Thu được sắt nguyên chất về mặt hóa học. Tính chất vật lý của sắt và ứng dụng

Được con người biết đến từ thời cổ đại: các nhà khoa học cho rằng những đồ gia dụng cổ xưa làm từ vật liệu này có niên đại từ thiên niên kỷ thứ 4 trước Công nguyên.

Không thể tưởng tượng cuộc sống của con người mà không có sắt. Người ta tin rằng sắt được sử dụng cho mục đích công nghiệp thường xuyên hơn các kim loại khác. Các cấu trúc quan trọng nhất được làm từ nó. Sắt cũng được tìm thấy với số lượng nhỏ trong máu. Chính nội dung của yếu tố thứ 26 đã tạo nên màu đỏ của máu.

Tính chất vật lý của sắt

Sắt cháy trong khí oxi tạo thành oxit:

3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.

Khi đun nóng sắt có thể phản ứng với phi kim:

Ngoài ra ở nhiệt độ 700-900 °C nó phản ứng với hơi nước:

3Fe + 4H₂O = Fe₃O₄ + 4H₂.

Hợp chất sắt

Như đã biết, oxit sắt có các ion với hai trạng thái oxy hóa: +2 và + 3. Biết được điều này là cực kỳ quan trọng, vì các phản ứng định tính hoàn toàn khác nhau sẽ được thực hiện đối với các nguyên tố khác nhau.

Phản ứng định tính với sắt

Cần có một phản ứng định tính để có thể dễ dàng xác định sự có mặt của ion của chất này trong dung dịch hoặc tạp chất của chất khác. Chúng ta hãy xem xét các phản ứng định tính của sắt hóa trị hai và hóa trị ba.

Phản ứng định tính với sắt (III)

Hàm lượng ion sắt trong dung dịch có thể được xác định bằng kiềm. Nếu kết quả dương tính, một bazơ được hình thành - sắt (III) hydroxit Fe(OH)₃.


Sắt (III) hydroxit Fe(OH)₃

Chất thu được không tan trong nước và có màu nâu. Kết tủa màu nâu có thể cho thấy sự có mặt của ion sắt trong dung dịch:

FeCl₃ + 3NaOH = Fe(OH)₃↓+ 3NaCl.

Các ion Fe(III) cũng có thể được xác định bằng K₃.

Dung dịch sắt clorua được trộn với dung dịch muối máu màu vàng nhạt. Kết quả là bạn có thể thấy kết tủa màu xanh lam đẹp mắt, điều này cho thấy trong dung dịch có các ion sắt. Bạn sẽ tìm thấy những thí nghiệm ngoạn mục để nghiên cứu các tính chất của sắt.

Phản ứng định tính với sắt (II)

Ion Fe²⁺ phản ứng với muối máu đỏ K₄. Nếu kết tủa màu hơi xanh hình thành khi thêm muối thì các ion này có trong dung dịch.


(còn gọi là sắt thiên thạch, chứa hơn 90% Fe). Trong các hợp chất có oxy và các nguyên tố khác, nó phân bố rộng rãi trong nhiều khoáng chất và quặng. Nó là nguyên tố phổ biến thứ ba trong vỏ trái đất (5,00%) (sau silicon và nhôm); Người ta tin rằng lõi trái đất bao gồm chủ yếu là sắt. Khoáng sản chính là hematit (quặng sắt đỏ) Fe 2 O 3; limonit Fe 2 O 3 ·nH 2 O (n = 1 - 4), ví dụ, có trong quặng đầm lầy; magnetit (quặng sắt từ) Fe 3 O 4 và siderit FeCO 3 . Khoáng sắt phổ biến nhất, mặc dù không phải là nguồn sản xuất ra nó, là pyrit (lưu huỳnh pyrit, pyrit sắt) FeS 2, đôi khi được gọi là vàng ngu hoặc vàng mèo vì ánh vàng của nó, mặc dù trên thực tế nó thường chứa một lượng nhỏ tạp chất đồng , vàng, coban và các kim loại khác.

ĐẶC TÍNH CỦA SẮT
Số nguyên tử 26
Khối lượng nguyên tử 55,847
Đồng vị:
ổn định 54, 56, 57, 58
không ổn định 52, 53, 55, 59
Điểm nóng chảy, °C 1535
Điểm sôi, °C 3000
Mật độ, g/cm3 7,87
Độ cứng (Mohs) 4,0-5,0
Hàm lượng trong vỏ trái đất, % (khối lượng.) 5,00
Trạng thái oxy hóa:
đặc trưng +2, +3
ý nghĩa khác +1, +4, +6

Câu chuyện

Sắt (nguyên tố) đã được biết đến và sử dụng từ thời tiền sử. Những đồ vật bằng sắt đầu tiên có lẽ được làm từ sắt thiên thạch dưới dạng bùa hộ mệnh, đồ trang sức và công cụ lao động. Khoảng 3.500 năm trước, con người đã phát hiện ra cách biến đất đỏ chứa oxit sắt thành kim loại. Kể từ đó, một số lượng lớn các sản phẩm khác nhau đã được làm từ sắt. Nó đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển văn hóa vật chất của nhân loại. Ngày nay, sắt chủ yếu được nung chảy (95%) từ quặng ở dạng gang và thép và thu được với số lượng tương đối nhỏ bằng cách khử các viên kim loại, và sắt nguyên chất thu được bằng cách phân hủy nhiệt các hợp chất của nó hoặc điện phân muối. .

Của cải

Sắt kim loại là chất dẻo, màu trắng xám, sáng bóng, cứng. Sắt kết tinh ở ba dạng biến đổi (α, γ, δ). α-Fe có mạng tinh thể lập phương tập trung vào vật thể, ổn định về mặt hóa học ở nhiệt độ lên tới 910°C. Ở 910°C, α-Fe chuyển hóa thành γ-Fe, ổn định trong khoảng 910-1400°C; γ-Fe kết tinh thành mạng tinh thể lập phương tâm mặt. Ở nhiệt độ trên 1400°C, δ-Fe được hình thành với mạng về cơ bản tương tự như mạng α-Fe. Sắt có tính sắt từ, dễ bị nhiễm từ nhưng mất đi tính chất từ ​​khi mất từ ​​trường. Khi nhiệt độ ngày càng tăng, tính chất từ ​​của sắt suy giảm và trên 769°C thì thực tế không thể từ hóa được (đôi khi sắt ở khoảng 769-910°C được gọi là -Fe); γ-Fe không phải là vật liệu từ tính.

Cách sử dụng

Sắt- một trong những kim loại dễ sử dụng nhất trong hợp kim với cacbon (thép, gang) - nền tảng có độ bền cao cho vật liệu kết cấu. Là một vật liệu có đặc tính từ tính, sắt được sử dụng làm lõi của nam châm điện và phần ứng của máy điện, cũng như các lớp và màng trên băng từ. Sắt nguyên chất là chất xúc tác trong các quá trình hóa học và là thành phần của các loại thuốc trong y học.

Sắt là thành phần hóa học của cơ thể

Sắt là thành phần hóa học thiết yếu của nhiều động vật có xương sống, động vật không xương sống và một số thực vật. Nó là một phần của heme (sắc tố hồng cầu - hồng cầu) huyết sắc tố trong máu, mô cơ, tủy xương, gan và lá lách. Mỗi phân tử hemoglobin chứa 4 nguyên tử sắt, có khả năng tạo liên kết thuận nghịch và yếu với oxy, tạo thành oxyhemoglobin. Máu chứa oxyhemoglobin lưu thông khắp cơ thể, cung cấp oxy cho các mô để hô hấp tế bào. Vì vậy, sắt cần thiết cho quá trình hô hấp và hình thành hồng cầu. Myoglobin (hoặc huyết sắc tố cơ) cung cấp oxy cho cơ bắp. Tổng lượng sắt trong cơ thể con người (cân nặng trung bình 70 kg) là 3-5 g, trong đó 65% Fe có trong huyết sắc tố. Cần 10 đến 20 mg Fe mỗi ngày để hỗ trợ quá trình trao đổi chất bình thường của người trưởng thành trung bình. Thịt đỏ, trứng, lòng đỏ, cà rốt, trái cây, bất kỳ loại lúa mì và rau xanh nào chủ yếu cung cấp cho cơ thể chất sắt trong chế độ ăn uống bình thường; Đối với bệnh thiếu máu liên quan đến việc thiếu chất sắt trong cơ thể, hãy bổ sung sắt.

Sắt là một hóa chất yếu tố

Từ quan điểm hóa học, sắt là một kim loại khá hoạt động, thể hiện các trạng thái oxy hóa đặc trưng là +2, +3, ít gặp hơn là +1, +4, +6. Nó kết hợp trực tiếp với một số nguyên tố, với S tạo thành FeS - sắt(III) sunfua, với các halogen, trừ iốt, - các halogenua sắt(III), như FeCl3. Dễ bị oxy hóa; với oxy tạo ra các oxit FeO, Fe 2 O 3, Fe 3 O 4 (FeO + Fe 2 O 3), dễ bị ăn mòn (gỉ sét). Loại bỏ hydro khỏi hơi nước ở nhiệt độ cao. Nó hòa tan trong các axit loãng (ví dụ HCl, H 2 SO 4, HNO 3), thay thế hydro và tạo thành muối Fe(II) (tương ứng là FeCl 2, FeSO 4, Fe(NO 3) 2). Trong H 2 SO 4 và HNO 3 đậm đặc vừa phải, sắt hòa tan tạo thành muối Fe(III), còn ở nồng độ cao, nó bị thụ động và không phản ứng. Tính thụ động của sắt rõ ràng được giải thích bằng sự hình thành màng oxit sắt trên bề mặt của nó, tuy nhiên, màng này dễ bị phá hủy bằng cách cạo đơn giản.

Ăn mòn sắt

Rỉ sắt (ăn mòn sắt trong khí quyển)- đây là quá trình oxy hóa của nó bằng oxy trong khí quyển. Phản ứng xảy ra với sự có mặt của các ion muối hòa tan trong nước và các ion được hình thành trong quá trình phân ly axit carbonic, một sản phẩm của sự tương tác giữa carbon dioxide trong khí quyển và độ ẩm. Kết quả là hình thành rỉ sét đỏ hoặc oxit ngậm nước có thành phần Fe 2 O 3 nH 2 O.

Kết nối

Kết nối phức tạp

Nguyên tố hóa học và vật liệu
nguyên tố hóa học

Brazhnikova Alla Mikhailovna,

Trường THCS GBOU số 332

Quận Nevsky của St. Petersburg

Sách hướng dẫn này kiểm tra các câu hỏi về chủ đề “Hóa học sắt”. Ngoài những vấn đề lý luận truyền thống, những vấn đề vượt ra ngoài mức độ cơ bản cũng được xem xét. Bao gồm các câu hỏi để tự kiểm soát, giúp học sinh kiểm tra mức độ nắm vững tài liệu giáo dục liên quan để chuẩn bị cho Kỳ thi Thống nhất.

CHƯƠNG 1. SẮT - CHẤT ĐƠN GIẢN.

Cấu trúc của nguyên tử sắt .

Sắt là nguyên tố d, nằm trong phân nhóm thứ cấp của nhóm VIII của bảng tuần hoàn. Kim loại phổ biến nhất trong tự nhiên sau đó nhôm Nó là một phần của nhiều khoáng chất: quặng sắt nâu (hematit) Fe 2 O 3, quặng sắt từ tính (magnetit) Fe 3 O 4, pyrit FeS 2.

Cấu trúc điện tử : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

hóa trị : II, III, (IV).

Trạng thái oxy hóa: 0, +2, +3, +6 (chỉ có ở ferrat K 2 FeO 4).

Tính chất vật lý.

Sắt là kim loại có màu trắng bạc, sáng bóng. - 1539 0 C.

Biên lai.

Sắt nguyên chất có thể thu được bằng cách khử oxit bằng hydro khi đun nóng, cũng như bằng cách điện phân dung dịch muối của nó. Quy trình lò cao - sản xuất sắt ở dạng hợp kim với cacbon (gang và thép):

1) 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO → 3FeO + CO 2

3) FeO + CO → Fe + CO 2

Tính chất hóa học.

I. Tương tác với các chất đơn giản - phi kim loại

1) Với clo và lưu huỳnh (khi đun nóng). Chất oxy hóa mạnh hơn là clo sẽ oxy hóa sắt thành Fe 3+, còn chất oxy hóa yếu hơn là clo sẽ oxy hóa sắt thành Fe 2+:

2Fe 2 + 3Cl → 2FeCl 3

2) Với than đá, silicon và phốt pho (ở nhiệt độ cao).

3) Trong không khí khô, nó bị oxy hóa bởi oxy, tạo thành cặn - hỗn hợp các oxit sắt (II) và (III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3)

II. Tương tác với các chất phức tạp.

1) Ăn mòn (rỉ sét) sắt xảy ra trong không khí ẩm:

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

Ở nhiệt độ cao (700 - 900 0 C) khi không có oxy, sắt phản ứng với hơi nước, đẩy hydro ra khỏi nó:

3Fe+ 4H 2 O→ Fe 3 O 4 + 4H 2

2) Loại bỏ hydro khỏi axit clohydric và axit sunfuric loãng:

Fe+ 2HCl= FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 (pha loãng) = FeSO 4 + H 2

Axit sulfuric và nitric đậm đặc không phản ứng với sắt ở nhiệt độ bình thường do tính thụ động của nó.

Với axit nitric loãng, sắt bị oxy hóa thành Fe 3+, sản phẩm khử của HNO 3 phụ thuộc vào nồng độ và nhiệt độ:

8Fe + 30HNO 3(siêu loãng) →8Fe(NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O

Fe + 4HNO 3(pha loãng) → Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Fe + 6HNO 3(kết hợp) → (nhiệt độ) Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

3) Phản ứng với dung dịch muối kim loại nằm ở bên phải của sắt trong dãy điện hóa của các điện thế kim loại:

Fe + CuSO 4 → Fe SO 4 + Cu

CHƯƠNG2. HỢP CHẤT SẮT (II).

Sắt ô-xít(II) .

Oxit FeO là chất bột màu đen, không tan trong nước.

Biên lai.

Khử oxit sắt (III) ở 500 0 C dưới tác dụng của cacbon monoxit (II):

Fe 2 O 3 + CO→2FeO+ CO 2

Tính chất hóa học.

Oxit bazơ, tương ứng với Fe(OH) 2 hydroxit: tan trong axit tạo thành muối sắt (II):

FeO+ 2HCl→ FeCl 2 + H 2 O

Sắt hydroxit (II).

Sắt hydroxit Fe(OH) 2 là một bazơ không tan trong nước.

Biên lai.

Tác dụng của chất kiềm đối với muối sắt () khi không có không khí:

FeSO 4 + NaOH → Fe(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4

Tính chất hóa học.

Fe(OH)2 hydroxit thể hiện tính chất bazơ và hòa tan cao trong axit khoáng, tạo thành muối.

Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 →FeSO 4 + 2H 2 O

Khi đun nóng, nó bị phân hủy:

Fe(OH) 2 → (nhiệt độ) FeO+ H 2 O

Tính chất oxi hóa khử.

Các hợp chất sắt (II) có tính khử khá mạnh và chỉ ổn định trong môi trường trơ; trong không khí (chậm) hoặc trong dung dịch nước dưới tác dụng của các tác nhân oxy hóa (nhanh) chúng chuyển hóa thành hợp chất sắt (III):

4 Fe(OH) 2 (kết tủa)+ O 2 + 2H 2 O→ 4 Fe(OH) 3 ↓

2FeCl 2 + Cl 2 → 2FeCl 3

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 → 5 Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O

Các hợp chất sắt (II) cũng có thể đóng vai trò là tác nhân oxy hóa:

FeO+ CO→ (nhiệt độ) Fe+ CO

CHƯƠNG 3. HỢP CHẤT SẮT (III).

Sắt ô-xít(III)

Oxit Fe 2 O 3 là hợp chất sắt chứa oxy tự nhiên ổn định nhất. Là oxit lưỡng tính, không tan trong nước. Nó được hình thành khi nung pyrit FeS2 (xem phần 20.4 “Thu được SO 2”.

Tính chất hóa học.

1) Tan trong axit tạo thành muối sắt (III):

Fe 2 O 3 + 6HCl→ 2FeCl 3 + 3H 2 O

2) Khi kết hợp với kali cacbonat, nó tạo thành kali ferit:

Fe 2 O 3 + K 2 CO 3 → (nhiệt độ) 2KFeO 2 + CO 2

3) Dưới tác dụng của chất khử, nó đóng vai trò là chất oxy hóa:

Fe 2 O 3 + 3H 2 → (nhiệt độ) 2Fe+ 3H 2 O

Sắt hydroxit (III)

Sắt hydroxit Fe(OH) 3 là chất màu nâu đỏ, không tan trong nước.

Biên lai.

Fe 2 (SO 4) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

Tính chất hóa học.

Fe(OH) 3 hydroxit là bazơ yếu hơn sắt (II) hydroxit và có tính lưỡng tính yếu.

1) Hòa tan trong axit yếu:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

2) Khi đun sôi trong dung dịch NaOH 50%, nó tạo thành

Fe(OH) 3 + 3NaOH → Na 3

Muối sắt (III).

Bị thủy phân mạnh trong dung dịch nước:

Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2+ + H +

Fe 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O ↔ Fe(OH)SO 4 + H 2 SO 4

Khi tiếp xúc với chất khử mạnh trong dung dịch nước, chúng biểu hiện Tính oxy hóa, chuyển thành muối sắt (II):

2FeCl3 + 2KI → 2FeCl2 + I2 + 2KCl

Fe 2 (SO 4) 3 + Fe → 3 Fe

CHƯƠNG4. PHẢN ỨNG CHẤT LƯỢNG.

Phản ứng định tính với ion Fe 2+ và Fe 3+.

  1. Thuốc thử cho ion Fe 2+ là kali hexacyanoferrate (III) (muối máu đỏ), tạo ra kết tủa màu xanh đậm của hỗn hợp muối - kali sắt (II) hexacyanoferrate (III) hoặc Màu xanh lam:

FeCl2 + K 3 → KFe 2+ ↓ + 2KCl

  1. Thuốc thử cho ion Fe 3+ là ion thiocyanate (ion rodanide) CNS -, tương tác của nó với muối sắt (III) tạo ra chất màu đỏ như máu - sắt (III) thiocyanate:

FeCl 3 + 3KCNS→ Fe(CNS) 3 + 3KCl

3) Các ion Fe 3+ cũng có thể được phát hiện bằng cách sử dụng kali hexacyanoferrate (II) (muối máu màu vàng). Trong trường hợp này, một chất không tan trong nước có màu xanh đậm được hình thành - kali sắt (III) hexacyanoferrate (II) hoặc Phổ màu xanh:

FeCl3 + K 4 → KFe 3+ ↓ + 3KCl

CHƯƠNG 5. TẦM QUAN TRỌNG VỀ Y TẾ VÀ SINH HỌC CỦA SẮT.

Vai trò của sắt trong cơ thể.

Sắt tham gia vào quá trình hình thành huyết sắc tố trong máu, tổng hợp hormone tuyến giáp và bảo vệ cơ thể khỏi vi khuẩn. Nó cần thiết cho sự hình thành các tế bào bảo vệ miễn dịch và cần thiết cho “hoạt động” của vitamin B.

Sắt là một phần của hơn 70 enzyme khác nhau, bao gồm cả enzyme hô hấp, đảm bảo quá trình hô hấp trong tế bào và mô, đồng thời tham gia vào quá trình trung hòa các chất lạ xâm nhập vào cơ thể con người.

Tạo máu. Huyết sắc tố.

Trao đổi khí ở phổi và các mô.

Thiếu máu thiếu sắt.

Thiếu sắt trong cơ thể dẫn đến các bệnh như thiếu máu, thiếu máu.

Thiếu máu thiếu sắt (IDA) là một hội chứng huyết học được đặc trưng bởi sự suy giảm tổng hợp huyết sắc tố do thiếu sắt và biểu hiện bằng thiếu máu và giảm sideropenia. Nguyên nhân chính của IDA là mất máu và thiếu thức ăn, đồ uống giàu heme.

Bệnh nhân có thể cảm thấy mệt mỏi, khó thở và đánh trống ngực, đặc biệt là sau khi hoạt động thể chất, thường chóng mặt và đau đầu, có tiếng ồn trong tai và thậm chí có thể ngất xỉu. Người bệnh trở nên cáu kỉnh, giấc ngủ bị xáo trộn và khả năng tập trung giảm sút. Vì lưu lượng máu đến da giảm nên độ nhạy cảm với lạnh có thể tăng lên. Các triệu chứng cũng phát sinh từ đường tiêu hóa - giảm cảm giác thèm ăn, rối loạn khó tiêu (buồn nôn, thay đổi tính chất và tần suất đi tiêu).

Sắt là một phần không thể thiếu của các phức hợp sinh học quan trọng, chẳng hạn như huyết sắc tố (vận chuyển oxy và carbon dioxide), myoglobin (lưu trữ oxy trong cơ bắp), cytochromes (enzym). Cơ thể người trưởng thành chứa 4-5 g sắt.

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ĐƯỢC SỬ DỤNG:

  1. K.N. Zelenin, V.P. Sergutin, O.V. Malt “Chúng tôi vượt qua kỳ thi hóa học một cách hoàn hảo.” Elbl-SPb LLC, 2001.
  2. K.A. Makarov "Hóa học y tế". Nhà xuất bản của Đại học Y khoa bang St. Petersburg ở St. Petersburg, 1996.
  3. N.L. Glinka "Hóa học đại cương". Leningrad "Hóa học", 1985.
  4. V.N. Doronkin, A.G. Berezhnaya, T.V. Sazhneva, V.A. Tháng Haiev “Hóa học. Các bài kiểm tra chuyên đề để chuẩn bị cho Kỳ thi Thống nhất." Nhà xuất bản "Quân đoàn", Rostov-on-Don, 2012.

Cơ thể con người chứa khoảng 5 g sắt, phần lớn (70%) là một phần của huyết sắc tố.

Tính chất vật lý

Ở trạng thái tự do, sắt là kim loại có màu trắng bạc pha chút xám. Sắt nguyên chất dễ uốn và có tính chất sắt từ. Trong thực tế, hợp kim sắt - gang và thép - thường được sử dụng.


Fe là nguyên tố quan trọng nhất và phong phú nhất trong chín kim loại d thuộc phân nhóm VIII. Cùng với coban và niken, nó tạo thành “gia đình sắt”.


Khi tạo hợp chất với các nguyên tố khác, nó thường sử dụng 2 hoặc 3 electron (B=II, III).


Sắt, giống như hầu hết các nguyên tố d thuộc nhóm VIII, không có hóa trị cao hơn số nhóm. Hóa trị tối đa của nó đạt tới VI và cực kỳ hiếm khi xuất hiện.


Các hợp chất điển hình nhất là những hợp chất trong đó nguyên tử Fe ở trạng thái oxy hóa +2 và +3.


Các phương pháp thu được sắt

1. Sắt kỹ thuật (hợp kim với cacbon và các tạp chất khác) thu được bằng cách khử cacbon nhiệt các hợp chất tự nhiên của nó theo sơ đồ sau:




Quá trình phục hồi diễn ra dần dần, theo 3 giai đoạn:


1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2


2) Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2


3) FeO + CO = Fe + CO 2


Gang thu được từ quá trình này chứa hơn 2% cacbon. Sau đó, gang được sử dụng để sản xuất thép - hợp kim sắt chứa ít hơn 1,5% cacbon.


2. Sắt rất tinh khiết có thể thu được bằng một trong những cách sau:


a) Phân hủy Fe pentacarbonyl


Fe(CO) 5 = Fe + 5СО


b) Khử FeO tinh khiết bằng hydro


FeO + H 2 = Fe + H 2 O


c) Điện phân dung dịch muối Fe+2


FeC 2 O 4 = Fe + 2CO 2

sắt(II) oxalat

Tính chất hóa học

Fe là kim loại có hoạt tính trung bình và có những tính chất chung đặc trưng của kim loại.


Một tính năng độc đáo là khả năng "rỉ sét" trong không khí ẩm:



Khi thiếu độ ẩm với không khí khô, sắt chỉ bắt đầu phản ứng rõ rệt ở nhiệt độ T > 150°C; khi nung, “cặn sắt” Fe 3 O 4 được hình thành:


3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4


Sắt không tan trong nước khi thiếu oxy. Ở nhiệt độ rất cao, Fe phản ứng với hơi nước, đẩy hydro ra khỏi phân tử nước:


3 Fe + 4H 2 O(g) = 4H 2


Cơ chế rỉ sét là ăn mòn điện hóa. Sản phẩm rỉ sét được trình bày dưới dạng đơn giản hóa. Trên thực tế, một lớp hỗn hợp oxit và hydroxit có thành phần thay đổi được hình thành. Không giống như màng Al 2 O 3, lớp này không bảo vệ sắt khỏi bị phá hủy thêm.

Các loại ăn mòn


Bảo vệ sắt khỏi bị ăn mòn


1. Tương tác với halogen và lưu huỳnh ở nhiệt độ cao.

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3


2Fe + 3F2 = 2FeF3



Fe + I2 = FeI2



Hợp chất được hình thành trong đó liên kết ion chiếm ưu thế.

2. Tương tác với phốt pho, cacbon, silic (sắt không kết hợp trực tiếp với N2 và H2 mà hòa tan chúng).

Fe + P = Fe x P y


Fe + C = Fe x C y


Fe + Si = Fe x Si y


Các chất có thành phần thay đổi được hình thành, chẳng hạn như berthollide (bản chất cộng hóa trị của liên kết chiếm ưu thế trong các hợp chất)

3. Tương tác với axit “không oxy hóa” (HCl, H 2 SO 4 dil.)

Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2


Vì Fe nằm trong chuỗi hoạt động bên trái của hydro (E° Fe/Fe 2+ = -0,44 V), nên nó có khả năng thay thế H 2 khỏi các axit thông thường.


Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2


Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2

4. Tương tác với axit “oxy hóa” (HNO 3, H 2 SO 4 conc.)

Fe 0 - 3e - → Fe 3+


Sắt HNO 3 và H 2 SO 4 đậm đặc “thụ động” nên ở nhiệt độ thường kim loại không tan trong chúng. Khi đun nóng mạnh, sự hòa tan chậm xảy ra (không giải phóng H 2).


trong phần Sắt HNO 3 hòa tan, đi vào dung dịch ở dạng cation Fe 3+ và anion axit bị khử thành NO*:


Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O


Tan tốt trong hỗn hợp HCl và HNO 3

5. Liên quan đến chất kiềm

Fe không tan trong dung dịch kiềm. Nó chỉ phản ứng với kiềm nóng chảy ở nhiệt độ rất cao.

6. Tương tác với muối của kim loại kém hoạt động hơn

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu


Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0

7. Phản ứng với khí cacbon monoxit (t = 200°C, P)

Fe (bột) + 5CO (g) = Fe 0 (CO) 5 sắt pentacarbonyl

Hợp chất Fe(III)

Fe 2 O 3 - sắt (III) oxit.

Bột màu nâu đỏ, n. R. trong H 2 O. Trong tự nhiên - "quặng sắt đỏ".

Các phương pháp thu được:

1) phân hủy sắt (III) hydroxit


2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O


2) nung pyrit


4FeS 2 + 11O 2 = 8SO 2 + 2Fe 2 O 3


3) phân hủy nitrat


Tính chất hóa học

Fe 2 O 3 là một oxit bazơ có tính lưỡng tính.


I. Các tính chất chính thể hiện ở khả năng phản ứng với axit:


Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZH 2 O


Fe 2 O 3 + 6HCI = 2FeCI 3 + 3H 2 O


Fe 2 O 3 + 6HNO 3 = 2Fe(NO 3) 3 + 3H 2 O


II. Tính axit yếu. Fe 2 O 3 không hòa tan trong dung dịch kiềm, nhưng khi nung chảy với các oxit rắn, kiềm và cacbonat, ferrit tạo thành:


Fe 2 O 3 + CaO = Ca(FeO 2) 2


Fe 2 O 3 + 2NaOH = 2NaFeO 2 + H 2 O


Fe 2 O 3 + MgCO 3 = Mg(FeO 2) 2 + CO 2


III. Fe 2 O 3 - nguyên liệu sản xuất sắt trong luyện kim:


Fe 2 O 3 + ZS = 2Fe + ZSO hoặc Fe 2 O 3 + ZSO = 2Fe + ZSO 2

Fe(OH) 3 - sắt (III) hydroxit

Các phương pháp thu được:

Thu được do tác dụng của kiềm với muối Fe 3+ hòa tan:


FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3 + 3NaCl


Tại thời điểm điều chế, Fe(OH) 3 là chất cặn vô định hình, nhầy màu nâu đỏ.


Fe(III) hydroxit cũng được hình thành trong quá trình oxy hóa Fe và Fe(OH) 2 trong không khí ẩm:


4Fe + 6H 2 O + 3O 2 = 4Fe(OH) 3


4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3


Fe(III) hydroxit là sản phẩm cuối cùng của quá trình thủy phân muối Fe 3+.

Tính chất hóa học

Fe(OH) 3 là một bazơ rất yếu (yếu hơn nhiều so với Fe(OH) 2). Hiển thị tính chất axit đáng chú ý. Như vậy Fe(OH) 3 có tính chất lưỡng tính:


1) phản ứng với axit xảy ra dễ dàng:



2) Kết tủa mới Fe(OH) 3 hòa tan trong dung dịch nóng. dung dịch KOH hoặc NaOH có tạo thành phức hydroxo:


Fe(OH) 3 + 3KOH = K 3


Trong dung dịch kiềm, Fe(OH) 3 có thể bị oxy hóa thành ferrat (muối của axit sắt H 2 FeO 4 không giải phóng ở trạng thái tự do):


2Fe(OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O

muối Fe3+

Quan trọng nhất trong thực tế là: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe(NO 3) 3, Fe(SCN) 3, K 3 4 - muối máu màu vàng = Fe 4 3 Màu xanh Phổ (kết tủa màu xanh đậm)


b) Fe 3+ + 3SCN - = Fe(SCN) 3 thiocyanate Fe(III) (dung dịch màu đỏ máu)

Sự định nghĩa. Câu chuyện. Địa hóa học. Tính chất của sắt. Nơi sinh. Các tính chất vật lý và hóa học. Kết nối. Sử dụng sắt.

Sắt

Sắt là nguyên tố thuộc nhóm thứ tám (theo phân loại cũ, phân nhóm thứ cấp của nhóm thứ tám) thuộc chu kỳ thứ tư của bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học. I. Mendeleev có số hiệu nguyên tử 26. Ký hiệu bằng ký hiệu Fe(lat. Ferrum). Một trong những kim loại phổ biến nhất trong vỏ trái đất (vị trí thứ hai sau nhôm).
Sắt chất đơn giản (số CAS: 7439-89-6) là kim loại dẻo, màu trắng bạc, có khả năng phản ứng hóa học cao: sắt nhanh chóng bị ăn mòn ở nhiệt độ cao hoặc độ ẩm cao trong không khí. Sắt cháy trong oxy nguyên chất và ở trạng thái phân tán mịn, nó tự bốc cháy trong không khí.
Trên thực tế, sắt thường được gọi là hợp kim của nó với hàm lượng tạp chất thấp (lên tới 0,8%), vẫn giữ được độ mềm và độ dẻo của kim loại nguyên chất. Nhưng trong thực tế, hợp kim của sắt với carbon thường được sử dụng nhiều hơn: thép (lên tới 2,14 wt.% carbon) và gang (hơn 2,14 wt.% carbon), cũng như thép không gỉ (hợp kim) có thêm hợp kim. kim loại (crom, mangan, niken, v.v.). Sự kết hợp các đặc tính cụ thể của sắt và hợp kim của nó khiến nó trở thành “kim loại số 1” có tầm quan trọng đối với con người.
Trong tự nhiên, sắt hiếm khi được tìm thấy ở dạng nguyên chất mà thường được tìm thấy trong các thiên thạch sắt-niken. Hàm lượng sắt trong vỏ trái đất là 4,65% (đứng thứ 4 sau O, Si, Al). Sắt cũng được cho là chiếm phần lớn lõi trái đất.

Câu chuyện. Sắt, như một vật liệu làm công cụ, đã được biết đến từ thời cổ đại. Những đồ vật bằng sắt cổ nhất được tìm thấy trong các cuộc khai quật khảo cổ có niên đại từ thiên niên kỷ thứ 4 trước Công nguyên. đ. và thuộc về nền văn minh Sumer cổ đại và Ai Cập cổ đại. Chúng được làm từ sắt thiên thạch, tức là hợp kim của sắt và niken (hàm lượng của niken dao động từ 5 đến 30%), đồ trang sức từ các ngôi mộ Ai Cập (khoảng 3800 năm trước Công nguyên) và một con dao găm từ thành phố Ur của người Sumer (khoảng 30 năm trước Công nguyên). 3100 TCN). e.). Rõ ràng, một trong những tên gọi của sắt trong tiếng Hy Lạp và tiếng Latin bắt nguồn từ nguồn gốc thiên thể của sắt thiên thạch: “sider” (có nghĩa là “sao”).

Các sản phẩm làm từ sắt thu được bằng cách nấu chảy đã được biết đến kể từ khi các bộ lạc Aryan từ châu Âu đến châu Á định cư, các đảo ở Địa Trung Hải và xa hơn nữa (cuối thiên niên kỷ thứ 4 và thứ 3 trước Công nguyên. Các công cụ bằng sắt cổ xưa nhất được biết đến là những lưỡi thép được tìm thấy ở công trình bằng đá của kim tự tháp Cheops ở Ai Cập (được xây dựng vào khoảng năm 2530 trước Công nguyên). Các cuộc khai quật ở sa mạc Nubian cho thấy, vào thời điểm đó, người Ai Cập đã cố gắng tách vàng khai thác được khỏi cát magnetit nặng, nung quặng với cám và các chất tương tự có chứa kết quả là một lớp bột sắt nổi lên trên bề mặt vàng nóng chảy, được xử lý riêng biệt. Các công cụ được rèn từ loại sắt này, bao gồm cả những thứ được tìm thấy trong kim tự tháp Cheops. Tuy nhiên, sau cháu trai của Cheops là Menkaure (2471) -2465 TCN) ở Ai Cập, tình trạng hỗn loạn: giới quý tộc, dẫn đầu bởi các linh mục của thần Ra, đã lật đổ triều đại thống trị, và một bước nhảy vọt của những kẻ tiếm quyền bắt đầu, kết thúc bằng sự lên ngôi của pharaoh của triều đại tiếp theo, Userkar, người mà các linh mục tuyên bố mình là con trai và là hiện thân của chính thần Ra (kể từ đó điều này đã trở thành địa vị chính thức của các pharaoh). Trong thời kỳ hỗn loạn này, kiến ​​thức văn hóa và kỹ thuật của người Ai Cập rơi vào tình trạng suy giảm, và cũng giống như nghệ thuật xây dựng kim tự tháp suy thoái, công nghệ sản xuất sắt cũng bị thất truyền, đến mức sau này, khi khám phá Bán đảo Sinai để tìm kiếm đồng quặng, người Ai Cập không hề chú ý đến trữ lượng quặng sắt tồn tại ở đó và nhận sắt từ những người Hittite và Mitannians lân cận.
Là người đầu tiên nắm vững phương pháp luyện sắt của Hatti, điều này được thể hiện qua việc đề cập đến sắt lâu đời nhất (thiên niên kỷ thứ 2 trước Công nguyên) trong các văn bản của người Hittite, những người đã thành lập đế chế của họ trên lãnh thổ của người Hutts (Anatolia hiện đại ở Thổ Nhĩ Kỳ). Vì vậy, văn bản của vua Hittite Anitta (khoảng năm 1800 trước Công nguyên) nói:
Vào thời cổ đại, người Khalib được biết đến là bậc thầy về các sản phẩm sắt. Truyền thuyết về người Argonauts (chiến dịch của họ ở Colchis diễn ra khoảng 50 năm trước Chiến tranh thành Troy) kể rằng vua của Colchis, Eet, đã đưa cho Jason một chiếc cày sắt để anh ta có thể cày ruộng Ares và thần dân của anh ta, những người Calibres. , được mô tả:
Họ không cày đất, không trồng cây ăn trái, không chăn thả đàn gia súc trên những đồng cỏ trù phú; họ khai thác quặng và sắt từ vùng đất hoang hóa và trao đổi thực phẩm để lấy nó. Một ngày không bắt đầu với họ mà không làm việc chăm chỉ; họ dành cả ngày trong bóng tối của màn đêm và làn khói dày đặc...
Aristotle mô tả phương pháp sản xuất thép của họ: “Người Khalib đã rửa cát sông ở đất nước họ nhiều lần, từ đó giải phóng chất cô đặc đen (một phần nặng bao gồm chủ yếu là magnetit và hematit), và nấu chảy nó trong lò nung; Do đó, kim loại thu được có màu bạc và không gỉ.”
Cát magnetite được sử dụng làm nguyên liệu thô cho quá trình luyện thép, thường được tìm thấy dọc theo toàn bộ bờ Biển Đen: những cát magnetit này bao gồm hỗn hợp các hạt nhỏ magnetit, titan-magnetit hoặc ilmenit và các mảnh đá khác, vì vậy Thép do Khalibs luyện được hợp kim hóa và có những đặc tính tuyệt vời. Phương pháp thu được sắt độc đáo này cho thấy rằng người Khalibs chỉ sử dụng sắt như một vật liệu công nghệ, nhưng phương pháp của họ không thể là phương pháp sản xuất công nghiệp rộng rãi các sản phẩm sắt. Tuy nhiên, việc sản xuất của họ đóng vai trò là động lực cho sự phát triển hơn nữa của ngành luyện kim sắt.
Clement của Alexandria trong tác phẩm bách khoa "Stromata" có đề cập rằng theo truyền thuyết Hy Lạp, sắt (hình như được nấu chảy từ quặng) được phát hiện trên núi Ida - đó là tên của dãy núi gần thành Troy (trong Iliad nó được nhắc đến là núi Ida , từ đó Zeus theo dõi trận chiến giữa người Hy Lạp và quân Troy). Điều này xảy ra 73 năm sau trận lụt Deucalion, và trận lụt này, theo Biên niên sử Parian, diễn ra vào năm 1528 trước Công nguyên. e., tức là phương pháp luyện sắt từ quặng được phát hiện vào khoảng năm 1455 trước Công nguyên. đ. Tuy nhiên, từ mô tả của Clement, không rõ liệu ông đang nói về ngọn núi đặc biệt này ở Tây Á (Ida of Phrygia ở Virgil), hay về Núi Ida trên đảo Crete, mà nhà thơ La Mã Virgil viết trong Aeneid là tổ tiên. quê hương của người Trojan:
“Đảo Jupiter, Creta, nằm giữa biển rộng,
Bộ tộc của chúng tôi có cái nôi ở đó, nơi Ida trỗi dậy…”
Có nhiều khả năng là Clement của Alexandria đang nói cụ thể về Phrygian Ida gần thành Troy, vì các mỏ sắt cổ và các trung tâm sản xuất sắt đã được tìm thấy ở đó. Bằng chứng bằng văn bản đầu tiên về sắt được tìm thấy trên các tấm đất sét từ kho lưu trữ của các pharaoh Ai Cập Amenhotep III và Akhenaten, có niên đại cùng thời điểm (1450-1400 trước Công nguyên). Nó đề cập đến việc sản xuất sắt ở phía nam Transcaucasia, mà người Hy Lạp gọi là Colchis (và có thể từ “kolhidos” có thể là một sửa đổi của từ “halibos”) - cụ thể là vua của đất nước Mitanni và người cai trị Armenia và Nam Transcaucasia đã gửi đến pharaoh Ai Cập Amenhotep II " cùng với 318 thê thiếp, dao găm và nhẫn làm bằng sắt tốt." Người Hittite cũng tặng những món quà tương tự cho các pharaoh.
Vào thời rất xa xưa, sắt có giá trị hơn vàng, và theo mô tả của Strabo, các bộ lạc châu Phi đã trả 10 pound vàng cho 1 pound sắt, và theo nghiên cứu của nhà sử học G. Areshyan, giá của đồng, bạc, vàng và sắt của người Hittite cổ đại có tỷ lệ 1: 160 : 1280: 6400. Vào thời đó, sắt được sử dụng làm kim loại trang sức, ngai vàng và các vương quyền khác của quyền lực hoàng gia đều được làm từ nó: ví dụ, cuốn sách Kinh thánh Phục truyền luật lệ ký 3.11 mô tả “chiếc giường sắt” của vua Rephaim Og.
Trong ngôi mộ của Tutankhamun (khoảng năm 1350 trước Công nguyên), người ta đã tìm thấy một con dao găm bằng sắt có khung bằng vàng, có thể là một món quà của người Hittite cho mục đích ngoại giao. Nhưng người Hittite đã không nỗ lực phổ biến rộng rãi sắt và các công nghệ của nó, như có thể thấy từ thư từ trao đổi giữa pharaoh Ai Cập Tutankhamun và cha vợ của ông ấy là Hattusil, vua của người Hittite. Pharaoh yêu cầu gửi thêm sắt, vua Hittite lảng tránh trả lời rằng trữ lượng sắt đã cạn kiệt, thợ rèn lại bận rộn với công việc đồng áng nên không thể thực hiện được yêu cầu của con rể hoàng gia mà chỉ gửi một con dao găm làm bằng “sắt tốt” (nghĩa là thép). Như bạn có thể thấy, người Hittite đã cố gắng sử dụng kiến ​​​​thức của mình để đạt được lợi thế quân sự và không cho người khác cơ hội bắt kịp họ. Rõ ràng, đây là lý do tại sao các sản phẩm sắt chỉ trở nên phổ biến sau Chiến tranh thành Troy và sự sụp đổ của quyền lực Hittite, khi nhờ hoạt động buôn bán của người Hy Lạp, công nghệ sắt được nhiều người biết đến, đồng thời các mỏ và mỏ sắt mới được phát hiện. Vì thế Thời đại “Đồng” được thay thế bằng Thời đại “Sắt”.
Theo mô tả của Homer, mặc dù trong Chiến tranh thành Troy (khoảng năm 1250 trước Công nguyên), vũ khí chủ yếu được làm bằng đồng và đồng thau, nhưng sắt đã được nhiều người biết đến và có nhu cầu lớn, mặc dù được coi là một kim loại quý hơn. Ví dụ, trong bài hát thứ 23 của Iliad, Homer nói rằng Achilles đã trao tặng một chiếc đĩa làm bằng sắt cho người chiến thắng trong cuộc thi ném đĩa. Người Achaeans khai thác loại sắt này từ người Trojan và các dân tộc lân cận (Iliad 7.473), bao gồm cả người Khalib.
Có lẽ sắt là một trong những lý do thúc đẩy người Hy Lạp Achaean chuyển đến Tiểu Á, nơi họ biết được bí mật sản xuất ra nó. Và các cuộc khai quật ở Athens cho thấy điều đó đã xảy ra vào khoảng năm 1100 trước Công nguyên. đ. và sau này kiếm sắt, giáo, rìu và thậm chí cả đinh sắt đã phổ biến rộng rãi. Sách Kinh thánh của Giô-suê 17:16 (xem Các quan xét 14:4) mô tả rằng người Philistines ("PILISTIM" trong Kinh thánh, và đây là những bộ lạc tiền Hy Lạp có liên quan đến người Hy Lạp sau này, chủ yếu là người Pelasgian) có nhiều xe ngựa bằng sắt, nghĩa là, vào thời điểm đó, sắt đã được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn.
Homer gọi sắt là khó vì vào thời cổ đại, phương pháp sản xuất chính của nó là quá trình thổi phô mai: các lớp quặng sắt và than xen kẽ được nung trong các lò đặc biệt (lò nung - từ “Sừng” cổ đại - sừng, ống, ban đầu nó là chỉ là một cái ống đào trên mặt đất, thường nằm ngang ở độ dốc của khe núi). Trong lò rèn, oxit sắt bị khử thành kim loại bằng than nóng, than này sẽ hấp thụ oxy, oxy hóa thành carbon monoxide, và kết quả của quá trình nung quặng bằng than là thu được sắt krichine (bọt biển) giống như bột. Kritsa được làm sạch xỉ bằng cách rèn, loại bỏ tạp chất bằng những cú đập búa mạnh. Những lò rèn đầu tiên có nhiệt độ tương đối thấp - thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ nóng chảy của gang, do đó loại sắt này có hàm lượng carbon tương đối thấp. Để có được thép bền, người ta phải nung và rèn lõi sắt bằng than nhiều lần, đồng thời lớp bề mặt của kim loại được bão hòa thêm cacbon và tăng cường. Đây là cách thu được "sắt tốt" - và mặc dù tốn nhiều công sức nhưng các sản phẩm thu được theo cách này bền hơn và cứng hơn đáng kể so với đồng.
Sau đó, họ học cách chế tạo những lò nung hiệu quả hơn (trong tiếng Nga - lò cao, domna) để sản xuất thép và sử dụng ống thổi để cung cấp không khí cho lò. Người La Mã đã biết cách đưa nhiệt độ trong lò nung chảy thép (khoảng 1400 độ, còn sắt nguyên chất nóng chảy ở 1535 độ). Điều này tạo ra gang có nhiệt độ nóng chảy 1100-1200 độ, rất giòn ở trạng thái rắn (thậm chí không thể rèn được) và không có độ đàn hồi như thép. Ban đầu nó được coi là một sản phẩm phụ có hại, nhưng sau đó người ta phát hiện ra rằng khi nấu chảy lại trong lò với lượng không khí thổi qua tăng lên, gang sẽ biến thành thép chất lượng tốt do lượng carbon dư thừa sẽ bị đốt cháy. Quy trình hai giai đoạn để sản xuất thép từ gang hóa ra đơn giản hơn và mang lại nhiều lợi nhuận hơn so với quy trình quan trọng và nguyên tắc này đã được sử dụng mà không có nhiều thay đổi trong nhiều thế kỷ, vẫn là phương pháp sản xuất vật liệu sắt chính cho đến ngày nay.

đồng vị

Sắt tự nhiên bao gồm 4 đồng vị ổn định: 54Fe (độ đồng vị 5,845%), 56Fe (91,754%), 57Fe (2,119%) và 58Fe (0,282%). Hơn 20 đồng vị không ổn định của sắt còn được biết đến với số khối từ 45 đến 72, trong đó ổn định nhất là 60Fe (chu kỳ bán rã theo số liệu cập nhật năm 2009 là 2,6 triệu năm), 55Fe (2,737 năm), 59Fe (44,495). ngày) và 52Fe (8,275 giờ); các đồng vị khác có chu kỳ bán rã dưới 10 phút.
Đồng vị sắt 56Fe là một trong những hạt nhân ổn định nhất: tất cả các nguyên tố sau có thể làm giảm năng lượng liên kết trên mỗi nucleon thông qua quá trình phân rã và về nguyên tắc, tất cả các nguyên tố trước đó có thể làm giảm năng lượng liên kết trên mỗi nucleon thông qua phản ứng tổng hợp. Người ta tin rằng sắt kết thúc chuỗi tổng hợp các nguyên tố trong lõi của các ngôi sao bình thường và tất cả các nguyên tố tiếp theo chỉ có thể được hình thành do vụ nổ siêu tân tinh.

Địa hóa sắt

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trong hệ mặt trời, đặc biệt là trên các hành tinh thuộc hệ đất đá, đặc biệt là trên Trái đất. Một phần đáng kể sắt của các hành tinh đất đá nằm ở lõi của các hành tinh, nơi hàm lượng của nó được ước tính là khoảng 90%. Hàm lượng sắt trong vỏ trái đất là 5% và trong lớp manti khoảng 12%. Trong số các kim loại, sắt chỉ đứng sau nhôm về hàm lượng trong vỏ cây. Đồng thời, khoảng 86% tổng lượng sắt được tìm thấy ở lõi và 14% ở lớp phủ. Hàm lượng sắt tăng đáng kể trong đá lửa mafic, nơi nó liên kết với pyroxene, amphibole, olivin và biotit. Sắt tích lũy ở nồng độ công nghiệp trong hầu hết các quá trình ngoại sinh và nội sinh xảy ra trong lớp vỏ trái đất. Nước biển chứa sắt với lượng rất nhỏ, 0,002-0,02 mg/l. Trong nước sông nó cao hơn một chút - 2 mg/l.

Tính chất địa hóa của sắt

Đặc điểm địa hóa quan trọng nhất của sắt là sự hiện diện của một số trạng thái oxy hóa. Sắt ở dạng trung tính - kim loại - tạo nên lõi trái đất, có thể có mặt trong lớp manti và rất hiếm được tìm thấy trong vỏ trái đất. Sắt sắt FeO là dạng sắt chính được tìm thấy trong lớp phủ và lớp vỏ. Oxit sắt Fe2O3 là đặc trưng của phần trên cùng, phần bị oxy hóa nhiều nhất của vỏ trái đất, đặc biệt là đá trầm tích.
Xét về tính chất hóa học tinh thể, ion Fe2+ gần giống với ion Mg2+ và Ca2+ - những nguyên tố chính khác tạo nên một phần đáng kể trong tất cả các loại đá trên trái đất. Do tính chất hóa học tương tự của tinh thể, sắt thay thế magie và một phần canxi trong nhiều silicat. Trong trường hợp này, hàm lượng sắt trong các khoáng chất có thành phần thay đổi thường tăng khi nhiệt độ giảm.
Khoáng chất sắt. Sắt khá phổ biến trong vỏ trái đất - nó chiếm khoảng 4,1% khối lượng vỏ trái đất (vị trí thứ 4 trong số tất cả các nguyên tố, thứ 2 trong số các kim loại). Trong lớp manti và vỏ trái đất, sắt tập trung chủ yếu ở silicat, trong khi hàm lượng của nó đáng kể trong các loại đá bazơ và siêu bazơ, ít có trong đá axit và đá trung gian.
Một số lượng lớn quặng và khoáng chất có chứa sắt đã được biết đến. Tầm quan trọng thực tiễn lớn nhất là quặng sắt đỏ (hematit, Fe2O3; chứa tới 70% Fe), quặng sắt từ tính (magnetite, FeFe2O4, Fe3O4; chứa 72,4% Fe), quặng sắt nâu hoặc limonit (goethite và hydrogoethite, FeOOH và FeOOH nH2O). Goethite và hydrogoethite thường được tìm thấy nhiều nhất trong các lớp vỏ phong hóa, tạo thành cái gọi là “mũ sắt”, độ dày của chúng lên tới vài trăm mét. Chúng cũng có thể có nguồn gốc trầm tích, rơi ra khỏi dung dịch keo ở hồ hoặc vùng ven biển. Trong trường hợp này, quặng sắt oolitic hoặc cây họ đậu được hình thành. Vivianite Fe3(PO4)2·8H2O thường được tìm thấy trong chúng, tạo thành các tinh thể thon dài màu đen và các tập hợp xuyên tâm.
Sắt sunfua cũng phổ biến trong tự nhiên - pyrit FeS2 (lưu huỳnh hoặc pyrit sắt) và pyrrhotite. Chúng không phải là quặng sắt - pyrit được sử dụng để tạo ra axit sulfuric và pyrrhotite thường chứa niken và coban.
Nga đứng đầu thế giới về trữ lượng quặng sắt.
Hàm lượng sắt trong nước biển là 1·10−5—1·10−8%.
Các khoáng chất sắt thường thấy khác:

  • Siderit - FeCO3 - chứa khoảng 35% sắt. Nó có màu trắng vàng (có tông màu xám hoặc nâu nếu bẩn). Mật độ là 3 g/cm³ và độ cứng là 3,5-4,5 trên thang Mohs.
  • Marcasite - FeS2 - chứa 46,6% sắt. Nó xuất hiện ở dạng tinh thể hình thoi lưỡng cực, giống như đồng thau, màu vàng với mật độ 4,6-4,9 g/cm³ và độ cứng 5-6 trên thang Mohs.
  • Löllingite - FeAs2 - chứa 27,2% sắt và xuất hiện ở dạng tinh thể hình thoi lưỡng tháp màu trắng bạc. Mật độ là 7-7,4 g/cm³, độ cứng 5-5,5 trên thang Mohs.
  • Mispickel - FeAsS - chứa 34,3% sắt. Nó tồn tại ở dạng lăng kính đơn tà màu trắng với mật độ 5,6-6,2 g/cm³ và độ cứng 5,5-6 trên thang Mohs.
  • Melantherite - FeSO4 7H2O - ít phổ biến hơn trong tự nhiên và là tinh thể đơn tà màu xanh lá cây (hoặc màu xám do tạp chất) có ánh thủy tinh và dễ vỡ. Mật độ là 1,8-1,9 g/cm³.
  • Vivianite - Fe3(PO4)2 8H2O - tồn tại ở dạng tinh thể đơn tà màu xám xanh hoặc xám xanh với mật độ 2,95 g/cm³ và độ cứng 1,5-2 trên thang Mohs.

Tiền gửi chính

Theo Cơ quan Khảo sát Địa chất Hoa Kỳ (ước tính năm 2011), trữ lượng quặng sắt đã được chứng minh trên thế giới là khoảng 178 tỷ tấn. Các mỏ sắt chính nằm ở Brazil (vị trí số 1), Úc, Mỹ, Canada, Thụy Điển, Venezuela, Liberia, Ukraine, Pháp và Ấn Độ. Ở Nga, sắt được khai thác ở Vùng dị thường từ tính Kursk (KMA), Bán đảo Kola, Karelia và Siberia, ở Ukraine - Krivbass, vùng Poltava, Bán đảo Kerch. Các trầm tích dưới đáy đại dương, trong đó sắt, cùng với mangan và các kim loại có giá trị khác được tìm thấy trong các nốt sần, gần đây đã có một vai trò quan trọng.

Biên lai. Trong công nghiệp, sắt được lấy từ quặng sắt, chủ yếu là hematit (Fe2O3) và magnetit (FeO Fe2O3).

Có nhiều cách khác nhau để chiết xuất sắt từ quặng. Phổ biến nhất là quá trình tên miền.
Giai đoạn đầu tiên của quá trình sản xuất là khử sắt bằng carbon trong lò cao ở nhiệt độ 2000 °C. Trong lò cao, carbon ở dạng than cốc, quặng sắt ở dạng kết tụ hoặc dạng viên và chất trợ dung (chẳng hạn như đá vôi) được cung cấp từ phía trên và gặp luồng không khí nóng cưỡng bức từ bên dưới.
Trong lò, cacbon ở dạng cốc bị oxy hóa thành cacbon monoxit. Oxit này được hình thành trong quá trình đốt cháy thiếu oxy:

Đổi lại, carbon monoxide làm giảm sắt từ quặng. Để làm cho phản ứng này diễn ra nhanh hơn, cacbon monoxit đã đun nóng được đưa qua oxit sắt (III):

Chất trợ dung được thêm vào để loại bỏ các tạp chất không mong muốn (chủ yếu là silicat, ví dụ như thạch anh) trong quặng khai thác được. Chất trợ dung điển hình chứa đá vôi (canxi cacbonat) và dolomit (magie cacbonat). Để loại bỏ các tạp chất khác, các chất trợ dung khác được sử dụng.
Tác dụng của chất trợ dung (trong trường hợp này là canxi cacbonat) là khi đun nóng, nó sẽ phân hủy thành oxit:

Canxi oxit kết hợp với silicon dioxide tạo thành xỉ - canxi metasilicate:

Xỉ, không giống như silicon dioxide, được nấu chảy trong lò. Xỉ, nhẹ hơn sắt, nổi trên bề mặt - đặc tính này cho phép bạn tách xỉ ra khỏi kim loại. Xỉ sau đó có thể được sử dụng trong xây dựng và nông nghiệp. Sắt nóng chảy được sản xuất trong lò cao chứa khá nhiều cacbon (gang). Trừ trường hợp gang được sử dụng trực tiếp thì cần phải gia công thêm.
Carbon dư thừa và các tạp chất khác (lưu huỳnh, phốt pho) được loại bỏ khỏi gang bằng quá trình oxy hóa trong lò nung lộ thiên hoặc bộ chuyển đổi. Lò điện cũng được sử dụng để nấu chảy thép hợp kim.
Ngoài quy trình lò cao, quy trình sản xuất sắt trực tiếp là phổ biến. Trong trường hợp này, quặng đã nghiền trước được trộn với đất sét đặc biệt, tạo thành dạng viên. Các viên này được nung và xử lý trong lò trục với các sản phẩm chuyển hóa khí metan nóng có chứa hydro. Hydro dễ dàng khử sắt:
,
trong trường hợp này, sắt không bị nhiễm các tạp chất như lưu huỳnh và phốt pho, là những tạp chất thường gặp trong than. Sắt thu được ở dạng rắn và sau đó được nấu chảy trong lò điện.
Sắt tinh khiết về mặt hóa học thu được bằng cách điện phân dung dịch muối của nó.

Tính chất vật lý

Sắt là một kim loại điển hình, ở trạng thái tự do, nó có màu trắng bạc pha chút xám. Kim loại nguyên chất dễ uốn; các tạp chất khác nhau (đặc biệt là carbon) làm tăng độ cứng và độ giòn của nó. Nó có đặc tính từ tính rõ rệt. Cái gọi là "bộ ba sắt" thường được phân biệt - một nhóm gồm ba kim loại (sắt Fe, coban Co, niken Ni) có tính chất vật lý, bán kính nguyên tử và giá trị độ âm điện tương tự nhau.
Sắt được đặc trưng bởi tính đa hình; nó có bốn dạng tinh thể:

  • lên tới 769 °C có α-Fe (ferit) với mạng lập phương tâm khối và có tính chất sắt từ (769 °C ≈ 1043 K - điểm Curie của sắt);
  • trong khoảng nhiệt độ 769–917 °C có β-Fe, khác với α-Fe ở các thông số của mạng lập phương tâm khối và tính chất từ ​​của thuận nam châm;
  • ở khoảng nhiệt độ 917–1394 °C có γ-Fe (austenit) với mạng lập phương tâm mặt;
  • trên 1394 °C δ-Fe với mạng lập phương tâm khối là ổn định.

Luyện kim không phân biệt β-Fe là một pha riêng biệt và coi nó là một loại α-Fe. Khi sắt hoặc thép được nung nóng trên điểm Curie (769 °C ≈ 1043 K), chuyển động nhiệt của các ion làm đảo lộn sự định hướng mômen từ spin của các electron, chất sắt từ trở thành thuận từ - xảy ra quá trình chuyển pha bậc hai, nhưng quá trình chuyển pha bậc nhất với sự thay đổi các thông số vật lý cơ bản của tinh thể không xảy ra.
Đối với sắt nguyên chất ở áp suất bình thường, theo quan điểm của ngành luyện kim, có những biến đổi ổn định sau:

  • từ độ không tuyệt đối đến 910 °C, sự biến đổi α với mạng tinh thể lập phương tâm khối (bcc) tập trung vào vật thể là ổn định;
  • từ 910 đến 1400 °C, sự biến đổi γ với mạng tinh thể lập phương tâm mặt (fcc) ổn định;
  • từ 1400 đến 1539 °C, sự biến đổi δ với mạng tinh thể lập phương tâm khối (bcc) là ổn định.

Sự hiện diện của các nguyên tố cacbon và hợp kim trong thép làm thay đổi đáng kể nhiệt độ chuyển pha (xem sơ đồ pha sắt-cacbon).Dung dịch rắn của cacbon trong sắt α- và δ được gọi là ferit. Đôi khi có sự phân biệt giữa δ-ferit nhiệt độ cao và α-ferit nhiệt độ thấp (hoặc đơn giản là ferit), mặc dù cấu trúc nguyên tử của chúng giống nhau. Dung dịch cacbon rắn trong sắt γ được gọi là austenit.

  • Ở vùng áp suất cao (trên 13 GPa, 128,3 nghìn atm), xuất hiện một biến thể của sắt ε với mạng lục giác xếp kín (hcp).

Hiện tượng đa hình cực kỳ quan trọng đối với luyện kim thép. Chính nhờ sự chuyển tiếp α-γ trong mạng tinh thể mà quá trình xử lý nhiệt của thép diễn ra. Nếu không có hiện tượng này, sắt làm nền tảng của thép sẽ không được sử dụng rộng rãi như vậy.
Sắt là kim loại chịu lửa vừa phải. Trong dãy thế điện cực chuẩn, sắt được xếp trước hydro và dễ phản ứng với axit loãng. Như vậy sắt thuộc nhóm kim loại có hoạt tính trung gian.
Nhiệt độ nóng chảy của sắt là 1539 °C, nhiệt độ sôi là 2862 °C.

Tính chất hóa học

Trạng thái oxy hóa đặc trưng

Sắt được đặc trưng bởi trạng thái oxy hóa sắt - +2 và +3.
Trạng thái oxy hóa +2 tương ứng với oxit đen FeO và hydroxit xanh Fe(OH)2. Chúng có tính chất cơ bản. Trong muối, Fe(+2) tồn tại dưới dạng cation. Fe(+2) là chất khử yếu.
Trạng thái oxy hóa +3 tương ứng với oxit Fe2O3 màu nâu đỏ và hydroxit Fe(OH)3 màu nâu. Chúng có bản chất lưỡng tính, mặc dù có tính axit và tính chất cơ bản của chúng được thể hiện yếu. Như vậy ion Fe3+ bị thủy phân hoàn toàn ngay cả trong môi trường axit. Fe(OH)3 chỉ hòa tan (và thậm chí không hoàn toàn) trong kiềm đậm đặc. Fe2O3 chỉ phản ứng với chất kiềm khi phản ứng tổng hợp, tạo thành ferit (muối chính thức của axit HFeO2, không tồn tại ở dạng tự do):

Sắt (+3) thường thể hiện tính chất oxy hóa yếu.
Trạng thái oxy hóa +2 và +3 dễ dàng thay đổi lẫn nhau khi điều kiện oxy hóa khử thay đổi.
Ngoài ra, còn có oxit Fe3O4, trạng thái oxy hóa chính thức của sắt là +8/3. Tuy nhiên, oxit này cũng có thể được coi là sắt (II) ferit Fe+2(Fe+3O2)2.
Ngoài ra còn có trạng thái oxy hóa +6. Oxit và hydroxit tương ứng không tồn tại ở dạng tự do mà thu được muối - ferrat (ví dụ K2FeO4). Sắt (+6) hiện diện trong chúng dưới dạng anion. Ferrat là tác nhân oxy hóa mạnh.

Hợp chất sắt(II)

Sắt(II) oxit FeO có tính chất cơ bản; bazơ Fe(OH)2 tương ứng với nó. Muối sắt (II) có màu xanh nhạt. Khi bảo quản, đặc biệt là trong không khí ẩm, chúng chuyển sang màu nâu do bị oxy hóa thành sắt (III). Quá trình tương tự xảy ra khi lưu trữ dung dịch muối sắt (II):

Trong số các muối sắt(II), muối ổn định nhất trong dung dịch nước là muối Mohr—amoni kép và sắt(II) sunfat (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O.
Kali hexacyanoferrate(III) K3 (muối máu đỏ) có thể dùng làm thuốc thử cho ion Fe2+ trong dung dịch. Khi các ion Fe2+ và 3− tương tác với nhau sẽ tạo ra kết tủa kali sắt (II) hexacyanoferrate (III) (màu xanh Phổ):

sắp xếp lại nội phân tử thành kali sắt(III) hexacyanoferrate(II):

Để xác định định lượng sắt (II) trong dung dịch, phenanthroline Phen được sử dụng, tạo thành phức FePhen3 màu đỏ với sắt (II) (độ hấp thụ ánh sáng tối đa - 520 nm) trong phạm vi pH rộng (4-9).

Hợp chất sắt(III)

Sắt(III) oxit Fe2O3 có tính lưỡng tính yếu; nó được kết hợp với một bazơ thậm chí còn yếu hơn Fe(OH)2, Fe(OH)3, phản ứng với axit:

Muối Fe3+ có xu hướng hình thành hydrat tinh thể. Trong đó, ion Fe3+ thường được bao quanh bởi sáu phân tử nước. Những muối này có màu hồng hoặc tím.
Ion Fe3+ bị thủy phân hoàn toàn ngay cả trong môi trường axit. Ở pH>4, ion này gần như kết tủa hoàn toàn dưới dạng Fe(OH)3:

Khi thủy phân một phần ion Fe3+, các oxo- và hydroxocation đa nhân được hình thành, đó là lý do tại sao dung dịch chuyển sang màu nâu.
Các tính chất cơ bản của sắt(III) hydroxit Fe(OH)3 được thể hiện rất yếu. Nó chỉ có khả năng phản ứng với dung dịch kiềm đậm đặc:

Các phức hydroxo thu được của sắt(III) chỉ ổn định trong dung dịch kiềm mạnh. Khi pha loãng với nước, dung dịch bị phá hủy và kết tủa Fe(OH)3.
Khi tạo hợp kim với kiềm và oxit của các kim loại khác, Fe2O3 tạo thành nhiều loại ferit:

Các hợp chất sắt(III) trong dung dịch bị khử bằng sắt kim loại:

Sắt(III) có khả năng tạo thành các sunfat kép với các cation tích điện đơn như phèn, ví dụ KFe(SO4)2 - phèn sắt-kali, (NH4)Fe(SO4)2 - phèn sắt-amoni, v.v..
Để phát hiện định tính các hợp chất sắt(III) trong dung dịch, phản ứng định tính của ion Fe3+ với thiocyanate vô cơ SCN− được sử dụng. Trong trường hợp này, hỗn hợp gồm các phức sắt thiocyanate màu đỏ tươi 2+, +, Fe(SCN)3, - được hình thành. Thành phần của hỗn hợp (và do đó cường độ màu của nó) phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, do đó phương pháp này không thể áp dụng để xác định chất lượng chính xác của sắt.
Một thuốc thử chất lượng cao khác cho ion Fe3+ là kali hexacyanoferrate(II) K4 (muối máu màu vàng). Khi các ion Fe3+ và 4− tương tác với nhau, tạo thành kết tủa màu xanh sáng của kali sắt (III) hexacyanoferrate (II):

Ion Fe3+ được xác định định lượng bằng cách tạo phức màu đỏ (trong môi trường hơi axit) hoặc màu vàng (trong môi trường hơi kiềm) với axit sulfosalicylic. Phản ứng này đòi hỏi phải lựa chọn chất đệm thích hợp, vì một số anion (đặc biệt là axetat) tạo thành phức chất hỗn hợp với sắt và axit sulfosalicylic với các đặc tính quang học riêng của chúng.

Hợp chất sắt(VI)

Ferrat là muối của axit sắt H2FeO4, không tồn tại ở dạng tự do. Đây là những hợp chất có màu tím, gợi nhớ đến thuốc tím về đặc tính oxy hóa và sunfat về độ hòa tan. Ferrat thu được bằng phản ứng của khí clo hoặc ozon với huyền phù Fe(OH)3 trong kiềm:

Ferrat cũng có thể thu được bằng cách điện phân dung dịch kiềm 30% trên cực dương sắt:

Ferrat là tác nhân oxy hóa mạnh. Trong môi trường axit chúng bị phân hủy và giải phóng oxy:

Các đặc tính oxy hóa của ferrat được sử dụng để khử trùng nước.

Ứng dụng

Sắt là một trong những kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm tới 95% sản lượng luyện kim toàn cầu.

  • Sắt là thành phần chính của thép và gang—vật liệu kết cấu quan trọng nhất.
  • Sắt có thể là một phần của hợp kim dựa trên các kim loại khác - ví dụ: niken.
  • Oxit sắt từ tính (magnetite) là vật liệu quan trọng trong sản xuất các thiết bị bộ nhớ máy tính lâu dài: ổ cứng, đĩa mềm, v.v.
  • Bột magnetite siêu mịn được sử dụng trong nhiều máy in laser đen trắng trộn với các hạt polymer làm mực. Điều này sử dụng cả màu đen của magnetite và khả năng bám vào con lăn truyền từ hóa của nó.
  • Đặc tính sắt từ độc đáo của một số hợp kim gốc sắt góp phần giúp chúng được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật điện làm lõi từ của máy biến áp và động cơ điện.
  • Sắt (III) clorua (clorua sắt) được sử dụng trong thực hành vô tuyến nghiệp dư để khắc các bảng mạch in.
  • Sắt sunfat heptat (sắt sunfat) trộn với đồng sunfat được dùng để chống nấm gây hại trong làm vườn và xây dựng.
  • Sắt được sử dụng làm cực dương trong pin sắt-niken và pin sắt-không khí.
  • Dung dịch nước chứa sắt và clorua sắt, cũng như sunfat của nó, được sử dụng làm chất keo tụ trong quá trình lọc nước tự nhiên và nước thải trong xử lý nước của các doanh nghiệp công nghiệp.