Fierul

Fierul

Istoric

Popoarele primitive(vechii egipteni, eschimosii, indienii din America de Nord) foloseau incidental obiecte fabricate din fer nativ, provenit din meteoriti. Obtinerea ferului din minereuri a fost descoperita la o epoca nedeterminata, de un popor locuind in Caucaz sau in Turkestan, inrudit probabil cu hititi, carora li se datoreaza raspandirea ferului in lumea antica. In Babilonia si in Egipt ferul a fost introdus pe la anul 1500, in Grecia la anul 1000, la Roma pe la anul 600 i.e.n. Procedeul primitiv(folosit pana in curand de indigenii din africa) consta in incalzirea minereului cu carbune de lemn in gropi sau in mici cuptoare cu tiraj natural, facute din pietre si lut. Se obtinea astfel un bulgare de fier impurificat cu zgura, de care se curata prin forjare indelungata. Un prim progres s-a realizat, inca din Orientul antic, prin folosirea foalelor, in locul curentului de aer natural al cuptorului. Abia in secolul al 13-lea foalele au fost puse in miscare de roti de apa, facand astfel posibila construirea unor furnale mai inalte, din care se scoteau bucati de fier(lupe), 200-300 kg. Inaltarea cuptoarelor si intensificarea curentului de aer au avut ca rezultat ridicarea temperaturii pana la punctul de topire al fierului. S-a ajuns astfel, in secolul al 15-lea, sa se obtina in cuptor un fier topit(fonta), ceea ce, la inceput, nu corespundea intentiei mestesugarilor, caci fonta, nu se poate forja, spargandu-se sub lovitura de ciocan. S-a reusit insa curand sa se transforme fonta in fier forjabil sau in otel, printr-un tratament ulterior, constand in topire cu minereu de fier. In secolul al 18-lea in urma distrugerii padurilor din Europa vestica, s-a inlocuit carbunele de lemn cu cocs, obtinut din carbuni de pamant, ceea ce a condus la o dezvoltare rapida a productiei de fonta.

Vechiul procedeu de transformare a fontei in otel cu ajutorul minereului de fier, in care otelul se obtinea in stare solida, a fost inlocuit in secolul al 19-lea prin care otelul se obtinea lichid. Aceste procedee de elaborare a otelului constau in insuflarea de aer prin fonta topita, in convertizoare Bessemer (cu captuseala acida) sau Thomas (cu captuseala bazica). Prin arderea carbonului, siliciului si a altor elemente existente in fonta temperatura se ridica la cca. 1600 , obtinandu-se otelul lichid.

Structura atomica

₂₆Fe      nucleoni = A = 56; p⁺= 26; n^o= 30; e^- = 26;

1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d⁶      => perioada 4; gr sec

straturi - 4      substraturi - 7

orbitali - 15     

Fe - 2eàFe²⁺

Fe - 3eàFe³⁺

Valenta 2;3; Electrovalenta +2; +3;

Metal: electropozitiv

Stare naturala

Ferul este metalul greu cel mai raspandit de pe glob. In stare nativa se gaseste rar, prin rocile scoartei pamantului, dar miezul planetei este probabil compus dintr-un aliaj de fer si nichel. Meteoritii, din spatiul interplanetar, care cad in cantitati destul de mari pe pamant, sunt compusi, in cea mai mare parte, dintr-un aliaj de fer cu 5-20% nichel si mai rar din silicati.

Mineralele de fer sunt mult mai raspandite. Importanta ca minereuri de fer au, in primul rand, oxizii: magnetita Fe3O4, hematita Fe2O3 si limotita FeO(OH), precum si carbonul feros, sideroza FeCO3. Cantitati mai mari de fer, din scoarta pamantului se gasesc sub forma de silicati. Ferul se gaseste in cantitati mici, in aproape toate mineralele.

_{meteorit feros hematita limotita}

pirita siderita

Obtinere

Reducerea oxizilor

Pentru obtinerea ferului pur reducerea se face cu hidrogen. In acest caz oxizii se prepara prin descompunerea unor combinatii (oxalat, carbonat) purificarea in prealabil. Reducerea oxizilor cu carbune sta la baza procedeului industrial de fabricare a diverselor varietati tehnice de fer. Produsul obtinut prin aceasta metoda nu este fer pur, ci aliaje cu carbon si alte cateva elemente.

Disocierea termica a combinatiilor

Unele combinatii ale ferului, de exemplu formiatul sau iodura feroasa, se descompun termic, punand in libertate metalul. Aplicatie tehnica are disocierea pentacarbonilului de fer de inalta puritate, fin granulat, folosit in industria electrotehnica si in metalurgia pulberilor.

Electroliza

Electroliza in solutie apoasa a sarurilor feroase (FeCl2, FeSO4) da de asemenea fer pur.

Minereurile de fier

Cele mai importante minereuri de fier sunt oxizii sai, hematitul Fe2Os si magnetitul Fe3O4, iar dintre carbonati, sideritul.

Sulfura de fier, pirita FeS2 este folosita ca sursa de bioxid de sulf, dar oxidul de fier impur obtinut prin calcinarea ei nu este bun pentru prepararea fierului din cauza sulfului, care mai ramane ca o impuritate suparatoare.

Metalurgia fierului

Minereurile de fier sunt de obicei calcinate pentru indepartarea apei, descompunerea carbonatilor si oxidarea sulfurilor. Pe urma sunt reduse cu cocs intr-o instalatie numita furnal inalt. Minereurile continand piatra de var sau carbonat de magneziu sunt amestecate cu un fondat acid (continand un exces de silice) sub forma de nisip sau argila, pentru a forma o zgura lichida. Piatra de var este folosita ca un fondant pentru minereurile care contin un exces de silice. Amestecul de minereu, fondat si cocs este intors in varful furnalului inalt iar aerul preincalzit este introdus pe la baza prin gurile de vant. Pe masura ce materialele solide coboara incet, ele sunt transformate in gaze, care scapa spre varf si in doua lichide, fierul topit si zgura, care sunt indepartate pe la baza. Partile furnalului sunt racite cu apa pentru a feri captuseala de topire. Reactiile mai importante care apar in furnalul inalt sunt combustia cocsului in monoxid de carbon si combinarea oxizilor acizi si bazici (impuritatile din minereu sau din flux), pentru a forma zgura - un amestec sticlos de silicati in compozitie complexa. Gazele fierbinti care parasesc furnalul, continand o anumita cantitate de monoxid de carbon neoxidat, sunt curatate de praf si pe urma amestecate cu aer si arse in spatii metalice mari, umplute cu caramizi refractare. Cand una dintre aceste instalatii numite regeneratoare de caldura (sobe) este incalzita la o temperatura inalta, gazul ars este trimis intr-un alt regenerator, iar generatorul incalzit este folosit pentru preincalzirea aerului pentru furnalul inalt. Un furnal inalt poate produce zilnic 1000 de tone de fonta si tot atata zgura. O parte din fonta se foloseste la turnarea de piese felurite, insa cea mai mare parte a fontei se transforma in otel. Pentru aceasta continutul de carbon la mai putin de 2% (dupa scop), iar celelalte elemente straine (Mn, Si, F, S) trebuie indepartate practic complet.

In partea de sus a furnalului, la temperatura relativ joasa, are loc reactia exoterma: Fe2O3+ 3CO 2Fe + 3Co2 ΔH C= -7,7 kcal.

Fierul format este solid si spongios. O parte din minereu se reduce numai pana la FeO. In partea de jos a furnalului, mai fierbinte are loc reactia endoterma: FeO + C Fe + CO      ΔH C= +34,3 kcal

Proprietati fizice si chimice

Ferul pur este un metal de culoare alba-argintie stralucitoare care-si pierde luciul (rugineste rapid) in aer umed sau in apa care contine oxigen dizolvat, duritate mica 4,5, greu, are densitatea de 7,8g/cm , bun conducator de caldura si electricitate, formeaza usor aliaje, moale, maleabil si ductil de asemenea, prezinta puternice proprietati magnetice (este "feromagnetic''). Punctul sau de topire este 1535 de grade C, iar punctul de fierbere 3000 C. Fierul obisnuit α (alpha) are un aranjament atomic cubic centrat intern - fiecare atom este in centrul unui cub format din opt atomi inconjuratori. La 912 C, fierul α(alpha) sufera o tranzitie la o alta forma alotropica, fierul γ(gamma) . La 1400 de grade C apare o alta tranzitie la fier Δ (delta), care are aceiasi structura cubica centrata intern ca si fierul α (alpha). Fierul pur, continand cca.0,01% impuritati, se poate prepara prin reducerea electrolitica a sarurilor de fier. El are o utilizare restransa.

Fierul metalic capata o duritate mult mai mare prin prezenta unei mici cantitati de carbon, iar proprietatile sale mecanice si chimice sunt de asemenea imbunatatite prin adaosul unor cantitati moderate de alte elemente, in special metale tranzitionale.

Afinitatea ferului pentru oxigen este mare. In aer umed ferul rugineste, trecand in oxi-hidroxid, FeO(OH). Prin incalzire in aer pana la incandescenta se formeaza magnetita, Fe3O4. In forma fin divizata ferul este piroforic. La temperatura inalta reactioneaza cu vapori de apa, trecand in Fe3O4, cu formare de hidrogen. La cald ferul reactioneaza energic cu clorul si cu sulful, dand clorura ferica sau sulfura feroasa. Cu azotul nu se combina direct, doar incalzit intr-o atmosfera de amoniac formeaza, la suprafata o combinatie extrem de dura: "nitrurare''. Hidrogenul este absorbit de fer, numai in cantitati mici, la incandescenta. Nu se cunoaste insa o hidrura a ferului.

Utilizari

Fierul este in prezent cel mai utilizat metal, cuprinzand 95% din productia mondiala de metale, ca si masa. Datorita combinarii unei rezistente inalte cu un pret redus, el se foloseste in prezent mai ales in cadrul aliajelor, pentru realizarea de diverse piese si structuri. Aliajele fier-carbon sunt materialele cu cea mai larga raspandire in industrie. Ele se impart in oteluri, cu un continut de carbon de pana la 2,11 % si fonte, cu un continut de carbon mai mare de 2,11 %. Alaturi de cobalt si nichel, fierul este unul dintre cele trei materiale feromagnetice care fac posibila aplicarea practica a electromagnetismului la generatoare electrice, transformatoare si motoare electrice.

Compusii Fe se folosesc la fabricarea:     

colorantilor, medicamentelor, etc.

la prepararea reactivilor chimici

catalizatorilor

magnetilor

la obtinerea aliajelor: fonta, oteluri, aliaje speciale, care sunt utilizate in foarte multe sectoare industriale

in medicina se folosesc preparate pe baza de fier ca antianemice.

Bibliografie

Linus Pauling - Chimie generala

C.D. Nenitescu - Chimie generala

www. wikipedia.ro

Enciclopedie stiintifica ilustrata editura Aquila

Arborele lumii