Химический элемент Железо

Элемент железо - это пластичный серебристо-серый металл, который очень быстро реагирует с окружающим нас воздухом. Он имеет невероятно прочные сплавы, которые используются в различных областях производства, строительства и электроники. Железо также играет важную роль в организме живых организмов и даже отвечает за красный цвет нашей крови.

Десять интересных и забавных фактов о железе
Железо легко реагирует как с кислородом, так и с водой с образованием оксида железа (III), или оксида железа, обычно известного как ржавчина, в следующей несбалансированной реакции: Fe + O2 + H2o > Fe 2o3h2o
При испытании на огнестойкость железо приобретает блестящий золотой цвет
Символ элемента "Fe" происходит от латинского названия железа "ferrum", означающего "твердость".
Железо является вторым по распространенности металлом на земле, уступая алюминию
Считается, что внутреннее ядро Земли состоит в основном из железа и никеля.
Чистое железо на самом деле довольно мягкое и пластичное, как и большинство металлов – добавление углерода и нагрев придают железу твердость
Железо может быть переработано с огромными экологическими преимуществами
Исследования показывают, что в мантии Марса содержится в два раза больше железа, чем на Земле, и что красноватый цвет планеты на самом деле является ржавчиной на поверхности Марса
Железо используется для создания искр в фейерверках
Железный хребет представляет собой совокупность районов добычи железа, прилегающих к озеру Верхнее

Железо в периодической таблице
Символом элемента железа является Fe, и его атомный номер равен двадцати шести. В качестве переходного металла железо находится в d-блоке, в частности, в группе 8 и периоде 4. Электронная конфигурация железа составляет [Ar] 3d6 4s2, и, следовательно, оно имеет 2 валентных электрона. Это очень стабильный элемент. Электроотрицательность железа составляет 1,83 по шкале Полинга.

Биологическое значение железа
Элемент железо является важным минералом для всех живых организмов. У животных железо используется для производства гемоглобина, белка в красных кровяных тельцах, ответственного за транспортировку кислорода из легких в остальные части тела. Железо также присутствует в миоглобине, мышечных клетках, которые хранят и транспортируют кислород. Слишком мало железа у животных может привести к анемии, в то время как избыток железа может быть токсичным и наносить вред организму. Рекомендуемая суточная норма в США составляет 18 миллиграммов железа. В растениях железо необходимо для производства хлорофилла.

Сплавы элемента железо
Железо и углерод образуют хорошо известный сплав стали. Железо является основным легирующим агентом в ферросплавах, классификации сплавов с содержанием железа менее 50% и высокой концентрацией кремния, марганца, алюминия, никеля, хрома, молибдена, ванадия или других элементов. Ферросплавы не подходят для самостоятельного использования; скорее, из-за их низкой температуры плавления их добавляют в жидкую сталь для получения легированной стали. В зависимости от основного легирующего агента в легированной стали, металл может иметь различные химические свойства. Например, висмут в стали улучшает обрабатываемость, кремний повышает магнитные свойства.

Применение железа в современном мире

Для чего используется элемент железо?
Структурное использование железа
Элемент железо имеет решающее значение в архитектурном и структурном проектировании. В качестве ключевого легирующего агента железо используется в качестве основы при производстве стали, листового железа, чугуна и кованого железа. Железо и его сплавы используются в широком спектре отраслей промышленности, образуя ключевые конструктивные элементы в транспортных средствах, зданиях, кораблях и других приборах; Элементное железо может поддерживать более крупные и прочные конструкции, чем другие строительные материалы, то есть камень, дерево и кирпич, с меньшими затратами материала и низкой стоимостью. Сталь используется для зданий, инфраструктуры, машин,штамповка металла, изготовление и многое другое – как стальная вата, которая в основном состоит из чистого железа с небольшим добавлением углерода.

Железо как катализатор
Активированное или повышенное содержание железа также используется в качестве катализатора в различных химических отраслях промышленности. В частности, магнетит, оксид железа, используется в качестве катализатора в процессе Хабера-Боша. Железо ускоряет реакцию между водородом и азотом с образованием аммиака, обычного крупномасштабного промышленного процесса. Кроме того, магнетит используется в процессах преобразования газа в жидкость (GTL), которые превращают природный газ в синтетическое топливо.

Когда и как было открыто железо?
История железа
Историки и археологи считают, что элемент железо использовался около пяти тысяч лет. Хотя он иногда использовался ранее в истории, железо было популяризировано во время железного века (1200 г. до н. э. – 600 г. до н. э.), третьего этапа развития каменно-бронзово-железного века. Железный век начался в Средиземноморье и Восточной Европе около 1200 г. до н.э., хотя он распространился на азиатские регионы только ближе к 600 г. до н.э. В течение этого периода железо постепенно вытесняло бронзу в качестве основного материала для изготовления инструментов и оружия; историки подозревают, что использование железа стало более распространенным, когда люди популяризировали выплавку железа и углерода для создания гораздо более прочной стали.

Кто открыл железо
Не так много известно о конкретном открытии железа, потому что оно использовалось людьми с древних времен. Археологи могут проследить железоникелевые сплавленные бусины до 3200 г. до н.э. в Египте.

Где во Вселенной находится железо
Железо невероятно распространено в природе. Это четвертый по распространенности элемент в земной коре и второй металл после алюминия, кислорода и кремния. Железо также считается основным компонентом ядра Земли. Железо редко встречается в природе в чистом виде; скорее оно встречается в виде железной руды, объединенной массы железа и других минералов и элементов. Наиболее распространенными железными рудами являются: гематит (Fe2O3), магнетит (Fe3o4), лимонит (FeO (OH) ·n(H2O)), гетит (FeO (OH)), сидерит (FeCO3) и таконит.

Железо также содержится в солнце, звездах и метеоритах. Удивительно, но железо действительно может быть сплавлено в ядрах звезд. Гелий является исходной основой ядра звезды, но если звезда достаточно горячая и выделяет достаточно энергии, она может постепенно сплавить гелий с углеродом, затем с кислородом, а затем с кремнием. Если звезда настолько велика, что ее масса в 8-12 раз превышает солнечную, она называется “сверхгигантом”, у нее достаточно энергии, чтобы сплавить свое кремниевое ядро с железом. В этот момент звезда выделяет огромное количество энергии. Однако, поскольку атомная структура железа настолько стабильна, его нельзя сплавлять дальше, и ядро звезды внезапно не может поддерживать свое равновесие. В этот момент звезда либо взорвется сверхновой, либо схлопнется в черную дыру.

Химия железа – соединения, реакции, степени окисления

Химические свойства элемента железа
Элемент железо является очень химически активным металлом и открыто реагирует с кислородом во влажном воздухе; фактически, свободное железо не так легко найти в природе. Железо растворяется в воде и вступает в реакцию с водяным паром с образованием газообразного водорода. Железо также вступает в реакцию с галогеноводородными кислотами с образованием галогенидов железа. Кроме того, железо образует координационные соединения благодаря своей электронной структуре.

Ферромагнетизм железа
Железо является одним из трех металлов, обладающих ферромагнитными свойствами при нормальных условиях (в дополнение к кобальту и никелю). Большинство сыпучих материалов не являются магнитными, потому что их неспаренные электроны вращаются в противоположных направлениях и нейтрализуют любые магнитные свойства. Но когда ферромагнитный материал сталкивается с внешними магнитными полями, его неспаренные электроны фактически перестраиваются параллельно друг другу, намагничивая материал. Более того, ферромагнитные металлы фактически сохраняют свой магнетизм после устранения внешней силы. Этот магнетизм исчезает при достижении максимальной температуры, известной как температура Кюри.

Почему железо ржавеет
Железо быстро окисляется в присутствии воздуха, требуя как кислорода, так и воды в качестве среды для наиболее частого образования оксида железа (III) (Fe2o3) и оксида железа (II, III) (Fe3o4). Эти и другие оксиды железа в совокупности известны как ржавчина. Оксиды железа (II) могут образовываться и стабильны в виде солей, но в дальнейшем легко окисляются до солей железа (III) с гидроксидом или анионами кислорода. Ржавление не является обратимым процессом и может привести к расширению металла, тем самым увеличивая напряжение. Ржавление железа неизбежно, но могут быть приняты меры для замедления процесса. Слой масла предотвратит попадание влаги на металл. Цинкование железа с нанесением на него тонкого слоя цинка также предотвратит попадание кислорода и воды на металл. Это замедляет процесс коррозии.

Степени окисления железа
Элемент железо имеет широкий диапазон степеней окисления, включая 0, +2, +3, +4, и +6, но наиболее распространенными являются Fe+2 (железистый) и Fe+3 (трехвалентный). Чистое железо можно найти только в среде с низким содержанием кислорода из-за его легкого окисления. Железо может легко переключаться между +2 и +3 степенями окисления.

Соединения железа
Поскольку железо обладает высокой реакционной способностью, оно образует множество соединений, включая, помимо прочего, оксиды, гидроксиды, галогениды, сульфаты, сульфиды и хлориды. Он чаще всего образует двухвалентные и трехвалентные соединения из-за его склонности к +2 и + 3 степеням окисления. Некоторые дополнительные соединения помимо оксидов:

Сульфаты:
> FeSO 4 (сульфат железа): в чистом виде сульфат железа используется для лечения железодефицитной анемии

> Fe 2 (SO4) 3 (сульфат железа): Сульфат железа обладает дополнительными медицинскими преимуществами. Он обычно используется в качестве кровоостанавливающего средства во время операции.

> FeSO 4 · 7H2O (зеленый купорос): Гептагидрат сульфата железа представляет собой кристаллический сульфат железа зеленого или бирюзового цвета. Его получают путем смешивания разбавленной серной кислоты с железом, которое часто образуется как побочный промышленный продукт. Он также известен как зеленый купорос и используется в производстве пестицидов и удобрений.

Хлориды:
> FeCl2 (хлорид железа): кристаллический желто-зеленый хлорид железа образуется при пропускании сухого хлористого водорода через горячее железо. Его можно получить в жидкой форме FeCl2•4H2O путем растворения твердого железа в соляной кислоте. Хлорид железа чаще всего используется в красильной промышленности в качестве восстановителя.

> FeCl 3 (хлорид железа): Хлорид железа представляет собой бесцветный или светло-коричневый раствор, широко используемый в качестве обычного хлорирующего агента. Растворение железной руды непосредственно в соляной кислоте приведет к образованию хлорида железа, а также к окислению хлорида железа (II) газообразным хлором.

Сульфиды:
> FeS2 (пирит): также известный как золото дураков, пирит встречается в природе в изобилии. Его блестящий желто-латунный цвет может привести к тому, что его ошибочно примут за золото; однако его хрупкий состав, отсутствие удобства использования и широкая доступность делают его нерентабельным. Пирит можно отличить от золота по его шероховатым краям, в отличие от золота, которое намного более гладкое. Золото дураков также способствовало золотой лихорадке 1840-х годов.

Выделение железа
Извлечение железа из железной руды обычно происходит в доменной печи посредством окислительно-восстановительной реакции. Железную руду и, как правило, углерод (или монооксид углерода) помещают вместе в большой контейнер и нагревают. Поскольку углерод более реакционноспособен, углерод окисляется, а железо восстанавливается с образованием жидкого железа.

Это можно увидеть в следующей реакции:

2Fe2O3(s) + 3C (s) > 4Fe (l) + 3CO 2(g)

Аналогичную реакцию можно также провести с алюминием в качестве восстановителя в экзотермическом окислительно-восстановительном процессе, называемом термитной реакцией.

Физические свойства железа

Железо - блестящий серебристо-серый твердый металл, который в чистом виде очень пластичен.

Символ: Fe
Температура плавления: 1536 °C
Температура кипения: 2861 °C
Плотность: 7,8 г. см3
Атомный вес: 55,845
Атомный номер: 26
Электроотрицательность: 1,83
Классификация: Переходный металл, металл группы 8
Естественное содержание 5% в земной коре
Конфигурация электронной оболочки: [Ar] 3d6 4s2
Изотопы: 5,845% 54 Fe, 91,754% 56 Fe, 2,119% 57 Fe и 0,286% 58 Fe.
Встречается в природе в минералах: гематит, магнетит, таконит

Где я могу купить элементарное железо?
Железо можно найти онлайн в магазинах, таких как Amazon. Железные строительные материалы также можно найти во многих хозяйственных магазинах или магазинах товаров для дома. Порошок чистого железа легко найти в Интернете – просто убедитесь, что вы на самом деле не покупаете оксид железа или сплав железа.