Характеристики на желязо (химичен елемент), химична структура, приложения

на желязо е преходен метал, разположен в група VIIIB или 8 на периодичната таблица. Това е един от металите, който е бил наясно от най-ранните времена. Китайците, египтяните и римляните работеха с този метал. Лесното му извличане бележи етап на историята, известна като желязната епоха.

Името му произлиза от думата "ferrum" на латински, а оттам и от химическия му символ Faith, който е много реактивен елемент, така че сребърният му блясък обикновено не се среща в природата. В древни времена този метал всъщност е бил каталогизиран със стойност, по-висока от тази на златото поради предполагаемата дефицитност.

Чистата му форма е намерена в районите на Гренландия и в магнителните скали на почвите на Русия. В звездното пространство се смята, че той е изобилен компонент в метеоритите, които след въздействието на Земята са запазили кристализираното желязо в техните скалисти гърди..

Но по-важни от чистото желязо са неговите съединения; особено неговите оксиди. Тези оксиди покриват земната повърхност с голямо семейство минерали, като магнетит, пирит, хематит, гетит и много други. Всъщност оцветяванията, наблюдавани в марсианските планини и пустини, се дължат до голяма степен на хематита.

Железните предмети могат да бъдат намерени в градовете или полетата. Онези, които нямат защитен филм, стават червеникави, защото корозират от влага и кислород. Други, като фенера на основното изображение, остават сиви или черни.

Смята се, че има огромна концентрация на този метал в ядрото на Земята. Дотолкова, че в течно състояние, продукт на високи температури, той може да бъде отговорен за магнитното поле на Земята.

От друга страна, желязото не само допълва черупката на нашата планета, но също така е част от хранителните вещества, необходими на живите същества. Например, необходимо е да се транспортира кислород до тъканите.

индекс

• 1 Характеристики на желязото
  • 1.1 Точки на топене и кипене
  • 1.2 Плътност
  • 1.3 Изотопи
  • 1.4 Токсичност
• 2 Химични свойства
  • 2.1 Цветове на неговите съединения
  • 2.2 Окислителни състояния
  • 2.3 Оксидиращи и редуциращи агенти
• 3 Химическа структура
• 4 Употреби / приложения
  • 4.1 Структурни
  • 4.2 Биологично
• 5 Как стигате?
  • 5.1 Реакции в пещите
• 6 Препратки

Характеристики на желязото

Чистото желязо има свои характеристики, които го отличават от минералите. Това е лъскав, сив метал, който реагира с кислород и влага във въздуха, за да се трансформира в съответния оксид. Ако нямаше кислород в атмосферата, всички орнаменти и железни конструкции щяха да останат непокътнати и без червена ръжда..

Той има висока механична якост и твърдост, но в същото време е ковък и еластичен. Това позволява на ковачите да изковават парчета с множество форми и дизайни, подлагащи железни маси на интензивни температури. Също така е добър проводник на топлина и електричество.

В допълнение, едно от най-ценните му характеристики е взаимодействието му с магнити и способността му да намагнетизира. На широката общественост са дадени много демонстрации на ефекта, който магнитите осигуряват върху движението на железни стружки, както и за демонстриране на магнитното поле и полюсите на магнит..

Точки на топене и кипене

Желязото се топи при температура 1535ºC и кипи при 2750ºC. В своята течна и нажежена форма този метал се получава. Освен това, топлината на сливането и изпаряването са 13,8 и 349,6 kJ / mol.

плътност

Неговата плътност е 7.86g / cm³. Това означава, че 1mL от този метал тежи 7.86 грама.

изотопи

В периодичната таблица, по-специално в група 8 от период 4, се намира желязо с атомна маса приблизително 56u (26 протона, 26 електрона и 30 неутрона). В природата обаче има три други стабилни изотопа на желязото, т.е. те имат еднакъв брой протони, но различни атомни маси..

на ⁵⁶Вярата е най-богата на всички (91,6%), следвана от нея ⁵⁴Вяра (5.9%), ⁵⁷Fe (2,2%) и накрая ⁵⁸Вяра (0.33%). Именно тези четири изотопа съставляват цялото желязо, съдържащо се в планетата Земя. При други условия (извънземен) тези проценти могат да варират, но евентуално могат да се различават ⁵⁶Вярата продължава да бъде най-изобилна.

Други изотопи, чиито атомни маси осцилират между 46 и 69 u, са много нестабилни и имат по-кратък период на полуразпад от четирите споменати изотопа..

токсичност

Преди всичко това е нетоксичен метал. В противен случай ще се изискват специални обработки (химически и физически), а неизмеримите обекти и сгради ще представляват скрит риск за околната среда и живота.

Химични свойства

Електронната конфигурация на желязото е [Ar] 3d⁶4s², което означава, че допринася два електрона от своите 4s орбитала и шест от 3-те орбитали, за образуването на металните му връзки в кристала. Именно тази кристална структура обяснява някои свойства като феромагнетизма.

Също така, електронната конфигурация повърхностно предсказва стабилността на нейните катиони. Когато желязото загуби два от електроните си, Fe²⁺, остава с конфигурация [Ar] 3d⁶ (ако приемем, че 4s орбиталата е откъде идват тези електрони). Докато загубите три електрона, Вярата³⁺, неговата конфигурация е [Ar] 3d⁵.

Експериментално е показано, че много йони с валентна конфигурация⁵ Те са много стабилни. Следователно, желязото има тенденция да окислява срещу приемащите електрони видове, за да стане Fe ферион катион³⁺; и в по-малко окислителна среда, в железния катион Fe²⁺.

След това в среда с малко присъствие на кислород се очаква да преобладават железни съединения. Стойността на рН също влияе на окислителното състояние на желязото, тъй като в много кисела среда тя е благоприятна за нейната трансформация в Fe³⁺.

Цветове на неговите съединения

Вярата²⁺ в разтвора е зеленикаво, а Вярата³⁺, мека виолетова. Също така, железните съединения могат да имат зелен или червен цвят в зависимост от това какъв катион присъства и кои йони или молекули ги заобикалят.

Нюансите на зеленото се променят според електронната среда на Вярата²⁺. Така, FeO, железен оксид, е много тъмнозелено твърдо вещество; докато FeSO₄, железен сулфат, има светлозелени кристали. Други Fe съединения²⁺ те могат дори да имат синкави тонове, както в случая с пруското синьо.

Това се случва и с виолетовите нюанси на Вярата³⁺ в неговите съединения, които могат да станат червеникави. Например хематит, Вяра₂О₃, Оксидът, отговорен за много парченца желязо, изглежда червеникав.

Значителен брой железни съединения обаче са безцветни. Железен хлорид, FeCl₃, Той е безцветен, защото Вярата³⁺ Наистина не се намира в йонна форма, а образува ковалентни връзки (Fe-Cl).

Други съединения са всъщност сложни смеси от Fe катиони²⁺ и Вяра³⁺. Цветовете им винаги ще бъдат обект на взаимодействие на йони или молекули с желязо, въпреки че, както е споменато, голяма част от тях са синкави, виолетови, червеникави (дори жълти) или тъмнозелени..

Състояния на окисляване

Както е обяснено, желязото може да има окислително състояние или валентност от +2, или +3. Възможно е също да участва в някои съединения с валентност 0; това е, че не страда от загуба на електрони.

В този тип съединения желязото участва в неговата сурова форма. Например Fe (CO)₅, Желязният пентакарбонил се състои от масло, получено чрез нагряване на пореста желязо с въглероден оксид. Молекулите на СО се потапят в отворите на течността, Fe се координира с пет от тях (Fe-C≡O).

Окислителни и редуциращи агенти

Кои от катионите, Вяра²⁺ o Вяра³⁺, Дали те се държат като окислително или редуциращо средство? Вярата²⁺ в кисела среда или в присъствието на кислород, губи електрона, за да стане Fe³⁺; следователно той е редуциращ агент:

вяра²⁺ => Вяра³⁺ + и^-

И Вярата³⁺ той се държи като окислител в основна среда:

вяра³⁺ + и^- => Вяра²⁺

Или дори:

вяра³⁺ + 3д^- => Вяра

Химическа структура

Желязото образува полиморфни твърди вещества, т.е. неговите метални атоми могат да приемат различни кристални структури. При стайна температура неговите атоми кристализират в единната единица bcc: кубична центрирана в тялото (Кубик с центрирано тяло). Тази твърда фаза е известна като ферит, Fe α.

Тази СКЦ структура може да се дължи на факта, че желязото е метална конфигурация⁶, с електронно 4-електронно свободно място.

Когато температурата се повиши, атомите на Fe вибрират поради термичния ефект и след 906 ° C приемат компактна кубична структура ccp:Кубична най-близка опаковка). Това е Fe γ, който се връща към Fe α фазата при температура от 1401ºC. След тази температура желязото се топи при 1535 ° С.

А какво да кажем за увеличаването на натиска? Когато тя се увеличава, тя принуждава кристалните атоми да "изстискат" в по-плътна структура: Fe β. Този полиморф има компактен hcp: шестоъгълна структура (Шестоъгълна затворена опаковка).

Употреби / приложения

структурен

Само желязо има малко приложения. Въпреки това, когато е покрит с друг метал (или сплав, като калай), той е защитен от корозия. Така желязото е строителен материал, който се намира в сгради, мостове, порти, статуи, автомобили, машини, трансформатори и др..

Когато се добавят малки количества въглерод и други метали, механичните им свойства се подсилват. Тези видове сплави са известни като стомани. Стомасите изграждат почти всички индустрии и техните материали.

От друга страна, желязото, смесено с други метали (някои от редкоземните елементи) се използва за производството на магнити, използвани в електронното оборудване.

биологичен

Желязото играе съществена роля в живота. В телата ни тя е част от някои протеини, включително ензима хемоглобин.

Без хемоглобин, носител на кислород благодарение на металния си Fe център³⁺, кислородът не може да се транспортира до различни области на тялото, защото във водата е много неразтворим.

Хемоглобинът преминава през кръвта към мускулните клетки, където рН е киселинно, а по-високите концентрации на СО са много₂. Тук възниква обратен процес, т.е. кислородът се освобождава поради условията и ниската му концентрация в тези клетки. Този ензим може да транспортира общо четири молекули₂.

Как се получи?

Поради своята реактивност се намира в земната кора, образувайки оксиди, сулфиди или други минерали. Затова някои от тях могат да се използват като суровина; всичко ще зависи от разходите и трудностите за намаляване на желязото в химическата му среда.

Индустриално, редукцията на железни оксиди е по-осъществима, отколкото на нейните сулфиди. Хематит и магнетит, Fe₃О₄, са основните източници на този метал, които реагират с въглерод (под формата на кокс).

Желязото, получено по този метод, е течно и нажежено и се изпразва в блокове слитъци (като лава каскада). Също така могат да се образуват големи количества газове, които могат да бъдат вредни за околната среда. Следователно, получаването на желязо включва разглеждане на много фактори.

Реакции във фурните

Без да се назовават подробностите за тяхното извличане и транспортиране, тези оксиди се движат заедно с кокс и варовик (CaCO₃) до доменните пещи. Екстрахираните оксиди носят всички видове примеси, които реагират със освободения от термичното разлагане на СаСО СаО₃.

Веднъж заредена суровината в пещта, в нейната долна част протича въздушен поток при 2000ºC, който изгаря кокса до въглероден оксид:

2C (s) + 0₂(g) => 2СО (g) (2000 ° С)

Това СО се издига до върха на пещта, където отговаря на хематита и го намалява:

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

В магнетита има йони Fe²⁺, Продукти за намаляване на Fe³⁺ с CO. След това този продукт продължава да се намалява с повече CO:

вяра₃О₄(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(g) (700 ° C)

И накрая, FeO завършва до метално желязо, което се топи поради високите температури на пещта:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(G)

Вяра (и) => Вяра (л)

В същото време СаО реагира със силикати и примеси, образувайки така наречената течна шлака. Тази шлака е по-малко плътна от течната желязо, поради което плава над нея и двете фази могат да бъдат разделени.

препратки

1. Национален център за научни ресурси. (Н.О.). Желязо. Получено от: propertiesofmatter.si.edu
2. R Кораб. (Н.О.). Желязо. Изтеглено от: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. Б. Калверт. (Декември 2003 г.). Желязо: Металът на Марс ни дава магнетизъм и живот. Получено от: mysite.du.edu
4. Периодична таблица на Chemicole. (6 октомври 2012 г.). Желязо. Изтеглено от: chemicool.com
5. Балансът. (Н.О.). Метален профил: желязо. Взето от: thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008 г.). Неорганична химия (четвърто издание). Mc Graw Hill.
7. Кларк Дж. (29 ноември 2015 г.). Извличане на желязо. Изтеглено от: chem.libretexts.org