Rauta- (kemiallinen elementti) ominaisuudet, kemiallinen rakenne, käyttö



rauta on siirtymämetalli, joka sijaitsee jaksollisen taulukon ryhmässä VIIIB tai 8. Se on yksi metalleista, jotka ovat olleet tietoisia jo varhaisimmista ajoista lähtien. Kiinalaiset, egyptiläiset ja roomalaiset työskentelivät tämän metallin kanssa. Sen helppo poiminta merkitsi rauta-aikakauden nimeä.

Sen nimi on peräisin latinankielisestä sanasta "ferrum" ja siten sen kemiallisesta symbolista Faith, joka on hyvin reaktiivinen elementti, joten sen hopeakiiltoa ei yleensä löydy luonnosta. Muinaisina aikoina tämä metalli oli tosiasiallisesti luetteloitu arvoon, joka oli korkeampi kuin kullan, sillä sen oletettiin olevan niukasti.

Sen puhdasta muotoa on löydetty Grönlannin alueista ja Venäjän maaperän nykimäistä. Sidereaalisessa tilassa uskotaan, että se on runsas komponentti meteoriiteissa, jotka ovat maan vaikutuksen jälkeen säilyttäneet kiteytyneen raudan kalliossaan.

Mutta tärkeämpi kuin puhdas rauta ovat sen yhdisteet; erityisesti sen oksidit. Nämä oksidit peittävät maan pinnan suuren mineraaliperheen, kuten magnetiitin, pyriitin, hematiitin, goetiitin ja paljon muuta. Itse asiassa Marsin vuorilla ja aavikoilla havaitut värit johtuvat suurelta osin hematiitista.

Rautatuotteita löytyy kaupungeista tai kentistä. Ne, joilla ei ole suojakalvoa, kääntyvät punertaviksi, koska ne syövyttävät kosteutta ja happea. Toiset, kuten pääkuvan lyhty, pysyvät harmaina tai mustina.

On arvioitu, että tämä metalli on valtavan keskittynyt maapallon ytimeen. Niin paljon, että nestemäisessä tilassa, korkean lämpötilan tuote, se voi olla vastuussa maan magneettikentästä.

Toisaalta rauta ei ainoastaan ​​täydentää planeettamme kuoria, vaan se on myös osa elävien olentojen tarvitsemia ravintoaineita. Esimerkiksi happea on kuljetettava kudoksiin.

indeksi

  • 1 Rautan ominaisuudet
    • 1.1 Sulamis- ja kiehumispisteet
    • 1.2 Tiheys
    • 1.3 Isotoopit
    • 1.4 Myrkyllisyys
  • 2 Kemialliset ominaisuudet
    • 2.1 Sen yhdisteiden värit
    • 2.2 Hapetustilat
    • 2.3 Hapettavat ja pelkistävät aineet
  • 3 Kemiallinen rakenne
  • 4 Käyttö / sovellukset
    • 4.1 Rakenne
    • 4.2 Biologinen
  • 5 Miten saat?
    • 5.1 Reaktiot uunien sisällä
  • 6 Viitteet

Rautan ominaisuudet

Puhtaalla raudalla on omat ominaisuudet, jotka erottavat sen mineraaleista. Se on kiiltävä, harmahtava metalli, joka reagoi ilman hapen ja kosteuden kanssa vastaavaksi oksidiksi. Jos ilmakehässä ei ollut happea, kaikki koristeet ja rautarakenteet pysyisivät ehjinä ja vapaina punaisesta ruosteesta..

Sillä on korkea mekaaninen lujuus ja kovuus, mutta samalla se on muovattava ja sitkeä. Tämä sallii sepäntyneiden taistella paloja, joilla on lukuisia muotoja ja malleja, jotka altistavat rautamassat voimakkaille lämpötiloille. Se on myös hyvä lämmön ja sähkön johtaja.

Lisäksi yksi sen arvokkaimmista piirteistä on sen vuorovaikutus magneettien kanssa ja sen kyky magnetoida. Suurelle yleisölle on annettu monia mielenosoituksia siitä, miten magneetit vaikuttavat raudan lastujen liikkumiseen ja osoittavat magneettikentän ja magneettipylväiden näkyvyyden..

Sulamis- ja kiehumispisteet

Rauta sulaa lämpötilassa 1535 ° C ja kiehuu 2750 ° C: ssa. Nestemäisessä ja hehkulampussa tämä metalli saadaan. Lisäksi sen fuusio- ja haihdutuslämpötilat ovat 13,8 ja 349,6 kJ / mol.

tiheys

Sen tiheys on 7,86 g / cm3. Toisin sanoen 1 ml tätä metallia painaa 7,86 grammaa.

isotoopit

Periodisessa taulukossa, erityisesti jakson 4 ryhmässä 8, löytyy rautaa, jonka atomimassa on noin 56u (26 protonia, 26 elektronia ja 30 neutronia). Luonnossa on kuitenkin kolme muuta vakaata rauta-isotooppia, eli niillä on sama määrä protoneja, mutta eri atomimassaa.

56Usko on kaikkein runsain (91,6%), jota seuraa 54Usko (5,9%), 57Fe (2,2%) ja lopulta 58Usko (0,33%). Nämä neljä isotooppia muodostavat maapallon sisältämän raudan. Muissa olosuhteissa (maapallon ulkopuolella) nämä prosenttiosuudet voivat vaihdella, mutta mahdollisesti 56Usko on edelleen runsain.

Muut isotoopit, joiden atomimassat värähtelevät välillä 46 ja 69u, ovat hyvin epävakaita ja niillä on lyhyempiä puoliintumisaikoja kuin neljä juuri mainittua.

myrkyllisyys

Kaikkien ominaisuuksien yläpuolella se on myrkytön metalli. Muussa tapauksessa tarvitaan erikoiskäsittelyjä (kemiallisia ja fyysisiä), ja mittaamattomat esineet ja rakennukset muodostavat piilevän riskin ympäristölle ja elämälle.

Kemialliset ominaisuudet

Raudan elektroninen kokoonpano on [Ar] 3d64s2, mikä tarkoittaa, että se edistää kahta elektronia 4s: n kiertoradastaan ​​ja kuusi 3d-orbitaalista sen metalli- sidosten muodostamiseksi kiteessä. Juuri tämä kiteinen rakenne selittää joitakin ominaisuuksia, kuten ferromagneettisuutta.

Myös elektroninen konfiguraatio ennustaa pinnallisesti kationiensa stabiilisuutta. Kun rauta menettää kaksi sen elektronia, Fe2+, pysyy määrityksellä [Ar] 3d6 (olettaen, että 4s: n kiertorata on, missä nämä elektronit tulevat). Vaikka menetät kolme elektronia, usko3+, sen konfiguraatio on [Ar] 3d5.

Kokeellisesti on osoitettu, että monet ionit, joilla on nd valenssikokoonpano5 Ne ovat hyvin vakaita. Siksi rauta pyrkii hapettumaan elektronin hyväksyviä lajeja vastaan ​​niin, että siitä tulee Fe-ferrikationi3+; ja vähemmän oksidatiivisessa ympäristössä ferrokationissa Fe2+.

Sitten rautayhdisteiden odotetaan vallitsevan suuressa määrin happea sisältämättömässä väliaineessa. PH vaikuttaa myös raudan hapetustilaan, koska hyvin happamissa väliaineissa sen muuntaminen Fe: ksi on edullista3+.

Sen yhdisteiden värit

Usko2+ ratkaisussa on vihertävä ja usko3+, pehmeästä violetista. Samoin rautayhdisteillä voi olla vihreitä tai punaisia ​​värejä riippuen siitä, mikä kationi on läsnä ja mitkä ionit tai molekyylit ympäröivät niitä.

Vihreän muutoksen vivahteita Faithin sähköisen ympäristön mukaan2+. Siten FeO, rautaoksidi, on hyvin tumma vihreä kiinteä aine; kun taas FeSO4, rautasulfaatilla on vaaleanvihreitä kiteitä. Muut Fe-yhdisteet2+ niillä voi olla jopa sinertäviä sävyjä, kuten Preussin sininen.

Se tapahtuu myös Faithin violettisilla sävyillä3+ sen yhdisteissä, jotka voivat muuttua punertaviksi. Esimerkiksi hematiitti, Faith2O3, on monista rautaosista vastuussa oleva oksidi punertava.

Huomattava määrä rautayhdisteitä on kuitenkin väritöntä. Rautakloridi, FeCl3, Se on väritöntä, koska usko3+ Sitä ei todellakaan löydy ionisessa muodossa, vaan muodostetaan kovalenttisia sidoksia (Fe-Cl).

Muut yhdisteet ovat itse asiassa monimutkaisia ​​Fe-kationien seoksia2+ ja usko3+. Niiden värit ovat aina riippuvaisia ​​siitä, mitkä ionit tai molekyylit vuorovaikutuksessa raudan kanssa, vaikka kuten mainittiin, suuri enemmistö on yleensä sinertävä, violetti, punertava (jopa keltainen) tai tummanvihreä.

Hapetustilat

Kuten on selitetty, raudalla voi olla hapetusaste tai valenssi +2 tai +3. On kuitenkin myös mahdollista, että se osallistuu joihinkin yhdisteisiin, joiden valenssi on 0; eli se ei kärsi elektronien häviämisestä.

Tämän tyyppisissä yhdisteissä rauta osallistuu raakamuodossaan. Esimerkiksi Fe (CO)5, Rautapentokarbonyyli koostuu öljystä, joka on saatu kuumentamalla huokoista rautaa hiilimonoksidilla. CO-molekyylit syötetään nesteen reikiin, jolloin Fe on koordinoitu viidestä näistä (Fe-C20).

Hapettavat ja pelkistävät aineet

Mikä kationeista, Faith2+ o Usko3+, Ovatko ne hapettavia tai pelkistäviä aineita? Usko2+ happamassa aineessa tai hapen läsnä ollessa menettää elektronin Fe: ksi3+; siksi se on pelkistävä aine:

usko2+ => Usko3+ + ja-

Ja usko3+ se käyttäytyy hapettimena perusaineessa:

usko3+ + ja- => Usko2+

Tai jopa:

usko3+ + 3e- => Usko

Kemiallinen rakenne

Rauta muodostaa polymorfisia kiinteitä aineita, toisin sanoen sen metalliatomit voivat ottaa käyttöön erilaisia ​​kiteisiä rakenteita. Huonelämpötilassa sen atomit kiteytyvät yksikköyksikössä bcc: kehoon keskitetty kuutiometri (Body Centered Cubic). Tämä kiinteä faasi tunnetaan ferriittinä, Fea.

Tämä bcc-rakenne voi johtua siitä, että rauta on metallikokoonpano6, sähköisen neljän elektronin avointa työpaikkaa.

Kun lämpötila nousee, Fe-atomit värähtelevät lämpövaikutuksen vuoksi ja ottavat 906 ° C: n jälkeen käyttöön kompaktin kuutiometrin ccp-rakenteen:Cubic Closest Pakattu). Fe γ, joka palaa Fe a -faasiin lämpötilassa 1401 ºC. Tämän lämpötilan jälkeen rauta sulaa 1535 ° C: ssa.

Entäpa paineen nousu? Kun se kasvaa, se pakottaa kide- atomit "puristamaan" tiheämpään rakenteeseen: Fep. Tällä polymorfilla on kompakti hcp: kuusikulmainen rakenne (Kuusikulmainen suljettu pakkaus).

Käyttö / sovellukset

rakenteellinen

Pelkästään rautaa on vain vähän sovelluksia. Kuitenkin, kun se on päällystetty toisella metallilla (tai metalliseoksella, kuten tinalla), se on suojattu korroosiolta. Siten rauta on rakennusmateriaali, joka on rakennuksissa, silloissa, portteissa, patsaissa, autoissa, koneissa, muuntajissa jne..

Kun lisätään pieniä määriä hiiltä ja muita metalleja, niiden mekaaniset ominaisuudet vahvistuvat. Tämäntyyppiset seokset tunnetaan teräksinä. Teräkset rakentavat lähes kaikkia toimialoja ja niiden materiaaleja.

Toisaalta elektroniikkalaitteissa käytettävien magneettien valmistukseen on käytetty rautaa, joka on sekoitettu muiden metallien kanssa (jotkut harvinaiset maametallit).

biologinen

Rautalla on keskeinen rooli elämässä. Kehossamme se on osa joitakin proteiineja, mukaan lukien hemoglobiinin entsyymi.

Ilman hemoglobiinia hapen kantaja sen metallisen Fe-keskuksen ansiosta3+, happea ei voitu kuljettaa kehon eri alueille, koska vedessä se on hyvin liukenematon.

Hemoglobiini kulkee veren läpi lihassoluihin, joissa pH on happo ja suuremmat CO-pitoisuudet ovat runsaasti2. Tällöin tapahtuu käänteinen prosessi, eli happea vapautuu olosuhteiden ja niiden alhaisen pitoisuuden vuoksi näissä soluissa. Tämä entsyymi voi kuljettaa yhteensä neljä O-molekyyliä2.

Miten saat?

Reaktiivisuutensa vuoksi se löytyy maankuoresta, joka muodostaa oksideja, sulfideja tai muita mineraaleja. Jotkin niistä voidaan käyttää raaka-aineena; kaikki riippuu kustannuksista ja vaikeuksista vähentää rautaa kemiallisessa ympäristössä.

Teollisesti rautaoksidien pelkistyminen on helpompaa kuin sen sulfideilla. Hematiitti ja magnetiitti, Fe3O4, ovat tämän metallin tärkeimmät lähteet, jotka reagoivat hiilen kanssa (koksin muodossa).

Tällä menetelmällä saatu rauta on huokoinen ja hehkulamppu, ja se tyhjennetään harkkoihin (kuten lava-kaskadiin). Lisäksi voidaan muodostaa suuria määriä kaasuja, jotka voivat olla haitallisia ympäristölle. Siksi raudan saaminen edellyttää monien tekijöiden huomioon ottamista.

Reaktiot uunien sisällä

Nämä oksidit liikkuvat yhdessä koksin ja kalkkikiven (CaCO) kanssa nimeämättä niiden uuttamisen ja kuljetuksen yksityiskohtia3) masuuneihin. Uutetut oksidit kuljettavat kaikenlaisia ​​epäpuhtauksia, jotka reagoivat CaCO: n termisen hajoamisen yhteydessä vapautuneen CaO: n kanssa3.

Kun raaka-aineerä on ladattu uuniin, sen alaosassa on ilmavirta 2000 ° C: ssa, joka polttaa koksin hiilimonoksidiksi:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Tämä CO nousee uunin yläosaan, jossa se täyttää hematiitin ja vähentää sitä:

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

Magnetiitissa on Fe-ioneja2+, Fe-pelkistystuotteet3+ CO: n kanssa. Sitten tätä tuotetta pienennetään edelleen CO: lla:

usko3O4(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO2(g) (700 ° C)

Lopuksi FeO päätyy pelkistymään metalliseksi rautaksi, joka sulaa uunin korkeiden lämpötilojen vuoksi:

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO2(G)

Usko (t) => Usko (l)

Samalla kun CaO reagoi silikaattien ja epäpuhtauksien kanssa, muodostuu nestemäinen kuona. Tämä kuona on vähemmän tiheä kuin nestemäinen rauta, minkä vuoksi se kelluu sen yläpuolella ja molemmat vaiheet voidaan erottaa toisistaan.

viittaukset

  1. National Science Resources Center. (N.D.). Rautaa. Haettu osoitteesta propertiesofmatter.si.edu
  2. R Laiva. (N.D.). Rautaa. Haettu osoitteesta hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (Joulukuu 2003). Rauta: Marsin metalli antaa meille magnetismin ja elämän. Haettu osoitteesta mysite.du.edu
  4. Chemicole Periodic Table. (6. lokakuuta 2012). Rautaa. Haettu osoitteesta: chemicool.com
  5. Tasapaino. (N.D.). Metalliprofiili: Rauta. Otettu: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia (neljäs painos). Mc Graw Hill.
  7. Clark J. (29. marraskuuta 2015). Raudan uuttaminen. Haettu osoitteesta: chem.libretexts.org