ترکیبات آهن. آهن: خواص فیزیکی و شیمیایی

2024 نویسنده: Angel Austin | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-02 17:45

نخستین محصولات ساخته شده از آهن و آلیاژهای آن در حفاری ها پیدا شد و قدمت آن به حدود هزاره چهارم قبل از میلاد می رسد. یعنی حتی مصریان و سومریان باستان از رسوبات شهاب سنگ این ماده برای ساختن جواهرات و وسایل منزل و همچنین سلاح استفاده می کردند.

امروزه انواع ترکیبات آهن و همچنین فلز خالص رایج ترین و پر مصرف ترین مواد هستند. جای تعجب نیست که قرن بیستم آهن در نظر گرفته می شد. از این گذشته، قبل از ظهور و استفاده گسترده از پلاستیک و مواد مرتبط، این ترکیب بود که برای انسان اهمیت تعیین کننده ای داشت. این عنصر چیست و چه موادی را تشکیل می دهد، در این مقاله بررسی خواهیم کرد.

عنصر شیمیایی آهن

اگر ساختار اتم را در نظر بگیریم، ابتدا باید مکان آن را در سیستم تناوبی نشان دهیم.

1. شماره ترتیبی - 26.
2. پریود چهارمین دوره بزرگ است.
3. گروه هشتم، زیرگروه دوم.
4. وزن اتمی 55,847 است.
5. ساختار لایه الکترونی خارجی با فرمول 3d⁶4s^{2 نشان داده می شود.}
6. نماد عنصر شیمیایی - Fe.
7. نام - آهن، خواندن درفرمول - "ferrum".
8. در طبیعت، چهار ایزوتوپ پایدار عنصر مورد بحث با اعداد جرمی 54، 56، 57، 58 وجود دارد.

عنصر شیمیایی آهن نیز حدود 20 ایزوتوپ مختلف دارد که پایدار نیستند. حالت های اکسیداسیون احتمالی که این اتم می تواند نشان دهد:

• 0;
• +2;
• +3;
• +6.

نه تنها خود عنصر مهم است، بلکه ترکیبات و آلیاژهای مختلف آن نیز مهم است.

خواص فیزیکی

آهن به عنوان یک ماده ساده دارای خواص فیزیکی با خاصیت فلزی بودن است. یعنی فلزی به رنگ سفید مایل به نقره ای با رنگ خاکستری است که دارای درجه شکل پذیری و شکل پذیری بالا و نقطه ذوب و جوش بالایی است. اگر ویژگی ها را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم، پس:

• نقطه ذوب - 1539 0С;
• جوش - 2862 0C;
• فعالیت - متوسط;
• نسوز - زیاد;
• خواص مغناطیسی برجسته را نشان می دهد.

بسته به شرایط و دماهای مختلف، تغییرات متعددی وجود دارد که آهن ایجاد می کند. خواص فیزیکی آنها با این واقعیت که شبکه های کریستالی متفاوت هستند متفاوت است.

1. فریت آلفا یا فریت تا دمای 769 0C وجود دارد.
2. از 769 تا 917 0C - فرم بتا.
3. 917-1394 0С - فرم گاما یا آستنیت.
4. بیش از 1394 0S - آهن سیگما.

همه تغییرات وجود داردانواع مختلف ساختار شبکه های کریستالی، و همچنین در خواص مغناطیسی متفاوت است.

خواص شیمیایی

همانطور که در بالا ذکر شد، ماده ساده آهن دارای فعالیت شیمیایی متوسطی است. با این حال، در حالت پراکنده ریز، می تواند به طور خود به خود در هوا مشتعل شود، در حالی که خود فلز در اکسیژن خالص می سوزد.

توانایی خوردگی بالا است، بنابراین آلیاژهای این ماده با ترکیبات آلیاژی پوشانده می شوند. آهن قادر به تعامل با: است

• اسیدها;
• اکسیژن (از جمله هوا)؛
• خاکستری;
• هالوژن؛
• هنگام گرم شدن - با نیتروژن، فسفر، کربن و سیلیکون؛
• با نمکهای فلزات کمتر فعال، تبدیل آنها به مواد ساده؛
• با بخار زنده؛
• با نمک های آهن در حالت اکسیداسیون +3.

بدیهی است که با نشان دادن چنین فعالیتی، فلز قادر به تشکیل ترکیبات مختلف، از نظر خواص متنوع و قطبی است. و به همین ترتیب اتفاق می افتد. آهن و ترکیبات آن بسیار متنوع است و در شاخه‌های مختلف علم، فناوری، فعالیت‌های صنعتی انسان استفاده می‌شود.

گسترش در طبیعت

ترکیبات طبیعی آهن بسیار رایج هستند، زیرا دومین عنصر فراوان در سیاره ما پس از آلومینیوم است. در عین حال، در شکل خالص خود، این فلز به عنوان بخشی از شهاب سنگ ها بسیار کمیاب است که نشان دهنده تجمع زیاد آن در فضا است. توده اصلی در ترکیب سنگ‌ها، سنگ‌ها و کانی‌ها وجود دارد.

اگربرای صحبت در مورد درصد عنصر مورد نظر در طبیعت، می توان ارقام زیر را ارائه داد.

1. هسته های سیارات زمینی - 90%.
2. در پوسته زمین - 5%.
3. در گوشته زمین - 12%.
4. در هسته زمین - 86%.
5. در آب رودخانه - 2 میلی گرم در لیتر.
6. در دریا و اقیانوس - 0.02 میلی گرم در لیتر.

رایج ترین ترکیبات آهن مواد معدنی زیر را تشکیل می دهند:

• مگنتیت؛
• لیمونیت یا سنگ آهن قهوه ای؛
• vivianite;
• پیروتیت؛
• پیریت؛
• siderite;
• مارکازیت؛
• lellingite;
• Mispicel;
• milanterite و دیگران.

این با فهرست کامل فاصله زیادی دارد، زیرا واقعاً تعداد زیادی از آنها وجود دارد. علاوه بر این، آلیاژهای مختلفی که توسط انسان ایجاد می شود، بسیار گسترده است. اینها نیز چنین ترکیبات آهنی هستند که بدون آنها تصور زندگی مدرن مردم دشوار است. این شامل دو نوع اصلی است:

• چدن؛
• فولاد.

همچنین آهن است که افزودنی ارزشمندی برای بسیاری از آلیاژهای نیکل است.

ترکیبات آهن (II)

اینها شامل مواردی است که در آنها حالت اکسیداسیون عنصر تشکیل دهنده +2 است. آنها بسیار زیاد هستند، زیرا عبارتند از:

• اکسید;
• هیدروکسید;
• ترکیبات دوتایی؛
• نمک های پیچیده؛
• ترکیبات پیچیده.

فرمول ترکیبات شیمیایی که در آنها آهن درجه اکسیداسیون مشخص شده را نشان می دهد برای هر کلاس جداگانه است. مهمترین و رایج ترین آنها را در نظر بگیرید.

1. اکسید آهن (II). پودر سیاه، نامحلول در آب. ماهیت اتصال اساسی است. این می تواند به سرعت اکسید شود، با این حال، می تواند به راحتی به یک ماده ساده تبدیل شود. در اسیدها حل می شود و نمک های مربوطه را تشکیل می دهد. فرمول - FeO.
2. هیدروکسید آهن (II). این یک رسوب سفید آمورف است. از واکنش نمک ها با بازها (قلیاها) تشکیل می شود. این خواص پایه ضعیف را نشان می دهد، قادر است به سرعت در هوا به ترکیبات آهن +3 اکسید شود. فرمول - Fe(OH)_2.
3. نمک های یک عنصر در حالت اکسیداسیون مشخص. به عنوان یک قاعده، آنها دارای رنگ سبز کم رنگ محلول هستند، حتی در هوا به خوبی اکسید می شوند، رنگ قهوه ای تیره به دست می آورند و به نمک های آهن تبدیل می شوند. 3. آنها در آب حل می شوند. مثال‌های مرکب: FeCL₂، FeSO₄، Fe(NO₃)_2.

ارزش عملی در بین مواد تعیین شده دارای چندین ترکیب است. اول، کلرید آهن (II). این منبع اصلی یون برای بدن انسان مبتلا به کم خونی است. هنگامی که چنین بیماری در بیمار تشخیص داده می شود، داروهای پیچیده ای برای او تجویز می شود که بر اساس ترکیب مورد نظر است. اینگونه کمبود آهن در بدن جبران می شود.

ثانیاً، سولفات آهن، یعنی سولفات آهن (II) همراه با مس برای از بین بردن آفات کشاورزی در محصولات استفاده می شود. این روش بیش از یک دهه است که کارایی خود را ثابت کرده است، بنابراین باغبانان و باغبانان از آن بسیار استقبال می کنند.

نمک مورا

این اتصالکه یک آهن هیدراته و سولفات آمونیوم است. فرمول آن به صورت FeSO₄(NH₄)₂SO_{4 نوشته شده است} 6H_{2O. یکی از ترکیبات آهن (II) که در عمل کاربرد فراوانی دارد. زمینه های اصلی استفاده انسان به شرح زیر است.}

1. داروسازی.
2. تحقیقات علمی و آنالیزهای تیتریومتری آزمایشگاهی (برای تعیین کروم، پرمنگنات پتاسیم، وانادیم).
3. دارو - به عنوان یک افزودنی به غذا با کمبود آهن در بدن بیمار.
4. برای اشباع محصولات چوبی، زیرا نمک مورا در برابر فرآیندهای پوسیدگی محافظت می کند.

مناطق دیگری نیز وجود دارد که در آنها از این ماده استفاده می شود. این نام به افتخار شیمیدان آلمانی که برای اولین بار خواص آشکار را کشف کرد، گرفت.

مواد با حالت اکسیداسیون آهن (III)

خواص ترکیبات آهن، که در آن حالت اکسیداسیون +3 را نشان می دهد، تا حدودی با مواردی که در بالا مورد بحث قرار گرفت متفاوت است. بنابراین، ماهیت اکسید و هیدروکسید مربوطه دیگر اساسی نیست، اما آمفوتریک تلفظ می شود. بیایید توضیحاتی در مورد مواد اصلی ارائه دهیم.

1. اکسید آهن (III). پودر کریستالی ریز و به رنگ قرمز قهوه ای است. در آب حل نمی شود، خاصیت کمی اسیدی و آمفوتری از خود نشان می دهد. فرمول: Fe₂O_3.
2. هیدروکسید آهن (III). ماده ای که هنگام واکنش قلیاها با نمک های آهن مربوطه رسوب می کند. شخصیت آن آمفوتریک تلفظ می شود، رنگ قهوه ای مایل به قهوه ای است. فرمول: Fe(OH)_3.
3. نمکها، که شامل کاتیون Fe³⁺ است.بسیاری از اینها جدا شده اند، به استثنای کربنات، زیرا هیدرولیز اتفاق می افتد و دی اکسید کربن آزاد می شود. نمونه‌هایی از فرمول‌ها برای برخی نمک‌ها: Fe(NO₃)₃، Fe₂(SO4₎3_{، FeCL}3، _FeBr3 _{و دیگران.}

در میان نمونه های بالا، از نقطه نظر عملی، هیدرات کریستالی مانند FeCL₃6H_{2O، یا هگزا هیدرات کلرید آهن مهم است (III). در پزشکی برای توقف خونریزی و تامین یون آهن در بدن در صورت کم خونی استفاده می شود.}

سولفات آهن (III) 9-هیدرات برای تصفیه آب آشامیدنی استفاده می شود زیرا به عنوان یک منعقد کننده عمل می کند.

ترکیبات آهن (VI)

فرمول ترکیبات شیمیایی آهن، که در آن حالت اکسیداسیون خاص +6 را نشان می دهد، می توان به صورت زیر نوشت:

• K₂FeO_4;
• Na₂FeO_4;
• MgFeO_{4 و دیگران.}

همه آنها یک نام مشترک دارند - فرات - و دارای خواص مشابه (مواد کاهنده قوی) هستند. آنها همچنین قادر به ضد عفونی کردن هستند و اثر ضد باکتریایی دارند. این به آنها اجازه می دهد تا برای تصفیه آب آشامیدنی در مقیاس صنعتی استفاده شوند.

ترکیبات پیچیده

مواد خاص در شیمی تجزیه و نه تنها بسیار مهم هستند. آنهایی که در محلول های آبی نمک ها تشکیل می شوند. اینها ترکیبات پیچیده آهن هستند. محبوب ترین و به خوبی تحقیق شده به شرح زیر است.

1. هگزاسیانوفرات پتاسیم (II)K₄[Fe(CN)₆]. نام دیگر این ترکیب نمک خون زرد است. برای تعیین کیفی یون آهن Fe3+ ^{در محلول استفاده می شود. در نتیجه قرار گرفتن در معرض، محلول یک رنگ آبی روشن زیبا به دست می آورد، زیرا مجموعه دیگری تشکیل می شود - آبی پروس KFe}3+^[Fe2+ ^(CN) 6_{]. از زمان های قدیم به عنوان رنگ برای پارچه استفاده می شده است.}
2. هگزاسیانوفرات پتاسیم (III) K₃[Fe(CN)₆]. نام دیگر نمک خون قرمز است. به عنوان یک معرف کیفی برای تعیین یون آهن Fe^{2+ استفاده می شود. در نتیجه یک رسوب آبی تشکیل می شود که به آن آبی Turnbull می گویند. همچنین به عنوان رنگ پارچه استفاده می شود.}

آهن در مواد آلی

آهن و ترکیبات آن همانطور که دیدیم از اهمیت عملی زیادی در زندگی اقتصادی انسان برخوردار است. با این حال، علاوه بر این، نقش بیولوژیکی آن در بدن کم نیست، برعکس.

یک ترکیب آلی بسیار مهم به نام پروتئین وجود دارد که شامل این عنصر است. این هموگلوبین است. به لطف او است که اکسیژن حمل می شود و تبادل گاز یکنواخت و به موقع انجام می شود. بنابراین، نقش آهن در فرآیند حیاتی - تنفس - بسیار زیاد است.

درمجموع، بدن انسان حاوی حدود 4 گرم آهن است که باید دائماً از طریق غذای مصرفی آن را جبران کند.