Turinys
1. Geležies radimas gamtoje 32. Geležies gavimas 33. Fizikinės savybės 54. Cheminės savybės 65. Poveikis žmogaus sveikatai 76. Klausimai po paragrafu 8
1. Geležies radimas gamtoje
Grynos geležies (ferito) gamtoje randama labai retai. Jos yra randamameteorituose ir sustingusioje magmoje. Grynos geležies taip pat aptikta irMėnulio grunte. Geležies rūda, tai gamtinė mineralų sankaupa, iš kurios gaunama geležis.Rūdos būna įvairios mineralinės ir cheminės sudėties. Žinoma daugiau kaip300 mineralų sudarančių geležies rūdą. Svarbiausios geležies rūdos –magnetitas Fe3O4, hematitas – Fe2O3, sideritas – FeCO3, limonitas – HFeO2 ·nH2O, getitas – FeOOH. Rūda, turinti daugiau kaip 50% geležies, vadinamasodria, 50-25% – vidutine, mažiau kaip 25% – skurdžia rūda. Vidutinė irskurdi rūda sodrinama prieš dedant ją į aukštakrosnę ketui gauti. Didžiausiuose telkiniuose geležies ištekliai siekia nuo kelių ikikeliasdešimties milijardų tonų: Kursko magnetinėje anomalijoje (Rusija) –55, Minas gerais (Brazilija) -25. Daugiausia geležies rūdos (~90% visųpasaulio išteklių) yra Ukrainoje, Rusijoje, Brazilijoje, Kanadoje,Australijoje, JAV, Indijoje. Lietuvoje yra įvairios mineralinės sudėties geležies rūdų. Didžiausitelkiniai rasti pietrytinėje Lietuvos dalyje, Varėnos telkinyje. Rūdinistelkinio metalas yra magnetitas. Šio telkinio ištekliai 142,2 mln. t.,prognozuojami ištekliai – dar ~130 mln. t. Varėnos apylinkėse yra darkeliolika į Varėnos telkinį panašių sankaupų, kurios sudaro Varėnosgeležies rūdos zoną. Pelkėse ir upių, tekančių pelkėtomis vietomis,šlaituose rasta limonito (pelkių rūdos). Nedideliais kiekiais randama irkitų geležies rūdų.
2. 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 šalyse
pradėti 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. Vietinė geležispradėta gaminti maždaug I a., o iki to laiko geležinių dirbinių turėtanedaug. 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, įkurį 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. veikė Rūdininkųgirioje, vėliau – Kražiuose, Linkmenų, Raseinių, Ukmergės apylinkėse.Ilgainiui darbo įrankių reikėjo vis daugiau, todėl teko tobulinti ir plėstigeležies gamybą. Iš geležies rūdų pirmiausia gaminamas ketus, o iš jo lydomas plienas.Ketus gaunamas aukštakrosnėse. Jos būna įvairių dydžių. Aukštakrosnėse išvidaus išklota kaitrai atspari medžiaga, iš viršaus apdengta plieniniaislakštais. Be pertraukos veikia apie 5-10 metų. Ji veikia priešpriešinėssrovės principu. Kietos medžiagos – įkrova juda iš viršaus žemyn, o dujų –iš apačios į viršų. Degimui reikalingas pakaitintas iki 800-1200 oC orasteikiamas pūstuvais. Pastaruoju metu vartojamas deguonimi įsodrintas orasarba deguonis. Degant koksui susidaro CO2, kuris kildamas aukštyn reaguojasu įkaitinta anglimi:CO2 + C → 2CO↑
Karštas dujų mišinys teka pro įkrovą ir ją įkaitina. Iš įkrovos išgaruojadrėgmė, 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 geležyjeištirpsta 3,5-4% anglies, šiek tiek Si, Mn, P. Toks lydinys yra ketus. Jisnuteka 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 periodiškaiišleidžiamas ketus ir šlakas. Aukštakrosnėje gaunami tokie produktai: perdirbamasis, liejamasis ketus,ferolydiniai, aukštakrosnės dujos ir šlakas. Tonai ketaus gauti sunaudojamaapie 2t rūdos, 0,65 t kokso, 3t oro. Be ketaus dar gaunama apie 0,5t šlakoir 3t aukštakrosnės dujų. Europoje aukštakrosnės pradėtos statyti XIV a. viduryje. Išlydytas ketus gryninamas Marteno, Besemerio aparatuose konverteriniubūdu arba elektrinėse krosnyse. Didžioji priemaišų dalis sudega – susidarolakūs produktai, kurie patenka į atmosferą. Gautame pliene anglies liekaapie 1% Gryna geležis gaunama geležies oksidus redukuojant vandeniliu,elektrolizuojant druskų tirpalus, termiškai skaidant kai kuriuos geležiesjunginiu, pvz., geležies iš aukštakrosnėje ar konverteryje gauto šlakodaroma skalda keliamas, šlako vata, pemza, jo dedama į cementą, jisnaudojamas kaip betonų užpildas.
3. Fizikinės savybės
1) Agregatinė būsena – kieta. 2) Spalva – sidabriškai pilka. 3) Elektros laidumas – 9,7·10-8 Ω·m 4) Šilumos laidumo koeficientas – 74,04 W/(m·K) 5) Kietumas – kieta. 6) Blizgesys – blizgi. 7) Magneto poveikis – įsimagnetina. 8) Tankis – 7 874 kg/m3 9) Lydymosi temperatūra – 1539ºC
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, cementine. Dėl to pakinta lydinio struktūra, savybės ir terminio apdirbimo sąlygos. Pavyzdžiui chromas didina lydinio stiprumą, atsparumą dilumui kaitrai, aplinkos poveikiui ( jei pliene yra >12% Cr, jis nerūdija), nikelis didina kalumą, stiprumą, manganas – atsparumą susidėvėjimui, kalumą.4. Cheminės savybės
Geležis yra vidutinio aktyvumo metalas. Junginiuose jai būdingioksidacijos laipsniai +2 ir +3. Drėgname ore geležis oksiduojasi (rūdija) – reaguoja su oro deguonimisudarydama oksidą Fe2O3 · nH2O. Sausame ore, 250-300oC temperatūroje,pasidengia atsparia, kompaktiška, saugančia nuo tolesnės oksidacijos oksidųplėvele. 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 – galisusidaryti 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, 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 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+
5. Poveikis žmogaus sveikatai
Geležies yra visuose organizmuose (vid. ~0,02%). Geležis yra labai svarbusgyvybę palaikantis elementas. Žmogaus organizme įvairių junginių pavidalųbūna 3–5g geležies. Jos yra visuose audiniuose, tačiau daugiausia –
kraujyje, hemoglobino molekulėse. Nuo junginio (hemo), kuriame yrageležies, priklauso hemoglobino spalva. Hemoglobinas į audinius ir organusatneša deguonį. Geležies paros norma 12-19m. Jaunuoliui – 12-19 mg, vyrui –6-8 mg, moteriai – 12-15 mg. Daug geležies yra kepenyse, kaušinio trynyje,pupose, pupelėse, avižų grūduose, riešutuose, žemuogėse, burokėliuose,mėsoje, žuvyje. Dėl geležies stygiaus sutrinka kvėpavimas, atsirandaanemija. Geležis katalizuoja reakcijas, kurių metu susidaro laisviejiradikalai, todėl per didelis jos kiekis maiste ir organizme didina rizikąsusirgti širdies ir kraujagyslių ligomis, vėžiu.6. Klausimai po paragrafu
1) Išvardykite geležies fizikines savybes. Kieta, kali, plastiška, sidabriškai pilka, blizganti, gali įsimagnetinti,tlyd = 1539ºC, tankis = 7 874 kg/m3 2) Kaip paprasčiausia nustatyti, kad metalo gabalėlis yra geležis? Patikrinti ar gabalėlį traukia magnetas. 3) Kur daugiau geležies: a) 2 mol Fe2O3 ar 1 mol Fe3O4?
b) 48g Fe2O3 ar 46,4g Fe3O4?
4) Kodėl geležies rūdose nenurodyta tiksli geležies masės dalis? Nes geležies ne visada būna vienodai. 5) Senovės aprašymuose pasakojama, kad kariai per mūšį kartais mesdavosulinkusius kardus ant žemės, tiesindavo juos kojomis ir vėl kaudavosi.Kodėl kardai linkdavo? Nes plieno kietumas ir plastiškumas priklauso nuo jo sudėties ir terminioapdorojimo, o seniau žmonės dar nemokėjo to tinkamai padaryti. 6) Įkaitinta geležis reaguoja su chloru. Parašykite ir išlyginkitereakcijos lygtį žinodami, kad gautame junginyje geležies oksidacijoslaipsnis +3. 2Fe + 3Cl → 3FeCl
7) FeO + H2 → Fe + H2O Fe2O3 + 3H2 → 2Fe + 3H2O Naudojant vandenilį kaip reduktorių, sumažėtų į orą išmetamų teršalųkiekis.
8) Kiek molių vandenilio išsiskirs visiškai sureagavus 1,12 g geležies supraskiesta sieros rūgštimi?
Naudota Literatūra:
1. Regina Jasiūnienė ir Virgina Valentinavičienė. Chemija 9 klasei.
Vilnius, 2004. 2. Regina Jasiūnienė ir Virgina Valentinavičienė. Chemija 9 klasei. Mokytojo knyga. Vilnius, 2004. 3. Visuotinė lietuvių enciklopedija. II tomas. Vilnius, 2002. 4. Visuotinė lietuvių enciklopedija. VI tomas. Vilnius, 2004.