Karakteristike željeza (kemijskog elementa), kemijska struktura, uporaba



željezo "Prijelazni metal" je prijelazni metal smješten u skupini VIIIB ili 8 periodnog sustava. To je jedan od metala koji je bio svjestan još od najranijih vremena. Kinezi, Egipćani i Rimljani su radili s tim metalom. Njegova jednostavna ekstrakcija označila je povijest poznatu kao željezno doba.

Njegovo ime potječe od riječi "ferrum" na latinskom, a time i njegovog kemijskog simbola Vjera, vrlo je reaktivan element, pa se njegov srebrni sjaj obično ne nalazi u prirodi. U davna vremena, taj je metal zapravo bio katalogiziran s vrijednošću većom od zlata zbog svoje navodne oskudice.

Njegova čista forma pronađena je na području Grenlanda iu magmatskim stijenama tla Rusije. Smatra se da je u zvjezdanom prostoru riječ o obilnoj komponenti meteorita, koji su nakon utjecaja Zemlje očuvali kristalizirano željezo u svojim stjenovitim grudima..

No, važnije od čistog željeza, su njegovi spojevi; osobito njegovi oksidi. Ovi oksidi pokrivaju površinu Zemlje velikom obitelji minerala, kao što su magnetit, pirit, hematit, getit i mnoge druge. Zapravo, boje koje se promatraju u Marsovim planinama i pustinjama uglavnom su posljedica hematita.

Željezni predmeti mogu se naći unutar gradova ili polja. Oni koji nemaju zaštitni film, postaju crvenkasti jer korodiraju vlagom i kisikom. Drugi, poput fenjera glavne slike, ostaju sivi ili crni.

Procjenjuje se da postoji velika koncentracija ovog metala unutar Zemljine jezgre. Toliko toga, da u tekućem stanju, proizvodu visokih temperatura, može biti odgovorno za magnetsko polje Zemlje.

S druge strane, željezo ne samo da nadopunjuje ljusku našeg planeta, već je i dio hranjivih tvari koje zahtijevaju živa bića. Na primjer, potrebno je transportirati kisik do tkiva.

indeks

  • 1 Karakteristike željeza
    • 1.1 Tališta i vrelišta
    • 1.2 Gustoća
    • 1.3 Izotopi
    • 1.4 Toksičnost
  • 2 Kemijska svojstva
    • 2.1 Boje njegovih spojeva
    • 2.2 Oksidacijska stanja
    • 2.3 Oksidirajuća i redukcijska sredstva
  • 3 Kemijska struktura
  • 4 Korištenja / aplikacije
    • 4.1 Strukturni
    • 4.2 Biološki
  • 5 Kako ste dobili?
    • 5.1 Reakcije unutar peći
  • 6 Reference

Karakteristike željeza

Čisto željezo ima svoje osobine koje ga razlikuju od minerala. To je sjajni, sivkasti metal, koji reagira s kisikom i vlagom u zraku i pretvara se u odgovarajući oksid. Ako u atmosferi nije bilo kisika, svi ukrasi i željezne strukture ostali bi netaknuti i bez crvene hrđe..

Ima visoku mehaničku čvrstoću i tvrdoću, ali je istovremeno kovan i duktilan. Na taj način kovači mogu krivotvoriti komade s brojnim oblicima i nacrtima koji podvrgavaju željezne mase intenzivnim temperaturama. Također je dobar provodnik topline i električne energije.

Osim toga, jedna od najdragocjenijih značajki je njena interakcija s magnetima i njegova sposobnost magnetiziranja. Javnosti su dane brojne demonstracije učinka koji magneti pružaju na kretanje željeznih strugotina, kao i za demonstriranje magnetskog polja i polova magneta..

Tališta i vrelišta

Željezo se topi na temperaturi od 1535 ° C i vrije na 2750 ° C. U svom tekućem i žarnom obliku dobiva se ovaj metal. Osim toga, njegove topline fuzije i isparavanja su 13,8 i 349,6 kJ / mol.

gustoća

Njegova gustoća je 7,86 g / cm3. To znači da 1 ml tog metala teži 7,86 grama.

izotopi

U periodnom sustavu, posebno u skupini 8 razdoblja 4, nađeno je željezo s atomskom masom od približno 56u (26 protona, 26 elektrona i 30 neutrona). Međutim, u prirodi postoje tri druga stabilna izotopa željeza, tj. Imaju isti broj protona, ali različite atomske mase..

56Vjera je najrasprostranjenija od svih (91,6%), nakon čega slijedi 54Vjera (5,9%), 57Fe (2,2%) i konačno 58Vjera (0,33%). Ta četiri izotopa čine sve željezo koje se nalazi na planeti Zemlji. U drugim uvjetima (izvanzemaljski), ovi postoci mogu varirati, ali vjerojatno i 56Vjera je i dalje najobilnija.

Drugi izotopi, s atomskim masama koje osciliraju između 46 i 69u, vrlo su nestabilne i imaju kraće vrijeme poluraspada od četiri upravo spomenuta.

toksičnost

Iznad svih značajki, to je netoksičan metal. Inače bi bili potrebni posebni tretmani (kemijski i fizički), a nemjerljivi objekti i zgrade predstavljali bi latentni rizik za okoliš i život.

Kemijska svojstva

Elektronička konfiguracija željeza je [Ar] 3d64s2, što znači da doprinosi dva elektrona iz svoje 4s orbitale, a šest iz 3d orbitala, za formiranje svojih metalnih veza unutar kristala. Upravo ta kristalna struktura objašnjava neka svojstva kao što je feromagnetizam.

Također, elektronička konfiguracija površno predviđa stabilnost svojih kationa. Kada željezo izgubi dva elektrona, Fe2+, ostaje s konfiguracijom [Ar] 3d6 (pod pretpostavkom da je 4s orbitalno mjesto gdje ti elektroni dolaze). Dok, ako izgubiš tri elektrona, Faith3+, njegova konfiguracija je [Ar] 3d5.

Eksperimentalno je pokazano da mnogi ioni s valentnom konfiguracijom5 Vrlo su stabilne. Zbog toga željezo nastoji oksidirati protiv vrsta koje prihvaćaju elektrone i postati Fe kation3+; i u manje oksidativnom okruženju, u željeznom kationu Fe2+.

Zatim se u mediju s malom količinom kisika očekuje da prevladavaju spojevi željeza. PH također utječe na oksidacijsko stanje željeza, jer se u vrlo kiselom mediju preferira njegova transformacija u Fe3+.

Boje njegovih spojeva

Vjera2+ u otopini je zelenkasta, a vjera3+, meke ljubičice. Isto tako, spojevi željeza mogu imati zelene ili crvene boje, ovisno o tome koji je kation prisutan i koji ih ioni ili molekule okružuju.

Nijanse zelene mijenjaju se prema elektroničkom okruženju vjere2+. Prema tome, FeO, željezni oksid, je vrlo tamno zelena krutina; dok je FeSO4, Željezni sulfat, ima svijetlo zelene kristale. Ostali Fe spojevi2+ mogu imati čak i plavkaste tonove, kao u slučaju pruskog plavog.

To se također događa s ljubičastim nijansama vjere3+ u spojevima koji mogu postati crvenkasti. Na primjer, hematit, Faith2O3, je oksid odgovoran za mnoge komade željeza izgleda crvenkasto.

Međutim, znatan broj spojeva željeza je bezbojan. Željezni klorid, FeCl3, Bezbojna je, jer je vjera3+ Zapravo se ne nalazi u ionskom obliku, već stvara kovalentne veze (Fe-Cl).

Ostali spojevi su zapravo složene smjese Fe kationa2+ i vjere3+. Njihove boje uvijek će biti podložne interakciji iona ili molekula s željezom, premda kao što je već spomenuto, velika većina je plavičasta, ljubičasta, crvenkasta (čak žuta) ili tamno zelena.

Oksidacijska stanja

Kao što je objašnjeno, željezo može imati oksidacijsko stanje ili valenciju od +2, ili +3. Međutim, također je moguće da sudjeluje u nekim spojevima s valencijom od 0; to jest, ne trpi nikakav gubitak elektrona.

U ovoj vrsti spojeva željezo sudjeluje u njegovom sirovom obliku. Na primjer, Fe (CO)5, Željezo pentakarbonil, sastoji se od ulja dobivenog zagrijavanjem poroznog željeza s ugljičnim monoksidom. Molekule CO se nalaze u rupama tekućine, Fe je koordiniran s pet od tih (Fe-C = O).

Oksidirajuća i redukcijska sredstva

Koji od kationa, Faith2+ Vjera3+, Ponašaju li se kao oksidirajući ili reducirajući agens? Vjera2+ u kiselom mediju ili u prisutnosti kisika, gubi elektron da postane Fe3+; prema tome, on je redukcijski agens:

vjera2+ => Vjera3+ + i-

I Vjera3+ ponaša se kao sredstvo za oksidaciju u osnovnom mediju:

vjera3+ + i- => Vjera2+

Ili čak:

vjera3+ + 3e- => Vjera

Kemijska struktura

Željezo formira polimorfne krutine, tj. Njegovi atomi metala mogu prihvatiti različite kristalne strukture. Na sobnoj temperaturi njegovi se atomi kristaliziraju u jediničnoj jedinici bcc: kubični centrirani u tijelu (Kubični u sredini). Ova čvrsta faza je poznata kao ferit, Fe α.

Ova bcc struktura može biti posljedica činjenice da je željezo metalna konfiguracija6, s elektroničkim praznim prostorom od četiri elektrona.

Kada se temperatura poveća, Fe-atomi vibriraju zbog toplinskog učinka i usvajaju, nakon 906 ° C, kompaktnu kubičnu ccp strukturu:Kubični najbliži pakiran). To je Fe γ, koji se vraća u Fe α fazu na temperaturi od 1401ºC. Nakon ove temperature, željezo se topi na 1535 ° C.

A što je s povećanjem pritiska? Kada se poveća, prisiljava kristalne atome da "stisnu" u gušću strukturu: Fe β. Ovaj polimorf ima kompaktnu hcp: šesterokutnu strukturu (Šestougaoni zatvoreni paket).

Korištenja / aplikacije

strukturalan

Željezo ima samo nekoliko aplikacija. Međutim, kada je premazan s drugim metalom (ili legurom, kao što je kositar), zaštićen je od korozije. Dakle, željezo je građevinski materijal prisutan u zgradama, mostovima, vratima, kipovima, automobilima, strojevima, transformatorima itd..

Kada se dodaju male količine ugljika i drugih metala, njihova mehanička svojstva su ojačana. Ove vrste legura poznate su kao čelika. Čelici grade gotovo sve industrije i njihove materijale.

S druge strane, željezo pomiješano s drugim metalima (neke od rijetkih zemalja) koristi se za proizvodnju magneta koji se koriste u elektroničkoj opremi.

biološki

Željezo igra bitnu ulogu u životu. U našim je tijelima dio nekih proteina, uključujući enzim hemoglobin.

Bez hemoglobina, nosač kisika zahvaljujući metalnom Fe središtu3+, kisik se ne može transportirati u različite dijelove tijela, jer je u vodi vrlo nerastvorljiv.

Hemoglobin putuje kroz krv u mišićne stanice, gdje je pH kiselinski i veće su koncentracije CO2. Ovdje se odvija obrnuti proces, tj. Kisik se oslobađa zbog uvjeta i niske koncentracije u tim stanicama. Ovaj enzim može transportirati ukupno četiri O molekule2.

Kako ste dobili?

Zbog svoje reaktivnosti nalazi se u zemljinoj kori koja tvori okside, sulfide ili druge minerale. Stoga se neke od njih mogu koristiti kao sirovina; sve će ovisiti o troškovima i teškoćama smanjenja željeza u njegovom kemijskom okruženju.

Industrijski je redukcija oksida željeza izvedivija nego njezini sulfidi. Hematit i magnetit, Fe3O4, glavni su izvori ovog metala, koji reagiraju s ugljikom (u obliku koksa).

Željezo dobiveno ovom metodom je tekuće i sa žarnom niti, a ispušta se u ingote ingota (poput kaskade lave). Također se mogu stvoriti velike količine plinova, koje mogu biti štetne za okoliš. Dakle, dobivanje željeza uključuje razmatranje mnogih čimbenika.

Reakcije unutar pećnica

Bez navođenja detalja njihovog vađenja i transporta, ti oksidi se kreću, zajedno s koksom i vapnencem (CaCO3) u visokim pećima. Ekstrahirani oksidi nose sve vrste nečistoća koje reagiraju s CaO oslobođenim toplinskim raspadom CaCO3.

Nakon što se šarža sirovine napuni u peć, u njenom donjem dijelu struja zraka iznosi 2000ºC, čime se izgaruje koks do ugljičnog monoksida:

2C (s) + 02(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Ovaj CO raste do vrha peći, gdje zadovoljava hematit i smanjuje ga:

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

U magnetitu postoje ioni Fe2+, Proizvodi za smanjenje Fe3+ s CO. Zatim se ovaj proizvod nastavlja smanjivati ​​s više CO:

vjera3O4(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO2(g) (700 ° C)

Konačno, FeO se svodi na metalno željezo koje se topi zbog visokih temperatura peći:

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

Vjera (e) => Vjera (l)

Dok u isto vrijeme CaO reagira sa silikatima i nečistoćama, stvarajući takozvanu tekuću trosku. Ta troska je manje gusta od tekućeg željeza, zbog čega i pluta iznad nje i obje se faze mogu odvojiti.

reference

  1. Nacionalni centar za resurse znanosti. (N. D.). Željezo. Preuzeto s: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Brod. (N. D.). Željezo. Preuzeto s: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (Prosinac 2003.). Željezo: metal Marsa nam daje magnetizam i život. Preuzeto s: mysite.du.edu
  4. Chemicole Periodni sustav. (6. listopada 2012.) Željezo. Preuzeto s: chemicool.com
  5. Ravnoteža. (N. D.). Metalni profil: Željezo. Preuzeto s: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija (četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
  7. Clark J. (29. studenog 2015.). Vađenje željeza. Preuzeto s: chem.libretexts.org