Железо, кобальт, никель (стр. 1 )

ЖЕЛЕЗО, КОБАЛЬТ, НИКЕЛЬ

Побочная подгруппа VIII группы Периодической таблицы химических элементов включает в себя девять металлов, собранных в три группировки по три металла в каждой. Первую группировку (железо, кобальт и никель) нередко называют триадой железа. Остальные шесть объединяют под общим названием платиновые металлы, по имени наиболее важного и распространенного среди них элемента – платины. Между собой триада железа и платиновые металлы имеют мало сходства, поэтому в данной главе будут рассматриваться только первые три металла побочной подгруппы VIII группы.

Исторические сведения. Железо входит в группу металлов, известных человечеству с глубокой древности. Самые старые железные предметы, найденные археологами, датируются IV тысячелетием до н. э. и относятся к древнешумерской и древнеегипетской цивилизации. Большинство ученых полагают, что материалом, из которого человек изготовил первые железные изделия, были железные метеориты. Не случайно на некоторых языках мира железо называется «небесный металл», «металл, падающий с неба» и т. п. Первое научное доказательство того, что «железные камни падают с неба», было предоставлено в 1775 году, когда в Петербург был доставлен метеорит массой около 600 кг. А самым крупным из найденных на Земле является железный метеорит, обнаруженный в 1920 году в Юго-Западной Африке (современная Намибия) и имевший массу более 60 т.

Метеоритное (или палласово) железо – это не чистый металл. В его состав обычно входит никель (до 30%), кобальт, марганец, а также другие элементы. Самым главным достоинством такого железа является то, что оно хорошо куется в холодном состоянии, что существенно облегчило изготовление первых железных изделий. Но в то же время метеоритное железо при нагревании становится хрупким, поэтому его невозможно перековать горячим способом.

Со временем (между II и III тысячелетием до н. э.) люди научились добывать железо из его руд, но из-за неотработанной технологии оно в те времена было очень дорогим металлом (сопоставимым по стоимости с золотом) и применялось в основном в культовых обрядах. И лишь в I тысячелетии до н. э. развитие металлургии существенно снизило себестоимость железа. Это привело к тому, что железо повсеместно потеснило другие металлы и стало главным материалом для изготовления различных инструментов, оружия, механизмов и прочих изделий. Начался «железный век», который продолжается до сих пор. В настоящее время на долю железа и его сплавов приходится около 90% всей производимой в мире металлопродукции.

Точное происхождение названия железа не установлено. На сегодняшний день наиболее правдоподобными кажутся следующие версии: русское название элемента железо, возможно, восходит к санскритскому жальжа (металл, руда). Другая версия усматривает в слове славянский корень лез, тот же, что и в слове лезвие (так как железо в основном употреблялось на изготовление оружия). Согласно третьей версии, название металла произошло от слова желвак, которое раньше имело значение «камень» (из-за того, что многие железные руды внешне напоминают обычные камни). Относительно европейских названий железа (английское iron или немецкое Eisen) есть предположение, что они происходят от санскритского исира (крепкий, сильный) или от этрусского айзари (боги, небо). Лишь по латинскому названию ferrum большинство ученых пришло к согласию, что оно происходит от другого латинского слова fars (быть твердым).

Из соединений кобальта издавна известен его оксид, который применялся еще в Древнем Египте, Вавилоне, Китае для окрашивания стекол и эмалей в синий цвет. Для той же цели в XVI веке в Западной Европе стали пользоваться сафлором – массой, которая получалась при обжиге некоторых руд, носивших название «кобольд». Эти руды внешне очень походили на серебряные минералы, но при их обжиге обильно выделялся ядовитый дым, а из продукта обжига выплавить серебро не удавалось. Средневековые рудокопы и металлурги считали это проделками мифических существ – кобольдов (от немецкого Kobold – домовой, гном) – злых горных гномов, которые не хотели делиться с людьми богатствами земли и любым способом старались им навредить.

В 1735 году из этой руды все же удалось выделить металл, которому сохранили название руды – кобольд. Со временем название трансформировалось в современное кобальт.

Никель в нечистом виде впервые был получен в 1751 году, значительно более чистый металл удалось выплавить только спустя 53 года (в 1804 г.). Название металла происходит от названия минерала купферникеля, известного уже в XVII веке и часто вводившего в заблуждение средневековых горняков внешним сходством с медными рудами (по-немецки Kupfer – медь, Nickel – горный дух, якобы подсовывавший горнякам вместо руды пустую породу).

Распространение в природе. Среди всех химических элементов железо занимает 4-е место по распространенности в земной коре, уступая в этом плане только кислороду, кремнию и алюминию. Если сравнивать по распространенности только металлы, то железу принадлежит 2-е место; если только тяжелые металлы – то 1-е. Всего известно более 300 железосодержащих минералов, из которых наиболее промышленно важными являются магнетит (магнитный железняк) Fe3O4, гематит (красный железняк) Fe2O3, гетит (бурый железняк) FeO(OH), сидерит (железный шпат) FeCO3, пирит (серный или железный колчедан) FeS2. Очень редко в природе встречается самородное железо (природный сплав железа с некоторыми металлами, в первую очередь с никелем).

Кобальт уже не столь распространен в земной коре, как железо, но и не является редким элементом. Всего он образует около 30 собственных минералов, из которых наиболее важными являются кобальтин (кобальтовый блеск) CoAsS и скуттерудит CoAs3. Характерная особенность кобальта – его способность образовывать промышленные концентрации в месторождениях других металлов (никеля, меди и железа), где он представлен не только собственными минералами, а присутствует в виде примеси в достаточно большом количестве (порой до 4%).

Никель по своей распространенности в земной коре сопоставим с кобальтом: не очень распространенный, но и не редкий. Собственных минералов никеля известно более 50, наиболее промышленно важными из которых являются миллерит NiS и никелин (купферникель) NiAs. Но эти минералы образуют немного крупных месторождений, поэтому сегодня никель получают в основном из комплексных полиметаллических руд, в которых его содержание колеблется от нескольких сотых до 4%.

Физические свойства. Чистое железо – серебристо-белый блестящий металл со средней для металлов твердостью. Оно достаточно пластично и легко куется как в холодном, так и нагретом состоянии. Кроме того, железо подвергается другим методам технологичной обработки металлов: прокатке, штамповке и волочению. Но многие примеси даже в ничтожных количествах существенно меняют свойства железа: например, наличие 0,1% углерода повышает твердость и в то же время снижает пластичность железа. Дальнейшее повышение примеси углерода приводит к тому, что такое железо (вернее, сплав чугун) вовсе не подвергается ковке и меняет цвет на практически черный. По классификации, принятой в металлургии, железо относится к тяжелым металлам: его плотность составляет 7,874 г/см3. Оно сравнительно тугоплавко: температура плавления 1535оС, температура кипения около 3200оС.

Кобальт – блестящий серебристо-белый с красноватым оттенком металл, внешне похожий на чистое железо. Красноватый оттенок металлу придает тонкий оксидный слой, образующийся на его поверхности при контакте с окружающей средой. Кобальт очень тягуч и обладает большей твердостью и прочностью, чем сталь. Как и железо, кобальт принадлежит к группе тяжелых (плотность равна 8,9 г/см3) и относительно тугоплавких (температуры плавления и кипения равны 1493оС и ≈3100оС) металлов.

Никель представляет собой серебристо-белый с желтоватым оттенком металл, обладающий сильным блеском. Он очень хорошо полируется, очень тягуч; легко поддается ковке и плавке; прокатывается в листы и вытягивается в проволоку. Аналогично железу и кобальту никель – тяжелый (плотностью 8,902 г/см3) и относительно тугоплавкий (температуры плавления и кипения равны 1455оС и ≈2900оС соответственно) металл.

Отличительное физическое свойство металлов триады железа от всех остальных металлов – способность намагничиваться и сохранять магнитные свойства в течение некоторого времени (явление ферромагнетизма), что широко применяется в производстве постоянных магнитов. Но при повышенных температурах железо, кобальт и никель теряют способность намагничиваться. Железо ферромагнитно ниже 768оС, кобальт – ниже 1121оС, никель – ниже 348оС.

Химические свойства. Электронная конфигурация атомов железа, кобальта и никеля завершается на 3d64s2, 3d74s2 и 3d84s2 соответственно. Поэтому все три металла будут проявлять минимальную валентность II. Помимо минимальной валентности, известны другие валентные состояния: для железа – III, IV и VI; кобальт и никель – III и IV. При этом в триаде железа хорошо проявляется тенденция к уменьшению наиболее распространенного валентного состояния с возрастанием порядкового номера металла. Так, железо одинаково хорошо проявляет валентности II и III. Кобальт в обычных соединениях чаще всего двухвалентен, а в комплексах для него более характерна валентность III. Никель почти во всех своих соединениях двухвалентен.

По реакционной способности железо, кобальт и никель относятся к металлам средней химической активности, причем в ряду Fe–Co–Ni активность постепенно снижается, что можно объяснить заполнением d-подуровня и увеличением его устойчивости. Уменьшение активности можно показать на коррозии: железо при обычных условиях в контакте с влажным воздухом покрывается слоем ржавчины, состоящей в основном из гидроксида трехвалентного железа:

С сухим воздухом реакция начинается при температурах выше 200оС, и на поверхности металла образуется прочная оксидная пленка, состоящая из нескольких оксидов: FeO, Fe3O4 и Fe2O3. Какой именно оксид будет преобладать в пленке, зависит от условий окисления железа. Наиболее вероятный продукт прокаливания железа на сухом воздухе – железная окалина Fe3O4: