Jern (kemisk element) egenskaber, kemisk struktur, anvendelser

den jern er et overgangsmetal placeret i gruppe VIIIB eller 8 i det periodiske bord. Det er et af de metaller, der har været opmærksom siden de tidligste tider. Kineserne, egypterne og romerne arbejdede med dette metal. Dens nemme udvinding markerede et historisk stadium kendt som jernalderen.

Dets navn stammer fra ordet "ferrum" på latin og dermed dets kemiske symbol Faith. Det er et meget reaktivt element, så dets sølvglans findes normalt ikke i naturen. I oldtiden var dette metal faktisk katalogiseret med en værdi højere end guldets værdi på grund af den formodede knaphed.

Den rene form er blevet fundet i regioner i Grønland og i stenede sten af ​​jordbund i Rusland. I sidearal rummet menes det, at det er en rigelig komponent i meteoritter, som efter at have ramt jorden har nogle bevaret det krystalliserede jern i deres stenige bryster.

Men vigtigere end rent jern er dets forbindelser; især dets oxider. Disse oxider dækker jordens overflade med en stor familie af mineraler, såsom magnetit, pyrit, hæmatit, goethit og mange flere. Faktisk skyldes de farvninger, der observeres i de martiske bjerge og ørkener, i stor udstrækning til hæmatitten.

Jerngenstande kan findes inden for byer eller felter. Dem, der ikke har en beskyttende film, bliver rødlig, fordi de korroderer ved fugt og ilt. Andre, som lygten i hovedbilledet, forbliver grå eller sort.

Det anslås, at der er en massiv koncentration af dette metal i jordens kerne. Så meget, at i en flydende tilstand, produkt af høje temperaturer, kan den være ansvarlig for Jordens magnetfelt.

På den anden side supplerer jern ikke kun planetens skal, men er også en del af næringsstoffer, der kræves af levende væsener. For eksempel er det nødvendigt at transportere ilt til væv.

indeks

• 1 Karakteristik af jern
  • 1.1 Smeltepunkt og kogepunkt
  • 1,2 Tæthed
  • 1.3 isotoper
  • 1.4 Toksicitet
• 2 Kemiske egenskaber
  • 2.1 Farver af dets forbindelser
  • 2.2 Oxidationstilstande
  • 2.3 Oxiderende og reduktionsmidler
• 3 Kemisk struktur
• 4 anvendelser / applikationer
  • 4.1 Strukturelle
  • 4.2 Biologisk
• 5 Hvordan får du det??
  • 5.1 Reaktioner inde i ovnen
• 6 referencer

Karakteristik af jern

Rent jern har sine egne egenskaber, som adskiller det fra dets mineraler. Det er et skinnende gråagtigt metal, som reagerer med ilt og fugt i luften for at omdanne til dets tilsvarende oxid. Hvis der ikke var ilt i atmosfæren, ville alle ornamenter og jernstrukturer forblive intakte og fri for rød rust..

Den har høj mekanisk styrke og hårdhed, men samtidig er det formbar og duktil. Dette gør det muligt for smedere at smide stykker med mange former og designs, der underkaster jernmasser til intense temperaturer. Det er også en god leder af varme og elektricitet.

Derudover er et af dets mest værdifulde træk dets interaktion med magneter og dets evne til at magnetisere. Den brede offentlighed har fået mange demonstrationer af den virkning, som magneter giver på bevægelsen af ​​jernspåner og også at demonstrere magnetfeltet og polerne på en magnet.

Smeltepunkt og kogepunkt

Jernet smelter ved en temperatur på 1535ºC og koger ved 2750ºC. I sin flydende og glødelampe opnås dette metal. Derudover er dens varmer af fusion og fordampning 13,8 og 349,6 kJ / mol.

tæthed

Dens densitet er 7,86 g / cm³. Det vil sige, at 1 ml af dette metal vejer 7,86 gram.

isotoper

I det periodiske bord, specifikt i gruppe 8 i periode 4, findes jern med en atommasse på ca. 56u (26 protoner, 26 elektroner og 30 neutroner). Imidlertid er der i naturen tre andre stabile isotoper af jern, dvs. de har samme antal protoner, men forskellige atommasser.

den ⁵⁶Tro er den rigeste af alle (91,6%), efterfulgt af ⁵⁴Tro (5,9%), ⁵⁷Fe (2,2%) og endelig den ⁵⁸Tro (0,33%). Det er disse fire isotoper, der udgør hele det jern, der findes på planeten Jorden. Under andre forhold (udenjordisk) kan disse procentsatser variere, men muligvis ⁵⁶Troen er fortsat den mest rigelige.

Andre isotoper, hvor atommasserne svinger mellem 46 og 69u, er meget ustabile og har kortere halveringstider end de fire, der netop er nævnt.

toksicitet

Frem for alt er det et ikke-giftigt metal. Ellers ville der kræves særlige behandlinger (kemiske og fysiske), og uimodståelige genstande og bygninger ville udgøre en latent risiko for miljøet og livet.

Kemiske egenskaber

Den elektroniske konfiguration af jern er [Ar] 3d⁶4s², hvilket betyder, at det bidrager med to elektroner fra dets 4s-kredsløb og seks fra 3d-orbitalerne til dannelsen af ​​dets metalbindinger i krystal. Det er denne krystallinske struktur, der forklarer nogle egenskaber som ferromagnetisme.

Også den elektroniske konfiguration forudser overfladisk stabiliteten af ​​dets kationer. Når jern mister to af dets elektroner, Fe²⁺, forbliver med konfiguration [Ar] 3d⁶ (forudsat at 4'ers kredsløb er hvor disse elektroner kommer fra). Mens hvis du mister tre elektroner, tro³⁺, dens konfiguration er [Ar] 3d⁵.

Eksperimentelt har det vist sig, at mange ioner med nd valensekonfiguration⁵ De er meget stabile. Derfor har jern tendens til at oxidere mod elektronaccepterende arter for at blive Fe ferrikation³⁺; og i et mindre oxidativt miljø i den ferre kation Fe²⁺.

Derefter forventes jernholdige forbindelser i et medium med ringe oxygenindhold at overveje. PH påvirker også oxidationstilstanden for jern, da det i meget sure medier foretrækkes dets transformation til Fe³⁺.

Farver af dets forbindelser

Troen²⁺ i løsningen er grønlig og troen³⁺, af en blød violet. På samme måde kan jernforbindelser have grønne eller røde farver afhængigt af hvilken kation der er til stede, og hvilke ioner eller molekyler omgiver dem.

Nuancerne for grøn forandring i overensstemmelse med troens elektroniske miljø²⁺. FeO, ferrooxid er således et meget mørkt grønt fast stof; mens FeSO₄, jernholdigt sulfat, har lysegrønne krystaller. Andre Fe-forbindelser²⁺ de kan endda have blåagtige toner, som i tilfældet med preussisk blå.

Det sker også med troens violette nuancer³⁺ i dets forbindelser, som kan blive rødlige. For eksempel hæmatit, tro₂O₃, er oksidet ansvarlig for mange stykker af jern, se rødlig.

Et betydeligt antal jernforbindelser er imidlertid farveløse. Ferrichlorid, FeCl₃, Det er farveløst, fordi troen³⁺ Det findes virkelig ikke i ionform, men danner kovalente bindinger (Fe-Cl).

Andre forbindelser er faktisk komplekse blandinger af Fe kationer²⁺ og tro³⁺. Deres farver vil altid være genstand for, hvilke ioner eller molekyler der virker sammen med jern, selv om det som nævnt har en stor flertal tendens til at være blålig, violet, rødlig (ja gul) eller mørkegrøn.

Oxidationstilstande

Som forklaret kan jern have en oxidationstilstand eller -valens af +2 eller +3. Det er imidlertid også muligt at deltage i nogle forbindelser med en valens på 0; det vil sige, at det ikke lider tab af elektroner.

I denne type forbindelser deltager jern i sin råform. For eksempel er Fe (CO)₅, Jernpentacarbonyl, består af en olie opnået ved opvarmning af porøst jern med carbonmonoxid. CO-molekylerne indsættes i væskens huller, idet Fe er koordineret med fem af disse (Fe-C = O).

Oxiderende og reducerende midler

Hvilke af kationerne, troen²⁺ o tro³⁺, Opfører de sig som et oxidations- eller reduktionsmiddel? Troen²⁺ i et surt medium eller i nærværelse af oxygen taber en elektron til at blive Fe³⁺; derfor er det et reduktionsmiddel:

tro²⁺ => Tro³⁺ + og^-

Og troen³⁺ det opfører sig som et oxidationsmiddel i et basisk medium:

tro³⁺ + og^- => Tro²⁺

Eller endda:

tro³⁺ + 3e^- => Tro

Kemisk struktur

Jern danner polymorfe faste stoffer, det vil sige, dets metalatomer kan vedtage forskellige krystallinske strukturer. Ved stuetemperatur krystalliserer dets atomer i enhedsenheden bcc: kubisk centreret i kroppen (Body Centered Cubic). Denne faste fase er kendt som ferrit, Fe a.

Denne bcc struktur kan skyldes, at jern er en metalkonfiguration⁶, med elektronisk fire-elektron ledig stilling.

Når temperaturen stiger, vibrerer Fe-atomerne på grund af den termiske virkning og vedtager efter 906 ° C en kompakt kubisk ccp-struktur:Kubisk nærmest pakket). Det er Fe γ, som vender tilbage til Fe α-fasen ved en temperatur på 1401ºC. Efter denne temperatur smelter jernet ved 1535ºC.

Og hvad med stigningen i trykket? Når det stiger, tvinger det krystalatomer til at "klemme" ind i en tættere struktur: Fe β. Denne polymorf har en kompakt hcp: sekskantet struktur (Sekskantet lukket pakke).

Anvendelser / applikationer

strukturelle

Jern alene har få applikationer. Men når den er belagt med et andet metal (eller legering, såsom tin), er den beskyttet mod korrosion. Derfor er jern et byggemateriale til stede i bygninger, broer, porte, statuer, biler, maskiner, transformatorer mv..

Når små mængder kulstof og andre metaller tilsættes, forstærkes deres mekaniske egenskaber. Disse typer legeringer er kendt som stål. Stålene bygger næsten alle industrier og deres materialer.

På den anden side er jern blandet med andre metaller (nogle af sjældne jordarter) blevet brugt til fremstilling af magneter anvendt i elektronisk udstyr.

biologisk

Jern spiller en afgørende rolle i livet. I vores kroppe er det en del af nogle proteiner, herunder enzymet hæmoglobin.

Uden hæmoglobin, oxygenbærer takket være dens metalliske Fe center³⁺, iltet kunne ikke transporteres til forskellige områder af kroppen, fordi det i vand er meget uopløseligt.

Hemoglobin rejser gennem blodet til muskelceller, hvor pH er sur og højere koncentrationer af CO er rigelige₂. Her forekommer den omvendte proces, det vil sige ilt frigives på grund af betingelserne og dens lave koncentration i disse celler. Dette enzym kan transportere i alt fire O-molekyler₂.

Hvordan får du det??

På grund af dets reaktivitet findes den i jordskorpen, der danner oxider, sulfider eller andre mineraler. Derfor kan nogle af dem bruges som råmateriale; alt afhænger af omkostningerne og vanskelighederne ved at reducere jern i dets kemiske miljø.

Industrielt er reduktionen af ​​jernoxider mere gennemførlig end af dens sulfider. Hematit og magnetit, Fe₃O₄, er de vigtigste kilder til dette metal, som reageres med kulstof (i form af cola).

Stålet, der opnås ved denne metode, er flydende og glødelampende, og det tømmes i ingotsblade (som en lavakaskade). Også store mængder gasser kan dannes, hvilket kan være skadeligt for miljøet. Derfor er opnåelse af jern involveret overvejelse af mange faktorer.

Reaktioner inde i ovne

Uden at nævne detaljerne om deres ekstraktion og transport bevæger disse oxider sammen med koks og kalksten (CaCO₃) til højovne. De ekstraherede oxider bærer alle slags urenheder, som reagerer med CaO frigivet fra den termiske dekomponering af CaCO₃.

Når først partiet råmateriale er blevet opladet til ovnen, kører den i sin nederste del en luftstrøm ved 2000ºC, som forbrænder koks til kulilte:

2C (s) + O₂(g) => 2CO (g) (2000ºC)

Denne CO stiger til toppen af ​​ovnen, hvor den møder hæmatitten og reducerer den:

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

I magnetiten er der Fe ioner²⁺, Fe reduktionsprodukter³⁺ med CO. Derefter bliver dette produkt fortsat reduceret med mere CO:

tro₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(g) (700ºC)

Endelig ender FeO'en til at blive reduceret til metallisk jern, som smelter på grund af de høje temperaturer i ovnen:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(G)

Tro (er) => Tro (l)

Samtidig reagerer CaO med silicaterne og urenheder, der danner det såkaldte flydende slagge. Denne slagge er mindre tæt end flydende jern, hvorfor det flyder over det, og begge faser kan adskilles.

referencer

1. National Science Resources Center. (N.D.). Jern. Hentet fra: propertiesofmatter.si.edu
2. R Ship. (N.D.). Jern. Hentet fra: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. B. Calvert. (December 2003). Jern: Marsmetal giver os magnetisme og liv. Hentet fra: mysite.du.edu
4. Chemicole periodiske tabel. (6. oktober 2012). Jern. Hentet fra: chemicool.com
5. Balancen. (N.D.). Metalprofil: Iron. Modtaget fra: thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi (fjerde udgave). Mc Graw Hill.
7. Clark J. (29. november 2015). Ekstraktionen af ​​jern. Hentet fra: chem.libretexts.org