Геохимия железа
Реферат
Геохимия железа
ученика 9 «Б» класса
Раевского Георгия
Железо – не только самый главный металл окружающей нас природы, – оно основа культуры и промышленности, оно орудие войны и мирного труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой элемент, который был бы так связан с прошлыми, настоящими и будущими судьбами человечества.
Академик Александр Евгеньевич Ферсман, выдающийся советский геохимик, минералог, географ и путешественник
Что такое геохимия?
Римский писатель-эрудит, автор «Естественной истории» Плиний-старший писал: «Железорудные копи доставляют человеку превосходнейшее орудие. Ибо сим орудием прорезываем мы землю, обрабатываем плодовитые сады и, обрезая дикие лозы с виноградом, понуждаем их каждый год юнеть. Сим орудием выстраиваем дома, разбиваем камни и употребляем железо на все подобные надобности».
Полезные ископаемые, в том числе и железо, ценились не только в начале христианской эры, во времена Плиния. В наш век, немыслимый без научно-технических разработок и развитой промышленности, их значение возросло еще больше. Но для того, чтобы человечество получало необходимые элементы в достаточном количестве, их необходимо постоянно добывать. А для этого нужно знать закономерности распределения химических элементов на планете Земля.
Изучением этих закономерностей занимают различные науки, среди которых ведущее место занимает геохимия — наука о химическом составе Земли, законах распределения элементов и их изотопов и о процессах формирования горных пород, почв и и природных вод. (Если кому интересно, то такими же изысканиями во внеземном пространстве занимается наука космохимия). Поскольку химические элементы содержатся в земной коре в виде руд и минералов, геохимия с одной стороны – родная сестра химии, а с другой – тесно соприкасается с геологией. А одной из главных областей геологии является изучение размещения полезных ископаемых в земной коре. Поэтому геохимию часто рассматривают как некую гибридную научную область, возникшую на границе геологии и химии. Так что отчасти будет справедливым такое «уравнение»: «геохимия = геология + химия» – но только отчасти.
Термин «геохимия» появился в последней четверти XIX века. Предположительно, в научный обиход его ввел один из первых профессиональных геохимиков – американский ученый Франк Кларк (1847-1931), которого называют отцом геохимии.
Одним из основателей современной геохимии по праву считается и выдающийся русский ученый В. И. Вернадский. В 1927 году он так расшифровал содержание этой науки: «Геохимия изучает химические элементы, то есть атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты. Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве-времени, их генетические на нашей планете соотношения».
В настоящее время наиболее распространенный взгляд на предмет и содержание геохимии таков: современная геохимия изучает распределение и содержание химических элементов в минералах, рудах, породах, почвах, водах и атмосферную циркуляцию элементов в природе на основе свойств их атомов и ионов.
Железо — один из самых распространённых элементов в Солнечной системе, особенно на планетах земной группы, в частности, на Земле. Значительная часть железа планет земной группы находится в ядрах планет, в том числе Земли, где его содержание достигает 90%. Содержание железа в земной коре составляет от 4 до 5%, а в мантии около 12 %. Из металлов железо уступает по распространённости в коре только алюминию. При этом в ядре находится около 86% всего железа, а в мантии 14%.
Содержание железа значительно повышается в изверженных породах основного состава, где оно связано с пироксеном, амфиболом, оливином и биотитом. В промышленных концентрациях железо накапливается в течение почти всех экзогенных и эндогенных процессов, происходящих в земной коре. В морской воде железо содержится в очень малых количествах 0,002 – 0,02 мг/л. В речной воде несколько выше – 2 мг/л.
Большую роль железо играет в биосфере, так как атом железа входит в состав гемоглобина – белка красных клеток крови у высших организмов. Гемоглобин участвует в доставке кислорода к тканям и клеткам.
Интересный геохимический факт:
Считается, что железо вместе с никелем, кобальтом и кислородом (по другой теории – водородом) входит в состав земного ядра. Давление в центре Земли колоссальное (около 3 миллионов атмосфер), и свойства этих элементов, в том числе и железа должны стать необычными. Ученые полагают, что при таких сжатиях водород становится металлом, а электронная структура атомов железа и других металлов (прежде всего, внешние электронные оболочки) может сильно изменяться. Однако, хотя фантасты уже много раз описали путешествие к центру Земли, непосредственно состав земного ядра мы изучить не можем: геохимики судят о нем на основе косвенных данных.
Геохимические свойства железа
Важнейшая геохимическая особенность железа — наличие у него нескольких степеней окисления. Железо в нейтральной форме — металлическое — слагает ядро земли, возможно, присутствует в мантии и очень редко встречается в земной коре. Закисное железо FeO — основная форма нахождения железа в мантии и земной коре. Окисное железо Fe2O3 характерно для самых верхних, наиболее окисленных, частей земной коры, в частности, осадочных пород.
По кристаллохимическим свойствам ион Fe2+ близок к ионам Mg2+ и Ca2+ — другим главным элементам, составляющим значительную часть всех земных пород. В силу кристаллохимического сходства железо замещает магний и, частично, кальций во многих силикатах. При этом содержание железа в минералах переменного состава обычно увеличивается с уменьшением температуры.
Минералы железа
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). В мантии и земной коре железо сосредоточено главным образом в силикатах, при этом его содержание значительно в основных и ультраосновных породах, и мало — в кислых и средних породах.
Известно большое число руд и минералов, содержащих железо. Рудами называются природные минералы, содержащие железо в таких количествах и соединениях, при которых промышленное извлечение из них металла экономически целесообразно. Содержание железа в промышленных рудах изменяется в широких пределах – от 16 до 70%. В зависимости от химического состава железные руды применяются для выплавки чугуна в естественном виде или, если они содержат менее 50% Fe, после обогащения. Бóльшая часть железных руд используется для выплавки чугунов, сталей, а также ферросплавов. В относительно небольших количествах они используются в качестве природных красок (охры) и утяжелителей буровых глинистых растворов.
Наибольшее практическое значение имеют красный железняк (гематит, Fe2O3; содержит до 70 % Fe), магнитный железняк (магнетит, FeO.Fe2O3, Fe3O4; содержит 72,4 % Fe), бурый железняк или лимонит (гётит и гидрогётит и гидрогётит, соответственно FeOOH и FeOOH·nH3O). Гётит и гидрогётит чаще всего встречаются в коре выветривания, образуя так называемые «железные шляпы», мощность которых достигает несколько сотен метров. Также они могут иметь осадочное происхождение, выпадая из коллоидных растворов в озёрах или прибрежных зонах морей. При этом образуются оолитовые, или бобовые, железные руды. В них часто встречается вивианит Fe(3PO4)2·8H3O, имеющий форму чёрных удлинённых кристаллов и радиально-лучистых агрегатов.
В природе также широко распространены сульфиды железа — пирит FeS2 (серный или железный колчедан) и пирротин. Они не являются железной рудой — пирит используют для получения серной кислоты, а пирротин часто содержит никель и кобальт.
Другие часто встречающиеся минералы железа:
Сидерит — FeCO3 — содержит примерно 35 % железа. Обладает желтовато-белым (с серым или коричневым оттенком в случае загрязнения) цветом.
Марказит — FeS2 — содержит 46,6 % железа. Встречается в виде жёлтых, как латунь, бипирамидальных ромбических кристаллов.
Лёллингит — FeAs2 — содержит 27,2 % железа и встречается в виде серебристо-белых бипирамидальных ромбических кристаллов.
Миспикель — FeAsS — содержит 34,3 % железа. Встречается в виде белых моноклинных призм.
Мелантерит — FeSO4·7H3O — реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие.
Вивианит — Fe3(PO4)2·8H3O — встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов.
В земной коре содержатся и другие, менее распространенные минералы железа, например:
|
ильменит — FeTiO3 магномагнетит — (Fe, Mg)[Fe2O4] фиброферрит — FeSO4(OH)·4,5H3O ярозит — KFe3(SO4)2(OH)6 кокимбит — Fe2(SO4)3·9H3O рёмерит — Fe2+Fe3+2(SO4)4·14H3O графтонит — (Fe, Mn)3(PO4)2 скородит — Fe3+AsO4·2H3O |
альмандит — Fe3Al2[SiO4]3 андарадит — Ca3Fe2[SiO4]3 гиперстен — (Fe, Mg)2[Si2O6] геденбергит — (Ca, Fe)[Si2O6] эгирин — (Na, Fe)[Si2O6] шамозит — e2+4Al[AlSi3O10](OH)6·nH3O нонтронит — (Fe3+, Al)2[Si4O10](OH)2·nH3O штренгит — FePO4·2H3O |
Основные месторождения железных руд
Основные месторождения железа находятся в Австралии, Бразилии, Венесуэле, Индии, Канаде, Либерии, России, США, Франции, Швеции.
Россия по запасам железных руд занимает одно из первых мест в мире.
Главные месторождения железной руды на геологической карте мира
Интересный геохимический факт:
Очень немногие элементы встречаются в природе в свободном виде. В такой форме они называются самородными. Металлы и большинство неметаллов вступают в соединение с другими элементами, особенно с кислородом, очень легко. Поэтому в земной коре они почти всегда находятся в связанном виде, в составе разных соединений. Железо является элементом весьма активным, легко окисляющимся, особенно в присутствии влаги. Однако в природе встречается самородное железо. Это случай совершенно исключительный, потому что железо в самородном виде попадает в земную кору в составе метеоритов.
А вот что рассказывает в популярной книге о геохимии железа академик Ферсман:
«Железо принадлежит к важнейшим металлам мироздания. Мы видим его линии во всех космических телах, они сверкают нам в атмосферах раскаленных звезд, мы видим бурные атомы железа, мятущиеся на солнечной поверхности, они падают к нам ежегодно на землю в виде тонкой космической пыли, в виде железных метеоритов. В штате Аризона, в Южной Африке, у нас в бассейне Подкаменной Тунгуски упали грандиозные массы самородного железа, этого важнейшего металла мироздания. Геофизики утверждают, что весь центр Земли состоит из массы никелистого железа, и что наша земная кора есть такая же окалина, как те стекловидные шлаки, которые вытекают из доменной печи во время выплавки чугуна.
…Геохимики раскрывают нам историю железа. Они говорят о том, что даже земная кора на 4,2% состоит из железа, что из металлов только алюминия больше в окружающей нас природе, чем железа. Мы знаем, что оно входит в состав тех расплавленных масс, которые в виде оливиновых и базальтовых пород застывают в глубинах как самые тяжелые и первозданные породы. железо геохимия минерал месторождение
Мы знаем, что сравнительно мало железа остается в гранитных породах, о чнм говорят их светлые – белые, розовые, зеленые – краски. Но на земной поверхности сложные химические реакции всё же накапливают огромные запасы железной руды. Одни из них образуются в субтропиках, там, где периоды тропических дождей сменяются яркими солнечными днями знойного лета, где все растворимое вымывается из горных пород, и образуются большие скопления – корки руд железа и алюминия.
Мы знаем, как на дно озер северных стран, например, нашей Карелии, бурные воды, содержащие органическое вещество, приносят весной огромные количества железа из разных горных пород; на дне озер, куда стекают воды, осаждаются горошинки или целые стяжения железа при участии особых железных бактерий… Так, в болотах, морских глубинах, в течении долгой геологической истории нашей Земли образовались скопления железных руд; и нет никакого сомнения, что в ряде случаев животная и растительная жизнь оказала свое влияние на образование этих месторождений.
Так образовались крупные Керченские месторождения; так образовались, по всей вероятности, и огромные запасы железных руд Кривого Рога и Курской магнитной аномалии.
Руды этих двух последних месторождений так давно были отложены водами древних морей, что горячее дыхание глубин успело изменить их строение, и вместо бурых железняков, как в Керчи, мы видим здесь измененные черные руды, состоящие из железного блеска (гематита, или красного железняка) и магнитного железняка.
Странствование железа не прекращается на земной поверхности. Правда, в морской воде его накапливается очень мало; и правильно говорят, что эта вода почти не содержит железа. Однако в особых, исключительных условиях даже в море, в мелководных заливах отлагаются железистые осадки, целые железорудные залежи, которые встречаются и в ряде древних морских отложений. Так образовались наши знаменитые железорудные месторождения на Украине близ Хопра, Керчи и Аяти. Но на земной поверхности – в ручьях, реках, озерах, болотах – всюду странствует железо; и растения всегда находят для себя этот важный химический элемент, без которого невозможна растительная жизнь. Попробуйте лишить железа горшочек с цветами, и вы увидите, что цветы скоро потеряют свои краски и запах, листья сделаются желтыми, начнут сохнуть…
…Так в растении, в живом организме завершается круговорот железа на земле, и красные кровяные шарики в крови человека являются одним из последних этапов в странствовании этого металла, без которого нет ни жизни, ни мирного труда».
Будущее железа
Железный век — эпоха, начавшаяся еще в первобытной истории человечества, когда возникла металлургия железа и изготовление железных орудий – продолжается. Примерно всех девяносто всех используемых человечеством металлов и сплавов сделаны на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Пластмассы? Но они в наше время чаще всего выполняют в различных конструкциях иные функции, а если уж их в соответствии с традицией пытаются ввести в ранг «незаменимых заменителей», то чаще всего они заменяют цветные металлы, а не черные. На замену стали идут лишь несколько процентов потребляемых нами пластиков.
Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и в массе – дешевы. Сырьевая база этого металла тоже не вызывает опасений: уже разведанных запасов железных руд людям пока хватает. Кроме того, ученые уверены, что открытия, которые будут сделаны в области геохимии железа(а в дальнейшем – и космохимии железа), дадут человечеству новые источники этого незаменимого элемента. Исследования в этой области геохимии необходимы, потому что железо можно без преувеличения назвать фундаментом нашей цивилизации.
Литература
1) Википедия, статья «Железо»
2) Большая Советская Энциклопедия, статья «Железные руды»
(http://bse.sci-lib.com/article039128.html).