Характеристики железа (химического элемента), химическая структура, применение



железо представляет собой переходный металл, расположенный в группе VIIIB или 8 периодической таблицы. Это один из металлов, который был известен с самых ранних времен. Китайцы, египтяне и римляне работали с этим металлом. Его легкое извлечение ознаменовало этап истории, известный как железный век.

Его название происходит от слова «ferrum» на латыни и, следовательно, от его химического символа «Вера». Это очень реактивный элемент, поэтому его серебряный блеск обычно не встречается в природе. В древние времена этот металл был каталогизирован с ценностью выше, чем у золота из-за его предполагаемого дефицита.

Его чистая форма была обнаружена в районах Гренландии и в магматических породах почв России. В сидерическом пространстве считается, что он является обильным компонентом в метеоритах, которые после воздействия на Землю некоторые сохранили кристаллизованное железо в своих каменистых грудях..

Но более важными, чем чистое железо, являются его соединения; особенно его оксиды. Эти оксиды покрывают поверхность Земли большим количеством минералов, таких как магнетит, пирит, гематит, гетит и многие другие. Фактически окраски, наблюдаемые в марсианских горах и пустынях, в значительной степени обусловлены гематитом.

Железные предметы можно найти внутри городов или полей. Те, у кого нет защитной пленки, становятся красноватыми, потому что они разъедают влагу и кислород. Другие, как фонарь основного изображения, остаются серыми или черными.

Предполагается, что существует огромная концентрация этого металла в ядре Земли. Настолько, что в жидком состоянии, продукт высоких температур, он может быть ответственным за магнитное поле Земли.

С другой стороны, железо не только дополняет оболочку нашей планеты, но и является частью питательных веществ, необходимых живым существам. Например, необходимо транспортировать кислород к тканям.

индекс

  • 1 Характеристики железа
    • 1.1 Точки плавления и кипения
    • 1.2 Плотность
    • 1.3 Изотопы
    • 1.4 Токсичность
  • 2 Химические свойства
    • 2.1 Цвета его соединений
    • 2.2 Окислительные состояния
    • 2.3 Окисляющие и восстанавливающие агенты
  • 3 Химическая структура
  • 4 Использование / применение
    • 4.1 Структурный
    • 4.2 Биологический
  • 5 Как вы получаете?
    • 5.1 Реакции внутри печей
  • 6 Ссылки

Характеристики железа

Чистое железо имеет свои особенности, которые отличают его от минералов. Это блестящий сероватый металл, который реагирует с кислородом и влагой в воздухе, превращаясь в соответствующий оксид. Если бы в атмосфере не было кислорода, все украшения и железные конструкции остались бы целыми и свободными от красной ржавчины..

Он обладает высокой механической прочностью и твердостью, но в то же время он податлив и пластичен. Это позволяет кузнецам ковать детали с многочисленными формами и конструкциями, подвергая железные массы воздействию высоких температур. Это также хороший проводник тепла и электричества.

Кроме того, одной из его самых ценных особенностей является взаимодействие с магнитами и способность намагничивать. Широкой публике было дано множество демонстраций влияния магнитов на движение стружки, а также для демонстрации магнитного поля и полюсов магнита..

Точки плавления и кипения

Железо плавится при температуре 1535ºC и кипит при 2750ºC. В жидкой и раскаленной форме этот металл получается. Кроме того, его теплота плавления и испарения составляет 13,8 и 349,6 кДж / моль..

плотность

Его плотность 7,86 г / см3. То есть 1 мл этого металла весит 7,86 грамма..

изотопы

В периодической таблице, в частности в группе 8 периода 4, обнаруживается железо с атомной массой приблизительно 56u (26 протонов, 26 электронов и 30 нейтронов). Однако в природе существуют три других стабильных изотопа железа, то есть они имеют одинаковое количество протонов, но разные атомные массы.

56Вера является наиболее распространенным из всех (91,6%), а затем 54Вера (5,9%), 57Fe (2,2%) и, наконец, 58Вера (0,33%). Именно эти четыре изотопа составляют все железо, содержащееся на планете Земля. В других условиях (внеземных) эти проценты могут варьироваться, но, возможно, 56Вера продолжает быть самой распространенной.

Другие изотопы, атомные массы которых колеблются между 46 и 69u, очень нестабильны и имеют более короткие периоды полураспада, чем четыре только что упомянутых.

токсичность

Прежде всего, это нетоксичный металл. В противном случае потребуются специальные обработки (химические и физические), а неизмеримые объекты и здания будут представлять скрытый риск для окружающей среды и жизни..

Химические свойства

Электронная конфигурация железа - [Ar] 3d64s2, Это означает, что он вносит два электрона с его 4-й орбитали и шесть с 3-й орбитали для образования его металлических связей внутри кристалла. Именно эта кристаллическая структура объясняет некоторые свойства, такие как ферромагнетизм.

Кроме того, электронная конфигурация поверхностно предсказывает стабильность его катионов. Когда железо теряет два своих электрона, Fe2+, остается с конфигурацией [Ar] 3d6 (Предполагая, что орбиталь 4s - это то место, откуда берутся эти электроны). Хотя, если вы потеряете три электрона, Вера3+, его конфигурация [Ar] 3d5.

Экспериментально было показано, что многие ионы с конфигурацией nd-валентности5 Они очень стабильны. Следовательно, железо имеет тенденцию окисляться против электроноприемных частиц, превращаясь в катион железа Fe3+; и в менее окислительной среде, в катионе железа Fe2+.

Затем в среде с небольшим присутствием кислорода ожидается преобладание соединений железа. PH также влияет на степень окисления железа, так как в очень кислых средах благоприятствует его превращение в Fe3+.

Цвета его соединений

Вера2+ в растворе зеленоватый, а вера3+, мягкой фиалки. Аналогично, соединения железа могут иметь зеленый или красный цвета в зависимости от того, какой катион присутствует и какие ионы или молекулы окружают их.

Нюансы зеленого изменения в соответствии с электронной средой Веры2+. Таким образом, FeO, оксид железа, является очень темно-зеленым твердым веществом; в то время как FeSO4, сульфат железа, имеет светло-зеленые кристаллы. Другие соединения Fe2+ они могут даже иметь голубоватые тона, как в случае прусского синего.

Так же бывает с фиолетовыми оттенками веры3+ в его соединениях, которые могут стать красноватыми. Например, гематит, вера2О3, окись, ответственная за многие железки, выглядит красноватой.

Однако значительное количество соединений железа бесцветны. Хлорид железа, FeCl3, Это бесцветно, потому что Вера3+ Это действительно не найдено в ионной форме, но формирует ковалентные связи (Fe-Cl).

Другие соединения на самом деле представляют собой сложные смеси катионов Fe2+ и вера3+. Их цвета всегда будут зависеть от того, какие ионы или молекулы взаимодействуют с железом, хотя, как уже упоминалось, подавляющее большинство, как правило, голубоватого, фиолетового, красноватого (даже желтого) или темно-зеленого цвета..

Окислительные состояния

Как объяснено, железо может иметь степень окисления или валентность +2 или +3. Однако также возможно, что он участвует в некоторых соединениях с валентностью 0; то есть, что не терпит потери электронов.

В этом типе соединений железо участвует в своей сырой форме. Например, Fe (CO)5, Пентакарбонил железа состоит из масла, полученного нагреванием пористого железа с окисью углерода. Молекулы СО располагаются в отверстиях жидкости, Fe координируется с пятью из них (Fe-C≡O)..

Окисляющие и восстанавливающие агенты

Какой из катионов, Вера2+ о вера3+, Они ведут себя как окислитель или восстановитель? Вера2+ в кислой среде или в присутствии кислорода теряет электрон, чтобы стать Fe3+; следовательно, это восстановитель:

вера2+ => Вера3+ + и-

И вера3+ он ведет себя как окислитель в основной среде:

вера3+ + и- => Вера2+

Или даже:

вера3+ + 3e- => Вера

Химическая структура

Железо образует полиморфные твердые вещества, то есть его металлические атомы могут принимать различные кристаллические структуры. При комнатной температуре его атомы кристаллизуются в унитарной единице ОЦК: кубический центр в теле (Кубический центр тела). Эта твердая фаза известна как феррит, Fe α.

Такая ОЦК структура может быть связана с тем, что железо имеет конфигурацию металла6, с электронной четырехэлектронной вакансией.

Когда температура увеличивается, атомы Fe вибрируют из-за теплового эффекта и принимают после 906 ° C компактную кубическую структуру ccp:Кубик Ближайший Упакованный). Это Fe γ, который возвращается в фазу Fe α при температуре 1401ºC. После этой температуры железо плавится при 1535ºC.

А как насчет увеличения давления? Когда он увеличивается, он заставляет атомы кристалла «сдавливаться» в более плотную структуру: Fe β. Этот полиморф имеет компактную гексагональную структуруГексагональная закрытая упаковка).

Использование / приложения

структурный

Одно только железо имеет несколько применений. Однако, когда он покрыт другим металлом (или сплавом, таким как олово), он защищен от коррозии. Таким образом, железо является строительным материалом, присутствующим в зданиях, мостах, воротах, статуях, автомобилях, машинах, трансформаторах и т. Д..

При добавлении небольших количеств углерода и других металлов их механические свойства усиливаются. Эти типы сплавов известны как стали. Стали строят практически все отрасли промышленности и их материалы.

С другой стороны, железо, смешанное с другими металлами (некоторые из редких земель), использовалось для изготовления магнитов, используемых в электронном оборудовании..

биологический

Железо играет важную роль в жизни. В нашем организме он входит в состав некоторых белков, в том числе фермент гемоглобин.

Без гемоглобина, переносчик кислорода благодаря металлическому Fe-центру3+, кислород не может быть перенесен в разные области тела, потому что в воде он очень нерастворим.

Гемоглобин проходит через кровь к мышечным клеткам, где pH является кислым, и повышенные концентрации CO в изобилии2. Здесь происходит обратный процесс, то есть кислород выделяется из-за условий и его низкой концентрации в этих клетках. Этот фермент может транспортировать в общей сложности четыре молекулы O2.

Как вы получаете?

Благодаря своей реакционной способности он находится в земной коре с образованием оксидов, сульфидов или других минералов. Поэтому некоторые из них можно использовать в качестве сырья; все будет зависеть от затрат и трудностей с восстановлением железа в его химической среде.

В промышленности восстановление оксидов железа более целесообразно, чем его сульфидов. Гематит и магнетит, Fe3О4, являются основными источниками этого металла, которые реагируют с углеродом (в виде кокса).

Железо, полученное этим способом, является жидким и раскаленным, и его выгружают в слитки слитков (например, лавовый каскад). Также могут образовываться большие количества газов, которые могут быть вредными для окружающей среды. Следовательно, получение железа предполагает рассмотрение многих факторов.

Реакции внутри духовок

Не называя детали их извлечения и транспортировки, эти оксиды движутся вместе с коксом и известняком (CaCO3б) доменные печи. Извлеченные оксиды содержат все виды примесей, которые реагируют с СаО, выделяющимся при термическом разложении СаСО.3.

После загрузки партии сырья в печь в ее нижней части проходит поток воздуха при 2000ºC, который сгорает кокс до окиси углерода:

2C (s) + O2(г) => 2CO (г) (2000ºC)

Этот СО поднимается до верхней части печи, где он встречает гематит и снижает его:

3Fe2О3(s) + CO (г) => 2Fe3О4(s) + CO2(г) (200 ° С)

В магнетите есть ионы железа2+, Продукты восстановления Fe3+ с CO. Затем этот продукт продолжает снижаться с увеличением CO:

вера3О4(s) + CO (г) => 3FeO (s) + CO2(г) (700ºC)

Наконец, FeO превращается в металлическое железо, которое плавится из-за высоких температур печи:

FeO (s) + CO (г) => Fe (s) + CO2(G)

Faith (s) => Faith (l)

В то же время CaO реагирует с силикатами и примесями, образуя так называемый жидкий шлак. Этот шлак менее плотный, чем жидкое железо, поэтому он плавает над ним, и обе фазы могут быть разделены.

ссылки

  1. Национальный центр научных ресурсов. (Н.Д.). Железо. Получено из: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Корабль. (Н.Д.). Железо. Получено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. Б. Калверт. (Декабрь 2003 г.) Железо: Металл Марса дает нам магнетизм и жизнь. Получено от: mysite.du.edu
  4. Периодическая таблица Chemicole. (6 октября 2012 г.) Железо. Получено с: chemicool.com
  5. Баланс. (Н.Д.). Металлический профиль: железо. Взято из: thebalance.com
  6. Дрожь и Аткинс. (2008). Неорганическая химия (четвертое издание). Mc Graw Hill.
  7. Кларк Дж. (29 ноября 2015 г.). Добыча железа. Получено от: chem.libretexts.org