Более-менее общеизвестно, что материал, в обиходе называемый железом, даже в простейшем случае представляет собой сплав собственно железа, как химического элемента, с углеродом. При концентрации углерода менее 0,3 % получается мягкий пластичный тугоплавкий металл, за которым и закрепляется название его основного ингредиента - железа. Представление о том железе, с которым имели дело наши предки, сейчас можно получить, исследовав механические свойства гвоздя.

При концентрации углерода более 0,3 %, но менее 2,14 % сплав называется сталью. В первозданном виде сталь походит по своим свойствам на железо, но, в отличие от него, поддается закалке - при резком охлаждении сталь приобретает большую твёрдость - замечательное достоинство, однако, почти совершенно сводимое на нет благоприобретенной в процессе той же закалки хрупкостью.

Наконец, при концентрации углерода свыше 2,14 % мы получаем чугун. Хрупкий, легкоплавкий, хорошо пригодный для литья, но не поддающийся обработке ковкой, металл.

Одним из определяющих условий начала производства металла являются знания о минералах, данный металл содержащих. Эти минералы должны быть заметны, обращать на себя внимание, как своеобразным внешним видом, так и некими специфическими свойствами, которые древний человек мог использовать, в том числе и в архаичных термических процессах. Все минералы железа, которые подробно рассматриваются ниже, подобными внешними данными и свойствами обладают в полной мере.

История первобытного человеческого общества была неразрывно связана с камнем и изделиями из него. Самые примитивные из этих изделий представляли собой обыкновенную речную гальку, оббитую с одного края. Возраст древнейших каменных орудий датируется периодом около 2,5 млн. лет.

Сначала наши предки использовали любую гальку. Однако, осваивая новые территории, они стали проявлять интерес к самым разнообразным горным породам. Трудно сказать, когда первобытный человек научился их различать, но то, что его излюбленным камнем на протяжении всего антропогена стал кремень, известно достоверно. Это пристрастие обусловлено удивительными свойствами кремня – его способностью при направленных ударах не раскалываться на куски, а давать тонкие отщепы и пластины с острыми краями. Оббив камень с разных сторон, древний человек получал ручное рубило и множество острых отщепов. И то и другое находило применение: рубила использовались для обработки дерева, отщепы – для резания мяса.

Прошло немало времени, прежде чем человек научился отделять от кремневых камней пластины. Это потребовало развития определенных навыков обработки камня. Расщепляя камень, древний мастер получал одну или несколько пластин – прекрасный материал для изготовления наконечников копий, скребков и ножевидных инструментов. Именно в кремне была впервые найдена и воплощена форма таких известных орудий, как топор, серп, нож, молоток.

Высокими потребительскими свойствами обладали также яшма – крепкая и очень твердая порода, обсидиан и нефрит. Однако эти камни встречались и встречаются в природе значительно реже, чем кремень.

2.2.1 Гётит (α-Fe) (гидрогётит, лимонит, бурый железняк)

Этот минерал получил свое название в честь И. В. Гете – гениального поэта, а, кроме того, выдающегося натуралиста и знатока минералов. Наверное, именно он, во всем многообразии его проявлений и стал первой рудой, из которой люди научились извлекать железо.

Рисунок 10 – Гётит

На земной поверхности железо в двухвалентной форме медленно выщелачивается из горных пород почвенными и речными водами, содержащими растительные гумусовые кислоты. На лугах и других открытых местах, в насыщенной кислородом воде озер оно окисляется до трехвалентного и осаждается в виде нерастворимого гетита, образуя «озерные», «луговые» и «дерновые» руды. Отсюда происходит еще одно название гетита – лимонит – от греческого слова «леймон», что значит «мокрый луг» или «болото» (рисунки 11,12).

Строго говоря, лимонит это не минерал, а смесь различных минералов – гидроксидов железа, из которых главным и является гётит. По существу лимонит – «природная ржавчина», откуда (за характерный ржаво-бурый цвет) происходит другое его название «бурый железняк». Именно в болотах, озерах и на морском мелководье возникают необычные на вид лимонитовые руды (рисунок 13). Лимонит таких руд напоминает бобы или мелкие птичьи яйца. Поэтому широкое распространение получили такие названия лимонита, как «бобовая руда» или «гороховый камень». Также гетит встречается в виде пачкающей руки рыхлой охры, в виде лаково черных гроздьев и почек, и каскадов сосулек, и нежно бархатных покровов и подушечек в трещинах и пещерах, и в виде блестящих вееров и алмазно-черных, либо рыжих иголочек и волосков в кристаллах аметиста – все это гидроксиды железа, то есть, все это гетит или гидрогетит. Кроме того, гетит распространен в виде «стеклянной головы» – красивых сферолитовых корок с лаково-черной поверхностью.

Рисунок 11- Добыча «озерных» руд Рисунок 12 – Добыча «луговых»

Рисунок 13 – Болотная руда

2.2.2 Гематит (Fe 2 O 3)

Гематит – минерал с красивой формой, сверкающими гранями, цветом от стального до железно-черного, с особенным красноватым оттенком, который отчетливо выделяет гематит среди похожих на него минералов (рисунок 14). Современное название этого минерала впервые встречается у Теофраста (естествоиспытателя и философа, жившего в 372–287 гг. до н.э. и написавшего трактат «О камнях»). Оно происходит от греческого слова «гэма» – кровь, что связано с вишневым или сургучно-красным цветом порошка минерала, как и синонимы гематита – «кровавик», «красный железняк». Еще один старинный синоним гематита –«железный блеск». Кристаллы гематита обладают высокими твердостью и плотностью, сильным полуметаллическим блеском, вишнево-красным цветом. Особые блестящие кристаллы таблитчатой формы раньше называли «спекуляритом», а тонкопластинчатые, иногда собранные в параллельные пакеты, – «железной слюдкой».

Рисунок 14 - Гематит

Весьма распространены сферолитовые коры гематита; в старину немецкие горняки называли их «стеклянная голова». Несравненно реже встречается другая форма расщепления кристаллов гематита – «железная роза», где пластинчатые кристаллы располагаются наподобие карт в развернутой колоде. Ценятся «железные розы» наравне с самыми дорогими минералами.

Гематит встречается также в плотных массах, в своеобразных порошковых выделениях («железная сметана»), а больше всего – в виде зернистых вкраплений в различных породах. В значительных количествах он выделяется при вулканических процессах. Известен факт, когда в 1817 г. при извержении Везувия всего за 10 суток образовалась метровая толща гематита. Плотный гематит – великолепный минерал для вырезания различных фигурок.

Именно от гематита происходи слово «гемма», обозначающее резной камень. В Древнем Египте и Вавилоне резной гематит широко использовался в качестве украшений, в Древней Греции резные камни на свой лад выполняли функции замков и ключей. Все то, что мы привыкли запирать, греки запечатывали личной печатью. Для изготовления таких печатей с углубленным изображением использовались чаще всего гематит и халцедон.

Другой сферой применения гематита была медицина. Знаменитый медик античности Диоскур называл гематит в числе пяти главных камней для врачевания (с янтарем, лазуритом, нефритом и малахитом). Гематиту приписывалась способность заживлять кровоточащие раны, врачевать болезни мочевого пузыря и венерические заболевания.

Тонкий порошок гематита «крокус» в древности использовался для полировки золотых и серебряных изделий. Надо отметить, что абразивные свойства минерала, в отличие от медицинских, не потеряли своего значения и по сей день.

Считается, что первым предназначением гематита стало его применение в виде минеральной краски. Древнейшая находка гематитовых красок в человеческих погребениях датируется примерно 40 тыс. лет до н.э.

Красная гематитовая краска – мумия – являлась обязательным компонентом мумифицирования у древних египтян (откуда и происходит ее название). Амулеты из гематита в строго определенном порядке укладывались между бинтами мумий фараонов. Вплоть до Средневековья единственной желтой краской была охра. Она изготовлялась путем смешивания гематита с мелом. Позднее краску желтого цвета стали изготавливать из смеси оксида свинца с суриком.

Наконец, удивительные кристаллы кровавика («камня скорпиона») находили особое применение в Средневековой магии. Только при наличии на пальце перстня с кровавиком средневековый маг мог дерзать вызывать к общению духов умерших.

2.2.3 Сидерит (FeCO 3)

Еще одним претендентом на звание первого рудного минерала железа в истории человечества является сидерит. Его природные проявления являются, пожалуй, наименее эффектными среди других железных руд. Они представляют, как правило, почки, конкреции или оолитовые (шаровидные) текстуры многочисленных коричнево-желтых оттенков (рисунок 15).

Рисунок 15 – Сидерит

Название минерала происходит от греческого слова «сидерос» – железо (которое, в свою очередь обозначает также звезду, т.е. железо это звездный металл – металл, приходящий с неба). Существует и другая версия происхождения слова «сидерос», получившая распространение в последние десятилетия. Согласно этой версии греческое «сидерос» имеет кавказское происхождение от корня «сидо», что означает «красный». Важным обстоятельством, подтверждающим эту версию, является общепризнанный факт, говорящий о том, что родиной рудного железа является Малая Азия, откуда посредством легендарного народа кузнецов – халиберов, о железе узнали и древние греки. Отсюда же происходит еще одно название минерала – халибит. Другие распространенные названия: гирит, флинц, железный шпат, белая руда. Особенно большое значение сидеритовые руды сыграли в развитии металлургии железа раннего средневековья, когда главным центром его производства стал Альпийский регион. Именно в Альпах находятся известные месторождения сидерита: Нейдорф и Эруберг, а также знаменитая «гора» – Айзенерц.

2.2.4 Пирит и марказит (FeS 2)

Название «пирит» происходит от греческого слова «пирос» – огонь, огнеподобный.

Удар по нему рождает искры, поэтому в древности кусочки пирита служили идеальным кресалом. Свое второе имя «колчедан» минерал получил в XVI в. – оно было присвоено пириту выдающимся немецким учёным Агриколой (Георгом Бауэром) и также имеет греческие корни, поскольку происходит от названия греческого полуострова Халкидики, богатого различными рудами. Впоследствии название «колчеданы» распространилось и на весь класс сульфидов, подобных пириту, а собственно пирит стали называть железным или серным колчеданом.

Желтый цвет пирита иногда маскируется бурой или пестрой побежалостью, т.к. он часто содержит примеси мышьяка, кобальта, никеля, реже – меди, золота, серебра. Самым характерным в облике минерала является форма его кристаллов – чаще всего это куб (рисунок 16). Самый крупный из известных кристаллов пирита, размером 50 см по ребру был найден близ города Ксанти в Северо-Восточной Греции. В Древней Индии кристаллы пирита выполняли роль амулета, защищавшего от крокодилов.

Рисунок 16 – Пирит

В природе пирит широко распространен и очень заметен. Он буквально бросается в глаза золотистым цветом, ярким блеском почти всегда чистых граней, четкими кристаллическими формами. По этим причинам пирит известен с глубокой древности. Цветом и блеском он напоминает латунь, и даже золото, за что заслужил когда-то снисходительное прозвище «кошкино золото». Еще ярче блестит полированный пирит. Из полированного пирита делали зеркала древние инки. Древнейшими известными месторождениями пирита являются Рио-Тинто и Новохун (Испанские Пиренеи), Рио-Марина (о.Эльба), Уральские горы.

Удивительным свойством пирита является замещение его кристаллами в восстановительной обстановке органических останков. При этом образуются эффектные окаменелости: пиритизированные раковины, куски древесины и даже целые фрагменты стволов и других частей растений и пр. Процесс замещения может идти очень энергично: в известном случае «фалунского человека» тело рудокопа, погибшего в глубокой (130 м) выработке, было полностью замещено пиритом всего за 60 лет. При этом полностью сохранился внешний вид человека. Возможно, отсюда и происходит знаменитая легенда о «каменном госте», известная у многих народов мира.

Марказит имеет тот же химический состав, что и пирит, но иную кристаллическую структуру и встречается гораздо реже пирита. В античные времена пирит и марказит отожествляли. Немецкие горняки позднего Средневековья, называя оба этих минерала серными колчеданами, все же выделяли марказит в особую разновидность «копьевидный», «лучистый», «гребенчатый» колчедан.

Лишь в 1814 г. установили, что марказит – особый минерал, а в 1845г. было составлено его первое научное описание и закрепилось название «марказит». Древнее арабское «марказит» первоначально обозначало также пирит, сурьму и висмут. Ювелиры до сих пор называют пирит «марказитом».

2.2.5 Магнетит (Fe 3 O 4)

Магнетит очень тяжелый минерал, обладающий полуметаллическим «тусклым» блеском, железно-черного цвета, с синей или радужной побежалостью. Для магнетита характерны черно-серые кристаллы (рисунок 17). По одной из легенд магнетит был назван в честь греческого пастуха Магнеса. Магнес пас свое стадо на одном из малоприметных плоскогорий в Фессалии и вдруг его посох с железным наконечником и его подбитые гвоздями сандалии притянула к себе гора сложенная сплошным серым камнем. Именно магнитность является редчайшим среди минералов отличительным свойством магнетита.

Рисунок 17 – Магнетит

О магнетите писали многие ученые и поэты древнего мира и Средневековья: Аристотель посвятил ему специальное сочинение («О магните»), Лукреций и Клавдиан описывали в стихах, в сказках «Тысяча и одна ночь» рассказывается о магнитной горе среди моря, сила притяжения которой была столь велика, что выдергивала гвозди из кораблей, которые тут же разрушались и тонули.

Однако реальное применение магниту, по-видимому, впервые было найдено в Китае, где во II в. до н.э. был изобретен компас. Древнейшие из известных компасов в странах Востока имели вид маленькой тележки, на которой сидел железный человечек и указывал протянутой рукой на юг.

Таким образом, задолго до открытия металлов, минералы железа привлекали к себе внимание человека и широко им использовались. Поэтому можно с уверенностью утверждать, что «случайное» открытие способа выплавки железа из руды было хорошо подготовлено всей предыдущей историей развития цивилизации.

Железная руда – важный ископаемый продукт, который человечество стало добывать много столетий назад. С давних времён железо нашло широкое применение в бытовых и прочих условиях жизни человеческого общества. Одно из ключевых преимуществ и свойств железной руды – возможность изготовления стали, получаемой в процессе её плавки.

Руда железа может иметь различные свойства, минеральный состав, а также процентное соотношение примесей и металлов в зависимости от типа и места её разработки. Найти места добычи железорудных минералов с соответствующим техническим оснащением не представляется сложной задачей, поскольку железо составляет более 5% твёрдых залежей земной коры по всей поверхности планеты. Согласно Википедии и другим достоверным источникам, железная руда занимает четвёртое место по распространённости среди полезных ископаемых, добываемых в окружающем мире.

Тем не менее, найти этот металл в природе в чистом виде не представляется возможным – отыскать его можно в определённых количествах в большинстве известных типов и вида камня (горных пород). Минералы (железорудные) одни из наиболее выгодных в плане добычи. От характера происхождения железной руды зависит количественное содержание в ней железа.

Как выглядит руда железа и что собой представляет?

В качестве ключевого химического элемента железо входит в состав множества горных пород. Тем не менее, далеко не каждая такая порода может быть потенциальным сырьевым продуктом для добычи и разработки. Целесообразность разработки железных руд, как таковых, во многом зависит от процентного состава.

Его добычей плотно занялись более 3 тысяч лет назад, что обусловлено возможностью изготавливать на основе железа более качественных и прочных изделий в сравнении с бронзой и медью, которые стали добываться ещё раньше. Уже в те времена, мастера, работавшие с плавильнями, могли точно различать виды железной руды.

В настоящее время принято выделять несколько типов сырья, пригодного для последующей выплавки полезного металла:

• магнетиновый;
• магнетино-апатитный;
• магнетино-титановый;
• гидрогетит-гетитовый;
• гематито-магнетиновый.

Богатым считается месторождение железной руды с процентным составным содержанием железа 57%. Но, как уже было сказано выше, целесообразными могут быть разработки залежей, в которых руда содержит 26% этого полезного металла. В составе горных пород железо преобладает в виде оксидов. Остальные составляющие представляют собой фосфор, серу и кремнезёмы.

Существуют таблицы железной руды, в которых отражен её сырьевой, химический состав и процентное содержание железа. Если руководствоваться численными показателями большинства таких таблиц, то условно можно разделить ценные руды по степени их богатства и свойствам на 4 категории

• очень богатые – содержание основного металла более 65%;
• умеренно богатые – средний процент железа 60-65%;
• умеренные – от 45% и более;
• бедные – менее 45% добываемых полезных элементов в целом.

В зависимости от количества побочных примесей, входящих в состав разрабатываемого месторождения железа, требуется большее или меньшее количество энергии на переработку. От этого во многом зависит эффективность производства готовой продукции на основе железа.

Характер происхождения

Большая часть известных рудниковых типов была сформирована под влиянием трёх основных факторов. От них, собственно, зависят особенности и характеристики руды железа.

Магматическое формирование. Магматические составы формировались под воздействием высоких температур магмы либо при условии высокой активности древних вулканов. По сути, имели место естественные процессы перемешивания и переплавки горных пород.

Эта разновидность полезных ископаемых представляет собой кристаллические минеральные ископаемые соединения, отличающиеся высоким процентом содержания железа. Залежи магматических ископаемых, как правило, можно обнаружить в зонах старинного образования гористых местностей. Именно в этих местах расплавленные вещества подходили максимально близко к поверхностным слоям почвы.

Метаморфическое формирование. В процессе такого формирования образуются минералы осадочного типа. Суть этого процесса сводится к передвижению отдельных участков коры Земли при котором определённые пласты, богатые определёнными элементами, попадают под породы, залёгшие выше.

Полезные ископаемые, которые образовались при очередном перемещении, мигрируют ближе к земляной поверхности. Железная руда, которая образуется в процессе метаморфического формирования, как правило, имеет высокое процентное содержание полезных металлических соединений и располагается не слишком глубоко от поверхности. Один из наиболее распространённых примеров – железняк магнитный, содержащий в своём составе до 75% железа.

Осадочное формирование. В данном случае основные факторы этого типа формирования рудников – естественные силы природы, в частности ветры и вода. Пласты породы подвергаются разрушению и перемещению в низины – именно здесь они скапливаются, формируя отдельные слои. В качестве реагента выступает вода, которая выщелачивает исходные материалы. В ходе таких процессов формируются залежи бурого железняка, представляющего собой рассыпчатую, разрыхлённую массу с высоким содержанием минеральных примесей и процентным содержанием железа до 35-40%.

За счёт различной специфики образования метаморфических пород сырьё часто перемешивается внутри пластов с магматической породой, известняком и глиной. В одном и том же месторождении, обозначенном соответствующим знаком на карте, обнаруживаются различные по происхождению залежки, которые перемешаны между собой. Места, предположительно богатые осадочными железными рудами в этом случае определяются в ходе геологических разведочных мероприятий.

Основные свойства и типы. Из какой руды получают железо?

К наиболее распространённому типу принято относить красный железняк, основой которого служит гематитовый оксид. В его составе содержится минимум побочных примесей и свыше 70% железа.

Следующий по распространённости – бурый железняк (лимонит), представляющий собой оксид железа, содержащий в своём составе H 2 O. Как правило, в состав лимонита входит порядка четверти процентного содержания железа. В природе бурый железняк можно встретить в форме пористых, рыхлых пород, содержащих фосфор и марганец. В качестве пустой породы в руде содержится глина.

Магнитная руда железа содержит в своём составе магнитный оксид, свойства которого теряются в условиях сильного нагрева. В природе встречается намного реже вышеперечисленных пород и по процентному соотношению железа в некоторых случаях не уступает красному железняку.

Железняк шпатовый – рудная порода, содержащая сидерит с высоким содержанием глины в составе. Это весьма редкая порода, а за счёт малого содержания железа добывают его намного реже, особенно если речь идёт о промышленном применении.

Помимо оксидов существуют другие железорудные типы, в основу которых входят карбонаты и силикаты.

Географическое расположение ключевых месторождений

Все основные месторождения принято делить на:

1. Метаморфогенные – кварцитовые залежи;
2. Экзогенные – бурый железняк и прочие осадочные породы;
3. Эндогенные – преимущественно титаномагнетитовые составы.

Подобные рудные залежи встречаются практически на каждом континенте. Большая часть железорудных залежей находится на территории стран СНГ, в частности это территория Казахстана, России и Украины. Достаточно большими запасами железорудных скоплений могут похвастать такие государства, как ЮАР, Индия, США, Австралия, Канада и Бразилия. Существуют карты месторождений железной руды, как в мировых масштабах, так и с более подробным указанием залежей на территории конкретного государства.

Значение железной руды и сферы, в которых она используется

По преимуществу все отрасли, в которых задействованы эти полезные ископаемые, связаны с металлургической сферой. По большей части руду железа используют при выплавке чугуна с использованием конверторной или мартеновской печи. В свою очередь чугун широко применим во многих промышленных отраслях.

Сегодня крайне популярен и активно изготавливается и другой сверхпрочный, антикоррозийный сплав – сталь, для чего также используются железорудные ископаемые. Это наиболее популярный промышленный сплав, который славится устойчивостью к коррозии и высокой прочностью.

Стальные и чугунные материалы применяют в следующих отраслях:

• ракетостроительная и военная промышленность, производство специальной техники;
• машиностроение, включая изготовление станков и прочих заводских механизмов;
• автомобильное производство (изготавливаются автомобильные рамы, элементы двигателей, корпуса и прочие механические узлы);
• добывающая промышленность (производство тяжёлого добывающего оборудования и прочей спецтехники);
• строительство – армирующие материалы, создание несущего каркаса.

Способы добычи

Методы и способы извлечения рудных ископаемых ресурсов из недр зависят от глубины, на которой залегает искомый материал. В этом контексте принято выделять три основных способа:

Скважинный метод (гидродобыча) – для работы таким способом специалисты бурят скважины, достигающие пластов пород. В образовавшиеся створы помещаются трубчатые конструкции, через которые мощной водной струёй производится дробление материала и её извлечение. Это наименее эффективный, косный и устаревший метод, который в наши дни используется достаточно редко.

Шахтенный метод – используется при условии, что пласты залегают более глубоко (до 900 метров). Прежде всего прорубаются шахтенные створы – от них по пласту разрабатываются штреки. Порода дробится и поступает на поверхность по специальным транспортёрам.

Карьерный метод – в отличие от скважинного, считается наиболее распространённым. Его используют для работы на средней глубине (до 300 метров). Для разработки применяются мощные экскаваторы и механизмы, дробящие породу. После дробления материал отгружают и транспортируют прямиком на обогатительный комбинат.

Как обогащаются железорудные материалы?

В силу существования различных типов руд по степени того, сколько железа содержится в руде, менее обогащённые материалы отправляются на специальные комбинаты, где они подвергаются сортировке, дроблению, сепарации и агломерации.

В целом можно выделить 4 основных метода рудного обогащения:

Флотация. Специально подготовленная пылеобразная масса погружается в H 2 O с добавлением воздуха и веществ, которые называются флотационными реагентами. Отсюда и название самого процесса – флотация. Они соединяют частицы железа с пузырьками воздуха и поднимает их на поверхность в пенистом виде. Пустые породы оседают на дне.

Магнитная сепарация. Самый распространённый способ, основанный на разнице воздействия магнетизма на различные составляющие рудной массы. Сепарация может проводиться в случае с мокрыми и сухими породами. В ходе переработки используются барабанные механизмы, оснащённые мощными электромагнитными элементами.

Гравитационная очистка. Для её проведения используются специальные суспензии с плотностью ниже плотности железа и выше плотности пустых пород. Естественные силы гравитации выталкивают побочные составляющие кверху, а суспензия вбирает в себя частицы железа и оставляет их снизу.

Промывка. Используется для устранения из добываемых материалов песков и глины – для их отделения достаточно использовать водную струю под большим напором. Процесс происходит под высоким давлением и обеспечивает до 5% обогащения. Это сравнительно малый показатель, потому этот метод всегда используется в паре с другими способами.

Железными рудами называются горные породы, содержащие железо, извлечение железа из которых является экономически целесообразным. Минералов, содержащих железо, очень много, но в большинстве случаев или содержание железа в них невелико, или самый минерал встречается в природе в небольших количествах.
Имеющие наибольшее значение минералы, содержащие железо, могут быть разделены на следующие четыре группы в зависимости от их химического состава: 1) окислы железа; 2) углекислое железо; 3) кремнистое железо и 4) сернистые соединения железа. Названия и перечень этих минералов представлены в табл. 7.

Магнетит. Химическая формула магнетита (магнитного железняка) Fe3O4. В нем содержится 72,4% Fe и 27,6% O2. Цвет его темный, от серого до черного; минерал обладает магнитными свойствами. Сингония кубическая, вид симметрии гексооктаэдрический, твердость 5,5-6; уд. вес 4,9-5,2. Доля этого минерала в общей добыче железных руд невелика. Однако в некоторых металлургических районах, например на Урале или в Швеции, магнетитовые руды являются преобладающими.
В природных условиях магнетит, сохраняя свое кристаллическое строение, в той или иной степени окисляется. Содержание кислорода в магнитном железняке в этом случае уже не отвечает полностью формуле Fe3O4 или FeO*Fe2O3.
Обычно в рудах, образованных магнитным железняком, кроме магнетита, встречаются продукты его выветривания - полумартит и мартит. По классификации, принятой акад. М.А. Павловым. к магнитным железнякам относят такие руды, у которых отношение Feобщ/FeO менее 3,5 (вместо 2.333 в неокисленном магнитном железняке). К полумартитам относят руды с отношением Feобщ/FeO более 3,5 и менее 7 и, наконец, к мартитам - руды с отношением Feобщ/FeO более 7. И.А. Соколов, принимая те же цифры, берег вместо отношения Feобщ/FeO отношение Feобщ/FeFeO. Таким образом, приведенная классификация магнетитовых руд является условной.
Гематит. В химически чистой окиси железа содержится 70% Fe и 30°/о O2. В природе известны две полиморфные модификации окиси железа - устойчивая a-Fe2O3 (тригональной оингонии) и неустойчивая y-Fe2O3 (кубической сингонии), обладающая сильномагнитными свойствами и носящая название маггемита.
Гематит представлен первой модификацией. Цвет кристаллических разностей гематита железо-черный до стально-серого. Удельный вес гематита 5,0-5,3, твердость 5,5-6. Гематит составляет основу важнейших в мире месторождений железной руды. Связанные с породами различных геологических периодов, эти руды широко распространены в разнообразных видах. Многие из этих видов названы по их отличительным особенностям; например, красный железняк, оолитовый красный железняк, железистая слюда, красная стеклянная голова и т. д.
Бурые железняки. Долгое время считалось, что окись железа образует с водой следующие химические соединения: турьит - 2Fe2O3*H2O (66,31% Fe и 5,3% гидратной воды); гетит - Fe2O3*H2O (62,92% Fe и 10,1% гидратной воды); лимонит - 2Fe2О3*3Н2О (59,88% Fe и 14,43% гидратной воды); ксаитоондерит-Fe2O3*2Н2О (57,14% Fe и 18,36% гидратной моды); лимнит - Fe2O3*3Н2О (52,3% Fe и "25,3% гидратной воды).
В последнее время в результате рентгенометрических исследований установлено, что в действительности окись железа образует с водой одно химическое соединение с отношением Fe2О3:H2O = 1:1, обладающее определенной кристаллической решеткой. Все более богатые водой разности гидроокислов железа по существу являются гидрогелями, а не соединениями определенного состава. Они, как правило, содержат адсорбированную воду в различных количествах.
В современных учебниках по минералогии формулу гетита часто изображают в виде HFeO2 (учитывая, что Fe в гетите связано с гидроксилом), а формула лимонита (все гидроокиси железа, для которых Fe2O3:H2O > 1)-HFeO2*aq (aqua по-латыни вода). Турьит, по рентгенометрическим и термическим исследованиям, оказался смесью гетита и лимонита с гидрогематитом и, следовательно, не является самостоятельным минералам.
Сингония гетита - ромбическая, ромбодипирамидальный вид симметрии.
Цвет лимонита и гетита - темнобурый до черного. Твердость гетита 4,5-5,5, лимонита 4-1; удельный вес гетита 4,0-4,4, лимонита - колеблется от 3,3 до 4,0.
По физическому состоянию и внешнему виду различают много разновидностей бурых железняков: бурая стеклянная голова, обыкновенный бурый железняк, болотные и озерные руды и другие.
Карбонаты. Важнейшим представителем этой группы является минерал, называемый сидеритом, железным шпатом или шпатовым железняком; состав его определяется формулой FeCO3 (48,3% Fe и 37,9% CO2). Из изоморфных примесей чаще всего присутствуют углекислые марганец и магний. Сингония сидерита - тригональная. Цвет сидерита в свежем состоянии - желтовато-белый, сероватый, иногда с зеленым или буроватым оттенком. Твердость сидерита 3,5-4,5; удельный вес 3,9.
При выветривании сидерит окисляется с образованием лимонита, гетита.
Силикаты железа. Силикаты железа входят как примеси в состав некоторых железных руд. К силикатам железа относят много минералов, например группу хлоритов, одним из представителей которых является шамозит (примерная формула 4FeO*Al2O3*3SiO2*4H2O). Содержание FeO в этом силикате колеблется от 34,3 до 42,5%.
Из минералов других групп, содержащих силикаты железа, следует назвать нонтронит, состав которого определяется формулой: m {Mg3 [ОН]2} p {(Fe, Аl)2 2} nH2O, альмандин - Fe3Al23; а андрадит Ca3Fe23.
Сернистые соединения железа. Одним из минералов, представляющих эту группу, шляется пирит (серный колчедан, железный колчедан) FeS2, содержащий 46,7% Fe и 53,4% S. Вследствие высокого содержания серы минералы, содержащие сернистые соединения железа, в качестве железных руд не применяются. Пиритные или колчеданные руды добывают в значительных количествах для производства серной кислоты, при этом руды обжигают на воздухе. Во время обжига большая часть серы удаляется, твердый остаток в основном представляет собой окись железа и носит название пиритных огарков. Эти огарки после агломерации могут идти в доменную плавку.
Марказит представляет собой полиморфную разность FeS2 и имеет ромбическую сингонию (пирит имеет кубическую сингонию).

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. Бульшая 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·nH2O). 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)2·8H2O, 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 -- FeSO4·7H2O -- реже встречается в природе и представляет собой зелёные (или серые из-за примесей) моноклинные кристаллы, обладающие стеклянным блеском, хрупкие.

· Вивианит -- Fe3(PO4)2·8H2O -- встречается в виде сине-серых или зелено-серых моноклинных кристаллов.

В земной коре содержатся и другие, менее распространенные минералы железа, например.