Geležis
Projektas
Kristina Rusteikaitė
Tadas Bakanas
Remigijus Grybauskas
Irmantas Vaikasas
9a klasė
Geležis yra ketvirtasis pagal paplitimą Žemės plutos elementas – Žemės
plutoje jos yra 4,7% masės. Gryna geležis sutinkama labai retai. Kai kurie
meteoritai sudaryti iš geležies. Grynos geležies aptikta Mėnulio grunte.
Manoma, kad daugiausiai geležies (kartu su nikeliu) yra Žemės branduolyje.
Svarbiausios geležies rūdos – magnetitas Fe3O4, hematitas – Fe2O3,
sideritas – FeCO3, limonitas – HFeO2 · nH2O, getitas – FeOOH. Rūda, turinti
daugiau kaip 50% geležies, vadinama sodria, 50-25% – vidutine, mažiau kaip
25% – skurdžia rūda. Vidutinė ir skurdi rūda sodrinama prieš dedant ją į
aukštakrosnę ketui gauti. Didžiausi geležies rūdų telkiniai yra
Australijoje, Brazilijoje, JAV, Indijoje, Kanadoje, Rusijoje.
Lietuvoje rasta magnetito intarpų netoli Marcinkonių. Pelkėse ir
upių, tekančių pelkėtomis vietomis, šlaituose rasta limonito. Nedideliais
kiekiais randama ir kitų geležies rūdų.
GELEŽIES GAVIMAS
Pirmiausia žmogus savo reikmėms panaudojo meteoritinę geležį. Tik II
tūkstantmetyje pr.Kr. jis išmoko geležį gauti iš rūdų. Senovėje geležis
buvo 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 jūros
pakrantėse – XII – X a.pr.Kr., Europoje – VIII – II a.pr.Kr.
Lietuvoje geležies amžiaus pradžia laikomas V a.pr.Kr. Vietinė
geležis pradėta gaminti maždaug I a., o iki to laiko geležinių dirbinių
turėta nedaug. 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,
į kurį buvo pučiamas oras dumplėmis, kai kur naudojo medinius stūmoklinius
siurblius. Vėliau atsirado šachtinės krosnys, o nuo XVI a. – aukštakrosnės.
Lietuvoje geležis buvo lydoma iki XIX a. Liejyklos XV a. veikė
Rūdininkų girioje, vėliau – Kražiuose, Linkmenų, Raseinių, Ukmergės
apylinkėse. Ilgainiui darbo įrankių reikėjo vis daugiau, todėl teko
tobulinti ir plėsti geležies gamybą.
Iš geležies rūdų pirmiausia gaminamas ketus, o iš jo lydomas
plienas.Ketus gaunamas aukštakrosnėse. Jos būna įvairių dydžių.
Aukštakrosnėse iš vidaus išklota kaitrai atspari medžiaga, iš viršaus
apdengta plieniniais lakštais. Be pertraukos veikia apie 5-10 metų. Ji
veikia ppriešpriešinės srovės principu. Kietos medžiagos – įkrova juda iš
viršaus žemyn, o dujų – iš apačios į viršų. Degimui reikalingas pakaitintas
iki 800-1200 oC oras teikiamas pūstuvais. Pastaruoju metu vartojamas
deguonimi įsodrintas oras arba deguonis. Degant koksui susidaro CO2, kuris
kildamas aukštyn reaguoja su įkaitinta anglimi:
CO2 + C ( 2CO
Karštas dujų mišinys teka pro įkrovą ir ją įkaitina. Iš įkrovos
išgaruoja drėgmė, 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
geležyje ištirpsta 3,5-4% anglies, šiek tiek Si, Mn, P. Toks lydinys yra
ketus. Jis nuteka 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
periodiškai išleidžiamas ketus ir šlakas.
Aukštakrosnėje gaunami tokie produktai: perdirbamasis, liejamasis
ketus, ferolydiniai, aukštakrosnės dujos ir šlakas. Tonai ketaus gauti
sunaudojama apie 2t rūdos, 0,65 t kokso, 3t oro. Be ketaus dar gaunama apie
0,5t šlako ir 3t aukštakrosnės dujų.
Europoje aukštakrosnės pradėtos statyti XIV a. viduryje.
Išlydytas ketus gryninamas Marteno, Besemerio aparatuose
konverteriniu būdu arba elektrinėse krosnyse. Didžioji priemaišų dalis
sudega – susidaro lakūs produktai, kurie patenka į atmosferą. Gautame
pliene anglies lieka apie 1%
Gryna geležis gaunama geležies oksidus redukuojant vandeniliu,
elektrolizuojant druskų tirpalus, termiškai skaidant kai kuriuos geležies
junginiu, pvz., geležies ….
Iš aukštakrosnėje ar konverteryje gauto šlako daroma skalda keliamas,
šlako vata, pemza, jo dedama į cementą, jis naudojamas kaip betonų
užpildas.
FIZIKINĖS SAVYBĖS
Geležis yra keturių alotropinių atmainų – α, β, γ ir δ. kai kuriuose
šaltiniuose nurodomos trys modifikacijos, nes α ir β geležies kristalinės
gardelės struktūra iš esmės nesiskiria, savybės taip pat vienodos, išskyrus
magnetines savybes –– α Fe yra feromagnetikas, β Fe – paramagnetikas.
Pramoniniu būdu gaunama geležiz visuomet turi anglies ir kitų
nemetalų (Si, S, P) priemaišų. Nuo kiekybinės lydinio Fe-C sudėties ir
kristalizacijos sąlygų priklauso, ar anglis ištirpsta geležyje ir gaunamas
kietasis tirpalas austenitas, ar susidaro smulkių geležies kristaliukų ir
anglies mišinys – ledeburitas, ar feritas bei metališkasis junginys
geležies karbidas Fe3C (cementitas). Nuo jų santykio priklauso lydinių
sudėtis, struktūra ir savybės.
Išlydytoje geležyje ištirpsta iki 4% anglies (m.d.), γ geležyje iki
2% C, o α geležyje anglis praktiškai netirpsta.
Pagal anglies masės dalį (%) geležies lydiniai skirstomi taip:
nelegiruotasis plienas (~0,3 – 2% C, < 0,5% Si, 0,8% Mn, < 0,09% P, 0,06%
S), ketus (~2 – 4% C, šiek tiek Mn, Si, S), minkštoji geležis (C < 0,3%).
Stingstant lydiniui, turinčiam <2% C (plienui), iš pradžių kristalizuojasi
austenitas – viena lydinio struktūrų. Tai nemagnetinis kietasis anglies
tirpalas γ geležyje, patvarus tik aukštesnėje negu 723˚C temperatūroje.
Lėtai aušinamas austenitas palaipsniui suskyla (γ Fe virsta α Fe, kurioje C
beveik netirpsta). Suskilus austenitui gaunamas anglies (grafito)
kristaliukų ir ferito (anglies tirpalo α geležyje) mišinys. Toks plienas
yra palyginti minkštas.
Jeigu plienas aušinamas labai greitai – grūdinamas – anglis nespėja
išsiskirti ir lieka geležies gardelėje. Gaunamas persotintasis anglies
tirpalas α geležyje – martensitas. Toks plienas labai kietas ir trapus. Kad
plienas nebūtų toks trapus, jis įkaitinamas ir iš lėto ataušinamas.
Lydiniui vėstant dalis martensito suskyla į anglį ir feritą, todėl plienas
pasidaro minkštesnis. Taigi plieno kietumas, plastiškumas labai priklauso
nuo jo terminio apdorojimo.
Stingstant lydiniui, turinčiam >2% C (ketui), anglis išsiskiria arba
grafito, arba geležies karbido Fe3C – cementito pavidalu. Jeigu ketus
aušinamas lėtai, susidaro geležies kristalai, persipynę su plonomis
grafito plokštelėmis arba žvyneliais. Tai pilkasis ketus. Jis trapus, nuo
smūgio subyra į gabalus. Iš pilkojo ketaus liejami smagračiai, mašinų
stovai, grotelės. Baltasis ketus (jame beveik visa anglis yra susijungusi į
cementitą) yra kietas, trapus, todėl retai naudojamas. Beveik visas jis
persidirbamas į plastiškesnį kalųjį ketų, kurio sudėtis panaši i pilkojo.
Iš kaliojo ketaus daromos kai kurių mašinų detalės.
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, cementite. Dėl to
pakinta lydinio struktūra, savybės ir terminio apdirbimo sąlygos.
Pavyzdžiui, chromas didina lydiinio stiprumą, atsparumą dilimui, kaitrai,
aplinkos poveikiui (jei pliene yra >12,5% Cr, jis nerūdija), nikelis didina
kalumą, stiprumą, manganas – atsparumą susidėvėjimui, kalumą.
Pagal legiruojančiųjų elementų kiekį plienas skirstomas į tris
grupes: mažai legiruotas (legiruojantieji elementai sudaro <2,5%),
vidutiniškai legiruotas (2,5 – 10%), labai legiruotas (>10%).
CHEMINĖS
SAVYBĖS
Geležis yra vidutinio aktyvumo metalas. Junginiuose jai būdingi
oksidacijos laipsniai +2 ir +3.
Drėgname ore rūdija. 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 –
gali susidaryti junginiai, kietieji tirpalai arba sistemos, panašios į
metališkuosius junginius.
Geležis lengvai tirpsta stipriose praskiestose rūgštyse ir išstumia
vandenilį:
Fe + 2H3O+ + 2Cl- ( Fe2+ + 22Cl- + 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 įvairių
produktų.
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 į
dešinę nuo jos:
Fe + CuSO4 ( Cu FeSO4
Fe + Cu2+ ( Cu + Fe2+
GELEŽIES OKSIDAI IR HIDROKSIDAI. JŲ SAVYBĖS
Geležis sudaro tokius oksidus: FeO, Fe2O3 ir mišrųjį Fe3O4. Jei
gaunami oksiduojant geležį arba skaidant karbonatus, hidroksidus, nitratus,
sulfatus:
400 oC
3FeCO3 ( Fe3O4 + 2CO2 + CO(
>480 oC
2FeSO4 ( Fe2O3 + SO2 ( + SO3
>500 oC
Fe2(SO4)3 ( Fe2O3 + 3SO3
>500 oC
2Fe(OH)3 ( Fe2O3 + 3H2O
FeO galima gauti redukuojant Fe2O3 arba Fe3O4 anglies(II) oksidu ar
vandeniliu:
>500 oC
Fe2O3 + CO ( 2FeO + CO2 (
t
Fe2O3 + H2 ( 2FeO + H2O
>500 oC
Fe3O4 + CO ( 3FeO + CO2 (
FeO yra bazinis oksidas, tirpstantis tik rūgštyse:
FeO + 2HCl ( FeCl2 + H2O
Juodi šviesiai
Milteliai
žalsvas
Vandeniniuose tirpaluose egzistuoja šviesiai žalsvas [Fe(H2O)6]2+
jonas, todėl FeO sąveikos su HCl lygtį teisingiau rašyti taip:
FeO + 2H3O+ + 3H2O ( [Fe(H2O)6]2+
Fe2O3 – amfoterinių savybių turintis oksidas (vyrauja bazinės
savybės). Tai raudoni, vandenyje netirpstantys milteliai. Lydomas su
šarmais, šarminių metalų karbonatais ar baziniai oksidais sudaro feritus
arba dioksoferatus(III):
t
Fe2O3 + 2NaOH ( 2NaFeO2 + H2O
t
Fe2O3 + Na2CO3 ( 2NaFeO2 + CO2 (
Per šias reakcijas išryškėja rūgštinės Fe2O3 savybės.
Reaguodamas su HCL šis oksidas elgiasi kaip bazė:
Fe2O3 + 6HCl ( 2FeCl3 + 3H2O
Tirpale susidaro šviesiai violetinis kompleksinis jonas [Fe(H2O)6]3+
Fe2O3 + 6H3O+ + 3H2O ( 2[Fe(H2O)6]3+
Fe(OH)2 – balta, vandenyje netirpstanti, bazinių savybių turinti
medžiaga. Reaguoja su rūgštimis:
Fe(OH)2 + 2H3O+ + 2H2O ( [Fe(H2O)6]2+
Ore greitai oksiduojasi:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O ( 4Fe(OH)3
Fe(OH)3 – raudonai ruda, vandenyje netirpstanti kristalinė medžiaga.
Amfoterinis junginys, kuriame vyrauja bazinės savybės (rūgštinės savybės
labai silpnos):
Fe(OH)3 + 3HCl ( FeCl3 + 3H2O arba
Fe(OH)3 + 3H3O+ ( [Fe(H2O)6]3+
šviesiai violetinis
Iš rūgščių tirpalų kristalizuojasi kristalhidratas FeCl3 · 6H2O.
Neutraliuose tirpaluose Fe(III) druskos smarkiai hidrolizuojasi ir
įgyja geltonai rudą atspalvį:
H+
[Fe(H2O)6]3+ + H2O ( [Fe(H2O)5OH]2+ + H3O+
[Fe(H2O)5OH]2+ + H2O ( [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H3O+
[Fe(H2O)4(OH)2]+ + H2O ( [Fe(H2O)3(OH)3]( + H3O+
Tirpalą pašildžius susidaro koloidinės dalelės, kurios sukimba į
stambesnius sambūrius ir iškrinta rudai raudonos spalvos drebučių pavidalo
nuosėdos CO3 · nH2O. Fe(OH)3 lydant su šarmais gaunami feritai:
Fe(OH)3 + NaOH ( NaFeO2 + 2H2O
Fe(OH)3 tirpsta koncentruotuose šarmų tirpaluose:
Fe(OH)3 + KOH ( K[Fe(OH)4] kalio tetrahidroksoferatas(III)
Geležies(III) junginiai daug stabilesni už geležies(II) junginius.
GELEŽIES IR JO LYDINIŲ PANAUDOJIMAS
Geležis – svarbiausias mūsų laikų metalas. Geležies lydiniams
paplisti ir įsitvirtinti padėjo ne tik naudingosios jos lydinių savybės,
bet ir tai, kad geležies junginių Žemėje yra gana daug, ne itin sudėtinga
ją gauti ir apdoroti.
Įvairios detalės, įrankiai, mašinos gaminamos iš lydinių – ketaus ir
įvairių rūšių plieno. Nuo anglies kiekio priklauso plieno plastiškumas ir
kietumas.. Plienas kietesnis už gryną geležį, iš jo galima gaminti
įvairesnius gaminius. Ketus daug trapesnis už plieną.
Iki XIX a. Vidurio, t.y. daugiau kaip tūkstantį metų, metalas buvo
apdorojamas rankomis. Amatininkai kalviai iš geležies dažniausiai kaldavo
darbo įrankius, žemės ūkio padargus, ginklus, šarvus, namų apyvokos
daiktus, kryžius, kapinių ir šventorių vartus, kaustė arklius, ratus,
roges.
Vėlyvojo geležies amžiaus ginklai
Geležis ir žmogus
Geležis yra labai svarbus gyvybę plaikantis elementas. Žmogaus
organizme įvairių junginių pavidalu būna 3 – 5 g geležies. Jos yra visuose
audiniuose, tačiau daugiausia – kraujyje, hemoglobino molekulėse. Nuo
junginio (hemo), kuriame yra geležies, priklauso raudona hemoglobino
spalva. Hemoglobinas į audinius ir organus atneša deguonį. Dėl geležies
trūkumo organizme susergama mažakraujyste. Daug geležies yra kepenyse,
kiaušinio trynyje, pupose, pupelėse, avižų grūduose, riešutose, žemuogėse.
ISTORINĖ APŽVALGA
Labiausiai įtikima, kad pirmą kartą žmogus susipažino su meteoritų
geležimi. Senovės egiptiečiai geležį vadino tokiu vardu, kuris reiškė
„dangiškos prigimties”. Meteoritų geležį žinojo ir Mesopotamijos
civilizacijos III tūkstantmetyje pr. Kr. ir vadino ją „ugnimi iš dangaus”.
Aiškią naktį „krintančios žvaigždės” palieka ryškų švytintį pėdsaką dangaus
skliaute, tačiau tai ne žvaigždės, o krintančių akmeninių ar geležinių
meteoritų gabalai. Geležiniai meteoritai sudaro apie 5,7% visų krintančių
meteoritų. Kadangi meteoritinės geležies buvo randama retai ir mažai, iš
jos buvo daromi papuošalai. Nedidelius jos gabalėlius įteikdavo karo, bei
sporto varžybų nugalėtojams. Homero „Odisėjoje” pasakojama, kad žaidynių
nugalėtojui buvo įteiktas gabalėlis aukso ir gabalėlis geležies. II
tūkstantmetyje pr. Kr. Babilonijoje geležis buvo 8 kartus brangesnė už
sidabrą. Geležis buvo naudojama kaip pinigai. Romos valstybės veikėjas,
karvedys ir rašytojas Julijus Cezaris (Caesar; 102 ar 100-44 m. pr. Kr.)
„Galų karo užrašuose” mini britų naudojamus pinigus – varines ir auksines
monetas bei tam tikro svorio geležines lazdeles. Tokie pinigai buvo paplitę
ir Spartoje.
Geležies amžius atėjo tuomet, kai žmogus išmoko išgauti geležį iš
„akmens”, kuriame ji „slepiasi”. Statydamas būstą žmogus pastebėjo, kad
veikiami karščio ir anglių akmenys kinta, iš jų gauta medžiaga tinka
peiliams, kirviams, ginklams gaminti.
Italų archeologai Kafue upės krantuose aptiko geležies lydymo
krosnies ir šlako liekanų bei meteoritinės prigimties kirvį. Radiniai gali
būti III tūkstantmečio pr. Kr. Pabaigos arba II tūkstantmečio pr. Kr.
Pradžios.
Alchemikai tvirtino, kad yra mistinis ryšys tarp geležies ir raudonos
judrios dangaus planetos Marso. Geležis – metalas, iš kurio daromi ginklai,
o Marsas – planeta, kuri senovės romėnams simbolizavo karo dievą Marsą.
Viduramžiais geležis ir Marsas buvo vaizduojami tuo pačiu ženklu ♂.
Lotyniškas geležies pavadinimas ferrum gali būti siejamas su graikų
ir lotynų kalbų žodžiu fars, kuris reiškia „būti kietam”. Jis panašus į
žodį ferrus – „nejautrus”, „tvirtas”, „nepalenkiamas”
(
Žmogus organizme apie 65% geležies įeina į hemoglobino sudėtį ir
dalyvauja deguonies apykaitoje, oksidacijos reakcijose; 20-25% geležies yra
susijungę su baltymais ir
kaip geležies atsarga būna kepenyse. Geležis
geriau įsisavinama iš gyvulinių maisto produktų (iki 30%), blogiau (iki
10%) – iš augalinių. Įsisavinimą skatina vitaminas C, fosfatai, tanino
rūgštis (taninų yra rabarbaro, sidabražolės šaknyse, akacijos, maumedžio
žievėje, arkliauogės, pūkenio lapuose). Paros norma vyrui apie 10mg,
moteriai – apie 15mg geležies.
* Mesopotamija, arba Tarpupis, – vienas seniausių civilizacijos centrų
Tigro ir Eufrato upių baseine
Geležies ir ledo amžius
Mokslininkai-okeanologai mano, kad jiems pavyko atkurti vieną iš
svarbiausiųjų procesų, stimuliuojančių ledynmečių pradžią ir pabaigą. Vieno
iš pačių didžiausiųjų tokios rūšies eksperimentų metu tarptautinė
mokslininkų grupė „patręšė“ Pietų vandenyną geležimi. Tai labai paskatino
planktono augimą, o šie dumbliai susiurbė iš vandens anglies dvideginį.
Mokslininkai tvirtina, jog praeityje su dulkėmis iš sausumos patekusi
geležis galėjo įtakoti dumblių augimą, dėl to CO2 kiekis atmosferoje
keitėsi tiek, kad planeta galėjo įšalti arba atitirpti.
Bet yra įspėjama, jog šis būdas gali netikti saugantis nuo pasaulinio
atšilimo. Didelių geležies kiekių ištirpinimas vandenynuose gali suardyti
ekositemas, todėl kels didelį pavojų.
Tarptautiniame eksperimente SOIREE dalyvaujantys mokslininkai 8 km
pločio vandenyno ruože į pietus nuo Naujosios Zelandijos paskleidė 8 tonas
geležies. DDėl geležies dumbliai pradėjo augti šešis kartus sparčiau. Net ir
po šešių savaičių iš palydovų buvo aiškiai matyti 1000 km2 plotą dengiantis
planktono sluoksnis. Augantis planktonas susiurbė apie 10 proc. vandenyje
esančio anglies dvideginio, kuris vėliau buvo kompensuotas CO2, patekusio į
vandenį iš oro.
Naudota literatūra:
K.Daukšas
Pasakojimai apie šimtą
elementų
Regina Jasiūnienė
Virginija Valentinavičienė
CHEMIJA • 9
Mokytojų knyga
Vadovėlis IX klasei
