Hierro: estructura atómica, diagrama y ejemplos. Estructura electrónica del átomo de hierro. Hierro: características generales del elemento, propiedades químicas del hierro y sus compuestos. Ejemplos de resolución de problemas.
Se entiende por radio efectivo de un átomo o ion el radio de su esfera de acción, y el átomo (ion) se considera una bola incompresible. Utilizando el modelo planetario de un átomo, se representa como un núcleo alrededor del cual orbitan los electrones. La secuencia de elementos en la tabla periódica de Mendeleev corresponde a la secuencia de llenado de capas de electrones. El radio efectivo del ion depende del llenado de las capas de electrones, pero no es igual al radio de la órbita exterior. Para determinar el radio efectivo, los átomos (iones) en la estructura cristalina se representan como bolas rígidas en contacto, de modo que la distancia entre sus centros es igual a la suma de los radios. Los radios atómicos e iónicos se determinan experimentalmente a partir de mediciones de rayos X de distancias interatómicas y se calculan teóricamente basándose en conceptos de mecánica cuántica.
Los tamaños de los radios iónicos obedecen a las siguientes leyes:
1. Dentro de una fila vertical de la tabla periódica, los radios de iones con la misma carga aumentan al aumentar el número atómico, ya que aumenta el número de capas de electrones y, por lo tanto, el tamaño del átomo.
2. Para el mismo elemento, el radio iónico aumenta al aumentar la carga negativa y disminuye al aumentar la carga positiva. El radio del anión es mayor que el radio del catión, ya que el anión tiene un exceso de electrones y el catión tiene un déficit. Por ejemplo, para Fe, Fe 2+, Fe 3+ el radio efectivo es 0,126, 0,080 y 0,067 nm, respectivamente, para Si 4-, Si, Si 4+ el radio efectivo es 0,198, 0,118 y 0,040 nm.
3. Los tamaños de átomos e iones siguen la periodicidad del sistema de Mendeleev; las excepciones son los elementos del n° 57 (lantano) al n° 71 (lutecio), donde los radios de los átomos no aumentan, sino que disminuyen uniformemente (la llamada contracción de los lantánidos), y los elementos del n° 89 (actinio) en adelante. (la llamada contracción actínida).
Radio atómico elemento químico Depende del número de coordinación. Un aumento en el número de coordinación siempre va acompañado de un aumento en las distancias interatómicas. En este caso, la diferencia relativa en los valores de los radios atómicos correspondientes a dos números de coordinación diferentes no depende del tipo de enlace químico (siempre que el tipo de enlace en las estructuras con los números de coordinación comparados sea el mismo). Un cambio en los radios atómicos con un cambio en el número de coordinación afecta significativamente la magnitud de los cambios volumétricos durante las transformaciones polimórficas. Por ejemplo, al enfriar hierro, su transformación de una modificación con una red cúbica centrada en las caras a una modificación con una red cúbica centrada en el cuerpo, que tiene lugar a 906 o C, debe ir acompañada de un aumento de volumen del 9%. en realidad el aumento en volumen es del 0,8%. Esto se debe al hecho de que debido a un cambio en el número de coordinación de 12 a 8, el radio atómico del hierro disminuye en un 3%. Es decir, los cambios en los radios atómicos durante las transformaciones polimórficas compensan en gran medida los cambios volumétricos que deberían haber ocurrido si el radio atómico no hubiera cambiado. Los radios atómicos de elementos sólo se pueden comparar si tienen el mismo número de coordinación.
Los radios atómicos (iónicos) también dependen del tipo de enlace químico.
En los cristales unidos por metales, el radio atómico se define como la mitad de la distancia interatómica entre átomos adyacentes. En el caso de soluciones sólidas, los radios atómicos metálicos cambian de forma compleja.
Los radios covalentes de elementos con enlace covalente se entienden como la mitad de la distancia interatómica entre los átomos más cercanos conectados por un enlace covalente único. Una característica de los radios covalentes es su constancia en diferentes estructuras covalentes con los mismos números de coordinación. Entonces, distancias en solo Relaciones SS en diamante y en hidrocarburos saturados son iguales e iguales a 0,154 nm.
Los radios iónicos en sustancias con enlaces iónicos no se pueden determinar como la mitad de la suma de las distancias entre iones cercanos. Como regla general, los tamaños de cationes y aniones difieren marcadamente. Además, la simetría de los iones difiere de la esférica. Existen varios enfoques para estimar los radios iónicos. Con base en estos enfoques, se estiman los radios iónicos de los elementos y luego se determinan los radios iónicos de otros elementos a partir de distancias interatómicas determinadas experimentalmente.
Los radios de Van der Waals determinan los tamaños efectivos de los átomos de los gases nobles. Además, se considera que los radios atómicos de Van der Waals son la mitad de la distancia internuclear entre los átomos idénticos más cercanos que no están conectados entre sí por un enlace químico, es decir, pertenecientes a diferentes moléculas (por ejemplo, en cristales moleculares).
Cuando se utilizan radios atómicos (iónicos) en cálculos y construcciones, sus valores deben tomarse de tablas construidas según un sistema.
Consideremos la dependencia de algunas propiedades de los átomos de la estructura de sus capas electrónicas. Detengámonos, en primer lugar, en los patrones de cambios en los radios atómicos e iónicos.
Las nubes de electrones no tienen límites claramente definidos. Por tanto, el concepto de tamaño de un átomo no es estricto. Pero si imaginas átomos en cristales sustancia simple en forma de bolas que se tocan entre sí, entonces la distancia entre los centros de las bolas vecinas (es decir, entre los núcleos de los átomos vecinos) se puede tomar igual al doble del radio del átomo. Así, la distancia internuclear más pequeña en los cristales de cobre es igual a; esto nos permite suponer que el radio del átomo de cobre es igual a la mitad de este valor, es decir
La dependencia de los radios atómicos de la carga del núcleo de un átomo Z es periódica. Dentro de un período, a medida que Z aumenta, aparece una tendencia hacia una disminución en el tamaño atómico, que se observa especialmente claramente en períodos cortos (los radios atómicos se dan en nm):
Esto se explica por la creciente atracción de los electrones desde la capa exterior hacia el núcleo a medida que aumenta su carga.
Con el comienzo de la construcción de una nueva capa electrónica, más alejada del núcleo, es decir, durante la transición al siguiente período, los radios atómicos aumentan (compárese, por ejemplo, los radios de los átomos de flúor y sodio). Como resultado, dentro de un subgrupo, al aumentar la carga nuclear, aumentan los tamaños de los átomos. Pongamos como ejemplo los valores de los radios atómicos (en nm) de elementos de algunos subgrupos principales:
Los electrones de la capa exterior, que están menos unidos al núcleo, pueden desprenderse del átomo y unirse a otros átomos, pasando a formar parte de la capa exterior de este último.
Los átomos que han perdido uno o más electrones quedan cargados positivamente porque la carga del núcleo atómico excede la suma de las cargas de los electrones restantes. Por el contrario, los átomos a los que se les han añadido electrones adicionales quedan cargados negativamente. Las partículas cargadas producidas se llaman iones.
Los iones se designan con los mismos símbolos que los átomos, indicando su carga en la parte superior derecha: por ejemplo, un ion de aluminio con carga triple positiva se indica con , un ion de cloro con carga única negativa se indica con .
La pérdida de átomos de electrones conduce a una disminución de su tamaño efectivo y la adición de un exceso de electrones conduce a un aumento. Por lo tanto, el radio de un ion (catión) cargado positivamente es siempre menor, y el radio de un no (anión) cargado negativamente es siempre mayor que el radio del átomo eléctricamente neutro correspondiente. Por tanto, el radio del átomo de potasio es , y el radio del ion, los radios del átomo y del ion de cloro, respectivamente, son 0,099 y . En este caso, el radio del ion difiere más del radio del átomo cuanto mayor es la carga del ion. Por ejemplo, los radios del átomo y de los iones de cromo son 0,127, 0,083 y , respectivamente.
Dentro de un subgrupo, los radios de iones de la misma carga aumentan al aumentar la carga nuclear. Esto se ilustra con los siguientes ejemplos (los radios de los iones se dan en nm):
Este patrón se explica por un aumento en el número de capas electrónicas y la creciente distancia de los electrones externos al núcleo.
HIERRO(lat. Ferrum), Fe, elemento químico del grupo VIII de la tabla periódica, número atómico 26, masa atómica 55.847. El origen de los nombres latinos y rusos del elemento no se ha establecido claramente. El hierro natural es una mezcla de cuatro nucleidos con números másicos 54 (el contenido en la mezcla natural es 5,82% en peso), 56 (91,66%), 57 (2,19%) y 58 (0,33%). La configuración de las dos capas electrónicas exteriores es 3s 2 p 6 d 6 4s 2. Normalmente forma compuestos en los estados de oxidación +3 (valencia III) y +2 (valencia II). También se conocen compuestos con átomos de hierro en estados de oxidación +4, +6 y algunos otros.
EN tabla periódica El hierro de Mendeleev está incluido en el grupo VIIIB. En el cuarto período, al que también pertenece el hierro, este grupo incluye, además del hierro, también el cobalto (Co) y el níquel (Ni). Estos tres elementos forman una tríada y tienen propiedades similares.
El radio del átomo de hierro neutro es de 0,126 nm, el radio del ion Fe 2+ es de 0,080 nm y el del ion Fe 3+ es de 0,067 nm. Las energías de ionización secuencial del átomo de hierro son 7,893, 16,18, 30,65, 57, 79 eV. Afinidad electrónica 0,58 eV. Según la escala de Pauling, la electronegatividad del hierro es de aproximadamente 1,8.
El hierro de alta pureza es un metal dúctil de color gris plateado brillante que se adapta bien a de varias maneras proceso mecanico.
Físico y Propiedades químicas: a temperaturas desde temperatura ambiente hasta 917°C, así como en el rango de temperatura 1394-1535°C, hay -Fe con una red cúbica centrada en el cuerpo, a temperatura ambiente el parámetro de red A= 0,286645 nm. A temperaturas entre 917 y 1394 °C, el Fe con una red cúbica centrada en las caras T es estable ( A= 0,36468 nm). A temperaturas que van desde la temperatura ambiente hasta 769°C (el llamado punto de Curie), el hierro tiene fuertes propiedades magnéticas (se dice que es ferromagnético); a temperaturas más altas, el hierro se comporta como un paramagnético. A veces, el -Fe paramagnético con una red cúbica centrada en el cuerpo, estable a temperaturas de 769 a 917°C, se considera una modificación del hierro, y el -Fe, estable a altas temperaturas (1394-1535°C), se llama -Fe. según la tradición (las ideas sobre la existencia de cuatro modificaciones del hierro surgieron cuando aún no existía el análisis de difracción de rayos X y no había información objetiva sobre la estructura interna del hierro). Punto de fusión 1535°C, punto de ebullición 2750°C, densidad 7,87 g/cm 3 . El potencial estándar del par Fe 2+ /Fe 0 es 0,447 V, el par Fe 3+ /Fe 2+ es +0,771 V.
Cuando se almacena al aire a temperaturas de hasta 200°C, el hierro se cubre gradualmente con una densa película de óxido, que evita una mayor oxidación del metal. En el aire húmedo, el hierro se cubre con una capa suelta de óxido, lo que no impide el acceso de oxígeno y humedad al metal y su destrucción. El óxido no tiene permanente composición química, aproximadamente ella fórmula química se puede escribir como Fe 2 O 3 xH 2 O.
El hierro reacciona con el oxígeno (O) cuando se calienta. Cuando el hierro se quema en el aire, se forma óxido de Fe 2 O 3, y cuando el hierro se quema en oxígeno puro, se forma óxido de Fe 3 O 4. Si se hace pasar oxígeno o aire a través del hierro fundido, se forma óxido de FeO. Cuando se calientan azufre (S) y polvo de hierro, se forma sulfuro, cuya fórmula aproximada se puede escribir como FeS.
El hierro reacciona con los halógenos cuando se calienta. Como el FeF 3 no es volátil, el hierro es resistente al flúor (F) hasta temperaturas de 200-300°C. Cuando el hierro se clora (a una temperatura de aproximadamente 200 °C), se forma FeCl 3 volátil. Si la interacción del hierro y el bromo (Br) se produce a temperatura ambiente o con calentamiento y aumento de la presión de vapor de bromo, se forma FeBr 3. Cuando se calientan, el FeCl 3 y, especialmente, el FeBr 3 se separan del halógeno y se convierten en haluros de hierro (II). Cuando el hierro y el yodo (I) reaccionan, se forma yoduro Fe 3 I 8.
Cuando se calienta, el hierro reacciona con nitrógeno (N), formando nitruro de hierro Fe 3 N, con fósforo (P), formando fosfuros FeP, Fe 2 P y Fe 3 P, con carbono (C), formando carburo Fe 3 C, con silicio. (Si), formando varios siliciuros, por ejemplo FeSi.
A presión elevada, el hierro metálico reacciona con el monóxido de carbono CO, y en estado líquido, en condiciones normales, se forma hierro pentacarbonil Fe(CO) 5 altamente volátil. También se conocen carbonilos de hierro de las composiciones Fe 2 (CO) 9 y Fe 3 (CO) 12. Los carbonilos de hierro sirven como materiales de partida en la síntesis de compuestos orgánicos de hierro, incluida la composición del ferroceno.
El hierro metálico puro es estable en agua y soluciones alcalinas diluidas. En sulfúrico concentrado y ácidos nítricos el hierro no se disuelve, ya que una fuerte película de óxido pasiva su superficie.
El hierro reacciona con los ácidos clorhídrico y sulfúrico diluido (aproximadamente 20%) para formar sales de hierro (II):
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2
Cuando el hierro reacciona con aproximadamente un 70% de ácido sulfúrico, la reacción procede para formar sulfato de hierro (III):
2Fe + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 4H 2 O
El óxido de hierro (II) FeO tiene propiedades básicas; le corresponde la base Fe(OH) 2. El óxido de hierro (III) Fe 2 O 3 es débilmente anfótero; se combina con una base aún más débil que el Fe(OH) 2, Fe(OH) 3, que reacciona con los ácidos:
2Fe(OH)3 + 3H2SO4 = Fe2(SO4)3 + 6H2O
El hidróxido de hierro (III) Fe(OH) 3 presenta propiedades ligeramente anfóteras; es capaz de reaccionar únicamente con soluciones concentradas de álcalis:
Fe(OH)3 + KOH = K
Los hidroxocomplejos resultantes de hierro (III) son estables en soluciones fuertemente alcalinas. Cuando las soluciones se diluyen con agua, se destruyen y precipita el hidróxido de hierro (III) Fe(OH) 3.
Los compuestos de hierro (III) en soluciones se reducen con hierro metálico:
Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2
Al almacenar soluciones acuosas de sales de hierro (II), se observa oxidación del hierro (II) a hierro (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH)Cl 2
De sales de hierro (II) en soluciones acuosas Sal de Mohr estable, sulfato doble de amonio y hierro (II) (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O.
El hierro (III) es capaz de formar sulfatos dobles con cationes con carga simple como el alumbre, por ejemplo, KFe(SO 4) 2 alumbre de hierro-potasio, (NH 4)Fe(SO 4) 2 alumbre de amonio férrico, etc.
Cuando el cloro gaseoso (Cl) o el ozono actúan sobre soluciones alcalinas de compuestos de hierro (III), se forman compuestos de ferrato de hierro (VI), por ejemplo, ferrato de potasio (VI) (K): K 2 FeO 4. Hay informes sobre la producción de compuestos de hierro (VIII) bajo la influencia de agentes oxidantes fuertes.
Para detectar compuestos de hierro (III) en solución, se utiliza una reacción cualitativa de iones Fe 3+ con iones de tiocianato CNS. Cuando los iones Fe 3+ interactúan con los aniones del SNC, se forma tiocianato de hierro rojo brillante Fe(CNS) 3. Otro reactivo para los iones Fe 3+ es el hexacianoferrato de potasio (II) (K): K 4 (anteriormente esta sustancia se llamaba sal de sangre amarilla). Cuando los iones Fe 3+ y 4 interactúan, se forma un precipitado azul brillante.
Una solución de hexacianoferrato (III) (K) K 3 de potasio, antes llamada sal roja de sangre, puede servir como reactivo para los iones Fe 2+ en solución. Cuando interactúan los iones Fe 3+ y 3, se forma un precipitado azul brillante de la misma composición que en el caso de la interacción de los iones Fe 3+ y 4.
Aleaciones hierro-carbono: El hierro se utiliza principalmente en aleaciones, principalmente aleaciones de carbono (C), diversas fundiciones y aceros. En el hierro fundido, el contenido de carbono es superior al 2,14% en peso (normalmente entre el 3,5 y el 4%), en el acero el contenido de carbono es inferior (normalmente entre el 0,8 y el 1%).
El hierro fundido se produce en altos hornos. Un alto horno es un cono truncado gigante (de hasta 30-40 m de altura), hueco por dentro. Las paredes interiores del alto horno están revestidas con ladrillos refractarios y el espesor de la mampostería es de varios metros. Desde arriba, mineral de hierro enriquecido (liberado de roca estéril), coque reductor (calidades especiales de carbón sometido a coquización, calentado a una temperatura de aproximadamente 1000 ° C sin acceso al aire), así como materiales de fundición (piedra caliza y otros) que promueven La separación se carga en el alto horno con carros de escoria de impurezas de metal fundido. La ráfaga (oxígeno puro (O) o aire enriquecido con oxígeno (O)) se introduce en el alto horno desde abajo. A medida que los materiales cargados en el alto horno descienden, su temperatura aumenta a 1200-1300°C. Como resultado de reacciones de reducción que ocurren principalmente con la participación de coque C y CO:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO;
Fe 2 O 3 + 3CO = 2Fe + 3CO 2
Aparece hierro metálico, que está saturado de carbono (C) y fluye hacia abajo.
Esta masa fundida se libera periódicamente del alto horno a través de una jaula de apertura especial y se deja solidificar en formas especiales. El hierro fundido puede ser blanco, el llamado arrabio (se utiliza para producir acero) y gris, o hierro fundido. El hierro fundido blanco es una solución sólida de carbono (C) en hierro. En la microestructura de la fundición gris se pueden distinguir microcristales de grafito. Debido a la presencia de grafito, la fundición gris deja marcas en el papel blanco.
El hierro fundido es frágil y se rompe cuando se impacta, por lo que no se pueden fabricar resortes, ballestas o cualquier producto que deba doblarse con él.
El hierro fundido macizo es más ligero que el fundido, por lo que cuando se solidifica no se contrae (como es habitual al solidificar metales y aleaciones), sino que se expande. Esta característica le permite realizar diversas piezas fundidas a partir de hierro fundido, incluido su uso como material para piezas fundidas artísticas.
Si el contenido de carbono (C) en el hierro fundido se reduce a 1,0-1,5%, entonces se forma acero. Los aceros pueden ser al carbono (dichos aceros no tienen otros componentes excepto Fe y C) y aleados (dichos aceros contienen aditivos de cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo), cobalto (Co) y otros metales que mejoran la mecánica y otras propiedades del acero).
Los aceros se producen procesando hierro fundido y chatarra en un convertidor de oxígeno, arco eléctrico o hornos de solera abierta. Con este procesamiento, el contenido de carbono (C) en la aleación se reduce al nivel requerido; como dicen, el exceso de carbono (C) se quema.
Las propiedades físicas del acero difieren significativamente de las propiedades del hierro fundido: el acero es elástico, se puede forjar y laminar. Dado que el acero, a diferencia del hierro fundido, se contrae durante la solidificación, las piezas fundidas de acero resultantes se someten a compresión en trenes de laminación. Después del laminado, los huecos y cavidades que aparecieron durante la solidificación de las masas fundidas desaparecen en el volumen del metal.
La producción de acero tiene una larga y profunda tradición en Rusia y el acero producido por nuestros metalúrgicos es de alta calidad.
Historia de la producción de hierro: El hierro ha desempeñado y sigue desempeñando un papel excepcional en la historia material de la humanidad. El primer hierro metálico que cayó en manos del hombre probablemente tuvo origen en un meteorito. Los minerales de hierro están muy extendidos y a menudo se encuentran incluso en la superficie de la Tierra, pero el hierro nativo en la superficie es extremadamente raro. Probablemente, hace varios miles de años, una persona notó que después de encender un fuego, en algunos casos se observaba la formación de hierro a partir de aquellos trozos de mineral que accidentalmente terminaron en el fuego. Cuando arde un incendio, la reducción del hierro del mineral se produce debido a la reacción del mineral tanto directamente con el carbón como con el monóxido de carbono (II) CO formado durante la combustión. La posibilidad de obtener hierro a partir de minerales se vio facilitada en gran medida por el descubrimiento de que cuando el mineral se calienta con carbón, aparece un metal que luego puede purificarse aún más durante la forja. La extracción de hierro del mineral mediante el proceso de soplado de queso se inventó en Asia occidental en el segundo milenio antes de Cristo. El período comprendido entre los siglos IX y VII a. C., cuando se desarrolló la metalurgia del hierro entre muchas tribus de Europa y Asia, se llamó Edad del Hierro y reemplazó a la Edad del Bronce. Las mejoras en los métodos de soplado (el tiro natural fue reemplazado por fuelles) y el aumento de la altura del hogar (aparecieron los hornos de cuba baja) llevaron a la producción de hierro fundido, que comenzó a fundirse ampliamente en Europa Oriental del siglo XIV. El hierro fundido resultante se convirtió en acero. A partir de mediados del siglo XVIII se empezó a utilizar coque de carbón en el proceso de alto horno en lugar del carbón vegetal. Posteriormente, los métodos para obtener hierro a partir de minerales se mejoraron significativamente y actualmente se utilizan dispositivos especiales para este propósito: altos hornos, convertidores de oxígeno y hornos de arco eléctrico.
Encontrar en la naturaleza: El hierro está bastante extendido en la corteza terrestre, representa aproximadamente el 4,1% de la masa de la corteza terrestre (el cuarto lugar entre todos los elementos, el segundo entre los metales). Se conocen una gran cantidad de menas y minerales que contienen hierro. De mayor importancia práctica son los minerales de hierro rojo (mineral de hematita, Fe 2 O 3; contiene hasta un 70% de Fe), minerales de hierro magnético (mineral de magnetita, Fe 3 O 4; contiene 72,4% de Fe), minerales de hierro marrón (mineral de hidrogoetita НFeO 2 · norte H 2 O), así como minerales de hierro (mineral de siderita, carbonato de hierro, FeCO 3; contiene aproximadamente un 48% de Fe). En la naturaleza, también existen grandes depósitos de pirita FeS 2 (otros nombres de pirita de azufre, pirita de hierro, disulfuro de hierro y otros), pero minerales con alto contenido El azufre aún no tiene importancia práctica. Rusia ocupa el primer lugar en el mundo en términos de reservas de mineral de hierro. El agua de mar contiene 1·10 5 1·10 8% de hierro.
Aplicación del hierro, sus aleaciones y compuestos: El hierro puro tiene usos bastante limitados. Se utiliza en la fabricación de núcleos de electroimanes, como catalizador de procesos químicos y para otros fines. Pero las aleaciones de hierro (hierro fundido y acero) constituyen la base de la tecnología moderna. Encontrar aplicación amplia y muchos compuestos de hierro. Así, el sulfato de hierro (III) se utiliza en el tratamiento del agua, los óxidos de hierro y el cianuro sirven como pigmentos en la fabricación de tintes, etc.
Papel biológico: El hierro está presente en el organismo de todas las plantas y animales como oligoelemento, es decir, en cantidades muy pequeñas (en promedio, alrededor del 0,02%). Sin embargo, las bacterias del hierro, que utilizan la energía de oxidación del hierro (II) en hierro (III) para la quimiosíntesis, pueden acumular hasta un 17-20% de hierro en sus células. Principal función biológica Participación del hierro en el transporte de oxígeno (O) y procesos oxidativos. El hierro realiza esta función como parte de proteínas complejas: hemoproteínas, cuyo grupo protésico es el complejo de porfirina de hierro: hemo. Entre las hemoproteínas más importantes se encuentran los pigmentos respiratorios hemoglobina y mioglobina, portadores universales de electrones en las reacciones de respiración celular, oxidación y fotosíntesis, citocromos, enzimas catalosa y peróxido, entre otros. En algunos invertebrados, los pigmentos respiratorios que contienen hierro, heloeritrina y clorocruorina, tienen una estructura diferente a la de las hemoglobinas. Durante la biosíntesis de hemoproteínas, se les transfiere hierro desde la proteína ferritina, que almacena y transporta hierro. Esta proteína, cuya molécula contiene alrededor de 4.500 átomos de hierro, se concentra en el hígado, el bazo, médula ósea y mucosa intestinal de mamíferos y humanos. La necesidad diaria de hierro de una persona (6-20 mg) se cubre abundantemente con los alimentos (la carne, el hígado, los huevos, el pan, las espinacas, la remolacha y otros son ricos en hierro). El cuerpo de una persona promedio (peso corporal 70 kg) contiene 4,2 g de hierro, 1 litro de sangre contiene aproximadamente 450 mg. Cuando hay falta de hierro en el organismo, se desarrolla anemia glandular, que se trata con medicamentos que contienen hierro. Los suplementos de hierro también se utilizan como agentes fortalecedores generales. Una dosis excesiva de hierro (200 mg o más) puede tener un efecto tóxico. El hierro también es necesario para el normal desarrollo de las plantas, por eso existen microfertilizantes a base de preparados de hierro.
DEFINICIÓN
Hierro- el vigésimo sexto elemento de la tabla periódica. Designación - Fe del latín "ferrum". Ubicado en el cuarto período, grupo VIIIB. Se refiere a los metales. La carga nuclear es 26.
El hierro es el metal más común en el mundo después del aluminio: constituye el 4% (en peso) de la corteza terrestre. El hierro se encuentra en forma de varios compuestos: óxidos, sulfuros, silicatos. El hierro se encuentra en estado libre sólo en los meteoritos.
Los minerales de hierro más importantes incluyen el mineral de hierro magnético Fe 3 O 4 , el mineral de hierro rojo Fe 2 O 3 , el mineral de hierro marrón 2Fe 2 O 3 × 3H 2 O y el mineral de hierro mástil FeCO 3 .
El hierro es un metal dúctil plateado (Fig. 1). Se adapta bien a la forja, la laminación y otros tipos de procesamiento mecánico. Las propiedades mecánicas del hierro dependen en gran medida de su pureza, del contenido de otros elementos, incluso en cantidades muy pequeñas.
Arroz. 1. Hierro. Apariencia.
Masa atómica y molecular del hierro.
Peso molecular relativo de la sustancia.(M r) es un número que muestra cuántas veces la masa de una molécula dada es mayor que 1/12 de la masa de un átomo de carbono, y masa atómica relativa de un elemento(A r): cuántas veces la masa promedio de los átomos de un elemento químico es mayor que 1/12 de la masa de un átomo de carbono.
Dado que en estado libre el hierro existe en forma de moléculas monoatómicas de Fe, los valores de sus masas atómicas y moleculares coinciden. Son iguales a 55,847.
Alotropía y modificaciones alotrópicas del hierro.
El hierro forma dos modificaciones cristalinas: hierro α y hierro γ. El primero de ellos tiene una red cúbica centrada en el cuerpo, el segundo tiene una red cúbica centrada en las caras. El hierro α es termodinámicamente estable en dos rangos de temperatura: por debajo de 912 o C y desde 1394 o C hasta el punto de fusión. El punto de fusión del hierro es 1539 ± 5 o C. Entre 912 o C y 1394 o C el hierro γ es estable.
Los rangos de temperatura de estabilidad del hierro α y γ están determinados por la naturaleza del cambio en la energía de Gibbs de ambas modificaciones con los cambios de temperatura. A temperaturas inferiores a 912 o C y superiores a 1394 o C, la energía de Gibbs del hierro α es menor que la energía de Gibbs del hierro γ, y en el rango de 912 a 1394 o C es mayor.
Isótopos de hierro
Se sabe que en la naturaleza el hierro se puede encontrar en forma de cuatro isótopos estables 54 Fe, 56 Fe, 57 Fe y 57 Fe. Sus números de masa son 54, 56, 57 y 58, respectivamente. El núcleo de un átomo del isótopo de hierro 54 Fe contiene veintiséis protones y veintiocho neutrones, y los isótopos restantes se diferencian de él sólo en el número de neutrones.
Hay isótopos artificiales de hierro con números de masa de 45 a 72, así como 6 estados isoméricos de núcleos. El más longevo entre los isótopos mencionados es el 60 Fe con una vida media de 2,6 millones de años.
iones de hierro
La fórmula electrónica que demuestra la distribución orbital de los electrones de hierro es la siguiente:
1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .
Como resultado interacción química el hierro cede sus electrones de valencia, es decir es su donante y se convierte en un ion cargado positivamente:
Fe 0 -2e → Fe 2+ ;
Fe 0 -3e → Fe 3+.
Molécula y átomo de hierro
En estado libre, el hierro existe en forma de moléculas monoatómicas de Fe. A continuación se muestran algunas propiedades que caracterizan al átomo y la molécula de hierro:
Aleaciones de hierro
Hasta el siglo XIX, las aleaciones de hierro eran principalmente conocidas por sus aleaciones con carbono, llamadas acero y hierro fundido. Sin embargo, posteriormente se crearon nuevas aleaciones a base de hierro que contienen cromo, níquel y otros elementos. Actualmente, las aleaciones de hierro se dividen en aceros al carbono, fundiciones, aceros aleados y aceros con propiedades especiales.
En tecnología, las aleaciones de hierro se suelen denominar metales ferrosos y su producción se denomina metalurgia ferrosa.
Ejemplos de resolución de problemas
EJEMPLO 1
| Ejercicio | La composición elemental de la sustancia es la siguiente: la fracción de masa del elemento hierro es 0,7241 (o 72,41%), la fracción de masa de oxígeno es 0,2759 (o 27,59%). Derive la fórmula química. |
| Solución | La fracción de masa del elemento X en una molécula de composición NX se calcula mediante la siguiente fórmula: ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%. Denotemos el número de átomos de hierro en la molécula con "x" y el número de átomos de oxígeno con "y". Encontremos el relativo correspondiente. masas atómicas elementos de hierro y oxígeno (valores de masa atómica relativa tomados de la tabla periódica de D.I. Mendeleev, redondeados a números enteros). Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16. Dividimos el contenido porcentual de elementos en las masas atómicas relativas correspondientes. Así encontraremos la relación entre el número de átomos en la molécula del compuesto: x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O); x:y = 72,41/56: 27,59/16; x:y = 1,29: 1,84. Tomemos el número más pequeño como uno (es decir, dividamos todos los números por el número más pequeño 1,29): 1,29/1,29: 1,84/1,29; En consecuencia, la fórmula más simple para la combinación de hierro y oxígeno es Fe 2 O 3. |
| Respuesta | Fe2O3 |
Figura 46. Partículas en contacto en un cristal.
El uso de rayos X para estudiar cristales permite no sólo establecer la estructura interna de estos últimos, sino también determinar el tamaño de las partículas,formando un cristal: átomos o iones.
Para comprender cómo se hacen tales cálculos, imagine que las partículas a partir de las cuales se construye el cristal tienen forma esférica y están en contacto entre sí. En este caso, podemos suponer que la distancia entre los centros de dos partículas vecinas es igual a la suma de sus radios (Fig. 46). Si las partículas son átomos simples y se mide la distancia entre ellas, se determina el radio del átomo, obviamente igual a la mitad de la distancia encontrada. Por ejemplo, sabiendo que para los cristales de sodio metálico la constante de red d es igual a 3,84 angstroms, encontramos que el radio r El átomo de sodio es igual.
Determinar los radios de varios iones es algo más difícil. Aquí ya no es posible simplemente dividir la distancia entre los iones por la mitad, ya que los tamaños de los iones no son los mismos. Pero si el radio de uno de los iones r 1 es conocido, el radio del otro. r 2 se encuentra fácilmente mediante una simple resta:
r 2 = d - r 1
De ahí se deduce que para calcular los radios de varios iones a partir de las constantes celosías cristalinas necesitas saber el radio de al menos uno de los iones. Entonces, encontrar los radios de todos los demás iones ya no será difícil.
Utilizando métodos ópticos, fue posible determinar con bastante precisión los radios de los iones de flúor F - (1,33 A) y oxígeno O - (1,32 A); Estos radios sirven como valores iniciales al calcular los radios de otros iones. Por ejemplo, la determinación de la constante de red del óxido de magnesio MgO mostró que es igual a 2,1 angstroms. Restando de esto el radio del ion oxígeno, encontramos el radio del ion magnesio:
2,1 - 1,32 = 0,78 Å
La constante de red del fluoruro de sodio es 2,31 Å; Dado que el radio del ion flúor es de 1,33 angstroms, el radio del ion sodio debería ser:
2,31 -1,33 = 0,98 Å
Conociendo el radio del ion sodio y la constante de red del cloruro de sodio, es fácil calcular el radio del ion cloro, etc.
De esta forma se determinan los radios de casi todos los átomos e iones.
Una idea general del tamaño de estas cantidades la dan los datos que figuran en la tabla. 7.
Mesa 7
Radios de átomos e iones de algunos elementos.
| Elemento | Radio atómico | Radio de iones | símbolo de ion |
| 1,92 | 0,98 | Na+ | |
| 2,38 | 1,33 | k+ | |
| 2,51 | 1,49 | Rb+ | |
| 2,70 | 1,65 | Cs+ | |
| 1,60 | 0,78 | mg++ | |
| 1,97 | 1,06 | Ca++ | |
| 2,24 | 1,43 | ba++ | |
| 0,67 | 1,33 | F- | |
| 1,07 | 1,81 | Cl- | |
| 1,19 | 1,96 | hermano | |
| 1,36 | 2,20 | J- | |
| 1,04 | 1,74 | S- |
Como muestran estos datos, en los metales los radios de los átomos son mayores que los radios de los iones; en los metaloides, por el contrario, los radios de los iones son mayores que los radios de los átomos.
Los tamaños relativos de los iones que forman un cristal tienen un enorme impacto en la estructura de la red espacial. Así, por ejemplo, dos muy similares en su naturaleza química: CsCl y NaCl, sin embargo forman redes. varios tipos, y en el primer caso, cada ion positivo está rodeado por ocho iones negativos, y en el segundo, solo seis. Esta diferencia se explica por el hecho de que los tamaños de los iones de cesio
y el sodio no son lo mismo. Varias consideraciones nos obligan a aceptar que los iones deben ubicarse en el cristal de manera que cada ion más pequeño, si es posible, llene completamente el espacio entre los iones grandes que lo rodean y viceversa; en otras palabras, los iones negativos, que casi siempre son más grandes que los positivos, deben rodear lo más cerca posible a los iones positivos, de lo contrario el sistema será inestable. Dado que el radio del ion Cs+ es de 1,65 Å, y el del ion Na+ es de sólo 0,98 Å, es obvio que se pueden colocar más iones Cl- alrededor del primero que alrededor del segundo.
El número de iones negativos que rodean a cada ion positivo en un cristal se llama número de coordinación de una red determinada. Un estudio de la estructura de varios cristales muestra que los números de coordinación más comunes son 2, 3, 4, 6, 8 y 12.
El número de coordinación depende de la relación entre el radio del ion positivo y el radio del ion negativo: cuanto más cercana a la unidad sea esta relación, mayor será el número de coordinación. Considerando los iones como esferas ubicadas en un cristal según el método de empaquetamiento más denso, es posible calcular en qué relación entre el radio de los iones positivos y negativos se debe obtener un número de coordinación particular.
A continuación se muestran los números de coordinación más grandes calculados teóricamente para una relación de radio determinada.
Es fácil comprobar que los números de coordinación de NaCl y CsCl, obtenidos en esta tabla, corresponden exactamente a la disposición real de los iones en los cristales de estas sustancias.