Đặc tính sắt (nguyên tố hóa học), cấu trúc hóa học, công dụng



các sắt là một kim loại chuyển tiếp nằm trong nhóm VIIIB hoặc 8 của bảng tuần hoàn. Đó là một trong những kim loại đã được biết đến từ thời kỳ đầu tiên. Người Trung Quốc, Ai Cập và La Mã, đã làm việc với kim loại này. Khai thác dễ dàng của nó đánh dấu một giai đoạn của lịch sử được gọi là Thời đại đồ sắt.

Tên của nó bắt nguồn từ chữ 'ferrum' trong tiếng Latin, và do đó biểu tượng hóa học của nó là Faith. Nó là một yếu tố rất dễ phản ứng, vì vậy ánh bạc của nó thường không được tìm thấy trong tự nhiên. Vào thời cổ đại, kim loại này trên thực tế được xếp vào danh mục có giá trị cao hơn vàng do sự khan hiếm được cho là của nó.

Hình dạng tinh khiết của nó đã được tìm thấy ở các khu vực của Greenland và trong đá lửa của đất Nga. Trong không gian thiên thể, người ta tin rằng nó là một thành phần phong phú trong các thiên thạch, sau khi tác động đến Trái đất, một số người đã bảo tồn sắt kết tinh trong bộ ngực đá của họ.

Nhưng, quan trọng hơn sắt nguyên chất, là các hợp chất của nó; đặc biệt là các oxit của nó. Những oxit này bao phủ bề mặt trái đất với một nhóm lớn các khoáng chất, chẳng hạn như từ tính, pyrit, hematit, goethite, và nhiều loại khác. Trên thực tế, các màu sắc quan sát được ở vùng núi và sa mạc sao Hỏa phần lớn là do hematit.

Các vật thể bằng sắt có thể được tìm thấy bên trong các thành phố hoặc cánh đồng. Những người không có màng bảo vệ, chuyển sang màu đỏ vì chúng bị ăn mòn bởi độ ẩm và oxy. Những người khác, như đèn lồng của hình ảnh chính, vẫn có màu xám hoặc đen.

Người ta ước tính rằng có một lượng lớn kim loại này trong lõi Trái đất. Nhiều đến mức, ở trạng thái lỏng, sản phẩm có nhiệt độ cao, nó có thể chịu trách nhiệm cho từ trường của Trái đất.

Mặt khác, sắt không chỉ bổ sung cho vỏ của hành tinh chúng ta, mà còn là một phần của các chất dinh dưỡng cần thiết cho sinh vật. Ví dụ, cần phải vận chuyển oxy đến các mô.

Chỉ số

  • 1 Đặc tính của sắt
    • 1.1 Điểm nóng chảy và sôi
    • Mật độ 1,2
    • 1.3 Đồng vị
    • 1,4 Độc tính
  • 2 Tính chất hóa học
    • 2.1 Màu sắc của các hợp chất của nó
    • 2.2 Trạng thái oxy hóa
    • 2.3 Các tác nhân oxy hóa và khử
  • 3 Cấu trúc hóa học
  • 4 công dụng / ứng dụng
    • 4.1 Kết cấu
    • 4.2 Sinh học
  • 5 làm thế nào để bạn có được?
    • 5.1 Phản ứng bên trong lò nung
  • 6 tài liệu tham khảo

Đặc tính của sắt

Sắt nguyên chất có những đặc điểm riêng giúp phân biệt với khoáng chất. Nó là một kim loại sáng bóng, màu xám, phản ứng với oxy và độ ẩm trong không khí để chuyển thành oxit tương ứng. Nếu không có oxy trong khí quyển, tất cả các đồ trang trí và cấu trúc sắt sẽ vẫn còn nguyên vẹn và không bị gỉ đỏ..

Nó có độ bền và độ cứng cơ học cao, nhưng đồng thời nó dễ uốn và dễ uốn. Điều này cho phép thợ rèn rèn các mảnh với nhiều hình dạng và thiết kế chịu khối lượng sắt chịu nhiệt độ cao. Nó cũng là một chất dẫn nhiệt và điện tốt.

Ngoài ra, một trong những tính năng quý giá nhất của nó là tương tác với nam châm và khả năng từ hóa. Công chúng đã được đưa ra nhiều minh chứng về hiệu ứng mà nam châm mang lại cho sự chuyển động của phoi sắt, và cũng để chứng minh từ trường và các cực của nam châm.

Điểm nóng chảy và sôi

Sắt nóng chảy ở nhiệt độ 1535ºC và sôi ở 2750ºC. Ở dạng lỏng và sợi đốt, kim loại này thu được. Ngoài ra, nhiệt dung của phản ứng tổng hợp và bay hơi của nó là 13,8 và 349,6 kJ / mol.

Mật độ

Mật độ của nó là 7,86g / cm3. Đó là, 1mL kim loại này nặng 7,86 gram.

Đồng vị

Trong bảng tuần hoàn, cụ thể trong nhóm 8 của giai đoạn 4, người ta đã tìm thấy sắt, với khối lượng nguyên tử xấp xỉ 56u (26 proton, 26 electron và 30 neutron). Tuy nhiên, trong tự nhiên có ba đồng vị sắt ổn định khác, nghĩa là chúng có cùng số proton nhưng khối lượng nguyên tử khác nhau.

các 56Đức tin là phong phú nhất trong tất cả (91,6%), tiếp theo là 54Niềm tin (5,9%), 57Fe (2,2%) và cuối cùng là 58Niềm tin (0,33%). Chính bốn đồng vị này tạo nên tất cả sắt chứa trong hành tinh Trái đất. Trong các điều kiện khác (ngoài trái đất), các tỷ lệ phần trăm này có thể khác nhau, nhưng có thể là 56Đức tin tiếp tục phong phú nhất.

Các đồng vị khác, có khối lượng nguyên tử dao động trong khoảng 46 đến 69u, rất không ổn định và có chu kỳ bán rã ngắn hơn so với bốn loại vừa nêu.

Độc tính

Trên tất cả các tính năng, nó là một kim loại không độc hại. Mặt khác, các phương pháp điều trị đặc biệt (hóa học và vật lý) sẽ được yêu cầu và các vật thể và tòa nhà không thể đo lường được sẽ gây ra rủi ro tiềm ẩn cho môi trường và cuộc sống.

Tính chất hóa học

Cấu hình điện tử của sắt là [Ar] 3d64 giây2, điều đó có nghĩa là nó đóng góp hai electron từ quỹ đạo 4s của nó và sáu từ quỹ đạo 3d, để hình thành các liên kết kim loại của nó trong tinh thể. Chính cấu trúc tinh thể này giải thích một số tính chất như sắt từ.

Ngoài ra, cấu hình điện tử bề ngoài dự đoán sự ổn định của các cation của nó. Khi sắt mất hai electron, Fe2+, Vẫn với cấu hình [Ar] 3d6 (giả sử rằng quỹ đạo 4s là nơi các electron này đến từ). Trong khi nếu bạn mất ba điện tử, Faith3+, cấu hình của nó là [Ar] 3d5.

Thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng nhiều ion có cấu hình hóa trị thứ5 Họ rất ổn định. Do đó, sắt có xu hướng oxy hóa chống lại các loài chấp nhận electron để trở thành cation sắt Fe3+; và trong môi trường ít oxy hóa, trong cation sắt Fe2+.

Sau đó, trong một môi trường có ít oxy, các hợp chất màu được dự kiến ​​sẽ chiếm ưu thế. Độ pH cũng ảnh hưởng đến trạng thái oxy hóa của sắt, vì trong môi trường rất axit, nó được ưa chuộng để chuyển hóa thành Fe3+.

Màu sắc của các hợp chất của nó

Đức tin2+ trong giải pháp là màu xanh lá cây, và đức tin3+, của một màu tím mềm mại. Tương tự như vậy, các hợp chất sắt có thể có màu xanh lục hoặc đỏ tùy thuộc vào loại cation nào có mặt và các ion hoặc phân tử bao quanh chúng.

Các sắc thái của thay đổi xanh theo môi trường điện tử của Faith2+. Do đó, FeO, oxit sắt, là một chất rắn màu xanh lá cây rất đậm; trong khi FeSO4, sắt sunfat, có tinh thể màu xanh nhạt. Các hợp chất Fe khác2+ chúng thậm chí có thể có tông màu hơi xanh, như trong trường hợp của màu xanh Phổ.

Nó cũng xảy ra với màu tím của Faith3+ trong các hợp chất của nó, có thể trở nên hơi đỏ. Ví dụ, hematit, Faith2Ôi3, Là oxit chịu trách nhiệm cho nhiều mảnh sắt trông hơi đỏ.

Tuy nhiên, một số lượng đáng kể các hợp chất sắt là không màu. Clorua sắt, FeCl3, Nó là không màu, bởi vì Đức tin3+ Nó thực sự không được tìm thấy ở dạng ion mà hình thành liên kết cộng hóa trị (Fe-Cl).

Các hợp chất khác trong thực tế là hỗn hợp phức tạp của các cation Fe2+ và đức tin3+. Màu sắc của chúng sẽ luôn là đối tượng mà các ion hoặc phân tử tương tác với sắt, mặc dù như đã đề cập, phần lớn có xu hướng có màu hơi xanh, tím, đỏ (thậm chí vàng) hoặc xanh đậm.

Trạng thái oxy hóa

Như đã giải thích, sắt có thể có trạng thái oxy hóa hoặc hóa trị là +2 hoặc +3. Tuy nhiên, cũng có thể nó tham gia vào một số hợp chất có hóa trị 0; nghĩa là, nó không bị mất điện tử.

Trong loại hợp chất này, sắt tham gia ở dạng thô. Ví dụ: Fe (CO)5, Sắt pentacarbonyl, bao gồm một loại dầu thu được bằng cách đun nóng sắt xốp với carbon monoxide. Các phân tử CO được đặt trong các lỗ của chất lỏng, Fe được phối hợp với năm trong số này (Fe-C≡O).

Các tác nhân oxy hóa và khử

Mà các cation, Faith2+ o Niềm tin3+, Họ hành xử như một tác nhân oxy hóa hoặc khử? Đức tin2+ trong môi trường axit hoặc trong sự hiện diện của oxy, mất một điện tử để trở thành Fe3+; do đó, nó là một chất khử:

Đức tin2+ => Niềm tin3+ + e-

Và đức tin3+ nó hoạt động như một tác nhân oxy hóa trong một môi trường cơ bản:

Đức tin3+ + e- => Niềm tin2+

Hoặc thậm chí:

Đức tin3+ + 3e- => Niềm tin

Cấu trúc hóa học

Sắt tạo thành chất rắn đa hình, nghĩa là các nguyên tử kim loại của nó có thể sử dụng các cấu trúc tinh thể khác nhau. Ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử của nó kết tinh trong đơn vị bcc đơn vị: khối trung tâm trong cơ thể (Thân hình khối). Pha rắn này được gọi là ferrite, Fe α.

Cấu trúc bcc này có thể là do sắt là cấu hình kim loại6, với vị trí trống bốn electron điện tử.

Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử Fe dao động do hiệu ứng nhiệt và thông qua, sau 906 ° C, cấu trúc ccp khối nhỏ gọn:Khối gần nhất đóng gói). Đó là Fe, trở lại pha Fe α ở nhiệt độ 1401ºC. Sau nhiệt độ này, sắt nóng chảy ở 1535ºC.

Và những gì về sự gia tăng áp lực? Khi tăng, nó buộc các nguyên tử tinh thể "ép" thành một cấu trúc dày đặc hơn: Fe. Dạng đa hình này có cấu trúc hcp: lục giác nhỏ gọn (Gói lục giác).

Sử dụng / ứng dụng

Kết cấu

Chỉ riêng sắt đã có vài ứng dụng. Tuy nhiên, khi nó được phủ một kim loại khác (hoặc hợp kim, chẳng hạn như thiếc), nó được bảo vệ khỏi sự ăn mòn. Do đó, sắt là vật liệu xây dựng có mặt trong các tòa nhà, cầu, cổng, tượng, ô tô, máy móc, máy biến thế, v.v..

Khi một lượng nhỏ carbon và các kim loại khác được thêm vào, tính chất cơ học của chúng được củng cố. Những loại hợp kim được gọi là thép. Thép đang xây dựng hầu hết các ngành công nghiệp và vật liệu của họ.

Mặt khác, sắt trộn với các kim loại khác (một số đất hiếm) đã được sử dụng để sản xuất nam châm dùng trong thiết bị điện tử.

Sinh học

Sắt đóng một vai trò thiết yếu trong cuộc sống. Trong cơ thể chúng ta, nó là một phần của một số protein, bao gồm cả enzyme huyết sắc tố.

Không có huyết sắc tố, mang oxy nhờ trung tâm Fe kim loại của nó3+, oxy không thể được vận chuyển đến các vùng khác nhau của cơ thể, vì trong nước nó rất không hòa tan.

Huyết sắc tố đi qua máu đến các tế bào cơ, trong đó pH là axit và nồng độ CO cao hơn rất nhiều2. Ở đây, quá trình ngược lại xảy ra, nghĩa là oxy được giải phóng do các điều kiện và nồng độ thấp của nó trong các tế bào này. Enzyme này có thể vận chuyển tổng cộng bốn phân tử O2.

Làm thế nào để bạn nhận được?

Do tính phản ứng của nó, nó được tìm thấy trong vỏ trái đất tạo thành các oxit, sunfua hoặc các khoáng chất khác. Do đó, một số trong số chúng có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô; mọi thứ sẽ phụ thuộc vào chi phí và những khó khăn để giảm sắt trong môi trường hóa học của nó.

Về mặt công nghiệp, việc khử oxit sắt là khả thi hơn so với sunfua của nó. Hematit và Magnetit, Fe3Ôi4, là nguồn chính của kim loại này, được phản ứng với carbon (ở dạng than cốc).

Sắt thu được bằng phương pháp này là chất lỏng và sợi đốt, và nó được làm trống thành các thỏi (như một tầng dung nham). Ngoài ra, một lượng lớn khí có thể được hình thành, có thể gây hại cho môi trường. Do đó, thu được sắt liên quan đến việc xem xét nhiều yếu tố.

Phản ứng bên trong lò

Không nêu tên các chi tiết khai thác và vận chuyển, các oxit này di chuyển, cùng với than cốc và đá vôi (CaCO3) để lò cao. Các oxit được chiết xuất mang tất cả các loại tạp chất, phản ứng với CaO được giải phóng từ sự phân hủy nhiệt của CaCO3.

Sau khi nạp một lượng nguyên liệu thô vào lò, ở phần dưới của nó chạy một luồng không khí ở 2000ºC, đốt cháy than cốc thành carbon monoxide:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000 CC)

CO này tăng lên đỉnh lò nung, nơi nó gặp hematit và giảm nó:

3Fe2Ôi3(s) + CO (g) => 2Fe3Ôi4(s) + CO2(g) (200 ° C)

Trong từ tính có các ion Fe2+, Sản phẩm khử Fe3+ với CO. Sau đó, sản phẩm này tiếp tục được giảm với nhiều CO:

Đức tin3Ôi4(s) + CO (g) => 3FeO (CO) + CO2(g) (700 CC)

Cuối cùng, FeO cuối cùng bị khử thành sắt kim loại, nóng chảy do nhiệt độ cao của lò:

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

Niềm tin => Niềm tin (l)

Trong khi cùng lúc CaO phản ứng với silicat và tạp chất, tạo thành thứ gọi là xỉ lỏng. Xỉ này ít đậm đặc hơn sắt lỏng, đó là lý do tại sao nó nổi lên trên và cả hai pha có thể được tách ra.

Tài liệu tham khảo

  1. Trung tâm tài nguyên khoa học quốc gia. (s.f.). Sắt. Lấy từ: propertyofmatter.si.edu
  2. Tàu R. (s.f.). Sắt. Lấy từ: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (Tháng 12 năm 2003). Sắt: Kim loại của Sao Hỏa cho chúng ta từ tính và sự sống. Lấy từ: mysite.du.edu
  4. Bảng tuần hoàn Chemiaole. (Ngày 6 tháng 10 năm 2012). Sắt. Lấy từ: chemicool.com
  5. Sự cân bằng. (s.f.). Hồ sơ kim loại: Sắt. Lấy từ: thebalance.com
  6. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa vô cơ (tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
  7. Clark J. (ngày 29 tháng 11 năm 2015). Khai thác sắt. Lấy từ: chem.libretexts.org