6.3 Соединения железа (VI)

Известны некоторые соединения железа (VI). Если нагреть стальные опилки или оксид железа (III) с нитратом или гидроксидом калия, то образуется сплав, содержащий феррат калия K₂FeO₄ – соль железной кислоты H₂FeO₄:

Fe₂O₃ + 4KOH + 3KNO₃ = 2K₂FeO₄ + 3KNO₂ + 2H₂O

При растворении сплава в воде получается красно-фиолетовый раствор, из которого действием хлорида бария можно осадить нерастворимый в воде феррат бария BaFeO₄.

Все ферраты - очень сильные окислители (более сильные, чем перманганаты). Соответствующая ферратам железная кислота H₂FeO₄ и ее ангидрид FeO₃ в свободном состоянии не получены. При подкислении растворов железнокислых солей происходит выделение кислорода, причем железо восстанавливается до трехвалентного. Например, аммиак окисляется ими до свободного азота:

2K₂FeO₄ + 2NH₄OH = 2Fe(OH)₃ + N₂ + 4KOH

7 Способы получения железа

В промышленности железо получают из железной руды, в основном из гематита (Fe₂O₃) и магнетита (Fe₃O₄).

Существуют различные способы извлечения железа из руд. Наиболее распространённым является доменный процесс.

Рис.1. Доменная печь (схема)

Первый этап производства — восстановление железа углеродом в доменной печи при температуре 2000 °C. Доменная печь представляет собой шахтную печь высотой 20 – 25 м, сложенную из огнеупорного, шамотового кирпича (Рис. 1). Сверху в доменную печь загружают окисную железную руду, измельченную до некрупных кусков; при загрузке ее постоянно перемешивают с коксом; снизу через фурмы под давлением поступает предварительно нагретый воздух, в котором сгорает кокс. Образующаяся при горении кокса окись углерода восстанавливает железо до окислов:

3CO + Fe₂O₃ → 2Fe + 3CO₂ + 5,7 ккал (1)

Реакция (1) обратима. В соответствии с принципом Ле-Шателье, равновесие ее смещается влево при повышении температуры. Поэтому реакция (1) осуществляется преимущественно в верхней, менее нагретой части домены; часть Fe₂O₃ восстанавливается в этой зоне лишь до окиси железа (II):

CO + Fe₂O₃ → 2FeO + CO₂

В нижней части домены, нагретой до очень высокой температыры, восстановителем является непосредственно углерод:

C+ FeO + 34,5 ккал → Fe + CO (2)

Температура в нижней части печи настолько высока, что железо плавится и стекает вниз. Пространство, освобождающееся в связи с этим, а также вследствие сгорания кокса, непрерывно заполняют сверху свежими загрузками.

Если в руде железо содержится в виде карбоната, то его перед загрузкой переводят обжигом в Fe₂O₃: 2FeCO₃ +1/2 O₂ = Fe₂O₃ + 2CO₂. Порошкообразные руды смешивают со связующими веществами и спрессовывают полученную массу в куски нужного размера (брикетируют). Для удаления пустой породы, почти всегда имеющейся в железных рудах, ее связывают при помощи соответствующих присадок, причем в случае кислых пород (силикаты, алюмосиликаты) добавляют основные вещества (главным образом известняк), а к основным породам (известь и пр.)- кислые присадки (глинистый сланец или гранит). Эти присадки образуют с пустой породой легкоплавкие шлаки, всплывающие на поверхность расплавленного железа. Одновременно шлаки защищают расплавленное железо от вторичного окисления воздухом дутья. Расплавленное железо выпускают через каждые 4-6 часов через специальное отверстие у дна печи, называемое очком для спуска железа. Шлаки по мере их накопления спускаются через специальное отверстие, проделанное на определенной высоте. Несколько выше вводного отверстия для фурм (уровня фурм) доменная печь расширяется – эта часть ее называется заплечиками – а затем переходит в длинную сужающуюся вверх часть, так называемую шахту. В соответствии с большим количеством тепла, необходимым для восстановления железа углеродом, происходящего в нижней части домны, температура в области заплечиков очень быстро понижается снизу вверх. На уровне фурм они выше 1600 ⁰С, а в распаре, находящемся между заплечиками и шахтой, она понижается до 800 ⁰С. В шахте дальнейшее падение температуры происходит уже сравнительно медленнее. На протяжении нижних двух третей шахты температура понижается примерно от 800 ⁰С до 600 ⁰С, в верхней же части шахты падение температуры происходит опять несколько быстрее. В области верхнего отверстия домны - колошника – температура выходящих газов все еще достигает примерно 200 ⁰С. Своеобразная форма домны обуславливается следующими требованиями: во-первых, необходимо достаточное пространство для быстрого расширения газов дутья, происходящего в зоне заплечиков; во-вторых, необходимо обеспечить беспрепятственное расширение забрасываемой сверху загрузки при опускании ее во все более сильно нагретые части печи. Нижу уровня фурм, в горне, собирается расплавленное железо. Под печи – ее основание постоянно покрывается расплавленным железом, имеет снодчатую форму, для предотвращения всплывания кирпичей на поверхность жидкого железа вследствие их значительно меньшего удельного веса.

Забрасываемая через колошник руда нагревается в верхней части шахты горячими колошниковыми газами и одновременно обезвоживается. Восстановление окиси железа (III) окисью углерода начинается уже ниже 400 ⁰С. Оно сначала ведет к образование окиси железа (II, III) Fe₃O₄, а затем в нижней половине шахты при температуре выше 700 ⁰С образуется металлическое железо, сначала в твердом и очень пористом состоянии:

CO + 3Fe₂O₃ → 2Fe₃O₄ + CO₂ + 8,4 ккал (3)

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂ + 4,3 ккал (4)

Чтобы восстановление протекало в надлежащее время и с достаточной полнотой, необходим большой избыток окиси углерода. Поэтому выделяющиеся из колошника газы, вгегда содержат большие количества окиси углерода. Часть СО в сопрокосновение с пористым железом разлагается в соответствии с уравнением:

2CO → C + CO₂ +38,6 ккал, (5)

так как ниже 1000 ⁰С окись углерода неустойчива. Выделяющийся при разложении твердый углерод осаждается на железе и по мере опускания железа и повышения температуры реагирует с ним. Это обуславнивает понижение температуры плавления железа и способствует его переходу в жидкое состояние. Расплавленное железо при просачивании в виде капель через нижний слой кокса растворяет еще некоторое количество углерода.

Одновременно с восстановлением железа протекает реакция между присадками и пустой породой. Часть FeO, обрзовавшейся при частичном восстановлении, в виде силиката переходит в шлак, получившийся в результате этой реакции, и вследствие этого удаляется из сферы реакции с окисью углерода. Однако в дальнейшем, при просачивании по каплям жидкого шлака через слой коска, последний восстанавливает железо, при этом происходит также восстановление марганца, фосфора, и в небольших количествах даже кремния.

Доменная печь после того, как она быстро «задута», лолжна работать непрепывно. Если в силу особых обстоятельств приходится временно приостановить ее работу, следует замазать все отверстия печи, так чтобы ее содержимое было по возможностипредотвращено от доступа воздухаи потерб тепла. При этих условиях иногда удается запустить в ход доменную печь даже после месячного перерыва в работе.

Химически чистое железо можно получить восстановлением чистой окиси железа водородом или электролизом водных растворов солей двухвалентного железа, например, оксалата аммония-железа (II).