УЧЕБНИК ЗАДАЧА ЛАБОРАТОРИЈА ПРАКТИЧНИ НАУЧНИ ПРИКАЗНИ ЗА ЧИТАЊЕ
Продолжување. Види бр. 4–14, 16–28, 30–34, 37–44, 47, 48/2002;
1, 2, 3,
4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22/2003
§ 5.3 Супстанција
во кристална состојба
(продолжение)
ЛАБОРАТОРИСКО ИСТРАЖУВАЊЕ
1. Одредување на меѓунуклеарно растојание во кристално железо.
Во оваа експериментална работа, ќе се запознаете со одредувањето на густината на металот - многу важна карактеристика, благодарение на која можете да судите, на пример, за составот и времето на производство на метален производ.
Од кога и од кого дојде извикот „Еурека!“ Античкиот грчки научник Архимед е роден во Сиракуза (островот Сицилија) околу 287 година п.н.е. д. и бил убиен од римски војник за време на заземањето на градот за време на Втората пунска војна. Последните зборови на Архимед: „Не допирајте ги моите цртежи“. На Архимед му се припишува фразата: „Дај ми место да застанам и ќе ја поместам Земјата“. Архимед нашол решение за проблемот со одредување на количината на злато и сребро во жртвената круна на владетелот на Сиракуза Хиеро додека се капел. Тој истрча дома гол извикувајќи „Еурека!“, што значи „Пронајдено!“ Обидете се најопшто да кажете како Архимед докажал дека во круната има повеќе сребро отколку што било потребно.
Ви претстои вистинска научна студија!
Работата ја изведува мала група од 2-4 лица. Внимателно прочитајте го описот на работата, изгответе детален експериментален план (со на располагање метален примерок и мерно стакло) и однапред распоредете ги одговорностите (кој што ќе прави).
Експериментот се состои од одредување на густината на металот, што овозможува, користејќи го бројот на Авогадро, да се пресмета меѓунуклеарното растојание, т.е. растојанието помеѓу јадрата на атомите во кристал или молекула. Ова растојание е една од постојаните карактеристики на оваа супстанца.
Големините на атомите и молекулите се изразени во различни единици: сантиметри (cm), нанометри
(1 nm = 1 10 -9 m) и пикометри (1 pm = 1 10 -12 m). Претходно, широко се користеше несистемска единица за должина, ангстром.
Земете парче метал (железо, бакар, алуминиум, олово), на пример, железна топка од големо лежиште. Можете да користите густа железна шајка, откако прво ја исековте главата и насочете за да направите цилиндар. Одредете ја масата на земениот метал со мерење.
Одреди го волуменот на измерената маса на истиот метал. Ако постоечкиот метал има форма на правилна геометриска фигура - коцка, топка, цилиндар или друго, измерете ги неговите димензии со линијар или дебеломер. Користејќи математичко знаење, пресметајте го волуменот на работното парче.
Можете да земете голема навртка за автомобил или завртка или парче плетенка од оловниот кабел. Не е неопходно да се земе металот во форма на едно парче, може да земете грст шајки, мали топчиња, шут итн. Доколку имате парче метал со неправилна форма или мали парчиња (топчиња, завртки, навртки, клинци, штипки и сл., направени од еден метал, а не од легура), треба сами да предложите начин за одредување на волуменот на метал со позната маса (дали веќе сте успеале да измерите грст или куп парчиња метал без да изгубите ништо?).
Можете да го направите ова. Наполнете го мерниот цилиндар околу половина со вода и запишете го неговиот волумен (поточно!). Ставете ги парчињата метал во цилиндар со вода додека водата не го покрие металот и запишете го добиениот волумен на вода и метал. Колкав е волуменот на металот? Може да се случи да има помалку вода и да не го покрие целиот метал. Што да се прави тогаш? Размислете за тоа.
Истурете точно познат волумен на вода во друг мерен цилиндар и истурете доволно вода во цилиндерот со метал за да го покриете металот. Запишете ги позициите на нивоата на водата во двата цилиндри. Сега можете да го пресметате волуменот на вода во цилиндерот со метал и волуменот окупиран од вода и метал. Најдете го волуменот на металот и, знаејќи ја неговата маса, определете ја неговата густина.
Следно, пресметајте го волуменот што би одговарал на Авогадро бројот на атоми на метал. Одреди го волуменот по атом и пресметај го меѓунуклеарното растојание, изедначувајќи го со должината на работ на коцката што го содржи атомот.
Имајте на ум дека овој метод за одредување меѓунуклеарни растојанија е приближен. Сепак, меѓунуклеарните растојанија во металните кристали пресметани со овој метод добро се совпаѓаат со оние добиени со други методи.
Наместо железо, можете да земете други метали - бакар, олово, дури и злато и сребро.
Како да се одреди големината на еден атом, на пример, железо? Дали знаете дека 1 мол Fe има маса
55,845 g; Густината на железото беше претходно одредена експериментално. (Според референтните податоци, кристалното железо има густина = 7,87 g/cm3). Да го пресметаме волуменот на 1 мол железо:55,845 (g)/7,87 (g/cm3) = 7,1 cm3.
Дозволете ни да го одредиме волуменот по удел на еден атом во кристалната структура на железото. За да го направите ова, поделете го волуменот на 1 мол атоми (моларен волумен) со бројот на атоми Авогадро:
7,1 (cm 3)/6,02 1023 = 1,18 10 -23 cm 3.
Така, дијаметарот на атом на железо во кристал е приближно 0,000000023 cm Ова е меѓунуклеарното растојание. Добиениот број не е дијаметар на изолиран атом, бидејќи електронските обвивки на атомите се нешто слично на облаците со многу заматени рабови. Во строгата научна литература за хемија и физика, не се користат изразите „атомски дијаметар“ или „атомски радиус“, туку терминот „меѓунуклеарно растојание“ и ознаката л(„але“). Зошто е дијаметарот на атом на железо Ди неговото меѓунуклеарно растојание лсе еднакви, ќе ви стане јасно од сл. 5.6. Според референтните податоци, радиусот на атомот на железо е 124,1 pm = 1,24 10 –8 cm, така што меѓунуклеарното растојание е 2,48 10 –8 cm.
Изразете го меѓунуклеарното растојание во кристално железо во различни мерни единици.
2. Проучување на меѓунуклеарни растојанија на други елементи
Да ја следиме промената на меѓунуклеарните растојанија користејќи го примерот на елементите од четвртиот период кои се во кристална состојба (на обична температура):
| Елемент | Радиус, см | Меѓунуклеарни растојание, см |
|
|---|---|---|---|
| Калиум | ДО | 2,27 10 –8 | 4,54 10 –8 |
| Калциум | Са | 1,97 10 –8 | 3,94 10 –8 |
| Скандиум | Sc | 1,61 10 –8 | 3,22 10 –8 |
| Титаниум | Ти | 1,44 10 –8 | 2,88 10 –8 |
| Ванадиум | В | 1,32 10 –8 | 2,64 10 –8 |
| Хром | Кр | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Манган | Мн | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Железо | Fe | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Кобалт | Ко | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Никел | Ни | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Бакар | Cu | 1,28 10 –8 | 2,56 10 –8 |
| Цинк | Zn | 1,33 10 –8 | 2,66 10 –8 |
| Галиум | Га | 1,22 10 –8 | 2,44 10 –8 |
| Германиум | Ге | 1,23 10 –8 | 2,46 10 –8 |
| Арсен | Како | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Селен | Се | 2,15 10 –8 | 4,30 10 –8 |
Нацртајте графикон на промени во меѓунуклеарните растојанија кога се движите од калиум до селен. Ако успеете да го објасните текот на промените во меѓунуклеарните растојанија, тогаш ќе разберете некои од карактеристиките на изградбата на периодниот систем на елементи на Д.И.
Ако во иднина ќе треба да подготвувате легури од разни метали, тогаш информациите за радиусите на атомите ќе ви помогнат да ги предвидите својствата на легурите.
Металните легури се цврсти системи формирани од два или повеќе метали (како и метали и неметали). Легурите имаат подобри својства во споредба со нивните составни метали. Една класификација на легурите се заснова на бројот на фази што ја сочинуваат легурата. Ако има само една фаза во легурата, тогаш тоа е еднофазен систем или цврст раствор на еден метал во друг.
Ајде да кажеме неколку зборови за цврсти решенија. Ретко се забележува целосна меѓусебна растворливост на металите во кој било однос. Ова може да се случи со компоненти кои се слични по својства. На пример, златото и среброто можат да се растворат едно во друго во кој било сооднос, бидејќи тие се во иста подгрупа и големините на нивните атоми се блиски (1,442 10-8 и 1,444 10-8 cm, соодветно).
Цврст раствор
– фаза на променлив состав во која атоми на различни елементи се наоѓаат во заедничка кристална решетка. Има цврсти решенија замена
И имплементација
.
Супституционален цврст раствор се формира кога атомите на растворениот метал се наоѓаат во населени области (јазли) на решетката на металот што се раствора. Радиусите на атомите во таквите раствори се разликуваат едни од други за не повеќе од 15% (за легури на железо - не повеќе од 8%). Предвиди какви цврсти раствори можат да создадат горенаведените метали.Друг важен услов за формирање на супституционални цврсти раствори е металите да бидат електрохемиски слични, односно да не бидат премногу далеку еден од друг во напонската серија (поточно, во серијата на електродниот потенцијал).
Интерстицијален цврст раствор се формира како резултат на фактот дека атомите на растворениот метал се наоѓаат во празнините помеѓу населените места (јазли) на кристалната решетка. Големината на атомите на металот што се раствора не треба да биде поголема од 63% од големината на атомот на металот што се раствора.
ДЕФИНИЦИЈА
Железо- дваесет и шестиот елемент од Периодниот систем. Ознака - Fe од латинскиот "ferrum". Лоциран во четвртиот период, VIIIБ група. Се однесува на метали. Нуклеарното полнење е 26.
Железото е најчестиот метал на земјината топка по алуминиумот: сочинува 4% (тежина) од земјината кора. Железото се наоѓа во форма на различни соединенија: оксиди, сулфиди, силикати. Железото во слободна состојба се наоѓа само во метеоритите.
Најважните железни руди вклучуваат магнетна железна руда Fe 3 O 4 , црвена железна руда Fe 2 O 3 , кафеава железна руда 2Fe 2 O 3 × 3H 2 O и спар железна руда FeCO 3 .
Железото е сребрена (сл. 1) еластичен метал. Добро одговара за ковање, тркалање и други видови механичка обработка. Механичките својства на железото силно зависат од неговата чистота - од содржината на дури и многу мали количества други елементи во него.
Ориз. 1. Железо. Изглед.
Атомска и молекуларна маса на железо
Релативна молекуларна тежина на супстанцијата(M r) е број кој покажува колку пати масата на дадена молекула е поголема од 1/12 од масата на јаглеродниот атом, и релативна атомска маса на елемент(A r) - колку пати просечната маса на атоми на хемиски елемент е поголема од 1/12 од масата на јаглеродниот атом.
Бидејќи во слободна состојба железото постои во форма на монатомски молекули на Fe, вредностите на неговите атомски и молекуларни маси се совпаѓаат. Тие се еднакви на 55.847.
Алотропија и алотропни модификации на железото
Железото формира две кристални модификации: α-железо и γ-железо. Првата од нив има кубна решетка во центарот на телото, втората има кубна решетка во центарот на лицето. α-железото е термодинамички стабилно во два температурни опсези: под 912 o C и од 1394 o C до точката на топење. Точката на топење на железото е 1539 ± 5 o C. Помеѓу 912 o C и од 1394 o C γ-железото е стабилно.
Температурните опсези на стабилност на α- и γ-железото се определуваат од природата на промената на енергијата на Гибс од двете модификации со температурни промени. На температури под 912 o C и над 1394 o C, Гибсовата енергија на α-железото е помала од Гибсовата енергија на γ-железото, а во опсегот 912 - 1394 o C е поголема.
Изотопи на железо
Познато е дека во природата железото може да се најде во форма на четири стабилни изотопи 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe и 57 Fe. Нивните масовни броеви се 54, 56, 57 и 58, соодветно. Јадрото на атомот на железниот изотоп 54 Fe содржи дваесет и шест протони и дваесет и осум неутрони, а останатите изотопи се разликуваат од него само по бројот на неутрони.
Постојат вештачки изотопи на железо со масени броеви од 45 до 72, како и 6 изомерни состојби на јадра. Најдолговечниот меѓу горенаведените изотопи е 60 Fe со полуживот од 2,6 милиони години.
Железни јони
Електронската формула што ја покажува орбиталната дистрибуција на железните електрони е како што следува:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
Како резултат на хемиската интеракција, железото се откажува од своите валентни електрони, т.е. е нивен донатор и се претвора во позитивно наелектризиран јон:
Fe 0 -2e → Fe 2+ ;
Fe 0 -3e → Fe 3+.
Молекула и атом на железо
Во слободна состојба, железото постои во форма на моноатомски молекули на Fe. Еве неколку својства што го карактеризираат атомот и молекулата на железо:
Легури на железо
До 19 век, легурите на железо беа главно познати по нивните легури со јаглерод, наречени челик и леано железо. Сепак, подоцна беа создадени нови легури на база на железо кои содржат хром, никел и други елементи. Во моментов, легурите на железо се поделени на јаглеродни челици, леано железо, легирани челици и челици со посебни својства.
Во технологијата, легурите на железо обично се нарекуваат црни метали, а нивното производство се нарекува црна металургија.
Примери за решавање проблеми
ПРИМЕР 1
| Вежбајте | Елементарниот состав на супстанцијата е како што следува: масениот удел на железниот елемент е 0,7241 (или 72,41%), масениот удел на кислородот е 0,2759 (или 27,59%). Изведете ја хемиската формула. |
| Решение | Уделот на масата на елементот X во молекулата од составот NX се пресметува со следнава формула: ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Да го означиме бројот на атоми на железо во молекулата со „x“, бројот на атоми на кислород со „y“. Дозволете ни да ги најдеме соодветните релативни атомски маси на елементите железо и кислород (ќе ги заокружиме вредностите на релативните атомски маси земени од Периодниот систем на Д.И. Менделеев на цели броеви). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Процентуалната содржина на елементите ја делиме на соодветните релативни атомски маси. Така ќе ја најдеме врската помеѓу бројот на атоми во молекулата на соединението: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O); x: y = 72,41/56: 27,59/16; x: y = 1,29: 1,84. Да го земеме најмалиот број како еден (т.е. да ги поделиме сите броеви со најмалиот број 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; Следствено, наједноставната формула за комбинација на железо и кислород е Fe 2 O 3. |
| Одговори | Fe2O3 |
Слика 46. Контактирање на честички во кристал
Употребата на Х-зраци за проучување на кристалите овозможува не само да се утврди внатрешната структура на вторите, туку и да се одредат големини на честички,формирање на кристал - атоми или јони.
За да разберете како се прават таквите пресметки, замислете дека честичките од кои е изграден кристалот имаат сферична форма и се во контакт една со друга. Во овој случај, можеме да претпоставиме дека растојанието помеѓу центрите на две соседни честички е еднакво на збирот на нивните радиуси (сл. 46). Ако честичките се едноставни атоми и се мери растојанието меѓу нив, со тоа се одредува радиусот на атомот, очигледно еднаков на половина од пронајденото растојание. На пример, знаејќи дека за натриум металните кристали константата на решетката ге еднаква на 3,84 ангстроми, откриваме дека радиусот ратом на натриум е еднаков.
Одредувањето на радиусите на различни јони е нешто потешко. Овде веќе не е можно едноставно да се подели растојанието помеѓу јоните на половина, бидејќи големините на јоните не се исти. Но, ако радиусот на еден од јоните р 1 е познат, радиусот на другиот р 2 лесно се наоѓа со едноставно одземање:
r 2 = г - r 1
Следи дека за да ги пресметате радиусите на различни јони користејќи константи на кристална решетка, треба да го знаете радиусот на најмалку еден јон. Тогаш веќе нема да биде тешко да се најдат радиусите на сите други јони.
Користејќи оптички методи, беше можно сосема точно да се одредат радиусите на флуорните јони F - (1,33 А) и кислород О - (1,32 А); Овие радиуси служат како почетни вредности при пресметување на радиусите на другите јони. На пример, определувањето на константата на решетката на магнезиум оксидот MgO покажа дека таа е еднаква на 2,1 ангстром. Одземање на радиусот на кислородниот јон од тука, го наоѓаме радиусот на јонот на магнезиум:
2,1 - 1,32 = 0,78 Å
Решетката константа на натриум флуорид е 2,31 Å; бидејќи радиусот на флуорниот јон е 1,33 ангстроми, радиусот на натриумовиот јон мора да биде еднаков на:
2,31 -1,33 = 0,98 Å
Знаејќи го радиусот на натриумовиот јон и решетката константа на натриум хлорид, лесно е да се пресмета радиусот на јонот на хлор итн.
На овој начин беа одредени радиусите на речиси сите атоми и јони.
Општа идеја за големината на овие количини е дадена од податоците дадени во Табела. 7.
Табела 7
Радиус на атоми и јони на некои елементи
| Елемент | Атомски радиус | Јонски радиус | Симбол на јони |
| 1,92 | 0,98 | Na+ | |
| 2,38 | 1,33 | К+ | |
| 2,51 | 1,49 | Rb+ | |
| 2,70 | 1,65 | Cs+ | |
| 1,60 | 0,78 | Mg++ | |
| 1,97 | 1,06 | Ca++ | |
| 2,24 | 1,43 | Ба++ | |
| 0,67 | 1,33 | F- | |
| 1,07 | 1,81 | Cl- | |
| 1,19 | 1,96 | Бр- | |
| 1,36 | 2,20 | J- | |
| 1,04 | 1,74 | S- |
Како што покажуваат овие податоци, кај металите радиусите на атомите се поголеми од радиусите на јоните кај металоидите, напротив, радиусите на јоните се поголеми од радиусите на атомите.
Релативните големини на јоните кои формираат кристал имаат огромно влијание врз структурата на просторната решетка. Така, на пример, два многу слични по нивната хемиска природа - CsCl и NaCl, сепак, формираат решетки од различни типови, а во првиот случај, секој позитивен јон е опкружен со осум негативни јони, а во вториот - само шест. Оваа разлика се објаснува со фактот дека големини на цезиум јони
и натриумот не се исти. Голем број на размислувања нè принудуваат да прифатиме дека јоните треба да се наоѓаат во кристалот така што секој помал јон, ако е можно, целосно го исполнува просторот помеѓу големите јони што го опкружуваат и обратно; со други зборови, негативните јони, кои се скоро секогаш поголеми од позитивните, мора да ги опкружуваат позитивните јони што е можно поблиску, во спротивно системот ќе биде нестабилен. Бидејќи радиусот на јонот Cs + е 1,65 Å, а јонот на Na + е само 0,98 Å, очигледно е дека повеќе Cl - јони може да се постават околу првиот отколку околу вториот.
Бројот на негативни јони што го опкружуваат секој позитивен јон во кристал се нарекува координативен број на дадена решетка. Студијата за структурата на различни кристали покажува дека најчестите координативни броеви се 2, 3, 4, 6, 8 и 12.
Координативниот број зависи од односот на радиусот на позитивниот јон со радиусот на негативниот јон: колку овој однос е поблиску до единството, толку е поголем координацискиот број. Сметајќи ги јоните како сфери сместени во кристал според методот на најгусто пакување, можно е да се пресмета во кој однос помеѓу радиусот на позитивните и негативните јони треба да се добие одреден координативен број.
Подолу се дадени теоретски пресметаните најголеми координативни броеви за даден сооднос на радиус.
Лесно е да се потврди дека координативните броеви за NaCl и CsCl, пронајдени од оваа табела, точно одговараат на вистинскиот распоред на јоните во кристалите на овие супстанции.
ЖЕЛЕЗО(лат. Ferrum), Fe, хемиски елемент од групата VIII од периодниот систем, атомски број 26, атомска маса 55,847. Потеклото и на латинските и на руските имиња на елементот не е јасно утврдено. Природното железо е мешавина од четири нуклиди со масен број 54 (содржината во природната смеса е 5,82% по маса), 56 (91,66%), 57 (2,19%) и 58 (0,33%). Конфигурацијата на двата надворешни електронски слоја е 3s 2 p 6 d 6 4s 2. Обично формира соединенија во оксидациони состојби +3 (валентност III) и +2 (валентност II). Познати се и соединенија со атоми на железо во оксидациски состојби +4, +6 и некои други.
Во периодичниот систем на Менделеев, железото е вклучено во групата VIIIB. Во четвртиот период, во кој припаѓа и железото, во оваа група, покрај железото, спаѓаат и кобалтот (Co) и никелот (Ni). Овие три елементи формираат тријада и имаат слични својства.
Радиусот на неутралниот атом на железо е 0,126 nm, радиусот на јонот Fe 2+ е 0,080 nm, а јонот Fe 3+ е 0,067 nm. Енергиите на секвенцијална јонизација на атомот на железо се 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 eV. Афинитет на електрони 0,58 eV. Според Полинговата скала, електронегативноста на железото е околу 1,8.
Железото со висока чистота е сјаен сребрено-сив, еластичен метал кој добро се прилагодува на различни методи на механичка обработка.
Физички и хемиски својства:на температури од собна температура до 917°C, како и во температурен опсег 1394-1535°C, има -Fe со кубна решетка во центарот на телото, на собна температура параметарот на решетка А= 0,286645 nm. На температури 917-1394°C, -Fe со лице-центрирана кубна решетка T е стабилен ( А= 0,36468 nm). На температури од собна температура до 769°C (т.н. Кириова точка), железото има силни магнетни својства (се вели дека е феромагнетно на повисоки температури, железото се однесува како парамагнет). Понекогаш парамагнетниот -Fe со кубна решетка во центарот на телото, стабилна на температури од 769 до 917 °C, се смета како модификација на железото, а -Fe, стабилен на високи температури (1394-1535 °C), се нарекува според традиција -Fe (идеи за постоењето на четири модификации на железо се појавија кога сè уште не постоеше анализата на дифракција на Х-зраци и немаше објективни информации за внатрешната структура на железото). Точка на топење 1535°C, точка на вриење 2750°C, густина 7,87 g/cm 3 . Стандардниот потенцијал на парот Fe 2+ /Fe 0 е 0,447V, парот Fe 3+ /Fe 2+ е +0,771V.
Кога се чува во воздух на температура до 200°C, железото постепено се покрива со густа фолија од оксид, што спречува понатамошна оксидација на металот. Во влажен воздух, железото се покрива со лабав слој на 'рѓа, што не го спречува пристапот на кислород и влага до металот и неговото уништување. 'Рѓата нема постојан хемиски состав, приближно неговата хемиска формула може да се напише како Fe 2 O 3 xH 2 O.
Железото реагира со кислород (O) кога се загрева. Кога железото гори во воздухот, се формира Fe 2 O 3 оксид, а кога железото гори во чист кислород, се формира оксид Fe 3 O 4. Ако кислородот или воздухот се протнуваат низ стопеното железо, се формира FeO оксид. Кога се загреваат сулфур (S) и железо во прав, се формира сулфид, чија приближна формула може да се напише како FeS.
Железото реагира со халогени кога се загрева. Бидејќи FeF 3 е неиспарлив, железото е отпорно на флуор (F) до температури од 200-300°C. Кога железото се хлорира (на температура од околу 200°C), се формира испарлив FeCl 3. Ако интеракцијата на железо и бром (Br) се случи на собна температура или со загревање и зголемен притисок на пареа на бром, се формира FeBr 3. Кога се загрева, FeCl 3 и, особено, FeBr 3 го отцепуваат халогенот и се претвораат во железни (II) халиди. Кога реагираат железото и јод (I), се формира јодид Fe 3 I 8.
Кога се загрева, железото реагира со азот (N), формирајќи железен нитрид Fe 3 N, со фосфор (P), формирајќи фосфиди FeP, Fe 2 P и Fe 3 P, со јаглерод (C), формирајќи карбид Fe 3 C, со силициум (Si), формирајќи неколку силициди, на пример FeSi.
При покачен притисок, металното железо реагира со јаглерод моноксид CO, а во нормални услови се формира многу испарливо железо пентакарбонил Fe(CO) 5. Познати се и железни карбонили од составите Fe 2 (CO) 9 и Fe 3 (CO) 12. Железните карбонили служат како почетни материјали во синтезата на органо-железни соединенија, вклучувајќи го и составот фероцен.
Чистото метално железо е стабилно во вода и разредени алкални раствори. Железото не се раствора во концентрирани сулфурни и азотни киселини, бидејќи силната оксидна фолија ја пасивизира неговата површина.
Железото реагира со хлороводородна и разредена (приближно 20%) сулфурна киселина за да формира железни (II) соли:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
Кога железото реагира со приближно 70% сулфурна киселина, реакцијата продолжува да формира железо (III) сулфат:
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Железо (II) оксид FeO има основни својства на базата Fe(OH) 2. Железниот (III) оксид Fe 2 O 3 е слабо амфотеричен, тој е усогласен со уште послаба база од Fe(OH) 2, Fe(OH) 3, која реагира со киселини:
2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Железо (III) хидроксид Fe(OH) 3 покажува слабо амфотерични својства; тој е способен да реагира само со концентрирани раствори на алкалии:
Fe(OH) 3 + KOH = К
Добиените хидрокс комплекси на железо (III) се стабилни во силно алкални раствори. Кога растворите се разредуваат со вода, тие се уништуваат и се таложи железо (III) хидроксид Fe(OH) 3.
Соединенијата на железо (III) во растворите се редуцираат со метално железо:
Fe + 2FeCl 3 = 3 FeCl 2
При складирање на водени раствори на соли на железо (II), се забележува оксидација на железо (II) во железо (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl2
Од солите на железо (II) во водени раствори, најстабилна е Моровата сол двоен амониум и железо (II) сулфат (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O.
Железото (III) е способно да формира двојни сулфати со единечно наелектризирани катјони како стипса, на пример, KFe(SO 4) 2 железо-калиум стипса, (NH 4)Fe (SO 4) 2 железен амониум стипса, итн.
Кога гасовит хлор (Cl) или озон делуваат на алкални раствори на соединенија на железо (III), се формираат железо (VI) фератни соединенија, на пример, калиум ферат (VI) (K): K 2 FeO 4. Постојат извештаи за производство на соединенија на железо (VIII) под влијание на силни оксидирачки агенси.
За откривање на соединенија на железо (III) во растворот, се користи квалитативна реакција на јони на Fe 3+ со тиоцијанат јони CNS. Кога јоните на Fe 3+ комуницираат со анјоните на ЦНС, се формира светло-црвен железен тиоцијанат Fe(CNS) 3. Друг реагенс за јони на Fe 3+ е калиум хексацијаноферат (II) (K): K4 (порано оваа супстанца се нарекуваше жолта крвна сол). Кога јони Fe 3+ и 4 комуницираат, се формира светло син талог.
Раствор од калиум хексацијаноферат (III) (K) K 3, порано наречена црвена крвна сол, може да послужи како реагенс за јоните на Fe 2+ во растворот. При интеракција на јони Fe 3+ и 3, се формира светло син талог со ист состав како во случајот со интеракцијата на Fe 3+ и 4 јони.
Легури од железо-јаглерод:железо се користи главно во легури, првенствено јаглерод (C) легури различни леано железо и челици. Во леано железо, содржината на јаглерод е повисока од 2,14% по маса (обично на ниво од 3,5-4%), кај челикот содржината на јаглерод е помала (обично на ниво од 0,8-1%).
Леано железо се произведува во високи печки. Висока печка е џиновски (висок до 30-40 m) скратен конус, шуплив внатре. Внатрешните ѕидови на високата печка се обложени со огноотпорни тули, дебелината на ѕидањето е неколку метри. Одозгора, збогатена (ослободена од отпадна карпа) железна руда, редуцирачки кокс (посебни сорти на јаглен подложен на коксирање - загреан на температура од околу 1000 ° C без воздушен пристап), како и материјали за топење (варовник и други) кои промовираат сепарација се вчитуваат во високата печка со колички од згура од стопени метални нечистотии. Експлозијата (чист кислород (О) или воздух збогатен со кислород (О)) се внесува во високата печка одоздола. Како што се спуштаат материјалите натоварени во високата печка, нивната температура се зголемува на 1200-1300°C. Како резултат на реакциите на намалување кои се јавуваат главно со учество на кокс C и CO:
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
Се појавува метално железо, кое е заситено со јаглерод (C) и тече надолу.
Ова топење периодично се ослободува од високата печка преку посебен кафез за отворање и се остава топењето да се зацврсти во посебни форми. Леано железо може да биде бело, таканаречено сурово железо (се користи за производство на челик) и сиво, или леано железо. Белото леано железо е цврст раствор на јаглерод (C) во железо. Во микроструктурата на сиво леано железо, може да се разликуваат микрокристали на графит. Поради присуството на графит, сивото леано железо остава трага на белата хартија.
Лиеното железо е кревко и се крши кога е погодено, така што од него не можат да се направат пружини, лисни пружини или какви било производи што треба да се свиткаат.
Цврстото леано железо е полесно од стопеното леано железо, па кога се зацврстува, не се собира (како што е вообичаено при стврднување на метали и легури), туку се шири. Оваа функција ви овозможува да направите разни одлеаноци од леано железо, вклучително и користење како материјал за уметничко лиење.
Ако содржината на јаглерод (C) во леано железо се намали на 1,0-1,5%, тогаш се формира челик. Челиките можат да бидат јаглеродни (таквите челици немаат други компоненти освен Fe и C) и легирани (таквите челици содржат адитиви на хром (Cr), никел (Ni), молибден (Mo), кобалт (Co) и други метали кои ги подобруваат механичките и други својства на челик).
Челиците се произведуваат со преработка на леано железо и метален отпад во кислороден конвертор, електричен лак или печки со отворено огниште. Со таква обработка, содржината на јаглерод (C) во легурата се намалува на потребното ниво, како што велат, вишокот на јаглерод (C) се согорува.
Физичките својства на челикот значително се разликуваат од својствата на леано железо: челикот е еластичен, може да се кова и валани. Бидејќи челикот, за разлика од леано железото, се собира за време на зацврстувањето, добиените челични одлеаноци се подложени на компресија во валавници. По тркалањето, празнините и шуплините што се појавија при зацврстувањето на топите исчезнуваат во волуменот на металот.
Производството на челик има долга, длабока традиција во Русија, а челикот што го произведуваат нашите металурзи е со висок квалитет.
Историја на производство на железо:железото играло и продолжува да игра исклучителна улога во материјалната историја на човештвото. Првото метално железо што паднало во човечка рака веројатно било од метеоритско потекло. Железни руди се широко распространети и често се наоѓаат дури и на површината на Земјата, но природното железо на површината е исклучително ретко. Веројатно, пред неколку илјади години, едно лице забележало дека по запалување на оган, во некои случаи е забележано формирање на железо од оние парчиња руда што случајно завршиле во пожарот. Кога гори пожар, редукцијата на железото од рудата се јавува поради реакцијата на рудата и директно со јаглен и со јаглерод моноксид (II) CO формиран за време на согорувањето. Можноста за добивање на железо од руди беше многу олеснета со откривањето на фактот дека при загревање на рудата со јаглен се појавува метал, кој потоа може дополнително да се прочисти при ковање. Извлекувањето на железо од руда со помош на процесот на дување сирење било измислено во Западна Азија во 2-от милениум п.н.е. Периодот од 9 до 7 век п.н.е., кога металургијата на железо се развила меѓу многу племиња во Европа и Азија, се нарекува железно време, кое го заменило бронзеното време. Подобрувањата во методите на дување (природниот нацрт беше заменет со мев) и зголемувањето на висината на ковачот (се појавија печки со ниска оска) доведоа до производство на леано железо, кое почна нашироко да се топи во Западна Европа од 14 век. Добиеното леано железо беше претворено во челик. Од средината на 18 век, коксот на јаглен почна да се користи во процесот на високи печки наместо јаглен. Последователно, методите за добивање железо од руди беа значително подобрени, а во моментов за таа цел се користат специјални уреди: високи печки, кислородни конвертори и електрични лачни печки.
Наоѓање во природата:Железото е доста распространето во земјината кора, сочинува околу 4,1% од масата на земјината кора (4-то место меѓу сите елементи, второ меѓу металите). Познати се голем број руди и минерали кои содржат железо. Од најголемо практично значење се црвените железни руди (руда хематит, Fe 2 O 3; содржи до 70% Fe), магнетните железни руди (магнетитна руда, Fe 3 O 4; содржи 72,4% Fe), кафеавите железни руди (хидрогоетитната руда НFeO 2 · n H 2 O), како и спар железни руди (сидерит руда, железо карбонат, FeCO 3; содржи околу 48% Fe). Во природата има и големи наоѓалишта на пирит FeS2 (други имиња се сулфур пирит, железен пирит, железо дисулфид и други), но рудите со висока содржина на сулфур сè уште не се од практично значење. Русија е на прво место во светот според резервите на железна руда. Морската вода содржи 1·10 5 1·10 8% железо.
Примена на железо, неговите легури и соединенија:Чистото железо има прилично ограничена употреба. Се користи во производството на електромагнетни јадра, како катализатор за хемиски процеси и за некои други цели. Но, легурите на железо - леано железо и челик - ја формираат основата на модерната технологија. Многу соединенија на железо исто така се широко користени. Така, железо (III) сулфат се користи во третман на вода, железни оксиди и цијанид служат како пигменти во производството на бои итн.
Биолошка улога:железото е присутно во телото на сите растенија и животни како микроелемент, односно во многу мали количини (во просек околу 0,02%). Сепак, железните бактерии, кои ја користат енергијата на оксидација на железото (II) во железо (III) за хемосинтеза, можат да акумулираат до 17-20% железо во своите клетки. Главната биолошка функција на железото е учество во транспортот на кислородот (О) и оксидативните процеси. Железото ја врши оваа функција како дел од комплексни протеини - хемопротеини, чија протетска група е комплексот на железо порфирин - хем. Меѓу најважните хемопротеини се респираторните пигменти хемоглобин и миоглобин, универзални носители на електрони во реакциите на клеточното дишење, оксидација и фотосинтеза, цитохроми, ензими на каталоза и пероксид и други. Кај некои без'рбетници, респираторните пигменти што содржат железо, хелоеритрин и хлорокруорин, имаат структура различна од хемоглобините. За време на биосинтезата на хемопротеините, железото се пренесува до нив од протеинот феритин, кој го складира и транспортира железото. Овој протеин, чија една молекула содржи околу 4.500 атоми на железо, е концентриран во црниот дроб, слезината, коскената срцевина и цревната слузница на цицачите и луѓето. Дневната потреба на човекот за железо (6-20 mg) е обилно покриена со храна (месо, црн дроб, јајца, леб, спанаќ, цвекло и други се богати со железо). Телото на просечна личност (телесна тежина 70 kg) содржи 4,2 g железо, 1 литар крв содржи околу 450 mg. При недостиг на железо во организмот се развива жлезда анемија која се лекува со лекови кои содржат железо. Додатоци на железо исто така се користат како општо зајакнувачки агенси. Прекумерна доза на железо (200 mg или повеќе) може да има токсичен ефект. Железото е неопходно и за нормален развој на растенијата, поради што постојат микроѓубрива на база на препарати од железо.
Да ја разгледаме зависноста на некои својства на атомите од структурата на нивните електронски обвивки. Да се задржиме, пред сè, на моделите на промени во атомските и јонските радиуси.
Електронските облаци немаат остро дефинирани граници. Затоа, концептот за големината на атомот не е строг. Но, ако ги замислиме атомите во кристали на едноставна супстанција во форма на топчиња во контакт едни со други, тогаш растојанието помеѓу центрите на соседните топки (т.е. помеѓу јадрата на соседните атоми) може да се земе еднакво на двапати поголем радиус. на атомот. Така, најмалото меѓунуклеарно растојание во бакарните кристали е еднакво на; ова ни овозможува да претпоставиме дека радиусот на бакарниот атом е еднаков на половина од оваа вредност, т.е.
Зависноста на атомските радиуси од полнежот на јадрото на атомот Z е периодична. Во еден период, како што се зголемува Z, се појавува тенденција кон намалување на атомската големина, што е особено јасно забележано во кратки периоди (атомските радиуси се дадени во nm):
Ова се објаснува со зголемената привлечност на електроните од надворешниот слој кон јадрото како што се зголемува неговото полнење.
Со почетокот на изградбата на нов електронски слој, пооддалечен од јадрото, т.е., за време на преминот кон следниот период, атомските радиуси се зголемуваат (споредете ги, на пример, радиусите на атомите на флуор и натриум). Како резултат на тоа, во рамките на подгрупата, со зголемување на нуклеарното полнење, големини на атомите се зголемуваат. Да ги дадеме како пример вредностите на атомските радиуси (во nm) на елементите на некои главни подгрупи:
Електроните од надворешниот слој, кои се најмалку цврсто врзани за јадрото, можат да се откачат од атомот и да се прикачат на други атоми, станувајќи дел од надворешниот слој на вториот.
Атомите кои изгубиле еден или повеќе електрони стануваат позитивно наелектризирани бидејќи полнежот на атомското јадро го надминува збирот на полнежите на преостанатите електрони. Напротив, атомите кои додале дополнителни електрони стануваат негативно наелектризирани. Произведените наелектризирани честички се нарекуваат јони.
Јоните се означени со истите симболи како атомите, означувајќи го нивниот полнеж во горниот десен агол: на пример, позитивен тројно наелектризиран алуминиумски јон се означува со , а негативниот единечно наелектризиран јон на хлор се означува со .
Губењето на атоми на електрони доведува до намалување на нејзината ефективна големина, а додавањето на вишок електрони доведува до зголемување. Затоа, радиусот на позитивно наелектризираниот јон (катјон) е секогаш помал, а радиусот на негативно наелектризираниот не (анјон) е секогаш поголем од радиусот на соодветниот електрично неутрален атом. Така, радиусот на атомот на калиум е , а радиусот на јонот, радиусите на атомот на хлор и јонот, соодветно, се 0,099 и . Во овој случај, радиусот на јонот посилно се разликува од радиусот на атомот, толку е поголем полнежот на јонот. На пример, радиусите на атомот на хром и јоните се 0,127, 0,083 и , соодветно.
Во една подгрупа, радиусите на јоните со ист полнеж се зголемуваат со зголемување на нуклеарното полнење. Ова е илустрирано со следните примери (јонските радиуси се дадени во nm):
Оваа шема се објаснува со зголемувањето на бројот на електронски слоеви и растечкото растојание на надворешните електрони од јадрото.
