철 (화학 원소) 특성, 화학 구조, 용도

그 철 은 주기율표의 VIIIB 족 또는 8 족에 위치한 전이 금속이다. 그것은 가장 초기부터 알고 있던 금속 중 하나입니다. 중국인, 이집트인 및 로마인이이 금속재를 사용했습니다. 그것의 쉬운 추출 철기 시대로 알려진 역사의 무대 표시.

그 이름은 라틴어로 'ferrum'이라는 단어에서 파생되며, 화학 기호 인 Faith에 매우 유익합니다. 이는 매우 반응성이 강한 요소이므로 은색의 광택이 일반적으로 자연에서 발견되지 않습니다. 고대에는이 금속이 실제로 희소성으로 인해 금보다 높은 가치로 분류되었습니다.

그것의 순수한 형태는 그린란드의 지역과 화성의 러시아 토양 암석에서 발견되었습니다. 항성의 공간에서는 운석에서 풍부한 성분으로 지구에 충돌 한 후 바위 같은 유방에 결정화 된 철분을 보존 한 것으로 여겨집니다.

그러나 순철보다 더 중요한 것은 그 화합물입니다. 특히 그 산화물. 이 산화물은 마그네타이트, 황철석, 적철광, 침철석 등 많은 광물 계열로 지구의 표면을 덮습니다. 사실, 화성 산과 사막에서 관찰 된 채색은 대부분 적철광 때문이다..

철재는 도시 나 들판에서 발견 할 수 있습니다. 보호막이없는 사람은 습기와 산소로 부식되기 때문에 붉게 변합니다. 주 이미지의 랜턴과 같은 기타는 회색 또는 검은 색으로 유지됩니다..

지구의 중심부에는이 금속이 집중되어있는 것으로 추정됩니다. 액체 상태에서 고온의 산물이 지구의 자기장을 일으킬 수 있습니다..

반면에 철분은 우리 행성의 껍질을 보완 할뿐만 아니라 생명체가 필요로하는 영양소의 일부입니다. 예를 들어, 조직으로 산소를 운반 할 필요가 있습니다.

색인

• 1 철의 특성
  • 1.1 용융 및 끓는점
  • 1.2 밀도
  • 1.3 동위 원소
  • 1.4 독성
• 2 화학적 성질
  • 2.1 화합물의 색깔
  • 2.2 산화 상태
  • 2.3 산화제 및 환원제
• 3 화학 구조
• 4 용도 / 용도
  • 4.1 구조
  • 4.2 생물학
• 5 어떻게 얻습니까??
  • 5.1 가마 내부의 반응
• 6 참고 문헌

철의 특성

순수한 철은 미네랄과 구별되는 고유 한 특성을 가지고 있습니다. 그것은 빛나는 회색 빛의 금속으로, 공기 중의 산소와 수분과 반응하여 해당 산화물로 변환됩니다. 대기 중에 산소가 없으면 모든 장식과 철 구조는 손상되지 않고 붉은 녹이 없어집니다..

그것은 높은 기계적 강도와 경도를 가지고 있지만, 동시에 가단성과 연성입니다. 이것은 대장장이가 수많은 모양과 조각으로 철괴를 강렬한 기온에 처하게하는 조각을 만들 수있게합니다. 열과 전기의 지휘자이기도합니다..

또한 가장 중요한 특징 중 하나는 자석과의 상호 작용 및 자화 능력입니다. 일반 대중은 철편 부스러기의 이동에 자석이 제공하는 효과에 대한 많은 시연을 받았으며 자석의 자기장과 극을 증명했습니다.

녹는 점 및 끓는점

철분은 1535ºC에서 녹고 2750ºC에서 비등합니다. 액체와 백열 형태로이 금속이 얻어진다. 또한 융합 및 증발 열량은 13.8 및 349.6 kJ / mol입니다.

밀도

그것의 조밀도는 7.86g / cm이다³. 즉,이 금속 1mL의 무게는 7.86 그램.

동위 원소

주기율표에서, 특히 기간 4의 8 그룹에서, 철은 대략 56u (26 개의 양성자, 26 개의 전자 및 30 개의 중성자)의 원자 질량으로 발견된다. 그러나 자연적으로 3 개의 다른 안정한 철의 동위 원소가있다. 즉 그들은 양성자의 수가 동일하지만 원자 질량이 다르다..

그 ⁵⁶신앙은 가장 풍부하고 (91.6 %), 다음으로 ⁵⁴신앙 (5.9 %), ⁵⁷Fe (2.2 %) 그리고 마지막으로 ⁵⁸신앙 (0.33 %). 이 4 개의 동위 원소는 지구에 포함 된 모든 철분을 구성합니다. 다른 조건 (외계)에서는 이러한 비율이 다를 수 있지만 ⁵⁶신앙은 계속해서 가장 풍부합니다..

원자 질량이 46에서 69u 사이에서 진동하는 다른 동위 원소는 매우 불안정하고 방금 언급 한 4 가지 반감기보다 짧습니다..

독성

무엇보다, 그것은 독성이없는 금속입니다. 그렇지 않으면 특별한 처리 (화학적, 물리적)가 요구되며, 측정 할 수없는 물체와 건물은 환경과 생명에 잠재적 인 위험을 초래하게됩니다.

화학적 성질

철의 전자 구성은 [Ar] 3d입니다.⁶4 대², 이는 결정 내에 금속 결합을 형성하기 위해 4s 궤도에서 2 개의 전자를, 3 차원 궤도에서 6 개의 전자를 생성한다는 것을 의미합니다. 강자성 (ferromagnetism)과 같은 일부 성질을 설명하는 것은이 결정 구조이다..

또한 전자 구성은 양이온의 안정성을 표면적으로 예측합니다. 철이 2 개의 전자를 잃으면 Fe²⁺, 구성이 남아있다 [Ar] 3d⁶ (4s 궤도는이 전자들이 나오는 곳이라고 가정). 당신이 전자 3 개를 잃으면, 믿음³⁺, 그 구성은 [Ar] 3d이다.⁵.

실험적으로 nd 원자가 구성을 갖는 많은 이온⁵ 그들은 매우 안정적입니다. 따라서, 철은 전자 수용성 종에 대해 산화되어 Fe 철이 양이온이되는 경향이있다³⁺; 덜 산화적인 환경에서, 철 양이온 Fe²⁺.

그런 다음 산소가 거의 존재하지 않는 매체에서 철 화합물이 우세 할 것으로 예상됩니다. pH는 또한 철의 산화 상태에 영향을 미치는데, 이는 매우 산성 인 매질에서 Fe³⁺.

그것의 화합물의 색깔

신앙²⁺ 솔루션에서 녹색이고, 신앙³⁺, 연 보라색의 마찬가지로, 철 화합물은 양이온이 존재하고 그것들을 둘러싸고있는 이온 또는 분자에 따라 녹색 또는 적색을 가질 수있다.

신앙의 전자 환경에 따른 녹색 변화의 미묘한 차이²⁺. 따라서 FeO, 산화철은 매우 진한 녹색 고체이다. FeSO₄, 황산 제 1 철은 밝은 녹색의 결정체를 가지고있다. 기타 Fe 화합물²⁺ 프 러시안 블루의 경우처럼 푸르스름한 음색을 낼 수도 있습니다..

그것은 또한 신앙의 보라색 음영에서 일어납니다.³⁺ 그것의 화합물에서, 붉은 빛이 될 수 있습니다. 예를 들면, 적철광, 믿음₂O₃, 철분의 많은 부분을 담당하는 산화물은 붉은 색으로 보입니다..

그러나 상당수의 철 화합물은 무색입니다. 염화 제이철, FeCl₃, 그것은 무색합니다. 왜냐하면 신앙³⁺ 그것은 실제로 이온 형태로 발견되지는 않지만 공유 결합 (Fe-Cl).

다른 화합물은 실제로 Fe 양이온의 복잡한 혼합물이다²⁺ 신앙³⁺. 언급 한 바와 같이 대다수는 푸른 빛, 보라 빛, 붉은 빛 (심지어 황색) 또는 짙은 녹색 빛을 띠지 만, 그들의 색깔은 항상 이온 또는 분자가 철과 상호 작용할 수 있습니다.

산화 상태

설명한 바와 같이 철은 산화 상태 또는 원자가가 +2 또는 +3 일 수 있습니다. 그러나, 그것이 0의 원자가를 가진 몇몇 화합물에 참여할 수도있다; 즉, 전자의 손실을 겪지 않습니다..

이러한 유형의 화합물에서 철분은 미숙 한 형태로 존재합니다. 예를 들어, Fe (CO)₅, 철 pentacarbonyl, 일산화탄소와 다공성 철을 가열하여 얻은 기름으로 구성되어 있습니다. CO의 분자는 액체의 구멍에서 채워지며, Fe는 이들 중 5 개 (Fe-C≡O)와 배위되며,.

산화제 및 환원제

다음 중 양이온 중 믿음²⁺ o 신앙³⁺, 그들은 산화제 또는 환원제로 행동합니까? 신앙²⁺ 산성 매체 또는 산소의 존재 하에서 전자를 잃어 Fe³⁺; 그러므로, 그것은 환원제이다 :

신앙²⁺ => 믿음³⁺ + 전자^-

그리고 신앙³⁺ 그것은 기본 매질에서 산화제처럼 행동한다 :

신앙³⁺ + 전자^- => 믿음²⁺

또는 :

신앙³⁺ + 3e^- => 믿음

화학 구조

철은 다형성 고체를 형성합니다. 즉, 금속 원자는 다른 결정 구조를 채택 할 수 있습니다. 실온에서, 원자는 단위체 bcc로 결정체가된다. 몸체 중앙에 입방체가있다. (몸 중심 입방체). 이 고체상은 페라이트, Feα.

이 bcc 구조는 철이 금속 구성이기 때문에 발생할 수 있습니다.⁶, 전자 4 전자 공석 있음.

온도가 증가하면 Fe 원자는 열 효과로 인해 진동하고 906 ° C 이후에 컴팩트 한 입방 ccp 구조를 채택합니다.입방에 가장 가까운 포장). Fe γ는 1401ºC의 온도에서 Feα 상으로 되돌아 간다. 이 온도 후에, 철은 1535 ℃에서 녹는다..

압력 상승은 어떨까요? 그것이 증가 할 때, 그것은 결정질 원자가 밀도가 높은 구조로 "압착"되도록 강제합니다 : Fe β. 이 다 형체는 콤팩트 한 hcp : 육각형 구조 (육각 봉합 팩).

용도 / 용도

구조

철만으로는 거의 응용이 불가능합니다. 그러나, 다른 금속 (또는 주석과 같은 합금)으로 코팅되면 부식으로부터 보호됩니다. 따라서 철은 건물, 교량, 문, 동상, 자동차, 기계, 변압기 등에 존재하는 건축 자재입니다..

소량의 탄소 및 기타 금속을 첨가하면 기계적 특성이 강화됩니다. 이러한 종류의 합금은 철강으로 알려져 있습니다. 철강은 거의 모든 산업과 재료를 생산하고 있습니다..

한편, 다른 금속 (일부 희토류)과 혼합 된 철은 전자 장비에 사용되는 자석의 제조에 사용되어왔다.

생물학

철분은 삶에서 필수적인 역할을합니다. 우리 몸에서는 효소 헤모글로빈을 비롯한 일부 단백질의 일부입니다..

헤모글로빈이 없으면 금속 Fe 센터 덕분에 산소를 운반합니다.³⁺, 산소는 물에서 매우 불용성이므로 다른 신체 부위로 수송 될 수 없다..

헤모글로빈은 혈액을 통해 근육 세포로 이동하며, pH는 산성이며 CO의 농도가 더 큼₂. 여기서 역 과정이 일어난다. 즉 산소는 조건과 이들 세포의 농도가 낮아서 방출된다. 이 효소는 총 4 개의 O 분자를 운반 할 수 있습니다.₂.

어떻게 얻습니까??

그것의 반응 때문에 그것은 산화물, 황화물 또는 다른 무기물을 형성하는 지구의 빵 껍질에서있다. 따라서 일부는 원료로 사용할 수 있습니다. 모든 것은 화학 환경에서 철을 환원시키는 데 드는 비용과 어려움에 달려 있습니다..

산업적으로 산화철의 환원은 황화물보다 더 실현 가능합니다. 적철석 및 자철석, 철₃O₄, (코크스의 형태로) 탄소와 반응하는이 금속의 주요 공급원이다..

이 방법으로 얻은 철분은 액체이며 백열이며, 용암 캐스케이드처럼 덩어리 인 잉곳으로 비 웁니다. 또한 다량의 가스가 형성 될 수 있으며 이는 환경에 유해 할 수 있습니다. 그러므로 철분을 얻는 것은 여러 가지 요소를 고려해야합니다..

오븐 내부의 반응

그들의 추출 및 운송의 세부 사항을 명명하지 않고, 이들 산화물은 코크스 및 석회석 (CaCO₃)를 용광로에 공급합니다. 추출 된 산화물은 모든 종류의 불순물을 운반하며, CaCO의 열 분해로 인해 방출 된 CaO와 반응한다.₃.

일단 오븐에 원자재 배치를 충전하면, 하부에는 코크스를 일산화탄소로 연소시키는 2000ºC의 공기가 흐르게됩니다.

2C (s) + O₂(g) => 2CO (g) (2000ºC)

이 CO는 가마의 꼭대기로 올라가며, 여기에서 적철광을 만나고 그것을 감소시킵니다.

3 회₂O₃(s) + CO (g) => 2Fe₃O₄(s) + CO₂(g) (200 ℃)

마그네타이트에는 Fe 이온²⁺, Fe 환원 제품³⁺ CO. 그런 다음이 제품은 더 많은 CO와 함께 계속 감소합니다.

신앙₃O₄(s) + CO (g) => 3FeO (s) + CO₂(g) (700ºC)

마지막으로 FeO는 금속 철로 환원되어 결국 용광로의 고온으로 인해 녹습니다.

FeO (s) + CO (g) => Fe (s) + CO₂(g)

신앙 => 신앙 (l)

동시에 CaO는 실리케이트 및 불순물과 반응하여 액체 슬래그로 알려져 있습니다. 이 슬래그는 액상 철보다 밀도가 낮기 때문에 그 위에 떠 다니고 두 단계가 분리 될 수 있습니다.

참고 문헌

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2. R Ship. (s.f.). 철. 원본 주소 'hyperphysics.phy-astr.gsu.edu'
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5. 저울. (s.f.). 금속 프로필 : 철. 찍은 : thebalance.com
6. Shiver & Atkins. (2008). 무기 화학 (제 4 판). Mc Graw Hill.
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