MAKMAL TUGAS BUKU TEKS CERITA SAINTIFIK AMALI UNTUK BACAAN
sambungan. Lihat No. 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 Bahan
dalam keadaan kristal
(sambungan)
PENYELIDIKAN MAKMAL
1. Penentuan jarak internuklear dalam besi kristal.
Dalam kerja eksperimen ini, anda akan menjadi biasa dengan penentuan ketumpatan logam - ciri yang sangat penting, yang mana anda boleh menilai, sebagai contoh, komposisi dan masa pembuatan produk logam.
Bila dan dari siapa seruan "Eureka!" Ahli sains Yunani kuno Archimedes dilahirkan di Syracuse (pulau Sicily) sekitar 287 SM. e. dan dibunuh oleh askar Rom semasa menawan kota itu semasa Perang Punic ke-2. Kata-kata terakhir Archimedes: "Jangan sentuh lukisan saya." Archimedes dikreditkan dengan frasa: "Beri saya tempat untuk berdiri dan saya akan menggerakkan Bumi." Archimedes menemui penyelesaian kepada masalah menentukan jumlah emas dan perak dalam mahkota korban pemerintah Syracusan Hiero ketika dia sedang mandi. Dia berlari pulang telanjang sambil menjerit "Eureka!", yang bermaksud "Ditemui!" Cuba beritahu dalam istilah yang paling umum bagaimana Archimedes membuktikan bahawa terdapat lebih banyak perak dalam mahkota daripada yang diperlukan.
Anda sedang dalam kajian saintifik sebenar!
Kerja ini dilakukan oleh sekumpulan kecil 2-4 orang. Baca huraian kerja dengan teliti, buat pelan percubaan terperinci (dengan sampel logam dan kaca pengukur tersedia) dan pra-peruntukkan tanggungjawab (siapa yang akan melakukan apa).
Eksperimen ini terdiri daripada menentukan ketumpatan logam, yang membolehkan, menggunakan nombor Avogadro, untuk mengira jarak antara nuklear, iaitu, jarak antara nukleus atom dalam kristal atau molekul. Jarak ini adalah salah satu ciri berterusan bahan ini.
Saiz atom dan molekul dinyatakan dalam unit yang berbeza: sentimeter (cm), nanometer
(1 nm = 1 10 –9 m) dan picometer (1 petang = 1 10 –12 m). Sebelum ini, unit panjang bukan sistemik, angstrom, digunakan secara meluas
Ambil sekeping logam (besi, tembaga, aluminium, plumbum), sebagai contoh, bola besi dari galas yang besar. Anda boleh menggunakan paku besi tebal, setelah mula-mula menggergaji kepala dan mata untuk membuat silinder. Tentukan jisim logam yang diambil dengan menimbang.
Tentukan isipadu jisim yang diukur bagi logam yang sama. Jika logam sedia ada mempunyai bentuk angka geometri biasa - kubus, bola, silinder atau lain-lain, ukur dimensinya dengan pembaris atau angkup. Menggunakan pengetahuan matematik, hitung isipadu bahan kerja.
Anda boleh mengambil nat atau skru kereta yang besar, atau sekeping jalinan kabel plumbum. Tidak perlu mengambil logam dalam bentuk sekeping, anda boleh mengambil segelintir paku, bola kecil, pukulan, dll. Jika anda mempunyai sekeping logam bentuk yang tidak teratur atau kepingan kecil (bola, skru, kacang, paku, klip kertas, dsb., diperbuat daripada satu logam, bukan aloi), anda sendiri harus mencadangkan cara untuk menentukan isipadu logam jisim yang diketahui (adakah anda telah berjaya menimbang segenggam atau sekumpulan kepingan logam tanpa kehilangan apa-apa?).
Anda boleh melakukan ini. Isi silinder penyukat kira-kira separuh dengan air dan rekodkan isipadunya (lebih tepat!). Letakkan kepingan logam dalam silinder air sehingga air menutupi logam, dan rekodkan isipadu air dan logam yang terhasil. Berapakah isipadu logam itu? Ia mungkin berlaku bahawa air akan berkurangan dan ia tidak akan meliputi semua logam. Apa yang perlu dilakukan kemudian? Cuba pertimbangkan.
Tuangkan isipadu air yang diketahui dengan tepat ke dalam silinder penyukat lain dan tuangkan air secukupnya ke dalam silinder dengan logam untuk menutup logam. Catatkan kedudukan paras air dalam kedua-dua silinder. Kini anda boleh mengira isipadu air dalam silinder dengan logam dan isipadu yang diduduki oleh air dan logam. Cari isipadu logam dan, dengan mengetahui jisimnya, tentukan ketumpatannya.
Seterusnya, hitung isipadu yang sepadan dengan bilangan Avogadro atom logam. Tentukan isipadu setiap atom dan hitung jarak antara nuklear, samakan dengan panjang tepi kubus yang mengandungi atom.
Perlu diingat bahawa kaedah menentukan jarak antara nuklear ini adalah anggaran. Namun begitu, jarak internuklear dalam kristal logam yang dikira dengan kaedah ini bertepatan dengan yang diperolehi oleh kaedah lain.
Daripada besi, anda boleh mengambil logam lain - tembaga, plumbum, malah emas dan perak.
Bagaimana untuk menentukan saiz satu atom, sebagai contoh, besi? Adakah anda tahu bahawa 1 mol Fe mempunyai jisim
55.845 g; Ketumpatan besi sebelum ini ditentukan secara eksperimen. (Mengikut data rujukan, besi kristal mempunyai ketumpatan = 7.87 g/cm3). Mari kita hitung isipadu 1 mol besi:55.845 (g)/7.87 (g/cm3) = 7.1 cm3.
Mari kita tentukan isipadu sesaham satu atom dalam struktur kristal besi. Untuk melakukan ini, bahagikan isipadu 1 mol atom (isipadu molar) dengan bilangan atom Avogadro:
7.1 (cm 3)/6.02 1023 = 1.18 10 –23 cm 3.
Oleh itu, diameter atom besi dalam hablur adalah lebih kurang 0.000000023 cm Ini adalah jarak antara nuklear. Nombor yang terhasil bukanlah diameter atom terpencil, kerana kulit elektron atom adalah sesuatu yang serupa dengan awan dengan tepi yang sangat kabur. Dalam kesusasteraan saintifik yang ketat tentang kimia dan fizik, ungkapan "diameter atom" atau "jejari atom" tidak digunakan, tetapi istilah "jarak antara nuklear" dan sebutan l(“ale”). Mengapakah diameter atom besi D dan jarak internuklearnya l adalah sama, ia akan menjadi jelas kepada anda daripada Rajah. 5.6. Menurut data rujukan, jejari atom besi ialah 124.1 pm = 1.24 10 –8 cm, jadi jarak internuklear ialah 2.48 10 –8 cm.
Nyatakan jarak internuklear dalam besi hablur dalam pelbagai unit ukuran.
2. Kajian jarak internuklear unsur-unsur lain
Mari kita kesan perubahan dalam jarak internuklear menggunakan contoh unsur-unsur tempoh ke-4 yang berada dalam keadaan kristal (pada suhu biasa):
| unsur | Jejari, cm | Internuklear jarak, cm |
|
|---|---|---|---|
| Potasium | KEPADA | 2,27 10 –8 | 4,54 10 –8 |
| Kalsium | Sa | 1,97 10 –8 | 3,94 10 –8 |
| Skandium | Sc | 1,61 10 –8 | 3,22 10 –8 |
| titanium | Ti | 1,44 10 –8 | 2,88 10 –8 |
| Vanadium | V | 1,32 10 –8 | 2,64 10 –8 |
| Chromium | Cr | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Mangan | Mn | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| besi | Fe | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Kobalt | Co | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| nikel | Ni | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Tembaga | Cu | 1,28 10 –8 | 2,56 10 –8 |
| Zink | Zn | 1,33 10 –8 | 2,66 10 –8 |
| galium | Ga | 1,22 10 –8 | 2,44 10 –8 |
| Germanium | Ge | 1,23 10 –8 | 2,46 10 –8 |
| Arsenik | Sebagai | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Selenium | Se | 2,15 10 –8 | 4,30 10 –8 |
Lukiskan graf perubahan dalam jarak internuklear apabila pergi dari kalium ke selenium. Jika anda berjaya menerangkan perjalanan perubahan dalam jarak internuklear, maka anda akan memahami beberapa ciri pembinaan jadual berkala D.I. Mendeleev.
Jika pada masa hadapan anda perlu menyediakan aloi pelbagai logam, maka maklumat tentang jejari atom akan membantu anda meramalkan sifat aloi.
Aloi logam ialah sistem pepejal yang terbentuk daripada dua atau lebih logam (serta logam dan bukan logam). Aloi mempunyai sifat yang lebih baik berbanding dengan logam konstituennya. Satu klasifikasi aloi adalah berdasarkan bilangan fasa yang membentuk aloi. Sekiranya terdapat hanya satu fasa dalam aloi, maka ia adalah sistem fasa tunggal, atau penyelesaian pepejal satu logam dalam yang lain.
Katakan beberapa perkataan tentang penyelesaian pepejal. Keterlarutan bersama lengkap logam dalam sebarang nisbah jarang diperhatikan. Ini boleh berlaku dengan komponen yang serupa dalam sifat. Sebagai contoh, emas dan perak boleh larut dalam satu sama lain dalam sebarang nisbah, kerana ia berada dalam subkumpulan yang sama dan saiz atomnya adalah hampir (masing-masing 1.442 10 –8 dan 1.444 10 –8 cm).
Penyelesaian pepejal
– fasa komposisi berubah-ubah di mana atom pelbagai unsur terletak dalam kekisi kristal biasa. Terdapat penyelesaian yang kukuh penggantian
Dan pelaksanaan
.
Larutan pepejal penggantian terbentuk apabila atom logam terlarut terletak di kawasan berpenduduk (nod) kekisi logam terlarut. Jejari atom dalam larutan sedemikian berbeza antara satu sama lain tidak lebih daripada 15% (untuk aloi besi - tidak lebih daripada 8%). Ramalkan apakah larutan pepejal yang boleh dibentuk oleh logam di atas. Satu lagi keperluan penting untuk pembentukan penyelesaian pepejal penggantian ialah logam mestilah serupa secara elektrokimia, iaitu, mereka tidak boleh terlalu jauh antara satu sama lain dalam siri voltan (lebih tepat lagi, dalam siri potensi elektrod).
Larutan pepejal celahan terbentuk hasil daripada fakta bahawa atom logam terlarut terletak di dalam lompang antara tempat berpenduduk (nod) kekisi kristal. Saiz atom logam terlarut tidak boleh lebih besar daripada 63% daripada saiz atom logam terlarut.
DEFINISI
besi- unsur kedua puluh enam Jadual Berkala. Penamaan - Fe dari bahasa Latin "ferrum". Terletak dalam tempoh keempat, kumpulan VIIIB. Merujuk kepada logam. Caj nuklear ialah 26.
Besi ialah logam yang paling biasa di dunia selepas aluminium: ia membentuk 4% (berat) daripada kerak bumi. Besi didapati dalam bentuk pelbagai sebatian: oksida, sulfida, silikat. Besi ditemui dalam keadaan bebas hanya dalam meteorit.
Bijih besi yang paling penting termasuk bijih besi magnet Fe 3 O 4 , bijih besi merah Fe 2 O 3 , bijih besi perang 2Fe 2 O 3 × 3H 2 O dan bijih besi spar FeCO 3 .
Besi ialah logam mulur keperakan (Rajah 1). Ia sesuai untuk penempaan, penggulungan dan jenis pemesinan lain. Sifat mekanikal besi sangat bergantung pada ketulenannya - pada kandungan walaupun kuantiti yang sangat kecil unsur lain di dalamnya.
nasi. 1. Besi. Penampilan.
Jisim atom dan molekul besi
Berat molekul relatif bahan(M r) ialah nombor yang menunjukkan berapa kali jisim molekul tertentu lebih besar daripada 1/12 jisim atom karbon, dan jisim atom relatif sesuatu unsur(A r) - berapa kali purata jisim atom unsur kimia lebih besar daripada 1/12 jisim atom karbon.
Oleh kerana dalam keadaan bebas besi wujud dalam bentuk molekul Fe monatomik, nilai jisim atom dan molekulnya bertepatan. Mereka bersamaan dengan 55.847.
Alotropi dan pengubahsuaian alotropik besi
Besi membentuk dua pengubahsuaian kristal: α-besi dan γ-besi. Yang pertama daripada mereka mempunyai kekisi kubik berpusat badan, yang kedua mempunyai kekisi kubik berpusat muka. α-Besi secara termodinamik stabil dalam dua julat suhu: di bawah 912 o C dan dari 1394 o C hingga takat lebur. Takat lebur besi ialah 1539 ± 5 o C. Antara 912 o C dan dari 1394 o C γ-besi adalah stabil.
Julat suhu kestabilan α- dan γ-besi ditentukan oleh sifat perubahan tenaga Gibbs bagi kedua-dua pengubahsuaian dengan perubahan suhu. Pada suhu di bawah 912 o C dan di atas 1394 o C, tenaga Gibbs α-besi adalah kurang daripada tenaga Gibbs γ-besi, dan dalam julat 912 - 1394 o C ia lebih besar.
Isotop besi
Adalah diketahui bahawa dalam alam semula jadi besi boleh didapati dalam bentuk empat isotop stabil 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe dan 57 Fe. Nombor jisim mereka ialah 54, 56, 57 dan 58, masing-masing. Nukleus atom isotop besi 54 Fe mengandungi dua puluh enam proton dan dua puluh lapan neutron, dan isotop yang tinggal berbeza daripadanya hanya dalam bilangan neutron.
Terdapat isotop tiruan besi dengan nombor jisim dari 45 hingga 72, serta 6 keadaan isomer nukleus. Yang paling lama hidup antara isotop di atas ialah 60 Fe dengan separuh hayat 2.6 juta tahun.
Ion besi
Formula elektronik yang menunjukkan taburan orbit elektron besi adalah seperti berikut:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
Hasil daripada interaksi kimia, besi melepaskan elektron valensnya, i.e. adalah penderma mereka, dan bertukar menjadi ion bercas positif:
Fe 0 -2e → Fe 2+ ;
Fe 0 -3e → Fe 3+.
Molekul besi dan atom
Dalam keadaan bebas, besi wujud dalam bentuk molekul Fe monoatomik. Berikut adalah beberapa sifat yang mencirikan atom dan molekul besi:
Aloi besi
Sehingga abad ke-19, aloi besi terutamanya dikenali kerana aloinya dengan karbon, dipanggil keluli dan besi tuang. Walau bagaimanapun, kemudiannya aloi berasaskan besi baharu yang mengandungi kromium, nikel dan unsur-unsur lain telah dicipta. Pada masa ini, aloi besi dibahagikan kepada keluli karbon, besi tuang, keluli aloi dan keluli dengan ciri khas.
Dalam teknologi, aloi besi biasanya dipanggil logam ferus, dan pengeluarannya dipanggil metalurgi ferus.
Contoh penyelesaian masalah
CONTOH 1
| Senaman | Komposisi unsur bahan adalah seperti berikut: pecahan jisim unsur besi ialah 0.7241 (atau 72.41%), pecahan jisim oksigen ialah 0.2759 (atau 27.59%). Terbitkan formula kimia. |
| Penyelesaian | Pecahan jisim unsur X dalam molekul komposisi NX dikira menggunakan formula berikut: ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Mari kita nyatakan bilangan atom besi dalam molekul dengan "x", bilangan atom oksigen dengan "y". Mari kita cari jisim atom relatif yang sepadan bagi unsur besi dan oksigen (kita akan membundarkan nilai jisim atom relatif yang diambil daripada Jadual Berkala D.I. Mendeleev kepada nombor bulat). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Kami membahagikan peratusan kandungan unsur kepada jisim atom relatif yang sepadan. Oleh itu kita akan mencari hubungan antara bilangan atom dalam molekul sebatian: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O); x:y = 72.41/56: 27.59/16; x:y = 1.29: 1.84. Mari kita ambil nombor terkecil sebagai satu (iaitu, bahagikan semua nombor dengan nombor terkecil 1.29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; Oleh itu, formula termudah untuk gabungan besi dan oksigen ialah Fe 2 O 3. |
| Jawab | Fe2O3 |
Rajah 46. Menghubungi zarah dalam hablur
Penggunaan sinar-X untuk mengkaji kristal memungkinkan bukan sahaja untuk menubuhkan struktur dalaman yang terakhir, tetapi juga untuk menentukan saiz zarah,membentuk kristal - atom atau ion.
Untuk memahami cara pengiraan sedemikian dibuat, bayangkan bahawa zarah dari mana kristal dibina mempunyai bentuk sfera dan bersentuhan antara satu sama lain. Dalam kes ini, kita boleh mengandaikan bahawa jarak antara pusat dua zarah jiran adalah sama dengan jumlah jejari mereka (Rajah 46). Jika zarah adalah atom ringkas dan jarak antara mereka diukur, jejari atom ditentukan, jelas sama dengan separuh jarak yang ditemui. Sebagai contoh, mengetahui bahawa untuk kristal logam natrium pemalar kekisi d adalah sama dengan 3.84 angstrom, kita dapati bahawa jejari r atom natrium adalah sama.
Menentukan jejari pelbagai ion agak sukar. Di sini tidak lagi mungkin untuk membahagikan jarak antara ion pada separuh, kerana saiz ion tidak sama. Tetapi jika jejari salah satu ion r 1 diketahui, jejari yang lain r 2 mudah didapati dengan penolakan mudah:
r 2 = d - r 1
Ia berikutan bahawa untuk mengira jejari pelbagai ion menggunakan pemalar kekisi kristal, anda perlu mengetahui jejari sekurang-kurangnya satu ion. Kemudian mencari jejari semua ion lain tidak lagi sukar.
Menggunakan kaedah optik, adalah mungkin untuk menentukan dengan tepat jejari ion fluorin F - (1.33 A) dan oksigen O - (1.32 A); Jejari ini berfungsi sebagai nilai awal apabila mengira jejari ion lain. Sebagai contoh, penentuan pemalar kekisi magnesium oksida MgO menunjukkan bahawa ia bersamaan dengan 2.1 angstrom. Menolak jejari ion oksigen dari sini, kita dapati jejari ion magnesium:
2.1 - 1.32 = 0.78 Å
Pemalar kekisi natrium fluorida ialah 2.31 Å; memandangkan jejari ion fluorin ialah 1.33 angstrom, jejari ion natrium mestilah sama dengan:
2.31 -1.33 = 0.98 Å
Mengetahui jejari ion natrium dan pemalar kekisi natrium klorida, adalah mudah untuk mengira jejari ion klorin, dsb.
Jejari hampir semua atom dan ion ditentukan dengan cara ini.
Idea umum tentang saiz kuantiti ini diberikan oleh data yang diberikan dalam Jadual. 7.
Jadual 7
Jejari atom dan ion beberapa unsur
| unsur | Jejari atom | Jejari ion | Simbol ion |
| 1,92 | 0,98 | Na+ | |
| 2,38 | 1,33 | K+ | |
| 2,51 | 1,49 | Rb+ | |
| 2,70 | 1,65 | Cs+ | |
| 1,60 | 0,78 | Mg++ | |
| 1,97 | 1,06 | Ca++ | |
| 2,24 | 1,43 | Ba++ | |
| 0,67 | 1,33 | F- | |
| 1,07 | 1,81 | Cl- | |
| 1,19 | 1,96 | Br- | |
| 1,36 | 2,20 | J- | |
| 1,04 | 1,74 | S— |
Seperti yang ditunjukkan oleh data ini, dalam logam jejari atom lebih besar daripada jejari ion dalam metaloid, sebaliknya jejari ion lebih besar daripada jejari atom.
Saiz relatif ion yang membentuk kristal mempunyai kesan yang besar ke atas struktur kekisi spatial. Jadi, sebagai contoh, dua sangat serupa dalam sifat kimia mereka - CsCl dan NaCl, bagaimanapun, membentuk kekisi jenis yang berbeza, dan dalam kes pertama, setiap ion positif dikelilingi oleh lapan ion negatif, dan di kedua - hanya enam. Perbezaan ini dijelaskan oleh fakta bahawa saiz ion sesium
dan natrium tidak sama. Sebilangan pertimbangan memaksa kita untuk menerima bahawa ion harus terletak di dalam kristal supaya setiap ion yang lebih kecil, jika boleh, mengisi sepenuhnya ruang antara ion besar yang mengelilinginya dan sebaliknya; dalam erti kata lain, ion negatif, yang hampir selalu lebih besar daripada yang positif, mesti mengelilingi ion positif sedekat mungkin, jika tidak sistem akan menjadi tidak stabil. Oleh kerana jejari ion Cs + ialah 1.65 Å, dan ion Na + hanya 0.98 Å, adalah jelas bahawa lebih banyak ion Cl - boleh diletakkan di sekeliling bekas berbanding di sekeliling yang terakhir.
Bilangan ion negatif yang mengelilingi setiap ion positif dalam kristal dipanggil nombor koordinasi kekisi tertentu. Kajian tentang struktur pelbagai hablur menunjukkan bahawa nombor koordinasi yang paling biasa ialah 2, 3, 4, 6, 8 dan 12.
Nombor koordinasi bergantung pada nisbah jejari ion positif kepada jejari ion negatif: semakin hampir nisbah ini dengan perpaduan, semakin besar nombor koordinasi. Memandangkan ion sebagai sfera yang terletak dalam kristal mengikut kaedah pembungkusan yang paling padat, adalah mungkin untuk mengira pada nisbah antara jejari ion positif dan negatif nombor koordinasi tertentu perlu diperolehi.
Di bawah ialah nombor penyelarasan terbesar yang dikira secara teori untuk nisbah jejari tertentu.
Adalah mudah untuk mengesahkan bahawa nombor koordinasi untuk NaCl dan CsCl, yang didapati daripada jadual ini, betul-betul sepadan dengan susunan ion sebenar dalam kristal bahan-bahan ini.
BESI(lat. Ferrum), Fe, unsur kimia kumpulan VIII jadual berkala, nombor atom 26, jisim atom 55.847. Asal-usul kedua-dua nama Latin dan Rusia bagi unsur itu belum ditubuhkan dengan jelas. Besi asli ialah campuran empat nuklida dengan nombor jisim 54 (kandungan dalam campuran semula jadi ialah 5.82% mengikut berat), 56 (91.66%), 57 (2.19%) dan 58 (0.33%). Konfigurasi dua lapisan elektronik luar ialah 3s 2 p 6 d 6 4s 2. Lazimnya membentuk sebatian dalam keadaan pengoksidaan +3 (valens III) dan +2 (valens II). Sebatian dengan atom besi dalam keadaan pengoksidaan +4, +6 dan beberapa yang lain juga diketahui.
Dalam sistem berkala Mendeleev, besi termasuk dalam kumpulan VIIIB. Dalam tempoh keempat, yang mana besi juga tergolong, kumpulan ini termasuk, sebagai tambahan kepada besi, juga kobalt (Co) dan nikel (Ni). Ketiga-tiga unsur ini membentuk triad dan mempunyai sifat yang serupa.
Jejari atom besi neutral ialah 0.126 nm, jejari ion Fe 2+ ialah 0.080 nm, dan ion Fe 3+ ialah 0.067 nm. Tenaga pengionan berjujukan atom besi ialah 7.893, 16.18, 30.65, 57, 79 eV. Pertalian elektron 0.58 eV. Menurut skala Pauling, keelektronegatifan besi adalah kira-kira 1.8.
Besi ketulenan tinggi ialah logam perak-kelabu berkilat, mulur yang sesuai dengan pelbagai kaedah pemprosesan mekanikal.
Sifat fizikal dan kimia: pada suhu dari suhu bilik hingga 917°C, serta dalam julat suhu 1394-1535°C, terdapat -Fe dengan kekisi berpusat badan padu, pada suhu bilik parameter kekisi A= 0.286645 nm. Pada suhu 917-1394°C, -Fe dengan kekisi kubik berpusat muka T adalah stabil ( A= 0.36468 nm). Pada suhu dari suhu bilik hingga 769°C (yang dipanggil titik Curie), besi mempunyai sifat magnet yang kuat (ia dikatakan feromagnetik pada suhu yang lebih tinggi, besi bertindak sebagai paramagnet). Kadangkala paramagnet -Fe dengan kekisi berpusat badan padu, stabil pada suhu dari 769 hingga 917°C, dianggap sebagai pengubahsuaian besi, dan -Fe, stabil pada suhu tinggi (1394-1535°C), dipanggil -Fe mengikut tradisi (idea tentang kewujudan empat pengubahsuaian besi timbul apabila analisis pembelauan sinar-X belum wujud dan tiada maklumat objektif tentang struktur dalaman besi). Takat lebur 1535°C, takat didih 2750°C, ketumpatan 7.87 g/cm 3 . Potensi piawai bagi pasangan Fe 2+ /Fe 0 ialah 0.447V, pasangan Fe 3+ /Fe 2+ ialah +0.771V.
Apabila disimpan di udara pada suhu sehingga 200°C, besi secara beransur-ansur ditutup dengan filem oksida yang padat, yang menghalang pengoksidaan logam selanjutnya. Dalam udara lembap, besi menjadi ditutup dengan lapisan karat yang longgar, yang tidak menghalang akses oksigen dan kelembapan kepada logam dan pemusnahannya. Karat tidak mempunyai komposisi kimia yang tetap, kira-kira formula kimianya boleh ditulis sebagai Fe 2 O 3 xH 2 O.
Besi bertindak balas dengan oksigen (O) apabila dipanaskan. Apabila besi terbakar di udara, Fe 2 O 3 oksida terbentuk, dan apabila besi terbakar dalam oksigen tulen, Fe 3 O 4 oksida terbentuk. Jika oksigen atau udara disalurkan melalui besi cair, FeO oksida terbentuk. Apabila sulfur (S) dan serbuk besi dipanaskan, sulfida terbentuk, formula anggarannya boleh ditulis sebagai FeS.
Apabila dipanaskan, besi bertindak balas dengan halogen. Oleh kerana FeF 3 tidak meruap, besi tahan terhadap fluorin (F) sehingga suhu 200-300°C. Apabila besi berklorin (pada suhu kira-kira 200°C), FeCl 3 yang meruap terbentuk. Jika interaksi besi dan bromin (Br) berlaku pada suhu bilik atau dengan pemanasan dan peningkatan tekanan wap bromin, FeBr 3 terbentuk. Apabila dipanaskan, FeCl 3 dan, terutamanya, FeBr 3 membelah halogen dan bertukar menjadi besi (II) halida. Apabila besi dan iodin (I) bertindak balas, iodida Fe 3 I 8 terbentuk.
Apabila dipanaskan, besi bertindak balas dengan nitrogen (N), membentuk besi nitrida Fe 3 N, dengan fosforus (P), membentuk fosfida FeP, Fe 2 P dan Fe 3 P, dengan karbon (C), membentuk karbida Fe 3 C, dengan silikon ( Si), membentuk beberapa silisid, contohnya, FeSi.
Pada tekanan tinggi, besi metalik bertindak balas dengan karbon monoksida CO, dan cecair, dalam keadaan normal, besi sangat meruap pentakarbonil Fe(CO) 5 terbentuk. Karbonil besi bagi komposisi Fe 2 (CO) 9 dan Fe 3 (CO) 12 juga diketahui. Karbonil besi berfungsi sebagai bahan permulaan dalam sintesis sebatian organoiron, termasuk komposisi ferrosen.
Besi logam tulen stabil dalam air dan larutan alkali cair. Besi tidak larut dalam asid sulfurik dan nitrik pekat, kerana filem oksida yang kuat memasifkan permukaannya.
Besi bertindak balas dengan hidroklorik dan mencairkan (kira-kira 20%) asid sulfurik untuk membentuk garam besi (II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
Apabila besi bertindak balas dengan kira-kira 70% asid sulfurik, tindak balas tersebut akan menghasilkan besi (III) sulfat:
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Besi (II) oksida FeO mempunyai sifat asas Fe(OH) 2 sepadan dengannya. Besi (III) oksida Fe 2 O 3 adalah amfoterik lemah; ia dipadankan dengan bes yang lebih lemah daripada Fe(OH) 2, Fe(OH) 3, yang bertindak balas dengan asid:
2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Besi (III) hidroksida Fe(OH) 3 mempamerkan sifat amfoterik yang lemah; ia mampu bertindak balas hanya dengan larutan alkali pekat:
Fe(OH) 3 + KOH = K
Kompleks hidrokso besi(III) yang terhasil adalah stabil dalam larutan beralkali kuat. Apabila larutan dicairkan dengan air, ia dimusnahkan, dan besi (III) hidroksida Fe(OH) 3 memendakan.
Sebatian besi (III) dalam larutan dikurangkan oleh besi logam:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
Apabila menyimpan larutan akueus garam besi (II), pengoksidaan besi (II) kepada besi (III) diperhatikan:
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
Daripada garam besi (II) dalam larutan akueus, yang paling stabil ialah garam Mohr's double ammonium dan ferum (II) sulfat (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 6H 2 O.
Besi (III) mampu membentuk sulfat berganda dengan kation bercas tunggal seperti alum, contohnya, KFe(SO 4) 2 alum besi-kalium, (NH 4)Fe(SO 4) 2 alum ammonium ferik, dsb.
Apabila gas klorin (Cl) atau ozon bertindak ke atas larutan alkali sebatian besi (III), sebatian ferat besi (VI) terbentuk, contohnya, kalium ferrat (VI) (K): K 2 FeO 4. Terdapat laporan tentang penghasilan sebatian besi (VIII) di bawah pengaruh agen pengoksidaan yang kuat.
Untuk mengesan sebatian besi (III) dalam larutan, tindak balas kualitatif ion Fe 3+ dengan ion tiosianat CNS digunakan. Apabila ion Fe 3+ berinteraksi dengan anion CNS, besi merah terang tiosianat Fe(CNS) 3 terbentuk. Satu lagi reagen untuk ion Fe 3+ ialah potassium hexacyanoferrate (II) (K): K 4 (sebelum ini bahan ini dipanggil garam darah kuning). Apabila ion Fe 3+ dan 4 berinteraksi, mendakan biru terang terbentuk.
Larutan kalium heksasianoferrat (III) (K) K 3, dahulunya dipanggil garam darah merah, boleh berfungsi sebagai reagen untuk ion Fe 2+ dalam larutan. Apabila ion Fe 3+ dan 3 berinteraksi, mendakan biru terang daripada komposisi yang sama terbentuk seperti dalam kes interaksi ion Fe 3+ dan 4.
Aloi besi-karbon: besi digunakan terutamanya dalam aloi, terutamanya karbon (C) aloi pelbagai besi tuang dan keluli. Dalam besi tuang, kandungan karbon lebih tinggi daripada 2.14% mengikut berat (biasanya pada tahap 3.5-4%), dalam keluli kandungan karbon lebih rendah (biasanya pada tahap 0.8-1%).
Besi tuang dihasilkan dalam relau letupan. Relau letupan ialah kon terpotong gergasi (sehingga 30-40 m), berongga di dalam. Dinding bahagian dalam relau letupan dilapisi dengan bata tahan api, ketebalan batu adalah beberapa meter. Dari atas, diperkaya (dibebaskan daripada batuan sisa) bijih besi, mengurangkan kok (gred khas arang batu tertakluk kepada kok - dipanaskan pada suhu kira-kira 1000 ° C tanpa akses udara), serta bahan peleburan (batu kapur dan lain-lain) yang menggalakkan pengasingan dimuatkan ke dalam relau letupan dengan troli daripada sanga kekotoran logam yang dilebur. Letupan (oksigen tulen (O) atau udara yang diperkaya dengan oksigen (O)) dimasukkan ke dalam relau letupan dari bawah. Apabila bahan-bahan yang dimuatkan ke dalam relau letupan diturunkan, suhunya meningkat kepada 1200-1300°C. Hasil daripada tindak balas pengurangan yang berlaku terutamanya dengan penyertaan kok C dan CO:
Fe 2 O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
Besi logam muncul, yang tepu dengan karbon (C) dan mengalir ke bawah.
Leburan ini dilepaskan secara berkala dari relau letupan melalui sangkar lubang khas dan leburan dibenarkan untuk memejal dalam bentuk khas. Besi tuang boleh berwarna putih, yang dipanggil besi babi (ia digunakan untuk menghasilkan keluli) dan kelabu, atau besi tuang. Besi tuang putih ialah larutan pepejal karbon (C) dalam besi. Dalam struktur mikro besi tuang kelabu, mikrokristal grafit boleh dibezakan. Disebabkan kehadiran grafit, besi tuang kelabu meninggalkan tanda pada kertas putih.
Besi tuang rapuh dan pecah apabila terkena, jadi mata air, mata air daun atau sebarang produk yang perlu dibengkokkan tidak boleh dibuat daripadanya.
Besi tuang pepejal adalah lebih ringan daripada besi tuang cair, jadi apabila ia memejal, ia tidak mengecut (seperti biasa apabila logam dan aloi memejal), tetapi mengembang. Ciri ini membolehkan anda membuat pelbagai tuangan daripada besi tuang, termasuk menggunakannya sebagai bahan tuangan artistik.
Jika kandungan karbon (C) dalam besi tuang dikurangkan kepada 1.0-1.5%, maka keluli terbentuk. Keluli boleh menjadi karbon (keluli tersebut tidak mempunyai komponen lain kecuali Fe dan C) dan beraloi (keluli tersebut mengandungi bahan tambahan kromium (Cr), nikel (Ni), molibdenum (Mo), kobalt (Co) dan logam lain yang memperbaiki mekanikal dan sifat lain keluli).
Keluli dihasilkan dengan memproses besi tuang dan sekerap logam dalam penukar oksigen, arka elektrik atau relau perapian terbuka. Dengan pemprosesan sedemikian, kandungan karbon (C) dalam aloi dikurangkan ke tahap yang diperlukan, seperti yang mereka katakan, lebihan karbon (C) dibakar.
Sifat fizikal keluli berbeza dengan ketara daripada sifat besi tuang: keluli adalah elastik, ia boleh ditempa dan digulung. Memandangkan keluli, tidak seperti besi tuang, mengecut semasa pemejalan, tuangan keluli yang terhasil tertakluk kepada pemampatan dalam kilang penggelek. Selepas bergolek, lompang dan rongga yang muncul semasa pemejalan cair hilang dalam isipadu logam.
Pengeluaran keluli mempunyai tradisi yang panjang dan mendalam di Rusia, dan keluli yang dihasilkan oleh ahli metalurgi kami adalah berkualiti tinggi.
Sejarah pengeluaran besi: besi telah memainkan dan terus memainkan peranan yang luar biasa dalam sejarah material umat manusia. Besi logam pertama yang jatuh ke tangan manusia mungkin berasal dari meteorit. Bijih besi tersebar luas dan sering dijumpai walaupun di permukaan Bumi, tetapi besi asli di permukaan sangat jarang berlaku. Mungkin, beberapa ribu tahun yang lalu, seseorang menyedari bahawa selepas membakar api, dalam beberapa kes pembentukan besi diperhatikan dari kepingan bijih yang secara tidak sengaja berakhir dalam api. Apabila api menyala, pengurangan besi daripada bijih berlaku disebabkan oleh tindak balas bijih secara langsung dengan arang batu dan dengan karbon monoksida (II) CO yang terbentuk semasa pembakaran. Kemungkinan untuk mendapatkan besi daripada bijih sangat difasilitasi oleh penemuan fakta bahawa apabila bijih dipanaskan dengan arang batu, logam muncul, yang kemudiannya boleh disucikan lagi semasa penempaan. Mengekstrak besi daripada bijih menggunakan proses meniup keju telah dicipta di Asia Barat pada milenium ke-2 SM. Tempoh dari abad ke-9 hingga ke-7 SM, apabila metalurgi besi berkembang di kalangan banyak suku Eropah dan Asia, dipanggil Zaman Besi, yang menggantikan Zaman Gangsa. Penambahbaikan dalam kaedah meniup (draf semula jadi digantikan oleh belos) dan peningkatan ketinggian tempa (relau aci rendah muncul) membawa kepada pengeluaran besi tuang, yang mula dilebur secara meluas di Eropah Barat dari abad ke-14. Besi tuang yang terhasil telah ditukar kepada keluli. Dari pertengahan abad ke-18, kok arang batu mula digunakan dalam proses relau letupan dan bukannya arang. Selepas itu, kaedah untuk mendapatkan besi daripada bijih telah dipertingkatkan dengan ketara, dan pada masa ini peranti khas digunakan untuk tujuan ini: relau letupan, penukar oksigen, dan relau arka elektrik.
Menemui dalam alam semula jadi: Besi cukup meluas di kerak bumi; ia menyumbang kira-kira 4.1% daripada jisim kerak bumi (tempat ke-4 di antara semua unsur, ke-2 di antara logam). Sebilangan besar bijih dan mineral yang mengandungi besi diketahui. Kepentingan praktikal yang paling besar ialah bijih besi merah (bijih hematit, Fe 2 O 3; mengandungi sehingga 70% Fe), bijih besi magnetik (bijih magnetit, Fe 3 O 4; mengandungi 72.4% Fe), bijih besi perang (bijih hidrogoetit НFeO 2 · n H 2 O), serta bijih besi spar (bijih siderit, besi karbonat, FeCO 3; mengandungi kira-kira 48% Fe). Mendapan pirit FeS2 yang besar juga terdapat di alam semula jadi (nama lain ialah pirit sulfur, pirit besi, besi disulfida dan lain-lain), tetapi bijih dengan kandungan sulfur yang tinggi belum lagi mempunyai kepentingan praktikal. Rusia menduduki tempat pertama di dunia dari segi rizab bijih besi. Air laut mengandungi 1·10 5 1·10 8% besi.
Penggunaan besi, aloi dan sebatiannya: Besi tulen mempunyai kegunaan yang agak terhad. Ia digunakan dalam pembuatan teras elektromagnet, sebagai pemangkin untuk proses kimia, dan untuk beberapa tujuan lain. Tetapi aloi besi - besi tuang dan keluli - membentuk asas teknologi moden. Banyak sebatian besi juga digunakan secara meluas. Oleh itu, besi (III) sulfat digunakan dalam rawatan air, oksida besi dan sianida berfungsi sebagai pigmen dalam pembuatan pewarna, dan sebagainya.
Peranan biologi: besi terdapat dalam badan semua tumbuhan dan haiwan sebagai unsur surih, iaitu, dalam kuantiti yang sangat kecil (secara purata kira-kira 0.02%). Walau bagaimanapun, bakteria besi, yang menggunakan tenaga pengoksidaan besi (II) menjadi besi (III) untuk kemosintesis, boleh mengumpul sehingga 17-20% besi dalam sel mereka. Fungsi biologi utama besi ialah penyertaan dalam pengangkutan oksigen (O) dan proses oksidatif. Besi melaksanakan fungsi ini sebagai sebahagian daripada protein kompleks - hemoprotein, kumpulan prostetik yang merupakan kompleks porfirin besi - heme. Antara hemoprotein yang paling penting ialah pigmen pernafasan hemoglobin dan mioglobin, pembawa elektron sejagat dalam tindak balas pernafasan selular, pengoksidaan dan fotosintesis, sitokrom, enzim katalose dan peroksida, dan lain-lain. Dalam sesetengah haiwan invertebrata, pigmen pernafasan yang mengandungi besi heloerythrin dan chlorocruorin mempunyai struktur yang berbeza daripada hemoglobin. Semasa biosintesis hemoprotein, besi dipindahkan kepada mereka dari feritin protein, yang menyimpan dan mengangkut besi. Protein ini, satu molekul yang mengandungi kira-kira 4,500 atom besi, tertumpu di hati, limpa, sumsum tulang dan mukosa usus mamalia dan manusia. Keperluan harian seseorang untuk zat besi (6-20 mg) banyak dilindungi oleh makanan (daging, hati, telur, roti, bayam, bit dan lain-lain kaya dengan zat besi). Tubuh orang biasa (berat badan 70 kg) mengandungi 4.2 g besi, 1 liter darah mengandungi kira-kira 450 mg. Apabila kekurangan zat besi dalam badan, anemia kelenjar berkembang, yang dirawat dengan ubat yang mengandungi zat besi. Suplemen besi juga digunakan sebagai agen pengukuhan am. Dos besi yang berlebihan (200 mg atau lebih) boleh memberi kesan toksik. Besi juga diperlukan untuk perkembangan normal tumbuhan, itulah sebabnya terdapat baja mikro berdasarkan persediaan besi.
Mari kita pertimbangkan pergantungan beberapa sifat atom pada struktur cangkerang elektroniknya. Marilah kita memikirkan, pertama sekali, mengenai corak perubahan dalam jejari atom dan ionik.
Awan elektron tidak mempunyai sempadan yang jelas. Oleh itu, konsep saiz atom tidak ketat. Tetapi jika kita membayangkan atom dalam kristal bahan ringkas dalam bentuk bola bersentuhan antara satu sama lain, maka jarak antara pusat bola jiran (iaitu, antara nukleus atom jiran) boleh diambil sama dengan dua kali jejari atom. Oleh itu, jarak internuklear terkecil dalam kristal kuprum adalah sama dengan; ini membolehkan kita menganggap bahawa jejari atom kuprum adalah sama dengan separuh daripada nilai ini, i.e.
Kebergantungan jejari atom pada cas nukleus atom Z adalah berkala. Dalam satu tempoh, apabila Z meningkat, kecenderungan ke arah pengurangan saiz atom muncul, yang amat jelas diperhatikan dalam tempoh yang singkat (jejari atom diberikan dalam nm):
Ini dijelaskan oleh peningkatan daya tarikan elektron dari lapisan luar ke teras apabila casnya meningkat.
Dengan permulaan pembinaan lapisan elektronik baru, lebih jauh dari nukleus, iaitu, semasa peralihan ke tempoh seterusnya, jejari atom meningkat (bandingkan, sebagai contoh, jejari atom fluorin dan natrium). Akibatnya, dalam subkumpulan, dengan peningkatan cas nuklear, saiz atom meningkat. Mari kita berikan sebagai contoh nilai-nilai jejari atom (dalam nm) unsur-unsur beberapa subkumpulan utama:
Elektron lapisan luar, yang paling tidak terikat rapat dengan nukleus, boleh dipisahkan daripada atom dan melekat pada atom lain, menjadi sebahagian daripada lapisan luar yang terakhir.
Atom yang telah kehilangan satu atau lebih elektron menjadi bercas positif kerana cas nukleus atom melebihi jumlah cas elektron yang tinggal. Sebaliknya, atom yang telah menambah elektron tambahan menjadi bercas negatif. Zarah bercas yang dihasilkan dipanggil ion.
Ion ditetapkan dengan simbol yang sama seperti atom, menunjukkan casnya di bahagian atas sebelah kanan: contohnya, ion aluminium bercas tiga kali ganda positif dilambangkan dengan , ion klorin bercas tunggal negatif dilambangkan dengan .
Kehilangan atom elektron membawa kepada pengurangan saiz berkesannya, dan penambahan elektron berlebihan membawa kepada peningkatan. Oleh itu, jejari ion bercas positif (kation) sentiasa lebih kecil, dan jejari bukan (anion) bercas negatif sentiasa lebih besar daripada jejari atom neutral elektrik yang sepadan. Oleh itu, jejari atom kalium ialah , dan jejari ion, jejari atom klorin dan ion, masing-masing, ialah 0.099 dan . Dalam kes ini, jejari ion berbeza dengan lebih kuat daripada jejari atom, lebih besar cas ion. Sebagai contoh, jejari atom kromium dan ion ialah 0.127, 0.083 dan , masing-masing.
Dalam satu subkumpulan, jejari ion dengan cas yang sama meningkat dengan peningkatan cas nuklear. Ini digambarkan oleh contoh berikut (jejari ion diberikan dalam nm):
Corak ini dijelaskan oleh peningkatan bilangan lapisan elektronik dan jarak elektron luar yang semakin meningkat dari nukleus.
