คุณสมบัติของเหล็ก (องค์ประกอบทางเคมี) โครงสร้างทางเคมีการใช้

เหล็ก เป็นโลหะทรานซิชันที่อยู่ในกลุ่ม VIIIB หรือ 8 ของตารางธาตุ มันเป็นหนึ่งในโลหะที่ได้รับรู้มาตั้งแต่ครั้งแรก ชาวจีนชาวอียิปต์และชาวโรมันได้ทำงานกับโลหะนี้ การสกัดง่ายเป็นขั้นตอนของประวัติศาสตร์ที่รู้จักกันในนามยุคเหล็ก.

ชื่อของมันมาจากคำว่า 'ferrum' ในภาษาละตินและด้วยเหตุนี้สัญลักษณ์ทางเคมีของศรัทธาศรัทธามันเป็นองค์ประกอบที่มีปฏิกิริยามากดังนั้นความมันวาวของเงินมักจะไม่พบในธรรมชาติ ในสมัยโบราณโลหะนี้มีการจัดหมวดหมู่ตามมูลค่าที่สูงกว่าทองคำเนื่องจากความขาดแคลน.

รูปแบบบริสุทธิ์ของมันถูกพบในพื้นที่ของกรีนแลนด์และในหินอัคนีของดินของรัสเซีย ในพื้นที่ของดาวฤกษ์มันเชื่อว่ามันเป็นองค์ประกอบที่อุดมสมบูรณ์ในอุกกาบาตซึ่งหลังจากกระทบโลกบางคนได้เก็บรักษาเหล็กตกผลึกไว้ในอกหินของพวกเขา.

แต่ที่สำคัญกว่าเหล็กบริสุทธิ์ก็คือสารประกอบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งออกไซด์ของมัน ออกไซด์เหล่านี้ครอบคลุมพื้นผิวโลกด้วยแร่ธาตุขนาดใหญ่เช่นแมกนีไทต์ไพไรต์เฮมาไทต์ goethite และอื่น ๆ อีกมากมาย อันที่จริงสีที่พบในภูเขาและทะเลทรายของดาวอังคารนั้นส่วนใหญ่มาจากแร่ออกไซด์.

สามารถพบวัตถุเหล็กภายในเมืองหรือทุ่งนา ผู้ที่ไม่มีฟิล์มป้องกันเปลี่ยนเป็นสีแดงเพราะพวกมันกัดกร่อนด้วยความชื้นและออกซิเจน อื่น ๆ เช่นตะเกียงของภาพหลักยังคงเป็นสีเทาหรือสีดำ.

คาดว่ามีความเข้มข้นของโลหะนี้มากในแกนกลางของโลก ดังนั้นในสถานะของเหลวซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์ที่มีอุณหภูมิสูงมันสามารถรับผิดชอบสนามแม่เหล็กของโลก.

ในทางกลับกันธาตุเหล็กไม่เพียง แต่เติมเต็มเปลือกของดาวเคราะห์ของเรา แต่ยังเป็นส่วนหนึ่งของสารอาหารที่จำเป็นต่อสิ่งมีชีวิต ตัวอย่างเช่นมีความจำเป็นในการขนส่งออกซิเจนไปยังเนื้อเยื่อ.

ดัชนี

• 1 ลักษณะของเหล็ก
  • 1.1 จุดหลอมเหลวและจุดเดือด
  • 1.2 ความหนาแน่น
  • 1.3 ไอโซโทป
  • 1.4 ความเป็นพิษ
• 2 คุณสมบัติทางเคมี
  • 2.1 สีของสารประกอบ
  • 2.2 สถานะออกซิเดชัน
  • 2.3 ตัวออกซิไดซ์และตัวรีดิวซ์
• 3 โครงสร้างทางเคมี
• 4 การใช้ / แอปพลิเคชัน
  • 4.1 โครงสร้าง
  • 4.2 ทางชีวภาพ
• 5 คุณจะได้รับ?
  • 5.1 ปฏิกิริยาภายในเตาเผา
• 6 อ้างอิง

ลักษณะของเหล็ก

เหล็กบริสุทธิ์มีลักษณะเฉพาะที่แตกต่างจากแร่ธาตุ มันเป็นโลหะสีเทาวาวซึ่งทำปฏิกิริยากับออกซิเจนและความชื้นในอากาศเพื่อเปลี่ยนเป็นออกไซด์ที่สอดคล้องกัน หากไม่มีออกซิเจนในบรรยากาศเครื่องประดับและโครงสร้างเหล็กทั้งหมดจะยังคงสภาพสมบูรณ์และปลอดจากสนิมแดง.

มันมีความแข็งแรงเชิงกลและความแข็งสูง แต่ในขณะเดียวกันก็สามารถดัดได้ง่ายและอ่อนตัว สิ่งนี้ทำให้ช่างตีเหล็กขึ้นรูปชิ้นงานที่มีรูปร่างและการออกแบบที่หลากหลายภายใต้อุณหภูมิที่สูง นอกจากนี้ยังเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี.

นอกจากนี้หนึ่งในคุณสมบัติที่มีค่าที่สุดคือการมีปฏิสัมพันธ์กับแม่เหล็กและความสามารถในการดึงดูด ประชาชนทั่วไปได้รับการสาธิตมากมายเกี่ยวกับผลกระทบของแม่เหล็กที่มีต่อการเคลื่อนที่ของขี้กบเหล็กและเพื่อแสดงให้เห็นถึงสนามแม่เหล็กและขั้วของแม่เหล็ก.

จุดหลอมเหลวและจุดเดือด

เหล็กหลอมละลายที่อุณหภูมิ1,535ºCและเดือดที่ 2,750 องศาเซลเซียส ในรูปของเหลวและหลอดไส้โลหะนี้จะได้รับ นอกจากนี้ความร้อนของฟิวชั่นและการระเหยของมันอยู่ที่ 13.8 และ 349.6 kJ / mol.

ความหนาแน่น

ความหนาแน่นของมันคือ 7.86g / cm³. นั่นคือโลหะ 1 มิลลิลิตรนั้นมีน้ำหนัก 7.86 กรัม.

ไอโซโทป

ในตารางธาตุโดยเฉพาะในกลุ่ม 8 ของช่วงเวลา 4 พบเหล็กโดยมีมวลอะตอมประมาณ 56u (26 โปรตอน, 26 อิเล็กตรอนและ 30 นิวตรอน) อย่างไรก็ตามในธรรมชาติมีไอโซโทปเสถียรของเหล็กอีกสามตัวนั่นคือพวกเขามีจำนวนโปรตอนเท่ากัน แต่มีมวลอะตอมต่างกัน.

⁵⁶ศรัทธาเป็นสิ่งที่มีมากที่สุด (91.6%) รองลงมาคือ ⁵⁴ศรัทธา (5.9%), ⁵⁷เฟ (2.2%) และสุดท้ายคือ ⁵⁸ศรัทธา (0.33%) มันคือไอโซโทปสี่ชนิดที่ประกอบขึ้นเป็นเหล็กทั้งหมดที่มีอยู่ในโลก ในเงื่อนไขอื่น ๆ (ต่างดาว) ร้อยละเหล่านี้อาจแตกต่างกัน แต่อาจจะเป็น ⁵⁶ศรัทธายังคงมีอยู่อย่างอุดมสมบูรณ์ที่สุด.

ไอโซโทปอื่น ๆ ที่มีมวลอะตอมสั่นระหว่าง 46 และ 69u นั้นไม่เสถียรและมีครึ่งชีวิตสั้นกว่าที่กล่าวถึงเพียงสี่.

ความเป็นพิษ

เหนือสิ่งอื่นใดคุณสมบัติมันเป็นโลหะปลอดสารพิษ มิฉะนั้นจะต้องมีการรักษาพิเศษ (เคมีและกายภาพ) และวัตถุและอาคารที่ไม่สามารถวัดได้จะเป็นความเสี่ยงที่แฝงอยู่ในสภาพแวดล้อมและชีวิต.

คุณสมบัติทางเคมี

การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ของเหล็กคือ [Ar] 3d⁶4s², ซึ่งหมายความว่ามันก่อให้เกิดสองอิเล็กตรอนจากวงโคจร 4s ของมันและหกจากวงโคจร 3 มิติสำหรับการก่อตัวของพันธะโลหะของมันภายในคริสตัล มันเป็นโครงสร้างผลึกที่อธิบายคุณสมบัติบางอย่างเช่น ferromagnetism.

นอกจากนี้การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ยังทำนายความเสถียรของแคทไอออนได้อย่างผิวเผิน เมื่อเหล็กสูญเสียอิเล็กตรอนสองตัว Fe²⁺, ยังคงอยู่กับการกำหนดค่า [Ar] 3d⁶ (สมมติว่า 4s วงโคจรเป็นที่มาของอิเล็กตรอนเหล่านี้) ในขณะที่ถ้าคุณสูญเสียอิเล็กตรอนสามตัวศรัทธา³⁺, การกำหนดค่าของมันคือ [Ar] 3d⁵.

จากการทดลองแสดงให้เห็นว่าไอออนหลายตัวที่มีค่าความจุ nd⁵ พวกมันเสถียรมาก ดังนั้นเหล็กจึงมีแนวโน้มที่จะออกซิไดซ์กับสปีชีส์ที่รับอิเล็กตรอนเพื่อให้กลายเป็นไอออนเฟอริก³⁺; และในสภาพแวดล้อมที่ออกซิเดชั่นน้อยกว่าในเหล็กไอออนบวก²⁺.

จากนั้นในสื่อที่มีออกซิเจนน้อยคาดว่าสารประกอบเหล็กจะมีอำนาจเหนือกว่า ค่าความเป็นกรด - ด่างยังมีผลต่อสถานะออกซิเดชันของเหล็กเนื่องจากในสื่อที่เป็นกรดมาก³⁺.

สีของสารประกอบ

ความศรัทธา²⁺ ในการแก้ปัญหาคือสีเขียวและความศรัทธา³⁺, ของสีม่วงอ่อน เช่นเดียวกันสารประกอบเหล็กอาจมีสีเขียวหรือสีแดงขึ้นอยู่กับประจุบวกที่มีอยู่และไอออนหรือโมเลกุลล้อมรอบพวกมัน.

ความแตกต่างของการเปลี่ยนแปลงสีเขียวตามสภาพแวดล้อมอิเล็กทรอนิกส์แห่งศรัทธา²⁺. ดังนั้น FeO, เฟอร์รัสออกไซด์จึงเป็นของแข็งสีเขียวเข้มมาก ในขณะที่ FeSO₄, เฟอรัสซัลเฟตมีผลึกสีเขียวอ่อน สารประกอบ Fe อื่น ๆ²⁺ พวกเขาอาจมีโทนสีน้ำเงินเช่นในกรณีของปรัสเซียนสีน้ำเงิน.

มันเกิดขึ้นกับเฉดสีม่วงของศรัทธา³⁺ ในสารประกอบซึ่งสามารถกลายเป็นสีแดง ตัวอย่างเช่นออกไซด์, ความศรัทธา₂O₃, เป็นออกไซด์ที่มีความรับผิดชอบสำหรับชิ้นส่วนของเหล็กดูแดง.

อย่างไรก็ตามสารประกอบเหล็กจำนวนมากไม่มีสี เฟอริกคลอไรด์ FeCl₃, มันไม่มีสีเพราะศรัทธา³⁺ ไม่พบในรูปแบบไอออนิก แต่เกิดพันธะโควาเลนต์ (Fe-Cl).

สารประกอบอื่น ๆ เป็นส่วนผสมที่ซับซ้อนของแคทไอออน²⁺ และศรัทธา³⁺. สีของพวกมันจะอยู่ภายใต้อิออนหรือโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยากับเหล็กแม้ว่าส่วนใหญ่จะมีสีน้ำเงินอมม่วงสีม่วงแดง (สีเหลือง) หรือสีเขียวเข้ม.

สถานะออกซิเดชัน

ตามที่อธิบายไว้เหล็กสามารถมีสถานะออกซิเดชันหรือความจุของ +2 หรือ +3 อย่างไรก็ตามอาจเป็นไปได้ว่ามันจะมีส่วนร่วมในสารประกอบบางชนิดที่มีความจุเป็น 0 กล่าวคือไม่ได้รับความสูญเสียของอิเล็กตรอน.

ในสารประกอบประเภทนี้เหล็กมีส่วนร่วมในรูปแบบของน้ำมันดิบ ตัวอย่างเช่น Fe (CO)₅, Iron pentacarbonyl ประกอบด้วยน้ำมันที่ได้จากการให้ความร้อนด้วยเหล็กพรุนด้วยคาร์บอนมอนอกไซด์ โมเลกุลของ CO จะติดอยู่ในหลุมของของเหลว, Fe ถูกประสานงานกับห้าของเหล่านี้ (Fe-C≡O).

สารออกซิไดซ์และรีดิวซ์

อันไหนของประจุบวกศรัทธา²⁺ o ศรัทธา³⁺, พวกมันทำงานเป็นตัวออกซิไดซ์หรือตัวรีดิวซ์หรือไม่? ความศรัทธา²⁺ ในสื่อที่เป็นกรดหรือในที่ที่มีออกซิเจนสูญเสียอิเล็กตรอนให้กลายเป็นเฟ³⁺; ดังนั้นจึงเป็นตัวแทนลด:

ความเชื่อ²⁺ => ศรัทธา³⁺ + และ^-

และความศรัทธา³⁺ มันทำหน้าที่เป็นสารออกซิไดซ์ในสื่อขั้นพื้นฐาน:

ความเชื่อ³⁺ + และ^- => ศรัทธา²⁺

หรือแม้กระทั่ง:

ความเชื่อ³⁺ + 3e^- => ศรัทธา

โครงสร้างทางเคมี

เหล็กในรูปแบบโพลีมอร์ฟิคของแข็งนั่นคืออะตอมโลหะของมันสามารถนำมาใช้โครงสร้างผลึกที่แตกต่างกัน ที่อุณหภูมิห้องอะตอมของมันจะตกผลึกในหน่วยรวม bcc: ลูกบาศก์อยู่กึ่งกลางในร่างกาย (ลูกบาศก์ศูนย์กลางของร่างกาย) เฟสของแข็งนี้เรียกว่าเฟอร์ไรต์เฟอฟ.

โครงสร้าง bcc นี้อาจเกิดจากความจริงที่ว่าเหล็กเป็นโครงสร้างโลหะ⁶, ด้วยตำแหน่งอิเล็กทรอนิกส์สี่อิเล็กตรอน.

เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นอะตอมของ Fe สั่นสะเทือนเนื่องจากเอฟเฟกต์ความร้อนและนำมาใช้หลังจาก 906 ° C โครงสร้างลูกบาศก์ลูกบาศก์ขนาดกะทัดรัด:บรรจุหีบห่อที่ใกล้เคียงที่สุด) มันคือ Fe γซึ่งกลับไปที่เฟส Fe αที่อุณหภูมิ1401ºC หลังจากอุณหภูมินี้เหล็กจะละลายที่อุณหภูมิ1535ºC.

แล้วความดันที่เพิ่มขึ้นล่ะ? เมื่อมันเพิ่มขึ้นมันจะบังคับให้อะตอมคริสตัล "บีบ" เข้าไปในโครงสร้างที่หนาแน่นขึ้น: Fe β polymorph นี้มีโครงสร้าง hcp: compact หกเหลี่ยม (แพ็คปิดหกเหลี่ยม).

ใช้ / แอปพลิเคชัน

โครงสร้าง

Iron เพียงอย่างเดียวมีแอปพลิเคชั่นไม่มาก อย่างไรก็ตามเมื่อเคลือบด้วยโลหะอื่น (หรือโลหะผสมเช่นดีบุก) จะได้รับการปกป้องจากการกัดกร่อน ดังนั้นเหล็กจึงเป็นวัสดุก่อสร้างที่มีอยู่ในอาคารสะพานประตูรูปปั้นรถยนต์เครื่องจักรหม้อแปลงเป็นต้น.

เมื่อเติมคาร์บอนและโลหะอื่นจำนวนเล็กน้อยคุณสมบัติเชิงกลของมันจะถูกเสริม โลหะผสมประเภทนี้เรียกว่าเหล็ก เหล็กกำลังสร้างอุตสาหกรรมและวัสดุเกือบทั้งหมด.

ในทางกลับกันเหล็กที่ใช้ผสมกับโลหะอื่น ๆ (ธาตุหายากบางส่วน) ถูกนำมาใช้ในการผลิตแม่เหล็กที่ใช้ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์.

ชีวภาพ

เหล็กมีบทบาทสำคัญในชีวิต ในร่างกายของเรามันเป็นส่วนหนึ่งของโปรตีนบางชนิดรวมถึงเอนไซม์เฮโมโกลบิน.

หากปราศจากฮีโมโกลบินตัวพาออกซิเจนก็จะต้องขอบคุณศูนย์กลางของโลหะ³⁺, ออกซิเจนไม่สามารถขนส่งไปยังส่วนต่าง ๆ ของร่างกายเพราะในน้ำมันไม่ละลายน้ำมาก.

เฮโมโกลบินเดินทางผ่านเลือดไปยังเซลล์กล้ามเนื้อซึ่งค่า pH เป็นกรดและความเข้มข้นของ CO ที่สูงกว่านั้นมีอยู่มากมาย₂. ที่นี่กระบวนการย้อนกลับเกิดขึ้นนั่นคือออกซิเจนถูกปล่อยออกมาเนื่องจากสภาพและความเข้มข้นต่ำในเซลล์เหล่านี้ เอนไซม์นี้สามารถขนส่งโมเลกุลสี่ทั้งหมด₂.

คุณจะได้รับอย่างไร?

เนื่องจากปฏิกิริยาของมันจะพบได้ในเปลือกโลกก่อตัวออกไซด์, ซัลไฟด์หรือแร่ธาตุอื่น ๆ ดังนั้นบางคนสามารถใช้เป็นวัตถุดิบ ทุกอย่างขึ้นอยู่กับต้นทุนและความยากลำบากในการลดปริมาณเหล็กในสภาพแวดล้อมทางเคมี.

อุตสาหกรรมการลดลงของเหล็กออกไซด์เป็นไปได้มากกว่าซัลไฟด์ Hematite และ magnetite, Fe₃O₄, เป็นแหล่งสำคัญของโลหะนี้ซึ่งทำปฏิกิริยากับคาร์บอน (ในรูปของโค้ก).

เหล็กที่ได้จากวิธีนี้เป็นของเหลวและหลอดไส้และมันจะถูกเทลงในแท่งโลหะ (เช่นน้ำตกลาวา) นอกจากนี้ก๊าซจำนวนมากสามารถก่อตัวขึ้นซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ดังนั้นการได้รับเหล็กเกี่ยวข้องกับการพิจารณาหลายปัจจัย.

ปฏิกิริยาภายในเตาอบ

ออกไซด์เหล่านี้จะเคลื่อนที่ไปพร้อมกับโค้กและหินปูน (CaCO)₃) เพื่อหลอมเตาหลอม ออกไซด์ที่สกัดนั้นจะมีสิ่งเจือปนทุกชนิดซึ่งทำปฏิกิริยากับ CaO ที่ปล่อยออกมาจากการสลายตัวทางความร้อนของ CaCO₃.

เมื่อชาร์จแบตเตอรีไปยังเตาอบในส่วนล่างของมันจะมีกระแสอากาศที่2000ºCซึ่งจะเผาไหม้โค้กไปยังคาร์บอนมอนอกไซด์

2C + +₂(g) => 2CO (g) (2000ºC)

ผู้บังคับกองร้อยนี้ขึ้นไปด้านบนของเตาเผาซึ่งตรงกับออกไซด์และลด:

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

ในสนามแม่เหล็กมีไอออนของ Fe อยู่²⁺, ผลิตภัณฑ์ลด Fe³⁺ กับ CO. จากนั้นผลิตภัณฑ์นี้จะยังคงลดลงด้วยผู้บังคับกองร้อยมากขึ้น

ความเชื่อ₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO + s₂(g) (700ºC)

ในที่สุด FeO จะถูกลดลงเป็นโลหะเหล็กซึ่งหลอมละลายเนื่องจากอุณหภูมิสูงของเตาเผา:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(G)

ศรัทธา (s) => ศรัทธา (l)

ในขณะเดียวกัน CaO จะทำปฏิกิริยากับซิลิเกตและสิ่งสกปรกทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่าตะกรันของเหลว ตะกรันนี้มีความหนาแน่นน้อยกว่าเหล็กเหลวซึ่งเป็นสาเหตุที่มันลอยอยู่เหนือมันและสามารถแยกเฟสทั้งสองออกได้.

การอ้างอิง

1. ศูนย์ทรัพยากรวิทยาศาสตร์แห่งชาติ. ( N.d. ) เหล็ก ดึงมาจาก: propertiesofmatter.si.edu
2. R Ship ( N.d. ) เหล็ก สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. B. แคลเวิร์ต (ธันวาคม 2546) เหล็ก: โลหะของดาวอังคารให้อำนาจแม่เหล็กและชีวิตแก่เรา สืบค้นจาก: mysite.du.edu
4. Chemicole ตารางธาตุ (6 ตุลาคม 2555) เหล็ก ดึงมาจาก: chemicool.com
5. ความสมดุล ( N.d. ) รายละเอียดโลหะ: เหล็ก นำมาจาก: thebalance.com
6. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์ (ฉบับที่สี่) Mc Graw Hill.
7. Clark J. (29 พฤศจิกายน 2558) การสกัดเหล็ก ดึงมาจาก: chem.libretexts.org