Značilnosti železa (kemičnega elementa), kemijska struktura, uporaba



The železo je prehodna kovina, ki se nahaja v skupini VIIIB ali 8 periodnega sistema. To je ena od kovin, ki se je zavedala že od najzgodnejših časov. Kitajci, Egipčani in Rimljani so delali s to kovino. Njegova enostavna ekstrakcija je zaznamovala zgodovinsko fazo, znano kot železna doba.

Njegovo ime izhaja iz besede "ferrum" v latinščini in zato od kemičnega simbola Faith.To je zelo reaktivni element, zato njegov srebrov sijaj običajno ni v naravi. V starih časih je bila ta kovina dejansko katalogizirana z vrednostjo, ki je bila višja od zlata zaradi svoje domnevne pomanjkljivosti.

Njegova čista oblika je bila najdena v regijah Grenlandije in v magmatskih kamninah Rusije. V zvezdnem prostoru se domneva, da je to bogata komponenta v meteoritih, ki so po vplivu na Zemljo ohranili kristalizirano železo v svojih kamnitih prsih..

Toda pomembnejši od čistega železa so njegove spojine; zlasti njegove okside. Ti oksidi pokrivajo zemeljsko površino z veliko družino mineralov, kot so magnetit, pirit, hematit, getit in še veliko več. Dejansko so barvila, ki jih opazimo v gorah in puščavah, v veliki meri posledica hematita.

Železne predmete lahko najdemo v mestih ali poljih. Tisti, ki nimajo zaščitne folije, postanejo rdečkasti, ker korozijo zaradi vlage in kisika. Drugi, kot je svetilka glavne slike, ostanejo sivi ali črni.

Ocenjuje se, da obstaja velika koncentracija te kovine v Zemljinem jedru. Toliko, da je v tekočem stanju, produkt visokih temperatur, lahko odgovoren za magnetno polje Zemlje.

Po drugi strani pa železo ne le dopolnjuje lupino našega planeta, temveč je tudi del hranil, ki jih potrebujejo živa bitja. Na primer, kisik je treba prenašati v tkiva.

Indeks

  • 1 Značilnosti železa
    • 1.1 Tališča in vrelišča
    • 1.2 Gostota
    • 1.3 Izotopi
    • 1.4 Strupenost
  • 2 Kemijske lastnosti
    • 2.1 Barve njegovih spojin
    • 2.2 Oksidacijska stanja
    • 2.3 Oksidacijska in redukcijska sredstva
  • 3 Kemijska struktura
  • 4 Uporaba / aplikacije
    • 4.1 Strukturni
    • 4.2 Biološki
  • 5 Kako ste prišli?
    • 5.1 Reakcije v pečeh
  • 6 Reference

Značilnosti železa

Čisto železo ima svoje lastnosti, ki ga razlikujejo od mineralov. Gre za bleščečo sivkasto kovino, ki reagira s kisikom in vlago v zraku, da se pretvori v ustrezen oksid. Če v atmosferi ne bi bilo kisika, bi vsi ornamenti in železne strukture ostali nepoškodovani in brez rdeče rje..

Ima visoko mehansko trdnost in trdoto, hkrati pa je tempran in duktilen. To omogoča kovačem kovanje kosov s številnimi oblikami in oblikami, ki izpostavljajo železne mase intenzivnim temperaturam. Prav tako je dober prevodnik toplote in električne energije.

Poleg tega je ena od njenih najdragocenejših lastnosti njena interakcija z magneti in sposobnost magnetizacije. Splošni javnosti je bilo dano veliko dokazov o učinku, ki ga magneti zagotavljajo na gibanje železnih ostružkov, in tudi za prikaz magnetnega polja in polov magnetov..

Tališče in vrelišča

Železo se tali pri temperaturi 1535 ° C in vre pri 2750 ° C. V svoji tekoči in žareči obliki je ta kovina pridobljena. Poleg tega so njegove toplote fuzije in izhlapevanja 13,8 in 349,6 kJ / mol.

Gostota

Njegova gostota je 7,86 g / cm3. To pomeni, da 1 ml te kovine tehta 7,86 gramov.

Izotopi

V periodnem sistemu, zlasti v skupini 8 obdobja 4, najdemo železo z atomsko maso približno 56u (26 protonov, 26 elektronov in 30 nevtronov). V naravi pa so še trije drugi stabilni izotopi železa, to je, da imajo enako število protonov, vendar različne atomske mase..

The 56Največja je vera (91,6%), ki ji sledi 54Vera (5,9%), 57Fe (2,2%) in končno 58Vera (0,33%). Ti štirje izotopi sestavljajo vse železo, ki ga vsebuje planet Zemlja. V drugih pogojih (zunajzemeljski) se lahko ti odstotki razlikujejo, vendar verjetno tudi 56Vera je še vedno najbolj bogata.

Drugi izotopi z atomskimi masami, ki nihajo med 46 in 69u, so zelo nestabilni in imajo krajše razpolovne dobe od že omenjenih štirih..

Strupenost

Pred vsemi lastnostmi je to nestrupena kovina. V nasprotnem primeru bi bilo potrebno posebno zdravljenje (kemično in fizikalno), nepredvidljivi predmeti in zgradbe pa bi pomenili latentno tveganje za okolje in življenje..

Kemijske lastnosti

Elektronska konfiguracija železa je [Ar] 3d64s2, kar pomeni, da prispeva dva elektrona iz svoje 4s orbite in šest iz 3d orbital, za tvorbo kovinskih vezi znotraj kristala. Prav ta kristalna struktura pojasnjuje nekatere lastnosti, kot je feromagnetizem.

Tudi elektronska konfiguracija površinsko napove stabilnost svojih kationov. Ko železo izgubi dva elektrona, Fe2+, ostaja s konfiguracijo [Ar] 3d6 (ob predpostavki, da je 4s orbital, kjer ti elektroni prihajajo). Čeprav, če izgubiš tri elektrone, Faith3+, njegova konfiguracija je [Ar] 3d5.

Eksperimentalno je bilo dokazano, da je veliko ionov z valentno konfiguracijo5 So zelo stabilne. Zato se železo oksidira proti vrstam, ki sprejemajo elektrone, da postane Fe-kation3+; in v manj oksidativnem okolju, v železovem kationu Fe2+.

Nato se v mediju z malo prisotnosti kisika pričakuje, da prevladujejo železne spojine. PH vpliva tudi na oksidacijsko stanje železa, saj je v zelo kislih medijih podvržen preobrazbi v Fe3+.

Barve njegovih spojin

Vera2+ v raztopini je zelenkasta in vera3+, mehko vijolično. Prav tako imajo železne spojine lahko zelene ali rdeče barve, odvisno od tega, kakšen kation je prisoten in kateri joni ali molekule jih obdajajo.

Odtenki zelene se spreminjajo glede na elektronsko okolje vere2+. Tako je FeO, železov oksid, zelo temno zelena trdna snov; FeSO4, železov sulfat, ima svetlo zelene kristale. Druge spojine Fe2+ imajo lahko tudi modrikaste tone, kot v primeru pruskega modrega.

To se dogaja tudi z vijoličnimi odtenki Faith3+ v njegovih spojinah, ki lahko postanejo rdečkaste. Na primer hematit, Faith2O3, je oksid, odgovoren za številne kose železa videti rdečkasto.

Veliko število železovih spojin pa je brezbarvno. Železov klorid, FeCl3, Brezbarvna je, ker vera3+ Res ni v ionski obliki, ampak tvori kovalentne vezi (Fe-Cl).

Druge spojine so dejansko kompleksne zmesi Fe kationov2+ in Faith3+. Njihove barve bodo vedno podvržene medsebojnemu delovanju ionov ali molekul z železom, čeprav je, kot je omenjeno, velika večina ponavadi modrikasta, vijolična, rdečkasta (celo rumena) ali temno zelena.

Oksidacijska stanja

Kot je razloženo, ima lahko železo oksidacijsko stanje ali valenco +2 ali +3. Možno je tudi, da sodeluje pri nekaterih spojinah z valenco 0; to pomeni, da ne trpi nobene izgube elektronov.

Pri tej vrsti spojin, železo sodeluje v svoji surovi obliki. Na primer, Fe (CO)5, Železo pentakarbonil, sestoji iz olja, pridobljenega s segrevanjem poroznega železa z ogljikovim monoksidom. Molekule CO so položene v luknje tekočine, Fe pa je usklajena s petimi (Fe-C≡O)..

Oksidativna in redukcijska sredstva

Kateri od kationov, Faith2+ o Vera3+, Ali se obnašajo kot oksidant ali reducent? Vera2+ v kislem mediju ali v prisotnosti kisika izgubi elektron, da postane Fe3+; zato je reducent:

Vera2+ => Vera3+ + e-

In vera3+ obnaša se kot oksidant v osnovnem mediju:

Vera3+ + e- => Vera2+

Ali celo:

Vera3+ + 3e- => Vera

Kemijska struktura

Železo tvori polimorfne trdne snovi, kar pomeni, da lahko njegovi atomi kovin sprejmejo različne kristalne strukture. Pri sobni temperaturi se njegovi atomi kristalizirajo v enotni enoti bcc: kubični center v telesu (Kubično telo). Ta trdna faza je znana kot ferit, Fe α.

Ta bcc struktura je lahko posledica dejstva, da je železo kovinska konfiguracija6, z elektronskim 4-elektronskim prostorom.

Ko se temperatura poveča, Fe-atomi zaradi toplotnega učinka vibrirajo in po 906 ° C sprejmejo kompaktno kubično ccp strukturo:Kubični najbližji pakiran). To je Fe γ, ki se vrne v fazo Fe α pri temperaturi 1401 ° C. Po tej temperaturi se železo tali pri 1535 ° C.

Kaj pa povečanje pritiska? Ko se poveča, prisili kristalne atome, da "stisnejo" v gostejšo strukturo: Fe β. Ta polimorf ima kompaktno hcp: šesterokotno strukturo (Šestkotniški zaprt paket).

Uporabe / aplikacije

Strukturno

Železo ima le malo aplikacij. Kadar pa je prevlečena z drugo kovino (ali zlitino, kot je kositer), je zaščitena pred korozijo. Tako je železo gradbeni material, ki je prisoten v zgradbah, mostovih, vratih, kipih, avtomobilih, strojih, transformatorjih itd..

Pri dodajanju majhnih količin ogljika in drugih kovin so njihove mehanske lastnosti okrepljene. Te vrste zlitin so znane kot jekla. Jekla gradijo skoraj vse industrije in njihove materiale.

Po drugi strani pa se železo, pomešano z drugimi kovinami (nekaterimi redkimi zemlji), uporablja za izdelavo magnetov, ki se uporabljajo v elektronski opremi..

Biološka

Železo igra bistveno vlogo v življenju. V našem telesu je del nekaterih beljakovin, vključno z encimom hemoglobina.

Brez hemoglobina nosilec kisika zaradi kovinskega Fe središča3+, kisika ni mogoče prenašati v različne dele telesa, ker je v vodi zelo netopen.

Hemoglobin potuje skozi kri v mišične celice, kjer je pH kislina in so večje koncentracije CO2. Tu se zgodi obraten proces, to je kisik, ki se sprosti zaradi pogojev in nizke koncentracije v teh celicah. Ta encim lahko prenaša skupaj štiri molekule2.

Kako dobiš?

Zaradi svoje reaktivnosti se nahaja v zemeljski skorji, ki tvori okside, sulfide ali druge minerale. Zato se lahko nekatere od njih uporabijo kot surovina; vse bo odvisno od stroškov in težav pri zmanjševanju železa v njegovem kemičnem okolju.

Industrijsko je redukcija železovih oksidov bolj izvedljiva kot njenih sulfidov. Hematit in magnetit, Fe3O4, so glavni viri te kovine, ki reagirajo z ogljikom (v obliki koksa).

Železo, dobljeno s to metodo, je tekoče in žareče in se izprazni v ingote ingota (kot lava kaskada). Lahko nastanejo tudi velike količine plinov, ki so lahko škodljivi za okolje. Zato pridobivanje železa vključuje upoštevanje številnih dejavnikov.

Reakcije znotraj pečic

Brez navedbe podrobnosti o njihovem pridobivanju in transportu se ti oksidi premikajo skupaj s koksom in apnencem (CaCO3) za plavže. Ekstrahirani oksidi nosijo vse vrste nečistoč, ki reagirajo s CaO, ki se sprošča pri toplotni razgradnji CaCO3.

Ko je šarža surovine naložena v pečico, se v njenem spodnjem delu pretaka zrak pri 2000 ° C, ki koks vžge v ogljikov monoksid:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Ta CO se dvigne na vrh peči, kjer izpolnjuje hematit in ga zmanjšuje: \ t

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

V magnetitu so Fe ioni2+, Izdelki za zmanjšanje Fe3+ z CO. Nato se ta izdelek še naprej zmanjšuje z več CO:

Vera3O4(s) + CO (g) => 3FeO + CO2(g) (700 ° C)

Končno se FeO zmanjša na kovinsko železo, ki se zaradi visokih temperatur peči topi:

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

Vera => Vera (l)

Medtem ko CaO reagira s silikati in nečistočami, tvori tekočo žlindro. Ta žlindra je manj gosta kot tekoče železo, zaradi česar lebdi nad njo in obe fazi sta lahko ločeni.

Reference

  1. Nacionalni center za znanstvene vire. (s.f.). Železo. Vzpostavljeno iz: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Ladja. (s.f.). Železo. Vzpostavljeno iz: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (December 2003). Železo: kovina Marsa nam daje magnetizem in življenje. Vzpostavljeno iz: mysite.du.edu
  4. Chemicole Periodni sistem. (6. oktober 2012). Železo. Vzpostavljeno iz: chemicool.com
  5. Ravnotežje. (s.f.). Kovinski profil: železo. Vzeto iz: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija (četrta izdaja). Mc Graw Hill.
  7. Clark J. (29. november 2015). Pridobivanje železa. Vzpostavljeno iz: chem.libretexts.org