鉄（化学元素）の特徴、化学構造、用途

の 鉄 周期律表のＶＩＩＩＢ族または８族に位置する遷移金属である。それは初期の頃から気づいていた金属の一つです。中国人、エジプト人、ローマ人はこの金属を使って働いた。その簡単な抽出は鉄器時代として知られている歴史の段階を示しました.

その名前はラテン語で「ferrum」という言葉から由来しているので、その化学記号Faithという非常に反応的な要素なので、その銀色の光沢は通常自然界には見られません。古代では、この金属は実際にはその希少性のために金よりも高い値でカタログ化されていました.

その純粋な形はグリーンランドの地域とロシアの土壌の火成岩に見られました。恒星空間では、それは隕石中の豊富な成分であると信じられています、それは地球に影響を与えた後それらの岩の胸の中に結晶化された鉄を保存しました.

しかし、純鉄よりも重要なのは、その化合物です。特にその酸化物。これらの酸化物は、磁鉄鉱、黄鉄鉱、赤鉄鉱、針鉄鉱、その他多数の鉱物で地球の表面を覆っています。実際、火星の山々や砂漠で観察された着色は、大部分が赤鉄鉱によるものです。.

鉄の物体は都市や畑の中にあります。保護フィルムがないものは水分や酸素で腐食するため赤みを帯びます。メイン画像のランタンのような他のものは、灰色または黒のまま.

地球の中心部にはこの金属が大量に集中していると推定されています。それほど多く、液体の状態では、高温の生成物は、地球の磁場の原因となる可能性があります。.

一方、鉄は私たちの惑星の殻を補完するだけでなく、生き物が必要とする栄養素の一部でもあります。例えば、酸素を組織に輸送することが必要です.

索引

• 1鉄の特徴
  • 1.1融点と沸点
  • 1.2密度
  • 1.3同位体
  • 1.4毒性
• 2化学的性質
  • 2.1その化合物の色
  • 2.2酸化状態
  • 2.3酸化剤と還元剤
• 3化学構造
• 4用途・アプリケーション
  • 4.1構造
  • 4.2生物学的
• 5どうしますか?
  • 5.1キルン内の反応
• 6参考文献

鉄の特徴

純鉄には、ミネラルと区別される独自の特性があります。それは光沢のある灰色がかった金属であり、それは空気中の酸素と水分と反応してその対応する酸化物に変換します。大気中に酸素が存在しなければ、すべての装飾品と鉄製の構造物は無傷のままで赤錆のないままになります。.

それは高い機械的強度と硬度を持っていますが、同時にそれは展性と延性です。これは鍛冶屋が鉄の塊を激しい温度にさらす多数の形とデザインを持つ駒を鍛造することを可能にします。それはまた熱と電気の良い導体です。.

さらに、その最も貴重な機能の1つは、磁石との相互作用と磁化能力です。一般の人々は、磁石が鉄の削りくずの動きに与える効果の多くのデモンストレーションを受けました、そしてまた、磁石の磁場と極を証明するために.

融点と沸点

鉄は1535℃の温度で融解し、2750℃で沸騰します。その液体と白熱の形でこの金属は得られます。さらに、その融解熱および蒸発熱は13.8および349.6 kJ / molです。.

密度

その密度は7.86g / cmです³. つまり、この金属1mLの重さは7.86グラムです。.

同位体

周期律表、特に周期4の8族には、鉄の原子量が約56 u（26個の陽子、26個の電子と30個の中性子）であることがわかります。しかし、自然界には鉄の安定同位体が他に3つあります。つまり、それらは同数の陽子を持っていますが、原子質量は異なります。.

の ⁵⁶信仰が最も豊富であり（91.6％）、続いて ⁵⁴信仰（5.9％）, ⁵⁷Fe（2.2％）そして最後に ⁵⁸信仰（0.33％）地球に含まれるすべての鉄を構成するのは、これらの4つの同位体です。他の条件（地球外）では、これらの割合は異なる場合がありますが、 ⁵⁶信仰は最も豊かであり続ける.

46と69uの間で振動する原子質量を持つ他の同位体は非常に不安定であり、今述べた4つより短い半減期を持つ.

毒性

すべての機能の上に、それは無毒な金属です。さもなければ、特別な処理（化学的および物理的）が必要とされ、計り知れない物や建物は環境と生命の潜在的なリスクを表します。.

化学的性質

鉄の電子配置は[Ar] 3dです。⁶4秒², つまり、結晶内での金属結合の形成には、4s軌道から2電子、3d軌道から6電子が寄与しています。強磁性などのいくつかの性質を説明するのはこの結晶構造です.

また、電子配置はそのカチオンの安定性を表面的に予測する。鉄が2つの電子を失うと、Fe²⁺, 設定は残ります[Ar] 3d⁶ （4s軌道がこれらの電子が由来するところであると仮定して）。あなたが3個の電子を失ったら、信仰³⁺, その構成は[Ar] 3dです。⁵.

実験的に、nd価構造を持つ多くのイオンが示されています⁵ 彼らは非常に安定しています。したがって、鉄は電子受容種に対して酸化して鉄第二鉄カチオンになる傾向があります。³⁺;そしてより酸化的でない環境では、鉄の陽イオンFeの²⁺.

そして、酸素がほとんど存在しない培地では、鉄化合物が優位を占めると予想される。 pHは鉄の酸化状態にも影響を与えます。非常に酸性の媒体では鉄への変換が好まれるからです。³⁺.

その化合物の色

信仰²⁺ 溶液中の緑がかった、そして信仰³⁺, ソフトバイオレット同様に、鉄化合物は、どの陽イオンが存在し、どのイオンまたは分子がそれらを取り囲んでいるかに応じて緑色または赤色を呈することがあります。.

グリーンのニュアンスは信仰の電子環境によって変わる²⁺. したがって、酸化鉄のFeOは非常に濃い緑色の固体です。 FeSOの間₄, 硫酸第一鉄は、薄緑色の結晶を持っています。その他のFe化合物²⁺ プルシアンブルーの場合のように、青みがかった色調になることさえあります。.

それはまた信仰の紫色の色合いでも起こります³⁺ その化合物では、赤みを帯びることがあります。例えば、ヘマタイト、信仰₂○₃, 赤みを帯びた鉄の多くの部分を担当する酸化物です。.

しかしながら、かなりの数の鉄化合物は無色である。塩化第二鉄、FeCl₃, それは無色です、なぜなら信仰は³⁺ 実際にはイオン型ではなく共有結合を形成しています（Fe-Cl）.

他の化合物は実際にはＦｅカチオンの複雑な混合物である。²⁺ と信仰³⁺. 前述のように、それらの色は常にイオンや分子が鉄と相互作用することを前提としていますが、大多数は青みがかった色、紫色、赤みがかった色（黄色でも）または濃い緑色である傾向があります.

酸化状態

説明したように、鉄は＋２、または＋３の酸化状態または原子価を有することができる。しかしながら、それが０価を有するいくつかの化合物に関与することも可能である。つまり、電子の損失はありません。.

この種の化合物では、鉄はその粗製形態で関与する。例えば、Fe（CO）₅, 鉄ペンタカルボニルは、多孔質鉄を一酸化炭素と共に加熱することによって得られる油からなる。 COの分子は液体の穴の中に閉じ込められており、Feはこれらのうちの5つと配位している（Fe-C≡O）。.

酸化剤および還元剤

陽イオンのどれ、信仰²⁺ 信仰³⁺, それらは酸化剤または還元剤として作用しますか？信仰²⁺ 酸性媒体中または酸素の存在下では、Feになるために電子を失う³⁺;したがって、それは還元剤です：

信仰²⁺ =>信仰³⁺ + e^-

そして信仰³⁺ それは塩基性媒体中で酸化剤として振る舞う：

信仰³⁺ + e^- =>信仰²⁺

それとも：

信仰³⁺ + 3e^- =>信仰

化学構造

鉄は多形性固体を形成し、すなわちその金属原子は異なる結晶構造をとることができる。室温では、その原子は体の中心に立方体の単位bcc：cubicで結晶化します。体心立方体）この固相はフェライトとして知られている。.

このbcc構造は、鉄が金属構造であるという事実によると思われます⁶, 電子4電子空格子点を使って.

温度が上昇すると、Fe原子は熱効果によって振動し、906℃以降はコンパクトな立方晶ccp構造を取ります。立方形最密充填）これは、Ｆｅγであり、１４０１℃の温度でＦｅα相に戻る。この温度の後、鉄は1535ºCで溶ける.

そして、圧力の増加はどうですか？それが増加すると、それは結晶原子をより緻密な構造、すなわちＦｅβに「押し込む」ことを強いる。この多形体はコンパクトなhcp：六方構造をしています（六角クローズドパック）.

用途・アプリケーション

構造的

鉄だけではほとんど用途がありません。しかしながら、それが他の金属（または錫のような合金）で被覆されている場合、それは腐食から保護されている。したがって、鉄は建物、橋、門、彫像、自動車、機械、変圧器などに存在する建築材料です。.

少量の炭素および他の金属が添加されると、それらの機械的性質は強化される。これらの種類の合金は鋼として知られている。鋼鉄はほとんどすべての産業とその材料を構築しています.

一方、鉄は他の金属（一部の希土類）と混合して電子機器に使用される磁石の製造に使用されています。.

生物学的

鉄は生活に欠かせない役割を果たしています。私たちの体では、それは酵素ヘモグロビンを含むいくつかのタンパク質の一部です。.

ヘモグロビンなしでは、その金属のFeセンターのおかげで酸素のキャリア³⁺, 水中では酸素は非常に不溶性であるため、酸素は体のさまざまな領域に輸送できませんでした.

ヘモグロビンは血液を通って筋肉細胞に移動します。ここではpHが酸性で、高濃度のCOが豊富にあります。₂. ここでは逆の過程が起こり、すなわち、酸素がこれらの細胞内の条件およびその低濃度のために放出される。この酵素は全部で4つのO分子を輸送することができます₂.

どうやって得ますか?

その反応性のために、それは地球の地殻形成酸化物、硫化物または他の鉱物に見られます。したがって、それらのいくつかは原料として使用することができます。すべてがコストとその化学的環境における鉄を減らすことの難しさに左右される.

工業的には、酸化鉄の還元はその硫化物の還元よりも実現可能である。ヘマタイトとマグネタイト、Fe₃○₄, この金属の主な供給源は、炭素と反応する（コークスの形で）.

この方法で得られた鉄は液体で白熱しており、インゴットのインゴット（溶岩カスケードのように）に空けられます。また、大量のガスが発生する可能性があり、それは環境に有害となる可能性がある。従って、鉄を得ることは多くの要因の考察を含みます.

オーブン内の反応

それらの抽出と輸送の詳細を命名せずに、これらの酸化物はコークスと石灰岩と共に動きます（CaCO₃）炉を爆破する。抽出された酸化物は、CaCOの熱分解から放出されるCaOと反応するあらゆる種類の不純物を運びます。₃.

原材料のバッチをオーブンに入れると、その下部に2000℃の空気流が流れて、コークスが一酸化炭素に燃焼します。

2C（s）+ O₂（g）=> 2CO（g）（2000ºC）

このCOは炉の頂上まで上昇し、そこでヘマタイトと出会い、それを減少させます。

3Fe₂○₃（s）+ CO（g）=> 2Fe₃○₄+ CO₂（g）（200℃）

マグネタイトにはFeイオンがあります²⁺, 鉄削減製品³⁺ COと。それから、このプロダクトはより多くのCOと減らされ続けます：

信仰₃○₄（s）+ CO（g）=> 3FeO（s）+ CO₂（g）（700℃）

最後に、FeOは金属​​鉄に還元されてしまいます。金属鉄は炉の高温のために溶けます。

FeO（s）+ CO（g）=> Fe（s）+ CO₂（g）

信仰=>信仰（l）

同時に、ＣａＯはケイ酸塩および不純物と反応し、液体スラグとして知られるものを形成する。このスラグは溶鉄より密度が低いため、浮遊しているため、両方の相を分離することができます。.

参考文献

1. 国立科学情報センター（Ｓ．Ｆ．）。アイアン取得元：propertiesofmatter.si.edu
2. R船。 （Ｓ．Ｆ．）。アイアンhyperphysics.phy-astr.gsu.eduから取得した
3. カルバート。 （2003年12月）鉄：火星の金属は私たちに磁力と命を与えます。取得元：mysite.du.edu
4. 化学的周期表（2012年10月6日）アイアン取得元：chemicool.com
5. バランス（Ｓ．Ｆ．）。金属のプロフィール：鉄。撮影者：thebalance.com
6. シヴァー＆アトキンス。 （2008）。無機化学（第4版）。マックグローヒル.
7. Clark J.（2015年11月29日）。鉄の抽出取得元：chem.libretexts.org