IJzer (chemisch element) karakteristieken, chemische structuur, toepassingen

de ijzer is een overgangsmetaal gelokaliseerd in groep VIIIB of 8 van het periodiek systeem. Het is een van de metalen die al sinds de vroegste tijden op de hoogte is. De Chinezen, Egyptenaren en Romeinen werkten met dit metaal. De gemakkelijke extractie markeerde een geschiedenisstad die bekend staat als de ijzertijd.

De naam is afgeleid van het woord 'ferrum' in het Latijn en vandaar het chemische symbool Geloof.Het is een zeer reactief element, dus de zilverglans wordt meestal niet in de natuur gevonden. In de oudheid was dit metaal in feite gecatalogiseerd met een waarde die hoger was dan die van goud vanwege de veronderstelde schaarste.

De zuivere vorm is gevonden in regio's van Groenland en in stollingsgesteenten van de bodem van Rusland. In de siderische ruimte wordt aangenomen dat het een overvloedige component is in meteorieten, die na het inslaan van de aarde het gekristalliseerde ijzer in hun rotsachtige borsten hebben bewaard.

Maar belangrijker dan zuiver ijzer, zijn verbindingen; vooral de oxiden ervan. Deze oxiden bedekken het aardoppervlak met een grote familie mineralen, zoals magnetiet, pyriet, hematiet, goethiet en nog veel meer. In feite zijn de waargenomen kleuring in het Martiaanse gebergte en woestijnen voor een groot deel te danken aan het hematiet.

IJzeren objecten zijn te vinden in steden of velden. Degenen die geen beschermende film hebben, worden roodachtig omdat ze corroderen door vocht en zuurstof. Anderen, zoals de lantaarn van het hoofdbeeld, blijven grijs of zwart.

Er wordt geschat dat er een enorme concentratie van dit metaal in de kern van de aarde is. Zo veel zelfs dat, in een vloeibare toestand, product van hoge temperaturen, het verantwoordelijk kan zijn voor het magnetisch veld van de aarde.

Aan de andere kant vult ijzer niet alleen de schil van onze planeet aan, maar maakt het ook deel uit van de voedingsstoffen die levende wezens nodig hebben. Het is bijvoorbeeld noodzakelijk om zuurstof naar weefsels te transporteren.

index

• 1 Kenmerken van ijzer
  • 1.1 Smelt- en kookpunten
  • 1.2 Dichtheid
  • 1.3 Isotopen
  • 1.4 Toxiciteit
• 2 Chemische eigenschappen
  • 2.1 Kleuren van zijn verbindingen
  • 2.2 Oxidatie toestanden
  • 2.3 Oxiderende en reducerende stoffen
• 3 Chemische structuur
• 4 Gebruik / toepassingen
  • 4.1 Structureel
  • 4.2 Biologisch
• 5 Hoe krijg je?
  • 5.1 Reacties in de ovens
• 6 Referenties

Kenmerken van ijzer

Zuiver ijzer heeft zijn eigen kenmerken die het onderscheiden van zijn mineralen. Het is een glanzend, grijsachtig metaal, dat reageert met zuurstof en vocht in de lucht om het te transformeren in het bijbehorende oxide. Als er geen zuurstof in de atmosfeer was, zouden alle ornamenten en ijzeren structuren intact blijven en vrij van rode roest..

Het heeft een hoge mechanische sterkte en hardheid, maar is tegelijkertijd kneedbaar en ductiel. Hierdoor kunnen smeden stukken met verschillende vormen en ontwerpen smeden die ijzermassa's blootstellen aan intense temperaturen. Het is ook een goede geleider van warmte en elektriciteit.

Bovendien heeft een van de meest waardevolle functies is de interactie met magneten en gemagnetiseerde gemakkelijk. Het grote publiek heeft vele demonstraties gekregen van het effect dat magneten hebben op de beweging van ijzerspaanders, en ook om het magnetische veld en de polen van een magneet te demonstreren.

Smelt- en kookpunten

Het ijzer smelt bij een temperatuur van 1535ºC en kookt op 2750ºC. In vloeibare en gloeiende vorm wordt dit metaal verkregen. Bovendien zijn de heats van fusie en verdamping 13,8 en 349,6 kJ / mol.

dichtheid

De dichtheid is 7,86 g / cm³. Dat wil zeggen, dat 1 ml van dit metaal 7,86 gram weegt.

isotopen

In het periodiek systeem, specifiek in groep 8 van periode 4, wordt ijzer aangetroffen, met een atoommassa van ongeveer 56u (26 protonen, 26 elektronen en 30 neutronen). In de natuur zijn er echter drie andere stabiele isotopen van ijzer, dat wil zeggen, ze hebben hetzelfde aantal protonen maar verschillende atoommassa's.

de ⁵⁶Geloof is de meest voorkomende van allemaal (91,6%), gevolgd door ⁵⁴Geloof (5,9%), ⁵⁷Fe (2,2%) en tot slot de ⁵⁸Geloof (0,33%). Het zijn deze vier isotopen die al het ijzer vormen dat zich op de planeet aarde bevindt. In andere omstandigheden (buitenaards) kunnen deze percentages variëren, maar mogelijk ook de ⁵⁶Geloof blijft de meest voorkomende.

Andere isotopen met atoommassa variërend tussen de 46 en 69U, zijn zeer instabiel en hebben halveringstijd van minder dan de vier zojuist genoemde.

toxiciteit

Boven alle functies, het is een niet-giftig metaal. Anders zouden speciale behandelingen (chemisch en fysisch) vereist zijn, en onmeetbare objecten en gebouwen zouden een latent risico voor het milieu en het leven vertegenwoordigen.

Chemische eigenschappen

De elektronische configuratie van ijzer is [Ar] 3d⁶4s², zin dat twee elektronen levert uit de orbitale 4s en zes van de 3d orbitalen van de vorming van de metallische bindingen in het kristal. Hierdoor kristallijne structuur die bepaalde eigenschappen zoals ferromagnetisme uitlegt.

Ook voorspelt de elektronische configuratie oppervlakkig de stabiliteit van zijn kationen. Wanneer ijzer twee van zijn elektronen verliest, Fe²⁺, blijft met configuratie [Ar] 3d⁶ (ervan uitgaande dat de 4s-orbitaal is waar deze elektronen vandaan komen). Als je drie elektronen verliest, geloof dan³⁺, de configuratie is [Ar] 3d⁵.

Experimenteel is aangetoond dat veel ionen met nd-valentie-configuratie⁵ Ze zijn erg stabiel. Daarom heeft ijzer de neiging te oxideren tegen elektron-accepterende soorten om het Fe-ferri-kation te worden³⁺; en in een minder oxiderende omgeving, in het ferro-kation Fe²⁺.

Dan, in een medium met weinig zuurstofaanwezigheid, wordt verwacht dat ferroverbindingen de overhand hebben. De pH beïnvloedt ook de oxidatietoestand van ijzer, omdat in zeer zure media de omzetting ervan naar Fe de voorkeur heeft³⁺.

Kleuren van zijn verbindingen

Het geloof²⁺ in oplossing is groenachtig en het geloof³⁺, van een zacht viooltje. Op dezelfde manier kunnen ijzerverbindingen groene of rode kleuren hebben, afhankelijk van welk kation aanwezig is en welke ionen of moleculen ze omringen.

De nuances van groen veranderen volgens de elektronische omgeving van Faith²⁺. FeO, ijzeroxide, is dus een zeer donkergroene vaste stof; terwijl de FeSO₄, ijzersulfaat, heeft lichtgroene kristallen. Andere Fe-verbindingen²⁺ ze kunnen zelfs blauwachtige tonen hebben, zoals in het geval van Pruisisch blauw.

Het gebeurt ook met de violette schakeringen van Geloof³⁺ in zijn verbindingen, die roodachtig kunnen worden. Bijvoorbeeld hematiet, Faith₂O₃, is de oxide verantwoordelijk voor veel stukken ijzer er roodachtig uitzien.

Een aanzienlijk aantal ijzerverbindingen is echter kleurloos. IJzerchloride, FeCl₃, Het is kleurloos, omdat het geloof³⁺ Het wordt echt niet gevonden in ionische vorm maar vormt covalente bindingen (Fe-Cl).

Andere verbindingen zijn in feite complexe mengsels van Fe-kationen²⁺ en geloof³⁺. Hun kleuren zullen altijd onderworpen zijn aan welke ionen of moleculen interageren met ijzer, hoewel zoals gezegd, een grote meerderheid blauwachtig, violet, roodachtig (zelfs geel) of donkergroen is.

Oxidatie toestanden

Zoals uitgelegd, kan ijzer een oxidatietoestand hebben of een valentie van +2 of +3. Het is echter ook mogelijk dat het deelneemt aan sommige verbindingen met een valentie van 0; dat wil zeggen dat er geen verlies van elektronen optreedt.

In dit type verbindingen neemt ijzer deel aan zijn ruwe vorm. Bijvoorbeeld, de Fe (CO)₅, IJzerpentacarbonyl, bestaat uit een olie die wordt verkregen door poreus ijzer te verwarmen met koolmonoxide. De CO -moleculen bevinden zich in de gaten van de vloeistof, waarbij de Fe wordt gecoördineerd met vijf van deze (Fe-C≡O).

Oxiderende en reducerende middelen

Welke van de kationen, geloof²⁺ o Geloof³⁺, Gedragen ze zich als een oxiderende of reducerende stof? Het geloof²⁺ in een zuur medium of in de aanwezigheid van zuurstof, verliest een elektron om Fe te worden³⁺; daarom is het een reducerend middel:

geloof²⁺ => Geloof³⁺ + en^-

En het geloof³⁺ het gedraagt ​​zich als een oxidatiemiddel in een basisch medium:

geloof³⁺ + en^- => Geloof²⁺

Of zelfs:

geloof³⁺ + 3e^- => Geloof

Chemische structuur

IJzer vormt polymorfe vaste stoffen, dat wil zeggen dat de metaalatomen verschillende kristallijne structuren kunnen aannemen. Bij kamertemperatuur kristalliseren de atomen in de eenheidseenheid bcc: kubiek gecentreerd in het lichaam (Body gecentreerd kubisch). Deze vaste fase is bekend als ferriet, Fe α.

Deze bcc-structuur kan te wijten zijn aan het feit dat ijzer een metaalconfiguratie is⁶, met elektronische vier-elektron vacature.

Wanneer de temperatuur stijgt, trillen de Fe-atomen vanwege het thermische effect en nemen na 906 ° C een compacte kubieke ccp-structuur aan:Cubic Closest Packed). Het is de Fe γ, die terugkeert naar de Fe α-fase bij een temperatuur van 1401ºC. Na deze temperatuur smelt het ijzer bij 1535ºC.

En hoe zit het met de toename van de druk? Wanneer het toeneemt, dwingt het de kristallen atomen om in een dichtere structuur te "knijpen": Fe β. Deze polymorf heeft een compacte hcp: zeshoekige structuur (Zeshoekig gesloten pakket).

Gebruik / toepassingen

structuur-

Alleen ijzer heeft weinig toepassingen. Wanneer het echter wordt gecoat met een ander metaal (of een legering, zoals tin), wordt het beschermd tegen corrosie. IJzer is dus een bouwmateriaal dat aanwezig is in gebouwen, bruggen, poorten, beelden, auto's, machines, transformatoren, enz..

Wanneer kleine hoeveelheden koolstof en andere metalen worden toegevoegd, zijn hun mechanische eigenschappen versterkt. Dit soort legeringen staan ​​bekend als staalsoorten. De staalsoorten bouwen bijna alle industrieën en hun materialen.

Aan de andere kant is ijzer vermengd met andere metalen (sommige van zeldzame aarden) gebruikt voor de fabricage van magneten die worden gebruikt in elektronische apparatuur.

biologisch

IJzer speelt een essentiële rol in het leven. In ons lichaam maakt het deel uit van sommige eiwitten, waaronder het enzym hemoglobine.

Zonder hemoglobine, drager van zuurstof dankzij het metalen Fe-middelpunt³⁺, de zuurstof kan niet naar verschillende delen van het lichaam worden getransporteerd, omdat het in water erg onoplosbaar is.

Hemoglobine reist door het bloed naar spiercellen, waar de pH zuur is en er hogere concentraties CO zijn₂. Hier vindt het omgekeerde proces plaats, dat wil zeggen dat zuurstof wordt vrijgegeven vanwege de omstandigheden en de lage concentratie ervan in deze cellen. Dit enzym kan in totaal vier O-moleculen transporteren₂.

Hoe krijg je dat?

Vanwege zijn reactiviteit wordt het aangetroffen in de aardkorst die oxiden, sulfiden of andere mineralen vormt. Daarom kunnen sommige van hen als grondstof worden gebruikt; alles zal afhangen van de kosten en de moeilijkheden om ijzer in zijn chemische omgeving te verminderen.

Industrieel gezien is de reductie van ijzeroxiden beter mogelijk dan die van sulfiden. Hematiet en magnetiet, Fe₃O₄, zijn de belangrijkste bronnen van dit metaal, die reageren met koolstof (in de vorm van cokes).

Het door deze methode verkregen ijzer is vloeibaar en gloeiend en wordt geleegd in blokken ingots (zoals een lava-cascade). Ook kunnen grote hoeveelheden gassen worden gevormd, wat schadelijk kan zijn voor het milieu. Daarom betekent het verkrijgen van ijzer de overweging van vele factoren.

Reacties in de ovens

Zonder de details van hun winning en transport te benoemen, bewegen deze oxiden, samen met cola en kalksteen (CaCO₃) naar hoogovens. De geëxtraheerde oxiden dragen allerlei soorten onzuiverheden die reageren met het CaO dat vrijkomt uit de thermische ontleding van de CaCO₃.

Eenmaal geladen laadt de partij grondstof naar de oven, in het onderste deel ervan stroomt een luchtstroom van 2000ºC, waarbij de kool tot koolmonoxide verbrandt:

2C (s) + O₂(g) => 2CO (g) (2000ºC)

Deze CO stijgt naar de top van de oven, waar deze het hematiet ontmoet en vermindert:

3FE₂O₃(s) + CO (g) => 2Fe₃O₄(s) + CO₂(g) (200 ° C)

In het magnetiet zijn er Fe-ionen²⁺, Fe-reductieproducten³⁺ met CO. Vervolgens wordt dit product met meer CO verkleind:

geloof₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(g) (700ºC)

Uiteindelijk wordt de FeO uiteindelijk gereduceerd tot metallisch ijzer, dat smelt als gevolg van de hoge temperaturen van de oven:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(G)

Geloof (en) => Geloof (l)

Terwijl het CaO tegelijkertijd reageert met de silicaten en onzuiverheden, vormt het wat bekend staat als vloeibare slak. Deze slak is minder dicht dan vloeibaar ijzer, daarom zweeft hij erboven en kunnen beide fasen worden gescheiden.

referenties

1. National Science Resources Center. (N.D.). IJzer. Opgehaald van: propertiesofmatter.si.edu
2. R schip. (N.D.). IJzer. Teruggeplaatst van: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. B. Calvert. (December 2003). IJzer: het metaal van Mars geeft ons magnetisme en leven. Teruggeplaatst van: mysite.du.edu
4. Chemicole periodiek systeem. (6 oktober 2012). IJzer. Teruggeplaatst van: chemicool.com
5. Het saldo. (N.D.). Metaalprofiel: ijzer. Genomen uit: thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische chemie (vierde editie). Mc Graw Hill.
7. Clark J. (29 november 2015). De extractie van ijzer. Teruggeplaatst van: chem.libretexts.org