Ciri-ciri besi (unsur kimia), struktur kimia, kegunaan



The besi adalah logam peralihan yang terletak di kumpulan VIIIB atau 8 jadual berkala. Ia adalah salah satu logam yang telah diketahui sejak zaman dahulu. Orang Cina, Mesir dan Rom, bekerja dengan logam ini. Pengekstrakannya mudah menandakan peringkat sejarah yang dikenali sebagai Zaman Besi.

Namanya berasal daripada perkataan 'ferrum' dalam bahasa Latin, dan oleh itu simbol kimianya Iman. Ia adalah elemen yang sangat reaktif, jadi kilauan peraknya biasanya tidak terdapat di alam semulajadi. Pada zaman purba, logam ini sebenarnya di katalog dengan nilai yang lebih tinggi daripada emas kerana kekurangan yang sepatutnya.

Bentuk tulennya telah ditemui di kawasan Greenland dan di batu-batu yang terbakar di tanah Rusia. Di ruang sidereal, ia dipercayai bahawa ia adalah komponen yang banyak dalam meteorit, yang selepas memberi kesan kepada Bumi, beberapa telah mengekalkan besi yang terhablur di payudara berbatu mereka.

Tetapi, yang lebih penting daripada besi tulen, adalah sebatiannya; terutamanya, oksidanya. Oksida ini meliputi permukaan bumi dengan keluarga besar mineral, seperti magnetit, pirit, hematit, goethite, dan banyak lagi. Malah, warna-warna yang diperhatikan di pergunungan dan gurun Marikh adalah sebahagian besarnya kepada hematit.

Objek besi boleh ditemui di dalam bandar atau padang. Mereka yang tidak mempunyai filem pelindung, menjadi merah kerana mereka menghakis kelembapan dan oksigen. Lain-lain, seperti tanglung imej utama, kekal abu-abu atau hitam.

Dianggarkan terdapat kepekatan besar logam ini di dalam teras Bumi. Begitu juga, bahawa dalam keadaan cair, produk suhu tinggi, ia boleh bertanggungjawab terhadap medan magnet bumi.

Sebaliknya, besi bukan sahaja melengkapkan shell planet kita, tetapi juga merupakan sebahagian daripada nutrien yang diperlukan oleh makhluk hidup. Sebagai contoh, adalah perlu untuk mengangkut oksigen ke tisu.

Indeks

  • 1 Ciri-ciri besi
    • 1.1 Titik lebur dan didih
    • 1.2 Ketumpatan
    • 1.3 Isotop
    • 1.4 Keracunan
  • 2 sifat kimia
    • 2.1 Warna sebatiannya
    • 2.2 Negeri pengoksidaan
    • 2.3 Pengoksidaan dan agen pengurangan
  • 3 Struktur kimia
  • 4 Kegunaan / aplikasi
    • 4.1 Struktur
    • 4.2 Biologi
  • 5 Bagaimana anda dapat?
    • 5.1 Reaksi dalam tanur
  • 6 Rujukan

Ciri-ciri besi

Besi tulen mempunyai ciri-ciri sendiri yang membezakannya daripada mineralnya. Ia adalah logam berkilat, berkulit putih, yang bertindak balas dengan oksigen dan kelembapan di udara untuk berubah menjadi oksida yang sepadan. Sekiranya tidak ada oksigen di atmosfer, semua perhiasan dan struktur besi tetap utuh dan bebas dari karat merah..

Ia mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi dan kekerasan, tetapi pada masa yang sama ia mudah dibentuk dan mulur. Ini membolehkan tukang besi memalsukan kepingan dengan pelbagai bentuk dan reka bentuk yang menimbulkan massa besi ke suhu yang sengit. Ia juga konduktor haba dan elektrik yang baik.

Di samping itu, salah satu ciri yang paling berharga ialah interaksi dengan magnet dan keupayaannya untuk magnet. Orang awam telah diberikan banyak demonstrasi mengenai kesan yang diberikan oleh magnet terhadap pergerakan besi, dan juga untuk menunjukkan medan magnet dan tiang magnet.

Titik lebur dan didih

Besi meleleh pada suhu 1535ºC dan bisul pada 2750ºC. Dalam bentuk cecair dan pijar logam ini diperolehi. Selain itu, haba gabungan dan penyejatannya adalah 13.8 dan 349.6 kJ / mol.

Ketumpatan

Ketumpatannya ialah 7.86g / cm3. Iaitu, 1mL logam ini seberat 7.86 gram.

Isotop

Dalam jadual berkala, khususnya dalam kumpulan 8 dalam tempoh 4, besi ditemui, dengan jisim atom kira-kira 56u (26 proton, 26 elektron dan 30 neutron). Walau bagaimanapun, secara semula jadi terdapat tiga isotop stabil besi yang lain, iaitu, mereka mempunyai bilangan proton yang sama tetapi massa atom yang berlainan.

The 56Iman adalah yang paling melimpah dari semua (91.6%), diikuti oleh 54Iman (5.9%), 57Fe (2.2%) dan akhirnya 58Iman (0.33%). Ia adalah empat isotop yang membentuk semua besi yang terkandung dalam planet Bumi. Dalam keadaan lain (extraterrestrial), peratusan ini mungkin berbeza-beza, tetapi mungkin 56Iman terus menjadi yang paling melimpah.

Isotop lain, dengan jisim atom berayun antara 46 dan 69u, sangat tidak stabil dan mempunyai separuh hayat yang lebih pendek daripada empat yang disebut tadi.

Ketoksikan

Di atas semua ciri-ciri, ia bukan logam toksik. Jika tidak, rawatan khas (kimia dan fizikal) diperlukan, dan objek dan bangunan yang tidak dapat diukur akan mewakili risiko laten untuk alam sekitar dan kehidupan.

Sifat kimia

Konfigurasi elektronik besi ialah [Ar] 3d64s2, yang bermaksud ia menyumbangkan dua elektron dari orbit 4-nya, dan enam dari orbital 3d, untuk pembentukan ikatan logamnya dalam kristal. Ia adalah struktur kristal yang menerangkan beberapa sifat seperti ferromagnetisme.

Juga, konfigurasi elektronik secara dugaan meramalkan kestabilan kationnya. Apabila besi kehilangan dua elektronnya, Fe2+, kekal dengan konfigurasi [Ar] 3d6 (dengan mengandaikan bahawa orbital 4 adalah di mana elektron-elektron ini berasal). Walaupun jika anda kehilangan tiga elektron, Iman3+, konfigurasinya adalah [Ar] 3d5.

Eksperimen telah ditunjukkan bahawa banyak ion dengan konfigurasi nd valence5 Mereka sangat stabil. Oleh itu, besi cenderung mengoksidasi terhadap spesies yang menerima elektron untuk menjadi Fe ferric cation3+; dan dalam persekitaran yang kurang oksidatif, dalam Fe kation fer2+.

Kemudian, dalam medium dengan kehadiran oksigen yang sedikit, sebatian ferus dijangka mendominasi. PH juga mempengaruhi keadaan pengoksidaan besi, kerana dalam media yang sangat berasid ia disukai transformasinya kepada Fe3+.

Warna sebatiannya

Iman2+ dalam penyelesaian adalah kehijauan, dan Iman3+, daripada ungu lembut. Begitu juga, sebatian besi mungkin mempunyai warna hijau atau merah bergantung pada apa yang ada kation dan ion atau molekul mengelilinginya.

Nuansa perubahan hijau menurut persekitaran elektronik Iman2+. Oleh itu, FeO, ferida oksida, adalah pepejal hijau yang sangat gelap; manakala FeSO4, feros sulfat, mempunyai kristal hijau terang. Sebatian Fe lain2+ mereka mungkin mempunyai nada kebiruan, seperti dalam kes biru Prusia.

Ia juga berlaku dengan warna ungu dari Iman3+ dalam sebatiannya, yang boleh menjadi kemerahan. Contohnya, hematit, Iman2O3, adalah oksida yang bertanggungjawab bagi banyak kepingan besi yang kelihatan merah.

Sebilangan besar sebatian besi, bagaimanapun, tidak berwarna. Ferric chloride, FeCl3, Ia tidak berwarna, kerana Iman3+ Ia benar-benar tidak terdapat dalam bentuk ionik tetapi membentuk ikatan kovalen (Fe-Cl).

Sebatian lain sebenarnya adalah campuran kompleks kation Fe2+ dan Iman3+. Warna-warna mereka akan sentiasa tertakluk kepada ion atau molekul yang berinteraksi dengan besi, walaupun seperti yang disebutkan, majoriti besar cenderung berwarna kehijauan, ungu, merah (walaupun kuning) atau hijau gelap.

Negeri pengoksidaan

Seperti yang dijelaskan, besi boleh mempunyai keadaan pengoksidaan atau valensi +2, atau +3. Walau bagaimanapun, ia juga mungkin bahawa ia mengambil bahagian dalam beberapa sebatian dengan valensi 0; iaitu, ia tidak mengalami sebarang kehilangan elektron.

Dalam jenis sebatian ini, besi mengambil bahagian dalam bentuk mentahnya. Sebagai contoh, Fe (CO)5, Pentacarbonyl besi, terdiri daripada minyak yang diperolehi oleh pemanasan besi berpori dengan karbon monoksida. Molekul CO diserahkan di lubang cecair, Fe yang diselaraskan dengan lima (Fe-C≡O).

Mengoksida dan mengurangkan ejen

Mana antara kation, Iman2+ o Iman3+, Adakah mereka bertindak sebagai agen pengoksidaan atau pengurangan? Iman2+ dalam medium asid atau dengan kehadiran oksigen, kehilangan elektron menjadi Fe3+; Oleh itu, ia adalah ejen pengurangan:

Iman2+ => Iman3+ + e-

Dan Kepercayaan3+ ia bertindak sebagai agen pengoksidaan dalam medium asas:

Iman3+ + e- => Iman2+

Atau bahkan:

Iman3+ + 3e- => Iman

Struktur kimia

Besi membentuk pepejal polimorf, iaitu, atom logam boleh menggunakan struktur kristal yang berlainan. Pada suhu bilik, atomnya mengkristal dalam unit unit bcc: kubik berpusat di dalam badan (Badan Berpusat Cubic). Fasa pepejal ini dikenali sebagai ferit, Fe α.

Struktur bcc ini mungkin disebabkan oleh fakta bahawa besi adalah konfigurasi logam6, dengan kekosongan empat elektron elektronik.

Apabila suhu meningkat, atom Fe bergetar akibat kesan terma dan mengadopsi, selepas 906 ° C, struktur ccp kubik padat:Cubic Closest Packed). Ia adalah Fe γ, yang kembali ke fasa Fe α pada suhu 1401ºC. Selepas suhu ini, besi mencairkan pada 1535ºC.

Dan bagaimana dengan peningkatan tekanan? Apabila ia bertambah, ia memaksa atom-atom kristal untuk "memerah" ke dalam struktur yang lebih padat: Fe β. Polimorf ini mempunyai hcp padat: struktur heksagon (Pek Ditutup Hexagonal).

Kegunaan / aplikasi

Struktur

Besi sahaja mempunyai beberapa aplikasi. Walau bagaimanapun, apabila ia disalut dengan logam lain (atau aloi, seperti timah) ia dilindungi daripada kakisan. Oleh itu, besi adalah bahan binaan yang terdapat di bangunan, jambatan, gerbang, patung, kereta, mesin, transformer, dll..

Apabila sejumlah kecil karbon dan logam lain ditambah, sifat mekaniknya diperkuat. Jenis aloi ini dikenali sebagai keluli. Keluli membina hampir semua industri dan bahan mereka.

Sebaliknya, besi bercampur dengan logam lain (beberapa nadir bumi) telah digunakan untuk pembuatan magnet yang digunakan dalam peralatan elektronik.

Biologi

Besi memainkan peranan penting dalam kehidupan. Di dalam badan kita, ia adalah sebahagian daripada beberapa protein, termasuk hemoglobin enzim.

Tanpa hemoglobin, pembawa oksigen berkat pusat Fe logamnya3+, oksigen tidak dapat diangkut ke kawasan yang berlainan badan, kerana di dalam air ia tidak larut.

Hemoglobin bergerak melalui darah ke sel-sel otot, di mana pH adalah asid dan kepekatan CO lebih tinggi2. Di sini proses sebaliknya berlaku, iaitu, oksigen dilepaskan kerana keadaan dan kepekatan yang rendah dalam sel-sel ini. Enzim ini boleh mengangkut sebanyak empat molekul O2.

Bagaimana caranya??

Oleh kerana kereaktifannya terdapat dalam kerak bumi yang membentuk oksida, sulfida atau mineral lain. Oleh itu, sebahagian daripada mereka boleh digunakan sebagai bahan mentah; semuanya bergantung kepada kos dan kesukaran untuk mengurangkan besi dalam persekitaran kimianya.

Secara industri, pengurangan oksida besi lebih sesuai daripada sulfidanya. Hematit dan magnetit, Fe3O4, adalah sumber utama logam ini, yang bertindak balas dengan karbon (dalam bentuk kok).

Besi yang diperolehi oleh kaedah ini adalah cecair dan pijar, dan ia dikosongkan menjadi jongkong jongkong (seperti lata lava). Juga, sejumlah besar gas boleh dibentuk, yang boleh memudaratkan alam sekitar. Oleh itu, mendapatkan besi melibatkan pertimbangan banyak faktor.

Reaksi di dalam ketuhar

Tanpa penamaan butiran pengekstrakan dan pengangkutan mereka, oksida ini bergerak, bersama dengan kok dan batu kapur (CaCO3) kepada relau letupan. Oksida yang diekstrak membawa semua jenis kekotoran, yang bertindak balas dengan CaO yang dikeluarkan dari penguraian terma CaCO3.

Sebaik sahaja mengecas kumpulan bahan mentah ke dalam ketuhar, di bahagian bawahnya mengalir arus udara pada 2000ºC, yang membakar kok kepada karbon monoksida:

2C (s) + O2(g) => 2CO (g) (2000ºC)

CO ini naik ke bahagian atas tanur, di mana ia memenuhi hematit dan mengurangkannya:

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

Dalam magnetit terdapat ion Fe2+, Produk pengurangan Fe3+ dengan CO. Kemudian, produk ini terus dikurangkan dengan lebih banyak CO:

Iman3O4(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO2(g) (700ºC)

Akhirnya, FeO berakhir dikurangkan menjadi besi metalik, yang cair kerana suhu tinggi relau:

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

Iman => Iman (l)

Walaupun pada masa yang sama CaO bertindak balas dengan silikat dan kekotoran, membentuk apa yang dikenali sebagai sanga cair. Sanga ini kurang padat daripada besi cair, itulah sebabnya ia mengapung di atasnya dan kedua-dua fasa boleh dipisahkan.

Rujukan

  1. Pusat Sumber Sains Kebangsaan. (s.f.). Besi. Diperolehi daripada: propertiesofmatter.si.edu
  2. R Kapal. (s.f.). Besi. Diperolehi daripada: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
  3. B. Calvert. (Disember 2003). Besi: Logam Marikh memberikan kita kemagnetan dan kehidupan. Diperolehi daripada: mysite.du.edu
  4. Jadual Berkala Chemicole. (6 Oktober 2012). Besi. Diperolehi daripada: chemicool.com
  5. Baki. (s.f.). Profil Logam: Besi. Diambil dari: thebalance.com
  6. Shiver & Atkins. (2008). Kimia anorganik (edisi keempat). Mc Graw Hill.
  7. Clark J. (29 November 2015). Pengekstrakan Besi. Diperolehi daripada: chem.libretexts.org