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철 이온을 결정하는 방법. 철의 물리적, 화학적 성질

철과 그 합금으로 만들어진 최초의 제품은 발굴 중에 발견되었으며 기원전 4천년 경으로 거슬러 올라갑니다. 즉, 고대 이집트인과 수메르인조차도 이 물질의 운석 퇴적물을 사용하여 보석, 가정용품, 무기를 만들었습니다.

오늘날에는 순금속뿐만 아니라 다양한 종류의 철 화합물이 가장 일반적이고 사용되는 물질입니다. 20세기가 철로 여겨졌던 것은 당연합니다. 결국, 플라스틱 및 관련 재료가 출현하고 널리 사용되기 전에 인간에게 결정적으로 중요한 것은 바로 이 화합물이었습니다. 이 요소가 무엇이며 어떤 물질을 형성하는지 이 기사에서 고려할 것입니다.

화학 원소 철

원자의 구조를 고려한다면 우선 주기율표에서의 위치를 표시해야 합니다.

일련번호 - 26.
기간은 네 번째 주요 기간입니다.
그룹 8, 보조 하위 그룹.
원자량 - 55.847.
외부 전자 껍질의 구조는 공식 3d 6 4s 2로 표시됩니다.
- Fe.
이름은 철이고 공식의 읽기는 "페럼"입니다.
자연계에는 질량수가 54, 56, 57, 58인 해당 원소의 안정 동위원소가 4개 있습니다.

화학 원소인 철에는 또한 약 20가지의 서로 다른 동위원소가 있는데, 이는 불안정합니다. 주어진 원자가 나타낼 수 있는 가능한 산화 상태:

원소 자체도 중요하지만, 원소의 다양한 화합물과 합금도 중요합니다.

물리적 특성

단순한 물질로서 철은 뚜렷한 금속성을 가지고 있습니다. 즉, 회색을 띠는 은백색 금속으로 전성과 연성이 높고 녹는점과 끓는점이 높다. 특성을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같습니다.

융점 - 1539 0C;
비등점 - 2862 0C;
활동 - 평균;
내화도 - 높음;
뚜렷한 자기 특성을 나타냅니다.

조건과 다양한 온도에 따라 철이 형성되는 몇 가지 변형이 있습니다. 결정 격자가 다르기 때문에 물리적 특성이 다릅니다.

모든 수정은 다양한 유형의 결정 격자를 가지며 자기 특성도 다릅니다.

화학적 특성

위에서 언급한 바와 같이, 철 단체는 평균적인 화학적 활성을 나타냅니다. 그러나 미세하게 분산된 상태에서는 공기 중에서 자연 발화할 수 있으며, 순수한 산소에서는 금속 자체가 연소됩니다.

부식성이 높으므로 이 물질의 합금은 합금 화합물로 코팅됩니다. 철은 다음과 상호 작용할 수 있습니다.

산;
산소(공기 포함);
회색;
할로겐;
가열되면 - 질소, 인, 탄소 및 규소로;
덜 활성인 금속염을 사용하여 단순한 물질로 환원합니다.
뜨거운 수증기로;
산화 상태의 철염 +3.

이러한 활성을 나타내는 금속은 특성이 다양하고 극성이 있는 다양한 화합물을 형성할 수 있다는 것이 명백합니다. 이것이 일어나는 일입니다. 철과 그 화합물은 매우 다양하며 과학, 기술 및 인간 산업 활동의 다양한 분야에서 사용됩니다.

자연에서의 분포

철의 천연 화합물은 알루미늄 다음으로 지구상에서 두 번째로 풍부한 원소이기 때문에 꽤 자주 발견됩니다. 동시에, 금속은 운석의 일부로서 순수한 형태로 극히 드물게 발견되는데, 이는 우주에 큰 축적이 있음을 나타냅니다. 벌크는 광석, 암석 및 광물에 포함되어 있습니다.

자연에서 문제의 요소의 비율에 대해 이야기하면 다음 수치를 제공할 수 있습니다.

지구형 행성의 핵심 - 90%.
지각에서 - 5%.
지구 맨틀에서 - 12%.
지구의 핵심 - 86%.
강물에서 - 2 mg/l.
바다와 바다에서 - 0.02 mg/l.

가장 일반적인 철 화합물은 다음과 같은 미네랄을 형성합니다.

자철광;
갈철광 또는 갈색 철광석;
비비안나이트;
황철석;
황철석;
측석;
백철석;
뇌염;
잘못 선택;
mylanterite 및 기타.

정말 많은 목록이 있기 때문에 이것은 여전히 긴 목록입니다. 또한 인간이 만든 다양한 합금이 널리 퍼져 있습니다. 이것들은 또한 철 화합물 없이는 현대인의 삶을 상상하기 어렵습니다. 여기에는 두 가지 주요 유형이 포함됩니다.

주철;
이 되다.

철은 또한 많은 니켈 합금에서 귀중한 첨가제입니다.

철(II) 화합물

여기에는 형성 원소의 산화 상태가 +2인 것들이 포함됩니다. 다음을 포함하기 때문에 그 수가 상당히 많습니다.

산화물;
수산화물;
이원 화합물;
복합염;
복잡한 화합물.

철이 표시된 산화 상태를 나타내는 화합물의 공식은 각 클래스마다 다릅니다. 그 중 가장 중요하고 일반적인 것을 살펴 보겠습니다.

산화철(II).흑색 분말, 물에 불용성. 연결의 성격은 기본입니다. 빠르게 산화될 수 있지만 쉽게 단순한 물질로 환원될 수도 있습니다. 산에 용해되어 해당 염을 형성합니다. 공식 - FeO.
철(II) 수산화물.백색의 무정형 침전물이다. 염기(알칼리)와 염의 반응으로 형성됩니다. 약한 기본 특성을 나타내며 공기 중에서 철 화합물 +3으로 빠르게 산화될 수 있습니다. 공식 - Fe(OH) 2.
특정 산화 상태에 있는 원소의 염입니다.일반적으로 용액은 연한 녹색을 띠고 공기 중에서도 잘 산화되어 철염 3을 획득하고 변합니다. 물에 용해됩니다. 화합물의 예: FeCL 2, FeSO 4, Fe(NO 3) 2.
지정된 물질 중 몇 가지 화합물이 실질적으로 중요합니다. 첫째, (II). 이것은 빈혈이 있는 사람의 몸에 이온을 공급하는 주요 공급원입니다. 환자에게서 그러한 질병이 진단되면 해당 화합물에 기초한 복합 약물이 처방됩니다. 이것이 신체의 철분 결핍이 보충되는 방법입니다.
둘째, 황산철(II)은 구리와 함께 작물의 해충을 박멸하는 데 사용됩니다. 이 방법은 수십 년 동안 그 효과가 입증되어 정원사 및 정원사에게 높은 평가를 받고 있습니다.
모라의 소금
황산제1철암모늄의 결정성 수화물인 화합물이다. 그 공식은 FeSO 4 *(NH 4) 2 SO 4 *6H 2 O로 작성됩니다. 실제로 널리 사용되는 철(II) 화합물 중 하나입니다. 인간이 주로 사용하는 분야는 다음과 같습니다.
1. 제약.
2. 과학 연구 및 실험실 적정 분석(크롬, 과망간산칼륨, 바나듐 함량 측정).
3. 약 - 환자의 몸에 철분이 부족한 경우 식품 보충제로 사용됩니다.
4. Mohr의 소금은 부패 과정을 방지하기 때문에 목재 제품 함침용입니다.
이 물질이 사용되는 다른 영역도 있습니다. 그것은 처음으로 나타난 특성을 발견한 독일 화학자를 기리기 위해 그 이름을 받았습니다.
철(III)의 산화 상태를 갖는 물질
+3의 산화 상태를 나타내는 철 화합물의 특성은 위에서 논의한 것과 다소 다릅니다. 따라서 해당 산화물과 수산화물의 성질은 더 이상 염기성이 아니라 양쪽성으로 뚜렷이 나타납니다. 주요 물질에 대해 설명하겠습니다.

제시된 예 중에서, 실용적인 관점에서 FeCL 3* 6H 2 O 또는 6수화물 염화철(III)과 같은 결정성 수화물이 중요하다. 빈혈 동안 출혈을 멈추고 체내 철 이온을 보충하기 위해 의학에서 사용됩니다.
황산철(III) 9수화물은 응고제 역할을 하기 때문에 식수를 정화하는 데 사용됩니다.
철(VI) 화합물
+6의 특별한 산화 상태를 나타내는 철 화합물의 공식은 다음과 같이 쓸 수 있습니다.
- K2FeO4;
- Na2FeO4;
- MgFeO4 및 기타.
그것들은 모두 철산염이라는 공통 이름을 갖고 있으며 유사한 특성(강한 환원제)을 가지고 있습니다. 또한 소독이 가능하고 살균 효과가 있습니다. 이를 통해 산업용 규모의 식수 처리에 사용할 수 있습니다.
복잡한 연결
특수 물질은 분석 화학과 그 이상에서 매우 중요합니다. 염 수용액에서 형성되는 것. 이들은 복잡한 철 화합물입니다. 그 중 가장 인기 있고 잘 연구된 것은 다음과 같습니다.
1. 칼륨 헥사시아노철산염(II) K 4 .화합물의 또 다른 이름은 황혈염입니다. 용액 내 철 이온 Fe 3+의 정성 측정에 사용됩니다. 노출의 결과로 용액은 프러시안 블루 KFe 3+라는 또 다른 복합체가 형성됨에 따라 아름다운 밝은 파란색을 얻습니다. 예로부터 다음과 같은 용도로 사용되어 왔습니다.
2. 칼륨 헥사시아노철산염(III) K 3 .또 다른 이름은 적혈염입니다. 철 이온 Fe 2+ 측정을 위한 고품질 시약으로 사용됩니다. 결과적으로 Turnboole blue라고 불리는 파란색 침전물이 형성됩니다. 직물 염료로도 사용됩니다.
유기물의 철분
철과 그 화합물은 우리가 이미 살펴보았듯이 인간의 경제 생활에서 매우 실용적으로 중요합니다. 그러나 이 외에도 신체에서의 생물학적 역할은 그다지 크지 않으며 그 반대도 마찬가지입니다.
이 요소를 포함하는 매우 중요한 단백질이 하나 있습니다. 이것은 헤모글로빈입니다. 덕분에 산소가 운반되고 균일하고 시기적절한 가스 교환이 발생합니다. 따라서 중요한 과정인 호흡에서 철의 역할은 엄청납니다.
전체적으로 인체에는 약 4g의 철분이 포함되어 있으며 이는 섭취되는 음식을 통해 지속적으로 보충되어야 합니다.

고대부터 사람들에게 알려져 있습니다. 과학자들은 이 재료로 만든 고대 가정용품이 기원전 4천년에 만들어졌다고 생각합니다.

철이 없는 인간의 삶은 상상할 수 없습니다. 철은 다른 금속보다 산업 목적으로 더 자주 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 가장 중요한 구조는 그것으로 만들어집니다. 철분은 혈액에서도 소량으로 발견됩니다. 피를 붉게 물들이는 것은 26번째 원소의 함량이다.

철의 물리적 성질

철은 산소 속에서 연소되어 산화물을 형성합니다.

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

가열되면 철은 비금속과 반응할 수 있습니다.

또한 700-900 °C의 온도에서는 수증기와 반응합니다.

3Fe + 4H²O = Fe₃O₄ + 4H².

철 화합물

알려진 바와 같이 산화철에는 +2와 +3의 두 가지 산화 상태를 갖는 이온이 있습니다. 이를 아는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 서로 다른 원소에 대해 완전히 다른 질적 반응이 수행되기 때문입니다.

철분에 대한 질적 반응

용액에 있는 한 물질의 이온이나 다른 물질의 불순물의 존재를 쉽게 확인할 수 있으려면 정성적 반응이 필요합니다. 2가 철과 3가 철의 질적 반응을 고려해 봅시다.

철분에 대한 질적 반응 (III)

용액 내 철 이온의 함량은 알칼리를 사용하여 측정할 수 있습니다. 결과가 양성이면 염기가 형성됩니다 - 수산화철(III) Fe(OH)₃.

수산화철(III) Fe(OH)₃

생성된 물질은 물에 녹지 않으며 갈색을 띤다. 용액에 철 이온이 존재함을 나타낼 수 있는 것은 갈색 침전물입니다.

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Fe(III) 이온은 K₃를 사용하여 결정할 수도 있습니다.

염화제2철 용액을 황색의 혈액염 용액과 혼합한다. 결과적으로 용액에 철 이온이 존재함을 나타내는 아름다운 푸른색 침전물을 볼 수 있습니다. 철의 특성을 연구하기 위한 놀라운 실험을 발견하게 될 것입니다.

철분에 대한 질적 반응 (II)

Fe²⁺ 이온은 적혈구 염 K₄과 반응합니다. 소금을 첨가했을 때 푸른색 침전물이 형성되면 이러한 이온이 용액에 존재한다는 의미입니다.

인체에는 약 5g의 철분이 함유되어 있으며, 대부분(70%)이 혈액 헤모글로빈의 일부입니다.

물리적 특성

자유 상태에서 철은 칙칙한 색조를 띠는 은백색 금속입니다. 순수한 철은 연성이 있고 강자성 특성을 가지고 있습니다. 실제로는 일반적으로 철 합금(주철 및 강철)이 사용됩니다.

Fe는 VIII족 하위 그룹의 9개 d-금속 중 가장 중요하고 가장 풍부한 원소입니다. 코발트, 니켈과 함께 "철족"을 형성합니다.

다른 원소와 화합물을 형성할 때 전자 2~3개를 사용하는 경우가 많다(B = II, III).

VIII족의 거의 모든 d-원소와 마찬가지로 철은 그룹 번호와 동일한 더 높은 원자가를 나타내지 않습니다. 최대 원자가는 VI에 도달하며 극히 드물게 나타납니다.

가장 일반적인 화합물은 Fe 원자가 +2 및 +3 산화 상태에 있는 화합물입니다.

철분을 얻는 방법

1. 공업용 철(탄소 및 기타 불순물과 합금)은 다음 계획에 따라 천연 화합물의 탄소열 환원을 통해 얻습니다.

회복은 3단계로 점진적으로 이루어집니다.

1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2

3) FeO + CO = Fe + CO 2

이 공정을 통해 생성된 주철에는 2% 이상의 탄소가 포함되어 있습니다. 그 후, 주철은 탄소 함량이 1.5% 미만인 강철-철 합금을 생산하는 데 사용됩니다.

2. 다음 방법 중 하나로 매우 순수한 철을 얻습니다.

a) Fe 펜타카르보닐의 분해

Fe(CO) 5 = Fe + 5СО

b) 순수한 FeO2를 수소로 환원

FeO + H 2 = Fe + H 2 O

c) Fe +2 염 수용액의 전기 분해

FeC2O4 = Fe + 2CO2

철(II) 옥살산염

화학적 특성

Fe는 중간 활성의 금속이며 금속 특유의 일반적인 특성을 나타냅니다.

독특한 특징은 습한 공기에서 "녹슬어지는" 능력입니다.

건조한 공기에 수분이 없으면 철은 T > 150°C에서만 눈에 띄게 반응하기 시작합니다. 하소하면 "철 스케일"Fe 3 O 4가 형성됩니다.

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4

철은 산소가 없으면 물에 녹지 않습니다. 매우 높은 온도에서 Fe는 수증기와 반응하여 물 분자에서 수소를 대체합니다.

3 Fe + 4H 2 O(g) = 4H 2

녹이 발생하는 메커니즘은 전기화학적 부식입니다. 녹 제품은 단순화된 형태로 제공됩니다. 실제로, 다양한 조성의 산화물과 수산화물 혼합물의 느슨한 층이 형성됩니다. Al 2 O 3 필름과 달리 이 층은 철이 더 이상 파괴되지 않도록 보호하지 않습니다.

부식의 종류

철을 부식으로부터 보호

1. 고온에서 할로겐 및 황과의 상호 작용.

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3

2Fe + 3F 2 = 2FeF 3

Fe + I 2 = FeI 2

이온 결합 유형이 우세한 화합물이 형성됩니다.

2. 인, 탄소, 규소와의 상호 작용(철은 N2 및 H2와 직접 결합하지 않고 용해함).

Fe + P = Fe x Py

Fe + C = Fe x C y

Fe + Si = Fe x Si y

베르톨리드(결합의 공유 성질이 화합물에서 우세함)와 같은 다양한 구성의 물질이 형성됩니다.

3. "비산화" 산(HCl, H 2 SO 4 dil.)과의 상호작용

Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2

Fe는 활동도 계열에서 수소 왼쪽(E° Fe/Fe 2+ = -0.44 V)에 위치하므로 일반 산에서 H 2를 대체할 수 있습니다.

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2

4. "산화" 산(HNO 3, H 2 SO 4 농도)과의 상호작용

Fe 0 - 3e - → Fe 3+

농축된 HNO 3 및 H 2 SO 4는 철을 "부동태화"하므로 상온에서는 금속이 용해되지 않습니다. 강한 가열로 인해 천천히 용해됩니다(H 2 방출 없음).

섹션에서 HNO 3 철은 용해되어 Fe 3+ 양이온의 형태로 용액이 되고 산성 음이온은 NO*로 환원됩니다.

Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

HCl과 HNO 3의 혼합물에 매우 잘 녹습니다.

5. 알칼리와의 관계

Fe는 알칼리 수용액에 용해되지 않습니다. 매우 높은 온도에서만 용융된 알칼리와 반응합니다.

6. 덜 활성인 금속염과의 상호작용

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu

Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. 기체 일산화탄소와의 반응 (t = 200°C, P)

Fe(분말) + 5CO(g) = Fe 0(CO) 5 철 펜타카르보닐

Fe(III) 화합물

Fe 2 O 3 - 산화철(III).

적갈색 분말, n. 아르 자형. H 2 O. 자연에서 - "적철광석".

획득 방법:

1) 수산화철(III)의 분해

2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O

2) 황철석 소성

4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3

3) 질산염 분해

화학적 특성

Fe 2 O 3 는 양쪽성의 징후가 있는 염기성 산화물입니다.

I. 주요 특성은 산과 반응하는 능력으로 나타납니다.

Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZH 2 O

Fe2O3 + 6HCI = 2FeCl3 + 3H2O

Fe 2 O 3 + 6HNO 3 = 2Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O

II. 약산성. Fe 2 O 3는 알칼리 수용액에 용해되지 않지만 고체 산화물, 알칼리 및 탄산염과 융합되면 페라이트가 형성됩니다.

Fe 2 O 3 + CaO = Ca(FeO 2) 2

Fe 2 O 3 + 2NaOH = 2NaFeO 2 + H 2 O

Fe 2 O 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2

III. Fe 2 O 3 - 야금에서 철 생산을 위한 공급원료:

Fe 2 O 3 + ZS = 2Fe + ZSO 또는 Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2

Fe(OH) 3 - 수산화철(III)

획득 방법:

가용성 Fe 3+ 염에 대한 알칼리의 작용으로 얻음:

FeCl 3 + 3NaOH = Fe(OH) 3 + 3NaCl

준비 당시 Fe(OH) 3 는 적갈색 점액성 무정형 퇴적물이었습니다.

Fe(III) 수산화물은 습한 공기에서 Fe와 Fe(OH) 2가 산화되는 동안에도 형성됩니다.

4Fe + 6H 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3

4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3

Fe(III) 수산화물은 Fe 3+ 염의 가수분해의 최종 생성물입니다.

화학적 특성

Fe(OH) 3 는 매우 약한 염기입니다(Fe(OH) 2 보다 훨씬 약함). 눈에 띄는 산성 특성을 보여줍니다. 따라서 Fe(OH) 3 는 양쪽성 특성을 갖습니다.

1) 산과의 반응이 쉽게 일어납니다.

2) Fe(OH)3의 새로운 침전물이 뜨거운 농축액에 용해됩니다. 수산화물 복합체를 형성하는 KOH 또는 NaOH 용액:

Fe(OH) 3 + 3KOH = K 3

알칼리성 용액에서 Fe(OH) 3는 철산염(철산 H 2 FeO 4의 염은 자유 상태에서 방출되지 않음)으로 산화될 수 있습니다.

2Fe(OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O

Fe 3+ 염

가장 실질적으로 중요한 것은 다음과 같습니다: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe(NO 3) 3, Fe(SCN) 3, K 3 4 - 노란색 혈액 염 = Fe 4 3 프러시안 블루(진한 파란색 침전물)

b) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 티오시아네이트 Fe(III) (혈색 용액)

철은 지구상에서 가장 흔한 화학 원소 중 하나입니다. 고대부터 사람들은 작업을 더 쉽게 하기 위해 그것을 사용하는 방법을 배웠습니다. 기술의 발달로 그 범위가 크게 확대되었습니다. 수천 년 전에 철이 토지 경작에 사용되는 간단한 도구를 제조하는 데에만 사용되었다면 이제 이 화학 원소는 첨단 기술 생산의 거의 모든 영역에 사용됩니다.

Pliny the Elder가 쓴 것처럼. “철광부는 인간에게 가장 훌륭하고 가장 해로운 도구를 제공합니다. 이 도구를 사용하여 우리는 땅을 파고, 열매가 많은 정원을 가꾸고, 포도로 야생 포도나무를 가지치기하여 매년 어린 나무가 자라도록 강제합니다. 이 도구를 사용하여 우리는 집을 짓고, 돌을 부수고, 철그러한 모든 필요를 위해. 그러나 우리는 같은 철로 전쟁, 전투, 강도를 수행하고 그것을 가까이에서 사용할뿐만 아니라 허점이나 강력한 손 또는 깃털 화살 형태로 날개를 달고 먼 곳으로 던집니다. 제 생각에는 인간 마음의 가장 사악한 속임수입니다. 사람에게 더 빨리 죽음이 닥치도록 날개를 달고 철에 깃털을 주었기 때문입니다. 그러므로 죄를 자연에게 돌리지 않고 인간에게 돌리도록 하라.” 매우 자주 그것은 다양한 비율의 철을 포함하는 다양한 합금의 제조에 사용됩니다. 이 합금 중 가장 유명한 것은 강철과 주철입니다.

전기가 철을 녹인다

철강의 특성은 다양합니다. 바닷물에 장기간 노출되는 강철, 고온과 뜨거운 가스의 공격적인 작용을 견딜 수 있는 강철, 부드러운 결속 와이어를 만드는 강철, 탄성 및 견고한 스프링 제조용 강철이 있습니다.

이러한 다양한 특성은 다양한 강철 구성으로 인해 발생합니다. 따라서 내구성이 뛰어난 볼 베어링은 탄소 1%와 크롬 1.5%를 함유한 강철로 만들어집니다. 크롬 18%와 니켈 89%를 함유한 강철은 잘 알려진 "스테인리스강"이며, 선삭 공구는 텅스텐 18%, 크롬 4%, 바나듐 1%를 함유한 강철로 만들어집니다.

이러한 다양한 강철 구성으로 인해 제련이 매우 어렵습니다. 결국 개방형 노와 전로에서는 분위기가 산화되고 크롬과 같은 원소는 쉽게 산화되어 슬래그로 변합니다. 즉 손실됩니다. 이는 크롬 함량이 18%인 강철을 얻으려면 강철 1톤당 180kg보다 훨씬 더 많은 크롬을 용광로에 공급해야 함을 의미합니다. 그리고 크롬은 값비싼 금속입니다. 이 상황에서 벗어날 방법을 찾는 방법은 무엇입니까?

20세기 초에 해결책이 발견되었습니다. 금속을 제련하기 위해 전기 아크의 열을 사용하는 것이 제안되었습니다. 원형로에 고철을 넣고 주철을 붓고 탄소 또는 흑연 전극을 낮추었습니다. 그들과 용광로(“욕조”)의 금속 사이에 약 4000°C 온도의 전기 아크가 발생했습니다. 금속은 쉽고 빠르게 녹았습니다. 그리고 이러한 폐쇄형 전기로에서는 산화, 환원 또는 완전 중성 등 모든 분위기를 만들 수 있습니다. 즉, 귀중한 요소가 소실되는 것을 방지할 수 있습니다. 이것이 고품질 철강의 야금이 탄생한 방법입니다.

나중에 또 다른 전기 용융 방법인 유도가 제안되었습니다. 고주파 전류가 흐르는 코일에 금속 도체를 배치하면 코일에 전류가 유도되고 도체가 가열된다는 것이 물리학에서 알려져 있습니다. 이 열은 특정 시간 내에 금속을 녹일 만큼 충분합니다. 유도로는 라이닝에 나선형이 내장된 도가니로 구성됩니다. 고주파 전류가 나선형을 통해 흐르고 도가니의 금속이 녹습니다. 그런 난로에서는 어떤 분위기라도 조성할 수 있습니다.

전기 아크로에서 제련 공정은 일반적으로 여러 단계로 진행됩니다. 첫째, 금속에서 불필요한 불순물을 연소시켜 산화시킨다(산화기간). 그런 다음 이러한 원소의 산화물을 포함하는 슬래그가 용광로에서 제거(다운로드)되고 사전 합금(금속에 도입되어야 하는 원소가 포함된 철 합금)이 로드됩니다. 퍼니스가 폐쇄되고 공기 접근 없이 용융이 계속됩니다(복구 기간). 결과적으로 강철은 주어진 수량에 필요한 요소로 포화됩니다. 완성된 금속을 국자에 담아 붓습니다.

강철, 특히 고품질 강철은 불순물 함량에 매우 민감한 것으로 나타났습니다. 소량의 산소, 질소, 수소, 황, 인은 강도, 인성, 내식성 등의 특성을 크게 저하시킵니다. 이러한 불순물은 강철에 포함된 철 및 기타 원소와 비금속 화합물을 형성하여 금속 입자 사이에 끼어 균질성을 손상시키고 품질을 저하시킵니다. 따라서 강철의 산소와 질소 함량이 증가하면 강도가 감소하고 수소는 박편의 출현을 유발합니다. 금속의 미세 균열로 인해 하중이 가해지면 강철 부품이 예기치 않게 파괴되고 인은 추위에 강철의 취성을 증가시킵니다. 황은 적색 취성을 유발합니다 - 고온에서 하중을 받으면 강철이 파괴됩니다.

야금학자들은 오랫동안 이러한 불순물을 제거하는 방법을 찾고 있었습니다. 개방형 노, 변환기 및 전기로에서 제련 후 금속은 탈산됩니다. 알루미늄, 페로실리콘(철과 실리콘의 합금) 또는 페로망간이 첨가됩니다. 이러한 원소는 산소와 적극적으로 결합하여 슬래그에 부유하며 강철의 산소 함량을 감소시킵니다. 그러나 강철에는 여전히 산소가 남아 있으며, 고품질 강철의 경우 남은 양이 너무 많습니다. 더 효과적인 다른 방법을 찾아야 했습니다.

1950년대에 야금학자들은 산업 규모로 강철을 진공 청소기로 청소하기 시작했습니다. 액체 금속이 담긴 국자를 공기가 펌핑되는 챔버에 배치됩니다. 금속이 격렬하게 끓기 시작하고 금속에서 가스가 방출됩니다. 그러나 300톤의 강철을 담은 국자를 상상하고 그것이 완전히 끓을 때까지 얼마나 걸릴지, 그리고 이 시간 동안 금속이 얼마나 식을지 추정해 보세요.

이 방법은 소량의 강철에만 적합하다는 것이 즉시 분명해질 것입니다. 따라서 더 빠르고 효율적인 다른 진공 방법이 개발되었습니다. 이제는 모든 선진국에서 사용되며 이로 인해 철강의 품질이 향상되었습니다. 그러나 그녀에 대한 요구는 점점 더 커졌습니다.

60년대 초 키예프의 All-Union Institute of Electric Welding에서 이름을 따왔습니다. 철강을 일렉트로슬래그 재용해하는 방법인 E.O. Paton이 개발되었으며, 이는 곧 많은 국가에서 사용되기 시작했습니다. 이 방법은 매우 간단합니다. 청소해야 하는 금속 잉곳을 수냉식 금속 용기(결정화기)에 넣고 특수 조성의 슬래그로 채웁니다. 그런 다음 잉곳이 전류 소스에 연결됩니다. 잉곳 끝에서 전기 아크가 발생하고 금속이 녹기 시작합니다. 액체 강철은 슬래그와 반응하여 산화물뿐만 아니라 질화물, 인화물 및 황화물로부터도 정제됩니다. 유해한 불순물이 없는 새로운 주괴가 결정화기에서 고체화됩니다. 1963년 일렉트로슬래그 재용해 방법의 개발 및 구현을 위해 B.I. Medovar와 Yu.V. Latash가 이끄는 All-Union Institute of Electric Welding의 작업자 그룹이 레닌상을 수상했습니다.

철야금 중앙과학연구소의 금속공학자들의 이름을 딴 것입니다. I. P. Bardina. 야금 공장 작업자와 협력하여 그들은 훨씬 더 간단한 방법을 개발했습니다. 금속 세척용 특수 성분의 슬래그를 녹여 국자에 부은 후, 용광로에서 금속이 이 액체 슬래그로 방출됩니다. 슬래그는 금속과 혼합되어 불순물을 흡수합니다. 이 방법은 빠르고 효율적이며 많은 양의 전기를 필요로 하지 않습니다. 이 책의 저자인 S.G. Voinov, A.I. Osipov, A.G. Shalimov 등도 1966년에 레닌상을 수상했습니다.

그러나 독자는 아마도 이미 질문이 있을 것입니다. 왜 이 모든 어려움이 있습니까? 결국 우리는 일반 전기 오븐에서는 어떤 분위기라도 만들 수 있다고 이미 말했습니다. 이는 단순히 용광로에서 공기를 펌핑하고 진공 상태에서 제련을 수행할 수 있음을 의미합니다. 하지만 서두르지 말고 특허청으로 가세요! 이 방법은 소형 유도로에서 오랫동안 사용되어 왔으며, 60년대 후반과 70년대 초반에 상당히 큰 아크 및 유도 전기로에 사용되기 시작했습니다. 오늘날 진공 아크 및 진공 유도 재용해 방법은 산업화된 국가에서 널리 보급되었습니다.

여기서는 유해한 불순물로부터 강철을 청소하는 주요 방법만 설명했습니다. 수십 가지 종류가 있습니다. 그들은 야금학자들이 연고에서 속담인 파리를 제거하고 고품질 금속을 얻는 데 도움을 줍니다.

용광로 없이 철을 얻는 방법

화학자의 관점에서 볼 때 철 야금은 가볍게 말하면 비논리적 활동이라고 위에서 이미 언급했습니다. 첫째, 철은 탄소 및 기타 원소로 포화되어 있으며 이러한 원소를 태우는 데 많은 노동력과 에너지가 소비됩니다. 광석에서 철을 즉시 복원하는 것이 더 쉽지 않습니까? 결국 이것이 바로 치즈 용광로에서 부드러워진 뜨거운 해면철을 얻은 고대 야금학자들이 한 일입니다. 최근 몇 년 동안 이러한 관점은 이미 수사적 질문의 단계를 벗어났으며 완전히 실제적이고 구현된 프로젝트를 기반으로 합니다. 용광로 공정을 거치지 않고 광석에서 직접 철을 추출하는 작업은 지난 세기에 수행되었습니다. 이 프로세스를 직접 복구라고 했습니다. 그러나 최근까지 널리 배포되지는 않았습니다. 첫째, 제안된 모든 직접 환원 방법은 효과적이지 않았고, 둘째, 결과물인 해면철은 품질이 낮고 불순물로 오염되었습니다. 그럼에도 불구하고 열광적인 사람들은 계속해서 이 방향으로 일했습니다.

천연가스가 산업계에서 널리 사용되기 시작한 이후 상황은 급격하게 변했습니다. 이는 철광석을 회수하는 이상적인 수단임이 입증되었습니다. 천연 가스의 주성분인 메탄 CH4는 특수 장치(2CH4 + O 2 → 2CO + 2H 2 반응에 따른 개질기)에서 촉매가 있는 상태에서 산화에 의해 분해됩니다.

그 결과 환원 가스(일산화탄소와 수소)가 혼합됩니다. 이 혼합물은 철광석도 공급되는 반응기로 들어갑니다. 바로 예약합시다. 원자로의 모양과 디자인은 매우 다양합니다. 때때로 반응기는 시멘트 가마와 같은 회전식 관형 가마, 때로는 샤프트 가마, 때로는 폐쇄형 레토르트입니다. 이것은 Midrex, Purofer, Ohalata-i-Lamina, SL-RN 등 직접 환원 방법의 다양한 이름을 설명합니다. 방법의 수는 이미 24개를 초과했습니다. 그러나 그들의 본질은 대개 동일합니다. 풍부한 철광석은 일산화탄소와 수소의 혼합물로 환원됩니다.

하지만 그 결과로 나온 제품은 어떻게 해야 할까요? 해면철로 좋은 도끼를 만들 수 있을 뿐만 아니라, 좋은 못도 만들 수 없습니다. 원래 광석이 아무리 풍부하더라도 여전히 순수한 철을 생산할 수는 없습니다. 화학 열역학 법칙에 따르면 광석에 포함된 철을 모두 복원하는 것도 불가능합니다. 그 중 일부는 여전히 산화물 형태로 제품에 남아 있습니다. 그리고 여기에 입증 된 친구가 전기로를 도와줍니다. 스폰지 철은 전기 야금에 거의 이상적인 원료로 밝혀졌습니다.유해한 불순물이 거의 포함되어 있지 않으며 잘 녹습니다.

다시 한번 2단계 과정을 거치세요! 그러나 이것은 다른 방식이다. 직접환원전기로 방식의 장점은 비용이 저렴하다는 것이다. 직접 환원 플랜트는 용광로보다 훨씬 저렴하고 에너지 소비도 적습니다. 이러한 유형의 무폭발 제강 기술은 Oskol 전기 야금 공장 프로젝트에 통합되었습니다.

우리나라에서는 Stary Oskol 근처에 이 계획에 따라 정확하게 작동할 대규모 야금 공장이 건설되고 있습니다. 첫 번째 단계는 이미 가동되었습니다. 철 야금에서 해면철을 사용하는 유일한 방법은 직접 재용해가 아니라는 점에 유의하십시오. 또한 개방형 난로, 전로, 전기로의 고철 대신 사용할 수도 있습니다.

전기로에서 해면철을 재용해하는 방법은 해외, 특히 석유 및 천연가스 매장량이 많은 국가, 즉 라틴 아메리카 및 중동 국가에서 급속히 확산되고 있습니다. 그러나 이러한 고려사항(천연가스의 가용성)을 고려할 때 새로운 방법이 기존의 2단계 고로-강재 제련 장치 방법을 완전히 대체할 것이라고 믿을 이유는 아직 없습니다.

철의 미래

철기 시대는 계속됩니다. 인류가 사용하는 모든 금속과 합금의 약 90%는 철 기반 합금입니다. 철은 다른 금속은 말할 것도 없고 세계에서 알루미늄보다 약 50배 더 많이 제련됩니다. 플라스틱? 그러나 우리 시대에는 다양한 구조에서 독립적 인 역할을하는 경우가 가장 많으며 전통에 따라 "대체 불가능한 대체품"등급으로 소개하려고하면 철이 아닌 비철 금속을 더 자주 대체합니다. 것들. 우리가 소비하는 플라스틱 중 단 몇 퍼센트만이 강철을 대체합니다.

철 기반 합금은 보편적이고, 기술적으로 진보했으며, 접근 가능하고 대량으로 저렴합니다. 이 금속의 원료 기반도 우려할 만한 원인이 아닙니다. 이미 탐사된 철광석 매장량은 앞으로 최소 2세기 동안은 충분할 것입니다. 철은 여전히 오랫동안 문명의 기초가 될 것입니다.

정의

철- 주기율표의 2차(B) 하위 그룹 VIII 그룹의 네 번째 기간의 요소입니다. 명칭 – Fe. 단순한 형태의 철은 은백색 금속입니다.

밀도는 7.87g/cm3입니다. 녹는 점 1539 o C, 끓는점 3200 o C. 철에는 몇 가지 수정 사항이 있습니다. 최대 769oC에서는 체심 입방 격자와 강자성 특성을 지닌 α-철이 안정적입니다. 769oC에서 β-철로의 전이가 발생합니다(결정 구조는 동일하고 상자성임). 910oC에서는 면심 결정 격자를 가진 γ-철이 형성됩니다. 상자성 특성. 1400oC에서 녹는점까지 - 체심 입방 격자를 가진 δ-철.