Желязо (химичен елемент): характеристики, химична структура, приложения

Желязото е преходен метал, разположен в група VIIIB или 8 на периодичната таблица. Това е един от металите, който е бил наясно от най-ранни 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 неговия химически 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 предполагаемия си недостиг.

Чистата му форма е открита в районите на Гренландия и в магнителните скали на почвите на Русия. В звездното пространство се смята, че той е богат компонент в метеоритите, които след удара върху Земята са запазили кристализирано 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 масивна 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 и е част от хранителните вещества, необходими на живите същества. Например, необходимо е да се транспортира кислород до тъканите.

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 бяха дадени много демонстрации за ефекта, който магнитите осигуряват върху движението на железни стружки, както и за демонстриране на магнитното поле и полюсите на магнита.

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 7.86 g / 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). Но в природата има три други стабилни изотопа на желязото, т.е. те имат еднакъв брой протони, но различни атомни маси.

56Fe е най-разпространеният от всички (91, 6%), следван от 54Fe (5, 9%), 57Fe (2, 2%) и накрая 58Fe (0, 33%). Именно тези четири изотопа съставляват цялото желязо, съдържащо се в планетата Земя. При други условия (извънземен) тези проценти могат да варират, но 56Fe могат да продължат да бъдат най-изобилни.

Други изотопи, чиито атомни маси осцилират между 46 и 69 u, са много нестабилни и имат период на полуразпад, по-малък от току-що споменатите четири.

токсичност

Преди всичко това е нетоксичен метал. В противен случай ще се изискват специални лечения (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 той допринася с два електрона от своята 4s орбитала и шест от 3d орбиталите, 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 +, то остава с конфигурация [Ar] 3d6 (ако приемем, че 4s орбиталата е откъде идват тези електрони). Докато ако загуби три електрона, Fe3 +, неговата конфигурация е [Ar] 3d5.

Експериментално е показано, че много йони с конфигурация на валентност nd5 са с голяма стабилност. Следователно, желязото има тенденция да окислява срещу приемащи електрони видове, за да стане Fe3 + ферийонен катион; и в по-малко окислителна среда, в Fe2 + железен катион.

След това в среда с малко присъствие на кислород се очаква да преобладават железни съединения. Стойността на рН също влияе върху степента на окисление на желязото, тъй като в силно киселата среда предпочитаната трансформация в Fe3 +.

Цветове на неговите съединения

Разтворът Fe2 + в разтвора е зеленикав и Fe3 + в мека виолетова. Също така, железните съединения могат да имат зелен или червен цвят в зависимост от това какъв катион присъства и какви йони или молекули ги заобикалят.

Зелените нюанси се променят според електронната среда на Fe2 +. Така, FeO, железен оксид, е много тъмнозелено твърдо вещество; докато FeSO 4, железен сулфат, има светлозелени кристали. Други Fe2 + съединения могат дори да имат синкави тонове, както в случая с прусово синьо.

Той се среща и с виолетовите нюанси на Fe3 + в неговите съединения, които могат да станат червеникави. Например, хематитът, Fe 2 O 3, е оксидът, отговорен за много парчета желязо, които изглеждат червеникави.

Значителен брой железни съединения обаче са безцветни. Железен хлорид, FeCl3, е безцветен, тъй като Fe3 + не се намира действително в йонна форма, а образува ковалентни връзки (Fe-Cl).

Други съединения са всъщност сложни смеси от Fe2 + и Fe3 + катиони. Цветовете им винаги ще бъдат обект на взаимодействие на йони или молекули с желязото, 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; тоест, той не страда от загуба на електрони.

В този тип съединения желязото участва в неговата сурова форма. Например, Fe (CO) 5, железен пентакарбонил, се състои от масло, получено чрез нагряване на пореста желязо с въглероден оксид. Молекулите на СО се намират в кухините на течността, Fe се координира с пет от тях (Fe-C = 0).

Окислителни и редуциращи агенти

Кои от катионите Fe2 + или Fe3 + се държат като окислително или редуциращо средство? Fe2 + в кисела среда или в присъствието на кислород, губи електрона, за да стане Fe3 +; следователно той е редуциращ агент:

Fe2 + => Fe3 + + e-

Fe3 + се държи като окислител в основна среда:

Fe3 + + e- = Fe2 +

Или дори:

Fe3 + + 3e- => 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 единичната единица bcc: кубична центрирана в тялото (центрирано върху тялото кубичен ). Тази твърда фаза е известна като ферит, Fe α.

Тази СЦК структура може да се дължи на факта, че желязото е метал с конфигурация d6, с електронно свободно пространство от четири електрона.

Когато температурата се повиши, атомите на Fe вибрират поради термичния ефект и след 906 ° C приемат компактен кубичен ccp: Cubic Closest Packed structure . 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 това се увеличава, то принуждава кристалните атоми да "изстискат" в по-плътна структура: Fe β. Този полиморф има hcp: хексагонална компактна структура ( Hexagonal Closed Pack ).

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. Стоманите 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 хемоглобина, носител на кислород, благодарение на металния си център на Fe3 +, 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 киселинен и има по-високи концентрации на CO 2 . 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 молекули на О2.

Как я получавате?

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 неговата химическа среда.

Индустриално, редукцията на железни оксиди е по-осъществима, отколкото на нейните сулфиди. Хематитът и магнетитът, Fe 3 O 4, 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 посочват подробностите за тяхното извличане и транспортиране, тези оксиди се прехвърлят заедно с кокс и варовик (CaCO 3 ) в доменни пещи. Екстрахираните оксиди носят всички видове примеси, които реагират със освободения от термичното разлагане на СаСО 3 СаО.

Веднъж заредена партидата суровина в пещта, в долната й част протича въздушен поток при 2000ºC, който изгаря кокса до въглероден оксид:

2С (s) + O2 (g) => 2СО (g) (2000 ° С)

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

3Fe 2 O 3 (s) + CO (g) => 2Fe 3 O 4 (s) + CO 2 (g) (200 ° C)

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

Fe3O4 (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + CO 2 (g) (700 ° C)

Накрая, FeO се редуцира до метално желязо, което се топи поради високите температури на пещта:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO 2 (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 тя плува над нея и двете фази могат да се разделят.