ویژگی های آهن در شیمی و خواص فیزیکی. خواص شیمیایی آهن

براژنیکووا آلا میخایلوونا،

دبیرستان GBOU شماره 332

منطقه نوسکی سن پترزبورگ

این راهنما به بررسی سوالات مربوط به موضوع "شیمی آهن" می پردازد. علاوه بر مباحث نظری سنتی، موضوعاتی که فراتر از سطح پایه هستند نیز مورد توجه قرار می گیرند. حاوی سوالاتی برای خودکنترلی است که دانش‌آموزان را قادر می‌سازد تا سطح تسلط خود را بر مواد آموزشی مربوطه در آمادگی برای آزمون دولتی یکپارچه بررسی کنند.

فصل 1. آهن - یک ماده ساده.

ساختار اتم آهن .

آهن یک عنصر d است که در یک زیرگروه ثانویه از گروه هشتم جدول تناوبی قرار دارد. رایج ترین فلز در طبیعت بعد ازآلومینیوم این بخشی از بسیاری از مواد معدنی است: سنگ آهن قهوه ای (هماتیت) Fe 2 O 3، سنگ آهن مغناطیسی (مگنتیت) Fe 3 O 4، پیریت FeS 2.

ساختار الکترونیکی : 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

ظرفیت : II، III، (IV).

حالت های اکسیداسیون: 0، +2، +3، +6 (فقط در فرات های K 2 FeO 4).

مشخصات فیزیکی.

آهن یک فلز براق، نقره ای-سفید، mp. - 1539 0 C.

اعلام وصول.

آهن خالص را می توان با احیای اکسیدها با هیدروژن در هنگام گرم شدن و همچنین با الکترولیز محلول های نمک های آن به دست آورد. فرآیند کوره بلند - تولید آهن به شکل آلیاژ با کربن (چدن و ​​فولاد):

1) 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2

2) Fe 3 O 4 + CO → 3FeO + CO 2

3) FeO + CO → Fe + CO 2

خواص شیمیایی.

I. تعامل با مواد ساده - غیر فلزات

1) با کلر و گوگرد (هنگامی که گرم شود). عامل اکسید کننده قویتر کلر آهن را به Fe 3+ اکسید می کند و عامل اکسید کننده ضعیفتر کلر آن را به Fe 2+ اکسید می کند:

2Fe 2 + 3Cl → 2FeCl 3

2) با زغال سنگ، سیلیکون و فسفر (در دمای بالا).

3) در هوای خشک توسط اکسیژن اکسید می شود و مقیاس تشکیل می شود - مخلوطی از اکسیدهای آهن (II) و (III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3)

II. تعامل با مواد پیچیده

1) خوردگی (زنگ زدن) آهن در هوای مرطوب اتفاق می افتد:

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

در دماهای بالا (700 - 900 0 C) در غیاب اکسیژن، آهن با بخار آب واکنش می دهد و هیدروژن را از آن جابجا می کند:

3Fe+ 4H 2 O→ Fe 3 O 4 + 4H 2

2) هیدروژن را از اسیدهای کلریدریک و سولفوریک رقیق جابجا می کند:

Fe+ 2HCl = FeCl 2 + H 2

Fe + H 2 SO 4 (رقیق شده) = FeSO 4 + H 2

اسیدهای سولفوریک و نیتریک بسیار غلیظ به دلیل غیرفعال شدن آهن در دماهای معمولی با آهن واکنش نمی دهند.

با اسید نیتریک رقیق، آهن به Fe 3+ اکسید می شود، محصولات احیا HNO 3 به غلظت و دمای آن بستگی دارد:

8Fe + 30HNO 3 (بسیار دیل.) → 8Fe (NO 3) 3 + 3NH 4 NO 3 + 9H 2 O

Fe + 4HNO 3 (dil.) → Fe (NO 3) 3 + NO + 2H 2 O

Fe + 6HNO 3 (conc.) → (دما) Fe (NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

3) واکنش با محلول های نمک های فلزی واقع در سمت راست آهن در سری الکتروشیمیایی ولتاژ فلز:

Fe + CuSO 4 → Fe SO 4 + Cu

فصل2. ترکیبات آهن (II).

اکسید آهن(II) .

اکسید FeO یک پودر سیاه رنگ است که در آب نامحلول است.

اعلام وصول.

کاهش اکسید آهن (III) در دمای 500 درجه سانتیگراد با اثر مونوکسید کربن (II):

Fe 2 O 3 + CO → 2 FeO + CO 2

خواص شیمیایی.

اکسید پایه، مربوط به هیدروکسید Fe(OH) 2 است: در اسیدها حل می شود و نمک های آهن (II) را تشکیل می دهد:

FeO+ 2HCl → FeCl 2 + H 2 O

هیدروکسید آهن (II).

هیدروکسید آهن Fe(OH) 2 یک پایه نامحلول در آب است.

اعلام وصول.

تأثیر قلیاها بر نمک های آهن () بدون دسترسی به هوا:

FeSO 4 + NaOH → Fe(OH) 2 ↓+ Na 2 SO 4

خواص شیمیایی.

هیدروکسید Fe(OH)2 خواص اساسی را نشان می دهد و در اسیدهای معدنی بسیار محلول است و نمک تشکیل می دهد.

Fe(OH) 2 + H 2 SO 4 → FeSO 4 + 2H 2 O

هنگامی که گرم می شود، تجزیه می شود:

Fe(OH) 2 → (دما) FeO+ H2O

خواص ردوکس

ترکیبات آهن (II) خواص کاهشی نسبتاً قوی از خود نشان می دهند و فقط در یک جو بی اثر پایدار هستند. در هوا (به آرامی) یا در یک محلول آبی تحت تأثیر عوامل اکسید کننده (به سرعت) آنها به ترکیبات آهن (III) تبدیل می شوند:

4 Fe(OH) 2 (رسوب شده) + O 2 + 2H 2 O→ 4 Fe(OH) 3 ↓

2FeCl 2 + Cl 2 → 2 FeCl 3

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 → 5 Fe 2 (SO 4) 3 + 2MnSO 4 + K 2 SO 4 + 8 H 2 O

ترکیبات آهن (II) همچنین می توانند به عنوان عوامل اکسید کننده عمل کنند:

FeO+ CO→ (دما) Fe+ CO

فصل 3. ترکیبات آهن (III).

اکسید آهن(III)

اکسید Fe 2 O 3 پایدارترین ترکیب آهن طبیعی حاوی اکسیژن است. این یک اکسید آمفوتریک است که در آب نامحلول است. هنگامی که پیریت FeS 2 برشته می شود تشکیل می شود (به 20.4 "به دست آوردن SO 2" مراجعه کنید.

خواص شیمیایی.

1) با حل شدن در اسیدها نمک های آهن (III) را تشکیل می دهد:

Fe 2 O 3 + 6HCl → 2FeCl 3 + 3H 2 O

2) هنگامی که با کربنات پتاسیم ذوب می شود، فریت پتاسیم را تشکیل می دهد:

Fe 2 O 3 + K 2 CO 3 → (دما) 2KFeO 2 + CO 2

3) تحت اثر عوامل کاهنده به عنوان یک عامل اکسید کننده عمل می کند:

Fe 2 O 3 + 3H 2 → (دما) 2Fe+ 3H 2 O

هیدروکسید آهن (III)

هیدروکسید آهن Fe(OH) 3 یک ماده قرمز مایل به قهوه ای است که در آب نامحلول است.

اعلام وصول.

Fe 2 (SO 4) 3 + 6NaOH → 2Fe(OH) 3 ↓ + 3Na 2 SO 4

خواص شیمیایی.

هیدروکسید Fe(OH) 3 باز ضعیف تری نسبت به هیدروکسید آهن (II) است و آمفوتریسیته ضعیفی دارد.

1) در اسیدهای ضعیف حل می شود:

2Fe(OH) 3 + 3H 2 SO 4 → Fe 2 (SO 4) 3 + 6H 2 O

2) وقتی در محلول 50 درصد NaOH جوشانده شود، تشکیل می شود

Fe(OH) 3 + 3 NaOH → Na 3

نمک های آهن (III).

در معرض هیدرولیز قوی در محلول آبی:

Fe 3+ + H 2 O ↔ Fe(OH) 2+ + H +

Fe 2 (SO 4) 3 + 2H 2 O ↔ Fe(OH)SO 4 + H 2 SO 4

هنگامی که در یک محلول آبی در معرض عوامل کاهنده قوی قرار می گیرند، خود را نشان می دهند خواص اکسید کنندهتبدیل به نمک های آهن (II):

2FeCl 3 + 2KI → 2FeCl 2 + I 2 + 2KCl

Fe 2 (SO 4) 3 + Fe → 3 Fe

فصل4. واکنش های کیفی

واکنش های کیفی به یون های Fe 2 + و Fe 3 +.

1. معرف یون Fe 2+ هگزاسیانوفرات پتاسیم (III) (نمک خون قرمز) است که با آن رسوب آبی شدید نمک مخلوط - آهن پتاسیم (II) هگزاسیانوفرات (III) یا آبی ترنبول:

FeCl 2 + K 3 → KFe 2 + ↓ + 2KCl

1. معرف یون Fe 3+ یون تیوسیانات (یون رودانید) CNS است - که برهمکنش آن با نمک های آهن (III) ماده قرمز خونی - آهن (III) تیوسیانات را تولید می کند:

FeCl 3 + 3KCNS → Fe(CNS) 3 + 3KCl

3) یون های Fe 3+ را می توان با استفاده از هگزاسیانوفرات پتاسیم (II) (نمک خون زرد) نیز شناسایی کرد. در این حالت ، یک ماده نامحلول در آب با رنگ آبی شدید - آهن پتاسیم (III) هگزاسیانوفرات (II) یا آبی پروس:

FeCl 3 + K 4 → KFe 3 + ↓ + 3KCl

فصل 5. اهمیت پزشکی و بیولوژیکی آهن.

نقش آهن در بدن

اهندر تشکیل هموگلوبین در خون، در سنتز هورمون های تیروئید و در محافظت از بدن در برابر باکتری ها شرکت می کند. این برای تشکیل سلول های محافظ ایمنی ضروری است و برای "کار" ویتامین های B لازم است.

اهنبخشی از بیش از 70 آنزیم مختلف از جمله آنزیم های تنفسی است که فرآیندهای تنفسی را در سلول ها و بافت ها تضمین می کنند و در خنثی سازی مواد خارجی وارد شده به بدن انسان شرکت می کنند.

خون سازی. هموگلوبین.

تبادل گاز در ریه ها و بافت ها.

نارسایی کمبود آهن.

کمبود آهن در بدن منجر به بیماری هایی مانند کم خونی و کم خونی می شود.

کم خونی فقر آهن (IDA) یک سندرم خونی است که با اختلال در سنتز هموگلوبین به دلیل کمبود آهن مشخص می شود و با کم خونی و سیدروپنی آشکار می شود. علل اصلی IDA از دست دادن خون و کمبود غذا و نوشیدنی غنی از هم است.

بیمار ممکن است احساس خستگی، تنگی نفس و تپش قلب، به ویژه پس از فعالیت بدنی، اغلب سرگیجه و سردرد، صدا در گوش و حتی غش کند. فرد تحریک پذیر می شود، خواب مختل می شود و تمرکز کاهش می یابد. از آنجا که جریان خون در پوست کاهش می یابد، افزایش حساسیت به سرما ممکن است ایجاد شود. علائم نیز از دستگاه گوارش ناشی می شود - کاهش شدید اشتها، اختلالات سوء هاضمه (تهوع، تغییر در ماهیت و دفعات مدفوع).

آهن بخشی جدایی ناپذیر از مجتمع های بیولوژیکی حیاتی است، مانند هموگلوبین (انتقال اکسیژن و دی اکسید کربن)، میوگلوبین (ذخیره اکسیژن در عضلات)، سیتوکروم ها (آنزیم ها). بدن بالغ حاوی 4-5 گرم آهن است.

فهرست منابع استفاده شده:

1. K.N. Zelenin، V.P. سرگوتین، O.V. مالت "ما امتحان شیمی را عالی قبول می کنیم." Elbl-SPb LLC، 2001.
2. K.A. Makarov "شیمی پزشکی". انتشارات دانشگاه پزشکی دولتی سن پترزبورگ سن پترزبورگ، 1996.
3. N.L. گلینکا "شیمی عمومی". لنینگراد "شیمی"، 1985.
4. V.N. دورونکین، A.G. برژنایا، تی.وی. ساژنوا، V.A. فوریوا "شیمی. تست های موضوعی برای آمادگی برای آزمون یکپارچه دولتی." انتشارات "لژیون"، روستوف-آن-دون، 2012.

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

امروزه ترکیبات آهن در انواع مختلف و همچنین فلز خالص رایج ترین و پر مصرف ترین مواد هستند. بیخود نیست که قرن بیستم آهن محسوب 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 یک اتم را در نظر بگیریم، اول از همه باید مکان آن را در جدول تناوبی نشان دهیم.

1. شماره سریال - 26.
2. دوره چهارمین دوره اصلی است.
3. گروه هشتم، زیرگروه دوم.
4. وزن اتمی - 55.847.
5. ساختار لایه الکترونی بیرونی با فرمول 3d 6 4s 2 نشان داده می شود.
6. - Fe
7. نام آهن است، قرائت فرمول "فروم" است.
8. در طبیعت، چهار ایزوتوپ پایدار عنصر مورد نظر 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 یک اتم معین می تواند نشان دهد:

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

مشخصات فیزیکی

به عنوان یک ماده ساده، آهن دارای یک متالیسم مشخص است. یعنی فلزی به رنگ سفید نقره ای با رنگ خاکستری است که دارای درجه چکش خواری و شکل پذیری بالا و نقطه ذوب و جوش بالایی است. اگر به جزئیات بیشتر نگاه کنیم، آنگاه:

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

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

همه اصلاحات دارای انواع مختلفی از شبکه های کریستالی هستند و همچنین در خواص مغناطیسی متفاوت هستند.

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 و در اکسیژن خالص خود فلز می سوزد.

قابلیت خوردگی بالاست، بنابراین آلیاژهای این ماده با ترکیبات آلیاژی پوشانده می شوند. آهن می تواند با:

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

بدیهی است که با از خود نشان دادن چنین فعالیتی، فلز قادر به تشکیل ترکیبات مختلف، از نظر خواص متنوع و قطبی است. این چیزی است که اتفاق می افتد. آهن و ترکیبات آن بسیار متنوع هستند و در شاخه‌های مختلف علوم، فناوری و فعالیت‌های صنعتی انسان مورد استفاده قرار می‌گیرند.

پراکندگی در طبیعت

ترکیبات طبیعی آهن اغلب یافت می شوند، زیرا این عنصر پس از آلومینیوم دومین عنصر فراوان در سیاره ما است. در عین حال، این فلز به ندرت به شکل خالص خود به عنوان بخشی از شهاب سنگ ها یافت می شود که نشان دهنده تجمع زیاد آن در فضا است. بخش عمده در سنگ معدن، سنگ و مواد معدنی موجود است.

اگر در مورد درصد عنصر مورد نظر در طبیعت صحبت کنیم، می توانیم ارقام زیر را ارائه دهیم.

1. هسته 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؛
• سنگ آهن لیمونیت یا قهوه ای؛
• ویویانیت؛
• پیروتیت؛
• پیریت؛
• سیدریت
• مارکازیت;
• للینگیت؛
• اشتبا;
• میلانتریت و دیگران

این هنوز یک لیست طولانی است، زیرا واقعا تعداد زیادی از آنها وجود دارد. علاوه بر این، آلیاژهای مختلفی که توسط انسان ایجاد می شود، گسترده است. اینها نیز ترکیبات آهنی هستند که بدون آنها تصور زندگی انسان مدرن دشوار است. این شامل دو نوع اصلی است:

• چدن؛
• تبدیل شود.

آهن همچنین یک افزودنی ارزشمند در 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 حالت اکسیداسیون مشخص شده را نشان می دهد برای هر کلاس جداگانه است. بیایید به مهم ترین و رایج ترین آنها نگاه کنیم.

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 همین 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 نمکها با بازها (قلیاها) تشکیل می شود. خواص پایه ضعیفی از خود نشان می دهد و می تواند 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، آنها به خوبی حتی در هوا اکسید می شوند، نمک های آهن را به دست می آورند و تبدیل می شوند. 3. آنها در آب حل می شوند. نمونه هایی از ترکیبات: FeCL 2، FeSO 4، Fe(NO 3) 2.

   

   در بین مواد تعیین شده، چندین ترکیب از اهمیت عملی برخوردار هستند. اول، (II). این منبع اصلی یون برای بدن افراد مبتلا به کم خونی است. هنگامی که چنین بیماری در یک بیمار تشخیص داده می شود، داروهای پیچیده بر اساس ترکیب مورد نظر برای او تجویز می شود. به این ترتیب کمبود آهن در بدن جبران می شود.

   ثانیاً، یعنی سولفات آهن (II) همراه با مس برای از بین بردن آفات کشاورزی روی محصولات استفاده می شود. این روش ده ها سال است که اثربخشی خود را ثابت کرده است، بنابراین باغداران و باغداران از آن ارزش زیادی دارند.

   نمک مورا

   این ترکیبی است که یک هیدرات کریستالی از سولفات آمونیوم آهن است. فرمول آن به صورت FeSO 4 *(NH 4) 2 SO 4 * 6H 2 O نوشته شده است. یکی از ترکیبات آهن (II) است که به طور گسترده در عمل استفاده می شود. زمینه های اصلی استفاده انسان به شرح زیر است.

   1. داروسازی.
   2. تحقیقات علمی و آنالیزهای تیتریمتری آزمایشگاهی (برای تعیین محتوای کروم، پرمنگنات پتاسیم، وانادیم).
   3. دارو - به عنوان یک مکمل غذایی برای کمبود آهن در بدن بیمار.
   4. برای اشباع محصولات چوبی، از آنجایی که نمک موهر در برابر فرآیندهای پوسیدگی محافظت می کند.

   زمینه های دیگری نیز وجود دارد که از این ماده استفاده می شود. نام خود را به افتخار شیمیدان آلمانی دریافت کرد که برای اولین بار خواص آشکار را کشف کرد.

   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، ویژگی اکسید و هیدروکسید مربوطه دیگر اساسی نیست، اما آمفوتریک تلفظ می شود. بیایید توضیحاتی در مورد مواد اصلی ارائه دهیم.

   
   

   در میان مثال های ارائه شده، از نقطه نظر عملی، یک هیدرات کریستالی مانند FeCL 3 * 6H 2 O یا کلرید آهن هگزا هیدرات (III) مهم است. در پزشکی برای جلوگیری از خونریزی و پر کردن یون های آهن در بدن در هنگام کم خونی استفاده می شود.

   سولفات آهن (III) نه 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 ویژه 6+ را نشان می دهد، می توان به صورت زیر نوشت:

   • K 2 FeO 4 ;
   • Na 2 FeO 4 ;
   • MgFeO 4 و دیگران.

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

   اتصالات پیچیده

   مواد خاص در شیمی تجزیه و فراتر از آن بسیار مهم هستند. آنهایی که در محلول های آبی نمک ها تشکیل می شوند. اینها ترکیبات پیچیده آهن هستند. محبوب ترین و به خوبی مطالعه شده از آنها موارد زیر است.

   1. پتاسیم هگزاسیانوفرات (II) K4.نام دیگر این ترکیب نمک خون زرد است. برای تعیین کیفی یون آهن Fe 3+ در محلول استفاده می شود. در نتیجه قرار گرفتن در معرض، محلول یک رنگ آبی روشن زیبا به دست می آورد، زیرا مجتمع دیگری تشکیل می شود - آبی پروس KFe 3+. از زمان های قدیم به عنوان استفاده می شود
   2. پتاسیم هگزاسیانوفرات (III) K 3 .نام دیگر نمک خون قرمز است. به عنوان یک معرف با کیفیت بالا برای تعیین یون آهن Fe 2+ استفاده می شود. در نتیجه، یک رسوب آبی تشکیل می شود که به آن آبی Turnboole می گویند. همچنین به عنوان رنگ پارچه استفاده می شود.

   

   آهن موجود در مواد آلی

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

   یک پروتئین بسیار مهم وجود دارد که حاوی این عنصر است. این هموگلوبین است. به لطف آن است که اکسیژن حمل می شود و تبادل گاز یکنواخت و به موقع اتفاق می افتد. بنابراین، نقش آهن در یک فرآیند حیاتی - تنفس - به سادگی بسیار زیاد است.

   

   در مجموع، بدن انسان حاوی حدود 4 گرم آهن است که باید دائماً از طریق غذای مصرف شده دوباره پر شود.

آهن خالص با روش های مختلفی به دست می آید. مهمترین روش تجزیه حرارتی پنتاکاربونیل آهن (نگاه کنید به § 193) و الکترولیز محلول های آبی نمک های آن است.

در هوای مرطوب، آهن به سرعت زنگ می زند، یعنی با پوشش قهوه ای اکسید آهن هیدراته پوشیده می شود که به دلیل شکنندگی، آهن را از اکسیداسیون بیشتر محافظت نمی کند. در آب، آهن به شدت خورده می شود. با دسترسی فراوان به اکسیژن، اشکال هیدرات اکسید آهن (III) تشکیل می شود:

در صورت کمبود اکسیژن یا زمانی که دسترسی به آن دشوار است، اکسید مخلوط Fe 3 O 4 (FeO Fe 2 O 3) تشکیل می شود:

آهن در اسید هیدروکلریک با هر غلظتی حل می شود:

انحلال در اسید سولفوریک رقیق به طور مشابه رخ می دهد:

در محلول های غلیظ اسید سولفوریک، آهن به آهن اکسید می شود (III):

اما در اسید سولفوریک که غلظت آن نزدیک به 100 درصد است آهن غیرفعال می شود و عملا هیچ گونه فعل و انفعالی روی نمی دهد.

آهن در محلول های رقیق و با غلظت متوسط ​​اسید نیتریک حل می شود:

در غلظت های بالای HNO 3، انحلال کند می شود و آهن غیرفعال می شود.

آهن با دو سری ترکیب مشخص می شود: ترکیبات آهن (II) و ترکیبات آهن (III). اولی مربوط به اکسید آهن (II) یا اکسید آهن، FeO، دومی - اکسید آهن (III) یا اکسید آهن، Fe 2 O 3 است.

علاوه بر این، نمک های اسید آهن H 2 FeO 4 شناخته شده است که در آنها حالت اکسیداسیون آهن +6 است.

نمک های آهن (II) زمانی تشکیل می شوند که آهن در اسیدهای رقیق غیر از اسید نیتریک حل شود. مهمترین آنها سولفات آهن (II) یا سولفات آهن، FeSO 4 · 7H 2 O است که بلورهای سبز روشن را تشکیل می دهد که بسیار محلول در آب هستند. در هوا، سولفات آهن به تدریج فرسایش می یابد و در همان زمان از سطح اکسید می شود و به نمک پایه آهن (III) زرد قهوه ای تبدیل می شود.

سولفات آهن (II) با حل کردن ضایعات فولاد در اسید سولفوریک 20-30٪ تهیه می شود:

سولفات آهن (II) برای کنترل آفات گیاهی، در تولید جوهر و رنگ های معدنی و در رنگرزی منسوجات استفاده می شود.

هنگامی که سولفات آهن گرم می شود، آب آزاد می شود و توده سفیدی از نمک بی آب FeSO 4 به دست می آید. در دماهای بالاتر از 480 درجه سانتیگراد، نمک بی آب تجزیه می شود و دی اکسید گوگرد و تری اکسید گوگرد آزاد می شود. دومی در هوای مرطوب بخارات سفید سنگین اسید سولفوریک را تشکیل می دهد:

هنگامی که محلول نمک آهن (II) با یک قلیایی واکنش می دهد، رسوب سفیدی از هیدروکسید آهن (II) Fe(OH) 2 رسوب می کند که در هوا در اثر اکسیداسیون به سرعت رنگ سبز و سپس قهوه ای به خود می گیرد و به آهن تبدیل می شود. (III) هیدروکسید.

اکسید آهن بی آب (II) FeO را می توان به شکل یک پودر سیاه رنگ که به راحتی اکسید می شود با احیای اکسید آهن (III) با اکسید کربن (II) در دمای 500 درجه سانتی گراد به دست آورد:

کربنات‌های فلزات قلیایی، کربنات آهن سفید (II) FeCO 3 را از محلول‌های نمک‌های آهن (II) رسوب می‌کنند. هنگامی که در معرض آب حاوی CO 2 قرار می گیرد، کربنات آهن، مانند کربنات کلسیم، تا حدی به نمک اسیدی محلول تر Fe (HCO 3) 2 تبدیل می شود. آهن به شکل این نمک در آب های آهن دار طبیعی یافت می شود.

نمک های آهن (II) به راحتی می توانند با عملکرد عوامل اکسید کننده مختلف - اسید نیتریک، پرمنگنات پتاسیم، کلر، به نمک های آهن (III) تبدیل شوند:

نمک‌های آهن (II) به دلیل قابلیت اکسید شدن آسان، اغلب به عنوان عوامل کاهنده استفاده می‌شوند.

کلرید آهن (III) FeCl 3 یک کریستال قهوه ای تیره با رنگ مایل به سبز است. این ماده دارای رطوبت بسیار بالایی است. با جذب رطوبت از هوا به هیدرات های کریستالی حاوی مقادیر مختلف آب تبدیل می شود و در هوا پخش می شود. در این حالت کلرید آهن (III) رنگ قهوه ای مایل به نارنجی دارد. در یک محلول رقیق، FeCl 3 به نمکهای بازی هیدرولیز می شود. در بخار، کلرید آهن (III) ساختاری شبیه به کلرید آلومینیوم (ص. 615) دارد و با فرمول Fe 2 Cl 6 مطابقت دارد. تفکیک قابل توجه Fe 2 Cl 6 به مولکول FeCl 3 در دمای حدود 500 درجه سانتیگراد شروع می شود.

کلرید آهن (III) به عنوان منعقد کننده در تصفیه آب، به عنوان کاتالیزور در سنتز مواد آلی و در صنعت نساجی استفاده می شود.

سولفات آهن (III) Fe 2 (SO 4) 3 - کریستال های بسیار مرطوب و سفید رنگ که در هوا پخش می شوند. هیدرات کریستالی Fe 2 (SO 4) 3 · 9H 2 O (کریستال های زرد) را تشکیل می دهد. در محلول های آبی، سولفات آهن (III) به شدت هیدرولیز می شود. با فلز قلیایی و سولفات های آمونیوم، نمک های مضاعف - آلوم، به عنوان مثال زاج آمونیوم آهنی (NH 4) Fe (SO 4) 2 · 12H 2 O - کریستال های بنفش روشن که به شدت در آب حل می شوند تشکیل می دهد. هنگامی که در دمای بالای 500 درجه سانتیگراد گرم می شود، سولفات آهن (III) طبق معادله تجزیه می شود:

سولفات آهن (III) مانند FeCl 3 به عنوان منعقد کننده در تصفیه آب و همچنین برای اچ کردن فلزات استفاده می شود. محلول Fe 2 (SO 4) 3 قادر به حل کردن Cu 2 S و CuS برای تشکیل سولفات مس (II) است که در تولید هیدرومتالورژیکی مس استفاده می شود.

هنگامی که قلیاها روی محلول‌های نمک‌های آهن (III) اثر می‌کنند، هیدروکسید آهن قرمز قهوه‌ای (III) Fe(OH) 3، نامحلول در قلیایی اضافی، رسوب می‌کند.

هیدروکسید آهن (III) یک باز ضعیف‌تر از هیدروکسید آهن (II) است که نمک‌های آهن (III) به شدت هیدرولیز می‌شوند و با اسیدهای ضعیف (مثلاً کربنیک، سولفید هیدروژن) Fe(OH) 3. نمک تشکیل نمی شود. هیدرولیز همچنین رنگ محلول‌های نمک‌های آهن (III) را توضیح می‌دهد: علیرغم اینکه Fe 3+ تقریباً بی‌رنگ است، محلول‌های حاوی آن به رنگ زرد مایل به قهوه‌ای هستند که با حضور هیدروکسو یون‌های آهن یا Fe(OH توضیح داده می‌شود. ) 3 مولکول که در اثر هیدرولیز تشکیل می شوند:

هنگامی که گرم می شود، رنگ تیره می شود و هنگامی که اسیدها به آن اضافه می شود به دلیل سرکوب هیدرولیز روشن تر می شود.

هنگامی که کلسینه می شود، هیدروکسید آهن (III)، با از دست دادن آب، به اکسید آهن (III) یا اکسید آهن، Fe 2 O 3 تبدیل می شود. اکسید آهن (III) به طور طبیعی به شکل سنگ آهن قرمز وجود دارد و به عنوان رنگ قهوه ای - سرب قرمز یا مومیایی استفاده می شود.

یک واکنش مشخص که نمک های آهن (III) را از نمک های آهن (II) متمایز می کند، اثر پتاسیم تیوسیانات KSCN یا آمونیوم تیوسیانات NH 4 SCN بر نمک های آهن است. محلول تیوسیانات پتاسیم حاوی یون‌های بی‌رنگ SCN- است که با یون‌های Fe(III) ترکیب می‌شود و آهن (III) تیوسیانات آهن (III) با تفکیک ضعیف، قرمز خونی (SCN) را تشکیل می‌دهد. هنگام تعامل با تیوسیانات های یون آهن (II)، محلول بی رنگ می ماند.

ترکیبات سیانید آهن هنگامی که محلول های نمک های آهن (II) در معرض سیانیدهای محلول مانند سیانید پتاسیم قرار می گیرند، رسوب سفیدی از سیانید آهن (II) به دست می آید:

در بیش از حد سیانید پتاسیم، رسوب به دلیل تشکیل نمک پیچیده K4 هگزاسیانوفرات پتاسیم (II) حل می شود.

پتاسیم هگزاسیانوفرات (II) K 4 · 3H 2 O به شکل منشورهای بزرگ زرد روشن متبلور می شود. به این نمک نمک خون زرد نیز می گویند. هنگامی که نمک در آب حل می شود، به یون های پتاسیم و یون های پیچیده 4- بسیار پایدار تجزیه می شود. در عمل، چنین محلولی به هیچ وجه حاوی یون Fe 2 + نیست و واکنش های مشخصه آهن (II) را نشان نمی دهد.

هگزاسیانوفرات پتاسیم (II) به عنوان یک معرف حساس برای یون های آهن (III) عمل می کند، زیرا یون های 4- که با یون های Fe 3+ در تعامل هستند، نمک نامحلول در آب آهن (III) هگزاسیانوفرات (III) Fe 4 3 از یک مشخصه را تشکیل می دهند. رنگ آبی؛ این نمک آبی پروس نامیده می شود:

آبی پروس به عنوان رنگ استفاده می شود.

هنگامی که کلر یا برم روی محلول نمک زرد خون اثر می کند، آنیون آن اکسید شده و به 3- تبدیل می شود.

نمک K3 مربوط به این آنیون هگزاسیانوفرات پتاسیم (III) یا نمک قرمز خون نامیده می شود. بلورهای بی آب قرمز را تشکیل می دهد.

اگر هگزاسیانوفرات پتاسیم (III) را به محلول نمک آهن (II) بمالید، رسوبی از هگزاسیانوفرات (III)، آهن (I) (آبی Turnboole) را دریافت می کنید که به نظر بسیار شبیه آبی پروس است، اما ترکیب متفاوتی دارد. :

با نمک های آهن (III)، K 3 یک محلول قهوه ای مایل به سبز تشکیل می دهد.

در اکثر ترکیبات پیچیده دیگر، مانند سیانوفرات های در نظر گرفته شده، تعداد هماهنگی آهن (II) و آهن (III) شش است.

فریت ها هنگامی که اکسید آهن (III) با کربنات های سدیم یا پتاسیم ذوب می شود، فریت ها تشکیل می شوند - نمک های اسید آهن HFeO 2 در حالت آزاد به دست نمی آیند، به عنوان مثال فریت سدیم NaFeO 2:

هنگامی که آلیاژ در آب حل می شود، محلولی قرمز-بنفش به دست می آید که از آن می توان باریم فرات BaFeO 4 نامحلول در آب را با عمل کلرید باریم رسوب داد.

همه فرات ها عوامل اکسید کننده بسیار قوی هستند (قوی تر از پرمنگنات ها). اسید آهن H 2 FeO 4 مربوط به فرات ها و انیدرید آن FeO 3 در حالت آزاد به دست نیامده است.

کربونیل های آهن آهن با مونوکسید کربن ترکیبات فراری به نام کربونیل آهن تشکیل می دهد. آهن پنتاکاربونیل Fe(CO) 5 یک مایع زرد کم رنگ است که در دمای 105 درجه سانتیگراد می جوشد، در آب نامحلول است، اما در بسیاری از حلال های آلی محلول است. Fe(CO) 5 با عبور CO از روی پودر آهن در دمای 150-200 درجه سانتی گراد و فشار 10 مگاپاسکال به دست می آید. ناخالصی های موجود در آهن با CO واکنش نمی دهند و در نتیجه محصول بسیار خالصی به وجود می آید. هنگامی که در خلاء گرم می شود، پنتاکاربونیل آهن به آهن و CO تجزیه می شود. این برای تولید آهن پودری با خلوص بالا - آهن کربونیل استفاده می شود (نگاه کنید به § 193).

ماهیت پیوندهای شیمیایی در مولکول Fe(CO) 5 در صفحه 430 مورد بحث قرار گرفته است.

از زمان های قدیم برای مردم شناخته شده است: دانشمندان وسایل خانه باستانی ساخته شده از این ماده را به هزاره چهارم قبل از میلاد نسبت می دهند.

تصور زندگی انسان بدون آهن غیرممکن است. اعتقاد بر این است که آهن بیشتر از سایر فلزات برای اهداف صنعتی استفاده می شود. مهمترین سازه ها از آن ساخته شده است. آهن نیز به مقدار کم در خون یافت می شود. این محتوای عنصر بیست و ششم است که خون را قرمز می کند.

خواص فیزیکی آهن

آهن در اکسیژن می سوزد و یک اکسید تشکیل می دهد:

3Fe + 2O2 = Fe3O4.

هنگام گرم شدن، آهن می تواند با نافلزات واکنش نشان دهد:

همچنین در دمای 700-900 درجه سانتیگراد با بخار آب واکنش می دهد:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2.

ترکیبات آهن

همانطور که مشخص است، اکسیدهای آهن دارای یون هایی با دو حالت اکسیداسیون هستند: +2 و + 3. دانستن این موضوع بسیار مهم است، زیرا واکنش های کیفی کاملاً متفاوتی برای عناصر مختلف انجام خواهد شد.

واکنش های کیفی به آهن

یک واکنش کیفی لازم است تا بتوان به راحتی وجود یون های یک ماده را در محلول ها یا ناخالصی های ماده دیگر تعیین کرد. اجازه دهید واکنش های کیفی آهن دو ظرفیتی و سه ظرفیتی را در نظر بگیریم.

واکنش های کیفی به آهن (III)

محتوای یون آهن در یک محلول را می توان با استفاده از قلیایی تعیین کرد. اگر نتیجه مثبت باشد، یک پایه تشکیل می شود - آهن (III) هیدروکسید Fe(OH)3.

ماده حاصل در آب نامحلول است و رنگ قهوه ای دارد. این رسوب قهوه ای است که ممکن است نشان دهنده وجود یون آهن در محلول باشد:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓+ 3NaCl.

یونهای Fe(III) را نیز می توان با استفاده از K3 تعیین کرد.

محلولی از کلرید آهن با محلول زرد رنگ نمک خون مخلوط می شود. در نتیجه، می توانید یک رسوب آبی زیبا را مشاهده کنید که نشان دهنده وجود یون های آهن در محلول است. آزمایش های دیدنی برای بررسی خواص آهن خواهید یافت.

واکنش های کیفی به آهن (II)

یون های Fe2+ با نمک قرمز خون K4 واکنش می دهند. اگر با افزودن نمک، رسوب مایل به آبی تشکیل شود، این یون ها در محلول وجود دارند.

آهن در دوران ماقبل تاریخ شناخته شده بود، اما بعداً استفاده گسترده ای پیدا کرد، زیرا در طبیعت در حالت آزاد بسیار نادر است و تولید آن از سنگ معدن تنها در سطح معینی از توسعه فناوری امکان پذیر شد. احتمالاً برای اولین بار شخصی با شهاب سنگ آهن آشنا شد ، همانطور که از نام آن در زبان های مردم باستان مشهود است: مصر باستان "بنی پت" به معنای "آهن آسمانی" است. سیدروس یونان باستان با لاتین sidus (جنس sideris) - ستاره، جسم آسمانی مرتبط است. در متون هیتی قرن چهاردهم قبل از میلاد. ه. از آهن به عنوان فلزی یاد شده است که از آسمان به زمین افتاده است. در زبان های رومی، ریشه نامی که رومی ها داده اند حفظ شده است (مثلاً fer فرانسوی، ferro ایتالیایی).

روش به دست آوردن آهن از سنگ معدن در غرب آسیا در هزاره دوم قبل از میلاد ابداع شد. ه. پس از آن، استفاده از آهن به بابل، مصر و یونان گسترش یافت. عصر برنز با عصر آهن جایگزین شد. هومر (در بیست و سومین آهنگ ایلیاد) می گوید که آشیل در مسابقه پرتاب دیسک، دیسکی از آهن را به برنده اهدا کرد. در اروپا و روسیه باستان، برای قرن‌های متمادی، آهن از طریق فرآیند پنیرسازی به دست می‌آمد. سنگ آهن با زغال سنگ در فورج ساخته شده در یک گودال کاهش یافت. هوا با دم به داخل فورج پمپ می شد. با بهبود روش های دمیدن و افزایش ارتفاع اجاق، دمای فرآیند افزایش یافت و بخشی از آهن کربوره شد، یعنی چدن به دست آمد. این محصول نسبتاً شکننده به عنوان ضایعات تولید در نظر گرفته شد. از این رو نام چدن "چدن خوک"، "آهن خوک" - انگلیسی است. آهن خام. بعداً متوجه شد که هنگام بارگیری چدن به جای سنگ آهن در آهنگری، پوسته آهن کم کربن نیز به دست آمد و چنین فرآیند دو مرحله ای سودآورتر از فرآیند دمیدن پنیر بود. در قرن 12-13، روش فریاد در حال حاضر گسترده بود.

در قرن چهاردهم، چدن نه تنها به عنوان یک محصول میانی برای پردازش بیشتر، بلکه به عنوان ماده ای برای ریخته گری محصولات مختلف شروع به ذوب کرد. بازسازی کوره به یک کوره شفت ("domnitsa") و سپس به یک کوره بلند نیز به همان زمان باز می گردد. در اواسط قرن هجدهم، فرآیند بوته برای تولید فولاد در اروپا آغاز شد که در اوایل قرون وسطی در سوریه شناخته شده بود، اما بعداً فراموش شد. با این روش، فولاد با ذوب یک بار فلزی در ظروف کوچک (بوته) از یک توده بسیار نسوز تولید می شد. در ربع آخر قرن هجدهم، فرآیند پودینگ تبدیل چدن به آهن در کوره آتشین طنین انداز شروع به توسعه کرد. انقلاب صنعتی قرن 18 و اوایل قرن 19، اختراع ماشین بخار، ساخت راه‌آهن، پل‌های بزرگ و ناوگان بخار نیاز زیادی به آهن و آلیاژهای آن ایجاد کرد. اما تمام روش های موجود برای تولید آهن نتوانست نیاز بازار را برآورده کند. تولید انبوه فولاد تنها در اواسط قرن 19 آغاز شد، زمانی که فرآیندهای بسمر، توماس و اجاق باز توسعه یافتند. در قرن بیستم، فرآیند فولادسازی الکتریکی ظهور کرد و رواج یافت و فولاد با کیفیت بالا تولید کرد.

توزیع آهن در طبیعتاز نظر محتوای در لیتوسفر (4.65 درصد جرم)، آهن در میان فلزات در رتبه دوم قرار دارد (آلومینیوم رتبه اول را دارد). به شدت در پوسته زمین مهاجرت می کند و حدود 300 ماده معدنی (اکسیدها، سولفیدها، سیلیکات ها، کربنات ها، تیتانات ها، فسفات ها و غیره) را تشکیل می دهد. آهن در فرآیندهای ماگمایی، هیدروترمال و سوپرژن که با تشکیل انواع مختلفی از رسوبات آن مرتبط است، نقش فعالی دارد. آهن فلزی از اعماق زمین است که در مراحل اولیه تبلور ماگما، در سنگ های اولترابازیک (9.85%) و پایه (8.56%) (در گرانیت ها فقط 2.7%) تجمع می یابد. در بیوسفر، آهن در بسیاری از رسوبات دریایی و قاره ای تجمع می یابد و سنگ معدن رسوبی را تشکیل می دهد.

نقش مهمی در ژئوشیمی آهن توسط واکنش های ردوکس ایفا می شود - انتقال آهن 2 ظرفیتی به آهن 3 ظرفیتی و بالعکس. در بیوسفر، در حضور مواد آلی، Fe 3+ به Fe 2+ کاهش می یابد و به راحتی مهاجرت می کند و هنگامی که با اکسیژن اتمسفر مواجه می شود، Fe 2+ اکسید می شود و تجمعات هیدروکسیدهای آهن آهن را تشکیل می دهد. ترکیبات گسترده آهن آهن قرمز، زرد و قهوه ای است. این رنگ بسیاری از سنگ های رسوبی و نام آنها را تعیین می کند - "تشکیل قرمز" (لوم ها و رس های قرمز و قهوه ای، ماسه های زرد و غیره).

خواص فیزیکی آهناهمیت آهن در فناوری مدرن نه تنها با توزیع گسترده آن در طبیعت، بلکه با ترکیبی از خواص بسیار ارزشمند تعیین می شود. پلاستیکی است که به راحتی هم در حالت سرد و هم در حالت گرم آهنگری می شود و می توان آن را رول کرد، مهر و موم کرد و کشید. توانایی انحلال کربن و سایر عناصر به عنوان پایه ای برای تولید انواع آلیاژهای آهن عمل می کند.

آهن می تواند به شکل دو شبکه کریستالی وجود داشته باشد: α- و γ-مکعب بدن محور (bcc) و مکعب وجه محور (fcc). در دمای زیر 910 درجه سانتیگراد، α-Fe با شبکه bcc پایدار است (a = 2.86645Å در 20 درجه سانتیگراد). بین 910 درجه سانتیگراد و 1400 درجه سانتیگراد، تغییر γ با یک شبکه fcc پایدار است (a = 3.64 Å). در بالای 1400 درجه سانتیگراد، شبکه bcc δ-Fe (a = 2.94Å) دوباره تشکیل می شود که تا دمای ذوب (1539 درجه سانتیگراد) پایدار است. α-Fe تا دمای 769 درجه سانتیگراد (نقطه کوری) فرومغناطیسی است. تغییرات γ-Fe و δ-Fe پارامغناطیس هستند.

دگرگونی های چندشکل آهن و فولاد در اثر گرمایش و سرمایش در سال 1868 توسط D.K. کربن محلول های جامد بینابینی را با آهن تشکیل می دهد که در آن اتم های C با شعاع اتمی کوچک (0.77 Å)، در بین شبکه های بلوری فلز، متشکل از اتم های بزرگتر (شعاع اتمی Fe 1.26 A) قرار دارند. محلول جامد کربن در γ-Fe آستنیت و در α-Fe فریت نامیده می شود. محلول جامد اشباع شده کربن در γ-Fe حاوی 2.0% جرمی C در 1130 درجه سانتیگراد است. α-Fe تنها 0.02-0.04% C در دمای 723 درجه سانتیگراد و کمتر از 0.01% در دمای اتاق حل می شود. بنابراین، هنگامی که آستنیت سخت می شود، مارتنزیت تشکیل می شود - محلول جامد فوق اشباع کربن در α-Fe، بسیار سخت و شکننده. ترکیب سخت شدن و تمپر (گرمایش تا دمای نسبتاً پایین برای کاهش تنش‌های داخلی) به فولاد اجازه می‌دهد تا ترکیبی از سختی و شکل‌پذیری لازم را داشته باشد.

خواص فیزیکی آهن به خلوص آن بستگی دارد. در مواد آهن صنعتی، آهن معمولاً با ناخالصی های کربن، نیتروژن، اکسیژن، هیدروژن، گوگرد و فسفر همراه است. حتی در غلظت های بسیار کم، این ناخالصی ها خواص فلز را به شدت تغییر می دهند. بنابراین، گوگرد باعث به اصطلاح شکنندگی قرمز، فسفر (حتی 10-2٪ P) - شکنندگی سرد می شود. کربن و نیتروژن شکل پذیری را کاهش می دهند و هیدروژن شکنندگی آهن را افزایش می دهد (به اصطلاح شکنندگی هیدروژنی). کاهش محتوای ناخالصی به 10 -7 - 10 -9٪ منجر به تغییرات قابل توجهی در خواص فلز، به ویژه افزایش شکل پذیری می شود.

خواص فیزیکی آهن که در درجه اول به فلزی با ناخالصی کل کمتر از 0.01 درصد وزنی اطلاق می شود، به شرح زیر است:

شعاع اتمی 1.26A

شعاع یونی Fe 2+ 0.80Å، Fe 3+ 0.67Å

چگالی (20 درجه سانتی گراد) 7.874 گرم بر سانتی متر 3

نقطه جوش حدود 3200 درجه سانتیگراد

ضریب دمای انبساط خطی (20 درجه سانتیگراد) 11.7·10 -6

هدایت حرارتی (25 درجه سانتی گراد) 74.04 W/(m K)

ظرفیت گرمایی آهن به ساختار آن بستگی دارد و به شکل پیچیده ای با دما تغییر می کند. میانگین ظرفیت گرمایی ویژه (0-1000 درجه سانتیگراد) 640.57 J/(kg K).

مقاومت الکتریکی (20 درجه سانتیگراد) 9.7 10 -8 اهم متر

ضریب دمایی مقاومت الکتریکی (0-100 درجه سانتیگراد) 6.51·10 -3

مدول یانگ 190-210 10 3 MN/m 2 (19-21 10 3 kgf/mm 2)

ضریب دمای مدول یانگ 4·10 -6

مدول برشی 84.0 10 3 MN/m2

استحکام کششی کوتاه مدت 170-210 MN/m2

ازدیاد طول 45-55%

سختی برینل 350-450 Mn/m2

قدرت تسلیم 100 Mn/m2

مقاومت ضربه 300 MN/m2

خواص شیمیایی آهنپیکربندی لایه الکترونی بیرونی اتم 3d 6 4s 2 است. آهن ظرفیت متغیری را نشان می دهد (ترکیبات آهن 2 و 3 ظرفیتی پایدارترین هستند). آهن با اکسیژن، اکسید (II) FeO، اکسید (III) Fe 2 O 3 و اکسید (II، III) Fe 3 O 4 (ترکیبی از FeO با Fe 2 O 3 که ساختار اسپینلی دارد) تشکیل می دهد. در هوای مرطوب در دمای معمولی، آهن با زنگ شل پوشیده می شود (Fe 2 O 3 nH 2 O). زنگ زدگی به دلیل تخلخل، مانع از دسترسی اکسیژن و رطوبت به فلز نمی شود و در نتیجه آن را از اکسیداسیون بیشتر محافظت نمی کند. سالانه میلیون ها تن آهن در نتیجه انواع مختلف خوردگی از بین می رود. هنگامی که آهن در هوای خشک بالای 200 درجه سانتیگراد گرم می شود، با یک لایه اکسید نازک پوشیده می شود که از فلز در برابر خوردگی در دمای معمولی محافظت می کند. این اساس روش فنی محافظت از آهن - آبی است. هنگامی که در بخار آب گرم می شود، آهن اکسید می شود و Fe 3 O 4 (زیر 570 درجه سانتیگراد) یا FeO (بالای 570 درجه سانتیگراد) تشکیل می دهد و هیدروژن آزاد می کند.

هیدروکسید Fe(OH)2 به شکل یک رسوب سفید تحت تأثیر قلیایی های سوزاننده یا آمونیاک بر روی محلول های آبی نمک های Fe2+ در اتمسفر هیدروژن یا نیتروژن تشکیل می شود. هنگام تماس با هوا، Fe(OH) 2 ابتدا سبز می شود، سپس سیاه می شود و در نهایت به سرعت به هیدروکسید قرمز قهوه ای Fe(OH) 3 تبدیل می شود. اکسید FeO خواص اساسی را نشان می دهد. اکسید Fe 2 O 3 آمفوتریک است و عملکرد اسیدی ضعیفی دارد. در واکنش با اکسیدهای پایه بیشتر (به عنوان مثال، با MgO، فریت ها را تشکیل می دهد - ترکیباتی مانند Fe 2 O 3 nMeO که دارای خواص فرومغناطیسی هستند و به طور گسترده در الکترونیک رادیویی استفاده می شوند. خواص اسیدی نیز در آهن شش ظرفیتی بیان می شود که در آهن وجود دارد. شکلی از فرات ها، به عنوان مثال K2 FeO 4، نمک های اسید آهن که در حالت آزاد آزاد نمی شوند.

آهن به راحتی با هالوژن ها و هیدروژن هالیدها واکنش می دهد و نمک هایی مانند کلرید FeCl 2 و FeCl 3 می دهد. هنگامی که آهن با گوگرد گرم می شود، سولفیدهای FeS و FeS 2 تشکیل می شوند. کاربیدهای آهن - Fe 3 C (سیمنتیت) و Fe 2 C (کاربید الکترونیکی) - پس از سرد شدن از محلولهای جامد کربن موجود در آهن رسوب می کنند. Fe 3 C نیز از محلول های کربن موجود در آهن مایع با غلظت های بالای C آزاد می شود. نیتریدهای Fe 4 N و Fe 2 N از آنها آزاد می شوند با هیدروژن ، آهن فقط هیدریدهای ناپایدار تولید می کند که ترکیب آنها دقیقاً مشخص نشده است. هنگام گرم شدن، آهن به شدت با سیلیکون و فسفر واکنش می دهد و سیلیسیدها را تشکیل می دهد (به عنوان مثال Fe 3 Si و فسفیدها (مثلا Fe 3 P).

ترکیبات آهن با عناصر بسیاری (O، S و سایرین)، که ساختار کریستالی را تشکیل می دهند، دارای ترکیب متغیری هستند (به عنوان مثال، محتوای گوگرد در مونو سولفید می تواند از 50 تا 53.3 در٪ متغیر باشد). این به دلیل نقص در ساختار کریستالی است. برای مثال، در اکسید آهن (II)، برخی از یون‌های Fe 2+ در محل‌های شبکه با یون‌های Fe 3+ جایگزین می‌شوند. برای حفظ خنثی الکتریکی، برخی از سایت های شبکه که به یون های Fe 2+ تعلق داشتند خالی می مانند.

پتانسیل نرمال الکترود آهن در محلول های آبی نمک های آن برای واکنش Fe = Fe 2+ + 2e 0.44- ولت و برای واکنش Fe = Fe 3+ + 3e 0.036- ولت است. بنابراین، در مجموعه فعالیت ها، آهن در سمت چپ هیدروژن قرار دارد. با آزاد شدن H 2 و تشکیل یون Fe 2 + به راحتی در اسیدهای رقیق حل می شود. برهمکنش آهن با اسید نیتریک عجیب است. HNO 3 غلیظ (چگالی 1.45 گرم بر سانتی متر مکعب) آهن را به دلیل ظاهر شدن یک لایه اکسید محافظ روی سطح آن غیرفعال می کند. HNO 3 رقیق تر، آهن را حل می کند و یون های Fe 2+ یا Fe 3+ را تشکیل می دهد و به NH 3 یا N 2 و N 2 O تقلیل می یابد. محلول های نمک های آهن دو ظرفیتی در هوا ناپایدار هستند - Fe 2+ به تدریج به Fe 3+ اکسید می شود. محلول های آبی نمک های آهن در اثر هیدرولیز واکنش اسیدی دارند. افزودن یون‌های تیوسیانات SCN- به محلول‌های نمک‌های Fe 3+ به دلیل تشکیل Fe(SCN) 3 رنگ قرمز خونی روشن می‌دهد که امکان کشف حضور 1 قسمت Fe 3+ را در تقریباً 106 فراهم می‌کند. بخش هایی از آب آهن با تشکیل ترکیبات پیچیده مشخص می شود.

گرفتن آهنآهن خالص در مقادیر نسبتاً کم از الکترولیز محلولهای آبی نمکهای آن یا از احیای اکسیدهای آن با هیدروژن بدست می آید. تولید آهن به اندازه کافی خالص به تدریج با کاهش مستقیم آن از کنسانتره سنگ معدن با هیدروژن، گاز طبیعی یا زغال سنگ در دماهای نسبتا پایین افزایش می یابد.

کاربرد آهن.آهن مهمترین فلز تکنولوژی مدرن است. آهن به صورت خالص به دلیل استحکام کم عملاً مورد استفاده قرار نمی گیرد، اگرچه در زندگی روزمره محصولات فولادی یا چدنی اغلب "آهن" نامیده می شود. عمده آهن به شکل آلیاژهایی استفاده می شود که از نظر ترکیب و خواص بسیار متفاوت هستند. آلیاژهای آهن تقریباً 95 درصد از کل محصولات فلزی را تشکیل می دهند. آلیاژهای غنی از کربن (بیش از 2٪ وزنی) - چدن - در کوره بلند از سنگ معدن غنی شده با آهن ذوب می شوند. درجات مختلف فولاد (میزان کربن کمتر از 2 درصد وزنی) از چدن در کوره‌ها و مبدل‌های برقی و باز با اکسید کردن (سوختن) کربن اضافی، حذف ناخالصی‌های مضر (عمدتاً S، P، O) و افزودن ذوب می‌شوند. عناصر آلیاژی فولادهای پر آلیاژ (با محتوای بالای نیکل، کروم، تنگستن و سایر عناصر) در کوره های قوس الکتریکی و القایی ذوب می شوند. برای تولید فولادها و آلیاژهای آهن برای مقاصد حیاتی، از فرآیندهای جدید استفاده می شود - خلاء، ذوب مجدد الکتروسرباره، ذوب پلاسما و پرتو الکترونی و غیره. روش‌هایی برای ذوب فولاد در واحدهایی که دائماً کار می‌کنند توسعه می‌یابد که کیفیت بالای فلز و اتوماسیون فرآیند را تضمین می‌کند.

بر اساس آهن، موادی ساخته می شوند که می توانند در برابر دماهای بالا و پایین، خلاء و فشار بالا، محیط های تهاجمی، ولتاژهای متناوب بالا، تشعشعات هسته ای و غیره مقاومت کنند. تولید آهن و آلیاژهای آن به طور مداوم در حال رشد است.

آهن به عنوان یک ماده هنری از دوران باستان در مصر، بین النهرین و هند مورد استفاده قرار گرفته است. از قرون وسطی، محصولات بسیار هنری بسیار ساخته شده از آهن در کشورهای اروپایی (انگلیس، فرانسه، ایتالیا، روسیه و دیگران) حفظ شده است - نرده های آهنگری، لولاهای درب، براکت های دیواری، پره های هوا، اتصالات سینه، و چراغ ها. محصولات ساخته شده از میله ها و محصولات ساخته شده از ورقه های آهن سوراخ دار (اغلب با روکش میکا) با اشکال صاف، یک شبح گرافیکی خطی واضح متمایز می شوند و به طور موثر در پس زمینه هوای روشن قابل مشاهده هستند. در قرن بیستم از آهن برای ساخت کوره ها، نرده ها، پارتیشن های داخلی روباز، شمعدان ها و بناهای تاریخی استفاده می شد.

آهن در بدن.آهن در بدن همه حیوانات و گیاهان وجود دارد (به طور متوسط ​​حدود 0.02٪). عمدتاً برای متابولیسم اکسیژن و فرآیندهای اکسیداتیو ضروری است. ارگانیسم هایی (به اصطلاح متمرکز کننده) وجود دارند که می توانند آن را در مقادیر زیاد جمع کنند (به عنوان مثال، باکتری های آهن - تا 17-20٪ آهن). تقریباً تمام آهن موجود در حیوانات و گیاهان به پروتئین ها متصل است. کمبود آهن باعث کندی رشد و کلروز در گیاهان می شود که با کاهش تشکیل کلروفیل همراه است. آهن اضافی نیز بر رشد گیاه اثر مضری دارد و به عنوان مثال باعث عقیمی گل برنج و کلروز می شود. در خاک های قلیایی، ترکیبات آهنی تشکیل می شود که برای جذب توسط ریشه گیاه غیرقابل دسترس است و گیاهان به مقدار کافی آن را دریافت نمی کنند. در خاک های اسیدی، آهن به مقدار زیاد به ترکیبات محلول تبدیل می شود. هنگامی که کمبود یا بیش از حد ترکیبات آهن قابل جذب در خاک وجود دارد، بیماری های گیاهی را می توان در مناطق وسیعی مشاهده کرد.

آهن با غذا وارد بدن حیوانات و انسان می شود (غنی ترین منابع موجود در آن جگر، گوشت، تخم مرغ، حبوبات، نان، غلات، اسفناج و چغندر است). به طور معمول، یک فرد 60 تا 110 میلی گرم آهن در رژیم غذایی خود دریافت می کند که به طور قابل توجهی بیشتر از نیاز روزانه او است. جذب آهن دریافتی از غذا در قسمت فوقانی روده کوچک اتفاق می‌افتد، از آنجا که به شکل متصل به پروتئین وارد خون می‌شود و همراه خون به اندام‌ها و بافت‌های مختلف منتقل می‌شود و در آنجا به شکل آهن رسوب می‌کند. مجتمع پروتئین - فریتین. ذخیره اصلی آهن در بدن کبد و طحال است. به دلیل فریتین، سنتز تمام ترکیبات حاوی آهن بدن اتفاق می افتد: هموگلوبین رنگدانه تنفسی در مغز استخوان سنتز می شود، میوگلوبین در ماهیچه ها سنتز می شود، سیتوکروم ها و سایر آنزیم های حاوی آهن در بافت های مختلف سنتز می شوند. آهن از بدن عمدتاً از طریق دیواره روده بزرگ (در انسان حدود 6-10 میلی گرم در روز) و به میزان کمی توسط کلیه ها آزاد می شود. نیاز بدن به آهن با افزایش سن و شرایط فیزیکی تغییر می کند. به ازای هر 1 کیلوگرم وزن، کودکان - 0.6، بزرگسالان - 0.1 و زنان باردار - 0.3 میلی گرم آهن در روز نیاز دارند. در حیوانات، نیاز به آهن تقریباً (به ازای هر 1 کیلوگرم ماده خشک جیره) است: برای گاوهای شیری - حداقل 50 میلی گرم، برای حیوانات جوان - 30-50 میلی گرم. برای خوک ها - تا 200 میلی گرم، برای خوک های باردار - 60 میلی گرم.