Dzelzs (ķīmiskā elementa) īpašības, ķīmiskā struktūra, izmantošana

The dzelzs ir pārejas metāls, kas atrodas periodiskās tabulas VIIIB vai 8. grupā. Tas ir viens no metāliem, kas ir pazīstams jau no agrākajiem laikiem. Ķīnieši, ēģiptieši un romieši strādāja ar šo metālu. Tās viegla ieguve iezīmēja vēstures posmu, kas pazīstams kā dzelzs laikmets.

Tās nosaukums izriet no vārda “ferrum” latīņu valodā un līdz ar to ķīmiskā simbola Faith, kas ir ļoti reaktīvs elements, tāpēc tās sudraba spīdums parasti nav sastopams dabā. Senajos laikos šis metāls faktiski bija kataloģizēts ar vērtību, kas augstāka par zeltu tā paredzamā trūkuma dēļ.

Tās tīrā forma ir atrodama Grenlandes reģionos un Krievijas augsnes akmeņos. Siderālajā telpā tiek uzskatīts, ka tā ir bagātīga meteorītu sastāvdaļa, kas pēc tam, kad ietekmējusi Zemi, ir saglabājuši kristalizēto dzelzi to akmeņainajās krūtīs..

Bet, svarīgāk nekā tīra dzelzs, ir tās savienojumi; jo īpaši tās oksīdi. Šie oksīdi pārklāj zemes virsmu ar lielu minerālu grupu, piemēram, magnetītu, pirītu, hematītu, goetītu un daudz ko citu. Faktiski Marsa kalnos un tuksnesī novērotās krāsas ir lielā mērā saistītas ar hematītu.

Dzelzs priekšmetus var atrast pilsētās vai laukos. Tie, kuriem nav aizsargplēves, kļūst sarkanīgi, jo tie ir mitruma un skābekļa korozijas dēļ. Citi, tāpat kā galvenā attēla laterna, paliek pelēki vai melni.

Tiek lēsts, ka šī metāla masa koncentrējas Zemes kodolā. Tik daudz, ka šķidrā stāvoklī, augstas temperatūras produkts, tas var būt atbildīgs par Zemes magnētisko lauku.

No otras puses, dzelzs ne tikai papildina mūsu planētas čaulu, bet arī ir daļa no uzturvielām, ko prasa dzīvās būtnes. Piemēram, ir nepieciešams transportēt skābekli audos.

Indekss

• 1 Dzelzs raksturojums
  • 1.1. Kušanas un viršanas punkti
  • 1.2 Blīvums
  • 1.3 Izotopi
  • 1.4 Toksicitāte
• 2 Ķīmiskās īpašības
  • 2.1. To savienojumu krāsas
  • 2.2 Oksidācijas stāvokļi
  • 2.3 Oksidējošie un reducējošie līdzekļi
• 3 Ķīmiskā struktūra
• 4 Lietojumi / lietojumi
  • 4.1. Strukturālā
  • 4.2 Bioloģiskā
• 5 Kā jūs saņemsiet?
  • 5.1 Reakcijas krāsnī
• 6 Atsauces

Dzelzs raksturojums

Tīram dzelzs raksturam ir savas īpašības, kas to atšķir no minerālvielām. Tas ir spīdīgs, pelēcīgs metāls, kas reaģē ar skābekli un mitrumu gaisā, lai pārveidotos par atbilstošo oksīdu. Ja atmosfērā nebūtu skābekļa, visi rotājumi un dzelzs konstrukcijas paliktu neskartas un bez sarkanās rūsas..

Tam ir augsta mehāniskā izturība un cietība, bet tajā pašā laikā tas ir kaļams un kaļams. Tas ļauj kalējiem veidot gabalus ar daudzām formām un dizainu, pakļaujot dzelzs masas intensīvai temperatūrai. Tas ir arī labs siltuma un elektrības vadītājs.

Turklāt viena no tās vērtīgākajām iezīmēm ir tā mijiedarbība ar magnētiem un tā spēju magnēt. Plašai sabiedrībai ir sniegti daudzi demonstrējumi par to, kā magnēti ietekmē dzelzs skaidas, kā arī demonstrē magnētisko lauku un magnēta stabus..

Kausēšanas un viršanas punkti

Dzelzs kūst 1535 ° C temperatūrā un vārās pie 2750 ° C. Šķidruma un kvēlspuldzes veidā tiek iegūts šis metāls. Turklāt tā sildīšanas un iztvaikošanas temperatūra ir 13,8 un 349,6 kJ / mol.

Blīvums

Tās blīvums ir 7,86 g / cm³. Tas ir, ka 1 ml šī metāla sver 7,86 gramus.

Izotopi

Periodiskajā tabulā, īpaši 4. perioda 8. grupā, tiek atrasts dzelzs, kura atomu masa ir aptuveni 56u (26 protoni, 26 elektroni un 30 neitroni). Tomēr dabā ir trīs citi stabili dzelzs izotopi, tas ir, tiem ir tāds pats protonu skaits, bet atšķirīgas atomu masas.

The ⁵⁶Ticība ir vislielākā no visiem (91,6%), kam seko ⁵⁴Ticība (5,9%), ⁵⁷Fe (2,2%) un visbeidzot ⁵⁸Ticība (0,33%). Šie četri izotopi veido visu planētu Zeme saturošo dzelzi. Citos apstākļos (ārpuszemes) šie procenti var atšķirties, bet iespējams, ka ⁵⁶Ticība joprojām ir visvairāk bagāta.

Citi izotopi, kuru atomu masa svārstās no 46 līdz 69u, ir ļoti nestabili un tiem ir īsāks pussabrukšanas periods nekā četriem tikko minētajiem..

Toksicitāte

Virs visām iezīmēm tas ir netoksisks metāls. Pretējā gadījumā būtu nepieciešama īpaša apstrāde (ķīmiskā un fiziskā), un neizmērojami objekti un ēkas varētu radīt slēptu risku videi un dzīvībai..

Ķīmiskās īpašības

Dzelzs elektroniskā konfigurācija ir [Ar] 3d⁶4s², tas nozīmē, ka tas veicina divus elektronus no 4s orbitālā un sešus no 3D orbitālēm, lai veidotu kristāla metāla saites. Tieši šī kristāliskā struktūra izskaidro dažas īpašības, piemēram, feromagnētismu.

Arī elektroniskā konfigurācija virspusēji prognozē katjonu stabilitāti. Kad dzelzs zaudē divus elektronus, Fe²⁺, paliek ar konfigurāciju [Ar] 3d⁶ (pieņemot, ka 4s orbitāls ir tas, no kura šie elektroni nāk). Kamēr jūs zaudējat trīs elektronus, Ticība³⁺, tās konfigurācija ir [Ar] 3d⁵.

Eksperimentāli ir pierādīts, ka daudzi joni ar nd valences konfigurāciju⁵ Tie ir ļoti stabili. Tāpēc dzelzs mēdz oksidēties pret elektronu uztverošām sugām, lai kļūtu par Fe dzelzs katjonu³⁺; un mazāk oksidējošā vidē, dzelzs katjonā Fe²⁺.

Tad vidē ar nelielu skābekļa klātbūtni ir sagaidāms, ka melnie savienojumi dominē. PH ietekmē arī dzelzs oksidācijas stāvokli, jo ļoti skābā vidē tiek veicināta tā transformācija uz Fe³⁺.

To savienojumu krāsas

Ticība²⁺ šķīdumā ir zaļgani un ticība³⁺, mīksts violets. Tāpat dzelzs savienojumiem var būt zaļas vai sarkanas krāsas atkarībā no tā, kādi katjoni ir, un kādiem joniem vai molekulām tās ir.

Zaļās izmaiņas nianses saskaņā ar Faith elektronisko vidi²⁺. Tādējādi FeO, dzelzs oksīds, ir ļoti tumši zaļa cieta viela; kamēr FeSO₄, dzelzs sulfātam ir gaiši zaļi kristāli. Citi Fe savienojumi²⁺ tiem var būt pat zilgani toņi, kā tas ir Prūsijas zilā krāsā.

Tas notiek arī ar ticības violetajiem toņiem³⁺ tās savienojumos, kas var kļūt sarkanīgi. Piemēram, hematīts, Ticība₂O₃, oksīds, kas ir atbildīgs par daudziem dzelzs gabaliem, izskatās sarkanīgi.

Tomēr ievērojams skaits dzelzs savienojumu ir bezkrāsaini. Dzelzs hlorīds, FeCl₃, Tas ir bezkrāsains, jo ticība³⁺ Tas tiešām nav atrodams jonu formā, bet veidojot kovalentās saites (Fe-Cl).

Citi savienojumi faktiski ir sarežģīti Fe katjonu maisījumi²⁺ un Ticība³⁺. To krāsas vienmēr būs atkarīgas no tā, ar joniem vai molekulām mijiedarbojas ar dzelzi, lai gan, kā jau minēts, lielākā daļa mēdz būt zilgana, violeta, sarkanīga (pat dzeltena) vai tumši zaļa.

Oksidācijas stāvokļi

Kā paskaidrots, dzelzs oksidācijas stāvoklis vai valence var būt +2 vai +3. Tomēr ir arī iespējams, ka tā piedalās dažos savienojumos ar valenci 0; tas nozīmē, ka tam nav nekādu elektronu zudumu.

Šāda veida savienojumos dzelzs piedalās neapstrādātā veidā. Piemēram, Fe (CO)₅, Dzelzs pentakarbonilgrupa sastāv no eļļas, ko iegūst, karsējot porainu dzelzi ar oglekļa monoksīdu. CO molekulas tiek ievadītas šķidruma caurumos, un Fe tiek saskaņota ar pieciem no tiem (Fe-C≡O)..

Oksidējoši un reducējošie līdzekļi

Kurš no katjoniem, Ticība²⁺ o Ticība³⁺, Vai tie darbojas kā oksidētājs vai reducētājs? Ticība²⁺ skābā vidē vai skābekļa klātbūtnē zaudē elektronu, lai kļūtu par Fe³⁺; tādēļ tas ir reducētājs:

Ticība²⁺ => Ticība³⁺ + e^-

Un Ticība³⁺ tas darbojas kā oksidētājs pamata barotnē:

Ticība³⁺ + e^- => Ticība²⁺

Vai pat:

Ticība³⁺ + 3e^- => Ticība

Ķīmiskā struktūra

Dzelzs veido polimorfas cietvielas, tas ir, tā metāla atomi var pieņemt dažādas kristāliskas struktūras. Telpas temperatūrā tā atomi kristalizējas vienotajā vienībā bcc: kubiskais centrēts ķermenī (Ķermeņa centrēta kubika). Šī cietā fāze ir pazīstama kā ferīts, Fe α.

Šī bcc struktūra var būt saistīta ar to, ka dzelzs ir metāla konfigurācija⁶, ar elektronisko četru elektronu vakanci.

Palielinoties temperatūrai, Fe atomi vibrē termiskā efekta dēļ un pēc 906 ° C pieņem kompaktu kubikmetru ccp struktūru:Cubic Closest Packed). Tas ir Fe γ, kas atgriežas pie Fe α fāzes 1401ºC temperatūrā. Pēc šīs temperatūras dzelzs kūst 1535ºC temperatūrā.

Un kā ar spiediena pieaugumu? Palielinoties, kristāla atomi piespiež "saspiest" blīvākā struktūrā: Fe β. Šim polimorfam ir kompakts hcp: sešstūra struktūra (Sešstūra slēgts iepakojums).

Lietojumi / lietojumi

Strukturālā

Tikai ar dzelzi ir maz pieteikumu. Tomēr, ja tas ir pārklāts ar citu metālu (vai sakausējumu, piemēram, alvu), tas ir pasargāts no korozijas. Tādējādi dzelzs ir celtniecības materiāls, kas atrodas ēkās, tiltos, vārtos, statuēs, automašīnās, mašīnās, transformatoros utt..

Ja pievieno nelielu daudzumu oglekļa un citu metālu, to mehāniskās īpašības tiek pastiprinātas. Šāda veida sakausējumi ir pazīstami kā tēraudi. Tēraudi būvē gandrīz visas nozares un to materiālus.

No otras puses, dzelzs, kas sajaukts ar citiem metāliem (dažiem retzemju metāliem), tika izmantots elektronisko iekārtu magnētu ražošanai..

Bioloģiskā

Dzelzs spēlē būtisku lomu dzīvē. Mūsu ķermenī tā ir daļa no dažiem proteīniem, ieskaitot hemoglobīna fermentu.

Bez hemoglobīna, skābekļa nesējs, pateicoties tā metāliskajam Fe centram³⁺, skābekli nevarēja transportēt uz dažādiem ķermeņa reģioniem, jo ​​ūdenī tas ir ļoti nešķīstošs.

Hemoglobīns ceļo caur asinīm muskuļu šūnās, kur pH ir skābe, un lielākas CO koncentrācijas ir daudz₂. Šeit notiek pretējs process, tas ir, skābeklis tiek atbrīvots apstākļu un zemās koncentrācijas dēļ šajās šūnās. Šis enzīms var transportēt kopā četras O molekulas₂.

Kā jūs saņemsiet?

Tā reaktivitātes dēļ tas ir atrodams zemes garozā, veidojot oksīdus, sulfīdus vai citus minerālus. Tāpēc dažas no tām var izmantot kā izejvielas; viss būs atkarīgs no izmaksām un grūtībām samazināt dzelzi tā ķīmiskajā vidē.

Rūpnieciski dzelzs oksīdu samazinājums ir vairāk realizējams nekā tā sulfīdi. Hematīts un magnetīts, Fe₃O₄, ir šī metāla galvenie avoti, kas reaģē ar oglekli (koksa formā).

Ar šo metodi iegūtais dzelzs ir šķidrs un kvēlspuldze, un tas tiek iztukšots lietņu stieņos (piemēram, lavas kaskādē). Var veidoties arī liels gāzes daudzums, kas var kaitēt videi. Tāpēc dzelzs iegūšana ietver daudzu faktoru ņemšanu vērā.

Reakcijas krāsnī

Nenorādot informāciju par to ieguvi un transportēšanu, šie oksīdi pārvietojas kopā ar koksu un kaļķakmeni (CaCO₃) domnas. Ekstraktiem oksīdiem piemīt visa veida piemaisījumi, kas reaģē ar CaO, kas atbrīvojas no CaCO termiskās sadalīšanās₃.

Pēc tam, kad izejmateriālu partiju uzlādēja krāsnī, apakšējā daļā ir gaisa plūsma 2000ºC temperatūrā, kas sadedzina koksu uz oglekļa monoksīdu:

2C (s) + O₂(g) => 2CO (g) (2000ºC)

Šis CO palielinās līdz krāsns augšdaļai, kur tas atbilst hematītam un samazina to:

3Fe₂O₃(s) + CO (g) => 2Fe₃O₄s) CO₂(g) (200 ° C)

Magnetītā ir Fe joni²⁺, Fe samazināšanas produkti³⁺ ar CO. Pēc tam šo produktu turpina samazināt ar vairāk CO:

Ticība₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(g) (700ºC)

Visbeidzot, FeO tiek samazināts līdz metāliskajam dzelzs, kas kūst augstās temperatūras dēļ krāsnī:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(g)

Ticība (s) => Ticība (l)

Tajā pašā laikā CaO reaģē ar silikātiem un piemaisījumiem, veidojot to, ko sauc par šķidro izdedžu. Šis izdedžs ir mazāk blīvs nekā šķidrā dzelzs, tāpēc tas peld virs tā un abas fāzes var atdalīt.

Atsauces

1. Nacionālais zinātnes resursu centrs. (s.f.). Dzelzs. Saturs iegūts no: propertiesofmatter.si.edu
2. R Kuģis. (s.f.). Dzelzs. Saturs iegūts no: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. B. Calvert. (2003. gada decembris). Dzelzs: Marsa metāls dod mums magnētismu un dzīvi. Saturs iegūts no: mysite.du.edu
4. Ķīmiskās vielas periodiskā tabula. (2012. gada 6. oktobris). Dzelzs. Saturs iegūts no: chemicool.com
5. Atlikums. (s.f.). Metāla profils: dzelzs. No: thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija (ceturtais izdevums). Mc Graw kalns.
7. Clark J. (2015. gada 29. novembris). Dzelzs ieguve. Saturs iegūts no: chem.libretexts.org