Vlastnosti železa, chemická struktura, použití

železo je přechodný kov umístěný ve skupině VIIIB nebo 8 periodické tabulky. Je to jeden z kovů, který si je vědom od nejstarších dob. Číňané, Egypťané a Římané pracovali s tímto kovem. Jeho snadná extrakce označovala etapu historie známou jako doba železná.

Její název je odvozen od slova „ferrum“ v latině, a tedy od jeho chemického symbolu Faith, je to velmi reaktivní prvek, takže jeho stříbrný lesk se v přírodě obvykle nenachází. Ve starověku, tento kov byl ve skutečnosti katalogizován s hodnotou vyšší než to zlata kvůli jeho předpokládanému nedostatku.

Jeho čistá forma byla nalezená v oblastech Grónska a ve vyvřelých skalách půdy Ruska. V hvězdném prostoru se předpokládá, že je to hojná složka v meteoritech, které po dopadu na Zemi některé zachovaly krystalizované železo ve svých skalnatých prsou.

Důležitější než čisté železo jsou však jeho sloučeniny; zejména jeho oxidy. Tyto oxidy pokrývají zemský povrch velkou rodinou minerálů, jako je magnetit, pyrit, hematit, goethit a mnoho dalších. Ve skutečnosti, zbarvení pozorovaná v marťanských horách a pouštích je způsobena z velké části hematitem.

Železné předměty lze nalézt uvnitř měst nebo polí. Ti, kteří nemají ochrannou fólii, jsou načervenalé, protože korodují vlhkostí a kyslíkem. Ostatní, stejně jako lucerna hlavního obrazu, zůstávají šedé nebo černé.

Odhaduje se, že v jádru Země existuje obrovská koncentrace tohoto kovu. Tolik, že v kapalném stavu, produktu vysokých teplot, může být zodpovědný za magnetické pole Země.

Na druhé straně železo nejen doplňuje shell naší planety, ale je také součástí živin potřebných pro živé bytosti. Například je nutné transportovat kyslík do tkání.

Index

• 1 Charakteristika železa
  • 1.1 Bod tání a bod varu
  • 1.2 Hustota
  • 1.3 Izotopy
  • 1.4 Toxicita
• 2 Chemické vlastnosti
  • 2.1 Barvy sloučenin
  • 2.2 Oxidační stavy
  • 2.3 Oxidační a redukční činidla
• 3 Chemická struktura
• 4 Použití / aplikace
  • 4.1 Strukturální
  • 4.2 Biologické
• 5 Jak se dostanete?
  • 5.1 Reakce uvnitř pecí
• 6 Odkazy

Charakteristika železa

Čisté železo má své vlastní vlastnosti, které jej odlišují od minerálů. Je to lesklý, šedavý kov, který reaguje s kyslíkem a vlhkostí ve vzduchu, aby se transformoval na odpovídající oxid. Pokud by v atmosféře nebyl žádný kyslík, všechny ozdoby a železné struktury by zůstaly nedotčeny a bez rzi..

Má vysokou mechanickou pevnost a tvrdost, ale zároveň je kujný a tvárný. To umožňuje kovářům kovat kusy s mnoha tvary a provedeními, které vystavují masy železa intenzivním teplotám. Je také dobrým dirigentem tepla a elektřiny.

Kromě toho je jedním z jeho nejcennějších rysů jeho interakce s magnety a jeho schopnost magnetizovat. Široké veřejnosti bylo dáno mnoho demonstrací o tom, že magnety zajišťují pohyb železných hoblin a také ukazují magnetické pole a póly magnetu..

Teplota tání a teploty varu

Železo se taví při teplotě 1535 ° C a vaří při 2750 ° C. Ve své kapalné a žhavé formě se tento kov získává. Kromě toho jsou jeho teploty tavení a odpařování 13,8 a 349,6 kJ / mol.

Hustota

Jeho hustota je 7,86 g / cm³. To znamená, že 1 ml tohoto kovu váží 7,86 gramu.

Izotopy

V periodické tabulce, konkrétně ve skupině 8 periody 4, se nachází železo s atomovou hmotností přibližně 56u (26 protonů, 26 elektronů a 30 neutronů). Nicméně, v přírodě existují tři další stabilní izotopy železa, to znamená, že mají stejný počet protonů, ale různé atomové hmotnosti.

⁵⁶Víra je nejhojnější ze všech (91,6%), následovaná ⁵⁴Víra (5,9%), ⁵⁷Fe (2,2%) a nakonec ⁵⁸Víra (0,33%). Jsou to tyto čtyři izotopy, které tvoří železo obsažené na planetě Zemi. V jiných podmínkách (mimozemský), tato procenta mohou lišit se, ale možná ⁵⁶Víra je stále nejhojnější.

Jiné izotopy, s atomovými hmotami oscilujícími mezi 46 a 69u, jsou velmi nestabilní a mají kratší poločasy života než čtyři právě zmíněné.

Toxicita

Nad všemi rysy je to netoxický kov. Jinak by se vyžadovalo speciální ošetření (chemické a fyzikální) a nezměrné předměty a budovy by představovaly skryté riziko pro životní prostředí a život..

Chemické vlastnosti

Elektronická konfigurace železa je [Ar] 3d⁶4s², což znamená, že přispívá dvěma elektrony ze svého 4s orbitalu a šesti z 3D orbitálů pro tvorbu kovových vazeb uvnitř krystalu. Tato krystalická struktura vysvětluje některé vlastnosti, jako je feromagnetismus.

Elektronická konfigurace také povrchně předpovídá stabilitu jejích kationtů. Když železo ztratí dva z jeho elektronů, Fe²⁺, zůstává s konfigurací [Ar] 3d⁶ (za předpokladu, že 4s orbital je místo, kde tyto elektrony pocházejí). Zatímco když ztratíte tři elektrony, Faith³⁺, jeho konfigurace je [Ar] 3d⁵.

Experimentálně bylo prokázáno, že mnoho iontů s valenční konfigurací⁵ Jsou velmi stabilní. Proto má železo tendenci oxidovat proti elektron-přijímajícím druhům, aby se stal Fe železitým kationem³⁺; a v méně oxidačním prostředí ve železném kationtu Fe²⁺.

V médiu s malou přítomností kyslíku se předpokládá, že převažují železné sloučeniny. PH také ovlivňuje oxidační stav železa, protože ve velmi kyselém prostředí je jeho přeměna na Fe³⁺.

Barvy jeho sloučenin

Víra²⁺ v roztoku je nazelenalý a víra³⁺, měkké fialové. Podobně sloučeniny železa mohou mít zelené nebo červené barvy v závislosti na tom, jaký je kation a které ionty nebo molekuly je obklopují.

Změny zeleně se mění podle elektronického prostředí Faith²⁺. FeO, oxid železnatý, je tedy velmi tmavě zelená pevná látka; zatímco FeSO₄, síran železnatý, má světle zelené krystaly. Další sloučeniny Fe²⁺ mohou mít dokonce modravé tóny, jako v případě pruské modři.

Stává se také s fialovými odstíny víry³⁺ ve svých sloučeninách, které se mohou stát načervenalé. Například hematit, víra₂O₃, je oxid zodpovědný za mnoho kusů železa vypadat načervenalý.

Značný počet sloučenin železa je však bezbarvý. Chlorid železitý, FeCl₃, Je bezbarvá, protože víra³⁺ Ve skutečnosti se nenachází v iontové formě, ale tvoří kovalentní vazby (Fe-Cl).

Další sloučeniny jsou ve skutečnosti komplexní směsi kationtů Fe²⁺ a víra³⁺. Jejich barvy budou vždy podřízeny tomu, na které ionty nebo molekuly reagují se železem, ačkoli, jak bylo zmíněno, velká většina má tendenci být modravá, fialová, načervenalá (i žlutá) nebo tmavě zelená.

Oxidační stavy

Jak bylo vysvětleno, železo může mít oxidační stav nebo valenci +2 nebo +3. Je však také možné, že se účastní některých sloučenin s valencí 0; to znamená, že netrpí žádnou ztrátou elektronů.

V tomto typu sloučenin se železo podílí na jeho surové formě. Například Fe (CO)₅, Pentakarbonyl železa se skládá z oleje získaného zahříváním porézního železa s oxidem uhelnatým. Molekuly CO jsou uloženy v otvorech kapaliny, přičemž Fe je koordinováno s pěti z nich (Fe-C≡O)..

Oxidační a redukční činidla

Který z kationtů, víra²⁺ o Víra³⁺, Chová se jako oxidační nebo redukční činidlo? Víra²⁺ v kyselém prostředí nebo v přítomnosti kyslíku ztrácí elektron, aby se stal Fe³⁺; proto se jedná o redukční činidlo:

Víra²⁺ => Víra³⁺ + e^-

A víra³⁺ chová se jako oxidační činidlo v základním médiu:

Víra³⁺ + e^- => Víra²⁺

Nebo dokonce:

Víra³⁺ + 3e^- => Víra

Chemická struktura

Železné formy polymorfní pevné látky, to znamená, že jeho atomy kovů mohou přijmout různé krystalické struktury. Při pokojové teplotě její atomy krystalizují v jednotkové jednotce bcc: kubický střed v těle (Body Centrovaný Kubický). Tato pevná fáze je známa jako ferit, Fe a.

Tato struktura bcc může být způsobena tím, že železo je kovová konfigurace⁶, s elektronickým čtyřelektronovým volným místem.

Když se teplota zvýší, atomy Fe vibrují v důsledku tepelného efektu a po 906 ° C přijmou kompaktní krychlovou strukturu ccp:Cubic Closest Packed). Je to Fe γ, který se vrací do fáze Fe α při teplotě 1401 ° C. Po této teplotě se železo roztaví při teplotě 1535 ° C.

A co zvýšení tlaku? Když to se zvětší, to nutí atomy krystalu k “squeeze” do hustější struktury: Fe ?. Tento polymorf má kompaktní hcp: hexagonální strukturu (Šestihranný uzavřený balíček).

Použití / aplikace

Strukturální

Samotné železo má málo aplikací. Když je však potažen jiným kovem (nebo slitinou, jako je cín), je chráněn před korozí. Železo je tedy stavebním materiálem přítomným v budovách, mostech, branách, sochách, automobilech, strojích, transformátorech atd..

Když se přidávají malá množství uhlíku a jiných kovů, jejich mechanické vlastnosti jsou posíleny. Tyto typy slitin jsou známé jako oceli. Oceli staví téměř všechna průmyslová odvětví a jejich materiály.

Na druhou stranu, železo smíšené s jinými kovy (některé vzácné zeminy) bylo použito pro výrobu magnetů používaných v elektronických zařízeních..

Biologické

Železo hraje v životě zásadní roli. V našem těle je součástí některých proteinů, včetně enzymu hemoglobinu.

Bez hemoglobinu, nosiče kyslíku díky kovovému centru Fe³⁺, kyslík nemohl být transportován do různých oblastí těla, protože ve vodě je velmi nerozpustný.

Hemoglobin putuje krví do svalových buněk, kde pH je kyselé a vyšší koncentrace CO jsou hojné₂. Zde dochází k obrácenému procesu, to znamená, že kyslík se uvolňuje v důsledku podmínek a jeho nízké koncentrace v těchto buňkách. Tento enzym může transportovat celkem čtyři O molekuly₂.

Jak se dostanete?

Kvůli jeho reaktivitě to je nalezené v zemské kůře tvořit oxidy, sulfides nebo jiné nerosty. Některé z nich proto mohou být použity jako surovina; vše bude záviset na nákladech a obtížích s redukcí železa v jeho chemickém prostředí.

Průmyslově je redukce oxidů železa proveditelnější než její sulfidy. Hematit a magnetit, Fe₃O₄, jsou hlavním zdrojem tohoto kovu, který reaguje s uhlíkem (ve formě koksu).

Železo získané touto metodou je kapalné a žhavé a je vyprázdněno do ingotů ingotů (jako lávová kaskáda). Také mohou být vytvořeny velké množství plynů, které mohou být škodlivé pro životní prostředí. Získání železa proto vyžaduje zvážení mnoha faktorů.

Reakce uvnitř pecí

Bez uvedení podrobností o jejich těžbě a dopravě se tyto oxidy pohybují spolu s koksem a vápencem (CaCO)₃) do vysokých pecí. Extrahované oxidy nesou všechny druhy nečistot, které reagují s CaO uvolněným z tepelného rozkladu CaCO₃.

Po naplnění vsázky suroviny do pece, v její spodní části probíhá proud vzduchu při 2000 ° C, který spaluje koks na oxid uhelnatý:

2C (s) + O₂(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Tento CO stoupá na vrchol pece, kde splňuje hematit a redukuje ho:

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

V magnetitu jsou ionty Fe²⁺, Produkty redukující Fe³⁺ s CO. Tento produkt se dále snižuje o více CO:

Víra₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO + CO₂(g) (700 ° C)

Konečně, FeO skončí být redukovaný na kovové železo, který se roztaví kvůli vysokým teplotám pece: \ t

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(g)

Víra (s) => Víra (l)

Zatímco současně reaguje CaO s křemičitany a nečistotami, tvoří se tzv. Kapalná struska. Tato struska je méně hustá než tekuté železo, proto se nad ní vznáší a obě fáze mohou být odděleny.

Odkazy

1. Národní centrum pro vědecké zdroje. (s.f.). Železo. Zdroj: propertiesofmatter.si.edu
2. R Loď. (s.f.). Železo. Zdroj: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. B. Calvert. (Prosinec 2003). Železo: Kov Marsu nám dává magnetismus a život. Zdroj: mysite.du.edu
4. Periodická tabulka Chemicole. (6. října 2012). Železo. Zdroj: chemicool.com
5. Váha. (s.f.). Kovový profil: Železo. Převzato z: thebalance.com
6. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chemie (čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
7. Clark J. (29. listopadu 2015). Extrakce železa. Zdroj: chem.libretexts.org