Урок 29 Получить доступ за 75 баллов Железо. Часть вторая
Сплавы железа
Чистое железо непрочное, очень мягкое и поэтому не находит применения.
Все изделия, которые называют обычно железными, на самом деле изготовлены из сплавов железа с углеродом.
Углерод сильно изменяет свойства железа: понижает температуру плавления, повышает твёрдость и хрупкость, уменьшает ковкость и свариваемость.
В зависимости от условий изготовления сплава углерод может оказаться растворённым в железе, химически с ним связанным в карбид железа (цементит Fe3C) или распределённым в железе в виде кристалликов графита.
По содержанию углерода сплавы железа разделяют на чугуны и стали.
Чугун содержит более 2% углерода, он обладает высокой твёрдостью, однако при этом очень хрупкий – при ударе дробится на куски.
Кроме углерода чугун содержит и другие элементы (кремний, марганец).
Из чугуна отливают станины машин, корпуса двигателей, цилиндры и трубы – те детали, где нужна большая твердость.
Особенность чугуна состоит в том, что он, как и вода, при затвердевании не сжимается, а расширяется.
Поэтому чугун хорошо заполняет литейную форму, и из него отливают детали сложной конфигурации (ограды парков, скульптуры).
Сталь содержит менее 2% углерода и по свойствам очень сильно отличается от чугуна.
Она мягкая и ковкая. Для придания сталям специальных свойств в их состав вводят легирующие химические элементы.
Сталь, содержащую такие элементы, называют легированной. Важнейшими легирующими элементами являются хром, никель, марганец, ванадий.
Например, сталь, легированную хромом и никелем, называют нержавеющей. Она широко знакома всем по вилкам, ножам и другим предметам домашнего обихода.
Изначально при выплавке железа из железной руды проводят восстановление железа коксом. При этом избыток углерода растворяется в железе и образуется чугун.
В последующем, если нужно получить сталь, через полученный чугун продувают горячий воздух, в результате чего в первую очередь окисляется более химически активный углерод – процент его в растворе становится меньше и образуется сталь.
По итогу смело можно утверждать, что железо – это металл цивилизации!
Биологическая роль железа
В организмах животных и человека железо – важный микроэлемент.
В частности, оно входит в состав гемоглобина крови, благодаря которому осуществляется процесс дыхания: перенос кислорода из лёгких к тканям.
Соединениями железа являются многие ферменты. Основным «депо» железа в организме является белковый комплекс ферритин, одна его молекула может хранить до 4000 атомов железа.
В организме взрослого человека содержится 3-4 г железа.
Недостаток железа приводит к заболеванию – анемии.
У растений аналогичное заболевание называется хлороз – от слова «желтый», поскольку при недостатке железа листья вместо зеленых становятся желтыми: в них наблюдается недостаток хлорофилла.
Наиболее богаты железом печень и селезёнка.
При малокровии рекомендуют пищу, богатую соединениями железа: мясо, гречка, яблоки, салат.
В древности людям, страдающим анемией, прописывали пить сырую кровь животных.
Однако любой живой организм представляет собой четко сбалансированную систему. И повышенное содержание железа так же вредно, как и пониженное.
Избыток железа может вызвать заболевание крови и печени – гемохроматоз, который, в свою очередь, вызывает различные заболевания: диабет, артрит, цирроз.
Баланс в организме нужно соблюдать не только с железом, но и со всеми остальными веществами: белками, жирами, углеводами, витаминами, минералами.
Коррозия металлов
Коррозия (от латинского слова «коррозио» – разъедание) – это самопроизвольно протекающий процесс разрушения металлов в результате взаимодействия с окружающей средой.
Обратите внимание на слово «самопроизвольно».
Металлы, вступая в реакции с веществами окружающей среды, стремятся перейти в соединения, в которых они находились в природе: оксиды, сульфиды.
Коррозия является процессом, обратным процессу получения металлов из природных соединений.
Потери от коррозии огромны. Но вред, наносимый коррозией, не сводится только к потере металла вследствие его разрушения (прямые потери), больший вред наносят косвенные потери.
Напрасным оказывается труд людей, затраченный на обработку металла и создание тех или иных машин и механизмов.
Кроме того, немало труда приходится затратить, чтобы заменить изъеденные коррозией детали новыми.
Например, для замены проржавевших под землёй водопроводных труб приходится копать глубокие траншеи.
В городе для этого надо сначала взломать асфальт.
Для того чтобы бороться с коррозией, необходимо знать механизм её протекания.
Коррозия зависит от состава окружающей среды и природы металла.
В воде обычно содержится растворённый кислород, а в окружающем нас воздухе имеются и вода, и кислород.
Под действием кислорода на поверхности металлов образуется оксидная плёнка.
Именно эта плёнка придаёт коррозионную стойкость алюминию, цинку, титану, хрому, никелю и некоторым другим металлам. Но к железу это не относится.
На поверхности железа под действием кислорода и воды образуется бурый слой ржавчины. Уравнение этого процесса условно записывают так:
Ржавчина имеет неопределённый состав.
Она пористая, молекулы кислорода проникают сквозь неё к поверхности металла, в результате железо рассыпается в порошок.
В отсутствие кислорода железо в воде практически не изменяется.
Коррозия металла резко усиливается, если он соприкасается с другим, менее активным металлом.
При контакте двух металлов разрушается более активный.
И чем левее стоит металл в ряду активности, тем сильнее он разрушается и тем надёжнее защищён от коррозии менее активный металл.
Поэтому в конструкциях следует избегать прямого контакта разных металлов.
Для защиты от коррозии применяют разнообразные методы:
- Легирование металлов. В качестве легирующих добавок применяют хром, никель, кремний. Известная всем нержавеющая сталь содержит около 18% хрома и около 10% никеля
- Изоляция металла от окружающей среды путём применения различных покрытий: эмалирование, лужение, цинкование, никелирование. Лужение и цинкование – химически противоположные процессы. Олово менее активно, чем железо, а цинк более активен. При повреждении слоя цинка разрушаться будет более активный цинк. И до тех пор, пока весь цинк не разрушится, железо защищено от коррозии
- Создание контакта с более активным металлом. Например, для защиты стального трубопровода к нему приваривают листы из цинка или магния
Для чего вам это знать, спросите вы? Всё просто: для того, чтобы избежать ошибок при работе с металлическими предметами, уметь правильно защищать металл и понимать, для чего это нужно.
В бесплатной версии урока недоступны:
- Видео
- Изображения
- Дополнительная информация
- Таблицы
- Тесты