Характеристики заліза (хімічний елемент), хімічна структура, використання



The залізо являє собою перехідний метал, розташований в групі VIIIB або 8 періодичної таблиці. Це один з металів, який був відомий з найдавніших часів. З цим металом працювали китайці, єгиптяни та римляни. Його легке вилучення ознаменувало стадію історії, відому як залізний вік.

Її назва походить від слова "ferrum" латинською мовою, а отже, і його хімічний символ "Віра" - це дуже реактивний елемент, тому його срібний блиск зазвичай не зустрічається в природі. У стародавні часи цей метал був фактично каталогізований з величиною, вищою, ніж золота, через його передбачувану нестачу.

Його чиста форма знайдена в районах Гренландії і в магматичних породах грунтів Росії. У сидеричному просторі вважається, що він є достатньою складовою в метеоритах, які після впливу Землі зберегли кристалізоване залізо в їх скельних грудях..

Але, що важливіше чистого заліза, є його сполуки; особливо його оксиди. Ці оксиди покривають земну поверхню великою сім'єю мінералів, таких як магнетит, пірит, гематит, гетит і багато іншого. Справді, забарвлення, що спостерігається в марсіанських горах і пустелях, в значній мірі пов'язано з гематитом.

Залізні предмети можна знайти в містах або полях. Ті, що не мають захисної плівки, червоніють, тому що вони роз'їдаються вологою і киснем. Інші, як і ліхтар головного зображення, залишаються сірими або чорними.

Підраховано, що існує масова концентрація цього металу в межах ядра Землі. Настільки, що в рідкому стані, продукт високих температур, він може бути відповідальним за магнітне поле Землі.

З іншого боку, залізо не тільки доповнює оболонку нашої планети, але й є частиною поживних речовин, необхідних живим істотам. Наприклад, необхідно транспортувати кисень до тканин.

Індекс

  • 1 Характеристики заліза
    • 1.1 Точки плавлення і кипіння
    • 1.2 Щільність
    • 1.3 Ізотопи
    • 1.4 Токсичність
  • 2 Хімічні властивості
    • 2.1 Кольори його сполук
    • 2.2 Стани окислення
    • 2.3 Окислюючі і відновлюючі агенти
  • 3 Хімічна структура
  • 4 Використання / застосування
    • 4.1 Структурні
    • 4.2 Біологічний
  • 5 Як ви отримуєте?
    • 5.1 Реакції всередині печей
  • 6 Посилання

Характеристики заліза

Чисте залізо має свої особливості, які відрізняють його від своїх мінералів. Це блискучий сіруватий метал, який реагує з киснем і вологістю повітря, перетворюючись у відповідний оксид. Якби в атмосфері не було кисню, всі орнаменти та залізні конструкції залишалися б недоторканими і не мали червоної іржі..

Воно володіє високою механічною міцністю і твердістю, але водночас ковке і пластичне. Це дозволяє ковалям підробляти шматки з численними формами і конструкціями, піддаючи заліза маси до інтенсивних температур. Це також хороший провідник тепла та електрики.

Крім того, однією з його найцінніших особливостей є його взаємодія з магнітами і його здатність намагнічуватися. Широкій публіці було дано багато демонстрацій про те, що магніти забезпечують рух залізної стружки, а також демонструють магнітне поле і полюси магніту..

Точки плавлення і кипіння

Залізо плавиться при температурі 1535ºC і кипить при 2750ºC. У своєму рідкому і розжареному вигляді цей метал отримують. Крім того, його теплота плавлення і випаровування становлять 13,8 і 349,6 кДж / моль.

Щільність

Його щільність становить 7,86 г / см3. Тобто, 1мл цього металу важить 7,86 грама.

Ізотопи

У періодичній таблиці, зокрема в групі 8 періоду 4, знайдено залізо з атомною масою приблизно 56u (26 протонів, 26 електронів і 30 нейтронів). Однак у природі є три інших стабільних ізотопу заліза, тобто вони мають однакову кількість протонів, але різні атомні маси.

The 56Віра найпоширеніша з усіх (91,6%), за якою йдеться 54Віра (5,9%), 57Fe (2,2%) і нарешті 58Віра (0,33%). Саме ці чотири ізотопи складають усе залізо, що міститься на планеті Земля. В інших умовах (позаземних) ці відсотки можуть змінюватися, але можливо 56Віра продовжує залишатися найпоширенішою.

Інші ізотопи, з атомними масами, що коливаються між 46 і 69u, дуже нестабільні і мають менший період напіврозпаду, ніж чотири тільки що згадані ізотопи.

Токсичність

Над усіма особливостями це нетоксичний метал. В іншому випадку потрібні будуть спеціальні процедури (хімічні та фізичні), а незмірні об'єкти та будівлі - латентний ризик для навколишнього середовища та життя.

Хімічні властивості

Електронна конфігурація заліза - [Ar] 3d64s2, це означає, що він вносить два електрони зі своєї орбіти 4s, а шість - з 3d орбіталей, для утворення металевих зв'язків у кристалі. Саме ця кристалічна структура пояснює деякі властивості, такі як феромагнетизм.

Також електронна конфігурація поверхово прогнозує стабільність його катіонів. Коли заліза втрачає два його електрони, Fe2+, залишається з конфігурацією [Ar] 3d6 (припускаючи, що орбіталь 4s є, звідки походять ці електрони). Хоча, якщо ви втратите три електрони, Віра3+, його конфігурація [Ar] 3d5.

Експериментально було показано, що багато іонів з валентною конфігурацією5 Вони дуже стабільні. Таким чином, залізо має тенденцію окислюватися проти електрон-приймаючих видів, щоб стати катионом заліза Fe3+; і в менш окисної середовищі, в катіоні заліза Fe2+.

Потім у середовищі з невеликою кількістю кисню переважають сполуки заліза. PH також впливає на ступінь окислення заліза, оскільки в дуже кислих середовищах це сприяє його перетворенню в Fe3+.

Кольори його сполук

Віра2+ в розчині зеленувато, а Віра3+, м'якої фіалки. Крім того, сполуки заліза можуть мати зелені або червоні кольори в залежності від того, який катіон присутній і які іони або молекули їх оточують.

Нюанси зеленого змінюються відповідно до електронного середовища Віри2+. Таким чином, FeO, оксид заліза, є дуже темно-зеленим твердим речовиною; в той час як FeSO4, сульфат заліза, має світло-зелені кристали. Інші сполуки Fe2+ вони можуть мати навіть блакитні відтінки, як у випадку з прусським блакитним.

Це також відбувається з фіолетовими відтінками Віри3+ в його складах, які можуть стати червонуватими. Наприклад, гематит, Віра2O3, це оксид, відповідальний за багато частин заліза, що виглядають червонуватими.

Однак значна кількість сполук заліза є безбарвними. Хлорид заліза, FeCl3, Вона безбарвна, тому що Віра3+ Це дійсно не знайдено в іонній формі, але утворює ковалентні зв'язки (Fe-Cl).

Інші сполуки є насправді складними сумішами катіонів Fe2+ і Віра3+. Їх кольори завжди будуть підпорядковуватися тому, що іони або молекули взаємодіють з залізом, хоча, як уже згадувалося, переважна більшість має синюватий, фіолетовий, червонуватий (навіть жовтий) або темно-зелений колір..

Стани окислення

Як пояснюється, залізо може мати ступінь окислення або валентність +2 або +3. Однак можливо також, що він бере участь у деяких сполуках з валентністю 0; тобто не страждає ніякою втратою електронів.

У цьому типі сполук залізо бере участь у його грубій формі. Наприклад, Fe (CO)5, Пентакарбонил заліза, складається з олії, отриманої при нагріванні пористого заліза з оксидом вуглецю. Молекули CO вводять в отвори рідини, Fe координують з п'ятьма з них (Fe-C≡O).

Окислюючі і відновлюючі агенти

Який з катіонів, Віра2+ o Віра3+, Чи ведуть вони себе як окислювач або відновник? Віра2+ в кислому середовищі або в присутності кисню, втрачає електрон, щоб стати Fe3+; отже, це відновник:

Віра2+ => Віра3+ + e-

І Віра3+ він веде себе як окислювач в основному середовищі:

Віра3+ + e- => Віра2+

Або навіть:

Віра3+ + 3е- => Віра

Хімічна структура

Залізо утворює поліморфні тверді тіла, тобто його атоми металу можуть приймати різні кристалічні структури. При кімнатній температурі його атоми кристалізуються в унітарній одиниці ОЦК: кубічна в центрі (Кубічний центр). Ця тверда фаза відома як ферит, Fe α.

Ця СЦК-структура може бути обумовлена ​​тим, що залізо є металевою конфігурацією6, з електронною 4-електронною вакансією.

Коли температура зростає, атоми Fe вібрують за рахунок теплового ефекту і приймають, після 906 ° C, компактну кубічну структуру ccp:Кубічний близький упакований). Це Fe γ, який повертається до фази Fe α при температурі 1401ºC. Після цієї температури залізо плавиться при 1535ºC.

А як щодо підвищення тиску? Коли він зростає, він змушує атоми кристала «стиснути» в більш щільну структуру: Fe β. Цей поліморф має компактну hcp: гексагональну структуру (Шестигранна закрита упаковка).

Використання / застосування

Структурні

В самому залізі мало застосувань. Однак, коли він покритий іншим металом (або сплавом, таким як олово), він захищений від корозії. Таким чином, залізо - це будівельний матеріал, який є в будівлях, мостах, воротах, статуях, автомобілях, машинах, трансформаторах тощо..

При додаванні невеликих кількостей вуглецю та інших металів їх механічні властивості посилюються. Ці типи сплавів відомі як сталі. Сталі будують майже всі галузі промисловості та їх матеріали.

З іншого боку, залізо, змішане з іншими металами (деякі з рідкісних земель), було використано для виготовлення магнітів, що використовуються в електронному обладнанні.

Біологічний

Залізо грає істотну роль у житті. У нашому організмі він входить до складу деяких білків, включаючи фермент гемоглобін.

Без гемоглобіну, носія кисню завдяки своєму металевому центру Fe3+, кисень не може транспортуватися до різних областей тіла, тому що у воді він дуже нерозчинний.

Гемоглобін проходить через кров до м'язових клітин, де рН є кислотним, а більш високі концентрації CO є великими2. Тут відбувається зворотний процес, тобто кисень вивільняється через умови і його низьку концентрацію в цих клітинах. Цей фермент може транспортувати в цілому чотири молекули О2.

Як ви отримуєте?

Завдяки своїй реактивності вона виявляється в земній корі, утворюючи оксиди, сульфіди або інші мінерали. Тому деякі з них можуть бути використані як сировина; все буде залежати від витрат і труднощів зменшення заліза в його хімічному середовищі.

Індустріально, відновлення оксидів заліза є більш доцільним, ніж його сульфідів. Гематит і магнетит, Fe3O4, є основними джерелами цього металу, які реагують з вуглецем (у вигляді коксу).

Залізо, отримане цим методом, є рідким і розжареним, і його спорожняють в злитки злитків (як лавовий каскад). Також можуть утворюватися великі кількості газів, які можуть бути шкідливими для навколишнього середовища. Тому отримання заліза передбачає розгляд багатьох факторів.

Реакції всередині печей

Не називаючи деталей їх видобутку і транспорту, ці оксиди рухаються разом з коксом і вапняком (CaCO3) до доменних печей. Видобуті оксиди несуть всі види домішок, які реагують з CaO, що виділяється при термічному розкладанні CaCO3.

Після завантаження партії сировини в піч, в її нижній частині проходить струм повітря при 2000ºC, який спалює кокс до монооксиду вуглецю:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000ºC)

Цей CO піднімається до вершини печі, де він відповідає гематиту і зменшує його:

3Fe2O3(s) + CO (g) => 2Fe3O4(s) + CO2(g) (200 ° C)

У магнетиті є іони Fe2+, Продукти зниження Fe3+ з CO. Потім цей продукт продовжує скорочуватися з більшою кількістю CO:

Віра3O4(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO2(g) (700ºC)

Нарешті, FeO закінчується до металевого заліза, який плавиться внаслідок високих температур печі:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO2(g)

Віра => Віра (л)

У той же час CaO реагує з силікатами і домішками, утворюючи так званий рідкий шлак. Цей шлак менш щільний, ніж рідке залізо, тому він плаває над ним і обидві фази можуть бути розділені.

Список літератури

  1. Національний науково-ресурсний центр. (s.f.). Залізо. Отримано з: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Корабель. (s.f.). Залізо. Отримано з: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. Б. Калверт. (Грудень 2003 року). Залізо: Метал Марса дає нам магнетизм і життя. Отримано з: mysite.du.edu
  4. Chemicole Періодична таблиця. (6 жовтня 2012 року). Залізо. Отримано з: chemicool.com
  5. Баланс. (s.f.). Металевий профіль: Залізо. Взяті з: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Неорганічна хімія (четверте видання). Mc Graw Hill.
  7. Кларк Дж. (29 листопада 2015 р.). Видобуток заліза. Отримано з: chem.libretexts.org