Fier (element chimic): caracteristici, structură chimică, utilizări

Fierul este un metal de tranziție situat în grupul VIIIB sau 8 din tabelul periodic. Este unul dintre metalele care a fost conștient de la cele mai vechi timpuri. Chinezii, egiptenii și romanii au lucrat cu acest metal. Extracția sa ușoară a marcat o etapă a istoriei cunoscută sub numele de epoca fierului.

Numele său provine din cuvântul "ferrum" în latină și, prin urmare, din simbolul său chimic Faith. Este un element foarte reactiv, astfel încât luciu de argint nu se găsește de obicei în natură. În timpurile străvechi, acest metal a fost, de fapt, catalogat cu o valoare mai mare decât cea a aurului datorită presupusului său deficit.

Forma sa pură a fost găsită în regiuni din Groenlanda și în roci igneous ale solurilor din Rusia. În spațiul sideral, se crede că este o componentă abundentă a meteoritilor care, după ce au lovit pe Pământ, unii au păstrat fierul cristalizat în sânii lor stâncoși.

Dar, mai important decât fierul pur, sunt compușii săi; în special, oxizii săi. Acești oxizi acoperă suprafața pământului cu o mare familie de minerale, cum ar fi magnetit, pirită, hematit, goethit și multe altele. De fapt, colorările observate în munții marțieni și în deșerturi se datorează în mare parte hematitei.

Elementele de fier se găsesc în interiorul orașelor sau al câmpurilor. Cei care nu au un film de protecție devin roșii, deoarece corodează prin umiditate și oxigen. Altele, ca și felinarul imaginii principale, rămân gri sau negru.

Se estimează că există o concentrație masivă a acestui metal în nucleul Pământului. Atât de mult încât, în stare lichidă, produs de temperaturi înalte, poate fi responsabil pentru câmpul magnetic al Pământului.

Pe de altă parte, fierul nu numai că completează coaja planetei noastre, ci și face parte din nutrienții necesari ființelor vii. De exemplu, este necesar să se transporte oxigen în țesuturi.

Caracteristicile fierului

Fierul pur are propriile caracteristici care o diferențiază de mineralele sale. Este un metal strălucitor, gri, care reacționează cu oxigenul și umiditatea din aer pentru a se transforma în oxidul corespunzător. Dacă nu există oxigen în atmosferă, toate ornamentele și structurile de fier vor rămâne intacte și vor fi lipsite de rugină roșie.

Are rezistență și duritate mecanică ridicată, dar în același timp este maleabilă și ductilă. Acest lucru permite fierarilor să creeze bucăți cu numeroase forme și modele care supun masele de fier la temperaturi intense. Este, de asemenea, un bun conducător de căldură și energie electrică.

În plus, una dintre caracteristicile sale cele mai prețioase este interacțiunea cu magneții și capacitatea sa de magnetizare. Publicului larg i s-au dat multe demonstrații despre efectul pe care magneții îl oferă asupra mișcării râșnițelor de fier și, de asemenea, pentru a demonstra câmpul magnetic și poli de un magnet.

Punctele de topire și de fierbere

Fierul se topește la o temperatură de 1535 ° C și se fierbe la 2750 ° C. În forma lichidă și incandescentă, acest metal este obținut. În plus, căldurile sale de fuziune și evaporare sunt de 13, 8 și 349, 6 kJ / mol.

densitate

Densitatea sa este de 7, 86 g / cm3. Adică, 1 ml din acest metal cântărește 7, 86 grame.

izotopi

În tabelul periodic, în special în grupul 8 din perioada 4, se găsește fierul, cu o masă atomică de aproximativ 56u (26 protoni, 26 de electroni și 30 de neutroni). Cu toate acestea, în natură există alți trei izotopi stabili ai fierului, adică aceștia au același număr de protoni, dar diferite mase atomice.

56Fe este cel mai abundent dintre toate (91, 6%), urmat de 54Fe (5, 9%), 57Fe (2, 2%) și în cele din urmă 58Fe (0, 33%). Acestea sunt cele patru izotopi care alcătuiesc tot fierul conținut în planeta Pământ. În alte condiții (extraterestre), aceste procente pot varia, dar 56Fe poate continua să fie cel mai abundent.

Alți izotopi, cu mase atomice oscilând între 46 și 69u, sunt foarte instabili și au timpi de înjumătățire mai puțin decât cei patru menționați.

toxicitate

Mai presus de toate caracteristicile, este un metal netoxic. În caz contrar, ar fi necesare tratamente speciale (chimice și fizice), iar obiectele și clădirile incomensurabile ar reprezenta un risc latent pentru mediu și viață.

Proprietăți chimice

Configurația electronică a fierului este [Ar] 3d64s2, ceea ce înseamnă că el contribuie cu doi electroni din orbita lui 4 și șase de la orbitele 3d pentru formarea legăturilor sale metalice în cristal. Această structură cristalină explică unele proprietăți, cum ar fi ferromagnetismul.

De asemenea, configurația electronică prezice superficial stabilitatea cationilor săi. Când fierul își pierde doi electroni, Fe2 +, rămâne cu configurația [Ar] 3d6 (presupunând că orbitalul 4s este locul unde vin aceste electroni). Dacă în cazul în care pierde trei electroni, Fe3 +, configurația lui este [Ar] 3d5.

Experimental s-a demonstrat că mulți ioni cu configurație de valență nd5 au o mare stabilitate. Prin urmare, fierul tinde să se oxideze împotriva speciilor care acceptă electroni pentru a deveni cationul feric Fe3 +; și într-un mediu mai puțin oxidativ, în cationul feros Fe2 +.

Apoi, într-un mediu cu prezență mică de oxigen, se preconizează că se vor predomina compușii feroviari. PH-ul influențează de asemenea starea de oxidare a fierului, deoarece în medii extrem de acide este favorizată transformarea lui în Fe3 +.

Culorile compușilor săi

Soluția de Fe2 + este verzui și Fe3 + într-un violet moale. De asemenea, compușii de fier pot avea culori verzi sau roșii, în funcție de ce este prezent și de ce ioni sau molecule le înconjoară.

Nuanțele verde se schimbă în funcție de mediul electronic al Fe2 +. Astfel, FeO, oxidul feros, este un solid verde foarte închis; în timp ce FeSO4, sulfat feros, are cristale verzi verzi. Alți compuși ai Fe2 + pot avea chiar tonuri albăstrui, ca în cazul albastrului prusac.

Apare de asemenea cu nuanțele violete ale Fe3 + în compușii săi, care pot deveni roșiați. De exemplu, hematitul, Fe ₂ O ₃, este oxidul responsabil pentru multe bucăți de fier, în căutarea roșiatică.

Un număr considerabil de compuși de fier sunt, totuși, incolori. Clorura ferică, FeCl3, este incoloră, deoarece Fe3 + nu se găsește într-adevăr în formă ionică, ci formează legături covalente (Fe-Cl).

Alți compuși sunt de fapt amestecuri complexe de cationi Fe2 + și Fe3 +. Culorile lor vor fi întotdeauna supuse la care ioni sau molecule interacționează cu fierul, deși așa cum am menționat, o mare majoritate tind să fie albăstrui, violeți, roșiați (chiar galbeni) sau verde închis.

Stările de oxidare

Așa cum sa explicat, fierul poate avea o stare de oxidare sau valență de +2, sau +3. Cu toate acestea, este posibil, de asemenea, să participe la anumiți compuși cu o valență de 0; adică, nu suferă nici o pierdere de electroni.

În acest tip de compuși, fierul participă la forma sa brută. De exemplu, Fe (CO) ₅, pentacarbonil de fier, constă dintr-un ulei obținut prin încălzirea fierului poros cu monoxid de carbon. Moleculele de CO sunt adăpostite în golurile lichidului, Fe fiind coordonat cu cinci dintre acestea (Fe-C = O).

Agenți oxidanți și reducători

Care dintre cationi, Fe2 + sau Fe3 +, se comporta ca agent de oxidare sau reducere? Fe2 + în mediu acid sau în prezența oxigenului, pierde un electron pentru a deveni Fe3 +; prin urmare, este un agent reducător:

Fe2 + => Fe3 + + e-

Și Fe3 + se comportă ca agent de oxidare într-un mediu de bază:

Fe3 + + e- => Fe2 +

Sau chiar:

Fe3 + + 3e- => Credință

Structura chimică

Fierul formează solide polimorfe, adică atomii metalici ai săi pot adopta structuri cristaline diferite. La temperatura camerei, atomii săi cristalizează în unitatea unitară bcc: centrul centrat în corp ( Body Centered Cubic ). Această fază solidă este cunoscută sub numele de ferită, Fe α.

Această structură bcc se datorează faptului că fierul este un metal de configurație d6, cu un spațiu electronic de patru electroni.

Atunci când temperatura crește, atomii de Fe vibrează din cauza efectului termic și adoptă, după 906 ° C, un compact ccc cub: Cubic Closest Packed structure . Acesta este Fe γ, care se întoarce la faza Fe α la o temperatură de 1401 ° C. După această temperatură, fierul se topește la 1535 ° C.

Și cum rămâne cu creșterea presiunii? Atunci când aceasta crește, forțează atomii de cristal să "stoarce" într-o structură mai densă: Fe β. Acest polimorf are o structură compactă hexagonală hcp ( Hexagonal Closed Pack ).

Utilizări / aplicații

structural

Numai fierul are puține aplicații. Cu toate acestea, atunci când este acoperit cu un alt metal (sau aliaj, cum ar fi staniu), acesta este protejat de coroziune. Astfel, fierul este un material de construcție prezent în clădiri, poduri, porți, statui, automobile, mașini, transformatoare etc.

Când se adaugă cantități mici de carbon și alte metale, proprietățile lor mecanice sunt întărite. Aceste tipuri de aliaje sunt cunoscute sub numele de oțeluri. Oțelurile construiesc aproape toate industriile și materialele lor.

Pe de altă parte, fierul amestecat cu alte metale (unele dintre pământurile rare) a fost utilizat pentru fabricarea magneților utilizați în echipamente electronice.

biologic

Fierul joacă un rol esențial în viață. În corpul nostru, face parte din unele proteine, inclusiv enzima hemoglobină.

Fără hemoglobina, purtător de oxigen datorită centrului metalic Fe3 +, oxigenul nu a putut fi transportat în diferite regiuni ale corpului, deoarece în apă este foarte insolubil.

Hemoglobina se deplasează prin sânge în celulele musculare, unde pH-ul este acid și abundă concentrațiile de CO ₂ . Aici se produce procesul invers, adică oxigenul este eliberat datorită condițiilor și concentrației sale scăzute în aceste celule. Această enzimă poate transporta un total de patru molecule de O2.

Cum obții?

Datorită reactivității sale se găsește în crusta terestră formând oxizi, sulfuri sau alte minerale. Prin urmare, unele dintre ele pot fi folosite ca materie primă; totul va depinde de costurile și de dificultățile de reducere a fierului în mediul său chimic.

Din punct de vedere industrial, reducerea oxizilor de fier este mai fezabilă decât cea a sulfurilor sale. Hematitul și magnetitul, Fe3O4, sunt principalele surse ale acestui metal, care reacționează cu carbonul (sub formă de cocs).

Fierul obținut prin această metodă este lichid și incandescent și este golit în lingouri de lingouri (ca o cascadă de lavă). De asemenea, pot fi formate cantități mari de gaze, care pot fi dăunătoare pentru mediu. Prin urmare, obținerea fierului implică luarea în considerare a multor factori.

Reacțiile în interiorul cuptoarelor

Fără a menționa detaliile extracției și transportului, acești oxizi sunt transferați, împreună cu cocsul și calcarul (CaCO3), la cuptoarele de furnal. Oxizii extrași poartă toate tipurile de impurități care reacționează cu CaO eliberat din descompunerea termică a CaC03.

Odată încărcat lotul de materie primă în cuptor, partea inferioară conduce un curent de aer la 2000 ° C, care ard cocsul cu monoxid de carbon:

2C (s) + ₀₂ (g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Acest CO se ridică în partea de sus a cuptorului, unde întâlnește hematitul și îl reduce:

3Fe2O3 (s) + CO (g) => 2Fe3O4 (s) + CO2 (g) (200ºC)

În magnetit există ioni de Fe2 +, produse de reducere a Fe3 + cu CO. Apoi, acest produs continuă să fie redus cu mai mulți CO:

Fe ₃ O ₄ (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + C02 (g) (700ºC)

În cele din urmă, FeO sfârșește prin a fi redus la fierul metalic, care se topește datorită temperaturilor ridicate ale cuptorului:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + C02 (g)

Credință (credințe) => Credință (l)

În timp ce, în același timp, CaO reacționează cu silicații și impuritățile, formând ceea ce se numește zgură lichidă. Această zgură este mai puțin densă decât fierul lichid, motiv pentru care plutește deasupra acestuia și ambele faze se pot separa.