الحصول على الحديد بطريقتين. المعادن الحديدية: الخصائص الأساسية وإنتاج واستخدام الحديد. حالة أكسدة الحديد في المركبات
الحديد هو العنصر الثامن في الفترة الرابعة في الجدول الدوري. رقمه في الجدول (ويسمى أيضًا ذريًا) هو 26 ، وهو ما يتوافق مع عدد البروتونات في النواة والإلكترونات في غلاف الإلكترون. يتم تحديده بالحرفين الأولين من مكافئته اللاتينية - Fe (لاتيني فيروم - يُقرأ على أنه "ferrum"). الحديد هو ثاني أكثر العناصر شيوعًا في قشرة الأرض ، بنسبة 4.65٪ (والأكثر شيوعًا هو الألمنيوم ، Al). في شكله الأصلي ، يعد هذا المعدن نادرًا جدًا ؛ وغالبًا ما يتم تعدينه من خام مختلط بالنيكل.
في تواصل مع
ما هي طبيعة هذا الارتباط؟ يتكون الحديد كذرة من شبكة بلورية معدنية ، مما يضمن صلابة المركبات التي تحتوي على هذا العنصر والاستقرار الجزيئي. في هذا الصدد ، يعتبر هذا المعدن نموذجيًا صلبعلى عكس ، على سبيل المثال ، الزئبق.
الحديد كمادة بسيطة- معدن فضي اللون له خصائص نموذجية لهذه المجموعة من العناصر: المرونة ، اللمعان المعدني والليونة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الحديد شديد التفاعل. تتضح الخاصية الأخيرة من حقيقة أن الحديد يتآكل بسرعة كبيرة في وجود درجة حرارة عالية ورطوبة مناسبة. في الأكسجين النقي ، يحترق هذا المعدن جيدًا ، وإذا فتحته إلى جزيئات صغيرة جدًا ، فلن يحترق فقط ، بل يشتعل تلقائيًا.
غالبًا ما نطلق على الحديد ليس معدنًا نقيًا ، ولكن سبائكه المحتوية على الكربون ، على سبيل المثال ، الفولاذ (<2,14% C) и чугун (>2.14٪ ج). كما أن السبائك التي تضاف إليها معادن السبائك (النيكل ، والمنغنيز ، والكروم ، وغيرها) ذات أهمية صناعية كبيرة ، مما يؤدي إلى أن يصبح الفولاذ غير قابل للصدأ ، أي مخلوط. وهكذا ، وبناءً على ذلك ، يتضح مدى اتساعها تطبيق الصناعيلديه هذا المعدن.
خاصية الحديد
الخصائص الكيميائية للحديد
دعنا نلقي نظرة فاحصة على ميزات هذا العنصر.
خصائص مادة بسيطة
- الأكسدة في الهواء عند الرطوبة العالية (عملية تآكل):
4Fe + 3O2 + 6H2O = 4Fe (OH) 3 - هيدروكسيد الحديد (III) (هيدروكسيد)
- احتراق سلك الحديد في الأكسجين مع تكوين أكسيد مختلط (يحتوي على عنصر بحالة أكسدة +2 وحالة أكسدة +3):
3Fe + 2O2 = Fe3O4 (مقياس حديدي). يكون التفاعل ممكنًا عند التسخين إلى 160 درجة مئوية.
- التفاعل مع الماء عند درجات حرارة عالية (600-700 درجة مئوية):
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
- التفاعلات مع اللافلزات:
أ) التفاعل مع الهالوجينات (مهم! في هذا التفاعل يكتسب حالة أكسدة العنصر +3)
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3 - كلوريد الحديديك
ب) التفاعل مع الكبريت (مهم! في هذا التفاعل ، يكون للعنصر حالة أكسدة +2)
يمكن الحصول على كبريتيد الحديد (III) - Fe2S3 في سياق تفاعل آخر:
Fe2O3 + 3H2S = Fe2S3 + 3H2O
ج) تكوين البيريت
Fe + 2S = FeS2 - بيريت. انتبه إلى حالة أكسدة العناصر التي يتكون منها هذا المركب: Fe (+2) ، S (-1).
- التفاعل مع الأملاح المعدنية ، يقف في سلسلة الأنشطة الكهروكيميائية للمعادن على يمين الحديد:
Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu - كلوريد الحديد (II)
- التفاعل مع الأحماض المخففة (على سبيل المثال ، الهيدروكلوريك والكبريتيك):
Fe + HBr = FeBr2 + H2
Fe + HCl = FeCl2 + H2
لاحظ أن هذه التفاعلات تنتج الحديد في حالة الأكسدة +2.
- في الأحماض غير المخففة ، وهي أقوى العوامل المؤكسدة ، يكون التفاعل ممكنًا فقط عند تسخينه ؛ وفي الأحماض الباردة ، يتم تخميل المعدن:
Fe + H2SO4 (مركّز) = Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 + 6H2O
Fe + 6HNO3 = Fe (NO3) 3 + 3NO2 + 3H2O
- تظهر الخصائص المذبذبة للحديد فقط عند التفاعل مع القلويات المركزة:
Fe + 2KOH + 2H2O = K2 + H2 - رواسب رباعي هيدروكسي فريتات البوتاسيوم (II).
عملية إنتاج الحديد الزهر في فرن الانفجار
- التحميص والتحلل اللاحق لخامات الكبريتيد والكربونات (إطلاق أكاسيد الفلزات):
FeS2 -> Fe2O3 (O2 ، 850 درجة مئوية ، -SO2). هذا التفاعل هو أيضًا المرحلة الأولى في التخليق الصناعي لحمض الكبريتيك.
FeCO3 -> Fe2O3 (O2، 550-600 درجة مئوية، -CO2).
- حرق الكوك (الزائد):
С (فحم الكوك) + O2 (هواء) -> CO2 (600-700 درجة مئوية)
CO2 + C (فحم الكوك) -> 2CO (750-1000 درجة مئوية)
- تقليل أول أكسيد الكربون من الركاز المحتوي على أكسيد:
Fe2O3 -> Fe3O4 (CO ، -CO2)
Fe3O4 -> الحديد O (CO ، -CO2)
الحديد O-> الحديد (CO ، -CO2)
- كربنة الحديد (تصل إلى 6.7٪) وذوبان الحديد الزهر (درجة حرارة الانصهار - 1145 درجة مئوية)
Fe (صلب) + C (فحم الكوك) -> حديد الزهر. درجة حرارة التفاعل 900-1200 درجة مئوية.
في الحديد الزهر ، يتواجد الأسمنت (Fe2C) والجرافيت دائمًا على شكل حبوب.
توصيف المركبات المحتوية على الحديد
دعنا ندرس ميزات كل مركب على حدة.
Fe3O4
أكسيد الحديد المختلط أو المزدوج ، والذي يحتوي على عنصر بحالة أكسدة لكل من +2 و +3. يسمى أيضًا Fe3O4 أكسيد الحديد... هذا المركب مقاوم لدرجات الحرارة المرتفعة. لا تتفاعل مع الماء وبخار الماء. تتحلل بواسطة الأحماض المعدنية. يمكن تقليله بالهيدروجين أو الحديد في درجات حرارة عالية. كما يمكنك أن تفهم من المعلومات الواردة أعلاه ، فهو منتج وسيط في سلسلة التفاعل الإنتاج الصناعيالحديد الزهر.
يتم استخدام نفس المقياس الحديدي مباشرة في إنتاج الدهانات على أساس معدني والأسمنت الملون والسيراميك. Fe3O4 هو ما يتم الحصول عليه عن طريق اسوداد وصبغ الفولاذ. يتم الحصول على الأكسيد المختلط عن طريق احتراق الحديد في الهواء (ورد التفاعل أعلاه). الخام الحامل للأكسيد هو أكسيد الحديد الأسود.
Fe2O3
أكسيد الحديد (III) ، اسم تافه - الهيماتيت، المركب أحمر-بني. مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة. في شكله النقي ، لا يتشكل أثناء أكسدة الحديد بواسطة الأكسجين الجوي. لا تتفاعل مع الماء ، وتشكل هيدرات تترسب. يتفاعل بشكل سيئ مع القلويات والأحماض المخففة. يمكن أن تصهر مع أكاسيد معادن أخرى ، وتشكيل الإسبينيل - أكاسيد مزدوجة.
يستخدم خام الحديد الأحمر كمادة خام في الإنتاج الصناعي للحديد الخام بطريقة الفرن العالي. كما أنه يسرع التفاعل ، أي أنه عامل مساعد في صناعة الأمونيا. يتم استخدامه في نفس المناطق مثل خبث الحديد. بالإضافة إلى ذلك ، تم استخدامه كناقل للصوت والصور على الأشرطة المغناطيسية.
FeOH2
هيدروكسيد الحديد (II)، مركب له خواص حمضية وأساسية ، يغلب الأخير ، أي أنه مذبذب. مستوى أبيض، الذي يتأكسد بسرعة في الهواء ، "يتحول إلى اللون البني" إلى هيدروكسيد الحديد (III). عرضة للتحلل عند تعرضها لدرجة الحرارة. يتفاعل مع كل من المحاليل الحمضية الضعيفة والقلويات. غير قابل للذوبان في الماء. في التفاعل ، يعمل كعامل مختزل. إنه منتج وسيط في تفاعل التآكل.
الكشف عن أيونات Fe2 + و Fe3 + (تفاعلات "نوعية")
يتم التعرف على أيونات Fe2 + و Fe3 + في المحاليل المائية باستخدام المعقد مركبات معقدة- K3 ، ملح الدم الأحمر ، K4 ، ملح الدم الأصفر ، على التوالي. في كلا التفاعلين ، يتم تكوين راسب أزرق مشبع بنفس التركيب الكمي ولكن مواضع مختلفة من الحديد مع التكافؤ +2 و +3. غالبًا ما يشار إلى هذه الرواسب أيضًا باسم Prussian Blue أو Turnbull Blue.
رد فعل أيوني
Fe2 ++ K ++ 3- K + 1Fe + 2
Fe3 ++ K ++ 4- K + 1Fe + 3
كاشف جيد للكشف عن Fe3 + - أيون ثيوسيانات (NCS-)
Fe3 ++ NCS- 3- - هذه المركبات لها لون أحمر فاتح ("دموي").
يسمح لك هذا الكاشف ، على سبيل المثال ، ثيوسيانات البوتاسيوم (الصيغة - KNCS) ، بتحديد تركيز ضئيل للحديد في المحاليل. لذا فهو قادر على البحث ماء الصنبورتحديد ما إذا كانت الأنابيب صدئة.
الحديد عنصر من مجموعة فرعية جانبية للمجموعة الثامنة من الفترة الرابعة من النظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D.I. Mendeleev مع العدد الذري 26. يتم تحديده بالرمز Fe (لاتيني فيروم). أحد أكثر المعادن انتشارًا في القشرة الأرضية (يأتي في المرتبة الثانية بعد الألمنيوم). معدن متوسط النشاط ، عامل مختزل.
حالات الأكسدة الرئيسية - +2 ، +3
مادة الحديد البسيطة هي معدن مرن ذو لون أبيض فضي مع مادة كيميائية عالية التفاعلية: يتآكل الحديد بسرعة في درجات الحرارة العالية أو الرطوبة العالية في الهواء. في الأكسجين النقي ، يحترق الحديد ، وفي حالة التشتت الدقيق يشتعل تلقائيًا في الهواء.
الخواص الكيميائية لمادة بسيطة - الحديد:
الصدأ وحرق الأكسجين
1) في الهواء يتأكسد الحديد بسهولة في وجود الرطوبة (الصدأ):
4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe (OH) 3
يحترق سلك حديدي ساخن في الأكسجين ، مكونًا مقياسًا - أكسيد الحديد (II ، III):
3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4
3Fe + 2O 2 → (Fe II Fe 2 III) O 4 (160 درجة مئوية)
2) في درجات حرارة عالية (700-900 درجة مئوية) ، يتفاعل الحديد مع بخار الماء:
3Fe + 4H 2 O - t ° → Fe 3 O 4 + 4H 2
3) يتفاعل الحديد مع اللافلزات عند تسخينه:
2Fe + 3Cl 2 → 2FeCl 3 (200 درجة مئوية)
Fe + S - t ° → FeS (600 درجة مئوية)
Fe + 2S → Fe +2 (S 2-1) (700 درجة مئوية)
4) في سلسلة من الفولتية ، يقف على يسار الهيدروجين ، ويتفاعل مع الأحماض المخففة HCl و H 2 SO 4 ، بينما تتشكل أملاح الحديد (II) ويتحرر الهيدروجين:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (يتم تنفيذ التفاعلات دون الوصول إلى الهواء ، وإلا يتم نقل Fe +2 تدريجياً بواسطة الأكسجين إلى Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (تخفيف) → FeSO 4 + H 2
في الأحماض المؤكسدة المركزة ، يذوب الحديد فقط عند تسخينه ، ويمر على الفور في Fe 3+ الكاتيون:
2Fe + 6H 2 SO 4 (conc.) - t ° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (conc.) - t ° → Fe (NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(في البرد ، النيتروجين المركز و حامض الكبريتيك خامل
يصبح مسمار حديدي ، مغمور في محلول مزرق من كبريتات النحاس ، مغطى تدريجياً بزهرة من النحاس المعدني الأحمر.
5) يزيح الحديد المعادن الموجودة على يمينه من محاليل أملاحها.
Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + النحاس
تتجلى مذبذبة الحديد فقط في القلويات المركزة أثناء الغليان:
Fe + 2 NaOH (50٪) + 2H 2 O = Na 2 ↓ + H 2
ويتكون راسب من رباعي هيدروكسوفيرات الصوديوم (II).
حديد تقني- سبائك الحديد مع الكربون: يحتوي الحديد الزهر على 2.06-6.67٪ C ، الصلب 0.02-2.06٪ C ، شوائب طبيعية أخرى (S ، P ، Si) وإضافات خاصة يتم إدخالها بشكل مصطنع (Mn ، Ni ، Cr) غالبًا ما تكون موجودة ، مما يعطي سبائك الحديد تقنيًا ميزات مفيدة- الصلابة ، المقاومة الحرارية والتآكل ، ليونة ، إلخ. .
إنتاج الحديد الزهر فرن الانفجار
تتكون عملية الفرن العالي لإنتاج الحديد الخام من المراحل التالية:
أ) تحضير (تحميص) خامات الكبريتيد والكربونات - التحويل إلى خام أكسيد:
FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2، 800 ° C، -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2، 500-600 ° C، -CO 2)
ب) احتراق فحم الكوك بالانفجار الساخن:
С (فحم الكوك) + O 2 (هواء) → СO 2 (600-700 درجة مئوية) СO 2 + С (فحم الكوك) ⇌ 2СО (700-1000 درجة مئوية)
ج) اختزال خام أكسيد الكربون بأول أكسيد الكربون بالتتابع:
Fe 2 O 3 → (أول أكسيد الكربون)(Fe II Fe 2 III) O 4 → (أول أكسيد الكربون)الحديد O → (أول أكسيد الكربون)الحديد
د) كربنة الحديد (حتى 6.67٪ C) وذوبان الحديد الزهر:
Fe (ر ) →(ج(فحم الكوك)900-1200 درجة مئوية) Fe (w) (الحديد الزهر ، نقطة انصهار 1145 درجة مئوية)
في الحديد الزهر ، يتواجد الأسمنت Fe 2 C والجرافيت دائمًا على شكل حبيبات.
إنتاج الصلب
يتم تحويل الحديد الزهر إلى صلب في أفران خاصة (محول ، موقد مفتوح ، كهربائي) ، والتي تختلف في طريقة التسخين ؛ درجة حرارة العملية 1700-2000 درجة مئوية. يؤدي نفخ الهواء الغني بالأكسجين إلى احتراق الكربون الزائد من الحديد الزهر ، وكذلك الكبريت والفوسفور والسيليكون على شكل أكاسيد. في هذه الحالة ، يتم التقاط الأكاسيد إما في شكل غازات عادمة (CO 2 ، SO 2) ، أو يتم ربطها في خبث يسهل فصله - خليط من Ca 3 (PO 4) 2 و CaSiO 3. للحصول على فولاذ خاص ، يتم إدخال إضافات صناعة السبائك من معادن أخرى في الفرن.
يستلمالحديد النقي في الصناعة - التحليل الكهربائي لمحلول أملاح الحديد ، على سبيل المثال:
FeСl 2 → Fe ↓ + Сl 2 (90 درجة مئوية) (التحليل الكهربائي)
(هناك طرق خاصة أخرى منها تقليل أكاسيد الحديد بالهيدروجين).
يستخدم الحديد النقي في إنتاج السبائك الخاصة ، في تصنيع قلب المغناطيس الكهربائي والمحولات ، والحديد الزهر - في إنتاج المسبوكات والفولاذ ، والصلب - كمواد هيكلية وأدوات ، بما في ذلك التآكل والحرارة والتآكل- مقاومة.
أكسيد الحديد الثنائي F eO ... أكسيد مذبذب مع غلبة كبيرة للخصائص الأساسية. أسود ، له هيكل أيوني Fe 2+ O 2-. عند تسخينها ، تتحلل أولاً ، ثم تتشكل مرة أخرى. لا يتشكل عندما يحترق الحديد في الهواء. لا تتفاعل مع الماء. تتحلل بواسطة الأحماض ، تنصهر مع القلويات. يتأكسد ببطء في الهواء الرطب. ينخفض مع الهيدروجين وفحم الكوك. يشارك في عملية فرن الصهر لصهر الحديد. يتم استخدامه كعنصر من مكونات السيراميك والدهانات المعدنية. معادلات من اهم التفاعلات:
4FеО ⇌ (Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 درجة مئوية ، 900-1000 درجة مئوية)
FeO + 2HC1 (تخفيف) = FeC1 2 + H 2 O
FeO + 4HNO 3 (conc.) = Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O
FеО + 4NаОН = 2Н 2 O + نأ 4Fها3 (أحمر.) ثلاثي أوكسوفيرات (II)(400-500 درجة مئوية)
FeO + H 2 = H 2 O + Fe (نقي جدًا) (350 درجة مئوية)
FeO + C (فحم الكوك) = Fe + CO (فوق 1000 درجة مئوية)
FeO + CO = Fe + CO 2 (900 درجة مئوية)
4FеО + 2Н 2 O (رطوبة) + O 2 (هواء) → 4FеО (ОН) (t)
6FеО + O 2 = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 ° C)
يستلمالخامس مختبرات: التحلل الحراري لمركبات الحديد (II) بدون دخول الهواء:
Fe (OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 درجة مئوية)
FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 درجة مئوية)
أكسيد الدييرون الثلاثي - الحديد ( ثانيًا ) ( Fe II Fe 2 III) O 4 ... أكسيد مزدوج. أسود ، له بنية أيونية Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. مستقر حراريا حتى درجات حرارة عالية. لا تتفاعل مع الماء. تتحلل بواسطة الأحماض. مخفض بالهيدروجين والحديد الساخن. يشارك في عملية الفرن العالي لإنتاج الحديد الخام. يستخدم كعنصر من مكونات الدهانات المعدنية ( الرصاص الحديد) والسيراميك والاسمنت الملون. نتاج أكسدة خاصة لأسطح منتجات الصلب ( اسوداد وازرق). يتوافق التكوين مع الصدأ البني والقياس الغامق على الحديد. لا ينصح باستخدام الصيغة الإجمالية Fe 3 O 4. معادلات من اهم التفاعلات:
2 (Fe II Fe 2 III) O 4 = 6 FeO + O 2 (فوق 1538 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8HC1 (خفيف) = FeC1 2 + 2FeC1 3 + 4H 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 10НNO 3 (conc.) = 3Fе (NO 3) 3 + NO 2 + 5Н 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (هواء) = 6Fе 2 O 3 (450-600 ° C)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fе (نقاء إضافي ، 1000 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = ZFeO + CO 2 (500-800 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III) O4 + Fe ⇌4FеО (900-1000 درجة مئوية ، 560-700 درجة مئوية)
يستلم:احتراق الحديد (انظر) في الهواء.
أكسيد الحديد الأسود.
أكسيد الحديد الثلاثي F ه 2 يا 3 ... أكسيد مذبذب مع غلبة الخصائص الأساسية. أحمر-بني ، له بنية أيونية (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. مستقر حرارياً حتى درجات حرارة عالية. لا يتشكل عندما يحترق الحديد في الهواء. لا يتفاعل مع الماء ، الهيدرات البنية غير المتبلورة Fe 2 O 3 nH 2 O تسقط من المحلول وتتفاعل ببطء مع الأحماض والقلويات. ينخفض بأول أكسيد الكربون والحديد المصهور. سبائك مع أكاسيد من معادن أخرى وتشكل أكاسيد مزدوجة - سبينيلز(تسمى المنتجات التقنية الفريت). يتم استخدامه كمادة خام في صهر الحديد الخام في عملية فرن الصهر ، كعامل مساعد في إنتاج الأمونيا ، ومكون من السيراميك والأسمنت غير الحديدية والدهانات المعدنية ، في لحام الثرمايت للهياكل الفولاذية ، مثل حاملة الصوت والصور على الأشرطة المغناطيسية ، كعامل تلميع للصلب والزجاج.
معادلات من اهم التفاعلات:
6Fе 2 O 3 = 4 (Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (1200-1300 درجة مئوية)
Fe 2 O 3 + 6HC1 (خفيف) → 2FeC1 3 + ЗН 2 O (t) (600 درجة مئوية ، ص)
Fe 2 O 3 + 2NaOH (conc.) → H 2 O + 2 نأFها 2 (أحمر)ديوكسوفيرات (III)
Fe 2 O 3 + MO = (M II Fe 2 II I) O 4 (M = Cu ، Mn ، Fe ، Ni ، Zn)
Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O + 2Fе (نقي جدًا ، 1050-1100 ° C)
Fe 2 O 3 + Fe = ZFeO (900 درجة مئوية)
3Fе 2 O 3 + CO = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 + CO 2 (400-600 ° C)
يستلمفي المختبر - التحلل الحراري لأملاح الحديد (III) في الهواء:
Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 درجة مئوية)
4 (Fe (NO 3) 3 9 Н 2 O) = 2Fе a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36Н 2 O (600-700 ° C)
في الطبيعة - خامات أكسيد الحديد الهيماتيت Fe 2 O 3 و ليمونيت Fe 2 O 3 nН 2 O
هيدروكسيد الحديد (II) F ه (أوه) 2. هيدروكسيد الأمفوتريك مع غلبة الخصائص الأساسية. أبيض (أحيانًا مع صبغة خضراء) ، تكون روابط Fe-OH في الغالب تساهمية. غير مستقر حراريا. يتأكسد بسهولة في الهواء ، خاصة عندما يكون رطبًا (يغمق). غير قابل للذوبان في الماء. يتفاعل مع الأحماض المخففة والقلويات المركزة. عامل الاختزال النموذجي. وسيط في صدأ الحديد. يتم استخدامه في تصنيع كتلة نشطة من بطاريات الحديد والنيكل.
معادلات من اهم التفاعلات:
Fe (OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 درجة مئوية ، في أجهزة الصراف الآلي N 2)
Fe (OH) 2 + 2HC1 (تخفيف) = FeC1 2 + 2H 2 O
Fe (OH) 2 + 2NаОН (> 50٪) = Na 2 (أزرق-أخضر) (غليان)
4Fе () 2 (تعليق) + O 2 (هواء) → 4FеО (ОН) ↓ + 2Н 2 O (t)
2Fе () 2 (معلق) + 2 O 2 (تخفيف) = 2FеО () ↓ + 2Н 2 O
Fe (OH) 2 + KNO 3 (conc.) = FeO (OH) ↓ + NO + KOH (60 درجة مئوية)
يستلم: الترسيب من المحلول مع القلويات أو هيدرات الأمونيا في جو خامل:
Fe 2+ + 2OH (موسع) = Fه (أوه) 2 ↓
Fe 2+ + 2 (NH 3 H 2 O) = Fه (أوه) 2 ↓+ 2NH 4
ميتاهيدروكسيد الحديد F eO (يا). هيدروكسيد الأمفوتريك مع غلبة الخصائص الأساسية. تكون روابط Fe-O و Fe-OH ذات اللون البني الفاتح في الغالب تساهمية. تتحلل عند تسخينها دون أن تذوب. غير قابل للذوبان في الماء. يترسب من المحلول على شكل متعدد الهيدرات بني غير متبلور Fe 2 O 3 nH 2 O ، والذي ، عندما يتم الاحتفاظ به تحت محلول قلوي مخفف أو عند التجفيف ، يتحول إلى Fe O (OH). يتفاعل مع الأحماض والقلويات الصلبة. عامل مؤكسد ومختزل ضعيف. متكلس بالحديد (OH) 2. وسيط في صدأ الحديد. يتم استخدامه كقاعدة للدهانات المعدنية الصفراء والمينا ، وامتصاص غاز العادم ، ومحفز في التخليق العضوي.
مركب تكوين Fe (OH) 3 غير معروف (لم يتم الحصول عليه).
معادلات من اهم التفاعلات:
Fe 2 O 3. ن 2 يا → ( 200-250 درجة مئوية ، -ح 2 ا) الحديد O (أوه) → ( 560-700 درجة مئوية في الهواء ، -H2O)→ Fe 2 O 3
الحديد O (OH) + ZNS1 (تخفيف) = FeC1 3 + 2H 2 O
الحديد O (أوه) → الحديد 2 ا 3 . nH 2 اغرواني(هيدروكسيد الصوديوم (conc.))
الحديد O (أوه) → نأ 3 [F(يا) 6]أبيضو Na 5 و K 4 على التوالي ؛ في كلتا الحالتين ، يتم ترسيب منتج أزرق من نفس التركيب والهيكل ، КFе III. في المختبر ، تسمى هذه الرواسب الأزرق البروسي، أو تورنبول الأزرق:
Fe 2+ + K + + 3- = KFe III
Fe 3+ + K + + 4- = KFe III
الأسماء الكيميائية لكواشف البدء ومنتج التفاعل:
K 3 Fe III - سداسي فرات البوتاسيوم (III)
K 4 Fe III - سداسي فرات البوتاسيوم (II)
КFе III - حديد (III) سداسي فرات البوتاسيوم (II)
بالإضافة إلى ذلك ، فإن كاشفًا جيدًا لأيونات Fe 3+ هو أيون الثيوسيانات NCS - ، ويتحد معه الحديد (III) ، ويظهر لون أحمر فاتح ("دموي"):
Fe 3+ + 6NСS - = 3-
يمكن لهذا الكاشف (على سبيل المثال ، في شكل ملح KNCS) اكتشاف آثار الحديد (III) في ماء الصنبورإذا مرت من خلال أنابيب حديدية مغطاة بالصدأ من الداخل.
- التعيين - Fe (حديد) ؛
- الفترة - الرابع ؛
- المجموعة - 8 (الثامن) ؛
- الكتلة الذرية - 55.845 ؛
- العدد الذري - 26 ؛
- نصف قطر الذرة = 126 م ؛
- نصف القطر التساهمي = 117 م ؛
- توزيع الإلكترونات - 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 ؛
- نقطة الانصهار = 1535 درجة مئوية ؛
- نقطة الغليان = 2750 درجة مئوية ؛
- الكهربية (Pauling / Alpred and Rohov) = 1.83 / 1.64 ؛
- حالة الأكسدة: +8 ، +6 ، +4 ، +3 ، +2 ، +1 ، 0 ؛
- الكثافة (n. at.) = 7.874 جم / سم 3 ؛
- الحجم المولي = 7.1 سم 3 / مول.
مركبات الحديد:
الحديد هو أكثر المعادن وفرة في القشرة الأرضية (5.1٪ بالكتلة) بعد الألمنيوم.
على الأرض ، يوجد الحديد في حالة حرة بكميات صغيرة على شكل شذرات ، وكذلك في النيازك الساقطة.
يُستخرج الحديد صناعياً في رواسب خام الحديد ، من معادن تحتوي على الحديد: خام الحديد المغناطيسي ، الأحمر ، البني.
يجب القول أن الحديد جزء من العديد من المعادن الطبيعية ، مما يتسبب في لونها الطبيعي. يعتمد لون المعادن على تركيز ونسبة أيونات الحديد Fe 2+ / Fe 3+ ، وكذلك على الذرات المحيطة بهذه الأيونات. على سبيل المثال ، فإن وجود شوائب من أيونات الحديد يؤثر على لون العديد من النفيسة و أحجار شبه كريمة: التوباز (من الأصفر الباهت إلى الأحمر) ، الياقوت (من الأزرق إلى الأزرق الداكن) ، الزبرجد (من الأزرق الفاتح إلى الأزرق المخضر) ، إلخ.
يوجد الحديد في أنسجة الحيوانات والنباتات ، على سبيل المثال ، يوجد حوالي 5 جرام من الحديد في جسم شخص بالغ. الحديد عنصر حيوي ، فهو جزء من بروتين الهيموجلوبين ، ويشارك في نقل الأكسجين من الرئتين إلى الأنسجة والخلايا. مع نقص الحديد في جسم الإنسان ، يتطور فقر الدم (فقر الدم الناجم عن نقص الحديد).
أرز. هيكل ذرة الحديد.
التكوين الإلكتروني لذرة الحديد هو 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 (انظر التركيب الإلكتروني للذرات). في التعليم روابط كيميائيةيمكن لإلكترونين موجودين على المستوى الخارجي 4s + 6 إلكترونات من المستوى الفرعي ثلاثي الأبعاد (إجمالي 8 إلكترونات) المشاركة مع عناصر أخرى ، لذلك ، في المركبات ، يمكن أن يأخذ الحديد حالات الأكسدة +8 ، +6 ، +4 ، + 3 ، +2 ، + 1 ، (الأكثر شيوعًا هي +3 ، +2). للحديد نشاط كيميائي متوسط.
أرز. حالات أكسدة الحديد: +2 ، +3.
الخصائص الفيزيائية للحديد:
- معدن فضي أبيض
- في شكله النقي ، ناعم جدًا وبلاستيك ؛
- يمتلك حرارة جيدة وموصلية كهربائية.
يوجد الحديد في شكل أربعة تعديلات (تختلف في هيكل الشبكة البلورية): حديد ألفا ؛ β الحديد γ الحديد δ حديد.
الخصائص الكيميائية للحديد
- يتفاعل مع الأكسجين ، اعتمادًا على درجة الحرارة وتركيز الأكسجين ، يمكن تكوين منتجات مختلفة أو خليط من منتجات أكسدة الحديد (FeO ، Fe 2 O 3 ، Fe 3 O 4):
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4 ؛ - أكسدة الحديد عند درجات حرارة منخفضة:
4Fe + 3O 2 = 2Fe 2 O 3 ؛ - يتفاعل مع بخار الماء:
3Fe + 4H 2 O = Fe 3 O 4 + 4H 2 ؛ - يتفاعل الحديد المسحوق جيدًا عند تسخينه بالكبريت والكلور (كبريتيد الحديدوز والكلوريد):
Fe + S = FeS ؛ 2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3 ؛ - عند درجات الحرارة العالية يتفاعل مع السيليكون والكربون والفوسفور:
3Fe + C = Fe 3 C ؛ - مع المعادن الأخرى وغير المعدنية ، يمكن أن يشكل الحديد سبائك ؛
- يزيح الحديد المعادن الأقل نشاطًا من أملاحها:
Fe + CuCl 2 = FeCl 2 + Cu ؛ - مع الأحماض المخففة ، يعمل الحديد كعامل مختزل ، مكونًا الأملاح:
Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 ؛ - مع حمض النيتريك المخفف ، يشكل الحديد منتجات مختلفة لتخفيض الحمض ، اعتمادًا على تركيزه (N 2 ، N 2 O ، NO 2).
الحصول على الحديد واستخدامه
الحصول على الحديد الصناعي صهرالحديد الزهر والصلب.
الحديد الزهر هو سبيكة من الحديد مع خليط من السيليكون والمنغنيز والكبريت والفوسفور والكربون. يزيد محتوى الكربون في الحديد الزهر عن 2٪ (في الصلب أقل من 2٪).
يتم الحصول على الحديد النقي:
- في محولات الأكسجين المصنوعة من الحديد الزهر ؛
- اختزال أكاسيد الحديد بالهيدروجين وأول أكسيد الكربون ثنائي التكافؤ ؛
- التحليل الكهربائي للأملاح المقابلة.
يتم الحصول على الحديد الزهر من خامات الحديد عن طريق تقليل أكاسيد الحديد. يتم صهر الحديد الزهر في أفران الصهر. يستخدم الفرن العالي فحم الكوك كمصدر للحرارة.
الفرن العالي هو هيكل تقني معقد للغاية يبلغ ارتفاعه عدة عشرات من الأمتار. إنه مبطن بالطوب المقاوم للحرارة ومحمي بغلاف فولاذي خارجي. اعتبارًا من عام 2013 ، تم بناء أكبر فرن صهر فيه كوريا الجنوبيةشركة POSCO للصلب في مصنع للمعادن في مدينة جوانجيانغ (كان حجم الفرن بعد التحديث 6000 متر مكعب بسعة سنوية تبلغ 5700000 طن).
أرز. فرن الانفجار.
تستمر عملية صهر الحديد الخام في فرن الصهر بشكل مستمر لعدة عقود حتى يصل الفرن إلى نهاية عمره الافتراضي.
أرز. عملية صهر الحديد الخام في فرن الصهر.
- تُسكب الخامات المستفيدة (خام الحديد المغناطيسي ، والأحمر ، والبني) وفحم الكوك من خلال الجزء العلوي ، الموجود في الجزء العلوي من الفرن العالي ؛
- تحدث عمليات اختزال الحديد من الخام تحت تأثير أول أكسيد الكربون (II) في الجزء الأوسط من الفرن العالي (المنجم) عند درجة حرارة 450-1100 درجة مئوية (يتم تقليل أكاسيد الحديد إلى معدن):
- 450-500 درجة مئوية - 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2 ؛
- 600 درجة مئوية - Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2 ؛
- 800 درجة مئوية - الحديد O + CO = Fe + CO 2 ؛
- يتم تقليل جزء من أكسيد الحديد ثنائي التكافؤ بواسطة فحم الكوك: FeO + C = Fe + CO.
- بالتوازي ، هناك عملية اختزال لأكاسيد السيليكون والمنغنيز (المدرجة في خام الحديد على شكل شوائب) ، والسيليكون والمنغنيز جزء من الحديد الزهر:
- SiO 2 + 2C = Si + 2CO ؛
- Mn 2 O 3 + 3C = 2Mn + 3CO.
- أثناء التحلل الحراري للحجر الجيري (يتم إدخاله في فرن الصهر) ، يتم تكوين أكسيد الكالسيوم ، والذي يتفاعل مع أكاسيد السيليكون والألومنيوم الموجودة في الخام:
- كربونات الكالسيوم 3 = CaO + CO 2 ؛
- CaO + SiO 2 = CaSiO 3 ؛
- CaO + Al 2 O 3 = Ca (AlO 2) 2.
- عند 1100 درجة مئوية ، تتوقف عملية تقليل الحديد ؛
- يوجد أسفل العمود التبخير ، وهو الجزء الأوسع من فرن الصهر ، والذي يتبع كتفًا يحترق فيه فحم الكوك وتتشكل منتجات صهر سائلة - حديد خام وخبث ، يتراكم في قاع الفرن - الموقد.
- في الجزء العلوي من الموقد عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية في تيار من الهواء المنفوخ ، يحدث احتراق مكثف لفحم الكوك: C + O 2 = CO 2 ؛
- يمر عبر فحم الكوك الأحمر الساخن ، يتم تحويل أول أكسيد الكربون (IV) إلى أول أكسيد الكربون (II) ، وهو عامل اختزال للحديد (انظر أعلاه): CO 2 + C = 2CO ؛
- توجد الخبث المكونة من سيليكات الكالسيوم والألومينوسيليكات فوق الحديد الزهر ، مما يحميها من عمل الأكسجين ؛
- من خلال ثقوب خاصة تقع على مستويات مختلفة من الموقد ، يتم تفريغ الحديد الزهر والخبث في الخارج ؛
- يذهب معظم الحديد الخام لمزيد من المعالجة - صهر الفولاذ.
يُصهر الفولاذ من الحديد الزهر والخردة المعدنية بطريقة المحول (الموقد المفتوح عفا عليه الزمن بالفعل ، على الرغم من أنه لا يزال مستخدمًا) أو بالصهر الكهربائي (في الأفران الكهربائية ، أفران الحث). جوهر العملية (إعادة توزيع الحديد الزهر) هو تقليل تركيز الكربون والشوائب الأخرى عن طريق الأكسدة بالأكسجين.
كما ذكرنا سابقاً فإن تركيز الكربون في الفولاذ لا يتعدى 2٪. نتيجة لذلك ، فإن الفولاذ ، على عكس الحديد الزهر ، سهل التشكيل والدرفلة ، مما يجعل من الممكن تصنيع منتجات مختلفة منه بصلابة وقوة عالية.
تعتمد صلابة الفولاذ على محتوى الكربون (كلما زاد الكربون ، زادت صلابة الفولاذ) في درجة فولاذية معينة وظروف المعالجة الحرارية. عند التقسية (التبريد البطيء) ، يصبح الفولاذ ناعمًا ؛ عند إخماده (تبريده بسرعة) ، يكون الفولاذ شديد الصلابة.
لإعطاء الفولاذ الخصائص المحددة المطلوبة ، تتم إضافة إضافات الربط إليه: الكروم ، والنيكل ، والسيليكون ، والموليبدينوم ، والفاناديوم ، والمنغنيز ، إلخ.
يعتبر الحديد الزهر والصلب من أهم المواد الإنشائية في الغالبية العظمى من قطاعات الاقتصاد الوطني.
الدور البيولوجي للحديد:
- يحتوي جسم الشخص البالغ على حوالي 5 غرام من الحديد ؛
- يلعب الحديد دورًا مهمًا في عمل الأعضاء المكونة للدم ؛
- الحديد جزء من العديد من مجمعات البروتين المعقدة (الهيموغلوبين ، الميوغلوبين ، الإنزيمات المختلفة).
مركبات الحديد (II)
مركبات الحديد مع حالة أكسدة الحديد +2 غير مستقرة وتتأكسد بسهولة إلى مشتقات الحديد (III).
Fe 2 O 3 + CO = 2FeO + CO 2.
هيدروكسيد الحديد (II) Fe (OH) 2تم ترسيبها حديثًا بلون أخضر مائل إلى الرمادي ، ولا تذوب في الماء ، وتتحلل عند درجات حرارة أعلى من 150 درجة مئوية ، وتتحول إلى اللون الداكن بسرعة بسبب الأكسدة:
4Fe (OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe (OH) 3.
يظهر خصائص مذبذبة معتدلة مع غلبة الخصائص الأساسية ، ويتفاعل بسهولة مع الأحماض غير المؤكسدة:
Fe (OH) 2 + 2HCl = FeCl 2 + 2H 2 O.
يتفاعل مع المحاليل القلوية المركزة عند تسخينها لتكوين رباعي هيدروكسوفيرات (II):
Fe (OH) 2 + 2 NaOH = Na 2.
يظهر خصائص الاختزال ، عند التفاعل مع النيتريك أو حمض الكبريتيك المركز ، تتشكل أملاح الحديد (III):
2Fe (OH) 2 + 4H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + SO 2 + 6H 2 O.
يتم الحصول عليها عن طريق تفاعل أملاح الحديد (II) مع محلول قلوي في غياب الأكسجين الجوي:
FeSO 4 + 2 NaOH = Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.
أملاح الحديد (II).يشكل الحديد (II) أملاحًا مع جميع الأنيونات تقريبًا. عادة ما تتبلور الأملاح على شكل هيدرات بلورية خضراء: Fe (NO 3) 2 6H 2 O ، FeSO 4 7H 2 O ، FeBr 2 6H 2 O ، (NH 4) 2 Fe (SO 4) 2 6H 2 O (ملح مورا ) ، إلخ. المحاليل الملحية لها لون أخضر باهت وبيئة حمضية بسبب التحلل المائي:
Fe 2+ + H 2 O = FeOH + + H +.
عرض جميع خواص الأملاح.
عند الوقوف في الهواء ، تتأكسد ببطء بواسطة الأكسجين المذاب إلى أملاح الحديد (III):
4FeCl 2 + O 2 + 2H 2 O = 4 FeOHCl 2.
التفاعل النوعي للكاتيون Fe 2+ - التفاعل مع هيكساسيانوفيرات البوتاسيوم (III) (ملح الدم الأحمر):
FeSO 4 + K 3 = KFe ↓ + K 2 SO 4
Fe 2+ + K + + 3- = KFe
نتيجة للتفاعل ، يتم تكوين راسب أزرق - حديد (III) - سداسي فرات البوتاسيوم (II).
حالة الأكسدة +3 نموذجية للحديد.
أكسيد الحديد الثلاثي (Fe 2 O 3) -مادة بنية ، موجودة في ثلاثة تعديلات متعددة الأشكال.
يظهر خصائص مذبذبة معتدلة مع غلبة الخصائص الرئيسية. يتفاعل بسهولة مع الأحماض:
Fe 2 O 3 + 6HCl = 2FeCl 3 + 3H 2 O.
لا يتفاعل مع المحاليل القلوية ، ولكنه يتشكل عند الانصهار:
Fe 2 O 3 + 2 NaOH = 2NaFeO 2 + H 2 O.
يظهر خصائص مؤكسدة ومختزلة. عند تسخينه ، يتم تقليله باستخدام الهيدروجين أو أول أكسيد الكربون (II) ، مما يظهر خصائص مؤكسدة:
Fe 2 O 3 + H 2 = 2FeO + H 2 O ،
Fe 2 O 3 + CO = 2FeO + CO 2.
في وجود مؤكسدات قوية في البيئة القلويةيعرض خصائص مختزلة ويتأكسد إلى مشتقات الحديد (VI):
Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH = 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O.
عند درجات حرارة أعلى من 1400 درجة مئوية ، تتحلل:
6Fe 2 O 3 = 4Fe 3 O 4 + O 2.
يتم الحصول عليها عن طريق التحلل الحراري لهيدروكسيد الحديد (III):
2Fe (OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
أو بأكسدة البيريت:
4 مقاييس 2 + 11O 2 = 2Fe 2 O 3 + 8SO2.
FeCl 3 + 3KCNS = Fe (CNS) 3 + 3KCl ،
إنه أحد أكثر العناصر وفرة في القشرة الأرضية.
الخصائص الفيزيائية للحديد.
حديد- معدن قابل للطرق من اللون الأبيض الفضي ذو مقاومة كيميائية عالية. يتحمل درجات الحرارة العالية والرطوبة جيدًا. يتلاشى (الصدأ) بسرعة في الهواء والماء. مرن جدًا ، جيد للتزوير والدرفلة. يمتلك موصلية حرارية وكهربائية جيدة ، ومغناطيس مغناطيسي ممتاز.
الخواص الكيميائية للحديد.
حديدمعدن إنتقالي. يمكن أن يكون لها حالة أكسدة +2 و +3. يتفاعل مع البخار:
3 الحديد + 4 ح 2 ا = الحديد 3 ا 4 + 4 ح 2 .
لكن في وجود الرطوبة صدأ الحديد:
4 الحديد + 3 ا 2 + 6 ح 2 ا = 4 الحديد(أوه) 3 .
2 الحديد + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3 .
الحديد + ح 2 وبالتالي 4 = FeSO 4 + ح 2 .
الأحماض المركزة تخمل الحديد في البرد لكنها تذوب عند تسخينها:
2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
هيدروكسيد الحديد (ثانيًا) يتم الحصول عليها عن طريق عمل القلويات على أملاح الحديد (II) دون الوصول إلى الأكسجين:
F 2 SO 4 + 2 NaOH = Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.
يتكون راسب أبيض يتأكسد بسرعة في الهواء:
4Fe (OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe (OH) 3.
هذا الهيدروكسيد مذبذب ؛ عند تسخينه ، يذوب في القلويات لتكوين سداسي هيدرو فيريت:
Fe (OH) 3 + 3KOH = K 3.
أشكال الحديد اثنين من أملاح الحديد المعقدة:
- ملح الدم الأصفر ك 4 [ الحديد(CN) 6 ];
- ملح الدم الأحمر ك 3 [ الحديد(CN) 6 ].
تعتبر هذه المركبات نوعية لتقدير أيونات الحديد. مجمع الأزرق البروسي:
K 4 + Fe 2+ = KFe III + 2K +.
استخدام الحديد.
الحديد عنصر أساسي في عملية التنفس. وهو جزء من الهيموجلوبين في الدم ، ويشارك في نقل الأكسجين من الرئتين إلى الأنسجة. يوجد الحديد في الطبيعة في الخامات والمعادن.