атомни радиуси. Желязо - обща характеристика на елемента, химичните свойства на желязото и неговите съединения Атомно и молекулно тегло на желязото

УЧЕБНИК ЗАДАЧА ЛАБОРАТОРНИ ПРАКТИКИНАУЧНИ РАЗКАЗИ ЗА ЧЕТЕНЕ

Продължение. Виж бр. 4-14, 16-28, 30-34, 37-44, 47, 48/2002;
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22/2003

§ 5.3 Същност
в кристално състояние

(продължение)

ЛАБОРАТОРНИ ИЗСЛЕДВАНИЯ

1. Определяне на междуядреното разстояние в кристално желязо.

В тази експериментална работа ще се запознаете с определението за плътност на метала - много важна характеристика, благодарение на която можете да прецените например състава и времето на производство на метален продукт.
Кога и от кого възклицанието "Еврика!" Древногръцкият учен Архимед е роден в Сиракуза (остров Сицилия) около 287 г. пр.н.е. д. и е убит от римски войник, докато превзема града по време на Втората пуническа война. Последните думи на Архимед: "Не пипайте чертежите ми." На Архимед се приписва фразата: „Дайте ми къде да застана и аз ще преместя Земята“. Архимед намира решение на проблема с определянето на количеството злато и сребро в жертвената корона на сиракузкия владетел Хиерон, докато се къпе. Той изтича гол вкъщи с викове „Еврика!“, което означава „Намерен!“. Опитайте се да кажете най-общо как Архимед доказва, че в короната има повече сребро от необходимото.

Очаква ви истинско научно изследване!
Работата се извършва от малка група - 2-4 човека. Прочетете внимателно длъжностната характеристика подробен планексперимент (има на разположение метална проба и мерителни съдове) и предварително разпределяне на отговорностите (кой какво ще прави).
Експериментът се състои в определяне на плътността на метала, което позволява с помощта на числото на Авогадро да се изчисли междуядреното разстояние, т.е. разстоянието между ядрата на атомите в кристал или молекула. Това разстояние е една от постоянните характеристики на дадено вещество.

Размерите на атомите и молекулите се изразяват в различни единици: сантиметри (cm), нанометри
(1 nm = 1 10 -9 m) и пикометри (1 pm = 1 10 -12 m). Преди това извънсистемната единица за дължина, ангстрьомът, беше широко използвана.

Вземете парче метал (желязо, мед, алуминий, олово), например желязна топка от голям лагер. Можете да използвате дебел железен пирон, след като отрежете главата и върха му, за да направите цилиндър. Определете чрез претегляне масата на взетия метал.
Определете обема на измерената маса от същия метал. Ако съществуващият метал има правилната форма геометрична фигура- куб, топка, цилиндър или друго, измерете размерите му с линийка или дебеломер. Използвайки математически знания, изчислете обема на детайла.

Можете да вземете голяма гайка или винт за кола, парче оловна плитка от кабел. Не е необходимо да вземете метала на едно парче, можете да вземете шепа пирони, малки топчета, сачми и др. Ако имате парче метал с неправилна форма или малки парчета (топки, винтове, гайки, пирони, кламери) и т.н., направени от един метал, а не от сплав), вие сами трябва да предложите начин за определяне на обема на метал с известна маса (успяхте ли вече да претеглите шепа или куп парчета метал, без да загубите нищо ?).
Можете да го направите. Напълнете мерителния цилиндър около половината с вода и запишете обема му (за да бъдете точни!). Поставете парчетата метал в цилиндър с вода, така че водата да покрие метала и запишете получения обем вода и метал. Какъв е обемът на метала? Може да се случи, че водата е по-малко и тя не покрива целия метал. Как да процедирам тогава? Мисля.
Изсипете точно известен обем вода в друг мерителен цилиндър и налейте достатъчно вода в металния цилиндър, за да покрие метала. Запишете позициите на нивата на водата в двата цилиндъра. Сега можете да изчислите обема на водата в металния цилиндър и обема, зает от водата и метала. Намерете обема на метала и като знаете неговата маса, определете неговата плътност.

След това изчислете обема, който ще падне върху броя на металните атоми на Авогадро. Определете обема на атом и изчислете междуядреното разстояние, като го приравните към дължината на ръба на куба, съдържащ атома.
Имайте предвид, че този метод за определяне на междуядрените разстояния е приблизителен. Въпреки това междуядрените разстояния, изчислени по този метод в метални кристали, са в добро съответствие с тези, получени с други методи.
Вместо желязо можете да вземете други метали - мед, олово, дори злато и сребро.

Как да определим размера на един атом, например желязо? Знаете ли, че 1 мол Fe има маса
55,845; плътността на желязото е определена по-рано експериментално. (Според референтни данни кристалното желязо има плътност = 7,87 g / cm 3). Изчислете обема на 1 мол желязо:

55,845 (g) / 7,87 (g / cm 3) \u003d 7,1 cm 3.

Нека определим обема на част от един атом в кристалната структура на желязото. За да направим това, разделяме обема на 1 mol атоми (моларен обем) на броя на атомите на Авогадро:

7,1 (cm 3) / 6,02 1023 \u003d 1,18 10 -23 cm 3.

По този начин диаметърът на железен атом в кристал е приблизително равен на 0,000000023 см. Това е междуядреното разстояние. Полученото число не е диаметърът на изолиран атом, тъй като електронните обвивки на атомите са нещо като облаци с много размазани ръбове. В строгата научна литература по химия и физика не се използват изразите "диаметър на атома" или "радиус на атома", а терминът "междуядрено разстояние" и обозначението л(„ел“). Защо е диаметърът на един железен атом ди междуядреното му разстояние лса равни, ще ви стане ясно от фиг. 5.6. Според референтни данни радиусът на железен атом е 124,1 pm = 1,24 10 -8 cm, така че междуядреното разстояние е 2,48 10 -8 cm.

Изразете междуядреното разстояние в кристално желязо в различни единици.

2. Изследване на междуядрените разстояния на други елементи

Нека проследим промяната в междуядрените разстояния на примера на елементи от 4-ти период, които са в кристално състояние (при обикновена температура):

елемент Радиус cm Междуядрени
разстояние, см
калий ДА СЕ 2,27 10 –8 4,54 10 –8
калций Sa 1,97 10 –8 3,94 10 –8
скандий sc 1,61 10 –8 3,22 10 –8
Титан Ти 1,44 10 –8 2,88 10 –8
Ванадий V 1,32 10 –8 2,64 10 –8
хром Кр 1,24 10 –8 2,48 10 –8
Манган Мн 1,24 10 –8 2,48 10 –8
Желязо Fe 1,24 10 –8 2,48 10 –8
Кобалт ко 1,25 10 –8 2,50 10 –8
никел Ni 1,24 10 –8 2,48 10 –8
Мед Cu 1,28 10 –8 2,56 10 –8
Цинк Zn 1,33 10 –8 2,66 10 –8
Галий Ga 1,22 10 –8 2,44 10 –8
Германий Ge 1,23 10 –8 2,46 10 –8
Арсен Като 1,25 10 –8 2,50 10 –8
Селен Se 2,15 10 –8 4,30 10 –8

Начертайте графика на промяната в междуядрените разстояния по време на прехода от калий към селен. Ако успеете да обясните хода на промяната на междуядрените разстояния, тогава ще разберете някои характеристики на конструкцията на периодичната таблица на елементите от Д. И. Менделеев.
Ако трябва да подготвите сплави в бъдеще различни метали, тогава информацията за радиусите на атомите ще ви помогне да предвидите свойствата на сплавите.
Металните сплави са твърди системи, образувани от два или повече метала (както и метали и неметали). Сплавите имат по-добри свойства от съставните им метали. Една от класификациите на сплавите се основава на броя на фазите, които изграждат сплавта. Ако сплавта има само една фаза, тогава тя е еднофазна система или твърд разтвор на един метал в друг.
Нека кажем няколко думи за твърдите разтвори. Рядко се наблюдава пълна взаимна разтворимост на металите във всяко съотношение. Такъв може да е случаят с компоненти с подобни свойства. Например златото и среброто могат да се разтварят едно в друго във всяко съотношение, тъй като те са в една и съща подгрупа и размерите на техните атоми са близки (съответно 1,442 10 -8 и 1,444 10 -8 cm).
твърд разтвор - фаза с променлив състав, в която атомите на различни елементи са разположени в обща кристална решетка. Разграничаване на твърдите разтвори заместване И изпълнение .
Заместващ твърд разтвор се образува, когато разтворените метални атоми са разположени в населени места (места) на металната решетка на разтворителя. Атомните радиуси в такива разтвори се различават един от друг с не повече от 15% (за железни сплави с не повече от 8%). Посочете какви твърди разтвори могат да се образуват от горните метали.Друго важно изискване за образуването на заместващи твърди разтвори е, че металите трябва да бъдат електрохимично сходни, тоест те не трябва да са твърде далеч един от друг в серията на напрежението (по-точно в серията на електродния потенциал).
Интерстициален твърд разтвор се образува в резултат на факта, че разтворените метални атоми се намират в кухините между населените места (места) на кристалната решетка. Размерът на разтворените метални атоми не трябва да бъде повече от 63% от размера на атома на металния разтворител.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Желязое двадесет и шестият елемент от периодичната система. Обозначение - Fe от латинското "ferrum". Намира се в четвърти период, VIIIБ група. Отнася се за метали. Ядреният заряд е 26.

Желязото е най-разпространеният метал на земното кълбо след алуминия: съставлява 4% (маса) от земната кора. Желязото се среща под формата на различни съединения: оксиди, сулфиди, силикати. Желязото се среща в свободно състояние само в метеорити.

Най-важните железни руди включват магнитна желязна руда Fe 3 O 4 , червена желязна руда Fe 2 O 3 , кафява желязна руда 2Fe 2 O 3 × 3H 2 O и шпатова желязна руда FeCO 3 .

Желязото е сребрист (фиг. 1) пластичен метал. Поддава се добре на коване, валцуване и други видове машинна обработка. Механичните свойства на желязото силно зависят от неговата чистота - от съдържанието дори на много малки количества други елементи в него.

Ориз. 1. Желязо. Външен вид.

Атомно и молекулно тегло на желязото

Относително молекулно тегло на веществото(M r) е число, показващо колко пъти масата на дадена молекула е по-голяма от 1/12 от масата на въглероден атом и относителна атомна маса на даден елемент(A r) - колко пъти средната маса на атомите химичен елементповече от 1/12 от масата на въглероден атом.

Тъй като в свободно състояние желязото съществува под формата на моноатомни Fe молекули, стойностите на неговите атомни и молекулни маси са еднакви. Те са равни на 55,847.

Алотропия и алотропни модификации на желязото

Желязото образува две кристални модификации: α-желязо и γ-желязо. Първият от тях има кубична телесноцентрирана решетка, а вторият - кубична лицевоцентрирана. α-Желязото е термодинамично стабилно в два температурни диапазона: под 912 o C и от 1394 o C до точката на топене. Точката на топене на желязото е 1539 ± 5 o C. Между 912 o C и 1394 o C γ-желязото е стабилно.

Температурните диапазони на стабилност на α- и γ-желязото се дължат на естеството на промяната в енергията на Гибс на двете модификации с промяна на температурата. При температури под 912 o C и над 1394 o C енергията на Гибс на α-желязото е по-малка от енергията на Гибс на γ-желязото, а в диапазона 912 - 1394 o C - повече.

Изотопи на желязото

Известно е, че желязото може да се среща в природата под формата на четири стабилни изотопа 54Fe, 56Fe, 57Fe и 57Fe. Техните масови числа са съответно 54, 56, 57 и 58. Ядрото на атома на желязния изотоп 54 Fe съдържа двадесет и шест протона и двадесет и осем неутрона, а останалите изотопи се различават от него само по броя на неутроните.

Съществуват изкуствени изотопи на желязото с масови числа от 45 до 72, както и 6 изомерни състояния на ядрата. Най-дълготрайният сред горните изотопи е 60 Fe с период на полуразпад от 2,6 милиона години.

железни йони

Електронната формула, показваща разпределението на железните електрони по орбитите, е следната:

1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 .

Като резултат химично взаимодействиежелязото отдава валентните си електрони, т.е. е техен донор и се превръща в положително зареден йон:

Fe 0 -2e → Fe 2+;

Fe 0 -3e → Fe 3+.

Молекула и атом на желязото

В свободно състояние желязото съществува под формата на едноатомни Fe молекули. Ето някои свойства, които характеризират атома и молекулата на желязото:

железни сплави

До 19-ти век железните сплави са били известни главно със своите сплави с въглерод, които са получили имената на стомана и чугун. В бъдеще обаче бяха създадени нови сплави на основата на желязо, съдържащи хром, никел и други елементи. Понастоящем железните сплави се разделят на въглеродни стомани, чугуни, легирани стомани и стомани със специални свойства.

В технологията железните сплави обикновено се наричат ​​черни метали, а производството им - черна металургия.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение Елементният състав на веществото е следният: масовата част на железния елемент е 0,7241 (или 72,41%), масовата част на кислорода е 0,2759 (или 27,59%). Изведете химичната формула.
Решение Масовата част на елемента X в молекулата на състава HX се изчислява по следната формула:

ω (X) = n × Ar (X) / M (HX) × 100%.

Нека обозначим броя на железните атоми в молекулата с "x", броя на кислородните атоми с "y".

Нека намерим съответните относителни атомни маси на елементите желязо и кислород (стойностите на относителните атомни маси, взети от периодичната таблица на Д. И. Менделеев, ще бъдат закръглени до цели числа).

Ar(Fe) = 56; Ar(O) = 16.

Разделяме процента на елементите на съответните относителни атомни маси. Така ще намерим връзката между броя на атомите в молекулата на съединението:

x:y= ω(Fe)/Ar(Fe) : ω(O)/Ar(O);

x:y = 72,41/56: 27,59/16;

x:y = 1,29:1,84.

Нека приемем най-малкото число като едно (т.е. да разделим всички числа на най-малкото число 1,29):

1,29/1,29: 1,84/1,29;

Следователно най-простата формула за комбиниране на желязо с кислород е Fe 2 O 3.
Отговор Fe2O3
Статии Снимки Маси За сайта Русский

Железен радиус

Магнетити и титаномагнетитни руди и пясъци. Ванадият в тях изоморфно замества желязото (йонни радиуси

Стойността +2 е една от двете най-характерни за елементите от семейството на желязото. Радиусите на йони в кристалите от серията Fe (0,83) - Co (0,82) - Ni (0,78 A) намаляват донякъде. Нормалните потенциали на Fe, Co и Ni, съответстващи на прехода + 2e = E, са съответно -0,44, -0,28 и -0,23 in (в кисела среда) или -0,88, -0,73 и -0,72 in (в алкална среда). За константите на киселинна дисоциация съгласно схемата [E (OH) p] " = = = [E (OH) n-iOI-i] + H, стойностите на 5-10 (Fe), 6 -10-° (Co) и i- 10 - (Ni) Очевидно n = 6 за Fe - и Ni +, но само 4 за Co.


Учените смятат, че вътрешното ядро ​​на нашата планета с радиус от 2200 мили (3500 км) се състои основно от желязо и никел. Това ядро ​​създава магнитното поле на Земята, подобно на което очевидно Луната и съседните ни планети Марс и Венера нямат. Ядрото на Земята е под високо налягане и висока температура и изглежда течно. Старата теория за произхода на нашата планета се основава на предположението, че Земята се е образувала от натрупването и охлаждането на горещи газове. Според тази теория земното ядро ​​е остатък от първоначалния високотемпературен период, то не се е втвърдило поради изолационното влияние на външните слоеве на земното кълбо.

Двете различни линии на фиг. 15.2 се дължат на разликите в изомерните отмествания на два различни железни атома в октаедричните центрове. Изомерното изместване е резултат от електростатичното взаимодействие на разпределението на заряда в ядрото с електронната плътност, вероятността за съществуването на която върху ядрото е крайна. Само 5-електрона имат крайна вероятност за припокриване с плътността на ядрения заряд, така че изомерното изместване може да се изчисли, като се вземе предвид това взаимодействие. Трябва да се помни, че p- и други електронни плътности могат да повлияят на 5-електронната плътност чрез екраниране на 5-електронната плътност от заряда на ядрото. Ако приемем, че ядрото е еднакво заредена сфера с радиус K и 5-електронната плътност около ядрото е постоянна и дадена от функцията >(0), разликата между електростатичното взаимодействие на сферично разпределена електронна плътност с точково ядро и същата електронна плътност с ядро ​​с радиус R се дава от Как

Според теорията концентрацията на дефекти в решетката на оксида се променя само когато се въведат йони с различна валентност. Според трудовете на Отдела за корозия на метали на MISiS, замяната на катиони на неблагородни метали в оксида с допълнителни катиони със същата валентност може да промени концентрацията на катионни свободни места, а оттам и скоростта на окисление на основния метал в случай на заместване на катионни свободни места с ненужни части на добавката, това е по-вероятно, ако йонният радиус на добавката r1 е по-малък от радиуса на йона на основния метал, например, когато магнезият се въведе (r1 = 0,78 A) в желязото, което се окислява до FeO (/ = 0,83 A).

Fe+ съединенията се получават чрез действието на окислители върху металното желязо или чрез окисляването на съединенията на двувалентното желязо. По отношение на киселинно-алкални свойства, състав и структура на кристалните хидрати, разтворимост и други характеристики, много Fe+ съединения са подобни на Al+ съединенията, което се дължи на близостта на йонните радиуси за Fe+ a = 64 pm, за Al+ r = 51 следобед

Предложени са много оксидни катализатори за окисляването на амоняк до азотен оксид. Повечето от тези катализатори имат недостатъчна каталитична стабилност. Най-активни и каталитично стабилни са активираните оксиди на желязо и кобалт, върху които при изотермични условия е възможно да се получи степен на окисление на амоняка до азотен оксид от 0,97-0,98. Въпреки това, дори при тези катализатори в неподвижен слой се наблюдава редовна неизотермичност във височината и диаметъра на реактора. Скоростта на процеса намалява поради интрадифузионното инхибиране. Резките температурни спадове в използваните големи зърна (но техния радиус) водят до бърза промяна в структурата на зърната и спад в активността на катализатора.


Добре известно е, че тривалентното желязо образува много стабилни комплекси с поливалентни алкохоли, чийто йон с малък радиус има голям положителен заряд, същият йон е най-добрият кокатализатор на реакцията на хидрогеолиза. Тривалентният алуминиев йон също служи като активен кокатализатор на хидрогеолизата (вижте Таблица 3.2), но е по-нисък от железния (III) йон поради твърде малкия си диаметър (както и Mg йона

В тази работа комплексът Are=0.11, който интегрално характеризира свойствата на стомани и сплави на основата на желязо, беше използван като критерий за стабилността на сферична нано-фулерен-желязна глобула с фулереново ядро ​​с радиус r. Връзката

IV, 5.17. Изчислете масата на утайката, получена върху цилиндричен електрод по време на електрофореза на водна суспензия на железен оксид. Дължина на електрода / = 2-10 m радиус на вътрешния електрод / 2 = 1 10 m радиус на външния електрод G = 28-10 m = 20-10 V напрежение на електродите / = 20 V 10 kg / m t = 1 10 Pa s \u003d 1 Yu kg/m

Експерименталните данни показват, че когато желязото (II) е в състояние на нисък спин, неговият йонен радиус е по-малък, отколкото когато е в състояние на висок спин. Какво мислите, че причинява това

Досега се приемаше, че всички места в решетката на разтвора са еквивалентни. В твърдите разтвори обаче има случаи, когато има места от различен тип. В този случай е възможно атомите на един от компонентите да избират предпочитано или изцяло определени места. Най-простият случай от този тип е решението за вграждане. Известно е например, че аустенитът е интерстициална решетка. В 7-желязната решетка (гранецентрирана кубична решетка) има пори (междини) между железните атоми, в които могат да се поберат малки въглеродни атоми. Поради голямата разлика в радиусите въглеродните и железните атоми не могат да дадат заместителен разтвор.

Вътрешната дифузия е поредица от паралелни процеси. Единият от тях е обичайната дифузия на газове през капиляри с относително голям радиус; другият е капилярна дифузия през тесни капиляри. Ако средният свободен път е по-голям от диаметъра на капиляра, тогава дифузионното блуждаене на молекулите се определя не от сблъсъци една с друга, а от сблъсъци със стени (виж глава XIV). Третият процес е повърхностна дифузия, която се осъществява от адсорбирани молекули по стените на капилярите. Освен това е възможна дифузия в твърдо състояние през получения слой на реакционния продукт (желязо).

Термодинамичните свойства на сплавите трябва да зависят от геометричните фактори (размера на атомните радиуси) и характеристиките на електроните. За да могат два метала да образуват непрекъсната серия от твърди разтвори, е необходимо те да имат една и съща кристална решетка. По този начин, при температури над 910 ° C, желязото има гранецентрирана кубична решетка, обща за никела, а в диапазона 910–1460 ° C никелът и желязото образуват непрекъсната серия от твърди разтвори. Под 910°C

Ванадият в неговите естествени съединения винаги придружава железни руди. Това се обяснява с близостта на радиусите (0,65 A) и Re (0,67 A). Обикновено се получава сплав от желязо с ванадий (ферованадий със съдържание на ванадий 35-50% или повече). За да направите това, използвайте алуминотермичен метод (възстановяване на метали от техните оксиди с метален алуминий) или силикотермичен метод (намаляване на ванадий от VAO, желязо-силициева сплав).

Ако това не е хетерогенен процес, тогава условието за възникване на такава реакция е взаимодействието на реагиращите частици (молекули, атоми, йони), което се случва във всяка точка на разтвора. В този случай електроните изминават път, чиято дължина не надвишава радиуса на атом или молекула. Мястото на срещата и посоката на електронните преходи са ориентирани в пространството по всякакъв начин. От казаното следва, че такъв процес протича произволно, неорганизиран в хомогенна система, чиито свойства са или еднакви във всички части, или непрекъснато се променят от една точка на разтвора към друга. Такава система, в допълнение към липсата на интерфейс твърдо- разтвор, характеризиращ се с факта, че енергийните промени в него най-често са придружени от отделяне или поглъщане на топлина (топлинен ефект на реакцията). Пример за такъв процес е екзотермичната реакция на редукция на фери желязо, когато калиев йодид се въведе в разтвор

В допълнение към желязото - прародителят на триадата - включва кобалт и никел. Както вече беше споменато (вижте таблица 1.15), външните електронни обвивки на изолирани Fe, Co, N1 атоми имат същата структура (45), а размерите на атомите в серията Fe-Co-N1 са донякъде намалени като 3-подниво е изпълнен с електрони. Това явление е общо за всички участници. периодична система, където се увеличава ядреният заряд, и основният и вторичният квантови числавалентните електрони не се променят. Тъй като външната електронна обвивка (4b-2) в серията Fe-Co-N1 е непроменена, електроните, разположени върху нея, все повече се привличат атомно ядротъй като броят на протоните се увеличава, което води до намаляване на радиуса на атомите и йоните, въпреки увеличаването на общия брой електрони.

Йоните с големи заряди [желязо (III), алуминий] също се характеризират със значителни стойности на енталпия и ентропия. Теоретичното изчисляване на топлината на хидратация включва отчитане на редица условия. След първите, приблизително приблизителни изчисления според Борн, бяха направени много опити за подобряване на теоретичния метод по един или друг начин. К. П. Мишченко и А. М. Сухотин, въз основа на предположението, че ефективният радиус на водна молекула в хидратна обвивка е 0,193 nm, предложиха метод за изчисление, който отчита екзоефектите на взаимодействието на йон с твърди диполи на водата, както и като ориентационна и деформационна поляризация на водни диполи, дисперсионни сили между йон и водни молекули, взаимно отблъскване на диполи в хидратната сфера, отблъскване на йон и диполи, когато техните електронни обвивки се припокриват, поляризация на разтворител от хидратен комплекс и взаимодействие между вода и хидратен комплекс, което отговаря на екзоефекта. Голямо числоФакторите, взети предвид в тези изчисления, правят техните резултати най-надеждни. Освен всичко друго, тези автори стигнаха до извода, че топлинното движение не може да повлияе значително координационни номерахидратация, вероятността дадена молекула в хидратния слой да го напусне и да остави свободно място в хидратната обвивка на йона варира по порядък от 10 (литиеви йони) до 10 (цезиеви йони), т.е. незначителна.

Атомите на металните елементи, за разлика от неметалните, имат много по-големи атомни радиуси. Следователно атомите на металните елементи сравнително лесно се отказват от валентни електрони. В резултат на това те имат способността да образуват положително заредени йони, а в съединенията те проявяват само положително състояние на окисление. Много метални елементи, като мед Cu, желязо Re, хром Cr, титан T1, показват различни степени на окисление в съединенията.

Друг пример за желязо може да съществува под формата на две алотропни модификации, различаващи се по кристални решетки. В единия от тях (кубичен лицево-центриран) половината най-късото разстояниемежду атомите - радиусът на атома е

Минералът хематит ParOz има кристален p

Магнетити и титаномагнетитни руди и пясъци. Ванадият в тях изоморфно замества желязото (радиусите на йоните Y + и Fe + са съответно 0,65 A и 0,67 A). В табл. 74 показва съдържанието на ванадий по отношение на UzOa и TiO3 в титаномагнетитите на различни находища.

Изследването на характеристиките на порите е извършено на порометър Carlo-Erba (модел 70). Налягането от 0,1 до 196 MPa, създадено в апарата, позволява да се определи обемът на порите с радиус от 3,75 до 7500 nm. Специфичната повърхност се определя по метода на термична десоциация на азот хроматографски. Съдържанието на въглерод и сяра върху катализатора се определя чрез изгаряне и оценка на количеството продукти от горенето, ванадий, никел, желязо - химични методи. От горната и долната част на слоя беше взета проба от катализатор за анализ. Подаването на сместа водород-суровина се извършва чрез възходящ поток.

Теорията 3ta обаче пренебрегва възможността допълнителни катионни свободни места в полупроводникови оксиди с дефицит на метал да бъдат заети от йони, докато тези свободни места бъдат напълно заменени; магнезий (g, - = 0,78 A) в желязо, окислено до FeO (g , - \u003d \u003d 0,83 A). В такива случаи е възможно значително намаление

При общото сходство на свойствата на разглежданите елементи има известна закономерност в промяната им от Pe. до N1. В серията Fe, Co, N1, поради -компресия, йонните радиуси намаляват за Re + r, - = 74, за 00 + r, - = 72, за N 2+ = 69 pm. В тази връзка, при преминаване от Fe + към N1=+, основните свойства на хидроксида E(OH)2 отслабват и стабилността на комплексите се увеличава, което също е свързано със запълването на нискоенергийни орбитали с електрони (с октаедрично обкръжение на лиганди). Увеличаването на ядрения заряд води до повече силна връзкаелектрони с ядро, следователно за кобалта и особено за никела степента на окисление +3 е по-малко характерна, отколкото за желето. За желязото е известно степента на окисление + 6 (KrFeO4), което не се наблюдава в Co и Ni.

Fe + солите са в много отношения подобни на Mg + солите, което се дължи на близостта на йонните радиуси (за Nig + r, \u003d 66 pm, за Fe + n - 74 pm] , Това сходство се отнася до свойства, определени главно чрез междуйонни и йонни диполни взаимодействия (кристална структура, енергия на решетката, ентропия, разтворимост във вода, състав и структура на кристалните хидрати, способност за комплексообразуване с лиганди със слабо поле). Напротив, няма аналогия в свойствата, свързани с с електронни взаимодействия (способност за редокс , образуване на комплекси със значителна част от "ковалентни връзки). На фиг. 3.127 се сравняват ентропиите на кристалните съединения Fe + и M +. При сравняване на фиг. 3.127 и 3.125, степента на сходство и разлика между двувалентните състояния на елементите от семейството на желязото помежду си и между Re и Mg, принадлежащи към различни групи от периодичната система от елементи.

Възможно е да се въведе идеята за различна степен на еднаквост в зависимост от степента на сходство на тези елементи. По този начин карбонатите на калция, стронция и бария са по-скоро от един и същи тип помежду си, а карбонатите на магнезия и по-специално на берилия се различават по-силно от тях. Още по-малко сходни с тях са карбонатите на металите от вторичната подгрупа - цинк, кадмий и живак, а още повече на други елементи в двувалентно състояние (карбонати на манган, желязо, кобалт, никел). Въпреки това, в някои специални случаи (очевидно при близки йонни радиуси) се наблюдава доста добра еднородност в някои свойства, например между Mg28104 и Fe25104.

Количеството блуждаещи токове, протичащи през подземни съоръжения, може да бъде много високо. В близост до електрически железницибяха измерени токове в тръбопровода, достигащи 200-300 а. При нормални условия подземните тръбопроводи се характеризират с блуждаещи токове от 10-20 А. Тъй като ток от 1 А през годината унищожава около 9 кг желязо, 11 кг мед, 34 кг свинско месо, този вид корозия е много опасен. Радиусът на действие на блуждаещите токове, спускащи се в земята от релсите на електрифицираната нана. от железопътни линии, понякога определени от няколко десетки километра.

В желязо-въглеродните сплави основните компоненти са желязо и въглерод. Желязото е метал от IV период на VIII група на периодичната система. Атомен номер 26, атомна маса 55,85, атомен радиус 0,126 nm, плътност 0,126 g/cm. Точка на топене 1539 C. Въглеродът е неметален елемент от период 11 от група IV на периодичната система, атомен номер 6, атомна маса 12,

След тази обработка желязната утайка се измива старателно първо на малки порции. студена водавърху филтри (за да се избегне нагряване и окисление), докато сулфатният йон бъде напълно отстранен, и след това със сух ацетон или алкохол и се суши във вакуумни сушилни при 50 °C в продължение на няколко часа. В края на сушенето въздухът трябва да се пусне в апарата много бавно, за да се избегне окисляването и спонтанното запалване на праха. Полученият черен железен прах е достатъчно стабилен на въздух, съдържа 97% Fe и има обемна плътност 0,22–0,27 g/cm. Такъв прах е на бучки поради механичното сцепление на микродендритите един с друг и изисква леко смилане, например чрез пресяване през сита с метални топки. Според седиментационния анализ по-голямата част от праха (60%) се състои от частици със среден радиус 3–5 µm.

Работният диапазон на стойностите на рН за определяне на флуорид е в областта на рН 4,5-12 за 10 -10 М флуорид, а за по-ниски концентрации на флуорид - в областта на рН 4,5-8. Положителният дрейф на потенциала се дължи на протонизацията на флуорида с образуването на HP и Hb 2 . В алкални разтвори възниква отрицателно отклонение на потенциала поради заместването на флуоридните йони в кристалната решетка на LaP3 с хидроксилни йони, тъй като стойностите на техните йонни радиуси са близки. Тези смущения могат, ако е необходимо, да бъдат елиминирани чрез използване на специални буферни смеси, например буфер за контрол на общата йонна сила (BRMS) с pH 5,0-5,5, съдържащ 0,25 M CH3COOH 0,75 M CH3COOHa 1,0 M NaCl и 10 3M натриев цитрат ( за маскиране на желязо и алуминий).

Fe съединения се получават чрез действието на окислители върху метално желязо или двувалентни железни съединения. По отношение на киселинно-алкални свойства, състав и структура на кристалните хидрати, разтворимост и други характеристики, много съединения на Fe са подобни на съединенията на Al, което се дължи на близостта на йонните радиуси от 79 pm за Fe, 67 pm за Al.

Спомнете си, че ЖМО са орбиталите на молекула; те не трябва да се бъркат с хибридните орбитали в VS метода. В VS метода геометрията и други свойства на молекулите често се обясняват с помощта на хибридизация на връзката. Както показа Йоргенсен, използването на хибридизация в метода VS в много случаи е неоправдано, а именно в атоми с ядрен заряд 7> 13, тъй като това не отчита, че ns-, pr-k (n-1) r -орбиталите за елементи с големи периоди често се различават значително в радиалните компоненти на вълновите функции, максимумите на последните са далеч един от друг, което прави линейната комбинация неефективна. И така, за металите от желязната група средните атомни радиуси за 311-, 4.y- и 4p-състоянията са свързани като 1-,3 4. За подробности вижте статията на Йоргенсен Крахът на теорията на хибридизацията .

Известни са две правила на Хюм-Ротери, според които заместващи твърди разтвори се образуват само от тези атоми, които а) имат близки по размер радиуси (различаващи се с не повече от 15%, а в случай на твърди разтвори на основата на желязо, с не повече от 8%) b) са електрохимично подобни, т.е. те са разположени в серията напрежения от метали не много далеч един от друг.

Галият е доста разпространен в природата. IN земната коранеговите 1,5-10 тегл.% - приблизително същото като оловото и повече от молибден, волфрам и др. Въпреки това, галият е разпръснат елемент. Намира се във вкаменелости, особено съдържащи алуминий (боксит и др.), германий (въглища) и цинк (цинкова бленда), от които се получава. Поради близостта на йонните радиуси с алуминий (0,57 A) и желязо (III) (0,67 A), галият е в състояние изоморфно да ги замени в кристали. Единственият галиев минерал uGaS2 е галитът.

Една от причините за по-голямото сходство между съединенията (прости и сложни) на платиновите метали, отколкото съединенията на тежките триади и триадата на желязото, разбира се, е влиянието на компресията на лантаноидите, която все още продължава да влияе. Както се вижда от табл. 1.15, атомните радиуси на елементите на триадите на паладий и платина са почти еднакви - Koebij, въпреки че се различават значително от същите стойности за атомите на елементите от желязната подгрупа.

Физическите и химичните свойства на металите са силно повлияни от размера на техните атоми. Атомите с малък радиус, като правило, образуват много силна кристална структура (радиусът на атом метално желязо, например, е само 1,25 A), което го доближава до неметалите и води до образуването на структура наподобяващ атомен. Напротив, металите, образувани от големи атоми, най-често са химически и термично по-активни. Пример за това са цезий (2,74 A), барий (2,25 A) и лантан (1,88 A), които имат най-голям метален радиус и са сред най-активните.             Основи обща химияТом 2, издание 3 (1973) -- [

Желязото, както и местоположението му в периодичната таблица. Нека разкрием основните физични и химични свойства на този елемент, области на използване.

Правила в ПС

Желязото е d-елемент от 8-ма група (странична подгрупа). Има 26 сериен номер, относителен атомна маса- 56, неговият атом съдържа 26 протона, 26 електрона и 30 неутрона. Този метал има средна химическа активност, проявява редуциращи свойства. Характерни степени на окисление: +2, +3.

Характеристики на структурата на атома

Какво е електронна жлеза? Ако разгледаме разпределението на електроните върху енергийни нива, получаваме следното:

2е; 8e; 14 e; 2д. Такава структура на електронната обвивка на атома на желязото показва местоположението му в странична подгрупа, потвърждава принадлежността му към q-семейството на елементите.

Да бъдеш сред природата

Желязото е един от най-разпространените химични елементи в природата. В земната кора процентното му съдържание е около 5,1%. Само три елемента присъстват в по-големи количества в недрата на нашата планета: силиций, алуминий и кислород.

Желязните руди се намират в различни региони на Земята. Алхимиците са открили съединения на този метал в почвите. При производството на желязо се избират руди, в които съдържанието му надвишава 30 процента.

Магнитната желязна руда съдържа около седемдесет и два процента от метала. Основните находища на магнетит се намират в Курската магнитна аномалия, както и в Южен Урал. В кървавия камък процентът на желязото достига 65 процента. Хематитът е открит в района на Кривой Рог.

Значение за растенията и животните

Каква е ролята на желязото в живите организми? Структурата на атома обяснява неговите редуциращи свойства. Този химичен елемент му придава характерен червен цвят. Около три грама чисто желязо, повечето от които са включени в хемоглобина, се намират в тялото на възрастен. Основната цел е преносът на активен кислород към тъканите от белите дробове, както и отстраняването на получения въглероден диоксид.

Растенията също имат нужда от този метал. Като част от цитоплазмата, тя отнема Активно участиев процесите на фотосинтеза. Ако в растението няма достатъчно желязо, листата му са бели на цвят. При минимално торене с железни соли листата на растенията стават зелени.

Физични свойства

Разгледахме структурата на железния атом. Схемата потвърждава, че този елемент има метален блясък (има валентни електрони). Сребристобелият метал има доста висока точка на топене (1539 градуса по Целзий). Благодарение на добрата си пластичност, този метал може лесно да се валцува, щампова и кове.

Способността за магнетизиране и демагнетизиране, характерна за желязото, го прави отличен материал за производството на мощни електромагнитни сърцевини в различни апарати и електрически машини.

Колко активно е желязото? Структурата на атома показва наличието на два електрона на външно ниво, които ще бъдат отдадени по време химическа реакция. За да се увеличи неговата твърдост и здравина, се извършва допълнително валцуване и закаляване на метала. Такива процеси не са придружени от промяна в структурата на атома.

Разновидности на желязо

Електронната структура на железния атом, чиято схема беше обсъдена по-горе, обяснява неговата химични характеристики. В търговски чист метал, който е нисковъглеродна стомана, основният компонент е желязото. Около 0,04% от въглерода е идентифициран като примеси, присъстват също фосфор, азот и сяра.

Химически чистото желязо е подобно на външен вид на платината. Има повишена устойчивост на корозионни процеси, устойчив на киселини. При най-малкото въвеждане на примеси в чист метал неговите уникални характеристики изчезват.

Опции за вземане

Структурата на алуминиеви и железни атоми показва, че амфотерният алуминий принадлежи към основната подгрупа, възможността за използването му в процеса на извличане на желязо от неговите оксиди. Алуминотермията, извършвана при повишена температура, позволява да се изолира чист метал от естествени руди. В допълнение към алуминия, въглерод (2) и въглища са избрани като силни редуциращи агенти.

Характеристики на химичните свойства

Какви са химичните свойства на желязото? Структурата на атома обяснява неговата редуцираща активност. Желязото се характеризира с образуването на две серии от съединения със степени на окисление +2, +3.

Във влажен въздух протича процесът на ръждясване (корозия) на метала, в резултат на което се образува железен хидроксид (3). Нагрятата желязна жица реагира с кислорода, за да образува черен прах от железен оксид (2,3), наречен железен нагар.

При високи температури металът може да взаимодейства с водната пара, като по този начин образува смесен оксид. Процесът е придружен от отделяне на водород.

Реакцията с неметали се случва само когато първоначалните компоненти са предварително загряти.

Желязото може да се разтвори в разредена сярна или солна киселина без предварително загряване на сместа. Концентрираните сярна и солна киселина пасивират този метал.

Какви други химични свойства има желязото? Структурата на атома на този елемент показва неговата средна активност. Това се потвърждава от местоположението на желязото спрямо водорода (H2) в поредица от напрежения. Следователно, той може да измести от солите всички метали, разположени вдясно в серията на Бекетов. И така, при реакцията с меден хлорид (2), проведена при нагряване, се освобождава чиста мед и се получава разтвор на железен хлорид (2).

Области на използване

По-голямата част от цялото желязо се използва в производството на желязо и стомана. В чугуна процентът на въглерод е 3-4 процента, в стоманата - не повече от 1,4 процента. Този неметал изпълнява функцията на елемент, който увеличава здравината на ставата. В допълнение, той има положителен ефект върху корозионните свойства на сплавите, повишава устойчивостта на материала към повишени температури.

Ванадиеви добавки са необходими за увеличаване на механичната якост на стоманата. Хромът повишава устойчивостта към агресивни химикали.

Феромагнитните свойства на този химичен елемент го правят популярен в промишлени инсталации, които включват електромагнити. Освен това желязото е намерило своето приложение в сувенирната индустрия. На негова основа се правят различни сувенири, например цветни магнити за хладилник.

Силата и ковкостта правят възможно използването на метал за създаване на броня, различни видове оръжия.

Железният хлорид (3) се използва за пречистване на водата от примеси. В медицината елемент 26 се използва при лечението на заболявания като анемия. При липса на червени кръвни клетки настъпва бърза умора, кожата придобива неестествен блед цвят. Препаратите с желязо помагат за премахване на този проблем, връщат тялото към пълна активност. Желязото е от особено значение за дейността на щитовидната жлеза и черния дроб. За да избегнете сериозни проблеми в човешкото тяло, е достатъчно да консумирате около 20 mg от този метал на ден.

Фигура 46. Контакт на частици в кристал

Приложението на рентгеновите лъчи за изследване на кристалите дава възможност не само да се установи вътрешна структурапоследното, но и за определяне на размера на частиците,образувайки кристал – атоми или йони.

За да разберете как се правят подобни изчисления, представете си, че частиците, които изграждат кристала, са сферични и са в контакт една с друга. В този случай можем да приемем, че разстоянието между центровете на две съседни частици е равно на сумата от техните радиуси (фиг. 46). Ако частиците са прости атоми и се измерва разстоянието между тях, тогава радиусът на атома също се определя, очевидно, половинатанамерено разстояние. Например, знаейки, че за кристалите на металния натрий, константата на решетката дравен на 3,84 ангстрьома, намираме, че радиусът rнатриев атом е равен на.

Малко по-трудно е да се определят радиусите на различните йони. Тук вече не е възможно просто да разделите разстоянието между йоните наполовина, тъй като размерите на йоните не са еднакви. Но ако радиусът на един от йоните r 1 е известен, радиусът на другия r 2 се намира лесно чрез просто изваждане:

r2 = д - r1

Оттук следва, че за да се изчислят радиусите на различни йони от константите на кристалните решетки, е необходимо да се знае радиусът на поне един йон. Тогава намирането на радиусите на всички други йони вече няма да представлява трудност.

С помощта на оптични методи беше възможно доста точно да се определят радиусите на флуорните йони F - (1.33 A) и кислород O - (1.32 A); тези радиуси служат като начални стойности при изчисляване на радиусите на други йони. Така например определянето на константата на решетката на магнезиевия оксид MgO показа, че тя е равна на 2,1 ангстрьома. Като извадим от това радиуса на кислородния йон, намираме радиуса на магнезиевия йон:

2,1 - 1,32 = 0,78 Å

Константата на решетката на натриевия флуорид е 2,31 Å; тъй като радиусът на флуорния йон е 1,33 ангстрьома, радиусът на натриевия йон трябва да бъде:

2,31 -1,33 = 0,98 Å

Познавайки радиуса на натриевия йон и константата на решетката на натриевия хлорид, е лесно да се изчисли радиуса на хлорния йон и т.н.

По този начин се определят радиусите на почти всички атоми и йони.

Обща представа за размера на тези количества се дава от данните, дадени в табл. 7.

Таблица 7

Радиуси на атоми и йони на някои елементи

елемент Радиус на атома Йонен радиус Символ на йони
1,92 0,98 Na+
2,38 1,33 К+
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 Ф-
1,07 1,81 Cl-
1,19 1,96 бр-
1,36 2,20 J-
1,04 1,74 С-

Както показват тези данни, в металите радиусите на атомите са по-големи от радиусите на йоните, в металоидите, напротив, радиусите на йоните са по-големи от радиусите на атомите.

Относителните размери на йоните, които образуват кристал, оказват огромно влияние върху структурата на пространствената решетка. Например две много подобни химическа природа- CsCl и NaCl все още образуват решетки различни видове, като в първия случай всеки положителен йон е заобиколен от осем отрицателни йона, а във втория - само шест. Тази разлика се обяснява с факта, че размерите на цезиевите йони

и натрий не са едно и също. Редица съображения ни принуждават да приемем, че йоните трябва да бъдат разположени в кристала така, че всеки по-малък йон, ако е възможно, напълно да запълва пространството между големите йони около него и обратно; с други думи, отрицателните йони, които почти винаги са по-големи от положителните йони, трябва да обграждат положителните йони възможно най-близо, в противен случай системата ще бъде нестабилна. Тъй като радиусът на Cs + йона е 1,65 Å, а Na + йонът е само 0,98 Å, очевидно е, че повече Cl - йони могат да бъдат поставени около първия, отколкото около втория.

Броят на отрицателните йони, обграждащи всеки положителен йон в кристала, се нарича координационно число на дадената решетка. Изследване на структурата на различни кристали показва, че следните координационни числа са най-често срещани: 2, 3, 4, 6, 8 и 12.

Координационното число зависи от съотношението на радиуса на положителния йон към радиуса на отрицателния йон: колкото по-близко е това отношение до единица, толкова по-голямо е координационното число. Разглеждайки йоните като топки, разположени в кристала по метода на най-близкото опаковане, може да се изчисли при какво съотношение между радиусите на положителните и отрицателните йони трябва да се получи едно или друго координационно число.

По-долу са теоретично изчислените максимални координационни числа за дадено съотношение на радиусите.

Лесно е да се провери, че координационните числа за NaCl и CsCl, намерени от тази таблица, просто съответстват на действителното подреждане на йони в кристалите на тези вещества.