Добыча железа и его влияние на экономику
Природные соединения железа
ЖЕЛЕЗО (лат. Fеrrum) — химический элемент VIII группы периодической системы Д.И. Менделеева; атомный номер 26, атомная масса 55,847. Железо - блестящий серебристо-белый металл. В природе элемент состоит из четырёх стабильных изотопов с массовыми числами 54, 56, 57 и 58, среди которых преобладает изотоп 56Fe (91,68%).
Железо - один из наиболее распространённых в природе элементов: по содержанию в земной коре (4,65% по массе) оно уступает лишь кислороду, кремнию и алюминию. Учёные подсчитали, что примерно 20 000 000 млрд. т этого элемента сконцентрировано в виде месторождений, пригодных для промышленной разработки.
Исследования советских и американских учёных показали, что железо в заметных количествах присутствует в лунном грунте. В образцах, доставленных автоматической станцией «Луна-20», железо находится в распылённом неокисленном виде. А красноватый оттенок Марса, как полагают учёные, обусловлен тем, что многие горные породы, слагающие эту планету, покрыты окисью железа.
В земной же коре самородное, металлическое железо встречается крайне редко и называется теллурическим (от латинского «теллус» - земля). Такое железо получается в уникальных геологических условиях – там, где потоки расплавленной лавы, богатой оксидами железа, на пути своего извержения пересекала пласты каменного угля. И уголь восстанавливал железо до чистого состояния точно также, как это происходит в доменной печи.
Важнейшие руды: бурые железняки (основной минерал гидрогетит HFeO2 • пH2O, содержащий 63—69% Fe), красные железняки (гематит Fe2O3, 70% Fe), магнитные железняки (магнетит Fe3O4, 72,4% Fe), шпатовые железняки (сидерит FeC03, 48,2% Fe). Большинство минералов железа имеет жёлто-бурый, коричневый, красно-бурый и тёмно-красный цвет.
Не случайно название минерала «гематит» происходит от греческих слов «хайма» (означающего кровь) и «литос»- камень. Старое русское название этого минерала – «кровавик». Характерно, что и слово «руда», которое когда-то, видимо, относилось только к месторождениям железа, родственно русскому слову «рдеть» - быть ярко-красным – и украинскому «рудный»- рыжий.
Крупнейшие месторождения Российской Федерации
Наиболее крупные природные запасы руд железа находятся в Российской Федерации - Курская магнитная аномалия, на Урале (горы Магнитная, Высокая, Благодать), на юге Западной Сибири (Горная Шория).
Все железорудные месторождения и прогнозные ресурсы железных руд Хакасии сосредоточены в пределах Кузнецко-Алтайской и Западно-Саянской субпровинций Алтае-Саянской минерагенической провинции. Всего в республике разведано 8 месторождений магнетитовых руд. Наиболее крупным из них в пределах территории Хакасии является Волковское (Таштыпский район) с запасами 499 млн. тонн. Запасы Тейского, Анзасского и Абаканского месторождений (каждого) превышают 100 млн. тонн. Месторождения Самсон (Ширинский район), Абагасское, Ельгентагское, Изыхгольское (Аскизский район) являются мелкими (с запасами до 50 млн. тонн каждое). Суммарные балансовые запасы железной руды в Хакасии составляют 625 млн. тонн, а общие запасы и ресурсы - около одного миллиарда тонн. В промышленном освоении находятся Абаканское (эксплуатируется с 1867 года, сейчас здесь добывается 2 млн. тонн руды в год), Тейское, Абагасское и Изыхгольское месторождения. Добыча железных руд и выпуск промпродукта производится двумя рудниками – Абаканским и Тейским. Сейчас в Хакасии началась отработка запасов Южного участка Изыхгольского месторождения железной руды. Запасы месторождения оцениваются в 11,1 миллиона тонн. В целом же две третьи руд месторождения не требуют обогащения. Уже добыто 48 тысяч тонн руды с содержанием железа 53,6 процента.
Получение железа
Способ получения железа - из руд был открыт во 2-м тыс. до н.э. в западной части Азии и вслед за тем распространился в Вавилоне, Египте, Греции. Вначале железо получали примитивным, так называемым сыродутным, способом. Для этого куски руды дробили, смешивали с древесным углём и помещали в специальные ямы, вырытые с наветренной стороны на склоне гор или высоких холмов (эти ямы получили название «горнов»). Затем разжигали костёр; при высокой температуре шёл процесс восстановления железо - руда превращалась в металл. Температура процесса в этих условиях была ниже температуры плавления железа, поэтому получался не жидкий расплавленный металл, а мягкая железная губка; для превращения в монолитный металл и придания нужной формы её подвергали горячей ковке.
По прочности и твёрдости первое рудное железо ещё во многом уступало бронзе, а сыродутный процесс был малопроизводительным. Но постепенно технология совершенствовалась, увеличивались размеры горнов, для подачи воздуха начали применяться большие меха, приводимые в движение усилиями сразу нескольких человек. Позднее древние металлурги научились путём науглероживания и закалки придавать железу - нужные свойства. Теперь уже железо могло не только успешно конкурировать с бронзой, но и занять главенствующее положение среди материалов, используемых человеком. На смену бронзовому веку пришёл век железный (начало 1-го тысячелетия до н. э.). Чистое железо - получают в сравнительно небольших количествах электролизом водных растворов его солей или восстановлением водородом его оксидов. В стадии научной разработки находится способ непосредственного получения железа - из руд путём электролиза расплавов (подобно алюминию). Получает развитие производство достаточно чистого железа - прямым восстановлением его из рудных концентратов водородом, природным газом или углём при относительно низких температурах.
Вследствие своей невысокой прочности железо используется в технике, как правило, не в чистом виде, а в виде различных по составу и свойствам сплавов. Важнейшие промышленные сплавы железа - сталь и чугун (в быту «железными» часто называют стальные или чугунные изделия). Чугун выплавляют в доменных печах, сталь — в кислородных конвертерах, мартеновских и электрических печах. Для производства сталей и сплавов особо ответственного назначения применяются новые процессы — вакуумный и электрошлаковый переплав, плазменная и электроннолучевая плавка и другие. Учёные работают над созданием экономически выгодных способов выплавки стали в непрерывно действующих агрегатах, обеспечивающих высокое качество металла и позволяющих автоматизировать процесс. Большую группу сплавов железа составляют так называемые ферросплавы, которые применяют в металлургии, главным образом при выплавке специальных сталей.
Роль железа в становлении цивилизации
Историческая справка. Первое железо, попавшее ещё в глубокой древности в руки наших предков, было, по-видимому, не земного, а космического происхождения: железо входит в состав метеоритов, падающих на нашу планету из космического пространства. Не случайно на некоторых древних языках железо именуется «небесным камнем». Железо в метеоритах находится в виде металла с примесью никеля. Оно сравнительно легко поддавалось обработке, поэтому человек начал изготовлять из него украшения и простейшие орудия. Однако метеоритное железо имело один секрет: его следует обрабатывать, как это ни странно, только в холодном виде, а не разогретом, как обычное железо.. Существует легенда, согласно которой оружейники, не сумевшие выковать из «небесного камня» меч для бухарского эмира, были безжалостно казнены. Оружие из никелистого железа космического происхождения было у индийского раджи, предводителя гуннов Атиллы, легендарного латиноамериканского героя Боливара, у российского императора Александра I.
Некоторые народы имели о железе весьма смутное представление. Знаменитый английский мореплаватель XVIII в. Джеймс Кук рассказывает в своих дневниках, как во время одного из первых путешествий он подарил несколько железных гвоздей жителям тихоокеанских островов. Те долго с недоумением вертели их в руках, а затем, посоветовавшись с верховным жрецом, начали закапывать в землю. Это, в свою очередь, вызвало недоумение у англичан. Тогда туземцы знаками объяснили гостям, что гвозди прорастут и дадут много металлических бананов, с помощью которых их племя победит своих врагов.
Правда, уже вскоре островитяне поняли, что железо не следует закапывать в землю, и стали находить ему самое разнообразное применение. Во время последующих путешествий Кук писал об отношении к железу - жителей Полинезийских островов: «... Ничто так не манило к себе посетителей наших судов, как этот металл; железо всегда было для них самым желанным, самым драгоценным товаром».
Однажды его матросам удалось за ржавый гвоздь получить целую свинью. Из-за этих гвоздей на корабле Кука начали твориться невообразимые вещи: матросы вытаскивали гвозди отовсюду, они даже попытались утащить якорь, чтобы наковать из него новых гвоздей. Кук вынужден был вывесить особый приказ, грозивший самым суровым наказанием каждому, кто решится унести с корабля какой-либо железный предмет.
Вторжение железа в технику. Применение железа насчитывает уже много столетий, но настоящее вторжение железа - в технику произошло на рубеже XVIII и XIX вв. В 1779г. через реку Северн (Англия) был построен первый мост из чугуна. В 1818г. было спущено на воду первое железное судно.
Спустя четыре года, в 1822г., между Лондоном и Парижем начал курсировать созданный в Англии первый железный пароход. Крупным потребителем этого металла стали дороги, названные железными. Первая железная дорога была введена в действие в Англии в 1825г. Спустя несколько лет железные дороги были сооружены в США, Австрии, Германии, Бельгии, Франции. В 1837г. начала работать первая в России железная дорога Петербург — Царское Село.
Памятник железу. В 1958г. внимание посетителей Всемирной промышленной выставки в Брюсселе привлекало необычное здание Атомиума. Девять громадных, диаметром 18м, металлических шаров как бы висели в воздухе: восемь — по вершинам куба, девятый — в центре. Это была модель элементарной ячейки кристаллического железа, увеличенная в 165 млрд. раз. Расположение атомов, соответствующее такой модели, характерно для железа в нормальных условиях — эту модификацию железа с объёмно-центрированной решёткой называют α-Fe. Таким экстравагантным способом организаторы выставки хотели подчеркнуть роль железа на временном этапе развития человечества. Ведь железный век, пришедший на смену бронзовому много тысяч лет назад, до сих пор продолжается!
Всё возраставшая потребность общества в железе - строительство железных дорог, кораблестроение, машиностроение, строительное дело, военное дело — обусловила в XIX в. бурное развитие чёрной металлургии (чёрными металлами называют железо и его сплавы). Особенно резко увеличилось производство железа во второй половине прошлого века, когда были разработаны способы получения литой стали — бессемеровский, томасовский, мартеновский. Характерно, что в наше время на долю железа - и его сплавов приходится около 95% всех производимых в мире металлов. Машиностроение и приборостроение, транспорт и энергетика, радиоэлектроника и оборонная техника — ни одна отрасль современной промышленности немыслима без железа. Недаром В. И. Ленин назвал этот металл одним из фундаментов цивилизации.
Распределение железа в организме.
В организме железо распределяется следующим образом:
- Железо гемоглобина 1,5 - 3,0 г (1500-3000 мг)
- Резервное железо (депо) 0,5 - 1,5 г (500-1500 мг)
- Железо миоглобина, ферментов 0,5 г (500 мг)
- Транспортное железо 0,003 - 0,004 г (3-4 мг)
Сывороточное железо (транспортное, железо плазмы, циркулирующее) составляет в среднем 10-27 мкмоль/л, а общее его количество в организме около 3-4 мг.Представляет собой пластический субстрат, непрерывно поступающий в костный мозг для синтеза гемоглобина, в ткани для клеточного дыхания, в органы депо для пополнения запасов. По уровню СЖ можно судить о дефиците или насыщенности организма железом, о функциональной способности кроветворения, о состоянии депо железа.
Резервное железо. В нормальных условиях запасы железа составляют в среднем 1г (1000 мг) и представляют собой соединения железа с белками, которые откладываются в основном в печени, селезенке и костном мозге:
Ферритин - комплекс из трехвалентного железа и протеина апоферритина.
Гемосидерин - также комплекс железа и апоферритина, но с большим содержанием железа и меньшим белка, в результате чего соединение становится нерастворимым.
Функциональное назначение резервного железа заключается в поддержании на постоянном уровне концентрации сывороточного железа. При необходимости оно в виде ферритина быстро высвобождается из депо, связывается с трансферрином и поступает в костный мозг.
Трансферрин: относится к b-глобулинам сыворотки и единственный обладает способностью транспортировать железо. Благодаря трансферрину железо непрерывно высвобождается из органов-депо и снова депонируется в них. Количественные вариации трансферрина в нормальных условиях зависят от степени насыщения организма железом, главным образом от насыщения депо. Они совершенно независимы от колебаний других белковых фракций сыворотки. При насыщении трансферрина железом менее чем на 15% образование эритроцитов в костном мозге снижается. Образующиеся в таких условиях красные кровяные клетки имеют небольшие размеры (микроцитоз) и меньшее содержание пигмента (гипохромия).
Истинная железодефицитная анемия (ЖДА). При большом дефиците железа развивается железодефицитная анемия (ЖДА). Под анемией (малокровием) понимают снижение общего количества гемоглобина, чаще всего проявляющееся уменьшением его концентрации в единице объема крови. В большинстве случаев анемия сопровождается падением содержания эритроцитов. Это определение с гематологической точки зрения. В клиническом аспекте анемией называют состояние крови, которое внешне проявляется более или менее выраженной бледностью кожных покровов и видимых слизистых. При этом необходимы два условия: во-первых, бледность должна быть не только общей, но и постоянной и, во-вторых, кожа и слизистые должны быть без отечности. При недостатке железа в организме человек начинает быстро утомляться, возникают головные боли, появляется плохое настроение. Рецепты различных «железных» лекарств были известны ещё в старину. Самый простой способ - кислое яблоко «превратить» в ежика. Для этого в яблоко втыкается большое количество обыкновенных гвоздей (естественно, очень чистых) и оставляется такой «ежик» на ночь; утром гвозди благополучно удаляются, а яблоко съедается.
Лечение и профилактика железодефицитной анемии. Лечение железодефицитной анемии основывается на применении препаратов железа и рациональном питании. Лечение легких форм анемии проводится амбулаторно, среднетяжелой и тяжелой форм в стационаре (возможно в условиях дневного стационара). Поскольку всасывание железа из пищевых продуктов ограничено, основу лечения должны составлять препараты железа.
Для профилактики дефицита железа в организме необходимо придерживаться определенной диеты, употреблять в пищу продукты, богатые содержанием железа: суточная потребность в железе составляет 35-39мг. Поэтому оптимальным может служить следующее меню, компенсирующее ежедневную потребность организма человека в железе:
- 50г морской капусты, там еще к тому же и очень нужный йод (8мг);
- 100г кураги с чаем вместо конфет и плюшек (11мг);
- 50г петрушки в салат из огурцов и помидоров, а также укропа (4мг);
- 100г или гречка на гарнир в обед или 100г сырой свеклы между приемами пищи (7мг);
- 100-200г или язык говяжий или мясо индейки или телятина (4-8мг).
Комментарии