Trudno przecenić rolę żelaza dla organizmu człowieka, ponieważ przyczynia się ono do „tworzenia” krwi, jego zawartość wpływa na poziom hemoglobiny i mioglobiny, żelazo normalizuje pracę układu enzymatycznego. Ale czym jest ten pierwiastek z punktu widzenia chemii? Jaka jest wartościowość żelaza? Zostanie to omówione w tym artykule.
Trochę historii
Ludzkość wiedziała o tym pierwiastku chemicznym, a nawet posiadała z niego produkty już w IV wieku p.n.e. Były to ludy starożytnego Egiptu i Sumerów. To oni jako pierwsi zaczęli wytwarzać biżuterię, broń ze stopu żelaza i niklu, która została znaleziona podczas wykopalisk archeologicznych i dokładnie zbadana przez chemików.
Nieco później plemiona Aryjczyków, które przeniosły się do Azji, nauczyły się wydobywać żelazo z rudy. Był tak cenny dla ówczesnych ludzi, że produkty były pokryte złotem!
Cechy żelaza
Żelazo (Fe) zajmuje czwarte miejsce pod względem zawartości we wnętrzu skorupy ziemskiej. Zajmuje miejsce w 7 grupie 4 okresu i ma numer 26 intabela chemiczna pierwiastków Mendelejewa. Wartościowość żelaza jest bezpośrednio zależna od jego pozycji w tabeli. Ale o tym później.
Ten metal występuje najczęściej w przyrodzie w postaci rudy, występującej w wodzie jako minerał, a także w różnych związkach.
Największe rezerwy rudy żelaza znajdują się w Rosji, Australii, Ukrainie, Brazylii, USA, Indiach, Kanadzie.
Właściwości fizyczne
Zanim przejdziemy do wartościowości żelaza, należy przyjrzeć się bliżej jego właściwościom fizycznym, że tak powiem, przyjrzeć się mu bliżej.
Ten metal ma srebrzysty kolor, jest dość plastyczny, ale może zwiększać twardość poprzez interakcję z innymi pierwiastkami (na przykład z węglem). Posiada również właściwości magnetyczne.
W wilgotnym środowisku żelazo może korodować, czyli rdzewieć. Wprawdzie absolutnie czysty metal jest bardziej odporny na wilgoć, ale jeśli zawiera zanieczyszczenia, to właśnie one powodują korozję.
Żelazo dobrze oddziałuje ze środowiskiem kwaśnym, może nawet tworzyć sole kwasu żelazowego (dostarczając silny środek utleniający).
Na powietrzu szybko pokrywa się warstwą tlenku, która chroni go przed oddziaływaniem.
Właściwości chemiczne
Ponadto pierwiastek ten ma szereg właściwości chemicznych. Żelazo, podobnie jak pozostałe pierwiastki układu okresowego pierwiastków, ma ładunek jądra atomowego, który odpowiada numerowi porządkowemu +26. A wokół jądra kręci się 26 elektronów.
Ogólnie rzecz biorąc, jeśli weźmiemy pod uwagę właściwości żelaza - pierwiastka chemicznego, to jest to metal o niskiej zdolności aktywnej.
Wchodząc w interakcję ze słabszymi utleniaczami, żelazo tworzy związki, w których jest dwuwartościowe (czyli jego stopień utlenienia wynosi +2). A jeśli z silnymi utleniaczami, to stopień utlenienia żelaza osiąga +3 (czyli jego wartościowość staje się równa 3).
Podczas interakcji z pierwiastkami chemicznymi, które nie są metalami, Fe działa w stosunku do nich jako czynnik redukujący, podczas gdy jego stan utlenienia staje się, oprócz +2 i +3, nawet +4, +5, +6. Takie związki mają bardzo silne właściwości utleniające.
Jak wspomniano powyżej, żelazo w powietrzu jest pokryte warstwą tlenku. A po podgrzaniu szybkość reakcji wzrasta i może powstać tlenek żelaza o wartościowości 2 (temperatura poniżej 570 stopni Celsjusza) lub tlenek o wartościowości 3 (wskaźnik temperatury powyżej 570 stopni).
Interakcja Fe z halogenami prowadzi do tworzenia soli. Pierwiastki fluoru i chloru utleniają go do +3. Brom wynosi do +2 lub +3 (wszystko zależy od warunków przeprowadzenia przemiany chemicznej podczas interakcji z żelazem).
Wchodząc w interakcję z jodem, pierwiastek utlenia się do +2.
Podgrzewanie żelaza i siarki wytwarza siarczek żelaza o wartościowości 2.
Jeśli stopisz żelazo i połączysz go z węglem, fosforem, krzemem, borem, azotem, otrzymasz związki zwane stopami.
Żelazo to metal,w związku z tym oddziałuje również z kwasami (to również zostało krótko omówione nieco wyżej). Na przykład kwas siarkowy i azotowy o wysokim stężeniu w środowisku o niskiej temperaturze nie wpływają na żelazo. Ale gdy tylko się unosi, następuje reakcja, w wyniku której żelazo utlenia się do +3.
Im wyższe stężenie kwasu, tym wyższą należy podać temperaturę.
Podgrzewając dwuwartościowe żelazo w wodzie, otrzymujemy jego tlenek i wodór.
Ponadto Fe ma zdolność wypierania metali o obniżonej aktywności z wodnych roztworów soli. Jednocześnie jest utleniany do +2.
Gdy temperatura wzrasta, żelazo przywraca metale z tlenków.
Co to jest wartościowość
Już w poprzedniej sekcji, pojęcie walencji, a także stopień utlenienia, zostało trochę napotkane. Czas zastanowić się nad wartościowością żelaza.
Ale najpierw musisz zrozumieć, jakie to właściwości pierwiastków chemicznych.
Substancje chemiczne mają prawie zawsze stały skład. Na przykład we wzorze na wodę H2O - 1 atom tlenu i 2 atomy wodoru. To samo dotyczy innych związków, w których zaangażowane są dwa pierwiastki chemiczne, z których jednym jest wodór: 1-4 atomów wodoru można dodać do 1 atomu pierwiastka chemicznego. Ale nie odwrotnie! Dlatego jasne jest, że wodór przyłącza do siebie tylko 1 atom innej substancji. I to właśnie to zjawisko nazywa się walencją - zdolnością atomów pierwiastka chemicznego do przyłączania się do określonegoliczba atomów innych pierwiastków.
Wartość wartościowa i wzór graficzny
Istnieją elementy układu okresowego, które mają stałą wartościowość - są to tlen i wodór.
I są pierwiastki chemiczne, w których się zmienia. Na przykład żelazo jest częściej 2 i 3 wartościowe, siarka 2, 4, 6, węgiel 2 i 4. Są to elementy o zmiennej wartościowości.
Ponadto, rozumiejąc, czym jest wartościowość, możesz poprawnie napisać graficzną formułę związków. Wyświetla sekwencję połączeń atomów w cząsteczce.
Również, znając wartościowość jednego z pierwiastków w związku, możesz określić wartościowość drugiego.
Walencja żelaza
Jak wspomniano, żelazo odnosi się do pierwiastków o zmiennej wartościowości. I może wahać się nie tylko od 2 do 3, ale także sięgać 4, 5, a nawet 6.
Oczywiście chemia nieorganiczna bardziej szczegółowo bada wartościowość żelaza. Rozważmy krótko ten mechanizm na poziomie najprostszych cząstek.
Żelazo jest pierwiastkiem d, do którego dodaje się kolejne 31 elementów układu okresowego (są to 4-7 okresów). Wraz ze wzrostem liczby atomowej właściwości pierwiastków d ulegają niewielkim zmianom. Powoli zwiększa się również promień atomowy tych substancji. Mają zmienną wartościowość, która zależy od tego, że przed-zewnętrzny podpoziom d-elektronów jest niekompletny.
Ponieważ w przypadku żelaza nie tylko elektrony c znajdujące się w warstwie zewnętrznej są walencyjne, ale także niesparowane elektrony 3d z warstwy przed-zewnętrznej. A w konsekwencji wartościowość Fe w chemiizwiązki mogą być równe 2, 3, 4, 5, 6. Zasadniczo jest to 2 i 3 - są to bardziej stabilne związki żelaza z innymi substancjami. W mniej stabilnych wykazuje wartościowość 4, 5, 6. Jednak takie związki są mniej powszechne.
Biwalentny żelazo
Gdy żelazo dwuwartościowe wchodzi w interakcję z wodą, otrzymuje się tlenek żelaza (2). To połączenie jest czarne. Reaguje dość łatwo z kwasami chlorowodorowym (o niskim stężeniu) i azotowym (o wysokim stężeniu).
Jeśli taki tlenek dwuwartościowego żelaza wchodzi w interakcję z wodorem (temperatura 350 stopni Celsjusza) lub węglem (koksem) w temperaturze 1000 stopni, wówczas zostaje przywrócony do stanu czystego.
Ekstrakcja tlenku żelaza dwuwartościowego żelaza w następujący sposób:
- poprzez połączenie tlenku żelaza z tlenkiem węgla;
- gdy czysty Fe jest podgrzewany, a ciśnienie tlenu jest niskie;
- przy rozkładaniu szczawianu żelazawego w środowisku próżni;
- kiedy czyste żelazo wchodzi w interakcje z jego tlenkami, temperatura wynosi 900-1000 stopni Celsjusza.
Jeśli chodzi o środowisko naturalne, tlenek żelaza jest dwuwartościowy, obecny jako minerał wuestyt.
Istnieje inny sposób określenia wartościowości żelaza w roztworze - w tym przypadku o jego indeksie 2. Konieczne jest przeprowadzenie reakcji z czerwoną solą (heksacyjanożelazian potasu) oraz z alkaliami. W pierwszym przypadku obserwuje się ciemnoniebieski osad - złożoną sól dwuwartościowego żelaza. Wdrugi - uzyskanie ciemnoszaro-zielonego osadu - wodorotlenek żelaza jest również 2-wartościowy, natomiast 3-wartościowy wodorotlenek żelaza ma w roztworze ciemnobrązowy kolor.
Żelazo trójwartościowe
3-wartościowy tlenek żelaza ma strukturę proszku, którego kolor jest czerwono-brązowy. Ma również nazwy: tlenek żelaza, minium żelaza, czerwony pigment, barwnik spożywczy, krokus.
W naturze substancja ta występuje w postaci minerału – hematytu.
Tlenek żelaza nie wchodzi już w interakcję z wodą. Ale łączy się z kwasami i zasadami.
Tlenek żelaza (3) służy do barwienia materiałów stosowanych w budownictwie:
- cegły;
- cement;
- produkty ceramiczne;
- beton;
- płyty chodnikowe;
- podłogi (linoleum).
Żelazo w ludzkim ciele
Jak zauważono na początku artykułu, żelazo jest ważnym składnikiem ludzkiego ciała.
Gdy ten element jest niewystarczający, mogą wystąpić następujące konsekwencje:
- zwiększone zmęczenie i wrażliwość na zimno;
- sucha skóra;
- zmniejszona aktywność mózgu;
- pogorszenie wytrzymałości płytki paznokcia;
- zawroty głowy;
- problemy z trawieniem;
- Siwe włosy i wypadanie włosów.
Żelazo gromadzi się, zwykle w śledzionie i wątrobie, a także w nerkach i trzustce.
Dieta człowieka powinna zawierać pokarmy zawierające żelazo:
- wątroba wołowa;
- kasza gryczana;
- orzeszki ziemne;
- pistacjowe;
- zielony groszek w puszkach;
- suszone borowiki;
- jajka kurze;
- szpinak;
- dereń;
- jabłka;
- gruszki;
- brzoskwinie;
- buraki;
- owoce morza.
Brak żelaza we krwi prowadzi do spadku poziomu hemoglobiny i rozwoju choroby, takiej jak niedokrwistość z niedoboru żelaza.
