Geležis (cheminis elementas): savybės, cheminė struktūra, panaudojimas

Geležis yra pereinamasis metalas, esantis periodinės lentelės VIIIB arba 8 grupėje. Tai vienas iš metalų, kurie žinojo nuo ankstyvųjų laikų. Kinijos, egiptiečiai ir romėnai dirbo su šiuo metalu. Jo lengvas ištraukimas pažymėjo istoriją, vadinamą geležies amžiumi.

Jo pavadinimas kilęs iš žodžio „ferrum“ lotyniškai, taigi ir cheminio simbolio „Faith“, kuris yra labai reaktyvus elementas, todėl jo sidabro blizgesys paprastai nėra gamtoje. Senovėje šis metalas iš tikrųjų buvo kataloguotas, kurio vertė buvo didesnė nei aukso dėl jo tariamo trūkumo.

Jo gryna forma buvo nustatyta Grenlandijos regionuose ir Rusijos dirvožemio uolienos akmenyse. Siderealinėje erdvėje manoma, kad tai yra gausus meteoritų komponentas, kuris, paveikęs Žemę, išsaugojo kristalizuotą geležį savo uolose.

Bet svarbiau už gryno geležies junginius; ypač jos oksidai. Šie oksidai padengia žemės paviršių daugybe mineralų, tokių kaip magnetitas, piritas, hematitas, goetitas ir daug daugiau. Tiesą sakant, Marso kalnuose ir dykumose pastebėtos spalvos didele dalimi priklauso nuo hematito.

Geležies objektus galima rasti miestuose ar laukuose. Tie, kurie neturi apsauginės plėvelės, tampa raudonos spalvos, nes jie korozuoja drėgme ir deguonimi. Kiti, kaip ir pagrindinio vaizdo žibintas, lieka pilki arba juodi.

Apskaičiuota, kad šis metalas koncentruojasi į Žemės branduolį. Tiek daug, kad skystoje būsenoje, aukštoje temperatūroje, jis gali būti atsakingas už Žemės magnetinį lauką.

Kita vertus, geležis ne tik papildo mūsų planetos apvalkalą, bet ir yra gyvų būtybių reikalingų maistinių medžiagų dalis. Pavyzdžiui, būtina pernešti deguonį į audinius.

Geležies charakteristikos

Grynas geležis turi savo savybes, kurios ją skiria nuo mineralų. Tai blizgus, pilki metalas, kuris reaguoja su oru esančiu deguonimi ir drėgme, kad paverstų jį atitinkamu oksidu. Jei atmosferoje nebūtų deguonies, visi papuošalai ir geležies konstrukcijos liktų nepažeistos ir be raudonojo rūdžio.

Jis turi didelį mechaninį stiprumą ir kietumą, tačiau tuo pačiu metu jis yra kaliojo ir kaliojo. Tai leidžia kalviams gaminti gabalus su daugybe formų ir dizainų, dėl kurių geležies masė yra intensyvi. Jis taip pat yra geras šilumos ir elektros laidininkas.

Be to, viena iš svarbiausių jos savybių yra jos sąveika su magnetais ir jo gebėjimas magnetuoti. Plačiajai visuomenei buvo suteikta nemažai parodymų, kaip magnetai daro poveikį geležies drožlių judėjimui, taip pat demonstruoja magneto lauką ir magnetus.

Lydymosi ir virimo taškai

Geležis tirpsta 1535 ° C temperatūroje ir virinama 2750 ° C temperatūroje. Skystame ir kaitinamojoje formoje gaunamas šis metalas. Be to, jo susiliejimo ir garavimo temperatūra yra 13, 8 ir 349, 6 kJ / mol.

Tankis

Jo tankis yra 7, 86 g / cm3. Tai reiškia, kad 1 ml šio metalo sveria 7, 86 gramus.

Izotopai

Periodinėje lentelėje, ypač 4 periodo 8 grupėje, randamas geležis, kurios atominė masė yra maždaug 56u (26 protonai, 26 elektronai ir 30 neutronų). Tačiau gamtoje yra trys kiti stabilūs geležies izotopai, ty jie turi tokį patį protonų skaičių, tačiau skirtingų atominių masių.

56Fe yra labiausiai gausu visų (91, 6%), po to - 54Fe (5, 9%), 57Fe (2, 2%) ir galiausiai 58Fe (0, 33%). Šiuos keturis izotopus sudaro visas planetoje esantis geležis. Kitomis sąlygomis (nežemiškomis) šie procentai gali skirtis, tačiau 56Fe gali būti ir labiausiai gausūs.

Kiti izotopai, kurių atominės masės svyruoja nuo 46 iki 69u, yra labai nestabilūs ir turi pusėjimo trukmę mažiau nei keturi tik paminėti.

Toksiškumas

Visų pirma tai yra netoksiškas metalas. Priešingu atveju reikės specialaus gydymo (cheminio ir fizinio), o neišmatuojami objektai ir pastatai būtų latentinė rizika aplinkai ir gyvenimui.

Cheminės savybės

Elektroninė geležies konfigūracija yra [Ar] 3d64s2, o tai reiškia, kad ji du elektronus iš savo 4s orbitos ir šešis iš 3d orbitų sudaro metalinių jungčių formavimui kristale. Būtent ši kristalinė struktūra paaiškina kai kurias savybes, pvz., Ferromagnetizmą.

Be to, elektroninė konfigūracija paviršutiniškai prognozuoja jo katijonų stabilumą. Kai geležis praranda du savo elektronus, Fe2 +, jis lieka su konfigūracija [Ar] 3d6 (darant prielaidą, kad 4s orbitoje yra šie elektronai). Kadangi jei jis praranda tris elektronus, Fe3 +, jo konfigūracija yra [Ar] 3d5.

Eksperimentiškai buvo įrodyta, kad daugelis jonų, turinčių valencijos nd5 konfigūraciją, yra labai stabilūs. Todėl geležis linkusi oksiduotis prieš elektroną priimančias rūšis, kad taptų Fe3 + geležies katijonu; ir mažiau oksidacinėje aplinkoje, Fe2 + geležies katijone.

Tuomet terpėje, kurioje yra mažai deguonies, tikimasi, kad vyrauja geležies junginiai. PH taip pat turi įtakos geležies oksidacijos būsenai, nes labai rūgštioje terpėje yra palankesnis jo transformavimas į Fe3 +.

Jo junginių spalvos

Fe2 + tirpalas yra žalsvas, o Fe3 + minkštos violetinės spalvos. Panašiai geležies junginiai gali turėti žalias arba raudonas spalvas, priklausomai nuo to, koks yra katijonas, ir kokie jonai ar molekulės juos supa.

Žalios spalvos pokyčiai pagal Fe2 + elektroninę aplinką. Taigi, FeO, geležies oksidas, yra labai tamsiai žalias kietas; o FeSO 4, geležies sulfatas, turi šviesiai žalius kristalus. Kiti Fe2 + junginiai gali turėti net melsvų atspalvių, kaip ir prūsų mėlynos spalvos.

Jis taip pat vyksta su violetiniais Fe3 + atspalviais jo junginiuose, kurie gali tapti rausvai. Pavyzdžiui, hematitas, Fe 2 O 3, yra oksidas, atsakingas už daugelį raudonųjų geležies dalių.

Tačiau nemažai geležies junginių yra bespalviai. Geležies chloridas, FeCl3, yra bespalvis, nes Fe3 + nėra iš tikrųjų randamas joninėje formoje, bet sudaro kovalentinius ryšius (Fe-Cl).

Kiti junginiai iš tiesų yra kompleksiniai Fe2 + ir Fe3 + katijonų mišiniai. Jų spalva visada bus priklausoma nuo to, kokie jonai ar molekulės sąveikauja su geležimi, nors, kaip minėta, didžioji dauguma yra mėlynos, violetinės, rausvos (net geltonos) arba tamsiai žalios.

Oksidacijos būsenos

Kaip paaiškinta, geležies oksidacijos būsena arba valencija gali būti +2 arba +3. Tačiau taip pat įmanoma, kad jis dalyvauja kai kuriuose junginiuose, kurių valentė yra 0; tai reiškia, kad jis netenka elektronų praradimo.

Šio tipo junginiuose geležis dalyvauja neapdorotos formos. Pavyzdžiui, Fe (CO) 5, geležies pentakarbonilas, susideda iš aliejaus, gauto kaitinant porėtą geležį su anglies monoksidu. CO molekulės yra patalpintos skysčio tuštumose, o Fe yra suderintas su penkiais iš jų (Fe-C20).

Oksiduojančios ir redukuojančios medžiagos

Kuris iš katijonų, Fe2 + arba Fe3 +, elgiasi kaip oksiduojantis arba redukuojantis agentas? Fe2 + rūgščioje terpėje arba deguonies pavidalu praranda elektroną, kad taptų Fe3 +; todėl jis yra reduktorius:

Fe2 + => Fe3 + + e-

Ir Fe3 + veikia kaip oksidatorius pagrindinėje terpėje:

Fe3 + + e- => Fe2 +

Arba net:

Fe3 + + 3e => Tikėjimas

Cheminė struktūra

Geležis sudaro polimorfines kietąsias medžiagas, ty jos metalo atomai gali priimti skirtingas kristalines struktūras. Kambario temperatūroje jo atomai kristalizuojasi viename vienete bcc: kubiniame centre ( kūno centre ). Ši kieta fazė yra žinoma kaip feritas, Fe α.

Ši bcc struktūra gali būti dėl to, kad geležis yra konfigūracijos d6 metalas, turintis elektronines laisvas keturių elektronų vietas.

Kai temperatūra pakyla, Fe atomai vibruoja dėl terminio poveikio ir po 906 ° C priima kompaktišką kubinį ccp: Cubic Closest Packed structure . Tai Fe γ, kuris grįžta į Fe α fazę 1401 ° C temperatūroje. Po šios temperatūros geležis lydosi 1535 ° C temperatūroje.

O kaip apie spaudimo padidėjimą? Kai tai padidėja, tai priverčia kristalų atomus „suspausti“ į tankesnę struktūrą: Fe β. Šis polimorfas turi hcp: šešiakampę kompaktišką struktūrą ( šešiakampė uždara pakuotė ).

Naudojimas / taikymas

Struktūriniai

Vien tik geležis turi nedaug programų. Tačiau, kai jis yra padengtas kitu metalu (arba lydiniu, pavyzdžiui, alavu), jis yra apsaugotas nuo korozijos. Taigi geležis yra statybinė medžiaga, esanti pastatuose, tiltuose, vartuose, statulose, automobiliuose, mašinose, transformatoriuose ir kt.

Pridedant nedidelį kiekį anglies ir kitų metalų, jų mechaninės savybės sustiprinamos. Šio tipo lydiniai yra žinomi kaip plienai. Plienas stato beveik visas pramonės šakas ir jų medžiagas.

Kita vertus, metalų, naudojamų elektroninėje įrangoje, gamybai buvo naudojamas geležis, sumaišytas su kitais metalais (kai kuriais retaisiais žemėmis).

Biologiniai

Geležis vaidina svarbų vaidmenį gyvenime. Mūsų kūnuose jis yra kai kurių baltymų, įskaitant fermentą hemoglobiną, dalis.

Be hemoglobino, deguonies nešiklio, kuris susidaro dėl metalinio Fe3 + centro, deguonies negalima transportuoti į skirtingus kūno regionus, nes vandenyje jis yra labai netirpus.

Hemoglobinas per kraują patenka į raumenų ląsteles, kuriose pH yra rūgštis ir didesnė CO 2 koncentracija. Čia vyksta atvirkštinis procesas, ty deguonis išsiskiria dėl sąlygų ir mažos jų koncentracijos šiose ląstelėse. Šis fermentas gali transportuoti keturias O 2 molekules.

Kaip tai gauti?

Dėl savo reaktyvumo jis randamas žemės plutoje, sudarant oksidus, sulfidus ar kitus mineralus. Todėl kai kurie iš jų gali būti naudojami kaip žaliava; viskas priklausys nuo kaštų ir sunkumų sumažinti geležį cheminėje aplinkoje.

Pramoniniu požiūriu geležies oksidų redukcija yra labiau įmanoma nei jos sulfidų. Hematitas ir magnetitas, Fe3O4, yra pagrindiniai šio metalo šaltiniai, kurie reaguoja su anglies (kokso pavidalu).

Šiuo būdu gautas geležis yra skystas ir kaitinamas, ir jis ištuštinamas į luitų luitus (kaip lavos kaskadą). Taip pat gali susidaryti dideli dujų kiekiai, kurie gali būti kenksmingi aplinkai. Todėl geležies gavimas apima daugelio veiksnių apsvarstymą.

Reakcijos orkaitėse

Nenurodant informacijos apie jų gavybą ir transportavimą, šie oksidai kartu su koksu ir kalkakmeniu (CaCO 3 ) perduodami į aukštakrosnes. Išgauti oksidai turi visų rūšių priemaišas, kurios reaguoja su CaO, išsiskiriančiu terminiu CaCO 3 skilimu.

Kai žaliava pakraunama į krosnį, jos apatinėje dalyje teka oro srovė 2000ºC temperatūroje, kuri degina koksą į anglies monoksidą:

2C (s) + O2 (g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Ši CO pakyla į krosnies viršūnę, kurioje ji atitinka hematitą ir sumažina:

3Fe2O3 (s) + CO (g) => 2Fe3O4 (s) + CO 2 (g) (200ºC)

Magnetite yra Fe2 + jonai, Fe3 + redukcijos produktai su CO. Tada šis produktas ir toliau mažinamas daugiau CO:

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

Galiausiai, FeO sumažėja iki metalo geležies, kuris lydosi dėl aukštos temperatūros krosnyje:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO 2 (g)

Tikėjimas (-ai) => Tikėjimas (l)

Tuo pačiu metu CaO reaguoja su silikatais ir priemaišomis, o tai sudaro skystą šlaką. Šis šlakas yra mažiau tankus nei skystas geležis, todėl jis plaukioja virš jo ir abi fazės gali atskirti.