Vlastnosti železa (chemický prvok), chemická štruktúra, použitie



železo "R" je prechodný kov umiestnený v skupine VIIIB alebo 8 periodickej tabuľky. Je to jeden z kovov, ktorý si je vedomý od najstarších čias. Číňania, Egypťania a Rimania pracovali s týmto kovom. Jeho ľahká extrakcia znamenala štádium histórie známe ako doba železná.

Jeho názov pochádza zo slova „ferrum“ v latinčine, a teda jeho chemického symbolu Faith, je to veľmi reaktívny prvok, takže jeho strieborný lesk sa zvyčajne nenachádza v prírode. V dávnych dobách bol tento kov v skutočnosti katalogizovaný s hodnotou vyššou ako hodnota zlata v dôsledku jeho predpokladaného nedostatku.

Jeho čistá forma sa nachádza v oblastiach Grónska a vo vyvrelých horninách pôd Ruska. V hviezdnom priestore sa predpokladá, že je to hojná zložka v meteoritoch, ktoré po dopade na Zem si niektoré zachovali kryštalizované železo v skalnatých prsiach..

Ale dôležitejšie ako čisté železo sú jeho zlúčeniny; najmä jeho oxidy. Tieto oxidy pokrývajú zemský povrch veľkou skupinou minerálov, ako sú magnetit, pyrit, hematit, goetit a mnoho ďalších. V skutočnosti, zafarbenia pozorované v marťanských horách a púšti sú z veľkej časti spôsobené hematitom.

Železné predmety sa nachádzajú vo vnútri miest alebo polí. Tí, ktorí nemajú ochranný film, sú načervenalé, pretože korodujú vlhkosť a kyslík. Iní, podobne ako lucerna hlavného obrazu, zostávajú sivé alebo čierne.

Odhaduje sa, že v jadre Zeme existuje obrovská koncentrácia tohto kovu. Toľko, že v tekutom stave, produkt vysokých teplôt, môže byť zodpovedný za magnetické pole Zeme.

Na druhej strane železo nielenže dopĺňa škrupinu našej planéty, ale je aj súčasťou živín potrebných pre živé bytosti. Napríklad je potrebné transportovať kyslík do tkanív.

index

  • 1 Charakteristika železa
    • 1.1 Teplota topenia a varu
    • 1.2 Hustota
    • 1.3 Izotopy
    • 1.4 Toxicita
  • 2 Chemické vlastnosti
    • 2.1 Farby jej zlúčenín
    • 2.2 Oxidačné stavy
    • 2.3 Oxidačné a redukčné činidlá
  • 3 Chemická štruktúra
  • 4 Použitie / aplikácie
    • 4.1 Štrukturálne
    • 4.2 Biologické
  • 5 Ako sa dostanete?
    • 5.1 Reakcie vo vnútri pecí
  • 6 Referencie

Vlastnosti železa

Čisté železo má svoje vlastné vlastnosti, ktoré ho odlišujú od minerálov. Je to lesklý, sivastý kov, ktorý reaguje s kyslíkom a vlhkosťou vo vzduchu a transformuje sa na zodpovedajúci oxid. Ak by v atmosfére nebol žiadny kyslík, všetky ozdoby a železné štruktúry by zostali nedotknuté a bez červenej hrdze..

Má vysokú mechanickú pevnosť a tvrdosť, ale zároveň je kujný a tvárný. To umožňuje kováčom kovať kusy s mnohými tvarmi a vzormi, ktoré vystavujú masy železa intenzívnym teplotám. Je tiež dobrým vodičom tepla a elektriny.

Okrem toho je jedným z jeho najcennejších rysov jeho interakcia s magnetmi a jeho schopnosť magnetizovať. Široká verejnosť dostala mnoho demonštrácií o účinku magnetov na pohyb železných hoblín a tiež na demonštrovanie magnetického poľa a pólov magnetu..

Teplota topenia a varu

Železo sa topí pri teplote 1535 ° C a varí pri 2750 ° C. V kvapalnej a žeravej forme sa získa tento kov. Okrem toho sú jeho teploty tavenia a odparovania 13,8 a 349,6 kJ / mol.

hustota

Jeho hustota je 7,86 g / cm3. To znamená, že 1 ml tohto kovu má hmotnosť 7,86 gramu.

izotopy

V periodickej tabuľke, konkrétne v skupine 8 periódy 4, sa nachádza železo s atómovou hmotnosťou približne 56u (26 protónov, 26 elektrónov a 30 neutrónov). V prírode však existujú tri ďalšie stabilné izotopy železa, to znamená, že majú rovnaký počet protónov, ale rôzne atómové hmotnosti..

56Viera je najhojnejšia zo všetkých (91,6%), po ktorej nasleduje 54Viera (5,9%), 57Fe (2,2%) a nakoniec 58Viera (0,33%). Sú to tieto štyri izotopy, ktoré tvoria celé železo obsiahnuté na planéte Zem. V iných podmienkach (mimozemský) sa tieto percentá môžu líšiť, ale možno aj 56Viera je stále najhojnejšia.

Iné izotopy, s atómovými hmotnosťami oscilujúcimi medzi 46 a 69u, sú veľmi nestabilné a majú kratšie polčasy než štyri práve uvedené.

toxicity

Nad všetkými funkciami ide o netoxický kov. V opačnom prípade by sa vyžadovalo špeciálne ošetrenie (chemické a fyzikálne) a nezmerateľné predmety a budovy by predstavovali skryté riziko pre životné prostredie a život..

Chemické vlastnosti

Elektronická konfigurácia železa je [Ar] 3d64s2, čo znamená, že na vytvorenie svojich kovových väzieb v kryštáli prispieva dvoma elektrónmi zo svojho 4s orbitálu a šiestimi z 3d orbitálov. Táto kryštalická štruktúra vysvetľuje niektoré vlastnosti, ako je feromagnetizmus.

Elektronická konfigurácia tiež povrchne predpovedá stabilitu svojich katiónov. Keď železo stráca dva z jeho elektrónov, Fe2+, zostáva s konfiguráciou [Ar] 3d6 (za predpokladu, že 4s orbital je miesto, odkiaľ pochádzajú tieto elektróny). Kým ak stratíte tri elektróny, Faith3+, jeho konfigurácia je [Ar] 3d5.

Experimentálne sa ukázalo, že mnoho iónov s valenčnou konfiguráciou5 Sú veľmi stabilné. Preto má železo tendenciu oxidovať proti elektron-prijímajúcim druhom, aby sa stal Fe železitým katiónom3+; a v menej oxidačnom prostredí vo železnatom katióne Fe2+.

Potom sa očakáva, že v médiu s malou prítomnosťou kyslíka budú prevládať železnaté zlúčeniny. PH tiež ovplyvňuje oxidačný stav železa, pretože vo veľmi kyslom prostredí sa uprednostňuje jeho transformácia na Fe3+.

Farby jej zlúčenín

Viera2+ v roztoku je nazelenalý a viera3+, mäkkej fialovej. Podobne zlúčeniny železa môžu mať zelené alebo červené farby v závislosti od toho, aký katión je prítomný a ktoré ióny alebo molekuly ich obklopujú.

Zmeny zelene sa menia podľa elektronického prostredia Faith2+. FeO, oxid železnatý, je teda veľmi tmavo zelená pevná látka; zatiaľ čo FeSO4, síran železnatý, má svetlo zelené kryštály. Iné zlúčeniny Fe2+ môžu mať dokonca modrasté tóny, ako v prípade pruskej modrej.

Tiež sa to deje s fialovými odtieňmi viery3+ vo svojich zlúčeninách, ktoré sa môžu stať načervenalé. Napríklad hematit, Faith2O3, je oxid zodpovedný za veľa kusov železa vyzerať načervenalé.

Značný počet zlúčenín železa je však bezfarebný. Chlorid železitý, FeCl3, Je to bezfarebné, pretože viera3+ Naozaj sa nenachádza v iónovej forme, ale vytvára kovalentné väzby (Fe-Cl).

Ďalšie zlúčeniny sú v skutočnosti komplexné zmesi katiónov Fe2+ a viera3+. Ich farby budú vždy podriadené interakcii iónov alebo molekúl so železom, hoci, ako už bolo spomenuté, veľká väčšina má tendenciu byť modrastá, fialová, červenkastá (dokonca žltá) alebo tmavo zelená.

Oxidačné stavy

Ako bolo vysvetlené, železo môže mať oxidačný stav alebo valenciu +2 alebo +3. Je však tiež možné, že sa zúčastňuje na niektorých zlúčeninách s valenciou 0; to znamená, že netrpí žiadnou stratou elektrónov.

V tomto type zlúčenín sa železo podieľa na jeho surovej forme. Napríklad Fe (CO)5, Penta-karbonyl železa pozostáva z oleja získaného zahrievaním porézneho železa s oxidom uhoľnatým. Molekuly CO sú uložené v otvoroch kvapaliny, pričom Fe je koordinované s piatimi z nich (Fe-COO)..

Oxidačné a redukčné činidlá

Ktorý z katiónov, viera2+ o Viera3+, Správajú sa ako oxidačné alebo redukčné činidlo? Viera2+ v kyslom prostredí alebo v prítomnosti kyslíka stráca elektrón, aby sa stal Fe3+; preto ide o redukčné činidlo:

viera2+ => Viera3+ + a-

A viera3+ chová sa ako oxidačné činidlo v základnom médiu:

viera3+ + a- => Viera2+

Alebo dokonca:

viera3+ + 3e- => Viera

Chemická štruktúra

Železné formy polymorfných tuhých látok, to znamená, že jej atómy kovov môžu mať rôzne kryštalické štruktúry. Pri izbovej teplote jej atómy kryštalizujú v jednotkovej jednotke bcc: kubický stred v tele (Body Centered Cubic). Táto tuhá fáza je známa ako ferit, Fe a.

Táto štruktúra bcc môže byť spôsobená tým, že železo je kovová konfigurácia6, s elektronickým štvorelektrónovým neobsadením.

Keď sa teplota zvýši, atómy Fe vibrujú v dôsledku tepelného efektu a po 906 ° C prijmú kompaktnú kubickú štruktúru ccp:Cubic Closest Packed). Je to Fe γ, ktorý sa vracia do fázy Fe α pri teplote 1401 ° C. Po tejto teplote sa železo topí pri 1535 ° C.

A čo nárast tlaku? Keď sa zvyšuje, núti kryštálové atómy k "stlačeniu" do hustejšej štruktúry: Fe β. Tento polymorf má kompaktnú štruktúru hcp: hexagonal (Šesťhranný uzavretý obal).

Použitie / aplikácie

štrukturálne

Samotné železo má málo aplikácií. Keď je však potiahnutý iným kovom (alebo zliatinou, ako je cín), je chránený pred koróziou. Železo je teda stavebný materiál prítomný v budovách, mostoch, bránach, sochách, automobiloch, strojoch, transformátoroch atď..

Keď sa pridajú malé množstvá uhlíka a iných kovov, ich mechanické vlastnosti sa zosilnia. Tieto typy zliatin sú známe ako ocele. Ocele stavajú takmer všetky priemyselné odvetvia a ich materiály.

Na druhej strane sa železo zmiešané s inými kovmi (niektoré vzácne zeminy) používa na výrobu magnetov používaných v elektronických zariadeniach..

biologický

Železo zohráva zásadnú úlohu v živote. V našom tele je súčasťou niektorých proteínov, vrátane enzýmu hemoglobín.

Bez hemoglobínu, nosič kyslíka vďaka svojmu kovovému centru Fe3+, kyslík nemohol byť transportovaný do rôznych oblastí tela, pretože vo vode je veľmi nerozpustný.

Hemoglobín prechádza krvou do svalových buniek, kde pH je kyslé a vyššie koncentrácie CO sú hojné2. Tu dochádza k obrátenému procesu, to znamená, že kyslík sa uvoľňuje v dôsledku podmienok a jeho nízkej koncentrácie v týchto bunkách. Tento enzým môže transportovať celkom štyri O molekuly2.

Ako sa dostanete?

Vďaka svojej reaktivite sa nachádza v zemskej kôre tvoriacej oxidy, sulfidy alebo iné minerály. Preto niektoré z nich môžu byť použité ako surovina; všetko bude závisieť od nákladov a ťažkostí s redukciou železa v jeho chemickom prostredí.

Priemyselne je redukcia oxidov železa uskutočniteľnejšia ako jej sulfidy. Hematit a magnetit, Fe3O4, sú hlavným zdrojom tohto kovu, ktorý reaguje s uhlíkom (vo forme koksu).

Železo získané týmto spôsobom je kvapalné a žeravé a je vyprázdnené do ingotov ingotov (ako lávová kaskáda). Tiež sa môžu vytvoriť veľké množstvá plynov, ktoré môžu byť škodlivé pre životné prostredie. Získanie železa preto vyžaduje zváženie mnohých faktorov.

Reakcie v peciach

Bez uvedenia podrobností o ich ťažbe a preprave sa tieto oxidy pohybujú spolu s koksom a vápencom (CaCO)3) do vysokých pecí. Extrahované oxidy nesú všetky druhy nečistôt, ktoré reagujú s CaO uvoľneným z tepelného rozkladu CaCO3.

Po naplnení vsádzky suroviny do pece, v jej spodnej časti prebieha prúd vzduchu pri 2000 ° C, ktorý spaľuje koks na oxid uhoľnatý:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Tento CO stúpa na vrchol pece, kde spĺňa hematit a znižuje ho:

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

V magnetite sú ióny Fe2+, Produkty redukcie Fe3+ s CO. Tento produkt sa ďalej znižuje s viac CO:

viera3O4(s) + CO (g) => 3FeO + CO2(g) (700 ° C)

Nakoniec sa FeO končí redukciou na kovové železo, ktoré sa taví v dôsledku vysokých teplôt pece:

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

Viera (y) => Viera (l)

Kým súčasne CaO reaguje so silikátmi a nečistotami, vytvára sa takzvaná kvapalná troska. Táto troska je menej hustá ako kvapalné železo, preto sa nad ňou vznáša a obe fázy sa môžu oddeliť.

referencie

  1. Národné centrum zdrojov pre vedu. (N. D.). Železo. Zdroj: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Loď. (N. D.). Železo. Zdroj: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (December 2003). Železo: Kov Marsu nám dáva magnetizmus a život. Zdroj: mysite.du.edu
  4. Periodická tabuľka Chemicole. (6. októbra 2012). Železo. Zdroj: chemicool.com
  5. Zostatok. (N. D.). Kovový profil: Železo. Prevzaté z: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chémia (štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
  7. Clark J. (29. novembra 2015). Extrakcia železa. Zdroj: chem.libretexts.org