Железная окалина

Сегодня мы поговорим о «двуличном» веществе, железная окалина.

Железная окалина — это неорганическое соединение, состоящее из двойного оксида металла железа с формулой или , представляющее собой чёрные кристаллы, которые не растворяются в воде. Она может существовать в виде кристаллогидрата. Образуется на поверхности стальных и железных предметов в результате нагревания на воздухе и представляет собой слой чёрной окалины

Предложенное название	Железная окалина
Синоним	Оксид железа(II,III)
Классы	Оксиды Двойные оксиды
Молярная масса	231.5 г/моль

Его формула может быть записана как FeO•Fe2O3.
Очищенный оксид имеет вид черных кристаллов. При нагревании железных (или стальных) изделий на поверхности металла образуется слой черной окалины.
В природе он встречается в виде минерала магнетита (магнитного железняка).
Взаимодействие с кислотами приводит к образованию смеси солей железа(II) и железа(III), как показано ниже.
Благодаря своим уникальным магнитным свойствам и способности проводить электричество, он находит применение в технике. Также используется в качестве компонента термитных смесей. В пищевой промышленности он применяется как черный пигмент

Содержание

Механизм образования окалины

В процессе взаимодействия кислорода из воздуха и окисления при горячей прокатке на поверхности металла образуется слой окалины. Кроме оксидов железа, он может содержать оксиды других элементов. По результатам анализа, окалина состоит из 55-80% оксида железа (II) и 20-50% оксида железа (III), а также содержит примерно 66-69% чистого железа.

В сплавах, содержащих хром, в окалине может быть обнаружено до 1% оксида хрома (III). В стали, в которой присутствует никель, в окалине может находиться несколько сотых процента оксида никеля. Количество этих окислов зависит от процесса обработки и химического состава стали. Процесс окисления стали состоит из двух параллельных процессов: диффузии кислорода из поверхностных слоев внутрь и проникновения металла наружу через оксидный слой

При нагреве сплава происходит перемещение растворяющегося в окисле железа в его внешние слои. Обычно это происходит быстрее, чем проникновение кислорода. Следовательно, нет непрерывной зоны контакта между продуктом окисления и сталью. Слой окисла железа (II) на поверхности металла имеет пористую структуру

Поверхностный слой, образующийся на нагретой стали, оказывает негативное воздействие разными способами. Если не очищать заготовки от окислов, это приводит к их разрушению. В итоге после прохождения прокатного стана качество проката может быть ухудшено из-за дефектов на поверхности.

Окалина негативно влияет на внешний вид и механические свойства стали. Устранение окислов требует большого количества времени и трудозатрат, что отрицательно сказывается на стоимости готового продукта. При развальцовке окалина проникает внутрь металла и ухудшает его пластичность и долговечность. Твердость и прочность вторичной окалины выше, чем у материала вальцов, и ее контакт приводит к быстрому износу деталей. Окислы на поверхностях проката после развальцовки снижают качество последующей обработки, включая цинкование и нанесение лакокрасочных покрытий.

В процессе прокатки металла на прокате может образоваться окалина, которая может представлять собой заготовки, полуфабрикаты или готовый продукт. В зависимости от этапа процесса, на котором она образовалась, она может быть первичной или вторичной.

Формирование первичной или печной окалины происходит во время разогрева металлических заготовок в печах. На свойства и объемы образующегося при нагреве стали слоя окислов влияют временной и температурный режимы обработки и атмосфера, в которой происходит нагревание. Образование вторичной окалины обусловлено паузами в процессе обработки изделий.

Способы получения окалины

Оксид железа (II, III) можно получить различными методами:

Горение железа на воздухе:

3Fe + 2O₂ → Fe₃O₄

Частичное восстановление оксида железа (III) водородом или угарным газом:

3Fe₂O₃ + Н₂ → 2Fe₃O₄ + H₂O

При высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой, образуя двойной оксид железа (II, III):

3Fe + 4H₂O_(пар) → Fe₃O₄ + 4H₂

Различными способами можно получить соединение железа с кислородом, которое имеет формулу Fe3O4 и содержит два различных типа оксида железа — Fe(II) и Fe(III). Это можно сделать путем горения железа на воздухе, частичного восстановления оксида железа (III) с помощью водорода или угарного газа, а также при высокой температуре, когда раскаленное железо реагирует с водой и образует двойной оксид железа (II, III)

железная окалина, свойства

Свойства оксида железа (II, III) определяются свойствами двух оксидов, из которых он состоит: основного оксида железа (II) и амфотерного оксида железа (III).

При взаимодействии оксида железа (II, III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли железа (II) и железа (III).

Например, оксид железа (II, III) взаимодействует с соляной кислотой. При это образуются две соли – хлорид железа (II) и хлорид железа (III):

Fe₃O₄ + 8HCl → FeCl₂ + 2FeCl₃ + 4H₂O

Еще пример: оксид железа (II, III) взаимодействует с разбавленной серной кислотой.

Fe₃O₄ + 4H₂SO₄₍_разб_.) → Fe₂(SO₄)₃ + FeSO₄ + 4Н₂О

Оксид железа (II, III) взаимодействует с сильными кислотами-окислителями (серной-концентрированной и азотной).

Например, железная окалина окисляется концентрированной азотной кислотой:

Fe₃O₄ + 10HNO₃₍_конц_.)→ NO₂↑ + 3Fe(NO₃)₃ + 5H₂O

Разбавленной азотной кислотой окалина окисляется при нагревании:

3Fe₃O₄ + 28HNO₃₍_разб_.)→ 9Fe(NO₃)₃ + NO + 14H₂O

Также оксид железа (II, III) окисляется концентрированной серной кислотой:

2Fe₃O₄ + 10H₂SO₄₍_конц_.) → 3Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + 10H₂O

Окалина также окисляется кислородом воздуха:

4Fe₃O₄ + O_{2(воздух)} → 6Fe₂O₃

Оксид железа (II, III) не взаимодействует с водой.
Оксид железа (II, III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI), как и прочие оксиды железа (см. выше).
Железная окалина проявляет окислительные свойства.

К примеру, оксид железа (II, III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II):

Fe₃O₄ + 4CO → 3Fe + 4CO₂

Также железная окалина восстанавливается водородом:

Fe₃O₄ + 4H₂ → 3Fe + 4H₂O

Оксид железа (II, III) реагирует с более активными металлами.

Например, с алюминием (алюмотермия):

3Fe₃O₄ + 8Al → 9Fe + 4Al₂O₃

Оксид железа (II, III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями (йодидами и сульфидами).

Например, с йодоводородом:

Fe₃O₄ + 8HI → 3FeI₂ + I₂ + 4H₂O

Железная окалина, её применение

Долгое время опытных кузнецов показал, что металл с тонким слоем окиси лучше защищен от коррозии. В настоящее время одним из наиболее популярных способов обработки оружейной стали является воронение — процесс пассивации с созданием тонкой оксидной пленки.

Изменяя параметры обработки и толщину покрытия, можно достичь различных оттенков внешнего слоя.
Доля окиси в прокатной стали составляет до трех процентов от общей массы готового изделия. Эти оксиды часто используются в металлургии как сырье, так как они содержат до 75% железа. Чаще всего эти отходы прокатного производства подвергаются очистке и восстановлению, чтобы получить сталь с низким содержанием углерода.
Иногда различные виды окиси используются в качестве красящих пигментов и успешно применяются в строительстве. Кроме того, из железного порошка, полученного из окисей железа, производят самонагревающиеся смеси для металлургии и производства пищевых продуктов