Jern (kjemisk element) egenskaper, kjemisk struktur, bruk

den jern er et overgangsmetall som er lokalisert i gruppe VIIIB eller 8 i det periodiske tabellen. Det er en av metallene som har vært oppmerksom på siden de tidligste tider. Kineserne, egypterne og romerne arbeidet med dette metallet. Dens enkle utvinning markerte et stadium av historie kjent som jernalderen.

Navnet stammer fra ordet "ferrum" på latin, og dermed dets kjemiske symbol Faith. Det er et veldig reaktivt element, så sølvglansen er vanligvis ikke funnet i naturen. I oldtiden var dette metallet faktisk katalogisert med en verdi høyere enn gullverdien på grunn av den antatte knappheten.

Den rene formen har blitt funnet i regioner i Grønland og i forstyrrende bergarter av Russland. I sidevannsrommet antas det at det er en rikelig komponent i meteoritter, som etter å ha påvirket Jorden noen har bevart det krystalliserte jernet i sine steinete bryst.

Men, viktigere enn rent jern, er dets forbindelser; spesielt, dets oksider. Disse oksyder dekker jordoverflaten med en stor familie av mineraler, som magnetitt, pyritt, hematitt, goetitt og mange flere. Faktisk er fargene som observeres i fjellene i Mars og ørkenene til stor del på grunn av hematitt.

Jernobjekter finnes i byer eller felt. De som ikke har beskyttende film, blir rødlige fordi de korroderer av fuktighet og oksygen. Andre, som lanternen til hovedbildet, forblir grå eller svart.

Det er anslått at det er en massiv konsentrasjon av dette metallet i jordens kjerne. Så mye, at i flytende tilstand, produkt av høye temperaturer, kan det være ansvarlig for jordens magnetfelt.

På den annen side kompletterer jern ikke bare planetens skall, men er også en del av næringsstoffene som kreves av levende vesener. For eksempel er det nødvendig å transportere oksygen til vev.

index

• 1 Kjennetegn ved jern
  • 1.1 Smeltepunkt og kokepunkt
  • 1,2 tetthet
  • 1,3 isotoper
  • 1.4 Toksisitet
• 2 Kjemiske egenskaper
  • 2.1 Farger av dets forbindelser
  • 2.2 Oksidasjonstilstander
  • 2.3 Oksiderings- og reduksjonsmidler
• 3 Kjemisk struktur
• 4 bruksområder / applikasjoner
  • 4.1 Strukturell
  • 4,2 biologisk
• 5 Hvordan får du det??
  • 5.1 Reaksjoner inne i ovnen
• 6 Referanser

Kjennetegn ved jern

Rent jern har sine egne egenskaper som skiller det fra mineraler. Det er et skinnende, gråaktig metall som reagerer med oksygen og fuktighet i luften for å forvandle seg til det tilsvarende oksydet. Hvis det ikke var oksygen i atmosfæren, ville alle ornamenter og jernstrukturer forbli intakt og fri for rød rust..

Den har høy mekanisk styrke og hardhet, men samtidig er det fleksibel og duktil. Dette gjør det mulig for smedere å smi brikker med mange former og motiver som underkaster jernmasser til sterke temperaturer. Det er også en god leder av varme og elektrisitet.

I tillegg er en av de mest verdifulle egenskapene sin interaksjon med magneter og dens evne til å magnetisere. Allmennheten har fått mange demonstrasjoner av effekten som magneter gir på bevegelsen av jernspåner, og også å demonstrere magnetfeltet og polene på en magnet.

Smeltepunkt og kokepunkt

Jernet smelter ved en temperatur på 1535ºC og koke ved 2750ºC. I sin flytende og glødende form oppnås dette metall. I tillegg er dens varmer av fusjon og fordamping 13,8 og 349,6 kJ / mol.

tetthet

Dens tetthet er 7,86 g / cm³. Det vil si at 1 ml av dette metallet veier 7,86 gram.

isotoper

I periodisk tabell, spesielt i gruppe 8 i periode 4, er det funnet jern med en atommasse på ca. 56u (26 protoner, 26 elektroner og 30 nøytroner). Imidlertid er det i naturen tre andre stabile isotoper av jern, det vil si at de har samme antall protoner, men forskjellige atommasser.

den ⁵⁶Troen er den rikeste av alle (91,6%), etterfulgt av ⁵⁴Tro (5,9%), ⁵⁷Fe (2,2%) og til slutt den ⁵⁸Tro (0,33%). Det er disse fire isotoper som utgjør alt jern som finnes på planeten Jorden. I andre forhold (utenomjordisk), kan disse prosentene variere, men muligens ⁵⁶Troen fortsetter å være den rikeste.

Andre isotoper, med atommasser som svinger mellom 46 og 69u, er svært ustabile og har kortere halveringstid enn de fire nevnte.

toksisitet

Fremfor alt funksjonene er det et giftfritt metall. Ellers ville det være nødvendig med spesielle behandlinger (kjemisk og fysisk), og umåtelige gjenstander og bygninger ville utgjøre en latent risiko for miljø og liv.

Kjemiske egenskaper

Den elektroniske konfigurasjonen av jern er [Ar] 3d⁶4s², noe som betyr at den bidrar med to elektroner fra sin 4s-omgang, og seks fra 3d-orbitaler, for dannelsen av metallbinderiene i krystallet. Det er denne krystallinske strukturen som forklarer noen egenskaper som ferromagnetisme.

Også den elektroniske konfigurasjonen forutsetter overfladisk stabiliteten av kationene. Når jern taper to av dets elektroner, Fe²⁺, gjenstår med konfigurasjon [Ar] 3d⁶ (forutsatt at 4s-bane er hvor disse elektronene kommer fra). Mens hvis du mister tre elektroner, tro³⁺, dens konfigurasjon er [Ar] 3d⁵.

Eksperimentelt har det blitt vist at mange ioner med nd valensekonfigurasjon⁵ De er veldig stabile. Derfor har jern en tendens til å oksidere mot elektronaksepterende arter for å bli Fe-ferrikatjonen³⁺; og i et mindre oksidativt miljø i den ferrokation Fe²⁺.

Deretter, i et medium med lite oksygen-tilstedeværelse, forventes jernholdige forbindelser å dominere. PH påvirker også oksidasjonstilstanden til jern, siden det i meget sure medier er favorisert sin transformasjon til Fe³⁺.

Farger av dets forbindelser

Troen²⁺ i løsningen er grønn, og troen³⁺, av en myk fiolett. På samme måte kan jernforbindelser ha grønne eller røde farger avhengig av hvilken kation som er tilstede, og hvilke ioner eller molekyler omgir dem.

Nyansene av grønne endringer i henhold til troens elektroniske miljø²⁺. FeO, jernholdig oksid, er således et meget mørkt grønt fast stoff; mens FeSO₄, jernholdig sulfat, har lyse grønne krystaller. Andre Fe-forbindelser²⁺ de kan til og med ha blåaktige toner, som i tilfelle av preussisk blå.

Det skjer også med troens violette nyanser³⁺ i dets forbindelser, som kan bli rødaktige. For eksempel hematitt, tro₂O₃, er oksidet ansvarlig for mange stykker av jern, se rødaktig.

Et betydelig antall jernforbindelser er imidlertid fargeløse. Ferriklorid, FeCl₃, Det er fargeløst, fordi troen³⁺ Det er egentlig ikke funnet i ionform, men danner kovalente bindinger (Fe-Cl).

Andre forbindelser er faktisk komplekse blandinger av Fe kationer²⁺ og tro³⁺. Deres farger vil alltid være gjenstand for hvilke ioner eller molekyler som virker sammen med jern, men som nevnt har et stort flertall en tendens til å være blåaktig, fiolett, rødaktig (ja gul) eller mørkegrønn.

Oksidasjonstilstander

Som forklart, kan jern ha en oksidasjonstilstand eller valens av +2 eller +3. Det er imidlertid også mulig at den deltar i noen forbindelser med en valens på 0; det vil si, det ledes ikke til tap av elektroner.

I denne typen forbindelser deltar jern i sin råform. For eksempel, Fe (CO)₅, Jernpentakarbonyl, består av en olje oppnådd ved oppvarming av porøst jern med karbonmonoksyd. Molekylene av CO er innlagt i væskens hull, Fe er koordinert med fem av disse (Fe-C = O).

Oksyderings- og reduksjonsmidler

Hvilke av kationene, troen²⁺ o tro³⁺, Opptrer de som et oksiderende eller reduserende middel? Troen²⁺ i et surt medium eller i nærvær av oksygen, taper et elektron for å bli Fe³⁺; Derfor er det et reduksjonsmiddel:

tro²⁺ => Tro³⁺ + og^-

Og troen³⁺ det oppfører seg som et oksidasjonsmiddel i et grunnmedium:

tro³⁺ + og^- => Tro²⁺

Eller til og med:

tro³⁺ + 3e^- => Tro

Kjemisk struktur

Jern danner polymorfe faste stoffer, det vil si at metallatomer kan adoptere forskjellige krystallinske strukturer. Ved romtemperatur krystalliserer atomer i enhetlig enhet bcc: kubikk sentrert i kroppen (Body Centered Cubic). Denne faste fase er kjent som ferritt, Fe a.

Denne bcc-strukturen kan skyldes det faktum at jern er en metallkonfigurasjon⁶, med elektronisk fire-elektron ledig stilling.

Når temperaturen øker, vibrerer Fe-atomene på grunn av den termiske effekten og vedtar etter 906 ° C en kompakt kubisk ccp-struktur:Kubisk Nærmeste Pakket). Det er Fe γ, som returnerer til Fe α-fasen ved en temperatur på 1401ºC. Etter denne temperatur smelter jernet ved 1535ºC.

Og hva med økt press? Når det øker, tvinger det krystallatomer til å "klemme" inn i en tettere struktur: Fe β. Denne polymorfen har en kompakt hcp: sekskantet struktur (Sekskantet lukket pakke).

Bruk / applikasjoner

strukturell

Jern alene har få søknader. Men når den er belagt med et annet metall (eller legering, som tinn), er den beskyttet mot korrosjon. Derfor er jern et byggemateriale til stede i bygninger, broer, porter, statuer, biler, maskiner, transformatorer, etc..

Når små mengder karbon og andre metaller blir tilsatt, blir deres mekaniske egenskaper forsterket. Disse typer legeringer er kjent som stål. Stålene bygger nesten alle bransjer og deres materialer.

På den annen side har jern blandet med andre metaller (noen av sjeldne jordarter) blitt brukt til fremstilling av magneter brukt i elektronisk utstyr.

biologisk

Jern spiller en viktig rolle i livet. I våre kropper er det en del av noen proteiner, inkludert enzymet hemoglobin.

Uten hemoglobin, oksygenbærer takket være det metalliske Fe-senteret³⁺, oksygenet kunne ikke transporteres til forskjellige områder av kroppen, fordi det i vann er svært uoppløselig.

Hemoglobin beveger seg gjennom blodet til muskelceller, hvor pH er sur og høyere konsentrasjoner av CO er rikelig₂. Her skjer omvendt prosess, det vil si oksygen frigjøres på grunn av forholdene og dens lave konsentrasjon i disse cellene. Dette enzymet kan transportere totalt fire O molekyler₂.

Hvordan får du det??

På grunn av dens reaktivitet er det funnet i jordskorpen som danner oksider, sulfider eller andre mineraler. Derfor kan noen av dem brukes som råmateriale; alt vil avhenge av kostnadene og vanskelighetene for å redusere jern i sitt kjemiske miljø.

Industrielt er reduksjonen av jernoksyder mer mulig enn av dens sulfider. Hematitt og magnetitt, Fe₃O₄, er hovedkildene til dette metallet, som reageres med karbon (i form av koks).

Jernet som er oppnådd ved denne metoden, er flytende og glødende, og det tømmes i ingots av ingots (som en lavaskaskade). Også store mengder gasser kan dannes, noe som kan være skadelig for miljøet. Derfor, å skaffe jern innebærer hensynet til mange faktorer.

Reaksjoner inne i ovner

Uten å nevne detaljene for utvinning og transport, beveger disse oksyder seg, sammen med koks og kalkstein (CaCO₃) til sprengovner. De ekstraherte oksyder bærer alle slags urenheter, som reagerer med CaO frigjort fra den termiske dekomponering av CaCO₃.

Når det er ladet batchen av råstoff til ovnen, går det i sin nedre del en luftstrøm ved 2000ºC, som forbrenner koks til karbonmonoksid:

2C (s) + O₂(g) => 2CO (g) (2000ºC)

Denne CO stiger til toppen av ovnen, der den møter hematitten og reduserer den:

3fe₂O₃(s) + CO (g) => 2Fe₃O₄(e) + CO₂(g) (200 ° C)

I magnetittet er det Fe ioner²⁺, Fe reduksjonsprodukter³⁺ med CO. Så fortsetter dette produktet med mer CO:

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

Til slutt slutter FeO å bli redusert til metallisk jern, som smelter på grunn av de høye temperaturene i ovnen:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(G)

Tro (er) => Tro (l)

Samtidig reagerer CaO med silikater og urenheter, og danner det som kalles flytende slagg. Denne slaggen er mindre tett enn flytende jern, derfor flyter det over det, og begge faser kan skilles.

referanser

1. National Science Resources Center. (N.d.). Iron. Hentet fra: propertiesofmatter.si.edu
2. R Ship. (N.d.). Iron. Hentet fra: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
3. B. Calvert. (Desember 2003). Jern: Marsmetall gir oss magnetisme og liv. Hentet fra: mysite.du.edu
4. Chemicole Periodisk Tabell. (6. oktober 2012). Iron. Hentet fra: chemicool.com
5. Balansen. (N.d.). Metallprofil: Jern. Hentet fra: thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi (fjerde utgave). Mc Graw Hill.
7. Clark J. (29. november 2015). Utvinning av jern. Hentet fra: chem.libretexts.org