วาเลนซ์เหล็ก. ความจุของเหล็กคืออะไร?

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 05:43

เป็นการยากที่จะประเมินค่าสูงไปสำหรับบทบาทของธาตุเหล็กสำหรับร่างกายมนุษย์ เพราะมันมีส่วนช่วยในการ "สร้าง" ของเลือด เนื้อหาส่งผลต่อระดับของฮีโมโกลบินและไมโอโกลบิน ธาตุเหล็กทำให้การทำงานของระบบเอนไซม์เป็นปกติ แต่องค์ประกอบนี้ในแง่ของเคมีคืออะไร? ความจุของเหล็กคืออะไร? ซึ่งจะกล่าวถึงในบทความนี้

ประวัติศาสตร์เล็กน้อย

มนุษยชาติรู้เกี่ยวกับองค์ประกอบทางเคมีนี้และแม้กระทั่งเป็นเจ้าของผลิตภัณฑ์จากองค์ประกอบดังกล่าวตั้งแต่ช่วงต้นศตวรรษที่ 4 ก่อนคริสตกาล เหล่านี้เป็นชนชาติของอียิปต์โบราณและสุเมเรียน พวกเขาเป็นคนแรกที่เริ่มทำเครื่องประดับ อาวุธจากโลหะผสมของเหล็กและนิกเกิล ซึ่งถูกค้นพบระหว่างการขุดค้นทางโบราณคดีและได้รับการตรวจสอบโดยนักเคมีอย่างถี่ถ้วน

หลังจากนั้นไม่นาน ชนเผ่าอารยันที่ย้ายมาเอเชียได้เรียนรู้วิธีสกัดเหล็กแข็งจากแร่ มันมีค่าสำหรับคนในสมัยนั้นมากจนผลิตภัณฑ์ถูกเคลือบด้วยทองคำ!

ลักษณะเหล็ก

เหล็ก (Fe) อยู่ในอันดับที่สี่ในแง่ของเนื้อหาในลำไส้ของเปลือกโลก ครอบครองสถานที่ในกลุ่มที่ 7 ของยุคที่ 4 และมีหมายเลข 26 ในตารางธาตุเคมีของ Mendeleev ความจุของเหล็กขึ้นอยู่กับตำแหน่งในตารางโดยตรง แต่เพิ่มเติมในภายหลัง

โลหะนี้พบมากในธรรมชาติในรูปของแร่ พบในน้ำเป็นแร่ เช่นเดียวกับในสารประกอบต่างๆ

แร่เหล็กสำรองที่ใหญ่ที่สุดอยู่ในรัสเซีย ออสเตรเลีย ยูเครน บราซิล สหรัฐอเมริกา อินเดีย แคนาดา

สมบัติทางกายภาพ

ก่อนที่จะไปถึงความจุของเหล็ก จำเป็นต้องพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพของมันให้ถี่ถ้วน เพื่อที่จะพูด มองให้ละเอียดยิ่งขึ้น

โลหะนี้มีสีเงิน ค่อนข้างเหนียว แต่สามารถเพิ่มความแข็งได้ด้วยปฏิกิริยากับองค์ประกอบอื่นๆ (เช่น กับคาร์บอน) นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติแม่เหล็ก

ในสภาพแวดล้อมที่ชื้น เหล็กสามารถกัดกร่อนได้ นั่นคือ สนิม แม้ว่าโลหะบริสุทธิ์จะทนต่อความชื้นได้ดีกว่า แต่ถ้ามีสิ่งเจือปน แสดงว่าโลหะนั้นทำให้เกิดการกัดกร่อน

เหล็กทำปฏิกิริยาได้ดีกับสภาพแวดล้อมที่เป็นกรด มันยังสามารถสร้างเกลือของกรดเหล็ก (ให้ตัวออกซิไดซ์ที่แรง)

ในอากาศ มันจะถูกปกคลุมด้วยฟิล์มออกไซด์ที่ปกป้องมันอย่างรวดเร็วจากการโต้ตอบ

คุณสมบัติทางเคมี

องค์ประกอบนี้มีคุณสมบัติทางเคมีหลายประการเช่นกัน ธาตุเหล็ก เช่นเดียวกับองค์ประกอบอื่นๆ ของตารางธาตุ มีประจุของนิวเคลียสของอะตอม ซึ่งสอดคล้องกับเลขลำดับ +26 และรอบนิวเคลียสมีอิเล็กตรอน 26 ตัวหมุนอยู่

โดยทั่วไป หากพิจารณาคุณสมบัติของเหล็ก - ธาตุเคมี แสดงว่าเป็นโลหะที่มีความสามารถในการแอคทีฟต่ำ

เมื่อทำปฏิกิริยากับตัวออกซิไดซ์ที่อ่อนกว่า เหล็กจะก่อตัวเป็นสารประกอบที่มีไดวาเลนต์ (นั่นคือ สถานะออกซิเดชันของมันคือ +2) และถ้าใช้ตัวออกซิไดซ์อย่างแรง สถานะออกซิเดชันของเหล็กจะถึง +3 (นั่นคือ ความจุของมันจะเท่ากับ 3)

เมื่อทำปฏิกิริยากับองค์ประกอบทางเคมีที่ไม่ใช่โลหะ Fe ทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ที่สัมพันธ์กับพวกมัน ในขณะที่สถานะออกซิเดชันจะกลายเป็น นอกเหนือจาก +2 และ +3 แม้กระทั่ง +4, +5, +6. สารประกอบดังกล่าวมีคุณสมบัติในการออกซิไดซ์ที่แรงมาก

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้น เหล็กในอากาศถูกเคลือบด้วยฟิล์มออกไซด์ และเมื่อถูกความร้อน อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้น และเหล็กออกไซด์ที่มีความจุ 2 (อุณหภูมิน้อยกว่า 570 องศาเซลเซียส) หรือออกไซด์ที่มีความจุ 3 (ดัชนีอุณหภูมิมากกว่า 570 องศา) ก็สามารถเกิดขึ้นได้

คุณสมบัติของธาตุเหล็กขององค์ประกอบทางเคมี

ปฏิกิริยาของ Fe กับฮาโลเจนนำไปสู่การก่อตัวของเกลือ ธาตุฟลูออรีนและคลอรีนออกซิไดซ์เป็น +3 โบรมีนสูงถึง +2 หรือ +3 (ทั้งหมดขึ้นอยู่กับเงื่อนไขสำหรับการนำการเปลี่ยนแปลงทางเคมีไปใช้เมื่อทำปฏิกิริยากับธาตุเหล็ก)

เมื่อทำปฏิกิริยากับไอโอดีน ธาตุจะถูกออกซิไดซ์เป็น +2

เหล็กทำความร้อนและกำมะถันทำให้เกิดเหล็กซัลไฟด์ที่มีความจุ 2.

ถ้าคุณหลอมเหล็กและรวมเข้ากับคาร์บอน ฟอสฟอรัส ซิลิกอน โบรอน ไนโตรเจน คุณจะได้สารประกอบที่เรียกว่าโลหะผสม

เหล็กเป็นโลหะดังนั้นจึงมีปฏิกิริยากับกรดด้วย ตัวอย่างเช่นกรดกำมะถันและไนตริกที่มีความเข้มข้นสูงในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำจะไม่ส่งผลกระทบต่อธาตุเหล็ก แต่ทันทีที่มันเพิ่มขึ้น จะเกิดปฏิกิริยาขึ้น ซึ่งเป็นผลมาจากการที่เหล็กถูกออกซิไดซ์เป็น +3

ยิ่งความเข้มข้นของกรดสูง อุณหภูมิก็จะยิ่งสูงขึ้น

การทำความร้อนธาตุเหล็ก 2 วาเลนท์ในน้ำ เราจะได้ออกไซด์และไฮโดรเจนออกมา

นอกจากนี้ Fe ยังมีความสามารถในการแทนที่โลหะที่มีกิจกรรมที่ลดลงจากสารละลายที่เป็นน้ำของเกลือ ในเวลาเดียวกัน มันถูกออกซิไดซ์เป็น +2.

เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น เหล็กจะฟื้นฟูโลหะจากออกไซด์

วาเลนซีคืออะไร

แล้วในหัวข้อที่แล้ว แนวความคิดของความจุและระดับของการเกิดออกซิเดชันก็พบเล็กน้อย ได้เวลาพิจารณาความจุของธาตุเหล็กแล้ว

แต่ก่อนอื่นคุณต้องเข้าใจก่อนว่าธาตุเคมีนั้นเป็นสมบัติประเภทใด

สารเคมีมักจะคงที่ในองค์ประกอบ ตัวอย่างเช่นในสูตรน้ำ H2O - ออกซิเจน 1 อะตอมและไฮโดรเจน 2 อะตอม เช่นเดียวกับสารประกอบอื่น ๆ ที่มีองค์ประกอบทางเคมีสององค์ประกอบซึ่งหนึ่งในนั้นคือไฮโดรเจน: อะตอมของไฮโดรเจน 1-4 สามารถเติมลงใน 1 อะตอมขององค์ประกอบทางเคมี แต่ไม่ใช่ในทางกลับกัน! ดังนั้นจึงเป็นที่ชัดเจนว่าไฮโดรเจนยึดเกาะกับสารอื่นเพียง 1 อะตอมเท่านั้น และนี่คือปรากฏการณ์ที่เรียกว่าวาเลนซ์ - ความสามารถของอะตอมขององค์ประกอบทางเคมีในการยึดติดเฉพาะจำนวนอะตอมของธาตุอื่นๆ

ค่าเวเลนซ์และสูตรกราฟิก

มีองค์ประกอบของตารางธาตุที่มีความจุคงที่ ได้แก่ ออกซิเจนและไฮโดรเจน

และมีองค์ประกอบทางเคมีที่เปลี่ยนแปลง ตัวอย่างเช่น ธาตุเหล็กมักมีวาเลนต์ 2 และ 3, กำมะถัน 2, 4, 6, คาร์บอน 2 และ 4 เหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่มีความจุตัวแปร

ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อเข้าใจว่าความจุคืออะไร คุณสามารถเขียนสูตรกราฟิกของสารประกอบได้อย่างถูกต้อง แสดงลำดับการเชื่อมต่อของอะตอมในโมเลกุล

นอกจากนี้ เมื่อทราบความจุขององค์ประกอบหนึ่งในสารประกอบแล้ว คุณก็จะสามารถกำหนดความจุขององค์ประกอบอื่นๆ ได้

วาเลนซีเหล็ก

ตามที่ระบุไว้ เหล็กหมายถึงองค์ประกอบที่มีความจุแบบแปรผัน และสามารถผันผวนได้ไม่เพียงแค่ระหว่าง 2 ถึง 3 เท่านั้น แต่ยังถึง 4, 5 และ 6 อีกด้วย

แน่นอน เคมีอนินทรีย์ศึกษาความจุของเหล็กอย่างละเอียดมากขึ้น ให้เราพิจารณากลไกนี้สั้น ๆ ในระดับอนุภาคที่ง่ายที่สุด

เหล็กเป็นองค์ประกอบ d ซึ่งมีการเพิ่มองค์ประกอบในตารางธาตุอีก 31 รายการ (เหล่านี้เป็นช่วง 4-7) เมื่อเลขอะตอมเพิ่มขึ้น คุณสมบัติของธาตุ d จะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย รัศมีอะตอมของสารเหล่านี้ก็เพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ พวกมันมีค่าวาเลนซ์ผันแปร ซึ่งขึ้นอยู่กับข้อเท็จจริงที่ว่าระดับย่อยของอิเล็กตรอน d-electron pre-outer นั้นไม่สมบูรณ์

เพราะว่าสำหรับเหล็ก ไม่เพียงอิเล็กตรอนซีที่อยู่ในชั้นนอกเท่านั้นที่เป็นเวเลนซ์ แต่ยังรวมถึงอิเล็กตรอน 3 มิติแบบแยกคู่ของชั้นพรีเอาต์ด้วย และด้วยเหตุนี้ ความจุของ Fe ในสารเคมีสารประกอบสามารถมีค่าเท่ากับ 2, 3, 4, 5, 6 โดยทั่วไปจะเท่ากับ 2 และ 3 ซึ่งเป็นสารประกอบเหล็กที่มีความเสถียรมากกว่ากับสารอื่นๆ ในสารที่มีความเสถียรน้อยกว่า จะแสดงความจุ 4, 5, 6 แต่สารประกอบดังกล่าวพบได้น้อยกว่า

เฟอร์รัมสองวาเลนต์

เมื่อเหล็กเวเลนซ์ 2 อันทำปฏิกิริยากับน้ำ จะได้เหล็กออกไซด์ (2) การเชื่อมต่อนี้เป็นสีดำ ทำปฏิกิริยาได้ง่ายมากกับกรดไฮโดรคลอริก (ความเข้มข้นต่ำ) และกรดไนตริก (ความเข้มข้นสูง)

หากออกไซด์ของเหล็ก 2 วาเลนต์ดังกล่าวทำปฏิกิริยากับไฮโดรเจน (อุณหภูมิ 350 องศาเซลเซียส) หรือคาร์บอน (โค้ก) ที่ 1,000 องศา ธาตุเหล็กก็จะกลับคืนสู่สภาพบริสุทธิ์

สกัดเหล็กออกไซด์ของเหล็ก 2 วาเลนต์ด้วยวิธีต่อไปนี้:

ผ่านการรวมกันของเฟอร์รัสออกไซด์กับคาร์บอนมอนอกไซด์
เมื่อ Fe บริสุทธิ์ถูกทำให้ร้อน ในขณะที่แรงดันออกซิเจนต่ำ
เมื่อสลายเฟอร์รัสออกซาเลตในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ
เมื่อเหล็กบริสุทธิ์ทำปฏิกิริยากับออกไซด์ อุณหภูมิจะอยู่ที่ 900-1000 องศาเซลเซียส

สำหรับสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติ เฟอริกออกไซด์นั้นมีวาเลนเซียเป็นไดวาเลนต์ ปรากฏเป็นแร่วูเอสไทต์

มีอีกวิธีหนึ่งในการกำหนดความจุของธาตุเหล็กในสารละลาย - ในกรณีนี้ มีดัชนี 2 จำเป็นต้องทำปฏิกิริยากับเกลือสีแดง (โพแทสเซียม เฮกซาไซยาโนเฟอเรต) และด่าง ในกรณีแรกจะสังเกตเห็นการตกตะกอนสีน้ำเงินเข้ม - เกลือที่ซับซ้อนของเฟอร์ริก 2-วาเลนต์ ในประการที่สอง - ตกตะกอนสีเทา - เขียวเข้ม - เหล็กไฮดรอกไซด์ก็มี 2 วาเลนต์เช่นกันในขณะที่ไอรอนไฮดรอกไซด์ 3- วาเลนต์มีสีน้ำตาลเข้มในสารละลาย