Χαρακτηριστικά σιδήρου (χημικό στοιχείο), χημική δομή, χρήσεις

Το σιδήρου είναι μεταβατικό μέταλλο που βρίσκεται στην ομάδα VIIIB ή 8 του περιοδικού πίνακα. Είναι ένα από τα μέταλλα που γνώριζε από τους πρώτους χρόνους. Οι Κινέζοι, οι Αιγύπτιοι και οι Ρωμαίοι εργάστηκαν με αυτό το μέταλλο. Η εύκολη εξαγωγή του σήμανε ένα στάδιο ιστορίας γνωστό ως Εποχή του Σιδήρου.

Το όνομά του προέρχεται από τη λέξη «ferrum» στα Λατινικά και ως εκ τούτου το χημικό σύμβολο του Faith. Είναι ένα πολύ αντιδραστικό στοιχείο, οπότε η ασημένια λάμψη του δεν απαντάται συνήθως στη φύση. Στην αρχαιότητα, αυτό το μέταλλο ήταν στην πραγματικότητα καταλογογραφημένο με μια τιμή υψηλότερη από αυτή του χρυσού λόγω της υποτιθέμενης σπανιότητας του.

Η καθαρή του μορφή βρέθηκε στις περιοχές της Γροιλανδίας και στους πυριγενείς βράχους των εδαφών της Ρωσίας. Στον αστρικό χώρο, πιστεύεται ότι είναι ένα άφθονο συστατικό σε μετεωρίτες, οι οποίοι μετά την πρόσκρουση στη Γη κάποιοι έχουν διατηρήσει τον κρυσταλλωμένο σίδηρο στα βραχώδη στήθη.

Αλλά, πιο σημαντικό από τον καθαρό σίδηρο, είναι οι ενώσεις του. ιδιαίτερα, τα οξείδια του. Αυτά τα οξείδια καλύπτουν την επιφάνεια της γης με μια μεγάλη οικογένεια ορυκτών, όπως μαγνητίτη, πυρίτη, αιματίτη, goethite και πολλά άλλα. Στην πραγματικότητα, οι χρωματισμοί που παρατηρούνται στα βουνά και τα έρημα του Άρη οφείλονται σε μεγάλο βαθμό στον αιματίτη.

Σιδήρου αντικείμενα μπορούν να βρεθούν μέσα σε πόλεις ή πεδία. Αυτοί που δεν έχουν προστατευτική μεμβράνη, γίνονται κοκκινωποί επειδή διαβρώνονται από την υγρασία και το οξυγόνο. Άλλοι, όπως το φανάρι της κύριας εικόνας, παραμένουν γκρι ή μαύρο.

Εκτιμάται ότι υπάρχει μια τεράστια συγκέντρωση αυτού του μετάλλου μέσα στον πυρήνα της Γης. Τόσο πολύ, που σε υγρή κατάσταση, προϊόν υψηλών θερμοκρασιών, μπορεί να είναι υπεύθυνο για το μαγνητικό πεδίο της Γης.

Από την άλλη πλευρά, ο σίδηρος όχι μόνο συμπληρώνει το κέλυφος του πλανήτη μας, αλλά και αποτελεί μέρος των θρεπτικών ουσιών που απαιτούνται από τα ζωντανά όντα. Για παράδειγμα, είναι απαραίτητο να μεταφέρουμε το οξυγόνο στους ιστούς.

Ευρετήριο

• 1 Χαρακτηριστικά του σιδήρου
  • 1.1 Σημεία τήξης και βρασμού
  • 1.2 Πυκνότητα
  • 1.3 Ισότοπα
  • 1.4 Τοξικότητα
• 2 Χημικές ιδιότητες
  • 2.1 Χρώματα των ενώσεών του
  • 2.2 Οξειδωτικές καταστάσεις
  • 2.3 Οξειδωτικοί και αναγωγικοί παράγοντες
• 3 Χημική δομή
• 4 Χρήσεις / εφαρμογές
  • 4.1 Διαρθρωτικές
  • 4.2 Βιολογικά
• 5 Πώς παίρνετε?
  • 5.1 Αντιδράσεις εντός των κλιβάνων
• 6 Αναφορές

Χαρακτηριστικά του σιδήρου

Ο καθαρός σίδηρος έχει τα δικά του χαρακτηριστικά που το διαφοροποιούν από τα ορυκτά του. Είναι ένα λαμπερό, γκριζωπό μέταλλο, το οποίο αντιδρά με οξυγόνο και υγρασία στον αέρα για να μετασχηματίσει στο αντίστοιχο οξείδιο. Εάν δεν υπήρχε οξυγόνο στην ατμόσφαιρα, όλα τα στολίδια και οι σιδερένιες δομές θα παραμείνουν άθικτες και χωρίς κόκκινη σκουριά..

Έχει υψηλή μηχανική αντοχή και σκληρότητα, αλλά ταυτόχρονα είναι ελατό και όλκιμο. Αυτό επιτρέπει στους σιδεράδες να σφυρηλατούν κομμάτια με πολυάριθμα σχήματα και σχέδια που υποβάλλουν τις μάζες σιδήρου σε έντονες θερμοκρασίες. Είναι επίσης καλός αγωγός θερμότητας και ηλεκτρισμού.

Επιπλέον, ένα από τα πιο πολύτιμα χαρακτηριστικά του είναι η αλληλεπίδραση του με τους μαγνήτες και η ικανότητά του να μαγνητίζει. Το ευρύ κοινό έλαβε πολλές επιδείξεις για την επίδραση που παρέχουν οι μαγνήτες στη μετακίνηση των σκωριών σιδήρου και επίσης για να αποδείξουν το μαγνητικό πεδίο και τους πόλους ενός μαγνήτη.

Σημεία τήξης και βρασμού

Ο σίδηρος τήκεται σε θερμοκρασία 1535ºC και βράζει στους 2750ºC. Σε μορφή υγρού και πυρακτώσεως, αυτό το μέταλλο λαμβάνεται. Επιπλέον, οι θερμότητες σύντηξης και εξάτμισης είναι 13,8 και 349,6 kJ / mol.

Πυκνότητα

Η πυκνότητα του είναι 7.86g / cm³. Δηλαδή, ότι 1mL αυτού του μετάλλου ζυγίζει 7,86 γραμμάρια.

Ισότοπα

Στον περιοδικό πίνακα, ειδικά στην ομάδα 8 της περιόδου 4, βρέθηκε σίδηρος, με ατομική μάζα περίπου 56u (26 πρωτόνια, 26 ηλεκτρόνια και 30 νετρόνια). Ωστόσο, στη φύση υπάρχουν τρία άλλα σταθερά ισότοπα του σιδήρου, δηλαδή, έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων αλλά διαφορετικές ατομικές μάζες.

Το ⁵⁶Η πίστη είναι η πιο άφθονη (91,6%), ακολουθούμενη από ⁵⁴Πίστη (5,9%), ⁵⁷Fe (2,2%) και τέλος ⁵⁸Πίστη (0,33%). Είναι αυτά τα τέσσερα ισότοπα που αποτελούν όλο το σίδηρο που περιέχεται στον πλανήτη Γη. Σε άλλες συνθήκες (εξωγήινοι), αυτά τα ποσοστά μπορεί να διαφέρουν, αλλά πιθανώς το ⁵⁶Η πίστη εξακολουθεί να είναι η πιο άφθονη.

Άλλα ισότοπα, με ατομικές μάζες ταλαντεύοντας μεταξύ 46 και 69u, είναι πολύ ασταθή και έχουν μικρότερη ημίσεια ζωή από ό, τι οι τέσσερις που μόλις αναφέρθηκαν.

Τοξικότητα

Πάνω από όλα τα χαρακτηριστικά, είναι ένα μη τοξικό μέταλλο. Διαφορετικά, θα απαιτηθούν ειδικές επεξεργασίες (χημικές και φυσικές) και τα ανυπολόγιστα αντικείμενα και κτίρια θα αντιπροσωπεύουν έναν λανθάνοντα κίνδυνο για το περιβάλλον και τη ζωή.

Χημικές ιδιότητες

Η ηλεκτρονική διαμόρφωση του σιδήρου είναι [Ar] 3d⁶4s², που σημαίνει ότι συνεισφέρει δύο ηλεκτρόνια από το τροχιακό του 4s και έξι από τα 3 τροχιακά, για το σχηματισμό των μεταλλικών δεσμών του εντός του κρυστάλλου. Αυτή η κρυσταλλική δομή εξηγεί κάποιες ιδιότητες όπως ο σιδηρομαγνητισμός.

Επίσης, η ηλεκτρονική διαμόρφωση προδιαθέτει επιφανειακά την σταθερότητα των κατιόντων της. Όταν το σίδερο χάνει δύο από τα ηλεκτρόνια του, το Fe²⁺, παραμένει με διαμόρφωση [Ar] 3d⁶ (υποθέτοντας ότι το τροχιακό 4s είναι όπου προέρχονται αυτά τα ηλεκτρόνια). Ενώ χάνεις τρία ηλεκτρόνια, Πίστη³⁺, η διαμόρφωσή του είναι [Ar] 3d⁵.

Πειραματικά έχει αποδειχθεί ότι πολλά ιόντα με διαμόρφωση σθένους nd⁵ Είναι πολύ σταθεροί. Ως εκ τούτου, ο σίδηρος τείνει να οξειδώνεται έναντι των ειδών που δέχονται ηλεκτρόνια για να γίνει το σίδηρο σιδήρου Fe³⁺? και σε ένα λιγότερο οξειδωτικό περιβάλλον, στο σιδηρούχο κατιόν Fe²⁺.

Στη συνέχεια, σε ένα μέσο με μικρή παρουσία οξυγόνου, οι σιδηρούχες ενώσεις αναμένεται να κυριαρχήσουν. Το ρΗ επηρεάζει επίσης την κατάσταση οξείδωσης του σιδήρου, αφού σε πολύ όξινα μέσα ευνοείται ο μετασχηματισμός του σε Fe³⁺.

Χρώματα των ενώσεών του

Η Πίστη²⁺ στην λύση είναι πρασινωπό, και η Πίστη³⁺, από μαλακό ιώδες. Ομοίως, οι ενώσεις σιδήρου μπορεί να έχουν πράσινα ή κόκκινα χρώματα ανάλογα με το κατιόν που υπάρχει και ποια ιόντα ή μόρια τα περιβάλλουν.

Οι αποχρώσεις της πράσινης αλλαγής σύμφωνα με το ηλεκτρονικό περιβάλλον της Πίστης²⁺. Έτσι, το FeO, το οξείδιο σιδήρου, είναι ένα πολύ σκούρο πράσινο στερεό. ενώ το FeSO₄, θειικό σίδηρο, έχει ανοιχτούς πράσινους κρυστάλλους. Άλλες ενώσεις Fe²⁺ μπορεί να έχουν και μπλε τόνους, όπως στην περίπτωση του μπλε της Πρωσίας.

Αυτό συμβαίνει επίσης με τις ιώδες αποχρώσεις της πίστης³⁺ στις ενώσεις του, που μπορεί να γίνει κοκκινωπό. Για παράδειγμα, αιματίτης, Faith₂Ο₃, είναι το οξείδιο που είναι υπεύθυνο για πολλά κομμάτια σιδήρου να φαίνονται κοκκινωπά.

Ωστόσο, ένας σημαντικός αριθμός ενώσεων σιδήρου είναι άχρωμο. Χλωριούχο σίδηρο, FeCl₃, Είναι άχρωμο, επειδή η πίστη³⁺ Στην πραγματικότητα δεν βρίσκεται σε ιονική μορφή αλλά σχηματίζει ομοιοπολικούς δεσμούς (Fe-Cl).

Άλλες ενώσεις είναι στην πραγματικότητα πολύπλοκα μίγματα Fe κατιόντων²⁺ και την πίστη³⁺. Τα χρώματα τους θα υπόκεινται πάντοτε στα οποία τα ιόντα ή τα μόρια αλληλεπιδρούν με το σίδηρο, αν και όπως αναφέρθηκε, μια μεγάλη πλειοψηφία τείνει να είναι μπλε, βιολετί, κοκκινωπό (ακόμη και κίτρινο) ή σκούρο πράσινο.

Οξειδωτικές καταστάσεις

Όπως εξηγείται, ο σίδηρος μπορεί να έχει μια κατάσταση οξείδωσης ή σθένος +2 ή +3. Ωστόσο, είναι επίσης πιθανό να συμμετάσχει σε μερικές ενώσεις με σθένος 0. δηλαδή, ότι δεν υφίσταται καμία απώλεια ηλεκτρόνων.

Σε αυτόν τον τύπο ενώσεων, ο σίδηρος συμμετέχει στην ακατέργαστη μορφή του. Για παράδειγμα, το Fe (CO)₅, Το πεντακαρβονύλιο του σιδήρου αποτελείται από ένα έλαιο που λαμβάνεται με θέρμανση πορώδους σιδήρου με μονοξείδιο του άνθρακα. Τα μόρια του CO είναι τοποθετημένα στις οπές του υγρού, ενώ το Fe συντονίζεται με πέντε από αυτά (Fe-C = O).

Οξειδωτικοί και αναγωγικοί παράγοντες

Ποιο από τα κατιόντα, Πίστη²⁺ o Πίστη³⁺, Συμπεριφέρονται ως οξειδωτικά ή αναγωγικά μέσα; Η Πίστη²⁺ σε όξινο περιβάλλον ή παρουσία οξυγόνου, χάνει ένα ηλεκτρόνιο για να γίνει Fe³⁺? ως εκ τούτου, είναι ένας αναγωγικός παράγοντας:

Πίστη²⁺ => Πίστη³⁺ + ε^-

Και η Πίστη³⁺ συμπεριφέρεται ως οξειδωτικό μέσο σε ένα βασικό μέσο:

Πίστη³⁺ + ε^- => Πίστη²⁺

Ή ακόμα:

Πίστη³⁺ + 3ε^- => Πίστη

Χημική δομή

Ο σίδηρος σχηματίζει πολυμορφικά στερεά, δηλαδή τα άτομα μετάλλων του μπορούν να υιοθετήσουν διαφορετικές κρυσταλλικές δομές. Σε θερμοκρασία δωματίου, τα άτομα κρυσταλλώνονται στη μοναδιαία μονάδα bcc: κυβικά κεντραρισμένα στο σώμα (Κορτικοκεραμένο σώμα). Αυτή η στερεή φάση είναι γνωστή ως φερρίτη, Fe α.

Αυτή η δομή bcc μπορεί να οφείλεται στο γεγονός ότι ο σίδηρος είναι μια μεταλλική διαμόρφωση⁶, με ηλεκτρονική κενή τεσσάρων ηλεκτρονίων.

Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, τα άτομα Fe δονείται λόγω της θερμικής επίδρασης και υιοθετεί, μετά από 906 ° C, μια συμπαγή κυβική δομή ccp:Cubic Closest Packed). Είναι το Fe γ, το οποίο επιστρέφει στη φάση Fe α σε θερμοκρασία 1401ºC. Μετά από αυτή τη θερμοκρασία, ο σίδηρος τήκεται στους 1535 ° C.

Και τι γίνεται με την αύξηση της πίεσης; Όταν αυξάνεται, ωθεί τα άτομα των κρυστάλλων να "συμπιέσουν" σε μια πυκνότερη δομή: Fe β. Αυτό το πολύμορφο έχει μια συμπαγή hcp: εξαγωνική δομή (Εξάγωνο κλειστό πακέτο).

Χρήσεις / εφαρμογές

Διαρθρωτικά

Μόνο το σίδερο έχει λίγες εφαρμογές. Ωστόσο, όταν είναι επικαλυμμένο με άλλο μέταλλο (ή κράμα, όπως κασσίτερο) προστατεύεται από τη διάβρωση. Έτσι, ο σίδηρος είναι ένα δομικό υλικό που υπάρχει σε κτίρια, γέφυρες, πύλες, αγάλματα, αυτοκίνητα, μηχανές, μετασχηματιστές κλπ..

Όταν προστίθενται μικρές ποσότητες άνθρακα και άλλων μετάλλων, οι μηχανικές τους ιδιότητες ενισχύονται. Αυτοί οι τύποι κραμάτων είναι γνωστοί ως χάλυβες. Οι χάλυβες κατασκευάζουν σχεδόν όλες τις βιομηχανίες και τα υλικά τους.

Από την άλλη πλευρά, ο σίδηρος που αναμιγνύεται με άλλα μέταλλα (μερικές από τις σπάνιες γαίες) έχει χρησιμοποιηθεί για την κατασκευή μαγνητών που χρησιμοποιούνται στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό.

Βιολογικά

Ο σίδηρος διαδραματίζει ουσιαστικό ρόλο στη ζωή. Στο σώμα μας, είναι μέρος ορισμένων πρωτεϊνών, συμπεριλαμβανομένου του ενζύμου αιμοσφαιρίνη.

Χωρίς αιμοσφαιρίνη, φορέας οξυγόνου χάρη στο μεταλλικό κέντρο Fe³⁺, το οξυγόνο δεν μπορούσε να μεταφερθεί σε διαφορετικές περιοχές του σώματος, επειδή στο νερό είναι πολύ αδιάλυτο.

Η αιμοσφαιρίνη ταξιδεύει μέσω του αίματος στα μυϊκά κύτταρα, όπου το pH είναι οξύ και οι υψηλότερες συγκεντρώσεις CO είναι άφθονα₂. Εδώ συμβαίνει η αντίστροφη διαδικασία, δηλαδή, το οξυγόνο απελευθερώνεται λόγω των συνθηκών και της χαμηλής συγκέντρωσής του σε αυτά τα κύτταρα. Αυτό το ένζυμο μπορεί να μεταφέρει συνολικά τέσσερα μόρια Ο₂.

Πώς παίρνετε?

Λόγω της αντιδραστικότητάς της βρίσκεται στο φλοιό της γης σχηματίζοντας οξείδια, σουλφίδια ή άλλα μέταλλα. Ως εκ τούτου, ορισμένα από αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως πρώτη ύλη. όλα θα εξαρτηθούν από το κόστος και τις δυσκολίες να μειωθεί ο σίδηρος στο χημικό του περιβάλλον.

Βιομηχανικά, η μείωση των οξειδίων του σιδήρου είναι πιο εφικτή από ότι τα σουλφίδια του. Αιματίτης και μαγνητίτης, Fe₃Ο₄, είναι οι κύριες πηγές αυτού του μετάλλου, οι οποίες αντιδρούν με άνθρακα (με τη μορφή οπτάνθρακα).

Ο σίδηρος που λαμβάνεται με αυτή τη μέθοδο είναι υγρός και πυρακτωμένος και εκκενώνεται σε πλινθώματα πλινθωμάτων (όπως ένας καταρράκτης λάβας). Επίσης, μπορούν να σχηματιστούν μεγάλες ποσότητες αερίων, οι οποίες μπορεί να είναι επιβλαβείς για το περιβάλλον. Επομένως, η λήψη σιδήρου συνεπάγεται την εξέταση πολλών παραγόντων.

Αντιδράσεις εντός των φούρνων

Χωρίς να ονομάζουμε τις λεπτομέρειες της εκχύλισης και της μεταφοράς τους, αυτά τα οξείδια κινούνται μαζί με τον οπτάνθρακα και τον ασβεστόλιθο (CaCO₃) σε υψικαμίνους. Τα εκχυλισμένα οξείδια φέρουν κάθε είδους ακαθαρσίες, οι οποίες αντιδρούν με το CaO που απελευθερώνεται από τη θερμική αποσύνθεση του CaCO₃.

Αφού φορτωθεί η παρτίδα πρώτης ύλης στον φούρνο, στο κάτω τμήμα του τρέχει ένα ρεύμα αέρα στους 2000ºC, το οποίο καύση του οπτάνθρακα στο μονοξείδιο του άνθρακα:

2C (s) + Ο₂(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Αυτό το CO ανεβαίνει στην κορυφή του κλιβάνου, όπου συναντά τον αιματίτη και το μειώνει:

3Fe₂Ο₃(ων) + CO (g) => 2Fe₃Ο₄(ες) + CO₂(g) (200 ° C)

Στο μαγνητίτη υπάρχουν ιόντα Fe²⁺, Προϊόντα μείωσης των Fe³⁺ με την CO. Στη συνέχεια, αυτό το προϊόν συνεχίζει να μειώνεται με περισσότερα CO:

Πίστη₃Ο₄(ων) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(g) (700 ° C)

Τέλος, το FeO καταλήγει να μειώνεται σε μεταλλικό σίδηρο, ο οποίος τήκεται λόγω των υψηλών θερμοκρασιών του κλιβάνου:

FeO (+) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(ζ)

Πίστη (ες) => Πίστη (l)

Ενώ ταυτόχρονα το CaO αντιδρά με τα πυριτικά άλατα και τις ακαθαρσίες, σχηματίζοντας αυτό που είναι γνωστό ως υγρή σκωρία. Αυτή η σκωρία είναι λιγότερο πυκνή από ό, τι ο υγρός σίδηρος, γι 'αυτό επιπλέει πάνω από αυτό και οι δύο φάσεις μπορούν να διαχωριστούν.

Αναφορές

1. Εθνικό Κέντρο Επιστημονικών Πόρων. (s.f.). Σίδερο. Ανακτήθηκε από: propertiesofmatter.si.edu
2. R Πλοίο. (s.f.). Σίδερο. Ανακτήθηκε από: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. Β. Calvert. (Δεκέμβριος 2003). Σίδηρος: Το μέταλλο του Άρη μας δίνει μαγνητισμό και ζωή. Ανακτήθηκε από: mysite.du.edu
4. Χειρουργικός περιοδικός πίνακας. (6 Οκτωβρίου 2012). Σίδερο. Ανακτήθηκε από: chemicool.com
5. Η ισορροπία. (s.f.). Μεταλλικό προφίλ: Σίδηρος. Λαμβάνεται από: thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008). Ανόργανη χημεία (τέταρτη έκδοση). Mc Graw Hill.
7. Clark J. (29 Νοεμβρίου 2015). Η Εξόρυξη του Σιδήρου. Ανακτήθηκε από: chem.libretexts.org