Demir (kimyasal element): özellikleri, kimyasal yapısı, kullanımları

Demir, periyodik tablonun VIIIB grubunda veya 8 grubunda bulunan bir geçiş metalidir. En eski zamanlardan beri farkında olan metallerden biridir. Çinliler, Mısırlılar ve Romalılar bu metalle çalıştılar. Kolay çıkarılması, Demir Çağı olarak bilinen bir tarih aşamasına işaret ediyordu.

Adı Latince'deki “ferrum” kelimesinden türemiştir ve bu nedenle onun kimyasal sembolü olan İnanç Çok reaktif bir elementtir, dolayısıyla gümüş parıltısı doğada genellikle bulunmaz. Antik çağda, bu metal aslında sözde azlığı nedeniyle altından daha yüksek bir değere sahipti.

Saf hali Grönland bölgelerinde ve Rusya topraklarının magmatik kayalarında bulundu. Sidereal uzayda meteorlarda bol miktarda bir bileşen olduğuna inanılmaktadır, Dünya'ya çarptıktan sonra bazılarının kayalık göğüslerinde kristalize demir koruduğu düşünülmektedir.

Ancak saf demirden daha önemli olan bileşiklerdir; özellikle de oksitler. Bu oksitler dünyanın yüzeyini manyetit, pirit, hematit, goetit ve daha fazlası gibi geniş bir mineral ailesi ile kaplar. Aslında, Mars dağlarında ve çöllerinde gözlenen renklenmeler, büyük ölçüde hematite bağlıdır.

Şehirlerde veya tarlalarda demir nesneler bulunabilir. Koruyucu filmi olmayanlar kızarık olurlar çünkü nem ve oksijenden dolayı korozyona uğrarlar. Ana görüntünün feneri gibi diğerleri gri veya siyah kalır.

Dünya'nın çekirdeğinde bu metalin muazzam bir konsantrasyonunun olduğu tahmin edilmektedir. Öyle ki, sıvı halde, yüksek sıcaklıklarda ürün, Dünya'nın manyetik alanından sorumlu olabilir.

Öte yandan, demir sadece gezegenimizin kabuğunu tamamlamaz, aynı zamanda canlıların ihtiyaç duyduğu besin maddelerinin bir parçasıdır. Örneğin, oksijenin dokulara taşınması gerekir.

Demirin özellikleri

Saf demir, onu minerallerinden ayıran kendine has özelliklere sahiptir. Parlak, grimsi bir metaldir ve havadaki oksijen ve nemle reaksiyona girerek karşılık gelen okside dönüşür. Atmosferde oksijen yoksa, tüm süs eşyaları ve demir yapılar sağlam ve kırmızı pas içermez.

Mekanik mukavemeti ve sertliği yüksektir, fakat aynı zamanda dövülebilir ve sünektir. Bu, demircilerin sayısız şekildeki parçaları şekillendirmelerini ve demir kütlelerini yoğun sıcaklıklara maruz bırakmalarını sağlar. Aynı zamanda iyi bir ısı ve elektrik iletkenidir.

Ek olarak, en değerli özelliklerinden biri mıknatıslarla etkileşimi ve mıknatıslanma kabiliyetidir. Genel halka, mıknatısların demir talaşlarının hareketine sağladığı etkinin ve ayrıca manyetik alanın ve bir mıknatısın kutuplarının gösterilmesi için birçok kanıt gösterildi.

Erime ve kaynama noktaları

Demir 1535ºC sıcaklıkta erir ve 2750ºC'de kaynar. Sıvı ve akkor formunda bu metal elde edilir. Ek olarak, füzyon ve buharlaşma sıcaklıkları 13.8 ve 349.6 kJ / mol'dür.

yoğunluk

Yoğunluğu 7.86g / cm3'tür. Yani, bu metalin 1 mL'si 7.86 gramdır.

izotoplar

Periyodik tabloda, özellikle 4. periyotta 8. grupta, yaklaşık 56u'luk bir atom kütlesi ile (26 proton, 26 elektron ve 30 nötron) demir bulunur. Bununla birlikte, doğada demirin diğer üç stabil izotopu vardır, yani, aynı sayıda protona, ancak farklı atomik kütlelere sahiptirler.

56Fe hepsinin en bol olanıdır (% 91, 6), bunu 54Fe (% 5, 9), 57Fe (% 2, 2) ve son olarak 58Fe (% 0, 33) izlemektedir. Dünya gezegeninde bulunan tüm demiri oluşturan bu dört izotoptur. Diğer koşullarda (dünya dışı), bu yüzdeler değişebilir, ancak 56Fe en bol olmaya devam edebilir.

46 ila 69u arasında salınan atom kütleleri olan diğer izotoplar çok dengesizdir ve az önce bahsedilen dörtten daha az ömre sahiptir.

toksisite

Tüm özelliklerin üstünde toksik olmayan bir metaldir. Aksi takdirde, özel işlemler (kimyasal ve fiziksel) gerekli olacak ve ölçülemeyen nesneler ve binalar çevre ve yaşam için gizli bir risk teşkil edecektir.

Kimyasal özellikleri

Ütünün elektronik konfigürasyonu [Ar] 3d64s2'dir, yani kristal içinde metal bağlarının oluşması için 4'lü yörüngesinden iki elektron ve 3'lü yörüngeden altı elektronuna katkıda bulunur. Ferromanyetizma gibi bazı özellikleri açıklayan bu kristal yapıdır.

Ayrıca, elektronik konfigürasyon yüzeysel olarak katyonların stabilitesini öngörür. Demir, elektronlarından ikisini Fe2 + 'yi kaybettiğinde, [Ar] 3d6 yapılandırmasıyla kalır (4s orbitalinin bu elektronların geldiği yer olduğu varsayılarak). Fe3 + üç elektron kaybederse, konfigürasyonu [Ar] 3d5 olur.

Deneysel olarak, nd5 değerlik konfigürasyonuna sahip birçok iyonun büyük stabiliteye sahip olduğu gösterilmiştir. Bu nedenle demir, elektron kabul eden türlere karşı Fe3 + ferrik katyon haline gelmeye karşı oksitlenme eğilimindedir; ve daha az oksidatif bir ortamda, Fe2 + demir katyonunda.

Daha sonra, az oksijen bulunan bir ortamda, demir bileşiklerinin baskın olması beklenir. PH ayrıca demirin oksidasyon durumunu da etkiler, çünkü yüksek asitli ortamlarda Fe3 + 'a dönüşümü tercih edilir.

Bileşiklerinin renkleri

Solüsyondaki Fe2 + yeşilimsi, yumuşak bir menekşe içindeki Fe3 +. Benzer şekilde, demir bileşikleri, hangi katyonun mevcut olduğuna ve onları hangi iyonların veya moleküllerin çevrelediğine bağlı olarak yeşil veya kırmızı renklere sahip olabilir.

Yeşilin tonları, Fe2 + 'in elektronik ortamına göre değişir. Böylece, demir oksit olan FeO çok koyu yeşil bir katıdır; demir sülfat ise FeS04 açık yeşil kristallere sahiptir. Diğer Fe2 + bileşikleri, Prusya mavisinde olduğu gibi mavimsi tonlara da sahip olabilir.

Aynı zamanda Fe3 + 'ın mor tonlarında, bileşiklerinde kırmızımsılaşabilir. Örneğin, hematit, Fe203, kırmızımsı görünen pek çok demir parçasından sorumlu oksittir.

Bununla birlikte, kayda değer sayıda demir bileşiği renksizdir. Ferrik klorür, FeCl3, renksizdir, çünkü Fe3 +, iyonik formda bulunmaz fakat kovalent bağlar oluşturur (Fe-Cl).

Diğer bileşikler aslında Fe2 + ve Fe3 + katyonlarının karmaşık karışımlarıdır. Renkleri her zaman iyonların veya moleküllerin demir ile etkileşime girmesine tabi tutulacaktır, ancak belirtildiği gibi, büyük çoğunluk mavimsi, menekşe, kırmızımsı (hatta sarı) veya koyu yeşil olma eğilimindedir.

Yükseltgenme durumları

Açıklandığı gibi, demir bir oksidasyon durumuna veya +2 ​​veya +3 değerine sahip olabilir. Bununla birlikte, 0 değerine sahip bazı bileşiklere katılması da mümkündür; yani elektron kaybı olmaz.

Bu tür bileşiklerde, demir ham formuna katılır. Örneğin, demir pentakarbonil olan Fe (CO) 5, gözenekli demirin karbon monoksit ile ısıtılmasıyla elde edilen bir yağdan oluşur. CO molekülleri sıvının boşluklarında bulunur, Fe bunlardan beşiyle (Fe-C≡O) koordine edilir.

Yükseltgen ve indirgeyici ajanlar

Katyonlardan hangisi Fe2 + veya Fe3 +, oksitleyici veya indirgen bir ajan olarak davranır? Asit ortamında veya oksijen varlığında Fe2 +, Fe3 + olması için bir elektron kaybeder; bu nedenle, bir indirgeyici maddedir:

Fe2 + => Fe3 + + e-

Fe3 + bazik bir ortamda oksitleyici bir madde olarak davranır:

Fe3 + + e- => Fe2 +

Veya hatta:

Fe3 + + 3e- => İnanç

Kimyasal yapısı

Demir, polimorfik katılar oluşturur, yani metal atomları farklı kristal yapılarını alabilir. Oda sıcaklığında, atomları ünite biriminde bcc: vücutta bulunan kübik kristalleşir ( Vücut Merkezli Kübik ). Bu katı faz, ferrit, Fea olarak bilinir.

Bu bcc yapısı, demirin dört elektronun elektronik boşluğu olan d6 konfigürasyonlu bir metal olması nedeniyle olabilir.

Sıcaklık arttığında, Fe atomları ısıl etki nedeniyle titrer ve 906 ° C'den sonra kompakt bir kübik ccp: Kübik En Yakın Paketlenmiş yapıyı benimser. Fe a fazına 1401ºC sıcaklıkta geri dönen Fe γ 'dir. Bu sıcaklıktan sonra, demir 1535 ° C'de erir.

Peki ya basınçtaki artış? Bu arttığında, kristal atomlarını daha yoğun bir yapıya "sıkıştırmaya" zorlar: Fe β. Bu polimorf bir hcp: altıgen kompakt yapıya sahiptir ( Altıgen Kapalı Paket ).

Kullanımlar / uygulamalar

yapısal

Tek başına demir az sayıda uygulamaya sahiptir. Bununla birlikte, başka bir metalle (veya kalay gibi alaşımlarla) kaplandığında korozyona karşı korunur. Dolayısıyla demir, binalarda, köprülerde, kapılarda, heykellerde, otomobillerde, makinelerde, trafolarda vb. Mevcut bir yapı malzemesidir.

Küçük miktarlarda karbon ve diğer metaller eklendiğinde mekanik özellikleri güçlendirilir. Bu tip alaşımlar çelik olarak bilinir. Çelikler hemen hemen tüm endüstrileri ve malzemelerini inşa ediyor.

Öte yandan, elektronik ekipmanlarda kullanılan mıknatısların imalatında, diğer metallerle karıştırılmış demir (bazı nadir toprakların) demir kullanılmıştır.

biyolojik

Demir yaşamda önemli bir rol oynar. Vücudumuzda, enzim hemoglobin de dahil olmak üzere bazı proteinlerin bir parçasıdır.

Hemoglobin olmadan, metalik Fe3 + merkezi sayesinde oksijen taşıyıcısı olmadan, oksijen vücudun farklı bölgelerine taşınamadı, çünkü suda çok çözünmez.

Hemoglobin kanda kas hücrelerine geçer, burada pH asittir ve daha yüksek CO2 konsantrasyonları boldur. Burada ters işlem gerçekleşir, yani koşullar ve bu hücrelerdeki düşük konsantrasyonu nedeniyle oksijen salınır. Bu enzim toplam dört O 2 molekülünü taşıyabilir.

Nasıl aldın?

Reaktivitesinden dolayı yer kabuğunda yer alan oksitler, sülfitler veya diğer minerallerde bulunur. Bu nedenle, bazıları hammadde olarak kullanılabilir; her şey maliyetlerine ve demiri kimyasal ortamında azaltmadaki zorluklara bağlı olacaktır.

Endüstriyel olarak, demir oksitlerin indirgenmesi, sülfidlerinden daha uygundur. Hematit ve manyetit, Fe304, bu metalin karbonla (kok şeklinde) reaksiyona giren ana kaynaklarıdır.

Bu yöntemle elde edilen demir sıvı ve akkordur ve külçe külçelerine (lav kaskadı gibi) boşaltılır. Ayrıca, çevreye zararlı olabilecek büyük miktarlarda gaz oluşabilir. Bu nedenle demir elde etmek birçok faktörün dikkate alınmasını gerektirir.

Fırınların içindeki reaksiyonlar

Ekstraksiyon ve taşıma detaylarını isimlendirmeden, bu oksitler, kok ve kireçtaşı (CaC03) ile birlikte yüksek fırınlara aktarılır. Çıkarılan oksitler, CaCO3'ün termal ayrışmasından salınan CaO ile reaksiyona giren her türlü safsızlığı taşır.

Ham madde yığınını fırına doldurduktan sonra, alt kısmında 2000 ° C'de bir kok akımı karbon monoksitle yanan bir hava akımı çalışır:

2C (s) + 02 (g) => 2CO (g) (2000 ° C)

Bu CO, fırının tepesine yükselir, burada hematit ile karşılaşır ve azaltır:

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

Manyetitte Fe2 + iyonları, Fe3 + 'nın CO ile indirgenmesinin ürünleri vardır. Ardından, bu ürün daha fazla CO ile azalmaya devam ediyor:

Fe3O4 (s) + CO (g) => 3 FeO (s) + CO2 (g) (700ºC)

Son olarak, FeO fırının yüksek sıcaklıklarından dolayı erimekte olan metalik demire indirgenir:

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

İnanç (lar) => İnanç (l)

Aynı zamanda, CaO, sıvı cüruf olarak bilinen şeyi oluşturan silikatlar ve safsızlıklar ile reaksiyona girer. Bu cüruf, sıvı demirden daha az yoğundur, bu yüzden üstünde yüzer ve her iki faz da ayrılabilir.