Fierul, Fe
Partajeaza in Google Classroom
Partajeaza cu Google Classroom
Susține Lectii-Virtuale!
Scurtă definiție
Fierul, Fe, este un metal de tranziție argintiu, maleabil și ductil din grupa 8 a tabelului periodic (grupa a VIII-a secundară sau VIII B); are numărul atomic 26 și masa atomică 55,847. Punctul de topire al fierului este 1535°C, iar punctul de fierbere este 2750°C. Este al patrulea cel mai abundent element din scoarța terestră. Principalele surse sunt hematitul (Fe2O3), magnetitul (Fe3O4), limonitul (FeO(OH)nH2O), pirita (FeS2), sideroza (FeCO3). Este un element esențial fiind necesar organismelor vii.
Definiție Descarcă PDF
Fierul, Fe, este un metal de tranziție argintiu, maleabil și ductil din grupa 8 a tabelului periodic (grupa a VIII-a secundară sau VIII B); are numărul atomic 26 și masa atomică 55,847. Punctul de topire al fierului este 1535°C, iar punctul de fierbere este 2750°C. Este al patrulea cel mai abundent element din scoarța terestră. Principalele surse sunt hematitul (Fe2O3), magnetitul (Fe3O4), limonitul (FeO(OH)·nH2O), pirita (FeS2), sideroza (FeCO3). Este un element esențial fiind necesar organismelor vii.
Fierul este cunoscut din cele mai vechi timpuri. Astăzi, dezvoltarea tehnicii moderne fiind strâns legată de folosirea fierului și a aliajelor sale, se tinde spre o continuă perfecționare a procedeelor de elaborare a fontelor și a oțelurilor.
Fierul este metalul greu cel mai răspândit în natură, alcătuind 4,7% din scoarța pământului; în ordinea abundenței este al patrulea element din scoarța terestră. Deși poate exista și în stare nativă, cantitățile cele mai însemnate de fier se cunosc sub formă de combinații.
Minereuri de fier importante sunt:
-
hematitul, un oxid de fier (III), Fe2O3, de culoare roșie, cu structură fibroasă;
-
oligistul, un oxid de fier(III), Fe2O3, de culoare roșie, însă cristalizat;
-
când oxidul de fier(III) este amestecat cu argilă se numește ocru roșu;
-
limonitul este un oxid de fier(III) hidratat, Fe2O3ᐧH2O respectiv FeO(OH), care amestecat cu argilă formează ocrul galben;
-
magnetitul, oxidul de fier(II)-fier(III), Fe3O4, se prezintă sub formă de octaedre negre strălucitoare;
-
sideroza este un carbonat de fier(II), FeCO3, cristalizat în romboedre cenușii brune,
-
pirita este o sulfură de fier, FeS2.
Pirita nu este însă minereu pentru fier deoarece conține sulf în proporție mare, precum și alte adaosuri care îngreunează extragerea fierului. Cenușile de pirită rămase de la fabricarea acidului sulfuric pot deveni materie primă pentru extragerea fierului, dacă se îndepărtează adaosurile dăunătoare pentru fier (dar valoroase în sine pentru extragerea cuprului, zincului, chiar a argintului și a aurului).
Cantități mari de fier se găsesc și sub formă de silicați. Mai există fier și de natură meteorică, el fiind componentul principal al meteoriților. Compuși ai fierului se mai găsesc încă în diferite ape minerale, ape de râuri, chiar în apa mărilor, precum și în unele celule vegetale.
Pentru corpul uman fierul are un rol extrem de important, fiind necesar hemoglobinei pentru transportul oxigenului în corp.
Obținerea fierului chimic pur se face prin reducerea oxidului de fier pur cu hidrogen sau prin electroliza unei soluții apoase de sare feroasă sau prin descompunerea termică a carbonilului de fier.
Mult mai importantă este însă obținerea fierului tehnic, care este un aliaj de fier cu carbon.
Fierul manifestă o tendință accentuată să formeze cu carbonul o serie de aliaje. La aceste aliaje se deosebesc mai multe componente:
-
ferita este fier pur (fier
);
-
grafitul este un carbon cristalizat în sistemul hexagonal;
-
cementita este o combinație chimică de fier și carbon (Fe3C);
-
austenita este o soluție solidă de carbon în fier (fier
);
-
martensita este un produs de transformare a austenitei, rezultat la o răcire rapidă;
-
ledeburita este un amestec eutectic de cementită și austenită;
-
perlita este un amestec eutectic de cementită și ferită.
Aceste componente pot apărea în funcție de compoziția și condițiile de răcire ale fierului tehnic.
Prin adăugare de carbon în fier, punctul de topire al acestuia scade întâi și apoi crete. Cel mai mic punct de topire are aliajul de fier ce conține 4,2% C (punctul lui de topire este 1140°C, pe când punctul de topire al fierului pur este de 1536°C). Topitura de fier care conține 4,2% C se solidifică sub formă de ledeburită.
Dacă topitura conține mai puțin de 4,2% C, atunci la răcire se separă întâi austenita. Cristalele de austenită sunt mai sărace în carbon decât topitura, așa că pe măsura separării lor, topitura se îmbogățește în carbon. Prin răcirea unei topituri care conține până la 1,7% C se obține numai austenită; topiturile care conțin de la 1,7% la 4,2% C, la răcire dau un amestec de austenită și ledeburită. Austenita este însă stabilă numai la temperatură înaltă; pe măsură ce aliajele sunt răcite lent, austenita trece într-un amestec de ferită și perlită (când răcirea se face rapid, ca produs intermediar poate apărea martensita).
Dacă topitura conține mai mult de 4,2% C, atunci la răcire rapidă se separă întâi cementita. Aceasta, având un conținut mai mare de carbon decât topitura, pe măsura separării ei topitura sărăcește în carbon; când conținutul de carbon din topitură scade la 4,2%, la răcire se separă ledeburita. Dacă răcirea topiturii se face lent, atunci în loc de cementită se separă grafit.
După conținutul în carbon al aliajelor fier-carbon se deosebesc: fontele, adică aliaje cu mai mult de 1,7% C (de obicei 3-4% C), și oțelurile, adică aliaje cu sub 1,7% C.
Principiul de bază al preparării fierului tehnic este reducerea oxizilor de fier de către carbon și oxid de carbon. Dacă în loc de fier se folosesc carbonați, cum este sideroza, aceasta se prăjește înainte pentru îndepărtarea dioxidului de carbon. Operația se face în două etape. În prima etapă are loc reducerea minereului la metal brut și se obține fonta. În a doua etapă se urmărește obținerea unor calități speciale de oțeluri; pentru aceasta se îndepărtează impuritățile dăunătoare și se adaugă componentele necesare pentru prepararea acestor oțeluri. Prima etapă - metalurgia fierului - se face în cuptoare înalte, furnale; a doua - convertizarea - în cuptoare speciale, convertizoare.
Metodele aplicate în tehnică pentru extragerea și prelucrarea fierului formează siderurgia.
Minereurile de fier se îmbogățesc întâi în conținutul de fier prin metodele cunoscute; pentru îndepărtarea sterilului care mai rămâne se adaugă fondanți, care se combină cu sterilul formând o masă ușor fuzibilă. La minereurile cu steril de natură acidă (cum este silicea sau alumina), fondanții sunt de natură bazică (de exemplu var, dolomit), iar la minereurile cu steril de natură bazică (cum este varul), fondanții sunt de natură acidă (de exemplu șisturi argiloase). Prin combinarea componentelor fondanților cu cele ale sterilului (SiO2, Al2O3, CaO, MgO) se formează în timpul topirii o masă fluidă de silicați. După răcire, această masă - zgura - devine pietroasă sticloasă.
De asemenea mai trebuie adăugat și cărbune (de obicei cocs), care are un rol dublu, și anume el servește atât drept reducător al minereului (sub formă de oxid de carbon), cât și drept combustibil care dă temperatura înaltă necesară pentru procesul reducerii și pentru topirea fontei și zgurii ce se formează. Pentru combustie se pot folosi însă și gaze naturale.
Minereul împreună cu fondantul și cărbunele se aglomerează în instalații speciale pentru omogenizarea conținutului și a mărimii bulgărilor. În forma aceasta se introduce în furnal.
Furnalul pentru fabricarea fontei (reprezentat mai jos) are forma a două trunchiuri de con, unite prin baza lor, formând un turn de 20-30 m înălțime, construit din cărămizi refractare și îmbrăcat într-o manta metalică. În partea de jos se găsește un creuzet, o oală în care se adună fonta topită, acoperită de zgură.
Furnal pentru fabricarea fontei:
1 - furnal; 2 - cauper încălzit cu flacără; 3 - cauper care încălzește aerul de intrare; 4 - suflantă;
5 - coș de fum; 6 - canal de gaze; 7 - canal de fum; 8 - canal de aer.
1 - furnal; 2 - cauper încălzit cu flacără; 3 - cauper care încălzește aerul de intrare; 4 - suflantă;
5 - coș de fum; 6 - canal de gaze; 7 - canal de fum; 8 - canal de aer.
Furnalul este alimentat cu materiile prime prin partea superioară a lui; în partea de jos se introduce un puternic curent de aer supraîncălzit. De aceea, în furnal se pot urmări două mișcări opuse: mișcarea materiilor prime și mișcarea gazelor.
Mersul descendent al minereului. Minereul introdus în cuptor întâlnind curentul de gaze fierbinți, este uscat și deshidratat. În această zonă - zonă de preîncălzire - temperatura crește de la 200 la 500°C (figura de mai jos).
Reacțiile chimice din furnal
Cu cât minereul coboară, temperatura în furnal crește. Între 500 și 800°C, minereul se găsește în zona de reducere. La început, reducerea este incompletă: oxidul feric, Fe2O3, în contact cu oxidul de carbon (elementul reducător din curentul gazos) este redus în parte la Fe3O4:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4 + CO2
Cu cât crește temperatura, reducerea este mai înaintată; oxidul fero-feric, Fe3O4, este redus la oxidul feros, FeO:
Fe3O4 + CO = 3FeO + CO2
care, mai departe, este redus la fier:
FeO + CO = Fe + CO2
Considerând toată zona de reducere, reacția fundamentală poate fi scrisă:
Fe2O3 + 3CO = 2Fe + 3CO2
Fierul format continuă să coboare către partea inferioară a cuptorului. El intră în zona de carburare, unde temperatura crește de la 800 la 1400°C.
În această zonă, fierul se îmbogățește în carbon. Acesta provine din descompunerea termică a oxidului de carbon din curentul gazos, la circa 1000°C:
2CO = C + CO2
El se depune în strat subțire pe fierul redus; în timpul coborârii fierului în furnal, din cauza creșterii temperaturii, carbonul intră din ce în ce mai mult în compoziția fierului și începe să se formeze carbura de fier:
3Fe + 2CO = Fe3C + CO2
Cu cât fierul conține mai mult carbon, punctul său de topire este mai scăzut și astfel se topește mai repede. Fierul topit, picurând printre straturile inferioare de cocs, mai primește și de la acesta carbon în compoziția lui.
După trecerea fierului prin zona de topire, corespunzătoare temperaturii maxime din furnal, 1400-1800°C, el continuă să curgă printre straturile de cărbune și se adună, topit, în creuzet.
Odată cu oxizii de fier se reduc și ceilalți oxizi care se găsesc în minereu, de exemplu, MnO2, P2O5, SiO2, iar elementele respective se dizolvă în mare parte în fonta din creuzet.
În timpul reducerii oxizilor de fier, sterilul din minereu intră în reacție cu fondantul adăugat și formează zgura. De exemplu, oxizii de calciu și de magneziu proveniți prin descompunerea pe la 600°C a carbonaților respectivi:
CaCO3 = CaO + CO2
MgCO3 = MgO + CO2
reacționează cu silicea, formând silicați de calciu și de magneziu:
CaO + SiO2 = CaSiO3
MgO + SiO2 = MgSiO3
Formarea zgurii are loc la 1000-1100°C. Odată cu creșterea temperaturii, zgura se topește și curge și ea prin straturile de cărbune, adunându-se în creuzet. Zgura fiind mai ușoară, plutește pe fonta topită, apărând-o astfel de o reoxidare care ar putea fi produsă de aerul suflat prin gurile de vânt.
Atât fonta topită cât și zgura se scot separat prin deschiderile respective din creuzet. Fonta topită se toarnă direct în forme sau este transportată în oale speciale în vederea prelucrării în oțel.
Zgura conține de obicei 35-45% CaO, 2-6% MgO, 30-40% SiO2, 7-17% Al2O3, 1-5% MnO, 0,5-1% FeO. Răcită brusc în apă, se solidifică într-o masă sticloasă și se poate întrebuința astfel la fabricarea unui ciment de furnal; prin turnare în forme se pot fabrica pietre de pavaj; granulată, se întrebuințează în construcții, iar în pulbere, ca masă izolantă.
Mersul ascendent al gazelor. Oxigenul din aerul încălzit la 500-700°C, care se introduce în furnal în regiunea cea mai fierbinte, reacționează cu cărbunele, oxidându-l la dioxid de carbon:
C + O2 = CO2; 
H = -94,2 kcal/mol
Reacția este însoțită de dezvoltare de căldură, care favorizează combustia. În mersul lui către partea superioară a furnalului, dioxidul de carbon întâlnește straturi de cărbune incandescent care îl reduc la oxid de carbon:
CO2 + C = 2CO; H = +41,2 kcal/mol
Reacția se desfășoară cu absorbție de căldură; deci, temperatura zonei respective descrește.
Oxidul de carbon rezultat reduce oxidul de fier din straturile cu care se întâlnește în contra-curent:
3CO + Fe2O3 = 2Fe + 3CO2
Dioxidul de carbon din nou format este redus la oxid de carbon; aceste reacții alternative au loc până când gazele ajung în zona de preîncălzire, unde temperatura mai scăzută nu mai permite reducerea dioxidului de carbon.
Gazele, când părăsesc furnalul, conțin circa 30% CO, 6-9% CO2, 1-2% H2, 1-2% CH4, precum și azotul din aerul introdus în furnal. Deoarece gazele cedează căldura lor minereului pe care îl întâlnesc, la ieșirea din furnal au o temperatură de 200°C și o putere calorifică de circa 1000 kcal/m3.
Gazele sunt purificate de praf și apoi folosite pentru încălzirea aerului ce urmează să fie suflat în furnal, încălzire care se face în recuperatoare de căldură (caupere). În modul acesta se realizează o economie de combustibil.
Cauperele sunt turnuri cilindrice construite din cărămizi refractare și străbătute de canale verticale. Gazele care vin de la furnal ard în cauper și încălzesc puternic pereții acestuia. Când cauperul este încălzit, se trece prin el aerul ce trebuie să intre în furnal, preîncălzindu-l în modul acesta.
Prisosul de gaze ieșite din furnal mai folosește și la încălzirea cuptoarelor Siemens-Martin, a cazanelor de abur, la alimentarea motoarelor cu gaz și în alte aplicații industriale. Se poate spune că furnalul este cel mai mare generator de gaz.
La unele furnale moderne, aerul suflat se îmbogățește cu oxigen, îmbunătățind astfel condițiile de funcționare (creșterea productivității furnalului, economie de combustibil, eliminarea preîncălzirii aerului în caupere, etc.) și calitatea produsului obținut.
Furnalul electric. Furnalele electrice (figura de mai jos) au formă de turn cilindric, mai lat la bază, unde se găsesc mai mulți electrozi de grafit.
Furnal electric
Arcul voltaic produs între electrozi și minereu furnizează temperatura necesară reducerii minereului. Reducerea se face de cărbunele adăugat în cuptor precum și de oxidul de carbon format:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO
Deoarece reacțiile în cuptor au loc fără introducere de aer dinafară, gazele care se formează conțin în majoritate oxid de carbon. Acesta nefiind amestecat cu aer, reacțiile se desfășoară mai repede decât în furnalele obișnuite.
Fonta conține până la 10% substanțe străine, dintre care 2-5% carbon, iar restul cantități mici de siliciu, mangan, fosfor, sulf, cupru, etc. provenite din minereu și care n-au fost reținute în zgură. Siliciul și manganul îmbunătățesc calitățile fontei; sulful o face mai fărâmicioasă, iar fosforul, mai fluidă. Există trei categorii de fonte: fonte de turnătorie, fonte de afânare și feroaliaje.
Fonta de turnătorie este cenușie în spărtură; ea conține carbonul în cea mai mare parte sub formă de grafit, care îi dă culoarea, iar restul sub formă de cementită. Fonta de turnătorie se topește la 1200-1500°C; se toarnă ușor și se poate lucra cu pila. Este folosită pentru radiatoare și calorifere, postamente de mașini, plite și ceaune de bucătărie etc.
Fonta de afânare conține carbonul sub formă de cementită, din care cauză are culoarea mai deschisă și este mai dură. Ea este folosită pentru fabricarea oțelului.
Feroaliajele servesc la fabricarea oțelurilor, unele ca dezoxidanți, altele pentru a introduce anumite componente în aliaj. După elementele pe care le conțin, se deosebesc: fonta oglindă, cu 6-22% Mn, feromanganul, cu 25-80% Mn, ferosiliciul, cu până la 15% Si, ferocromul, cu 50-70% Cr, feromolibdenul, cu 50-75% Mo, ferowolframul, cu 70-80% W, ferovanadiul, cu 30-50% V, ferotitanul, cu 10-15% Ti, etc.
Feroaliajele se obțin de obicei în cuptoare electrice cu electrozi de cărbune grafitat, similare cu cuptoarele de la fabricarea carbidului. Ferosiliciul, ferocromul și feromanganul pot fi produse și în furnale.
Oțelul se deosebește de fontă prin conținutul mai mic de carbon precum și de alte elemente (Si, P, S, Mn etc). El se obține din fontă prin reducerea conținutului procentual de elemente străine, prin oxidarea acestora. Operația se realizează suflând aer sub presiune prin fontă topită. Există mai multe procedee pentru fabricarea oțelurilor.
În procedeul Bessemer se folosesc cuptoare speciale în formă de pară, numite convertizoare (figura de mai jos), căptușite cu cărămizi refractare de natură acidă (cuarț). Convertizoarele sunt oscilante în jurul unui ax care se prelungește în partea inferioară a convertizorului și prin care se introduce aer fierbinte, sub presiunea de 2-4 atm. Acesta străbate fonta topită de jos în sus, oxidând impuritățile: carbonul este trecut în oxid de carbon, CO, fosforul în anhidridă fosforică, P2O5, siliciul în dioxid de siliciu, SiO2, manganul în oxid, Mn3O4. Trecerea aerului în scopul decarburării fontei trebuie oprită în momentul în care fierul ar începe să se oxideze.
Convertizor Bessemer pentru fabricarea oțelului.
Deoarece oxidările se fac cu dezvoltare de căldură, temperatura se ridică în timpul procesului la 1600°C, ceea ce menține fierul în stare fluidă. Pentru dezoxidare se adaugă în topitură feromangan sau ferosiliciu (odată cu aceasta se potrivesc și proporțiile cerute de mangan sau siliciu):
2FeO + Si = 2Fe + SiO2; H = -39,5 kcal/mol
FeO + Mn = Fe + MnO; H = -24 kcal/mol
FeO + C = Fe + CO; H = +34,5 kcal/mol
Oxizii formați reacționează între ei și rezultă silicați de mangan și se fier.
Ca dezoxidanți se mai pot folosi aluminiul, vanadiul, titanul sau alte metale care prezintă mare afinitate pentru oxigen.
În convertizorul Bessemer se poate lucra numai cu fontă săracă în fosfor, deoarece fosforul reacționează cu carbura de fier, formând fosfura de fier, Fe3P:
Fe3(PO4)2 + 2Fe3C + 3Fe = 2Fe3P + 6FeO + 2CO
Oxidul feros format concomitent reacționează cu silicea din căptușeală și rezultă un silicat, iar fosfura de fier trece în oțelul în curs de formare. Oțelul devine casant când conține mai mult de 0,1% fosfor.
Procedeul Thomas se deosebește de procedeul Bessemer numai prin natura căptușelii refractare a convertizorului; la acest procedeu căptușeala este de natură bazică (dolomit, carbonat de calciu). Cu procedeul Thomas se pot prelucra fonte bogate în fosfor. Pentru trecerea fosforului din fontă în zgură se adaugă CaO (var); rezultă o zgură cu până la 25% P2O5, sub formă de fosfat de calciu. Cum acesta este asimilabil de către plante, zgura Thomas se întrebuințează ca îngrășământ agricol (făină Thomas).
În procedeul Siemens-Martin se folosește un cuptor cu vatră căptușită de material refractar bazic sau acid, care permite prelucrarea oricăror calități de fonte (figura de mai jos).
Cuptor Siemens-Martin:
1 - spațiu de topire; 2 - vatra cuptorului; 3 - bolta cuptorului;
4 - canale pentru aducerea gazului și aerului și pentru evacuarea produselor de ardere;
5, 6, 7, 8 - camere de recuperare.
Fonta este introdusă prin uși laterale în cuptor, unde este încălzită cu gaze la 1500-1900°C, când toate impuritățile sunt oxidate; masa topită se scurge apoi printr-un jgheab.
În partea inferioară a cuptorului se găsesc patru camere de recuperare a căldurii, umplute cu cărămizi de șmotă. Gazele din cuptor, având temperatura de circa 1600°C, înainte de a fi evacuate străbat două dintre cele patru camere. După ce acestea sunt încălzite puternic, gazele fierbinți sunt îndrumate (printr-un sistem de ventile) în celelalte două camere. În acest timp, prin camerele încălzite se trec aer și gaze combustibile (de generator, de furnal sau de cocserie), care intră apoi în cuptor unde ard, formând o flacără de 1800°C. Din 20 în 20 min se schimbă direcția gazului combustibil și a aerului, precum și a gazelor arse. În modul acesta, o mare parte din căldura gazelor evacuate este valorificată. Deoarece la ieșirea din recuperator gazele mai aveau o temperatură de 500-600°C, ele sunt folosite pentru diferite scopuri industriale.
În procedeul Siemens-Martin, pentru oxidarea impurităților (Si, Mn, C) se reglează flacăra care trece peste fontă, astfel încât să conțină un exces de oxigen, adică să fie oxidantă, sau se amestecă fonta cu minereuri oxidice de fier.
Spre deosebire de procedeul cu convertizor, la procedeul Siemens-Martin oxidarea este mult mai lentă (6 ore în loc de 20 de minute), dar decarburarea este mai înaintată. După îndepărtarea impurităților prin formarea zgurii se pot adăuga oțelului feroaliaje (de crom, nichel, wolfram, vanadiu, molibden, etc) care îi măresc duritatea. Oțelul produs în acest procedeu este de calitate superioară celui obținut în convertizoarele Bessemer.
În cuptoarele Siemens-Martin se poate topi și fier vechi, pentru obținerea diferitelor calități de oțel. De aceea, aceste cuptoare au valoare economică mai mare și sunt mai răspândite decât convertizoarele. Aproape 80% din producția mondială de oțel este fabricată în cuptoarele Siemens-Martin.
Procedeul LD folosește un convertizor care, după construcție, nu se deosebește de celelalte convertizoare, dar are partea inferioară închisă. În fonta topită se suflă direct, pe deasupra, un curent de oxigen cu o presiune de 10-14 atmosfere. Folosirea oxigenului în convertizoare permite obținerea unui oțel de aceeași calitate ca a oțelului Siemens-Martin precum și topirea fierului vechi.
Transformarea fontei în oțel în convertizorul LD are avantajul unei productivități înalte și a unui preț de cost mai mic decât la elaborarea oțelului după alte procedee.
Procedeul electric este condiționat de existența de energie electrică ieftină ca sursă de căldură necesară procesului metalurgic. Oțelul obținut prin procedeul electric nu conține impurități care ar putea fi introduse de către gazele de combustie (ca în procedeul Siemens-Martin) și procentul de FeO este foarte mic, având în vedere că mediul nu este oxidant. Cum în cuptoarele electrice se pot realiza temperaturi mai înalte decât în celelalte procedee (până la 2000°C), conducerea procesului de fabricație a oțelului se poate face independent de compoziția fontei. De aceea, prin procedeul electric se pot realiza oțeluri speciale, de calități superioare.
După modul cum energia electrică este transformată în energie termică, se deosebesc:
-
Cuptoare cu arc, în care căldura este dată de un arc electric între doi sau mai mulți electrozi (figura de mai jos)
-
Cuptoare cu rezistență, la care căldura de degajă prin trecerea curentului electric prin conductori cu rezistență electrică mare;
-
Cuptoare cu inducție, la care căldura se degajă la trecerea curentului electric de inducție prin metalul care se încălzește.
Cele mai folosite sunt cuptoarele cu arc.
Cuptor electric cu arc pentru fabricarea oțelului:
1 - electrozi de grafit; 2 - arc electric; 3 - oțel topit; 4 - spre canalul de turnare; 5 - zgură.
Oțelul este mai dur decât fierul, mai elastic, mai puțin ductil și maleabil și se poate lucra cu ciocanul numai la cald. Toate proprietățile oțelului se apropie de cele ale fontei când trece conținutul de carbon și se apropie de cele ale fierului când scade conținutul în carbon.
Carbonul imprimă oțelului proprietățile lui principale, deși mai sunt și alte elemente care influențează calitățile tehnice unui oțel, de exemplu siliciul, fosforul, manganul, sulful etc. Astfel, fosforul îl face fărâmicios la temperatura obișnuită, iar sulful la cald; manganul îi conferă o duritate mai mare și scade acțiunea dăunătoare a sulfului etc.
O caracteristică principală a oțelului este puterea de călire. Călirea este operația prin care oțelul dobândește noi proprietăți, când, după o încălzire puternică, este răcit brusc prin introducere într-un lichid rece (apă, ulei, mercur). Acest caracter deosebește oțelul de fier. Prin călire, oțelul devine mai dur și casant; el poate zgâria sticla, are o mare elasticitate și rezistență electrică, dar nu se poate lucra cu pila.
Mărirea durității oțelului prin călire se explică prin faptul că la încălzire aliajele de fier-carbon (care conțin mai puțin de 1,7%C) trec în austenită, care la răcire bruscă se transformă în martensită. Aceasta se caracterizează printr-o deosebită duritate. Temperatura necesară încălzirii variază în jurul a 900°C, depinzând de conținutul de carbon al oțelului. Dacă se încălzește la o temperatură mai ridicată se separă perlita: duritatea oțelului, în schimb, crește rezistența. De aceea trebuie potrivită temperatura și durata de încălzire în așa mod încât să se obțină proporțiile necesare de martensită și perlită, care conferă oțelului duritate și rezistență. Dacă răcirea oțelului se face lent austenita se descompune treptat în ferită și perlită și oțelul devine moale.
Altă posibilitate de a modifica unele proprietăți ale pieselor de oțel este aplicarea unor tratamente chimico-termice, de exemplu cementarea. Aceasta constă în introducerea unui element oarecare prin difuziune, la suprafața unui metal sau aliaj. Dintre cementările mai obișnuite, mai importantă este cementarea cu carbon. Ea se aplică pieselor din oțel moale, pentru a forma la suprafața lor un strat de cementită, care prin călire capătă duritatea mare, în timp ce miezul piesei rămâne neschimbat. Dacă oțelul se încălzește într-o atmosferă de amoniac, se formează la suprafața lui un strat de azoturi (nitruri) de fier, care sunt foarte dure. Operația se numește nitrurare. Tot așa se poate aplica la suprafața oțelului un strat de aliaj de fier și aluminiu, introducând piesa de oțel în aluminiu topit sau încălzind-o într-un amestec de pulbere de aluminiu și oxid de aluminiu; operația se numește alitare.
După compoziția chimică există două categorii de oțeluri: oțeluri-carbon și oțelurile speciale.
Oțelurile-carbon sunt aliaje de fier cu carbon care mai pot conține și Mn, Si, S, P, în anumite limite admisibile. Oțelurile-carbon obișnuite sunt întrebuințate în construcții mecanice unde nu se cer condiții speciale de calitate. Ele au un conținut de sulf și fosfor de maxim 0,10%. Oțelurile-carbon de calitate au un grad de puritate mai ridicat și sunt folosite pentru piese supuse la solicitări deosebite.
Oțelurile-speciale conțin în afară de componentele oțelului-carbon și alte elemente: Ni, Cr, V, W, Co, Be etc. sau au un conținut mai ridicat în Si sau Mn.
Proprietățile oțelurilor speciale sunt datorate influențelor pe care adaosurile în compoziția lor le exercită asupra componentelor structurale ale fierului. Astfel, nichelul, manganul, cromul sau vanadiul adăugate oțelurilor cauzează la răcirea lentă a topiturii formarea martensitei în locul perlitei, sau când aceste adaosuri se găsesc în cantități mai mari, a austenitei.
Adaosul de nichel mărește rezistența mecanică a oțelului; oțelul cu mai mult de 0,5% Ni este folosit la construcții de mașini; oțelul cu 22% Ni fiind mai rezistent la coroziune este adecvat pentru ventile ce lucrează în apa de mare; oțelul cu 24-32% Ni este folosit pentru rezistențe electrice (încălzitoare, mașini de călcat etc); oțelul cu 36% Ni, numit invar, având un foarte mic coeficient de dilatație, este folosit pentru confecționarea instrumentelor de precizie (pendule, roți de ceasornic etc) și a măsurilor etalon etc.
Prezența cromului imprimă oțelului o duritate mai mare deoarece el formează cu carbonul o carbură de crom, un compus foarte dur. Oțelurile speciale cu crom sunt folosite pentru confecționarea de unelte, bile și role de rulmenți, piese inoxidabile, etc.
Vanadiul face ca structura oțelului să fie mai fină și mai densă decât a oțelului-carbon. Cantități infime de vanadiu măresc cu 50% elasticitatea și rezistența la rupere a oțelului. DIn aceste oțeluri se confecționează scule și părți de mașini mai solicitate.
Efectul prezenței molibdenului constă în creșterea rezistenței la alungire a oțelurilor; asemenea oțeluri se întrebuințează la unele piese de mașini solicitate în mod special.
Manganul, după proporția în care este introdus, imprimă oțelului diferite calități. Oțelurile cu 2-6% Mn sunt casante; dacă însă oțelul respectiv are un conținut foarte scăzut în carbon, atunci devine ductil și poate fi folosit la confecționarea de organe de mașini (ce sunt supuse la eforturi mari). Oțelurile cu 5-7% Mn sunt folosite la piesele care trebuie să aibă o mare duritate, dar o mică rezistență la șoc. Rezistența oțelului poate fi însă îmbunătățită prin tratamente speciale. Asemenea oțeluri sunt adecvate pentru confecționarea de fălci de concasoare, mori cu bile, încrucișări și macazuri pentru căile ferate etc.
Oțelul cu wolfram, în proporție de 3-7%, este întrebuințat pentru confecționarea magneților permanenți. Wolfram mărește stabilitatea oțelurilor și micșorează pericolul de fisurare în timpul forjării. Oțelurile “rapide”, numite astfel, deoarece din ele se confecționează cuțite și burghie folosite la viteză mare de tăiere, conțin un procent ridicat de wolfram (circa 14%).
Siliciul, spre deosebire de celelalte elemente de aliere, nu influențează proprietățile mecanice ale oțelurilor decât dacă se găsește în proporție de 4-5%. El imprimă oțelului o rezistență și o tenacitate mare. Oțelurile cu 1-4% Si se folosesc în electrotehnică pentru confecționarea tolelor (miezului) de transformator, polilor de motoare și dinamuri etc.
Fierul chimic pur este un metal alb, lucios; are duritate mică (4,5), dar densitatea mare (7,86).
Fierul prezintă două forme structurale diferite după temperatura la care se găsește. Până la 906°C fierul are o rețea cubică centrată intern. Între 906 și 1401°C, cubul elementar din rețeaua cristalină a fierului are fețele centrate. Peste 1401 °C, rețeaua cristalină revine la forma de cub centrat intern (figura de mai jos):
Formele structurale ale fierului
Fierul pur prezintă ca proprietate caracteristică feromagnetismul proprietate pe care o păstrează până la 768°C - temperatură la care fierul pierde brusc proprietățile magnetice (feromagnetismul trece în paramagnetism), constituind “punctul sau temperatura Curie”. În această formă fierul este notat ca fier . Prin fier 
se notează modificația fierului de aceeași structură ca și fierul , dar fără proprietăți feromagnetice. (Inițial s-a notat ca fier 
, fierul în domeniul de temperatură 768-906°C; nu s-a constatat însă nicio diferență între fierul și fierul .) Modificația structurală a fierului stabilă între 906 și 1401°C se notează ca fier (după cum se vede în figura de mai sus care reprezintă formele structurale ale fierului).
Spre deosebire de fierul care conține carbon, fierul pur își pierde magnetismul de îndată ce este îndepărtat din câmpul magnetic. Pe această proprietate se bazează folosirea lui în electrotehnică, de exemplu ca miez de transformatoare.
Când fierul se aliază cu carbon, atomii de carbon se intercalează în rețeaua cristalină a fierului pur. Astfel, dacă în rețeaua cristalină a fierului , o parte din centrele și mijlocul muchiilor cubului elementar sunt ocupate de atomi de carbon, rezultă austenita. (Numărul de atomi de carbon intercalați în rețeaua cristalină a fierului variază între 1 și 8% atomi carbon față de atomii de fier.) În modul acesta rețeaua cristalină este lărgită uniform în toate direcțiile:
Rețeaua cristalină a austenitei:
a - fier; b - austenită.
a - fier; b - austenită.
În mod similar, când în rețeaua cristalină a fierului se intercalează atomi de carbon rezultă martensita. (Numărul de atomi de carbon intercalați în rețea variază între 1 și 6% atomi de carbon.) Și în acest caz, rețeaua cristalină a fierului - este lărgită, însă în mod neuniform:
Rețeaua cristalină a martensitei:
a - martensită; b - fier
a - martensită; b - fier
Deci austenita și martensita pot fi considerate soluții solide de carbon în fier.
În cazul cementitei, care este o combinație de fier și carbon, Fe3C, rețeaua cristalină este diferită de a fierului pur; atomii de fier formează prisme în ale căror centre se găsesc atomii de carbon.
Fierul este rezistent în aer uscat, la temperatură obișnuită; încălzit în aer la temperatură înaltă se oxidează și trece în oxid fero-feric, Fe3O4. Acest oxid se formează la forjarea fierului încălzit la roșu. În stare fin divizată este piroforic în curent de oxigen.
Fierul se combină ușor la cald cu clorul (formând FeCl3), cu sulful (când rezultă FeS), cu fosforul, etc. Are tendința accentuată să se combine cu carbonul formând carburi, care se dizolvă în masa metalică, imprimându-i calități speciale. De asemenea, se poate combina cu siliciul.
La temperatură obișnuită, în absența aerului, fierul nu este atacat de apa pură, întrucât se formează un strat de hidroxid feros, Fe(OH)2, care are acțiune protectoare. În prezența aerului se formează însă un strat de oxid de fier(III) hidratat, Fe2O3·nH2O, care fiind poros permite corodarea mai departe a fierului (ruginirea).
La temperaturi ridicate, fierul reacționează cu apa, formând Fe3O4 și punând în libertate hidrogen. Una din cele mai vechi metode tehnice pentru obținerea hidrogenului constă în trecerea vaporilor de apă peste fier înroșit.
Hidroxidul de sodiu diluat nu atacă fierul în absența aerului, întrucât ionii OH- micșorează solubilitatea Fe(OH)2 format superficial. În schimb, hidroxidul de sodiu concentrat atacă fierul chiar în absența aerului, la temperatură ridicată, deoarece se formează o combinație complexă, care fiind solubilă permite continuarea reacției asupra metalului.
Conform poziției sale în seria tensiunilor electrochimice, fierul reacționează cu acizi diluați; în absență de aer se formează săruri de Fe(II) și hidrogen:
Fe + 2H+ = Fe2+ + H2
Acidul sulfuric concentrat, ca și acidul azotic, pasivează fierul. Așa se explică de ce acești acizi se pot transporta în cisterne de oțel.
Fierul înlocuiește metalele mai puțin active din combinațiile lor. De exemplu, reacția dintre fier și cupru:
Fe + CuSO4 = FeSO4 + Cu
În combinațiile sale, fierul manifestă de obicei stările de oxidare +2 și +3. Se consideră că combinațiile de Fe(II) sunt derivate de la FeO, iar cele de Fe(III), de la Fe2O3. Mai rar există combinații în care fierul se găsește ca Fe(VI), de exemplu ferații, M2I[FeO4], cum este feratul de potasiu, K2[FeO4], izomorf cu sulfatul de potasiu. Se cunosc și câteva combinații în care fierul se găsește ca Fe(IV).
Majoritatea sărurilor de Fe(II) și Fe(III) sunt solubile în apă; insolubili sunt fosfații, carbonatul și sulfurile.
Sărurile fierului pot forma cu ușurință săruri duble cu sărurile unor elemente mai puternic electropozitive.
Cu oxigenul, fierul formează trei oxizi: oxidul de Fe(II), FeO, oxidul de Fe(III), Fe2O3, și oxidul de Fe(II)-Fe(III), Fe2O4; aceștia se găsesc foarte mult răspândiți în natură.
Din combinarea directă a sulfului cu fierul pot rezulta două sulfuri: monosulfura, FeS, și disulfura, FeS2.
Sulfura de fier(III) sau monosulfura de fier, FeS, se găsește răspândită în natură ca mineralul pirotină, cristalizată în sistemul hexagonal (de obicei conține și nichel, folosindu-se ca minereu pentru extragerea acestui metal).
În industrie se obține prin topirea directă a fierului cu sulful, când rezultă în formp compactă de culoare-cenușie. Se folosește pentru prepararea hidrogenului sulfurat (prin tratare cu acizi).
Disulfura de fier, FeS2, se găsește răspândită în natură sub formă de pirită, care cristalizează în sistemul rombic, ambele de culoare galbenă strălucitoare. Prin încălzire pierde ușor sulful; la încălzire înaintată are loc o prăjire și rezultă Fe2O3 și SO2, reacție folosită la obținerea dioxidului de sulf necesar la fabricarea acidului sulfuric.
Sărurile de fier(II) se obțin prin tratarea fierului cu acizii respectivi diluați. Ele sunt în mare parte solubile în apă: soluțiile lor sunt colorate verzui de către ionul Fe2+. În soluție au reacție acidă din cauza hidrolizei. Cele mai multe săruri pot forma combinații complexe, îndeosebi cu sărurile metalelor alcaline sau de amoniu.
În general, combinațiile fierului(II) au tendință să treacă în combinațiile respective ale fierului(III), mai ales sub acțiunea oxidanților puternici.
Dintre sărurile de fier (II), adică feroase, mai importante sunt: clorura, sulfatul, carbonatul și unele combinații complexe.
Carbonatul de fier(II) sau carbonatul feros, FeCO3, se găsește în natură cristalizat în romboedre, ca mineralul sideroză, sau dizolvat în ape minerale ce conțin dioxid de carbon, sub formă de carbonat acid de fier, Fe(HCO3)2. La aer, asemenea ape feruginoase pierd dioxidul de carbon; se separă FeCO3 care apoi suferă o descompunere și o oxidare de către oxigenul din aer. De aici provine colorarea roșiatică pe care o au uneori aceste ape.
Complecșii de fier(II) sunt de obicei octaedrici. Astfel, halogenurile de fier(II) pot forma cu amoniacul combinații complexe care conțin ionul hexaaminoferat(II), Fe[(NH3)6]2+; ele nu sunt stabile în apă. Ionul hexacianoferat(II), [Fe(CN)6]4- denumit în mod obișnuit ferocianură, este un foarte stabil și bine cunoscut ion complex al fierului(II). El formează un număr mare de săruri cu diferiți cationi. Hexacianoferatul(II) de potasiu sau ferocianura de potasiu, K4[Fe(CN)6], este cea mai importantă dintre combinațiile complexe ale fierului bivalent.
Sărurile de fier(III) se obțin prin oxidarea (de exemplu cu acid azotic) a sărurilor de fier(II) corespunzătoare sau prin tratarea oxidului feric hidratat cu acizii respectivi. Cea mai mare parte din sărurile de Fe(III) sunt solubile în apă; soluțiile respective sunt de culoare galbenă-brună și au caracter acid din cauza hidrolizei. Reducători puternici, ca clorura stanoasă, hidrogenul sau hidrogenul sulfurat, în soluție acidă, reduc cantitativ sărurile de Fe(III) în săruri de Fe(II). Sărurile de Fe(III), ca și cele de Fe(II) au tendința să formeze săruri complexe.
Dintre sărurile de Fe(III), mai importante sunt: clorura, sulfatul, tiocianatul și unele combinații complexe.
Tiocianatul (rodanura) de fier(III), Fe(SCN)3, este un compus de culoare roșie, obținut prin tratarea unei sări de fier(III) cu un tiocianat alcalin sau de amoniu:
FeCl3 + 3KSCN = Fe(SCN)3 + 3KCl
Deoarece întotdeauna când ioni Fe3+ sunt în contact cu ioni SCN- se formează tiocianatul feric, cu colorație roșie caracteristică, această reacție este folosită pentru recunoașterea prezenței sărurilor ferice. Ionii Fe2+ nu dau această reacție.
Complecșii de fier(III) se cunosc în număr mare. Ionul hexaacvoferat(III), [Fe(H2O)6]3+, există în soluții puternic acide de săruri ferice, precum și în săruri cristaline puternic hidratate. Afinitatea fierului(III) pentru liganzi care se coordinează prin intermediul oxigenului. Cu ionul de cianură este cunoscut numai ionul hexacianoferat(III), [Fe(CN)6]3+ denumit uzual fericianură.
Hexacianoferatul (III) de potasiu sau fericianura de potasiu, K3[Fe(CN)6], cea mai importantă combinație complexă a fierului(III), se obține prin oxidarea ferocianurii de potasiu, de exemplu cu clor:
[Fe(CN)6]4- + 1/2 Cl2 = [Fe(CN)6]3- + Cl-
Este o substanță cristalină de culoare roșie, solubilă în apă. Este toxică, deoarece fiind instabilă, pune în libertate ioni CN-. Prin tratarea fericianurii de potasiu cu o sare de fier(III) se obține un precipitant numit albastrul lui Turnbull.
În prima etapă are loc un schimb de sarcini între fierul existent sub formă de ioni liberi și fierul legat complex:
Fe[(CN)6]3- + Fe2+ = [Fe(CN)6]4- + Fe3+
după care se produce reacția:
3[Fe(CN)6]4- + 4Fe3+ = Fe4[Fe(CN)6]3
Prin urmare, precipitate
Preambul
Referințe
-
Edith Beral, Mihai Zapan: Chimie Anorganică, ediția a 3-a, Editura Tehnică, București, 1963
- John Daintith: Dictionary of Chemistry, 6th edition, Oxford University Press, 2008, ISBN 9780199204632
Navigare în lectii
Cumpara abonament
Ajutor
Feedback-ul d-voastră este important pentru noi. Dacă observați vreo neregulă vă rugăm să ne-o semnalați apăsând butonul Trimite Feedback de mai jos.
