žemyn, o dujų – iš apačios į viršų. Degimui reikalingas pakaitintas iki 800-1200 oC oras teikiamas pūstuvais. Pastaruoju metu vartojamas deguonimi įsodrintas oras arba deguonis. Degant koksui susidaro CO2, kuris kildamas aukštyn reaguoja su įkaitinta anglimi:

CO2 + C ( 2CO

Karštas dujų mišinys teka pro įkrovą ir ją įkaitina. Iš įkrovos išgaruoja drėgmė, redukuojama geležis ir kiti elementai, išsilydo metalas, susidaro šlakas.

Geležis redukuojama anglimi, anglies(II) oksidu ir vandeniliu:

>570 oC

Fe2O3 ( Fe3O4 ( FeO ( Fe

arba

<570 oC

Fe2O3 ( Fe3O4 ( Fe

Suminė lygtis:

Fe2O3 + 3CO ( 2Fe + 3CO(

Redukcija vyksta viršutinėje aukštakrosnės dalyje. Redukuotoje geležyje ištirpsta 3,5-4% anglies, šiek tiek Si, Mn, P. Toks lydinys yra ketus. Jis nuteka į aukštakrosnės žaizdrą. Iš fliusų, susilydžiusių su kuro pelenais. Neredukuota bergždžiąja uoliena ir oksidacijos produktais, susidaro šlakas, kuris susirenka žaizdre ant metalo. Pro atskirus latakus periodiškai išleidžiamas ketus ir šlakas.

Aukštakrosnėje gaunami tokie produktai: perdirbamasis, liejamasis ketus, ferolydiniai, aukštakrosnės dujos ir šlakas. Tonai ketaus gauti sunaudojama apie 2t rūdos, 0,65 t kokso, 3t oro. Be ketaus dar gaunama apie

0,5t šlako ir 3t aukštakrosnės dujų.

Europoje aukštakrosnės pradėtos statyti XIV a. viduryje.

Išlydytas ketus gryninamas Marteno, Besemerio aparatuose konverteriniu būdu arba elektrinėse krosnyse. Didžioji priemaišų dalis sudega – susidaro lakūs produktai, kurie patenka į atmosferą. Gautame pliene anglies lieka apie 1%

Gryna geležis gaunama geležies oksidus redukuojant vandeniliu, elektrolizuojant druskų tirpalus, termiškai skaidant kai kuriuos geležies junginiu, pvz., geležies …………

Iš aukštakrosnėje ar konverteryje gauto šlako daroma skalda keliamas, šlako vata, pemza, jo dedama į cementą, jis naudojamas kaip betonų užpildas.

FIZIKINĖS SAVYBĖS

Geležis yra keturių alotropinių atmainų – α, β, γ ir δ. kai kuriuose šaltiniuose nurodomos trys modifikacijos, nes α ir β geležies kristalinės gardelės struktūra iš esmės nesiskiria, savybės taip pat vienodos, išskyrus magnetines savybes – α Fe yra feromagnetikas, β Fe – paramagnetikas.

Pramoniniu būdu gaunama geležiz visuomet turi anglies ir kitų nemetalų (Si, S, P) priemaišų. Nuo kiekybinės lydinio Fe-C sudėties ir kristalizacijos sąlygų priklauso, ar anglis ištirpsta geležyje ir gaunamas kietasis tirpalas austenitas, ar susidaro smulkių geležies kristaliukų ir anglies mišinys – ledeburitas, ar feritas bei metališkasis junginys geležies karbidas Fe3C (cementitas). Nuo jų santykio priklauso lydinių sudėtis, struktūra ir savybės.

Išlydytoje geležyje ištirpsta iki 4% anglies (m.d.), γ geležyje iki

2% C, o α geležyje anglis praktiškai netirpsta.

Pagal anglies masės dalį (%) geležies lydiniai skirstomi taip:

nelegiruotasis plienas (~0,3 – 2% C, < 0,5% Si, 0,8% Mn, < 0,09% P, 0,06%

S), ketus (~2 – 4% C, šiek tiek Mn, Si, S), minkštoji geležis (C < 0,3%).

Stingstant lydiniui, turinčiam <2% C (plienui), iš pradžių kristalizuojasi austenitas – viena lydinio struktūrų. Tai nemagnetinis kietasis anglies tirpalas γ geležyje, patvarus tik aukštesnėje negu 723˚C temperatūroje.

Lėtai aušinamas austenitas palaipsniui suskyla (γ Fe virsta α Fe, kurioje C

beveik netirpsta). Suskilus austenitui gaunamas anglies (grafito)

kristaliukų ir ferito (anglies tirpalo α geležyje) mišinys. Toks plienas yra palyginti minkštas.

Jeigu plienas aušinamas labai greitai – grūdinamas – anglis nespėja išsiskirti ir lieka geležies gardelėje. Gaunamas persotintasis anglies tirpalas α geležyje – martensitas. Toks plienas labai kietas ir trapus. Kad plienas nebūtų toks trapus, jis įkaitinamas ir iš lėto ataušinamas.

Lydiniui vėstant dalis martensito suskyla į anglį ir feritą, todėl plienas pasidaro minkštesnis. Taigi plieno kietumas, plastiškumas labai priklauso nuo jo terminio apdorojimo.

Stingstant lydiniui, turinčiam >2% C (ketui), anglis išsiskiria arba grafito, arba geležies karbido Fe3C – cementito pavidalu. Jeigu ketus aušinamas lėtai, susidaro geležies kristalai, persipynę su plonomis grafito plokštelėmis arba žvyneliais. Tai pilkasis ketus. Jis trapus, nuo smūgio subyra į gabalus. Iš pilkojo ketaus liejami smagračiai, mašinų stovai, grotelės. Baltasis ketus (jame beveik visa anglis yra susijungusi į cementitą) yra kietas, trapus, todėl retai naudojamas. Beveik visas jis persidirbamas į plastiškesnį kalųjį ketų, kurio sudėtis panaši i pilkojo.

Iš kaliojo ketaus daromos kai kurių mašinų detalės.

Ketaus ir plieno fizikinės bei cheminės savybės kinta pridėjus legiruojančiųjų elementų – Cr, Ni, Mn, Ti, mo, w, Co, Cu, Si, V, B, Zr ir kitų. Šie priedai su geležimi ir anglimi sudaro metališkuosius junginius ir karbidus, jų gali būti ištirpusių ferite, austenite, cementite. Dėl to pakinta lydinio struktūra, savybės ir terminio apdirbimo sąlygos.

Pavyzdžiui, chromas didina lydiinio stiprumą, atsparumą dilimui, kaitrai, aplinkos poveikiui (jei pliene yra >12,5% Cr, jis nerūdija), nikelis didina kalumą, stiprumą, manganas – atsparumą susidėvėjimui, kalumą.

Pagal legiruojančiųjų elementų kiekį plienas skirstomas į tris grupes: mažai legiruotas (legiruojantieji elementai sudaro <2,5%), vidutiniškai legiruotas (2,5 – 10%), labai legiruotas (>10%).

CHEMINĖS SAVYBĖS

Geležis yra vidutinio aktyvumo metalas. Junginiuose jai būdingi oksidacijos laipsniai +2 ir +3.

Drėgname ore rūdija. Kaitinama reaguoja beveik su visais nemetalais:

3Fe + 2O2 ( Fe3O4 + Q

Fe + S ( FeS + Q

2Fe + 3Cl2 ( 2FeCl3 + Q

Reaguojant geležiai su nelabai aktyviais nemetalais – C, Si, N, P –

gali susidaryti junginiai, kietieji tirpalai arba sistemos, panašios į metališkuosius junginius.

Geležis lengvai tirpsta stipriose praskiestose rūgštyse ir išstumia vandenilį:

Fe + 2H3O+ + 2Cl- ( Fe2+ + 2Cl- + H2 (+ 2H2O

Fe + 2H3O+ ( Fe2+ + H2 ( + 2H2O

Koncentruotose azoto ir sieros rūgštyse ji netirpsta, nes pasyvuojasi; reaguoja tik pakaitinus:

t

2Fe + 6H2SO4 ( Fe2(SO4)3 + 3SO2 ( + 6H2O

Fe + 6HNO3 ( Fe(NO3)3 + 3NO2 ( + 3H2O

Reaguojant praskiestai azoto rūgščiai su geležimi susidaro įvairių produktų.

Įkaitinta geležis reaguoja su vandens garais:

<570 oC

3Fe + 4H2O ( Fe3O4 + H2 (

>570 oC

Fe + H2O ( FeO + H2 (

Geležis išstumia iš druskų tirpalų, esančius metalų įtampų eilėje į dešinę nuo jos:

Fe + CuSO4 ( Cu FeSO4

Fe + Cu2+ ( Cu + Fe2+

GELEŽIES OKSIDAI IR HIDROKSIDAI. JŲ SAVYBĖS

Geležis sudaro tokius oksidus: FeO, Fe2O3 ir mišrųjį Fe3O4. Jei gaunami oksiduojant geležį arba skaidant karbonatus, hidroksidus, nitratus, sulfatus:

400 oC

3FeCO3 ( Fe3O4 + 2CO2 + CO(

>480 oC

2FeSO4 ( Fe2O3 + SO2 ( + SO3

>500 oC

Fe2(SO4)3 ( Fe2O3 + 3SO3

>500 oC

2Fe(OH)3 ( Fe2O3 + 3H2O

FeO galima gauti redukuojant Fe2O3 arba Fe3O4 anglies(II) oksidu ar vandeniliu:

>500 oC

Fe2O3 + CO ( 2FeO + CO2 (

t

Fe2O3 + H2 ( 2FeO + H2O

>500 oC

Fe3O4 + CO ( 3FeO + CO2 (

FeO yra bazinis oksidas, tirpstantis tik rūgštyse:

FeO + 2HCl ( FeCl2 + H2O

Juodi šviesiai

Milteliai žalsvas

Vandeniniuose tirpaluose egzistuoja šviesiai žalsvas [Fe(H2O)6]2+

jonas, todėl FeO sąveikos su HCl lygtį teisingiau rašyti taip:

FeO + 2H3O+ + 3H2O ( [Fe(H2O)6]2+

Fe2O3 – amfoterinių savybių turintis oksidas (vyrauja bazinės savybės). Tai raudoni, vandenyje netirpstantys milteliai. Lydomas su šarmais, šarminių metalų karbonatais ar baziniai oksidais sudaro feritus arba dioksoferatus(III):

t

Fe2O3 + 2NaOH ( 2NaFeO2 + H2O

t

Fe2O3 + Na2CO3 ( 2NaFeO2 + CO2 (

Per šias reakcijas išryškėja rūgštinės Fe2O3 savybės.

Reaguodamas su HCL šis oksidas elgiasi kaip bazė:

Fe2O3 + 6HCl ( 2FeCl3 + 3H2O

Tirpale susidaro šviesiai violetinis kompleksinis jonas [Fe(H2O)6]3+

Fe2O3 + 6H3O+ + 3H2O ( 2[Fe(H2O)6]3+

Fe(OH)2 – balta, vandenyje netirpstanti, bazinių savybių turinti medžiaga. Reaguoja su rūgštimis:

Fe(OH)2 + 2H3O+ + 2H2O ( [Fe(H2O)6]2+

Ore greitai oksiduojasi:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O ( 4Fe(OH)3

Fe(OH)3 – raudonai ruda, vandenyje netirpstanti kristalinė medžiaga.

Amfoterinis junginys, kuriame vyrauja bazinės savybės (rūgštinės savybės labai silpnos):

Fe(OH)3 + 3HCl ( FeCl3 + 3H2O arba

Fe(OH)3 + 3H3O+ ( [Fe(H2O)6]3+

šviesiai violetinis

Iš rūgščių tirpalų kristalizuojasi kristalhidratas FeCl3 · 6H2O.

Neutraliuose tirpaluose Fe(III) druskos smarkiai hidrolizuojasi ir įgyja geltonai rudą atspalvį:

H+

[Fe(H2O)6]3+ + H2O ( [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+

[Fe(H2O)5OH]2+ + H2O ( [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+

[Fe(H2O)4(OH)2]+ + H2O ( [Fe(H2O)3(OH)3]( + H3O+

Tirpalą pašildžius susidaro koloidinės dalelės, kurios sukimba į stambesnius sambūrius ir iškrinta rudai raudonos spalvos drebučių pavidalo nuosėdos CO3 · nH2O. Fe(OH)3 lydant su šarmais gaunami feritai:

Fe(OH)3 + NaOH ( NaFeO2 + 2H2O

Fe(OH)3 tirpsta koncentruotuose šarmų tirpaluose:

Fe(OH)3 + KOH ( K[Fe(OH)4] kalio tetrahidroksoferatas(III)

Geležies(III) junginiai daug stabilesni už geležies(II) junginius.

GELEŽIES IR JO LYDINIŲ PANAUDOJIMAS

Geležis – svarbiausias mūsų laikų metalas. Geležies lydiniams paplisti ir įsitvirtinti padėjo ne tik naudingosios jos lydinių savybės, bet ir tai, kad geležies junginių Žemėje yra gana daug, ne itin sudėtinga ją gauti ir apdoroti.

Įvairios detalės, įrankiai, mašinos gaminamos iš lydinių – ketaus ir įvairių rūšių plieno. Nuo anglies kiekio priklauso plieno plastiškumas ir kietumas.. Plienas kietesnis už gryną geležį, iš jo galima gaminti įvairesnius gaminius. Ketus daug trapesnis už plieną.

Iki XIX a. Vidurio, t.y. daugiau kaip tūkstantį metų, metalas buvo apdorojamas rankomis. Amatininkai kalviai iš geležies dažniausiai kaldavo darbo įrankius, žemės ūkio padargus, ginklus, šarvus, namų apyvokos daiktus, kryžius, kapinių ir šventorių vartus, kaustė arklius, ratus, roges.

Vėlyvojo geležies amžiaus ginklai

Geležis ir žmogus

Geležis yra labai svarbus gyvybę plaikantis elementas. Žmogaus organizme įvairių junginių pavidalu būna 3 – 5 g geležies. Jos yra visuose audiniuose, tačiau daugiausia – kraujyje, hemoglobino molekulėse. Nuo junginio (hemo), kuriame yra geležies, priklauso raudona hemoglobino spalva. Hemoglobinas į audinius ir organus atneša deguonį. Dėl geležies trūkumo organizme susergama mažakraujyste. Daug geležies yra kepenyse, kiaušinio trynyje, pupose, pupelėse, avižų grūduose, riešutose, žemuogėse.

ISTORINĖ APŽVALGA

Labiausiai įtikima, kad pirmą kartą žmogus susipažino su meteoritų geležimi. Senovės egiptiečiai geležį vadino tokiu vardu, kuris reiškė „dangiškos prigimties”. Meteoritų geležį žinojo ir Mesopotamijos civilizacijos III tūkstantmetyje pr. Kr. ir vadino ją „ugnimi iš dangaus”.

Aiškią naktį „krintančios žvaigždės” palieka ryškų švytintį pėdsaką dangaus skliaute, tačiau tai ne žvaigždės, o krintančių akmeninių ar geležinių meteoritų gabalai. Geležiniai meteoritai sudaro apie 5,7% visų krintančių meteoritų. Kadangi meteoritinės geležies buvo randama retai ir mažai, iš jos buvo daromi papuošalai. Nedidelius jos gabalėlius įteikdavo karo, bei sporto varžybų nugalėtojams. Homero „Odisėjoje” pasakojama, kad žaidynių nugalėtojui buvo įteiktas gabalėlis aukso ir gabalėlis geležies. II

tūkstantmetyje pr. Kr. Babilonijoje geležis buvo 8 kartus brangesnė už sidabrą. Geležis buvo naudojama kaip pinigai. Romos valstybės veikėjas, karvedys ir rašytojas Julijus Cezaris (Caesar; 102 ar 100-44 m. pr. Kr.)

„Galų karo užrašuose” mini britų naudojamus pinigus – varines ir auksines monetas bei tam tikro svorio geležines lazdeles. Tokie pinigai buvo paplitę ir Spartoje.

Geležies amžius atėjo tuomet, kai žmogus išmoko išgauti geležį iš „akmens”, kuriame ji „slepiasi”. Statydamas būstą žmogus pastebėjo, kad veikiami karščio ir anglių akmenys kinta, iš jų gauta medžiaga tinka peiliams, kirviams, ginklams gaminti.

Italų archeologai Kafue upės krantuose aptiko geležies lydymo krosnies ir šlako liekanų bei meteoritinės prigimties kirvį. Radiniai gali būti III tūkstantmečio pr. Kr. Pabaigos arba II tūkstantmečio pr. Kr.

Pradžios.

Alchemikai tvirtino, kad yra mistinis ryšys tarp geležies ir raudonos judrios dangaus planetos Marso. Geležis – metalas, iš kurio daromi ginklai, o Marsas – planeta, kuri senovės romėnams simbolizavo karo dievą Marsą.

Viduramžiais geležis ir Marsas buvo vaizduojami tuo pačiu ženklu ♂.

Lotyniškas geležies pavadinimas ferrum gali būti siejamas su graikų ir lotynų kalbų žodžiu fars, kuris reiškia „būti kietam”. Jis panašus į žodį ferrus – „nejautrus”, „tvirtas”, „nepalenkiamas”

Žmogus organizme apie 65% geležies įeina į hemoglobino sudėtį ir dalyvauja deguonies apykaitoje, oksidacijos reakcijose; 20-25% geležies yra susijungę su baltymais ir kaip geležies atsarga būna kepenyse. Geležis geriau įsisavinama iš gyvulinių maisto produktų (iki 30%), blogiau (iki

10%) – iš augalinių. Įsisavinimą skatina vitaminas C, fosfatai, tanino rūgštis (taninų yra rabarbaro, sidabražolės šaknyse, akacijos, maumedžio žievėje, arkliauogės, pūkenio lapuose). Paros norma vyrui apie 10mg, moteriai – apie 15mg geležies.

* Mesopotamija, arba Tarpupis, – vienas seniausių civilizacijos centrų

Tigro ir Eufrato upių baseine

Geležies ir ledo amžius

Mokslininkai-okeanologai mano, kad jiems pavyko atkurti vieną iš svarbiausiųjų procesų, stimuliuojančių ledynmečių pradžią ir pabaigą. Vieno iš pačių didžiausiųjų tokios rūšies eksperimentų metu tarptautinė mokslininkų grupė „patręšė” Pietų vandenyną geležimi. Tai labai paskatino planktono augimą, o šie dumbliai susiurbė iš vandens anglies dvideginį.

Mokslininkai tvirtina, jog praeityje su dulkėmis iš sausumos patekusi geležis galėjo įtakoti dumblių augimą, dėl to CO2 kiekis atmosferoje keitėsi tiek, kad planeta galėjo įšalti arba atitirpti.

Bet yra įspėjama, jog šis būdas gali netikti saugantis nuo pasaulinio atšilimo. Didelių geležies kiekių ištirpinimas vandenynuose gali suardyti ekositemas, todėl kels didelį pavojų.

Tarptautiniame eksperimente SOIREE dalyvaujantys mokslininkai 8 km pločio vandenyno ruože į pietus nuo Naujosios Zelandijos paskleidė 8 tonas geležies. Dėl geležies dumbliai pradėjo augti šešis kartus sparčiau. Net ir po šešių savaičių iš palydovų buvo aiškiai matyti 1000 km2 plotą dengiantis planktono sluoksnis. Augantis planktonas susiurbė apie 10 proc. vandenyje esančio anglies dvideginio, kuris vėliau buvo kompensuotas CO2, patekusio į vandenį iš oro.

Naudota literatūra:

K.Daukšas

Pasakojimai apie šimtą

elementų

Regina Jasiūnienė

Virginija Valentinavičienė

CHEMIJA • 9

Mokytojų knyga

Vadovėlis IX klasei