Raud (keemiline element) omadused, keemiline struktuur, kasutusalad



The raud on üleminekumetall, mis asub perioodilise tabeli VIIIB või 8 rühmas. See on üks metallidest, mis on olnud teadlikud juba varem. Hiina, egiptlased ja roomlased töötasid selle metalliga. Selle kerge väljavõtmine tähistas raudse ajastu nime.

Selle nimi tuleneb ladinakeelsest sõnast „ferrum” ja sellest tulenevalt selle keemilisest sümbolist Faith, mis on väga reaktiivne element, mistõttu selle hõbedast läige ei ole looduses tavaliselt leitud. Iidsetel aegadel oli see metallist kataloogitud suurema väärtusega kui kulla eeldatav nappus.

Selle puhas vorm on leitud Gröönimaa piirkondades ja Venemaa mullakivides. Sidereaalses ruumis usutakse, et see on meteoriitide rikkalik komponent, mis on pärast Maa mõjutamist säilitanud kristalliseeritud raua oma kivisel rinnal.

Kuid tähtsam kui puhas raud on selle ühendid; eriti selle oksiidid. Need oksiidid katavad maapinna suure mineraalide perekonnaga, nagu magnetiit, püriit, hematiit, goetiit ja palju muud. Tegelikult on Marsi mägedes ja kõrbetes täheldatud värvused suures osas tingitud hematiidist.

Raudobjekte võib leida linnadest või väljadest. Need, kellel ei ole kaitsekile, muutuvad punakaks, sest need söövad niiskuse ja hapniku tõttu. Teised, nagu peamise pildi latern, jäävad halliks või mustaks.

Hinnatakse, et selle metalli kontsentratsioon on Maa südamikus suur. Nii palju, et vedelas olekus, kõrgetel temperatuuridel, võib see olla vastutav Maa magnetvälja eest.

Teisest küljest täiendab raud mitte ainult meie planeedi kestat, vaid on ka osa elusolendite nõutavatest toitainetest. Näiteks on vaja transportida hapnikku kudedesse.

Indeks

  • 1 Raua omadused
    • 1.1 Sulamis- ja keemispunktid
    • 1.2 Tihedus
    • 1.3 Isotoobid
    • 1.4 Toksilisus
  • 2 Keemilised omadused
    • 2.1 Ühendite värvid
    • 2.2 Oksüdeerimisolekud
    • 2.3 Oksüdeerivad ja redutseerivad ained
  • 3 Keemiline struktuur
  • 4 Kasutamine / rakendused
    • 4.1 Struktuurilised
    • 4.2 Bioloogiline
  • 5 Kuidas sa saad?
    • 5.1 Reaktsioonid ahjude sees
  • 6 Viited

Raua omadused

Puhtal raudal on oma omadused, mis eristavad seda mineraalidest. See on läikiv hallikas metall, mis reageerib õhu hapnikule ja niiskusele, muutes selle vastavaks oksiidiks. Kui atmosfääris ei oleks hapnikku, jääksid kõik kaunistused ja raudstruktuurid terveks ja ilma punase roosteta..

Sellel on kõrge mehaaniline tugevus ja kõvadus, kuid samal ajal on see tempermalmist ja plastist. See võimaldab sepakodadel luua palju kuju ja kujundeid, mis mõjutavad raudmassi intensiivsetele temperatuuridele. Samuti on see hea soojus- ja elektrijuht.

Lisaks on üks selle kõige väärtuslikumaid omadusi selle koostoime magnetitega ja selle võime magnetiseerida. Üldsusele on antud palju tõendeid selle kohta, milline on magnetite mõju raua laastude liikumisele, ning samuti näidata magnetvälja ja magnetite pooluseid..

Sulamis- ja keemispunktid

Raud sulab temperatuuril 1535 ° C ja keeb temperatuuril 2750 ° C. Vedel ja hõõguval kujul saadakse see metall. Lisaks on selle kuumutamise ja aurutamise temperatuur 13,8 ja 349,6 kJ / mol.

Tihedus

Selle tihedus on 7,86 g / cm3. See tähendab, et 1mL sellest metallist kaalub 7,86 grammi.

Isotoobid

Perioodilises tabelis, eriti perioodi 4 rühmas 8, leitakse raua, mille aatommass on ligikaudu 56u (26 prootoni, 26 elektroni ja 30 neutronit). Looduses on aga veel kolm stabiilset raua isotoopi, see tähendab, et neil on sama palju prootoneid, kuid erinevad aatommassid.

The 56Usk on kõige suurem (91,6%), millele järgneb 54Usk (5,9%), 57Fe (2,2%) ja lõpuks 58Usk (0,33%). Need neli isotoopi moodustavad kogu planeedil oleva raua. Teistes tingimustes (maaväline) võivad need protsendid erineda, kuid tõenäoliselt ka 56Usk on jätkuvalt kõige rikkalikum.

Teised isotoopid, mille aatommassid on vahemikus 46 kuni 69u, on väga ebastabiilsed ja neil on lühemad poolväärtusaegud kui nelja äsja mainitud.

Toksilisus

Kõigepealt on see mürgine metall. Vastasel juhul oleks vaja eriravi (keemiline ja füüsiline) ning mõõtmatuid esemeid ja hooneid kujutaks endast varjatud riski keskkonnale ja elule..

Keemilised omadused

Raua elektrooniline konfiguratsioon on [Ar] 3d64s2, mis tähendab, et see annab oma 4s orbiidist kaks elektroni ja 3d orbitaalidest kuus, et moodustada kristallide sees metalli sidemeid. Just see kristalne struktuur selgitab mõningaid omadusi, näiteks ferromagnetismi.

Samuti ennustab elektrooniline konfiguratsioon pealiskaudselt selle katioonide stabiilsust. Kui raud kaotab kaks oma elektroni, Fe2+, jääb konfiguratsiooniga [Ar] 3d6 (eeldades, et 4s orbiidil on need elektronid). Kui sa kaotad kolm elektroni, usu3+, selle konfiguratsioon on [Ar] 3d5.

Eksperimentaalselt on näidatud, et paljud ioonid, millel on nd valentsikonfiguratsioon5 Nad on väga stabiilsed. Seepärast kaldub raua oksüdeeruma elektronide vastuvõtvate liikide vastu, et saada Fe ferrikatiooniks3+; ja vähem oksüdatiivses keskkonnas, raua katioonis Fe2+.

Seejärel eeldatakse, et väikeses hapnikusisaldusega söötmes domineerivad rauaühendid. PH mõjutab ka raua oksüdeerumist, kuna väga happelises keskkonnas eelistatakse selle muundumist Fe-ks3+.

Selle ühendite värvid

Usk2+ lahuses on rohekas ja usk3+, pehme violetne. Samuti võivad rauaühenditel olla rohelised või punased värvid sõltuvalt sellest, milline katioon on olemas ja millised ioonid või molekulid neid ümbritsevad.

Rohelise muutuse nüansid vastavalt usu elektroonilisele keskkonnale2+. Seega on FeO, raudoksiid, väga tumeroheline tahke aine; samas kui FeSO4, raudsulfaat, on helerohelised kristallid. Muud Fe ühendid2+ neil võib olla isegi sinakas toon, nagu Preisi sinise puhul.

See juhtub ka usu violetse tooniga3+ selle ühendites, mis võivad muutuda punakaks. Näiteks hematiit, Faith2O3, on paljude rauastükkide eest vastutav oksiid punakas.

Märkimisväärne hulk rauaühendeid on siiski värvitu. Raudkloriid, FeCl3, See on värvitu, sest usk3+ Seda ei leitud ioonses vormis, kuid moodustavad kovalentseid sidemeid (Fe-Cl).

Teised ühendid on tegelikult Fe-katioonide komplekssed segud2+ ja usk3+. Nende värvid sõltuvad alati sellest, millised ioonid või molekulid on rauaga suhtlevad, kuigi nagu mainitud, kipub enamus olema sinakas, violetne, punakas (isegi kollane) või tumeroheline.

Oksüdeerimisolekud

Nagu selgitatud, võib raual olla oksüdatsiooniaste või valentsus +2 või +3. Siiski on ka võimalik, et ta osaleb mõnes ühendis, mille valents on 0; see tähendab, et see ei kannata elektronide kadu.

Seda tüüpi ühendites osaleb raua toorprodukt. Näiteks Fe (CO)5, Raua pentakarbonüül koosneb õli, mis saadakse poorse raua kuumutamisel süsinikmonooksiidiga. CO molekulid sisestatakse vedeliku aukudesse, kusjuures Fe on viie neist (Fe-C20) koordineeritud..

Oksüdeerivad ja redutseerivad ained

Milline katioonidest, Faith2+ o Usk3+, Kas nad käituvad oksüdeeriva või redutseeriva ainena? Usk2+ happelises keskkonnas või hapniku juuresolekul kaotab elektroni muutumise3+; seetõttu on see redutseerija:

Usk2+ => Usk3+ + e-

Ja usk3+ see toimib oksüdeeriva ainena põhisöötmes:

Usk3+ + e- => Usk2+

Või isegi:

Usk3+ + 3e- => Usk

Keemiline struktuur

Raud moodustab polümorfseid tahkeid aineid, see tähendab, et selle metalliaatomid võivad omada erinevaid kristallstruktuure. Toatemperatuuril kristalliseeruvad selle aatomid ühtses ühikutes bcc: keha keskel olev kuup (Body Centered Cubic). See tahke faas on tuntud kui ferriit, Fe α.

See bcc struktuur võib olla tingitud asjaolust, et raud on metallist konfiguratsioon6, elektroonilise neljaelektroonilise vabanemisega.

Kui temperatuur tõuseb, vibreerivad Fe aatomid termilise mõju tõttu ja võtavad 906 ° C järel kompaktse kuupmeetri ccp struktuuri:Cubic Closest pakitud). Fe γ, mis naaseb Fe α faasi temperatuurile 1401 ° C. Pärast seda temperatuuri sulab raua temperatuur 1535 ° C.

Ja mis on surve tõus? Kui see suureneb, sunnib see kristalli aatomeid "pigistama" tihedamasse struktuuri: Fe β. Sellel polümorfil on kompaktne hcp: kuusnurkne struktuur (Kuusnurkne suletud pakend).

Kasutused / rakendused

Struktuuriline

Ainuüksi raual on vähe rakendusi. Kui see on kaetud teise metalliga (või sulamiga, näiteks tina), on see korrosiooni eest kaitstud. Seega on raud raudtee, mis on ehitistes, sildades, väravades, kujudes, autodes, masinates, transformaatorites jne..

Kui lisatakse väheses koguses süsinikku ja teisi metalle, tugevdatakse nende mehaanilisi omadusi. Seda tüüpi sulamid on tuntud kui terased. Terased ehitavad peaaegu kõiki tööstusharusid ja nende materjale.

Teisest küljest on elektroonikaseadmetes kasutatavate magnetite valmistamiseks kasutatud rauda, ​​mis on segatud teiste metallidega (mõnede haruldaste muldmetallidega)..

Bioloogiline

Raud mängib elus olulist rolli. Meie kehades on see osa teatud valkudest, kaasa arvatud ensüüm hemoglobiin.

Hemoglobiinita, hapniku kandja tänu metallilisele Fe-keskele3+, hapnikku ei saa transportida keha erinevatesse piirkondadesse, sest vees on see väga lahustumatu.

Hemoglobiin liigub läbi vere lihasrakkudesse, kus pH on happeline ja suurem CO kontsentratsioon on rikkalik2. Siin esineb vastupidine protsess, st hapnik vabaneb tingimuste ja nende madalate kontsentratsioonide tõttu nendes rakkudes. See ensüüm võib transportida kokku neli O-molekuli2.

Kuidas sa saad?

Oma reaktiivsuse tõttu leidub see maakoores, moodustades oksiide, sulfide või muid mineraale. Seetõttu võib mõnda neist kasutada toorainena; kõik sõltub kuludest ja raskustest vähendada rauda keemilises keskkonnas.

Tööstuslikult on raudoksiidide redutseerimine teostatavam kui selle sulfiidid. Hematiit ja magnetiit, Fe3O4, on selle metalli peamised allikad, mis reageerivad süsinikuga (koksi kujul).

Selle meetodiga saadud raud on vedel ja hõõguv ning see tühjendatakse valuplokkidena (nagu lava kaskaad). Samuti võib moodustada suuri koguseid gaase, mis võivad olla keskkonnale kahjulikud. Seetõttu hõlmab raua saamine mitmeid tegureid.

Reaktsioonid ahjude sees

Nimetamata nende ekstraheerimise ja transpordi üksikasju, liiguvad need oksiidid koos koksiga ja lubjakiviga (CaCO3) kõrgahjudele. Ekstraheeritud oksiidid kannavad igasuguseid lisandeid, mis reageerivad CaCO-ga vabanenud CaO-ga3.

Kui tooraine partii on ahjule laetud, töötab selle alaosas õhuvool 2000 ° C juures, mis põleb koksi süsinikmonooksiidiks:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000 ° C)

See CO tõuseb ahju ülaosale, kus see vastab hematiidile ja vähendab seda:

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

Magnetiidis on Fe-iioone2+, Fe redutseerimise tooted3+ CO-ga. Seejärel vähendatakse seda toodet rohkem CO-ga:

Usk3O4(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO2(g) (700ºC)

Lõpuks langeb FeO metalli rauaks, mis sulab ahju kõrgetel temperatuuridel:

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

Usk (id) => Usk (l)

Samal ajal, kui CaO reageerib silikaatide ja lisanditega, moodustades vedela räbu. See räbu on vähem tihe kui vedel raud, mistõttu see hõljub selle kohal ja mõlemad faasid on võimalik eraldada.

Viited

  1. Riiklik teadusressursside keskus. (s.f.). Raud. Välja otsitud andmebaasist: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Laev. (s.f.). Raud. Välja otsitud andmebaasist: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (Detsember 2003). Raud: Marsi metall annab meile magnetismi ja elu. Välja otsitud andmebaasist: mysite.du.edu
  4. Chemicole Periodic Table. (6. oktoober 2012). Raud. Välja otsitud andmebaasist: chemicool.com
  5. Tasakaal. (s.f.). Metallprofiil: raud. Võetud: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Anorgaaniline keemia (neljas väljaanne). Mc Grawi mägi.
  7. Clark J. (29. november 2015). Raua kaevandamine. Välja otsitud andmebaasist: chem.libretexts.org