PODRĘCZNIK ZADANIOWY LABORATORIUM PRAKTYCZNE HISTORIE NAUKOWE DO CZYTANIA
Kontynuacja. Patrz nr 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 Treść
w stanie krystalicznym
(kontynuacja)
BADANIA LABORATORYJNE
1. Wyznaczanie odległości międzyjądrowej w żelazie krystalicznym.
W tej pracy doświadczalnej zapoznasz się z oznaczaniem gęstości metalu - bardzo ważnej cechy, dzięki której będziesz mógł ocenić na przykład skład i czas wytworzenia produktu metalowego.
Kiedy i od kogo wziął się okrzyk „Eureka!”? Starożytny grecki naukowiec Archimedes urodził się w Syrakuzach (na Sycylii) około 287 roku p.n.e. mi. i został zabity przez rzymskiego żołnierza podczas zdobywania miasta podczas II wojny punickiej. Ostatnie słowa Archimedesa: „Nie dotykaj moich rysunków”. Archimedesowi przypisuje się zdanie: „Dajcie mi punkt oparcia, a poruszę Ziemię”. Archimedes znalazł rozwiązanie problemu określenia ilości złota i srebra w koronie ofiarnej władcy Syrakuz Hiero podczas jego kąpieli. Pobiegł nago do domu, krzycząc „Eureka!”, co oznacza „znaleziony!” Spróbuj w najbardziej ogólny sposób opowiedzieć, jak Archimedes udowodnił, że w koronie jest więcej srebra, niż było to wymagane.
Czeka Cię prawdziwe badanie naukowe!
Pracę wykonuje mała grupa 2–4 osób. Przeczytaj uważnie opis stanowiska, sporządź szczegółowy plan eksperymentu (z dostępną próbką metalu i szkiełkiem pomiarowym) i wstępnie przydziel obowiązki (kto będzie co robił).
Doświadczenie polega na wyznaczeniu gęstości metalu, co pozwala za pomocą liczby Avogadro obliczyć odległość międzyjądrową, czyli odległość pomiędzy jądrami atomów w krysztale lub cząsteczce. Odległość ta jest jedną ze stałych cech tej substancji.
Rozmiary atomów i cząsteczek wyrażane są w różnych jednostkach: centymetrach (cm), nanometrach
(1 nm = 1 10 –9 m) i pikometry (1 pm = 1 10 –12 m). Wcześniej powszechnie stosowano niesystemową jednostkę długości, angstrem.
Weź kawałek metalu (żelazo, miedź, aluminium, ołów), na przykład żelazną kulkę z dużego łożyska. Możesz użyć grubego żelaznego gwoździa, najpierw odpiłując jego główkę i tworząc cylinder. Określ masę pobranego metalu poprzez ważenie.
Określ objętość zmierzonej masy tego samego metalu. Jeśli istniejący metal ma kształt regularnej figury geometrycznej - sześcianu, kuli, cylindra lub innego, zmierz jego wymiary linijką lub suwmiarką. Korzystając z wiedzy matematycznej, oblicz objętość przedmiotu obrabianego.
Możesz wziąć dużą nakrętkę lub śrubę samochodową albo kawałek oplotu kabla ołowianego. Nie jest konieczne branie metalu w postaci jednego kawałka, można wziąć garść gwoździ, małych kulek, śrutu itp. Jeśli masz kawałek metalu o nieregularnym kształcie lub małe kawałki (kulki, śruby, nakrętki, gwoździe, spinacze itp., wykonane z jednego metalu, a nie ze stopu), powinieneś sam zaproponować sposób określenia objętości metalu o znanej masie (czy udało Ci się już odważyć garść lub pęczek kawałków metalu nic nie tracąc?).
Możesz to zrobić. Napełnij cylinder miarowy mniej więcej do połowy wodą i zapisz jej objętość (dokładniej!). Umieść kawałki metalu w cylindrze z wodą, aż woda pokryje metal i zapisz uzyskaną objętość wody i metalu. Jaka jest objętość metalu? Może się zdarzyć, że wody będzie mniej i nie pokryje całego metalu. Co wtedy zrobić? Pomyśl o tym.
Do innego cylindra miarowego wlej dokładnie znaną objętość wody i wlej do cylindra z metalem taką ilość wody, aby zakryła metal. Zanotuj położenie poziomów wody w obu cylindrach. Teraz możesz obliczyć objętość wody w cylindrze z metalem oraz objętość zajmowaną przez wodę i metal. Znajdź objętość metalu i znając jego masę, określ jego gęstość.
Następnie oblicz objętość odpowiadającą liczbie Avogadro atomów metalu. Określ objętość przypadającą na atom i oblicz odległość międzyjądrową, przyrównując ją do długości krawędzi sześcianu zawierającego atom.
Należy pamiętać, że ta metoda określania odległości międzyjądrowych jest przybliżona. Niemniej jednak odległości międzyjądrowe w kryształach metali obliczone tą metodą dobrze pokrywają się z uzyskanymi innymi metodami.
Zamiast żelaza możesz wziąć inne metale - miedź, ołów, a nawet złoto i srebro.
Jak określić wielkość jednego atomu, na przykład żelaza? Czy wiesz, że 1 mol Fe ma masę
55,845 g; Gęstość żelaza została wcześniej określona eksperymentalnie. (Według danych referencyjnych żelazo krystaliczne ma gęstość = 7,87 g/cm3). Obliczmy objętość 1 mola żelaza:55,845 (g)/7,87 (g/cm3) = 7,1 cm3.
Określmy objętość przypadającą na jeden atom w strukturze krystalicznej żelaza. Aby to zrobić, podziel objętość 1 mola atomów (objętość molowa) przez liczbę atomów Avogadra:
7,1 (cm 3)/6,02 1023 = 1,18 10 –23 cm 3.
Zatem średnica atomu żelaza w krysztale wynosi około 0,000000023 cm i jest to odległość międzyjądrowa. Wynikowa liczba nie jest średnicą izolowanego atomu, ponieważ powłoki elektronowe atomów przypominają chmury o bardzo rozmytych krawędziach. W ścisłej literaturze naukowej z zakresu chemii i fizyki nie używa się wyrażeń „średnica atomowa” ani „promień atomowy”, ale termin „odległość międzyjądrowa” i oznaczenie l("ale"). Dlaczego średnica atomu żelaza D i jego odległość międzyjądrową l są równe, stanie się dla ciebie jasne z ryc. 5.6. Według danych referencyjnych promień atomu żelaza wynosi 124,1 pm = 1,24 · 10 –8 cm, zatem odległość międzyjądrowa wynosi 2,48 · 10 –8 cm.
Wyraź odległość międzyjądrową w żelazie krystalicznym w różnych jednostkach.
2. Badanie odległości międzyjądrowych innych pierwiastków
Prześledźmy zmianę odległości międzyjądrowych na przykładzie pierwiastków IV okresu znajdujących się w stanie krystalicznym (w zwykłej temperaturze):
| Element | Promień, cm | Międzyjądrowy odległość, cm |
|
|---|---|---|---|
| Potas | DO | 2,27 10 –8 | 4,54 10 –8 |
| Wapń | Sa | 1,97 10 –8 | 3,94 10 –8 |
| Skand | sc | 1,61 10 –8 | 3,22 10 –8 |
| Tytan | Ti | 1,44 10 –8 | 2,88 10 –8 |
| Wanad | V | 1,32 10 –8 | 2,64 10 –8 |
| Chrom | Kr | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Mangan | Mn | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Żelazo | Fe | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Kobalt | Współ | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Nikiel | Ni | 1,24 10 –8 | 2,48 10 –8 |
| Miedź | Cu | 1,28 10 –8 | 2,56 10 –8 |
| Cynk | Zn | 1,33 10 –8 | 2,66 10 –8 |
| Gal | Ga | 1,22 10 –8 | 2,44 10 –8 |
| German | Ge | 1,23 10 –8 | 2,46 10 –8 |
| Arsen | Jak | 1,25 10 –8 | 2,50 10 –8 |
| Selen | Se | 2,15 10 –8 | 4,30 10 –8 |
Narysuj wykres zmian odległości międzyjądrowych przy przejściu z potasu do selenu. Jeśli uda ci się wyjaśnić przebieg zmian odległości międzyjądrowych, zrozumiesz niektóre cechy konstrukcji układu okresowego pierwiastków D.I. Mendelejewa.
Jeśli w przyszłości będziesz musiał przygotować stopy różnych metali, informacja o promieniach atomów pomoże Ci przewidzieć właściwości stopów.
Stopy metali to stałe układy utworzone z dwóch lub więcej metali (a także metali i niemetali). Stopy mają lepsze właściwości w porównaniu z metalami składowymi. Jedna klasyfikacja stopów opiera się na liczbie faz tworzących stop. Jeśli w stopie występuje tylko jedna faza, to jest to układ jednofazowy lub stały roztwór jednego metalu w drugim.
Powiedzmy kilka słów o solidnych rozwiązaniach. Rzadko obserwuje się całkowitą wzajemną rozpuszczalność metali w jakimkolwiek stosunku. Może się to zdarzyć w przypadku komponentów o podobnych właściwościach. Na przykład złoto i srebro mogą rozpuszczać się w sobie w dowolnym stosunku, ponieważ należą do tej samej podgrupy, a rozmiary ich atomów są zbliżone (odpowiednio 1,442 · 10 –8 i 1,444 · 10 –8 cm).
Solidne rozwiązanie
– faza o zmiennym składzie, w której atomy różnych pierwiastków są umiejscowione we wspólnej sieci krystalicznej. Istnieją solidne rozwiązania podstawienie
I realizacja
.
Substytucyjny roztwór stały powstaje, gdy atomy rozpuszczonego metalu znajdują się w zaludnionych obszarach (węzłach) sieci rozpuszczającego się metalu. Promienie atomów w takich roztworach różnią się od siebie nie więcej niż 15% (dla stopów żelaza - nie więcej niż 8%). Przewiduj, jakie roztwory stałe mogą utworzyć powyższe metale. Innym ważnym wymogiem tworzenia substytucyjnych roztworów stałych jest to, że metale muszą być podobne elektrochemicznie, to znaczy nie mogą być zbyt daleko od siebie w szeregu napięć (a dokładniej w szeregu potencjału elektrody).
Śródmiąższowy roztwór stały powstaje w wyniku umiejscowienia atomów rozpuszczonego metalu w pustych przestrzeniach pomiędzy zaludnionymi miejscami (węzłami) sieci krystalicznej. Wielkość atomów rozpuszczającego się metalu nie powinna być większa niż 63% wielkości atomu rozpuszczającego się metalu.
DEFINICJA
Żelazo- dwudziesty szósty element układu okresowego. Oznaczenie - Fe od łacińskiego „ferrum”. Znajduje się w okresie czwartym, grupie VIIIB. Odnosi się do metali. Ładunek jądrowy wynosi 26.
Żelazo jest zaraz po aluminium najpowszechniejszym metalem na świecie: stanowi 4% (wagowo) skorupy ziemskiej. Żelazo występuje w postaci różnych związków: tlenków, siarczków, krzemianów. Żelazo występuje w stanie wolnym jedynie w meteorytach.
Do najważniejszych rud żelaza zalicza się magnetyczną rudę żelaza Fe 3 O 4 , czerwoną rudę żelaza Fe 2 O 3 , brązową rudę żelaza 2Fe 2 O 3 × 3H 2 O i rudę dźwigarową FeCO 3 .
Żelazo jest srebrzystym (ryc. 1) plastycznym metalem. Dobrze nadaje się do kucia, walcowania i innych rodzajów obróbki mechanicznej. Właściwości mechaniczne żelaza silnie zależą od jego czystości – od zawartości w nim nawet bardzo małych ilości innych pierwiastków.
Ryż. 1. Żelazo. Wygląd.
Masa atomowa i cząsteczkowa żelaza
Względna masa cząsteczkowa substancji(M r) to liczba pokazująca, ile razy masa danej cząsteczki jest większa od 1/12 masy atomu węgla, oraz względna masa atomowa pierwiastka(A r) - ile razy średnia masa atomów pierwiastka chemicznego jest większa niż 1/12 masy atomu węgla.
Ponieważ w stanie wolnym żelazo występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Fe, wartości jego mas atomowych i cząsteczkowych pokrywają się. Są one równe 55,847.
Alotropia i alotropowe modyfikacje żelaza
Żelazo tworzy dwie modyfikacje krystaliczne: żelazo α i żelazo γ. Pierwsza z nich ma siatkę sześcienną skupioną na ciele, druga ma siatkę sześcienną skupioną na twarzy. Żelazo α jest stabilne termodynamicznie w dwóch zakresach temperatur: poniżej 912 o C i od 1394 o C do temperatury topnienia. Temperatura topnienia żelaza wynosi 1539 ± 5 o C. Od 912 o C do 1394 o C γ-żelazo jest stabilne.
Zakresy temperatur stabilności żelaza α i γ są określone przez charakter zmiany energii Gibbsa obu modyfikacji wraz ze zmianami temperatury. W temperaturach poniżej 912 o C i powyżej 1394 o C energia Gibbsa żelaza α jest mniejsza od energii Gibbsa żelaza γ, a w zakresie 912 - 1394 o C jest większa.
Izotopy żelaza
Wiadomo, że w przyrodzie żelazo występuje w postaci czterech stabilnych izotopów 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe i 57 Fe. Ich liczby masowe wynoszą odpowiednio 54, 56, 57 i 58. Jądro atomu izotopu żelaza 54 Fe zawiera dwadzieścia sześć protonów i dwadzieścia osiem neutronów, a pozostałe izotopy różnią się od niego jedynie liczbą neutronów.
Istnieją sztuczne izotopy żelaza o liczbach masowych od 45 do 72, a także 6 stanów izomerycznych jąder. Najdłużej żyjącym spośród powyższych izotopów jest 60 Fe z okresem półtrwania wynoszącym 2,6 miliona lat.
Jony żelaza
Wzór elektroniczny pokazujący rozkład orbitalny elektronów żelaza jest następujący:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
W wyniku oddziaływania chemicznego żelazo oddaje swoje elektrony walencyjne, tj. jest ich dawcą i zamienia się w dodatnio naładowany jon:
Fe 0-2e → Fe 2+ ;
Fe 0 -3e → Fe 3+.
Cząsteczka i atom żelaza
W stanie wolnym żelazo występuje w postaci jednoatomowych cząsteczek Fe. Oto niektóre właściwości charakteryzujące atom i cząsteczkę żelaza:
Stopy żelaza
Do XIX wieku stopy żelaza znane były głównie ze stopów z węglem, zwanych stalą i żeliwem. Jednak później powstały nowe stopy na bazie żelaza zawierające chrom, nikiel i inne pierwiastki. Obecnie stopy żelaza dzielą się na stale węglowe, żeliwa, stale stopowe i stale o specjalnych właściwościach.
W technologii stopy żelaza nazywane są zwykle metalami żelaznymi, a ich produkcja nazywana jest metalurgią żelaza.
Przykłady rozwiązywania problemów
PRZYKŁAD 1
| Ćwiczenia | Skład pierwiastkowy substancji jest następujący: udział masowy pierwiastka żelaza wynosi 0,7241 (lub 72,41%), udział masowy tlenu wynosi 0,2759 (lub 27,59%). Wyprowadź wzór chemiczny. |
| Rozwiązanie | Udział masowy pierwiastka X w cząsteczce o składzie NX oblicza się za pomocą następującego wzoru: ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Oznaczmy liczbę atomów żelaza w cząsteczce przez „x”, liczbę atomów tlenu przez „y”. Znajdźmy odpowiednie względne masy atomowe pierwiastków żelaza i tlenu (zaokrąglimy wartości względnych mas atomowych wziętych z układu okresowego D.I. Mendelejewa do liczb całkowitych). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Procentową zawartość pierwiastków dzielimy na odpowiednie względne masy atomowe. W ten sposób znajdziemy zależność między liczbą atomów w cząsteczce związku: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe): ω(O)/Ar(O); x:y = 72,41/56: 27,59/16; x:y = 1,29: 1,84. Przyjmijmy najmniejszą liczbę jako jeden (tj. podzielmy wszystkie liczby przez najmniejszą liczbę 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; W związku z tym najprostszym wzorem na połączenie żelaza i tlenu jest Fe 2 O 3. |
| Odpowiedź | Fe2O3 |
Rysunek 46. Kontaktujące się cząstki w krysztale
Zastosowanie promieni rentgenowskich do badania kryształów pozwala nie tylko ustalić strukturę wewnętrzną tych ostatnich, ale także określić wielkość cząstek,tworząc kryształ - atomy lub jony.
Aby zrozumieć, jak dokonuje się takich obliczeń, wyobraź sobie, że cząstki, z których zbudowany jest kryształ, mają kształt kulisty i stykają się ze sobą. W tym przypadku możemy założyć, że odległość między środkami dwóch sąsiednich cząstek jest równa sumie ich promieni (ryc. 46). Jeśli cząstkami są proste atomy i mierzy się odległość między nimi, wyznacza się w ten sposób promień atomu, oczywiście równy połowie znalezionej odległości. Na przykład, wiedząc, że dla kryształów metalu sodu jest to stała sieci D jest równy 3,84 angstremów, stwierdzamy, że promień R atom sodu jest równy.
Określenie promieni różnych jonów jest nieco trudniejsze. W tym przypadku nie jest już możliwe proste podzielenie odległości między jonami na pół, ponieważ rozmiary jonów nie są takie same. Ale jeśli promień jednego z jonów R 1 jest znany, promień drugiego R 2 można łatwo znaleźć poprzez proste odejmowanie:
r 2 = D - r 1
Wynika z tego, że aby obliczyć promienie różnych jonów za pomocą stałych sieci krystalicznej, trzeba znać promień co najmniej jednego jonu. Wtedy znalezienie promieni wszystkich pozostałych jonów nie będzie już trudne.
Stosując metody optyczne udało się dość dokładnie określić promienie jonów fluoru F - (1,33 A) i tlen O - (1,32 A); Promienie te służą jako wartości początkowe przy obliczaniu promieni innych jonów. Przykładowo oznaczenie stałej sieci tlenku magnezu MgO wykazało, że wynosi ona 2,1 angstremów. Odejmując stąd promień jonu tlenu, znajdujemy promień jonu magnezu:
2,1 - 1,32 = 0,78 Å
Stała sieciowa fluorku sodu wynosi 2,31 Å; ponieważ promień jonu fluoru wynosi 1,33 angstremów, promień jonu sodu musi być równy:
2,31 -1,33 = 0,98 Å
Znając promień jonu sodu i stałą sieciową chlorku sodu, łatwo jest obliczyć promień jonu chloru itp.
W ten sposób wyznaczano promienie prawie wszystkich atomów i jonów.
Ogólne pojęcie o wielkości tych wielkości dają dane podane w tabeli. 7.
Tabela 7
Promienie atomów i jonów niektórych pierwiastków
| Element | Promień atomowy | Promień jonów | Symbol jonu |
| 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- |
Jak pokazują te dane, w metalach promienie atomów są większe niż promienie jonów, natomiast w metaloidach promienie jonów są większe niż promienie atomów.
Względne rozmiary jonów tworzących kryształ mają ogromny wpływ na strukturę sieci przestrzennej. I tak na przykład dwa bardzo podobne pod względem chemicznym - CsCl i NaCl tworzą jednak sieci różnego typu i w pierwszym przypadku każdy jon dodatni jest otoczony ośmioma jonami ujemnymi, a w drugim - tylko sześcioma. Różnicę tę tłumaczy się faktem, że rozmiary jonów cezu
i sód to nie to samo. Szereg rozważań zmusza nas do przyjęcia, że jony powinny być rozmieszczone w krysztale tak, aby każdy mniejszy jon, jeśli to możliwe, całkowicie wypełniał przestrzeń pomiędzy otaczającymi go dużymi jonami i odwrotnie; innymi słowy, jony ujemne, które prawie zawsze są większe od dodatnich, muszą otaczać jony dodatnie jak najbliżej, w przeciwnym razie system będzie niestabilny. Ponieważ promień jonu Cs+ wynosi 1,65 Å, a jonu Na+ zaledwie 0,98 Å, oczywiste jest, że wokół pierwszego można umieścić więcej jonów Cl- niż wokół drugiego.
Liczba jonów ujemnych otaczających każdy jon dodatni w krysztale nazywana jest liczbą koordynacyjną danej sieci. Badanie struktury różnych kryształów pokazuje, że najczęstszymi liczbami koordynacyjnymi są 2, 3, 4, 6, 8 i 12.
Liczba koordynacyjna zależy od stosunku promienia jonu dodatniego do promienia jonu ujemnego: im stosunek ten jest bliższy jedności, tym większa jest liczba koordynacyjna. Rozpatrując jony jako kule znajdujące się w krysztale według najgęstszej metody upakowania, można obliczyć, przy jakim stosunku promienia jonów dodatnich i ujemnych powinna zostać otrzymana konkretna liczba koordynacyjna.
Poniżej znajdują się obliczone teoretycznie największe liczby koordynacyjne dla danego stosunku promieni.
Łatwo sprawdzić, że liczby koordynacyjne NaCl i CsCl podane w tej tabeli dokładnie odpowiadają rzeczywistemu rozmieszczeniu jonów w kryształach tych substancji.
ŻELAZO(łac. Ferrum), Fe, pierwiastek chemiczny VIII grupy układu okresowego, liczba atomowa 26, masa atomowa 55,847. Pochodzenie łacińskiej i rosyjskiej nazwy pierwiastka nie zostało jednoznacznie ustalone. Żelazo naturalne jest mieszaniną czterech nuklidów o liczbach masowych 54 (zawartość w naturalnej mieszaninie wynosi 5,82% wag.), 56 (91,66%), 57 (2,19%) i 58 (0,33%). Konfiguracja dwóch zewnętrznych warstw elektronicznych to 3s 2 p 6 d 6 4s 2. Zwykle tworzy związki na stopniach utlenienia +3 (wartościowość III) i +2 (wartościowość II). Znane są również związki z atomami żelaza na stopniach utlenienia +4, +6 i niektórych innych.
W układzie okresowym Mendelejewa żelazo zaliczane jest do grupy VIIIB. W czwartym okresie, do którego należy również żelazo, do tej grupy oprócz żelaza zalicza się także kobalt (Co) i nikiel (Ni). Te trzy elementy tworzą triadę i mają podobne właściwości.
Promień obojętnego atomu żelaza wynosi 0,126 nm, promień jonu Fe 2+ wynosi 0,080 nm, a jonu Fe 3+ 0,067 nm. Energie sekwencyjnej jonizacji atomu żelaza wynoszą 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 eV. Powinowactwo elektronowe 0,58 eV. Według skali Paulinga elektroujemność żelaza wynosi około 1,8.
Żelazo o wysokiej czystości to błyszczący, srebrnoszary, ciągliwy metal, który dobrze nadaje się do różnych metod obróbki mechanicznej.
Fizyczne i chemiczne właściwości: w temperaturach od temperatury pokojowej do 917°C, a także w zakresie temperatur 1394-1535°C występuje -Fe z sześcienną siatką skupioną w ciele, w temperaturze pokojowej parametr sieciowy A= 0,286645 nm. W temperaturach 917-1394°C, -Fe z sześcienną siatką T skupioną na ścianie jest stabilny ( A= 0,36468 nm). W temperaturach od temperatury pokojowej do 769°C (tzw. punkt Curie) żelazo ma silne właściwości magnetyczne (mówi się, że jest ferromagnetyczne), w wyższych temperaturach zachowuje się jak paramagnetyk. Czasami paramagnetyczne -Fe z sześcienną siatką skupioną wokół ciała, stabilne w temperaturach od 769 do 917°C, uważane jest za modyfikację żelaza, a -Fe, stabilne w wysokich temperaturach (1394-1535°C), nazywane jest -Fe zgodnie z tradycją (pomysły o istnieniu czterech modyfikacji żelaza zrodziły się, gdy nie istniała jeszcze analiza dyfrakcji promieni rentgenowskich i nie było obiektywnych informacji o wewnętrznej strukturze żelaza). Temperatura topnienia 1535°C, temperatura wrzenia 2750°C, gęstość 7,87 g/cm 3 . Potencjał standardowy pary Fe 2+ /Fe 0 wynosi 0,447 V, pary Fe 3+ /Fe 2+ wynosi +0,771 V.
Żelazo przechowywane na powietrzu w temperaturze do 200°C stopniowo pokrywa się gęstą warstwą tlenku, co zapobiega dalszemu utlenianiu metalu. W wilgotnym powietrzu żelazo pokrywa się luźną warstwą rdzy, co nie utrudnia dostępu tlenu i wilgoci do metalu i jego zniszczenia. Rdza nie ma stałego składu chemicznego, w przybliżeniu jej wzór chemiczny można zapisać jako Fe 2 O 3 x H 2 O.
Żelazo reaguje z tlenem (O) po podgrzaniu. Kiedy żelazo spala się w powietrzu, powstaje tlenek Fe 2 O 3, a gdy żelazo spala się w czystym tlenie, powstaje tlenek Fe 3 O 4. Jeśli tlen lub powietrze przepuszcza się przez stopione żelazo, powstaje tlenek FeO. Po podgrzaniu siarki (S) i proszku żelaza powstaje siarczek, którego przybliżony wzór można zapisać jako FeS.
Żelazo reaguje z halogenami po podgrzaniu. Ponieważ FeF3 jest nielotny, żelazo jest odporne na fluor (F) do temperatur 200-300°C. Podczas chlorowania żelaza (w temperaturze około 200°C) powstaje lotny FeCl3. Jeśli interakcja żelaza i bromu (Br) zachodzi w temperaturze pokojowej lub podczas ogrzewania i zwiększonego ciśnienia par bromu, powstaje FeBr3. Po podgrzaniu FeCl 3, a zwłaszcza FeBr 3, oddzielają halogen i przekształcają się w halogenki żelaza (II). Kiedy żelazo i jod (I) reagują, powstaje jodek Fe 3 I 8.
Po podgrzaniu żelazo reaguje z azotem (N), tworząc azotek żelaza Fe 3 N, z fosforem (P), tworząc fosforki FeP, Fe 2 P i Fe 3 P, z węglem (C), tworząc węglik Fe 3 C, z krzemem (Si), tworząc kilka krzemków, na przykład FeSi.
Pod podwyższonym ciśnieniem metaliczne żelazo reaguje z tlenkiem węgla CO i w normalnych warunkach w stanie ciekłym tworzy się wysoce lotny pentakarbonyl żelaza Fe(CO) 5. Znane są również karbonylki żelaza o składach Fe 2 (CO) 9 i Fe 3 (CO) 12. Karbonylki żelaza służą jako materiały wyjściowe w syntezie związków organożelazowych, w tym w składzie ferrocenu.
Czyste metaliczne żelazo jest stabilne w wodzie i rozcieńczonych roztworach alkalicznych. Żelazo nie rozpuszcza się w stężonych kwasach siarkowym i azotowym, ponieważ silny film tlenkowy pasywuje jego powierzchnię.
Żelazo reaguje z kwasem solnym i rozcieńczonym (około 20%) kwasem siarkowym, tworząc sole żelaza (II):
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
Kiedy żelazo reaguje z około 70% kwasem siarkowym, reakcja przebiega, tworząc siarczan żelaza (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
Tlenek żelaza (II) FeO ma podstawowe właściwości, odpowiada mu zasada Fe(OH) 2. Tlenek żelaza (III) Fe 2 O 3 jest słabo amfoteryczny, towarzyszy mu jeszcze słabsza zasada niż Fe(OH) 2, Fe(OH) 3, która reaguje z kwasami:
2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O
Wodorotlenek żelaza (III) Fe(OH) 3 wykazuje właściwości słabo amfoteryczne; może reagować tylko ze stężonymi roztworami zasad:
Fe(OH)3 + KOH = K
Powstałe hydroksykompleksy żelaza (III) są stabilne w roztworach silnie zasadowych. Po rozcieńczeniu roztwory wodą ulegają zniszczeniu i wytrąca się wodorotlenek żelaza (III) Fe(OH) 3.
Związki żelaza (III) w roztworach są redukowane przez metaliczne żelazo:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
Podczas przechowywania wodnych roztworów soli żelaza (II) obserwuje się utlenianie żelaza (II) do żelaza (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
Spośród soli żelaza (II) w roztworach wodnych najbardziej stabilna jest sól Mohra podwójna amonowa i siarczan żelaza (II) (NH 4) 2 Fe(SO 4) 2 6H 2 O.
Żelazo (III) może tworzyć podwójne siarczany z pojedynczo naładowanymi kationami, takimi jak ałun, na przykład ałun żelazowo-potasowy KFe(SO 4) 2, ałun żelazowo-potasowy (NH 4)Fe(SO 4) 2 itp.
Gdy gazowy chlor (Cl) lub ozon działa na alkaliczne roztwory związków żelaza (III), powstają związki nadżelazianu żelaza (VI), na przykład żelazian potasu (VI) (K): K 2 FeO 4. Istnieją doniesienia o wytwarzaniu się związków żelaza (VIII) pod wpływem silnych utleniaczy.
Do wykrywania związków żelaza (III) w roztworze stosuje się jakościową reakcję jonów Fe 3+ z jonami tiocyjanianowymi CNS. Kiedy jony Fe 3+ oddziałują z anionami OUN, powstaje jasnoczerwony tiocyjanian żelaza Fe(CNS) 3. Kolejnym odczynnikiem dla jonów Fe 3+ jest heksacyjanożelazian potasu (II) (K): K 4 (wcześniej substancję tę nazywano żółtą solą krwi). Kiedy jony Fe 3+ i 4 oddziałują ze sobą, tworzy się jasnoniebieski osad.
Roztwór heksacyjanożelazianu (III) (K) K3, dawniej zwanego solą czerwonej krwi, może służyć jako odczynnik dla jonów Fe 2+ w roztworze. Kiedy jony Fe 3+ i 3 oddziałują, powstaje jasnoniebieski osad o takim samym składzie, jak w przypadku oddziaływania jonów Fe 3+ i 4.
Stopy żelaza i węgla:żelazo stosuje się głównie w stopach, głównie stopach węgla (C), różnych żeliwach i stalach. W żeliwie zawartość węgla jest wyższa niż 2,14% wag. (zwykle na poziomie 3,5-4%), w stali zawartość węgla jest niższa (zwykle na poziomie 0,8-1%).
Żeliwo produkowane jest w wielkich piecach. Wielki piec to gigantyczny (do 30-40 m wysokości) ścięty stożek, pusty w środku. Ściany wewnętrzne wielkiego pieca wyłożone są cegłami ogniotrwałymi, a grubość muru wynosi kilka metrów. Z góry wzbogacona (uwolniona ze skały płonnej) ruda żelaza, koks redukujący (specjalne gatunki węgla poddawane koksowaniu - podgrzewane do temperatury około 1000 ° C bez dostępu powietrza), a także materiały hutnicze (wapień i inne), które promują separacji ładowane są do wielkiego pieca za pomocą wózków żużlowych z wytopionych zanieczyszczeń metalicznych. Strumień (czysty tlen (O) lub powietrze wzbogacone w tlen (O)) jest wprowadzany do wielkiego pieca od dołu. W miarę obniżania się materiałów ładowanych do wielkiego pieca ich temperatura wzrasta do 1200-1300°C. W wyniku reakcji redukcji zachodzących głównie z udziałem koksu C i CO:
Fe 2O 3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
Pojawia się żelazo metaliczne, które nasycone jest węglem (C) i spływa.
Stop ten jest okresowo uwalniany z wielkiego pieca przez specjalną otwieraną klatkę i stop jest pozostawiany do zestalenia w specjalnych postaciach. Żeliwo może być białe, tzw. surówka (wykorzystuje się je do produkcji stali) oraz szare, czyli żeliwo. Żeliwo białe to stały roztwór węgla (C) w żelazie. W mikrostrukturze żeliwa szarego można wyróżnić mikrokryształy grafitu. Ze względu na obecność grafitu żeliwo szare pozostawia ślad na białym papierze.
Żeliwo jest kruche i pęka pod wpływem uderzenia, dlatego nie można z niego wykonać sprężyn, resorów piórowych ani żadnych produktów wymagających zginania.
Żeliwo lite jest lżejsze od żeliwa stopionego, więc gdy stwardnieje, nie kurczy się (jak to zwykle bywa przy krzepnięciu metali i stopów), ale rozszerza się. Cecha ta umożliwia wykonanie różnorodnych odlewów z żeliwa, w tym wykorzystanie go jako materiału do odlewów artystycznych.
Jeśli zawartość węgla (C) w żeliwie zmniejszy się do 1,0-1,5%, wówczas powstanie stal. Stale mogą być węglowe (nie zawierają innych składników poza Fe i C) i stopowe (zawierają dodatki chromu (Cr), niklu (Ni), molibdenu (Mo), kobaltu (Co) i innych metali poprawiających właściwości mechaniczne i inne właściwości stali).
Stale produkuje się poprzez obróbkę żeliwa i złomu metalowego w konwertorze tlenowym, łuku elektrycznym lub piecach martenowskich. Przy takiej obróbce zawartość węgla (C) w stopie zostaje zmniejszona do wymaganego poziomu, a jak mówią, nadmiar węgla (C) zostaje spalony.
Właściwości fizyczne stali znacznie różnią się od właściwości żeliwa: stal jest elastyczna, można ją kuć i walcować. Ponieważ stal, w przeciwieństwie do żeliwa, kurczy się podczas krzepnięcia, powstałe odlewy stalowe poddawane są ściskaniu w walcarkach. Po walcowaniu puste przestrzenie i wgłębienia powstałe podczas krzepnięcia stopionego materiału znikają w objętości metalu.
Produkcja stali ma w Rosji długą i głęboką tradycję, a stal produkowana przez naszych hutników charakteryzuje się wysoką jakością.
Historia produkcji żelaza:żelazo odegrało i nadal odgrywa wyjątkową rolę w materialnej historii ludzkości. Pierwsze metaliczne żelazo, które wpadło w ręce człowieka, prawdopodobnie pochodziło z meteorytu. Rudy żelaza są szeroko rozpowszechnione i często spotykane nawet na powierzchni Ziemi, ale rodzime żelazo na powierzchni jest niezwykle rzadkie. Prawdopodobnie kilka tysięcy lat temu ktoś zauważył, że po spaleniu ognia w niektórych przypadkach zaobserwowano powstawanie żelaza z kawałków rudy, które przypadkowo trafiły do ognia. Kiedy płonie ogień, redukcja żelaza z rudy następuje w wyniku reakcji rudy zarówno bezpośrednio z węglem, jak i z tlenkiem węgla (II) CO powstającym podczas spalania. Możliwość uzyskania żelaza z rud znacznie ułatwiło odkrycie faktu, że podczas podgrzewania rudy węglem pojawia się metal, który można następnie dalej oczyszczać podczas kucia. Wydobywanie żelaza z rudy metodą dmuchania sera zostało wynalezione w Azji Zachodniej w II tysiącleciu p.n.e. Okres od IX do VII wieku p.n.e., kiedy wśród wielu plemion Europy i Azji rozwinęła się hutnictwo żelaza, nazwano epoką żelaza, która zastąpiła epokę brązu. Ulepszenia metod dmuchania (ciąg naturalny zastąpiono miechami) i zwiększenie wysokości kuźni (pojawiły się piece dolnoszybowe) doprowadziły do produkcji żeliwa, które zaczęto szeroko wytapiać w Europie Zachodniej od XIV wieku. Powstałe żeliwo przekształcono w stal. Od połowy XVIII wieku w procesie wielkopiecowym zamiast węgla drzewnego zaczęto stosować koks węglowy. Następnie znacznie udoskonalono metody otrzymywania żelaza z rud, a obecnie wykorzystuje się do tego celu specjalne urządzenia: wielkie piece, konwertory tlenowe, elektryczne piece łukowe.
Znalezienie w naturze:Żelazo jest dość rozpowszechnione w skorupie ziemskiej, stanowi około 4,1% masy skorupy ziemskiej (4. miejsce wśród wszystkich pierwiastków, 2. wśród metali). Znanych jest wiele rud i minerałów zawierających żelazo. Największe znaczenie praktyczne mają czerwone rudy żelaza (ruda hematytu, Fe 2 O 3; zawiera do 70% Fe), magnetyczne rudy żelaza (ruda magnetytu, Fe 3 O 4; zawiera 72,4% Fe), brązowe rudy żelaza (ruda hydrogoetytu НFeO 2 · N H 2 O), a także rudy żelaza drzewcowego (ruda syderytu, węglan żelaza, FeCO 3; zawiera około 48% Fe). W przyrodzie występują również duże złoża pirytu FeS2 (inne nazwy to piryt siarki, piryt żelaza, dwusiarczek żelaza i inne), ale rudy o wysokiej zawartości siarki nie mają jeszcze praktycznego znaczenia. Rosja zajmuje pierwsze miejsce na świecie pod względem zasobów rudy żelaza. Woda morska zawiera 1,10 5 1,10 8% żelaza.
Zastosowanie żelaza, jego stopów i związków: Czyste żelazo ma raczej ograniczone zastosowanie. Stosowany jest do produkcji rdzeni elektromagnesów, jako katalizator procesów chemicznych i do innych celów. Jednak stopy żelaza – żeliwo i stal – stanowią podstawę nowoczesnej technologii. Szeroko stosuje się również wiele związków żelaza. Zatem siarczan żelaza (III) stosuje się do uzdatniania wody, tlenki żelaza i cyjanek służą jako pigmenty w produkcji barwników i tak dalej.
Rola biologiczna:żelazo występuje w organizmach wszystkich roślin i zwierząt jako pierwiastek śladowy, czyli w bardzo małych ilościach (średnio około 0,02%). Jednakże bakterie żelazowe, które wykorzystują energię utleniania żelaza (II) do żelaza (III) do chemosyntezy, mogą gromadzić w swoich komórkach do 17-20% żelaza. Główną funkcją biologiczną żelaza jest udział w transporcie tlenu (O) i procesach oksydacyjnych. Żelazo pełni tę funkcję w ramach złożonych białek - hemoprotein, których grupą prostetyczną jest kompleks żelaza-porfiryny - hem. Do najważniejszych hemoprotein zaliczają się barwniki oddechowe: hemoglobina i mioglobina, uniwersalne nośniki elektronów w reakcjach oddychania komórkowego, utleniania i fotosyntezy, cytochromy, enzymy katalozowe i nadtlenkowe i inne. U niektórych bezkręgowców pigmenty oddechowe zawierające żelazo, heloerytryna i chlorokruoryna, mają inną strukturę niż hemoglobiny. Podczas biosyntezy hemoprotein żelazo przekazywane jest do nich z białka ferrytyny, które magazynuje i transportuje żelazo. Białko to, którego jedna cząsteczka zawiera około 4500 atomów żelaza, koncentruje się w wątrobie, śledzionie, szpiku kostnym i błonie śluzowej jelit ssaków i ludzi. Dzienne zapotrzebowanie człowieka na żelazo (6-20 mg) jest w dużej mierze pokrywane przez żywność (mięso, wątroba, jaja, chleb, szpinak, buraki i inne są bogate w żelazo). Ciało przeciętnego człowieka (masa ciała 70 kg) zawiera 4,2 g żelaza, 1 litr krwi zawiera około 450 mg. Kiedy w organizmie brakuje żelaza, rozwija się niedokrwistość gruczołowa, którą leczy się lekami zawierającymi żelazo. Suplementy żelaza są również stosowane jako ogólne środki wzmacniające. Nadmierna dawka żelaza (200 mg i więcej) może działać toksycznie. Żelazo jest również niezbędne do prawidłowego rozwoju roślin, dlatego też istnieją mikronawozy na bazie preparatów żelaza.
Rozważmy zależność niektórych właściwości atomów od budowy ich powłok elektronicznych. Zatrzymajmy się przede wszystkim na wzorach zmian promieni atomowych i jonowych.
Chmury elektronów nie mają ostro określonych granic. Dlatego koncepcja wielkości atomu nie jest ścisła. Ale jeśli wyobrazimy sobie atomy w kryształach prostej substancji w postaci kulek stykających się ze sobą, wówczas odległość między środkami sąsiednich kulek (to znaczy między jądrami sąsiednich atomów) można przyjąć równą dwukrotności promienia atom. Zatem najmniejsza odległość międzyjądrowa w kryształach miedzi jest równa; pozwala to przyjąć, że promień atomu miedzi jest równy połowie tej wartości, tj.
Zależność promieni atomowych od ładunku jądra atomu Z ma charakter okresowy. W ciągu jednego okresu wraz ze wzrostem Z pojawia się tendencja do zmniejszania się wielkości atomów, co szczególnie wyraźnie widać w krótkich okresach (promienie atomów podawane są w nm):
Wyjaśnia to rosnące przyciąganie elektronów z warstwy zewnętrznej do rdzenia w miarę wzrostu jego ładunku.
Wraz z rozpoczęciem budowy nowej warstwy elektronowej, bardziej oddalonej od jądra, czyli podczas przejścia do kolejnego okresu, zwiększają się promienie atomowe (porównaj np. promienie atomów fluoru i sodu). W rezultacie w obrębie podgrupy wraz ze wzrostem ładunku jądrowego zwiększają się rozmiary atomów. Podajmy jako przykład wartości promieni atomowych (w nm) pierwiastków niektórych głównych podgrup:
Elektrony warstwy zewnętrznej, które są najsłabiej związane z jądrem, mogą zostać oderwane od atomu i przyłączone do innych atomów, stając się częścią zewnętrznej warstwy tego ostatniego.
Atomy, które utraciły jeden lub więcej elektronów, stają się naładowane dodatnio, ponieważ ładunek jądra atomowego przekracza sumę ładunków pozostałych elektronów. Wręcz przeciwnie, atomy, które dodały dodatkowe elektrony, stają się naładowane ujemnie. Wytworzone naładowane cząstki nazywane są jonami.
Jony są oznaczone tymi samymi symbolami co atomy, wskazując ich ładunek w prawym górnym rogu: na przykład dodatni, potrójnie naładowany jon glinu jest oznaczony przez , ujemny, pojedynczo naładowany jon chloru jest oznaczony przez .
Utrata atomów elektronów prowadzi do zmniejszenia jego efektywnej wielkości, a dodanie nadmiaru elektronów prowadzi do wzrostu. Dlatego promień dodatnio naładowanego jonu (kationu) jest zawsze mniejszy, a promień ujemnie naładowanego nie (anionu) jest zawsze większy niż promień odpowiedniego elektrycznie obojętnego atomu. Zatem promień atomu potasu wynosi , a promień jonu, odpowiednio promienie atomu chloru i jonu, wynoszą 0,099 i . W tym przypadku promień jonu różni się tym silniej od promienia atomu, im większy jest ładunek jonu. Na przykład promienie atomu chromu i jonów wynoszą odpowiednio 0,127, 0,083 i .
W obrębie jednej podgrupy promienie jonów o tym samym ładunku rosną wraz ze wzrostem ładunku jądrowego. Ilustrują to następujące przykłady (promienie jonów podano w nm):
Ten wzór tłumaczy się wzrostem liczby warstw elektronowych i rosnącą odległością elektronów zewnętrznych od jądra.
