Как найти железо в природе

План урока:

Положение в таблице Менделеева и строение атома

Нахождение железа в природе

Способы получения

Химические свойства железа

Смешанный оксид Fe3O4

Гидроксиды железа 2 и 3

Применение железа

Положение в таблице Менделеева и строение атома

Железо расположено в 8 группе побочной подгруппе. У этого элемента 26 электронов, распределенных по 4 уровням. Электронная конфигурация: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s². Для его атома характерно предзаполнение s-подуровня, поэтому в действительности формула следующая: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d⁶. Железо является d-элементом. Благодаря этому, основные степени окисления железа: 0, +2, +3.

Физические свойства

Железо обладает всеми свойствами металлов:

— пластичность (ковкость);

— электропроводность;

— теплопроводность;

— металлический блеск;

— высокая температура плавления (1539⁰С).

Многие свойства находятся в оптимальных границах, поэтому железо часто используют при изготовлении различных изделий из металла. Для изменения определенных характеристик изготавливаются сплавы.

Основные сплавы железа

Металлы отличаются некоторыми параметрами. Например, одни обладают меньшей температурой плавления, другие большей прочностью, третьи – наиболее электропроводны. Иногда, для изменения свойств металла, его сплавляют с неметаллами (чаще всего, углерод). Самый распространенный сплав – сталь. Основу сплава составляет железо и углерод, кроме них могут добавляться различные металлы (легирующие компоненты), меняющие свойства сплава.

Таблица. Сплавы железа и их свойства

В качестве легирующих металлов стали могут использовать:

• Cr – хром
• Mo – молибден
• Ni – никель
• Si – кремний
• Cu – медь
• W – вольфрам
• Al – алюминий
• Mn – марганец
• Ti – титан
• Nb – ниобий
• Co — кобальт

Легирующими компонентами чугуна являются неметаллы: марганец, кремний, сера, фосфор и некоторые металлы (алюминий, хром).

Нахождение железа в природе

В природе железо содержится в рудах. Они могут отличаться по содержанию железа и других примесей. К основным железным рудам относятся: магнетит, гематит, пирит.

Магнетит (магнитный железняк)

Химическая формула – FeO·Fe₂O₃. К основному оксиду могут примешиваться различные металлы и их оксиды. Зоны залежей магнетита проводят к формированию магнитных аномалий – участков Земли, на которых магнитные приборы указывают не на полюса, а на эту залежь. По этой причине использовать компасы и электронные приборы в этих зонах бесполезно.

Магнетит добывается в Челябинской области, на Кольском полуострове, Южном Урале, на Украине (гора Кривой рог).

Кратер добычи железной руды в Курской Магнитной Аномалии. Источник

Эта руда является основной для получения железа, так как его содержание в ней – 72,4%. В форме минерала используется в качестве утяжелителя глинистых растворов при бурении.

Пирит

Химическая формула — FeS₂ (серный или железный колчедан). Может содержать примеси Mn, Ni, Co. Это минерал желтого цвета. Из-за внешнего сходства его часто путали с золотом, поэтому этот минерал часто называют золотом дураков. Хотя, самородное золото часто содержится в пирите в виде примесей и даже встраивается в го кристаллическую решетку.

Считается одним из самых распространенных сульфидов. Залежи пирита расположена во всех геотермальноактивных зонах, а также, в донных отложениях Черного моря.

При контакте с воздухом окисляется до лимонита (FeOOH·(Fe₂O₃·nH₂O).

Пирит используется для получения серной кислоты, сероводорода или в строительном деле в качестве добавки в цемент.

Гематит

Химическая формула — Fe₂O₃. С давних времен минерал использовался для изготовления красок, ритуальных украшений и лекарственных препаратов. В настоящее время является основным источником получения чугуна.

Основные месторождения:

• Украинское (Кривбасс);
• Михайловское (КМА);
• Колатсельгские штольни;
• Байкальское месторождение;
• Альпийское;
• Кутим.

Кроме минералов существует еще метеоритное железо. Это форма металла, попавшего на Землю из космоса. Во время прохождения через плотные слои атмосферы все примеси метеорита сгорают. Такое железо считается самым чистым. Оно практически не подвергается коррозии.

Способы получения

Основным способом получения железа является выделение из минеральных руд. Основным считается доменный процесс. Выделение железа производится в несколько стадий.

Доменная печь

Таблица. Стадии доменного процесса

Мартеновская печь

Для снижения содержания примесей в чугуне, полученный материал отправляют в Мартеновскую печь. Это плавильная установка. Процесс увеличения доли железа происходит в три этапа:

• Плавление. Здесь образуется большое количество FeO.
• Окисление. С+ FeO = Fe+CO. в результате реакции доля углерода снижается.
• Раскисление. Окисление оставшегося FeO алюминием, ферромарганцем или ферросилицием.

Электрическая печь

Установка предназначена для получения легированной стали. Установка разогревается до высоких температур (цифра зависит от итогового сплава) и добавляется окислительный материал (нихром, фехраль и т.д.).

Химические свойства железа

Железо – элемент средней активности. Без нагревания многие реакции даже с сильными окислителями идут крайне медленно. При повышении температуры скорость взаимодействия увеличивается.

Взаимодействие с неметаллами

С неметаллами железо образует бинарные соединения – соли или оксиды.

Важная особенность: при взаимодействии с простыми веществами (кроме кислорода), железо проявляет степень окисления +3.

2Fe+3Cl₂→2FeCl₃

Fe+S→FeS.

С кислородом образуется сразу два оксида со степенями окисления +2 и +3:

3Fe+2O₂→tFe₃O₄(FeO⋅Fe₂O₃).

Взаимодействие с водой

Железо реагирует с парами воды в раскалённом состоянии:

3Fe+4H₂O→−tFe₃O₄+4H₂↑

Отношение железа к кислотам

С концентрированными кислотами железо не реагирует (пассивирует).

С растворами реакция идет также как и у других металлов – с образованием соли и водорода. Важно: при реакции со сложными соединениями железо проявляет степень окисления +2.

Fe+2HCl=FeCl₂+H₂↑;

Fe+H₂SO₄=FeSO₄+H₂↑

Реакция с солями

Железо реагирует с солями, металл которых пассивнее железа. Это значит, он должен располагаться левее в ряду активности металлов.

Fe+CuSO₄=FeSO₄+Cu↓

Смешанный оксид Fe3O4

Интересным соединение железа является смешанный оксид. Его особенность в том, что в одной кристаллической решетке есть сразу два иона железа — +2 и +3. Так как они образуют единый комплекс, часто их записывают как один оксид. На самом деле это кристаллогидрат двух оксидов: FeO⋅Fe₂O₃. Для него характерны следующие реакции:

• Разложение: Fe₃O₄ → 3Fe + 2O₂
• Реакция с разбавленной кислотой: Fe₃O₄ + 4 H₂SO₄ → Fe₂(SO₄)₃ + FeSO₄ + 4 H₂O
• Окисление: 4Fe₃O₄ + 2O₂ →6Fe₂O₃
• Сплавление: Fe₃O₄ + 14NaOH → Na₄FeO₃ + 2Na₅FeO₄ + 7H₂O
• Конпропорционирование: Fe + Fe₃O₄ → 4FeO
• Восстановление водородом до железа и воды.

Гидроксиды железа 2 и 3

Гидроксиды железа являются амфотерными соединениями, но с разной степенью основности.

Fe(OH)₂

Гидроксид железа (II) – соединение коричневого или буро-оранжевого цвета.

Природный минерал с этой формулой называется амакинит.

Проявляет все химические свойства основных гидроксидов (реакции замещения с солями, кислотами).

Как амфотерное соединение способен реагировать со щелочами с образованием комплексных солей:

Fe(OH)₂ + 2NaOH → Na₂[Fe(OH)₄]

Гидроксид железа (II) является компонентом железо-никелевых аккумуляторов.

Fe(OH)₃

Соединение красно-коричневого цвета.

Проявляет амфотерные свойства.

В природе встречается в составе минерала лимонита.

Проявляет химические свойства как и Fe(OH)₂.

Применение железа

Железо является основным элементом черной металлургии, где используются сплавы этого вещества. Железные изделия необходимы в строительном, отделочном, электронном ремесле. В чистом виде оно применяется в химической промышленности, для изготовления аккумуляторов, для очистки сточных вод.

III. Роль железа в жизни человека и растений

Биохимики открыли важную роль железа в жизни растений, животных и человека. Входя в состав чрезвычайно сложно построенного органического соединения, называемого гемоглобином, железо обусловливает красную окраску этого вещества, от которого в свою очередь, зависит цвет крови человека и животных. В организме взрослого человека содержится 3 г чистого железа, 75% которого входит в состав гемоглобина. Основная роль гемоглобина – перенос кислорода из легких к тканям, а в обратном направлении – CO₂.

Железо необходимо и растениям. Оно входит в состав цитоплазмы, участвует в процессе фотосинтеза. Растения, выращенные на субстрате, не содержащем железа, имеют белые листья. Маленькая добавка железа к субстрату – и они приобретают зеленый цвет. Больше того, стоит белый лист смазать раствором соли, содержащей железо, и вскоре смазанное место зеленеет.

Так от одной и той же причины – наличия железа в соках и тканях – весело зеленеют листья растений и ярко румянятся щеки человека.

IV. Физические свойства железа

Железо – это серебристо-белый металл с температурой плавления 1539^оС. Очень пластичный, поэтому легко обрабатывается, куется, прокатывается, штампуется. Железо обладает способностью намагничиваться и размагничиваться, поэтому применяется в качестве сердечников электромагнитов в различных электрических машинах и аппаратах. Ему можно придать большую прочность и твердость методами термического и механического воздействия, например, с помощью закалки и прокатки.

Различают химически чистое и технически чистое железо. Технически чистое железо, по сути, представляет собой низкоуглеродистую сталь, оно содержит 0,02-0,04% углерода, а кислорода, серы, азота и фосфора – еще меньше. Химически чистое железо содержит менее 0,01% примесей. Химически чистое железо – серебристо-серый, блестящий, по внешнему виду очень похожий на платину металл. Химически чистое железо устойчиво к коррозии и хорошо сопротивляется действию кислот. Однако ничтожные доли примесей лишают его этих драгоценный свойств.

V. Получение железа

Восстановлением из оксидов углём или оксидом углерода (II), а также водородом:

FeO + C = Fe + CO

Fe₂O₃ + 3CO = 2Fe + 3CO₂

Fe₂O₃ + 3H₂ = 2Fe + 3H₂O

Опыт «Получение железа алюминотермией»

VI. Химические свойства железа

Как элемент побочной подгруппы железо может проявлять несколько степеней окисления. Мы рассмотрим только соеди­нения, в которых железо проявляет степени окисления +2 и +3. Таким образом, можно говорить, что у железа имеется два ряда соединений, в которых оно двух- и трехвалентно.

1) На воздухе железо легко окисляется в присутствии влаги (ржавление):

4Fe + 3O₂ + 6H₂ O = 4Fe(OH)₃

2) Накалённая железная проволока горит в кислороде, образуя окалину — оксид железа (II, III) — вещество чёрного цвета:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄

При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):

2Fe+O₂=2FeO

C кислородом во влажном воздухе образуется Fe₂O₃‧nH₂O

Опыт «Горение железа в кислороде«

3) При высокой температуре (700–900°C) железо реагирует с парами воды:

3Fe + 4H₂O =^t˚C= Fe₃O₄ + 4H₂

4) Железо реагирует с неметаллами при нагревании:

Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

2Fe + 3Cl₂ =^t= 2FeCl₃

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

Fe + I₂ =^t= FeI₂

Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):

Fe + S =^t= FeS

Железо реагирует с фосфором. При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:

Fe + P =^t= FeP

С азотом железо реагирует при нагревании с образованием нитрида:

6Fe + N₂ =^t= 2Fe₃N

Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида:

3Fe + C =^t= Fe₃C

5) Железо легко растворяется в соляной и разбавленной серной кислотах при обычных условиях:

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄(разб.) = FeSO₄ + H₂

6) В концентрированных кислотах – окислителях железо растворяется только при нагревании

При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:

2Fe + 6H₂SO_4(конц.) =^t= Fe₂(SO₄)₃ + 3SO₂ + 6H₂O

Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации. При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:

Fe+6HNO_3(конц.) =^t= Fe(NO₃)₃+3NO₂+3H₂O

С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):

Fe+4HNO_{3(разб.гор.)} =^t= Fe(NO₃)₃+NO+2H₂O

При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

8Fe+30HNO_{3(оч. разб.)} =^t= 8Fe(NO₃)₃+3NH₄NO₃+9H₂O

Опыт «Взаимодействие железа с концентрированными кислотами»

7) Железо вытесняет металлы, стоящие правее его в ряду напряжений из растворов их солей.

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu

Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей. При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат)

При взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:

Fe+2KOH+3KNO₃=3KNO₂+K₂FeO₄+H₂O

9) Простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2 при взаимодействии с соединениями железа +3:

2Fe(NO₃)₃+Fe=3Fe(NO₃)₂

2FeCl₃+Fe=3FeCl₂

Fe₂(SO₄)₃+Fe=3FeSO₄

VII. Качественные реакции на

Железо (II)

Железо (III)

VIII. Применение железа

Основная часть получаемого в мире железа используется для получения чугуна и стали — сплавов железа с углеродом и другими металлами. Чугуны содержат около 4% углерода. Стали содержат углерода менее 1,4%.

Чугуны необходимы для производства различных отли­вок — станин тяжелых машин и т.п.

Изделия из чугуна

Стали используются для изготовления машин, различных строительных материалов, балок, листов, проката, рельсов, инструмента и множества других изделий. Для производства различных сортов сталей применяют так называемые легиру­ющие добавки, которыми служат различные металлы: Мn, Сr, Мо и другие, улучшающие качество стали.

Изделия из стали

«Появление железа»

Это интересно

Iron ores^[1] are rocks and minerals from which metallic iron can be economically extracted. The ores are usually rich in iron oxides and vary in color from dark grey, bright yellow, or deep purple to rusty red. The iron is usually found in the form of magnetite (Fe
₃O
₄, 72.4% Fe), hematite (Fe
₂O
₃, 69.9% Fe), goethite (FeO(OH), 62.9% Fe), limonite (FeO(OH)·n(H₂O), 55% Fe) or siderite (FeCO₃, 48.2% Fe).

Ores containing very high quantities of hematite or magnetite, typically greater than about 60% iron, are known as natural ore or direct shipping ore, and can be fed directly into iron-making blast furnaces. Iron ore is the raw material used to make pig iron, which is one of the main raw materials to make steel—98% of the mined iron ore is used to make steel.^[2] In 2011 the Financial Times quoted Christopher LaFemina, mining analyst at Barclays Capital, saying that iron ore is «more integral to the global economy than any other commodity, except perhaps oil».^[3]

Sources[edit]

Metallic iron is virtually unknown on the surface of the Earth except as iron-nickel alloys from meteorites and very rare forms of deep mantle xenoliths. Some iron meteorites are thought to have originated from accreted bodies 1,000 km in diameter or larger^[4] The origin of iron can be ultimately traced to the formation through nuclear fusion in stars, and most of the iron is thought to have originated in dying stars that are large enough to collapse or explode as supernovae.^[5] Although iron is the fourth-most abundant element in the Earth’s crust, composing about 5%, the vast majority is bound in silicate or, more rarely, carbonate minerals (for more information, see iron cycle). The thermodynamic barriers to separating pure iron from these minerals are formidable and energy-intensive; therefore, all sources of iron used by human industry exploit comparatively rarer iron oxide minerals, primarily hematite.

Prior to the industrial revolution, most iron was obtained from widely available goethite or bog ore, for example, during the American Revolution and the Napoleonic Wars. Prehistoric societies used laterite as a source of iron ore. Historically, much of the iron ore utilized by industrialized societies has been mined from predominantly hematite deposits with grades of around 70% Fe. These deposits are commonly referred to as «direct shipping ores» or «natural ores». Increasing iron ore demand, coupled with the depletion of high-grade hematite ores in the United States, led after World War II to the development of lower-grade iron ore sources, principally the utilization of magnetite and taconite.

Iron ore mining methods vary by the type of ore being mined. There are four main types of iron ore deposits worked currently, depending on the mineralogy and geology of the ore deposits. These are magnetite, titanomagnetite, massive hematite and pisolitic ironstone deposits.

Banded iron formations[edit]

Banded iron formations (BIFs) are sedimentary rocks containing more than 15% iron composed predominantly of thinly bedded iron minerals and silica (as quartz). Banded iron formations occur exclusively in Precambrian rocks, and are commonly weakly to intensely metamorphosed. Banded iron formations may contain iron in carbonates (siderite or ankerite) or silicates (minnesotaite, greenalite, or grunerite), but in those mined as iron ores, oxides (magnetite or hematite) are the principal iron mineral.^[6] Banded iron formations are known as taconite within North America.

The mining involves moving tremendous amounts of ore and waste. The waste comes in two forms: non-ore bedrock in the mine (overburden or interburden locally known as mullock), and unwanted minerals, which are an intrinsic part of the ore rock itself (gangue). The mullock is mined and piled in waste dumps, and the gangue is separated during the beneficiation process and is removed as tailings. Taconite tailings are mostly the mineral quartz, which is chemically inert. This material is stored in large, regulated water settling ponds.

Magnetite ores[edit]

The key parameters for magnetite ore being economic are the crystallinity of the magnetite, the grade of the iron within the banded iron formation host rock, and the contaminant elements which exist within the magnetite concentrate. The size and strip ratio of most magnetite resources is irrelevant as a banded iron formation can be hundreds of meters thick, extend hundreds of kilometers along strike, and can easily come to more than three billion or more tonnes of contained ore.

The typical grade of iron at which a magnetite-bearing banded iron formation becomes economic is roughly 25% iron, which can generally yield a 33% to 40% recovery of magnetite by weight, to produce a concentrate grading in excess of 64% iron by weight. The typical magnetite iron ore concentrate has less than 0.1% phosphorus, 3–7% silica and less than 3% aluminium.

Currently magnetite iron ore is mined in Minnesota and Michigan in the U.S., Eastern Canada and Northern Sweden.^[7] Magnetite-bearing banded iron formation is currently mined extensively in Brazil, which exports significant quantities to Asia, and there is a nascent and large magnetite iron ore industry in Australia.

Direct-shipping (hematite) ores[edit]

Direct-shipping iron ore (DSO) deposits (typically composed of hematite) are currently exploited on all continents except Antarctica, with the largest intensity in South America, Australia and Asia. Most large hematite iron ore deposits are sourced from altered banded iron formations and rarely igneous accumulations.

DSO deposits are typically rarer than the magnetite-bearing BIF or other rocks which form its main source or protolith rock, but are considerably cheaper to mine and process as they require less beneficiation due to the higher iron content. However, DSO ores can contain significantly higher concentrations of penalty elements, typically being higher in phosphorus, water content (especially pisolite sedimentary accumulations) and aluminium (clays within pisolites). Export-grade DSO ores are generally in the 62–64% Fe range.^[8]

Magmatic magnetite ore deposits[edit]

Granite and ultrapotassic igneous rocks were sometimes used to segregate magnetite crystals and form masses of magnetite suitable for economic concentration.^[9] A few iron ore deposits, notably in Chile, are formed from volcanic flows containing significant accumulations of magnetite phenocrysts.^[10] Chilean magnetite iron ore deposits within the Atacama Desert have also formed alluvial accumulations of magnetite in streams leading from these volcanic formations.

Some magnetite skarn and hydrothermal deposits have been worked in the past as high-grade iron ore deposits requiring little beneficiation. There are several granite-associated deposits of this nature in Malaysia and Indonesia.

Other sources of magnetite iron ore include metamorphic accumulations of massive magnetite ore such as at Savage River, Tasmania, formed by shearing of ophiolite ultramafics.

Another, minor, source of iron ores are magmatic accumulations in layered intrusions which contain a typically titanium-bearing magnetite often with vanadium. These ores form a niche market, with specialty smelters used to recover the iron, titanium and vanadium. These ores are beneficiated essentially similar to banded iron formation ores, but usually are more easily upgraded via crushing and screening. The typical titanomagnetite concentrate grades 57% Fe, 12% Ti and 0.5% V
₂O
₅.^{[citation needed]}

Mine tailings[edit]

For every one ton of iron ore concentrate produced approximately 2.5–3.0 tons of iron ore tailings will be discharged. Statistics show that there are 130 million tons of iron ore discharged every year. If, for example, the mine tailings contain an average of approximately 11% iron there would be approximately 1.41 million tons of iron wasted annually.^[11] These tailings are also high in other useful metals such as copper, nickel, and cobalt,^[12] and they can be used for road-building materials like pavement and filler and building materials such as cement, low-grade glass, and wall materials.^[11][13][14] While tailings are a relatively low-grade ore, they are also inexpensive to collect as they don’t have to be mined. Because of this companies such as Magnetation have started reclamation projects where they use iron ore tailings as a source of metallic iron.^[11]

The two main methods of recycling iron from iron ore tailings are magnetizing roasting and direct reduction. Magnetizing roasting uses temperatures between 700 and 900 °C for a time of under 1 hour to produce an iron concentrate (Fe₃O₄) to be used for iron smelting. For magnetizing roasting it is important to have a reducing atmosphere to prevent oxidization and the formation of Fe₂O₃ because it is harder to separate as it is less magnetic.^[11][15] Direct reduction uses hotter temperatures of over 1000 °C and longer times of 2–5 hours. Direct reduction is used to produce sponge iron (Fe) to be used for steel making. Direct reduction requires more energy as the temperatures are higher and the time is longer and it requires more reducing agent than magnetizing roasting.^[11][16][17]

[edit]

Lower-grade sources of iron ore generally require beneficiation, using techniques like crushing, milling, gravity or heavy media separation, screening, and silica froth flotation to improve the concentration of the ore and remove impurities. The results, high-quality fine ore powders, are known as fines.

Magnetite[edit]

Magnetite is magnetic, and hence easily separated from the gangue minerals and capable of producing a high-grade concentrate with very low levels of impurities.

The grain size of the magnetite and its degree of commingling with the silica groundmass determine the grind size to which the rock must be comminuted to enable efficient magnetic separation to provide a high purity magnetite concentrate. This determines the energy inputs required to run a milling operation.

Mining of banded iron formations involves coarse crushing and screening, followed by rough crushing and fine grinding to comminute the ore to the point where the crystallized magnetite and quartz are fine enough that the quartz is left behind when the resultant powder is passed under a magnetic separator.

Generally most magnetite banded iron formation deposits must be ground to between 32 and 45 micrometers in order to produce a low-silica magnetite concentrate. Magnetite concentrate grades are generally in excess of 70% iron by weight and usually are low phosphorus, low aluminium, low titanium and low silica and demand a premium price.

Hematite[edit]

Due to the high density of hematite relative to associated silicate gangue, hematite beneficiation usually involves a combination of beneficiation techniques.

One method relies on passing the finely crushed ore over a slurry containing magnetite or other agent such as ferrosilicon which increases its density. When the density of the slurry is properly calibrated, the hematite will sink and the silicate mineral fragments will float and can be removed.^[18]

Production and consumption[edit]

Usable iron ore production in million metric tons for 2015^[20]
The mine production estimates for China are estimated from the National Bureau of Statistics China’s crude ore statistics, rather than usable ore as reported for the other countries.^[21]

Country	Production
Australia	817
Brazil	397
China	375*
India	156
Russia	101
South Africa	73
Ukraine	67
United States	46
Canada	46
Iran	27
Sweden	25
Kazakhstan	21
Other countries	132
Total world	2,280

Iron is the world’s most commonly used metal—steel, of which iron ore is the key ingredient, representing almost 95% of all metal used per year.^[3] It is used primarily in structures, ships, automobiles, and machinery.

Iron-rich rocks are common worldwide, but ore-grade commercial mining operations are dominated by the countries listed in the table aside. The major constraint to economics for iron ore deposits is not necessarily the grade or size of the deposits, because it is not particularly hard to geologically prove enough tonnage of the rocks exist. The main constraint is the position of the iron ore relative to market, the cost of rail infrastructure to get it to market and the energy cost required to do so.

Mining iron ore is a high-volume, low-margin business, as the value of iron is significantly lower than base metals.^[22] It is highly capital intensive, and requires significant investment in infrastructure such as rail in order to transport the ore from the mine to a freight ship.^[22] For these reasons, iron ore production is concentrated in the hands of a few major players.

World production averages two billion metric tons of raw ore annually. The world’s largest producer of iron ore is the Brazilian mining corporation Vale, followed by Australian companies Rio Tinto Group and BHP. A further Australian supplier, Fortescue Metals Group Ltd, has helped bring Australia’s production to first in the world.

The seaborne trade in iron ore—that is, iron ore to be shipped to other countries—was 849 million tonnes in 2004.^[22] Australia and Brazil dominate the seaborne trade, with 72% of the market.^[22] BHP, Rio and Vale control 66% of this market between them.^[22]

In Australia, iron ore is won from three main sources: pisolite «channel iron deposit» ore derived by mechanical erosion of primary banded-iron formations and accumulated in alluvial channels such as at Pannawonica, Western Australia; and the dominant metasomatically-altered banded iron formation-related ores such as at Newman, the Chichester Range, the Hamersley Range and Koolyanobbing, Western Australia. Other types of ore are coming to the fore recently,^[when?] such as oxidised ferruginous hardcaps, for instance laterite iron ore deposits near Lake Argyle in Western Australia.

The total recoverable reserves of iron ore in India are about 9,602 million tonnes of hematite and 3,408 million tonnes of magnetite.^[23] Chhattisgarh, Madhya Pradesh, Karnataka, Jharkhand, Odisha, Goa, Maharashtra, Andhra Pradesh, Kerala, Rajasthan and Tamil Nadu are the principal Indian producers of iron ore. World consumption of iron ore grows 10% per annum^{[citation needed]} on average with the main consumers being China, Japan, Korea, the United States and the European Union.

China is currently the largest consumer of iron ore, which translates to be the world’s largest steel producing country. It is also the largest importer, buying 52% of the seaborne trade in iron ore in 2004.^[22] China is followed by Japan and Korea, which consume a significant amount of raw iron ore and metallurgical coal. In 2006, China produced 588 million tons of iron ore, with an annual growth of 38%.

Iron ore market[edit]

Over the last 40 years, iron ore prices have been decided in closed-door negotiations between the small handful of miners and steelmakers which dominate both spot and contract markets. Traditionally, the first deal reached between these two groups sets a benchmark to be followed by the rest of the industry.^[3]

In recent years, however, this benchmark system has begun to break down, with participants along both demand and supply chains calling for a shift to short term pricing. Given that most other commodities already have a mature market-based pricing system, it is natural for iron ore to follow suit. To answer increasing market demands for more transparent pricing, a number of financial exchanges and/or clearing houses around the world have offered iron ore swaps clearing. The CME group, SGX (Singapore Exchange), London Clearing House (LCH.Clearnet), NOS Group and ICEX (Indian Commodities Exchange) all offer cleared swaps based on The Steel Index’s (TSI) iron ore transaction data. The CME also offers a Platts-based swap, in addition to their TSI swap clearing. The ICE (Intercontinental Exchange) offers a Platts-based swap clearing service also. The swaps market has grown quickly, with liquidity clustering around TSI’s pricing.^[26] By April 2011, over US$5.5 billion worth of iron ore swaps have been cleared basis TSI prices. By August 2012, in excess of one million tonnes of swaps trading per day was taking place regularly, basis TSI.

A relatively new development has also been the introduction of iron ore options, in addition to swaps. The CME group has been the venue most utilised for clearing of options written against TSI, with open interest at over 12,000 lots in August 2012.

Singapore Mercantile Exchange (SMX) has launched the world first global iron ore futures contract, based on the Metal Bulletin Iron Ore Index (MBIOI) which utilizes daily price data from a broad spectrum of industry participants and independent Chinese steel consultancy and data provider Shanghai Steelhome’s widespread contact base of steel producers and iron ore traders across China.^[27] The futures contract has seen monthly volumes over 1.5 million tonnes after eight months of trading.^[28]

This move follows a switch to index-based quarterly pricing by the world’s three largest iron ore miners—Vale, Rio Tinto and BHP—in early 2010, breaking a 40-year tradition of benchmark annual pricing.^[29]

Abundance by country[edit]

Available world iron ore resources[edit]

Iron is the most abundant element on earth but not in the crust.^[30] The extent of the accessible iron ore reserves is not known, though Lester Brown of the Worldwatch Institute suggested in 2006 that iron ore could run out within 64 years (that is, by 2070), based on 2% growth in demand per year.^[31]

Australia[edit]

Geoscience Australia calculates that the country’s «economic demonstrated resources» of iron currently amount to 24 gigatonnes, or 24 billion tonnes.^{[citation needed]} Another estimate places Australia’s reserves of iron ore at 52 billion tonnes, or 30 per cent of the world’s estimated 170 billion tonnes, of which Western Australia accounts for 28 billion tonnes.^[32] The current production rate from the Pilbara region of Western Australia is approximately 430 million tonnes a year and rising. Gavin Mudd (RMIT University) and Jonathon Law (CSIRO) expect it to be gone within 30–50 years and 56 years, respectively.^[33] These 2010 estimates require on-going review to take into account shifting demand for lower-grade iron ore and improving mining and recovery techniques (allowing deeper mining below the groundwater table).

United States[edit]

In 2014, mines in the United States produced 57.5 million metric tons of iron ore with an estimated value of $5.1 billion.^[34] Iron mining in the United States is estimated to have accounted for 2% of the world’s iron ore output. In the United States there are twelve iron ore mines with nine being open pit mines and three being reclamation operations. There were also ten pelletizing plants, nine concentration plants, two direct-reduced iron (DRI) plants and one iron nugget plant that were operating in 2014.^[34] In the United States the majority of iron ore mining is in the iron ranges around Lake Superior. These iron ranges occur in Minnesota and Michigan which combined accounted for 93% of the usable iron ore produced in the United States in 2014. Seven of the nine operational open pit mines in the United States are located in Minnesota as well as two of the three tailings reclamation operations. The other two active open pit mines were located in Michigan, in 2016 one of the two mines shut down.^[34] There have also been iron ore mines in Utah and Alabama; however, the last iron ore mine in Utah shut down in 2014^[34] and the last iron ore mine in Alabama shut down in 1975.^[35]

Canada[edit]

In 2017, Canadian iron ore mines produced 49 million tons of iron ore in concentrate pellets and 13.6 million tons of crude steel. Of the 13.6 million tons of steel 7 million was exported, and 43.1 million tons of iron ore was exported at a value of $4.6 billion. Of the iron ore exported 38.5% of the volume was iron ore pellets with a value of $2.3 billion and 61.5% was iron ore concentrates with a value of $2.3 billion.^[36] Forty-six per cent of Canada’s iron ore comes from the Iron Ore Company of Canada mine, in Labrador City, Newfoundland, with secondary sources including, the Mary River Mine, Nunavut.^[36][37]

Brazil[edit]

Brazil is the second-largest producer of iron ore with Australia being the largest. In 2015 Brazil exported 397 million tons of usable iron ore.^[34] In December 2017 Brazil exported 346,497 metric tons of iron ore and from December 2007 to May 2018 they exported a monthly average of 139,299 metric tons.^[38]

Ukraine[edit]

According to the U.S. Geological Survey’s 2021 Report on iron ore,^[39] Ukraine is estimated to have produced 62 million tons of iron ore in 2020 (2019: 63 million tons), placing it as the seventh largest global centre of iron ore production, behind Australia, Brazil, China, India, Russia and South Africa. Producers of iron ore in Ukraine include: Ferrexpo, Metinvest and ArcelorMittal Kryvyi Rih.

India[edit]

According to the U.S. Geological Survey’s 2021 Report on iron ore,^[39] India is estimated to produce 59 million tons of iron ore in 2020 (2019: 52 million tons), placing it as the seventh largest global centre of iron ore production, behind Australia, Brazil, China, Russia and South Africa and Ukraine.

Smelting[edit]

Iron ores consist of oxygen and iron atoms bonded together into molecules. To convert it to metallic iron it must be smelted or sent through a direct reduction process to remove the oxygen. Oxygen-iron bonds are strong, and to remove the iron from the oxygen, a stronger elemental bond must be presented to attach to the oxygen. Carbon is used because the strength of a carbon-oxygen bond is greater than that of the iron-oxygen bond, at high temperatures. Thus, the iron ore must be powdered and mixed with coke, to be burnt in the smelting process.

Carbon monoxide is the primary ingredient of chemically stripping oxygen from iron. Thus, the iron and carbon smelting must be kept at an oxygen-deficient (reducing) state to promote burning of carbon to produce CO not CO
₂.

• Air blast and charcoal (coke): 2 C + O₂ → 2 CO
• Carbon monoxide (CO) is the principal reduction agent.
  • Stage One: 3 Fe₂O₃ + CO → 2 Fe₃O₄ + CO₂
  • Stage Two: Fe₃O₄ + CO → 3 FeO + CO₂
  • Stage Three: FeO + CO → Fe + CO₂
• Limestone calcining: CaCO₃ → CaO + CO₂
• Lime acting as flux: CaO + SiO₂ → CaSiO₃

Trace elements[edit]

The inclusion of even small amounts of some elements can have profound effects on the behavioral characteristics of a batch of iron or the operation of a smelter. These effects can be both good and bad, some catastrophically bad. Some chemicals are deliberately added such as flux which makes a blast furnace more efficient. Others are added because they make the iron more fluid, harder, or give it some other desirable quality. The choice of ore, fuel, and flux determine how the slag behaves and the operational characteristics of the iron produced. Ideally iron ore contains only iron and oxygen. In reality this is rarely the case. Typically, iron ore contains a host of elements which are often unwanted in modern steel.

Silicon[edit]

Silica (SiO
₂) is almost always present in iron ore. Most of it is slagged off during the smelting process. At temperatures above 1,300 °C (2,370 °F) some will be reduced and form an alloy with the iron. The hotter the furnace, the more silicon will be present in the iron. It is not uncommon to find up to 1.5% Si in European cast iron from the 16th to 18th centuries.

The major effect of silicon is to promote the formation of grey iron. Grey iron is less brittle and easier to finish than white iron. It is preferred for casting purposes for this reason.Turner (1900, pp. 192–197) reported that silicon also reduces shrinkage and the formation of blowholes, lowering the number of bad castings.

Phosphorus[edit]

Phosphorus (P) has four major effects on iron: increased hardness and strength, lower solidus temperature, increased fluidity, and cold shortness. Depending on the use intended for the iron, these effects are either good or bad. Bog ore often has a high phosphorus content.^[40]

The strength and hardness of iron increases with the concentration of phosphorus. 0.05% phosphorus in wrought iron makes it as hard as medium carbon steel. High phosphorus iron can also be hardened by cold hammering. The hardening effect is true for any concentration of phosphorus. The more phosphorus, the harder the iron becomes and the more it can be hardened by hammering. Modern steel makers can increase hardness by as much as 30%, without sacrificing shock resistance by maintaining phosphorus levels between 0.07 and 0.12%. It also increases the depth of hardening due to quenching, but at the same time also decreases the solubility of carbon in iron at high temperatures. This would decrease its usefulness in making blister steel (cementation), where the speed and amount of carbon absorption is the overriding consideration.

The addition of phosphorus has a down side. At concentrations higher than 0.2% iron becomes increasingly cold short, or brittle at low temperatures. Cold short is especially important for bar iron. Although bar iron is usually worked hot, its uses^{[example needed]} often require it to be tough, bendable, and resistant to shock at room temperature. A nail that shattered when hit with a hammer or a carriage wheel that broke when it hit a rock would not sell well.^{[citation needed]} High enough concentrations of phosphorus render any iron unusable.^[41] The effects of cold shortness are magnified by temperature. Thus, a piece of iron that is perfectly serviceable in summer, might become extremely brittle in winter. There is some evidence that during the Middle Ages the very wealthy may have had a high-phosphorus sword for summer and a low-phosphorus sword for winter.^[41]

Careful control of phosphorus can be of great benefit in casting operations. Phosphorus depresses the liquidus temperature, allowing the iron to remain molten for longer and increases fluidity. The addition of 1% can double the distance molten iron will flow.^[41] The maximum effect, about 500 °C, is achieved at a concentration of 10.2%.^[42] For foundry work Turner^[43] felt the ideal iron had 0.2–0.55% phosphorus. The resulting iron filled molds with fewer voids and also shrank less. In the 19th century some producers of decorative cast iron used iron with up to 5% phosphorus. The extreme fluidity allowed them to make very complex and delicate castings. But, they could not be weight bearing, as they had no strength.^[44]

There are two remedies^{[according to whom?]} for high phosphorus iron. The oldest, easiest and cheapest, is avoidance. If the iron that the ore produced was cold short, one would search for a new source of iron ore. The second method involves oxidizing the phosphorus during the fining process by adding iron oxide. This technique is usually associated with puddling in the 19th century, and may not have been understood earlier. For instance, Isaac Zane, owner of Marlboro Iron Works, did not appear to know about it in 1772. Given Zane’s reputation^{[according to whom?]} for keeping abreast of the latest developments, the technique was probably unknown to the ironmasters of Virginia and Pennsylvania.

Phosphorus is generally considered to be a deleterious contaminant because it makes steel brittle, even at concentrations of as little as 0.6%. When the Gilchrist–Thomas process allowed to remove bulk amounts of the element from cast iron in the 1870s, it was a major development because most of the iron ores mined in continental Europe at the time were phosphorous. However, removing all the contaminant by fluxing or smelting is complicated, and so desirable iron ores must generally be low in phosphorus to begin with.

Aluminium[edit]

Small amounts of aluminium (Al) are present in many ores including iron ore, sand and some limestones. The former can be removed by washing the ore prior to smelting. Until the introduction of brick lined furnaces, the amount of aluminium contamination was small enough that it did not have an effect on either the iron or slag. However, when brick began to be used for hearths and the interior of blast furnaces, the amount of aluminium contamination increased dramatically. This was due to the erosion of the furnace lining by the liquid slag.

Aluminium is difficult to reduce. As a result, aluminium contamination of the iron is not a problem. However, it does increase the viscosity of the slag.^[45][46] This will have a number of adverse effects on furnace operation. The thicker slag will slow the descent of the charge, prolonging the process. High aluminium will also make it more difficult to tap off the liquid slag. At the extreme this could lead to a frozen furnace.

There are a number of solutions to a high aluminium slag. The first is avoidance; do not use ore or a lime source with a high aluminium content. Increasing the ratio of lime flux will decrease the viscosity.^[46]

Sulfur[edit]

Sulfur (S) is a frequent contaminant in coal. It is also present in small quantities in many ores, but can be removed by calcining. Sulfur dissolves readily in both liquid and solid iron at the temperatures present in iron smelting. The effects of even small amounts of sulfur are immediate and serious. They were one of the first worked out by iron makers. Sulfur causes iron to be red or hot short.^[47]

Hot short iron is brittle when hot. This was a serious problem as most iron used during the 17th and 18th centuries was bar or wrought iron. Wrought iron is shaped by repeated blows with a hammer while hot. A piece of hot short iron will crack if worked with a hammer. When a piece of hot iron or steel cracks the exposed surface immediately oxidizes. This layer of oxide prevents the mending of the crack by welding. Large cracks cause the iron or steel to break up. Smaller cracks can cause the object to fail during use. The degree of hot shortness is in direct proportion to the amount of sulfur present. Today iron with over 0.03% sulfur is avoided.

Hot short iron can be worked, but it has to be worked at low temperatures. Working at lower temperatures requires more physical effort from the smith or forgeman. The metal must be struck more often and harder to achieve the same result. A mildly sulfur contaminated bar can be worked, but it requires a great deal more time and effort.

In cast iron sulfur promotes the formation of white iron. As little as 0.5% can counteract the effects of slow cooling and a high silicon content.^[48] White cast iron is more brittle, but also harder. It is generally avoided, because it is difficult to work, except in China where high sulfur cast iron, some as high as 0.57%, made with coal and coke, was used to make bells and chimes.^[49] According to Turner (1900, pp. 200), good foundry iron should have less than 0.15% sulfur. In the rest of the world a high sulfur cast iron can be used for making castings, but will make poor wrought iron.

There are a number of remedies for sulfur contamination. The first, and the one most used in historic and prehistoric operations, is avoidance. Coal was not used in Europe (unlike China) as a fuel for smelting because it contains sulfur and therefore causes hot short iron. If an ore resulted in hot short metal, ironmasters looked for another ore. When mineral coal was first used in European blast furnaces in 1709 (or perhaps earlier), it was coked. Only with the introduction of hot blast from 1829 was raw coal used.

Ore roasting[edit]

Sulfur can be removed from ores by roasting and washing. Roasting oxidizes sulfur to form sulfur dioxide (SO₂) which either escapes into the atmosphere or can be washed out. In warm climates it is possible to leave pyritic ore out in the rain. The combined action of rain, bacteria, and heat oxidize the sulfides to sulfuric acid and sulfates, which are water-soluble and leached out.^[50] However, historically (at least), iron sulfide (iron pyrite FeS
₂), though a common iron mineral, has not been used as an ore for the production of iron metal. Natural weathering was also used in Sweden. The same process, at geological speed, results in the gossan limonite ores.

The importance attached to low sulfur iron is demonstrated by the consistently higher prices paid for the iron of Sweden, Russia, and Spain from the 16th to 18th centuries. Today sulfur is no longer a problem. The modern remedy is the addition of manganese. But, the operator must know how much sulfur is in the iron because at least five times as much manganese must be added to neutralize it. Some historic irons display manganese levels, but most are well below the level needed to neutralize sulfur.^[48]

Sulfide inclusion as manganese sulfide (MnS) can also be the cause of severe pitting corrosion problems in low-grade stainless steel such as AISI 304 steel.^[51][52] Under oxidizing conditions and in the presence of moisture, when sulfide oxidizes it produces thiosulfate anions as intermediate species and because thiosulfate anion has a higher equivalent electromobility than chloride anion due to its double negative electrical charge, it promotes the pit growth.^[53] Indeed, the positive electrical charges born by Fe²⁺ cations released in solution by Fe oxidation on the anodic zone inside the pit must be quickly compensated / neutralised by negative charges brought by the electrokinetic migration of anions in the capillary pit. Some of the electrochemical processes occurring in a capillary pit are the same than these encountered in capillary electrophoresis. Higher the anion electrokinetic migration rate, higher the rate of pitting corrosion. Electrokinetic transport of ions inside the pit can be the rate-limiting step in the pit growth rate.

See also[edit]

• Bog iron
• Iron ore in Africa
• Ironstone

Citations[edit]

General and cited references[edit]

В целом, железо является четвертым по распространенности элементом в природе.

В чистом виде найти его невозможно, железо содержится в определенном количестве во многих типах горных пород. Наибольшее содержание железа имеет железная руда, добыча металла из которой является наиболее экономично выгодным. От ее происхождения зависит количество содержащегося в ней железа, нормальная доля которого в составе около 15%.

Химический состав

Свойства железной руды, ее ценность и характеристики напрямую зависят от ее химического состава. Железная руда может содержать различное количество железа и других примесей. В зависимости от этого выделяют ее несколько типов:

• очень богатые, когда содержание железа в рудах превышает 65%;
• богатые, процент железа в которой варьируется в диапазоне от 60% до 65%;
• средние, от 45% и выше;
• бедные, в которых процент полезных элементов не превышает 45%.

Чем больше побочных примесей в составе железной руды, тем больше необходимо энергии на ее переработку, и тем менее эффективным является производство готовой продукции. Состав породы может представлять собой совокупность различных минералов, пустой породы и других побочных примесей, соотношение которых зависит от ее месторождения.  Пустая порода также может содержать железо, но ее переработка экономически не целесообразна. Наиболее часто встречающиеся минералы представляют собой оксиды, карбонаты и силикаты железа. Следует отметить, что в составе железистых пород может содержаться огромное количество вредных веществ, среди которых можно выделить серу, мышьяк, фосфор и другие.

Типы железных руд

На сегодняшний день выделяется множество видов железных руд, характеристики и названия которых зависят от состава. Наиболее часто в природе встречается такой вид, как красный железняк, в основе которого лежит оксид под названием гематит. Этот оксид содержит в составе количество железа, превышающее 70%, и минимальное количество побочных примесей.

Физическое состояние данного оксида может варьироваться от порошкообразного до плотного.

Бурый железняк представляет собой оксид железа с содержанием воды. Его очень часто называют лимонитом. В его составе значительно меньше железа, количество которого обычно не превышает четверти. В природе такой железняк содержится в виде рыхлой, пористой породы, со значительным содержанием марганца и фосфора. Обычно обильно насыщен влагой, имеет в качестве пустой породы глину. Из него очень часто делают чугун, несмотря на незначительную часть железа, так как он очень легко перерабатывается. Магнитные руды отличаются тем, что в их основе заложен оксид, имеющий магнитные свойства, но при сильном нагреве они теряются. Количество этого типа породы в природе ограничено, но содержание железа в нем может не уступать красному железняку.  Внешне он выглядит как твердые кристаллы черно-синего цвета. Шпатовый железняк представляет собой рудную породу, в основе которой лежит сидерит. Очень часто имеет в составе значительное количество глины. Этот тип породы относительно тяжело найти в природе, что на фоне малого количества содержимого железа делает его редко используемым. Поэтому отнести их к промышленным типам руд невозможно. Кроме оксидов в природе содержаться другие руды на основе силикатов и карбонатов. Количество содержимого железа в породе очень важно для ее промышленного использования, но также важно наличие полезных побочных элементов, таких как никель, магний, и молибден.

Отрасли применения

Сфера применения железной руды практически полностью ограничена металлургией. Ее используют, в основном, для выплавки чугуна, который добывают с помощью мартеновских или конверторных печей. На сегодняшний день чугун используется в различных сферах жизнедеятельности человека, в том числе в большинстве видов промышленного производства. Не в меньшей степени используются различные сплавы на основе железа – наиболее широкое применение обрела сталь благодаря своим прочностным и антикоррозийным свойствам. 

 Чугун, сталь и различные другие сплавы железа используются в:

1. Машиностроении, для производства различных станков и аппаратов.
2. Автомобилестроении, для изготовления двигателей, корпусов, рам, а также других узлов и деталей.
3. Военной и ракетной промышленности, при производстве спецтехники, оружия и ракет.
4. Строительстве, в качестве армирующего элемента или возведения несущих конструкций.
5. Легкой и пищевой промышлености, в качестве тары, производственных линий, различных агрегатов и аппаратов.
6. Добывающей промышленности, в качестве спецтехники и оборудования.

Месторождения железной руды

Мировые запасы железной руды ограничены в количестве и своем местоположении. Территории скопления запасов руд называют месторождениями. На сегодняшний день месторождения железных руд делят на:

1. Эндогенные. Они характеризуются особым расположением в земной коре, обычно в виде титаномагнетитовых руд. Формы и расположения таких вкраплений разнообразны, могут быть в форме линз, пластов, расположенных в земной коре в виде залежей, вулканообразовных залежей, в виде различных жил и других неправильных форм.
2. Экзогенные. К этому типу относятся залежи бурых железняков и других осадочных пород.
3. Метаморфогенные. К которым относятся залежи кварцитов.

Месторождения таких руд можно встретить на территории всей нашей планеты. Наибольшее количество залежей сконцентрировано на территории постсоветских республик. В особенности Украины, России и Казахстана. Большие запасы железа имеют такие страны как Бразилия, Канада, Австралия, США, Индия и ЮАР. При этом практически в каждой стране на земном шаре имеются свои разрабатываемыми месторождения, в случае дефицита которых, порода импортируется из других стран.

Обогащения железных руд

Как было указано, существует несколько типов руд. Богатые можно перерабатывать непосредственно после извлечения из земной коры, другие необходимо обогатить. Кроме процесса обогащения, переработка руды включает в себя несколько этапов, таких как сортировка, дробление, сепарация и агломерация. На сегодняшний день существует несколько основных способов обогащения:

1. Промывка.

Применяется для очистки руд от побочных примесей в виде глины или песка, вымывание которых проводят с помощью струй воды под высоким давлением. Такая операция позволяет увеличить количество содержимого железа в бедной руде примерно на 5%. Поэтому его используют только в комплексе с другими типами обогащения.

1. Гравитационная очистка.

Выполняется с помощью специальных типов суспензий, плотность которых превышает плотность пустой породы, но уступает плотности железа. Под воздействием гравитационных сил побочные компоненты поднимаются на верх, а железо опускается на низ суспензии.

1. Магнитная сепарация.

Наиболее распространенный способ обогащения, который основывается на различном уровне восприятия компонентами руды воздействия магнитных сил. Такую сепарацию могут проводить с сухой породой, мокрой, или в поочередном сочетании двух ее состояний. Для переработки сухой и мокрой смеси используют специальные барабаны с электромагнитами.

1. Флотация.

Для этого метода раздробленную руду в виде пыли опускают в воду с добавлением специального вещества (флотационный реагент) и воздуха. Под действием реагента железо присоединяется к воздушным пузырькам и поднимается на поверхность воды, а пустая порода опускается на дно. Компоненты, содержащие железо, собираются с поверхности в виде пены.

В периодической системе Менделеева железо входит в группу VIIIВ. В четвертом периоде, к которому принадлежит и железо, в эту группу входят также кобальт и никель. Эти три элемента образуют триаду и обладают сходными свойствами.

Радиус нейтрального атома железа 0, 126 нм, радиус иона Fe²⁺ — 0, 080 нм, иона Fe³⁺ — 0, 067 нм. Энергии последовательной ионизации атома железа 7, 893, 16, 18, 30, 65, 57, 79 эВ. Сродство к электрону 0, 58 эв. По шкале Полинга электроотрицательность железа около 1, 8.

Железо высокой чистоты — это блестящий серебристо-серый, пластичный металл, хорошо поддающийся различным способам механической обработки.

В земной коре железо распространено достаточно широко — на его долю приходится около 4, 1% массы земной коры (4-е место среди всех элементов, 2-е среди металлов). Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Наибольшее практическое значение имеют красные железняки (руда гематит, Fe₂O₃; содержит до 70% Fe), магнитные железняки (руда магнетит, Fe₃О₄; содержит 72, 4% Fe), бурые железняки (руда гидрогетит НFeO₂·nH₂O), а также шпатовые железняки (руда сидерит, карбонат железа, FeСО₃; содержит около 48% Fe). В природе встречаются также большие месторождения пирита FeS₂ (другие названия — серный колчедан, железный колчедан, дисульфид железа и другие), но руды с высоким содержанием серы пока практического значения не имеют. По запасам железных руд Россия занимает первое место в мире. В морской воде 1·10^-5—1·10^-8% железа.

Железо играло и играет исключительную роль в материальной истории человечества. Первое металлическое железо, попавшее в руки человека, имело, вероятно, метеоритное происхождение. Руды железа широко распространены и часто встречаются даже на поверхности Земли, но самородное железо на поверхности крайне редко. Вероятно, еще несколько тысяч лет назад человек заметил, что после горения костра в некоторых случаях наблюдается образование железа из тех кусков руды, которые случайно оказались в костре. При горении костра восстановление железа из руды происходит за счет реакции руды как непосредственно с углем, так и с образующимся при горении оксидом углерода (II) СО. Возможность получения железа из руд существенно облегчило обнаружение того факта, что при нагревании руды с углем возникает металл, который далее можно дополнительно очистить при ковке. Получение железа из руды с помощью сыродутного процесса было изобретено в Западной Азии во 2-м тыс. до н. э. Период с 9 по 7 в. до н. э., когда у многих племен Европы и Азии развилась металлургия железа, получил название железного века, пришедшего на смену бронзовому веку. Усовершенствование способов дутья (естественную тягу сменили меха) и увеличение высоты горна (появились низкошахтные печи — домницы) привело к получению чугуна, который стали широко выплавлять в Западной Европе с 14 века. Полученный чугун переделывали в сталь. С середины 18 века в доменном процессе вместо древесного угля начали использовать каменно-угольный кокс. В дальнейшем способы получения железа из руд были значительно усовершенствованы, и в настоящее время для этого используют специальные устройства — домны, кислородные конвертеры, электродуговые печи.

При температурах от комнатной и до 917 °C, а также в интервале температур 1394-1535 °C существует α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, при комнатной температуре параметр решетки а = 0, 286645 нм. При температурах 917-1394 °C устойчиво β-Fe с кубической гранецентрированной решеткой Т (а = 0, 36468 нм). При температурах от комнатной до 769 °C (так называемая точка Кюри) железо обладает сильными магнитными свойствами (оно, как говорят, ферромагнитно), при более высоких температурах железо ведет себя как парамагнетик. Иногда парамагнитное α-Fe с кубической объемно центрированной решеткой, устойчивое при температурах от 769 до 917 °C, рассматривают как γ-модификацию железа, а β-Fe, устойчивое при высоких температурах (1394-1535 °C), называют по традиции δ-Fe (представления о существовании четырех модификаций железа — α, β, γи δ— возникли тогда, когда еще не существовал рентгеноструктурный анализ и не было объективной информации о внутреннем строении железа). Температура плавления 1535 °C, температура кипения 2750 °C, плотность 7, 87 г/см³. Стандартный потенциал пары Fe²⁺/Fe⁰ –0, 447В, пары Fe³⁺/Fe²⁺ +0, 771В.

При хранении на воздухе при температуре до 200 °C железо постепенно покрывается плотной пленкой оксида, препятствующего дальнейшему окислению металла. Во влажном воздухе железо покрывается рыхлым слоем ржавчины, который не препятствует доступу кислорода и влаги к металлу и его разрушению. Ржавчина не имеет постоянного химического состава, приближенно ее химическую формулу можно записать как Fe₂О₃·хН₂О.

С кислородом железо реагирует при нагревании. При сгорании железа на воздухе образуется оксид Fe₂О₃, при сгорании в чистом кислороде — оксид Fe₃О₄. Если кислород или воздух пропускать через расплавленное железо, то образуется оксид FeО. При нагревании порошка серы и железа образуется сульфид, приближенную формулу которого можно записать как FeS.

Железо при нагревании реагирует с галогенами. Так как FeF₃ нелетуч, железо устойчиво к действию фтора до температуры 200-300°C. При хлорировании железа (при температуре около 200°C) образуется летучий FeСl₃. Если взаимодействие железа и брома протекает при комнатной температуре или при нагревании и повышенном давлении паров брома, то образуется FeBr₃. При нагревании FeСl₃ и, особенно, FeBr₃ отщепляют галоген и превращаются в галогениды железа (II). При взаимодействии железа и иода образуется иодид Fe₃I₈.

При нагревании железо реагирует с азотом, образуя нитрид железа Fe₃N, с фосфором, образуя фосфиды FeP, Fe₂P и Fe₃P, с углеродом, образуя карбид Fe₃C, с кремнием, образуя несколько силицидов, например, FeSi.

При повышенном давлении металлическое железо реагирует с монооксидом углерода СО, причем образуется жидкий, при обычных условиях легко летучий пентакарбонил железа Fe(CO)₅. Известны также карбонилы железа составов Fe₂(CO)₉ и Fe₃(CO)₁₂. Карбонилы железа служат исходными веществами при синтезе железоорганических соединений, в том числе и ферроцена состава [Fe(-C₅H₅)₂].

Чистое металлическое железо устойчиво в воде и в разбавленных растворах щелочей. В концентрированной серной и азотной кислотах железо не растворяется, так как прочная оксидная пленка пассивирует его поверхность.

С соляной и разбавленной (приблизительно 20%-й) серной кислотами железо реагирует с образованием солей железа (II):

Fe + 2HCl = FeCl₂ + H₂

Fe + H₂SO₄ = FeSO₄ + H₂

При взаимодействии железа с приблизительно 70%-й серной кислотой реакция протекает с образованием сульфата железа (III):

2Fe + 4H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 4H₂O

Оксид железа (II) FeО обладает основными свойствами, ему отвечает основание Fe(ОН)₂. Оксид железа (III) Fe₂O₃ слабо амфотерен, ему отвечает еще более слабое, чем Fe(ОН)₂, основание Fe(ОН)₃, которое реагирует с кислотами:

2Fe(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O

Гидроксид железа (III) Fe(ОН)₃ проявляет слабо амфотерные свойства; он способен реагировать только с концентрированными растворами щелочей:

Fe(ОН)₃ + КОН = К[Fe(ОН)₄]

Образующиеся при этом гидроксокомплексы железа (III) устойчивы в сильно щелочных растворах. При разбавлении растворов водой они разрушаются, причем в осадок выпадает гидроксид железа (III) Fe(OH)_3.

Соединения железа (III) в растворах восстанавливаются металлическим железом:

Fe + 2FeCl₃ = 3FeCl₂

При хранении водных растворов солей железа (II) наблюдается окисление железа (II) до железа (III):

4FeCl₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)Cl₂Из солей железа (II) в водных растворах устойчива соль Мора — двойной сульфат аммония и железа (II) (NH₄)₂Fe(SO₄)₂·6Н₂О.

Железо (III) способно образовывать двойные сульфаты с однозарядными катионами типа квасцов, например, KFe(SO₄)₂ — железокалиевые квасцы, (NH₄)Fe(SO₄)₂ — железоаммонийные квасцы и т. д.

При действии газообразного хлора или озона на щелочные растворы соединений железа (III) образуются соединения железа (VI) — ферраты, например, феррат (VI) калия K₂FeO₄. Имеются сообщения о получении под действием сильных окислителей соединений железа (VIII).

Для обнаружения в растворе соединений железа (III) используют качественную реакцию ионов Fe³⁺ с тиоцианат-ионами CNS^—. При взаимодействии ионов Fe³⁺ с анионами CNS^— образуется ярко-красный роданид железа Fe(CNS)₃. Другим реактивом на ионы Fe³⁺ служит гексацианоферрат (II) калия K₄[Fe(CN)₆] (ранее это вещество называли желтой кровяной солью). При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4- выпадает ярко-синий осадок.

Реактивом на ионы Fe²⁺ в растворе может служить раствор гексацианоферрат (III) калия K₃[Fe(CN)₆], ранее называвшийся красной кровяной солью. При взаимодействии ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^3- выпадает ярко-синий осадок такого же состава, как и в случае взаимодействия ионов Fe³⁺ и [Fe(CN)₆]^4-.

Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом — различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2, 14 % по массе (обычно — на уровне 3, 5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0, 8-1 %).

Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию — нагреванию при температуре около 1000 °C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей — шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород или воздух, обогащенный кислородом). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300 °C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:

Fe₂O₃ + 3C = 2Fe + 3CO;

Fe₂O₃ + 3CО = 2Fe + 3CO₂

возникает металлическое железо, которое насыщается углеродом и стекает вниз.

Этот расплав периодически выпускают из домны через специальное отверстие — летку — и дают расплаву застыть в специальных формах. Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун — это твердый раствор углерода в железе. В микроструктуре серого чугуна можно различить микрокристаллики графита. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге.

Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб.

Твердый чугун легче расплавленного, так что при его затвердевании происходит не сжатие (как обычно при затвердевании металлов и сплавов), а расширение. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья.

Если содержание углерода в чугуне снизить до 1, 0-1, 5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома, никеля, молибдена, кобальта и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали).

Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. При такой переработке снижается содержание углерода в сплаве до требуемого уровня, как говорят, избыточный углерод выгорает.

Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов.

Производство сталей имеет в России давние глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.

Чистое железо имеет довольно ограниченное применение. Его используют при изготовлении сердечников электромагнитов, как катализатор химических процессов, для некоторых других целей. Но сплавы железа — чугун и сталь — составляют основу современной техники. Находят широкое применение и многие соединения железа. Так, сульфат железа (III) используют при водоподготовке, оксиды и цианид железа служат пигментами при изготовлении красителей и так далее.

Железо присутствует в организмах всех растений и животных как микроэлемент, то есть в очень малых количествах (в среднем около 0, 02%). Однако железобактерии, использующие энергию окисления железа (II) в железо (III) для хемосинтеза, могут накапливать в своих клетках до 17-20% железа. Основная биологическая функция железа — участие в транспорте кислорода и окислительных процессах. Эту функцию железо выполняет в составе сложных белков — гемопротеидов, простетической группой которых является железопорфириновый комплекс — гем. Среди важнейших гемопротеидов дыхательные пигменты гемоглобин и миоглобин, универсальные переносчики электронов в реакциях клеточного дыхания, окисления и фотосинеза цитохромы, ферменты каталоза и пероксида, и других. У некоторых беспозвоночных железосодержащие дыхательные пигменты гелоэритрин и хлорокруорин имеют отличное от гемоглобинов строение. При биосинтезе гемопротеидов железо переходит к ним от белка ферритина, осуществляющего запасание и транспорт железа. Этот белок, одна молекула которого включает около 4 500 атомов железа, концентрируется в печени, селезенке, костном мозге и слизистой кишечника млекопитающих и человека. Суточная потребность человека в железе (6-20 мг) с избытком покрывается пищей (железом богаты мясо, печень, яйца, хлеб, шпинат, свекла и другие). В организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 4, 2 г железа, в 1 л крови — около 450 мг. При недостатке железа в организме развивается железистая анемия, которую лечат с помощью препаратов, содержащих железо. Препараты железа применяются и как общеукрепляющие средства. Избыточная доза железа (200 мг и выше) может оказывать токсичное действие. Железо также необходимо для нормального развития растений, поэтому существуют микроудобрения на основе препаратов железа.

• Конецкая Д. С. и др. Железо высокой степени чистоты. М., 1978.
• Путешествие в страну элементов: Сборник. М.: Молодая гвардия. 1963.
• Каменецкая Д. С., Пилецкая И. Б., Ширяев В. И. Железо высокой степени чистоты. М., 1978.
• Пикеринг Ф. Физическое металловедение и разработка сталей. М., 1982.