Projektas
Kristina Rusteikaitė
Tadas Bakanas Remigijus Grybauskas Irmantas Vaikasas
9a klasė
Geležis yra ketvirtasis pagal paplitimą Žemės plutos elementas – Žemėsplutoje jos yra 4,7% masės. Gryna geležis sutinkama labai retai. Kai kuriemeteoritai 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, turintidaugiau kaip 50% geležies, vadinama sodria, 50-25% – vidutine, mažiau kaip25% – skurdžia rūda. Vidutinė ir skurdi rūda sodrinama prieš dedant ją įaukštakrosnę ketui gauti. Didžiausi geležies rūdų telkiniai yraAustralijoje, Brazilijoje, JAV, Indijoje, Kanadoje, Rusijoje. Lietuvoje rasta magnetito intarpų netoli Marcinkonių. Pelkėse irupių, tekančių pelkėtomis vietomis, šlaituose rasta limonito. Nedideliaiskiekiais randama ir kitų geležies rūdų.
GELEŽIES GAVIMAS
Pirmiausia žmogus savo reikmėms panaudojo meteoritinę geležį. Tik IItūkstantmetyje pr.Kr. jis išmoko geležį gauti iš rūdų. Senovėje geležisbuvo lydoma iš limonito. Geležis ir jos dirbiniai įvairiose pasaulio šalysepradėti naudoti ir gaminti įvairiu laiku: Mažojoje Azijoje, Egipte,Mesopotamijoje, Užkaukazėje, Indijoje – XII – IX a.pr.Kr., Viduržemio jūrospakrantėse – XII – X a.pr.Kr., Europoje – VIII – II a.pr.Kr. Lietuvoje geležies amžiaus pradžia laikomas V a.pr.Kr. Vietinėgeležis pradėta gaminti maždaug I a., o iki to laiko geležinių dirbiniųturėta nedaug. Kaip ir anksčiau, įrankiai buvo daromi iš akmens, žalvario,medžio, kaulo, rago. Tuo laikotarpiu jau atsirado piliakalnių. Juose rastažidinių, 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 stūmokliniussiurblius. Vėliau atsirado šachtinės krosnys, o nuo XVI a. – aukštakrosnės. Lietuvoje geležis buvo lydoma iki XIX a. Liejyklos XV a. veikėRūdininkų girioje, vėliau – Kražiuose, Linkmenų, Raseinių, Ukmergėsapylinkėse. Ilgainiui darbo įrankių reikėjo vis daugiau, todėl tekotobulinti ir plėsti geležies gamybą. Iš geležies rūdų pirmiausia gaminamas ketus, o iš jo lydomasplienas.Ketus gaunamas aukštakrosnėse. Jos būna įvairių dydžių.Aukštakrosnėse iš vidaus išklota kaitrai atspari medžiaga, iš viršausapdengta plieniniais lakštais. Be pertraukos veikia apie 5-10 metų. Jiveikia priešpriešinės srovės principu. Kietos medžiagos – įkrova juda išviršaus žemyn, o dujų – iš apačios į viršų. Degimui reikalingas pakaitintasiki 800-1200 oC oras teikiamas pūstuvais. Pastaruoju metu vartojamasdeguonimi įsodrintas oras arba deguonis. Degant koksui susidaro CO2, kuriskildamas aukštyn reaguoja su įkaitinta anglimi:CO2 + C ( 2CO
Karštas dujų mišinys teka pro įkrovą ir ją įkaitina. Iš įkrovosišgaruoja 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. Redukuotojegeležyje ištirpsta 3,5-4% anglies, šiek tiek Si, Mn, P. Toks lydinys yraketus. Jis nuteka į aukštakrosnės žaizdrą. Iš fliusų, susilydžiusių su kuropelenais. Neredukuota bergždžiąja uoliena ir oksidacijos produktais,susidaro šlakas, kuris susirenka žaizdre ant metalo. Pro atskirus latakusperiodiškai išleidžiamas ketus ir šlakas. Aukštakrosnėje gaunami tokie produktai: perdirbamasis, liejamasis
ketus, ferolydiniai, aukštakrosnės dujos ir šlakas. Tonai ketaus gautisunaudojama apie 2t rūdos, 0,65 t kokso, 3t oro. Be ketaus dar gaunama apie0,5t šlako ir 3t aukštakrosnės dujų. Europoje aukštakrosnės pradėtos statyti XIV a. viduryje. Išlydytas ketus gryninamas Marteno, Besemerio aparatuosekonverteriniu būdu arba elektrinėse krosnyse. Didžioji priemaišų dalissudega – susidaro lakūs produktai, kurie patenka į atmosferą. Gautamepliene anglies lieka apie 1% Gryna geležis gaunama geležies oksidus redukuojant vandeniliu,elektrolizuojant druskų tirpalus, termiškai skaidant kai kuriuos geležiesjunginiu, pvz., geležies ………… Iš aukštakrosnėje ar konverteryje gauto šlako daroma skalda keliamas,šlako vata, pemza, jo dedama į cementą, jis naudojamas kaip betonųužpildas.FIZIKINĖS SAVYBĖS
Geležis yra keturių alotropinių atmainų – α, β, γ ir δ. kai kuriuosešaltiniuose nurodomos trys modifikacijos, nes α ir β geležies kristalinėsgardelės struktūra iš esmės nesiskiria, savybės taip pat vienodos, išskyrusmagnetines savybes – α Fe yra feromagnetikas, β Fe – paramagnetikas. Pramoniniu būdu gaunama geležiz visuomet turi anglies ir kitųnemetalų (Si, S, P) priemaišų. Nuo kiekybinės lydinio Fe-C sudėties irkristalizacijos sąlygų priklauso, ar anglis ištirpsta geležyje ir gaunamaskietasis tirpalas austenitas, ar susidaro smulkių geležies kristaliukų iranglies mišinys – ledeburitas, ar feritas bei metališkasis junginysgeležies karbidas Fe3C (cementitas). Nuo jų santykio priklauso lydiniųsudėtis, struktūra ir savybės. Išlydytoje geležyje ištirpsta iki 4% anglies (m.d.), γ geležyje iki2% 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 angliestirpalas γ geležyje, patvarus tik aukštesnėje negu 723˚C temperatūroje.Lėtai aušinamas austenitas palaipsniui suskyla (γ Fe virsta α Fe, kurioje Cbeveik netirpsta). Suskilus austenitui gaunamas anglies (grafito)kristaliukų ir ferito (anglies tirpalo α geležyje) mišinys. Toks plienasyra palyginti minkštas. Jeigu plienas aušinamas labai greitai – grūdinamas – anglis nespėjaišsiskirti ir lieka geležies gardelėje. Gaunamas persotintasis angliestirpalas α geležyje – martensitas. Toks plienas labai kietas ir trapus. Kadplienas nebūtų toks trapus, jis įkaitinamas ir iš lėto ataušinamas.Lydiniui vėstant dalis martensito suskyla į anglį ir feritą, todėl plienaspasidaro minkštesnis. Taigi plieno kietumas, plastiškumas labai priklausonuo jo terminio apdorojimo. Stingstant lydiniui, turinčiam >2% C (ketui), anglis išsiskiria arbagrafito, arba geležies karbido Fe3C – cementito pavidalu. Jeigu ketusaušinamas lėtai, susidaro geležies kristalai, persipynę su plonomisgrafito plokštelėmis arba žvyneliais. Tai pilkasis ketus. Jis trapus, nuosmūgio subyra į gabalus. Iš pilkojo ketaus liejami smagračiai, mašinųstovai, grotelės. Baltasis ketus (jame beveik visa anglis yra susijungusi įcementitą) yra kietas, trapus, todėl retai naudojamas. Beveik visas jispersidirbamas 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 pridėjuslegiruojančiųjų elementų – Cr, Ni, Mn, Ti, mo, w, Co, Cu, Si, V, B, Zr irkitų. Šie priedai su geležimi ir anglimi sudaro metališkuosius junginius irkarbidus, jų gali būti ištirpusių ferite, austenite, cementite. Dėl topakinta 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 didinakalumą, stiprumą, manganas – atsparumą susidėvėjimui, kalumą. Pagal legiruojančiųjų elementų kiekį plienas skirstomas į trisgrupes: mažai legiruotas (legiruojantieji elementai sudaro <2,5%),vidutiniškai legiruotas (2,5 – 10%), labai legiruotas (>10%).CHEMINĖS SAVYBĖS
Geležis yra vidutinio aktyvumo metalas. Junginiuose jai būdingioksidacijos 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 įmetališkuosius junginius. Geležis lengvai tirpsta stipriose praskiestose rūgštyse ir išstumiavandenilį:
Fe + 2H3O+ + 2Cl- ( Fe2+ + 2Cl- + H2 (+ 2H2O
Fe + 2H3O+ ( Fe2+ + H2 ( + 2H2O
Koncentruotose azoto ir sieros rūgštyse ji netirpsta, nespasyvuojasi; 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 įvairiųproduktų.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 įdešinę 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. Jeigaunami 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 arvandeniliu:
>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 bazinėssavybės). Tai raudoni, vandenyje netirpstantys milteliai. Lydomas sušarmais, šarminių metalų karbonatais ar baziniai oksidais sudaro feritusarba 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 turintimedžiaga. 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 savybėslabai 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 irįgyja 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 pavidalonuosėdos 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 lydiniamspaplisti ir įsitvirtinti padėjo ne tik naudingosios jos lydinių savybės,bet ir tai, kad geležies junginių Žemėje yra gana daug, ne itin sudėtingają gauti ir apdoroti. Įvairios detalės, įrankiai, mašinos gaminamos iš lydinių – ketaus irįvairių rūšių plieno. Nuo anglies kiekio priklauso plieno plastiškumas irkietumas.. Plienas kietesnis už gryną geležį, iš jo galima gamintiįvairesnius gaminius. Ketus daug trapesnis už plieną. Iki XIX a. Vidurio, t.y. daugiau kaip tūkstantį metų, metalas buvoapdorojamas rankomis. Amatininkai kalviai iš geležies dažniausiai kaldavodarbo įrankius, žemės ūkio padargus, ginklus, šarvus, namų apyvokosdaiktus, kryžius, kapinių ir šventorių vartus, kaustė arklius, ratus,roges.
Vėlyvojo geležies amžiaus ginklai
Geležis ir žmogus
Geležis yra labai svarbus gyvybę plaikantis elementas. Žmogausorganizme įvairių junginių pavidalu būna 3 – 5 g geležies. Jos yra visuoseaudiniuose, tačiau daugiausia – kraujyje, hemoglobino molekulėse. Nuojunginio (hemo), kuriame yra geležies, priklauso raudona hemoglobinospalva. Hemoglobinas į audinius ir organus atneša deguonį. Dėl geležiestrūkumo 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 meteoritųgeležimi. 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 dangausskliaute, tačiau tai ne žvaigždės, o krintančių akmeninių ar geležiniųmeteoritų gabalai. Geležiniai meteoritai sudaro apie 5,7% visų krintančiųmeteoritų. Kadangi meteoritinės geležies buvo randama retai ir mažai, išjos buvo daromi papuošalai. Nedidelius jos gabalėlius įteikdavo karo, beisporto varžybų nugalėtojams. Homero „Odisėjoje” pasakojama, kad žaidyniųnugalėtojui buvo įteiktas gabalėlis aukso ir gabalėlis geležies. IItūkstantmetyje pr. Kr. Babilonijoje geležis buvo 8 kartus brangesnė užsidabrą. 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 auksinesmonetas bei tam tikro svorio geležines lazdeles. Tokie pinigai buvo paplitęir Spartoje. Geležies amžius atėjo tuomet, kai žmogus išmoko išgauti geležį iš„akmens”, kuriame ji „slepiasi”. Statydamas būstą žmogus pastebėjo, kadveikiami karščio ir anglių akmenys kinta, iš jų gauta medžiaga tinkapeiliams, kirviams, ginklams gaminti. Italų archeologai Kafue upės krantuose aptiko geležies lydymokrosnies ir šlako liekanų bei meteoritinės prigimties kirvį. Radiniai galibūti III tūkstantmečio pr. Kr. Pabaigos arba II tūkstantmečio pr. Kr.Pradžios. Alchemikai tvirtino, kad yra mistinis ryšys tarp geležies ir raudonosjudrios 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 graikųir lotynų kalbų žodžiu fars, kuris reiškia „būti kietam”. Jis panašus įžodį ferrus – „nejautrus”, „tvirtas”, „nepalenkiamas” ( Žmogus organizme apie 65% geležies įeina į hemoglobino sudėtį irdalyvauja deguonies apykaitoje, oksidacijos reakcijose; 20-25% geležies yrasusijungę su baltymais ir kaip geležies atsarga būna kepenyse. Geležisgeriau įsisavinama iš gyvulinių maisto produktų (iki 30%), blogiau (iki10%) – iš augalinių. Įsisavinimą skatina vitaminas C, fosfatai, taninorūgštis (taninų yra rabarbaro, sidabražolės šaknyse, akacijos, maumedžiožievėje, arkliauogės, pūkenio lapuose). Paros norma vyrui apie 10mg,moteriai – apie 15mg geležies.* Mesopotamija, arba Tarpupis, – vienas seniausių civilizacijos centrųTigro ir Eufrato upių baseine
Geležies ir ledo amžius
Mokslininkai-okeanologai mano, kad jiems pavyko atkurti vieną išsvarbiausiųjų procesų, stimuliuojančių ledynmečių pradžią ir pabaigą. Vienoiš pačių didžiausiųjų tokios rūšies eksperimentų metu tarptautinėmokslininkų grupė “patręšė” Pietų vandenyną geležimi. Tai labai paskatinoplanktono augimą, o šie dumbliai susiurbė iš vandens anglies dvideginį.Mokslininkai tvirtina, jog praeityje su dulkėmis iš sausumos patekusigeležis galėjo įtakoti dumblių augimą, dėl to CO2 kiekis atmosferojekeitėsi tiek, kad planeta galėjo įšalti arba atitirpti. Bet yra įspėjama, jog šis būdas gali netikti saugantis nuo pasaulinioatšilimo. Didelių geležies kiekių ištirpinimas vandenynuose gali suardytiekositemas, todėl kels didelį pavojų. Tarptautiniame eksperimente SOIREE dalyvaujantys mokslininkai 8 kmpločio vandenyno ruože į pietus nuo Naujosios Zelandijos paskleidė 8 tonasgeležies. Dėl geležies dumbliai pradėjo augti šešis kartus sparčiau. Net irpo šešių savaičių iš palydovų buvo aiškiai matyti 1000 km2 plotą dengiantisplanktono sluoksnis. Augantis planktonas susiurbė apie 10 proc. vandenyjeesančio anglies dvideginio, kuris vėliau buvo kompensuotas CO2, patekusio įvandenį iš oro.
Naudota literatūra:
K.Daukšas
Pasakojimai apie šimtą
elementų
Regina Jasiūnienė
Virginija Valentinavičienė
CHEMIJA • 9
Mokytojų knyga Vadovėlis IX klasei