Besi adalah logam dengan aktivitas kimia sedang. Ini adalah konstituen dari banyak mineral: magnetit, hematit, limonit, siderit, pirit.
sampel limonitSifat kimia dan fisik besi
Dalam kondisi normal dan dalam bentuknya yang murni, besi adalah padatan abu-abu keperakan dengan kilau logam yang cerah. Besi adalah konduktor listrik dan termal yang baik. Ini bisa dirasakan dengan menyentuh benda besi di ruangan yang dingin. Karena logam menghantarkan panas dengan cepat, dibutuhkan sebagian besar panas dari kulit manusia dalam waktu singkat, sehingga dingin terasa saat disentuh.
besi murni
Titik leleh besi adalah 1538 °C, titik didih adalah 2862 °C. Sifat karakteristik besi adalah daktilitas dan fusibilitas yang baik.
Bereaksi dengan zat sederhana: oksigen, halogen (bromin, yodium, fluor,), fosfor, belerang. Ketika besi dibakar, oksida logam terbentuk. Tergantung pada kondisi reaksi dan proporsi antara dua peserta, oksida besi dapat bervariasi. persamaan reaksi:
2Fe + O₂ = 2FeO;
4Fe + 3O₂ = 2Fe₂O;
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.
Reaksi-reaksi ini berlangsung pada suhu tinggi. Anda akan mempelajari eksperimen apa untuk mempelajari sifat-sifat besi yang dapat dilakukan di rumah.
Reaksi besi dengan oksigen
Untuk reaksi besi dengan oksigen, pemanasan awal diperlukan. Besi terbakar dengan nyala api yang menyilaukan, hamburan - partikel merah-panas dari skala besi Fe₃O₄. Reaksi besi dan oksigen yang sama terjadi di udara, ketika dipanaskan dengan kuat oleh gesekan selama pemrosesan mekanis.
Ketika besi dibakar dalam oksigen (atau di udara), kerak besi terbentuk. persamaan reaksi:
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄
3Fe + 2O₂ = FeO Fe₂O₃.
Oksida besi adalah senyawa di mana besi memiliki nilai valensi yang berbeda.
Produksi oksida besi
Oksida besi adalah produk interaksi besi dengan oksigen. Yang paling terkenal adalah FeO, Fe₂O₃ dan Fe₃O₄.
Oksida besi (III) Fe₂O₃ adalah bubuk oranye-merah yang terbentuk selama oksidasi besi di udara.
Zat ini dibentuk oleh penguraian garam besi di udara pada suhu tinggi. Sedikit besi (III) sulfat dituangkan ke dalam wadah porselen, dan kemudian dikalsinasi di atas api kompor gas. Setelah dekomposisi termal, besi sulfat akan terurai menjadi oksida belerang dan oksida besi.
Oksida besi (II, III) Fe₃O₄ dibentuk dengan membakar serbuk besi dalam oksigen atau di udara. Untuk mendapatkan oksida, sedikit serbuk besi halus yang dicampur dengan natrium atau kalium nitrat dituangkan ke dalam wadah porselen. Campuran dinyalakan dengan kompor gas. Ketika dipanaskan, kalium dan natrium nitrat terurai dengan pelepasan oksigen. Besi dalam oksigen terbakar untuk membentuk oksida Fe₃O₄. Setelah akhir pembakaran, oksida yang dihasilkan tetap berada di dasar cangkir porselen dalam bentuk kerak besi.
Perhatian! Jangan coba ulangi eksperimen ini sendiri!
Besi(II) oksida FeO adalah bubuk hitam yang terbentuk dari dekomposisi besi oksalat dalam atmosfer inert.
Tubuh manusia mengandung sekitar 5 g zat besi, sebagian besar (70%) merupakan bagian dari hemoglobin dalam darah.
Properti fisik
Dalam keadaan bebas, besi adalah logam putih keperakan dengan semburat keabu-abuan. Besi murni bersifat ulet dan memiliki sifat feromagnetik. Dalam praktiknya, paduan besi biasa digunakan - besi tuang dan baja.
Fe adalah unsur yang paling penting dan paling umum dari sembilan d-logam dari subkelompok sekunder kelompok VIII. Bersama dengan kobalt dan nikel, ia membentuk "keluarga besi".
Saat membentuk senyawa dengan unsur lain, sering menggunakan 2 atau 3 elektron (B \u003d II, III).
Besi, seperti hampir semua d-elemen kelompok VIII, tidak menunjukkan valensi yang lebih tinggi sama dengan nomor kelompok. Valensi maksimumnya mencapai VI dan sangat jarang.
Senyawa yang paling khas adalah senyawa yang atom Fe berada dalam keadaan oksidasi +2 dan +3.
Metode untuk mendapatkan zat besi
1. Besi komersial (dalam paduan dengan karbon dan pengotor lainnya) diperoleh dengan reduksi karbotermal dari senyawa alaminya sesuai dengan skema:
Pemulihan terjadi secara bertahap, dalam 3 tahap:
1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2
2) Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2
3) FeO + CO \u003d Fe + CO 2
Besi cor yang dihasilkan dari proses ini mengandung lebih dari 2% karbon. Di masa depan, baja diperoleh dari besi tuang - paduan besi yang mengandung karbon kurang dari 1,5%.
2. Besi yang sangat murni diperoleh dengan salah satu cara berikut:
a) dekomposisi pentakarbonil Fe
Fe(CO) 5 = Fe + 5CO
b) reduksi hidrogen dari FeO . murni
FeO + H 2 \u003d Fe + H 2 O
c) elektrolisis larutan berair dari garam Fe +2
FeC 2 O 4 \u003d Fe + 2СO 2
besi(II) oksalat
Sifat kimia
Fe - logam dengan aktivitas sedang, menunjukkan sifat umum karakteristik logam.
Fitur unik adalah kemampuan untuk "berkarat" di udara lembab:
Dengan tidak adanya uap air dengan udara kering, besi mulai bereaksi secara nyata hanya pada T > 150 °C; ketika dikalsinasi, "skala besi" Fe 3 O 4 terbentuk:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
Besi tidak larut dalam air tanpa adanya oksigen. Pada suhu yang sangat tinggi, Fe bereaksi dengan uap air, menggantikan hidrogen dari molekul air:
3 Fe + 4H 2 O (g) \u003d 4H 2
Proses karat dalam mekanismenya adalah korosi elektrokimia. Produk karat disajikan dalam bentuk yang disederhanakan. Faktanya, lapisan longgar campuran oksida dan hidroksida dengan komposisi variabel terbentuk. Berbeda dengan film Al 2 O 3, lapisan ini tidak melindungi besi dari kerusakan lebih lanjut.
Jenis korosi
Perlindungan korosi besi
1. Interaksi dengan halogen dan belerang pada suhu tinggi.
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3
2Fe + 3F 2 = 2FeF 3
Fe + I 2 \u003d FeI 2
Senyawa terbentuk di mana jenis ikatan ionik mendominasi.
2. Interaksi dengan fosfor, karbon, silikon (besi tidak langsung bergabung dengan N 2 dan H 2, tetapi melarutkannya).
Fe + P = Fe x P y
Fe + C = Fe x C y
Fe + Si = FexSiy
Zat komposisi variabel terbentuk, karena berthollides (sifat kovalen ikatan berlaku dalam senyawa)
3. Interaksi dengan asam "bukan pengoksidasi" (HCl, H 2 SO 4 dil.)
Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2
Karena Fe terletak dalam rangkaian aktivitas di sebelah kiri hidrogen (E ° Fe / Fe 2+ \u003d -0,44V), ia mampu menggantikan H 2 dari asam biasa.
Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2
4. Interaksi dengan asam "pengoksidasi" (HNO 3 , H 2 SO 4 conc.)
Fe 0 - 3e - → Fe 3+
Besi HNO 3 dan H 2 SO 4 pekat "pasif", sehingga pada suhu biasa logam tidak larut di dalamnya. Dengan pemanasan yang kuat, pembubaran lambat terjadi (tanpa pelepasan H 2).
di razb. Besi HNO 3 larut, masuk ke dalam larutan dalam bentuk kation Fe 3+, dan anion asam direduksi menjadi NO *:
Fe + 4HNO 3 \u003d Fe (NO 3) 3 + NO + 2H 2 O
Ini larut sangat baik dalam campuran HCl dan HNO3
5. Sikap terhadap alkali
Fe tidak larut dalam larutan alkali berair. Bereaksi dengan alkali cair hanya pada suhu yang sangat tinggi.
6. Interaksi dengan garam dari logam yang kurang aktif
Fe + CuSO 4 \u003d FeSO 4 + Cu
Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0
7. Interaksi dengan gas karbon monoksida (t = 200 °C, P)
Fe (bubuk) + 5CO (g) \u003d Fe 0 (CO) 5 besi pentakarbonil
Senyawa Fe(III)
Fe 2 O 3 - oksida besi (III).
Bubuk merah-coklat, n. R. di H 2 O. Di alam - "bijih besi merah".
Cara untuk mendapatkan:
1) penguraian besi hidroksida (III)
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
2) pemanggangan pirit
4FeS 2 + 11O 2 \u003d 8SO 2 + 2Fe 2 O 3
3) dekomposisi nitrat
Sifat kimia
Fe 2 O 3 adalah oksida basa dengan tanda amfoterisme.
I. Sifat-sifat utama dimanifestasikan dalam kemampuan untuk bereaksi dengan asam:
Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZH 2 O
Fe 2 O 3 + 6HCI \u003d 2FeCI 3 + 3H 2 O
Fe 2 O 3 + 6HNO 3 \u003d 2Fe (NO 3) 3 + 3H 2 O
II. Sifat asam lemah. Fe 2 O 3 tidak larut dalam larutan alkali berair, tetapi ketika menyatu dengan oksida padat, alkali dan karbonat, ferit terbentuk:
Fe 2 O 3 + CaO \u003d Ca (FeO 2) 2
Fe 2 O 3 + 2NaOH \u003d 2NaFeO 2 + H 2 O
Fe 2 O 3 + MgCO 3 \u003d Mg (FeO 2) 2 + CO 2
AKU AKU AKU. Fe 2 O 3 - bahan baku untuk produksi besi dalam metalurgi:
Fe 2 O 3 + ZS \u003d 2Fe + ZSO atau Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2
Fe (OH) 3 - besi (III) hidroksida
Cara untuk mendapatkan:
Diperoleh dengan aksi alkali pada garam terlarut Fe 3+:
FeCl 3 + 3NaOH \u003d Fe (OH) 3 + 3NaCl
Pada saat penerimaan Fe(OH)3 - endapan berbentuk mukosa berwarna merah-coklat.
Fe (III) hidroksida juga terbentuk selama oksidasi Fe dan Fe (OH) 2 di udara lembab:
4Fe + 6H 2 O + 3O 2 \u003d 4Fe (OH) 3
4Fe(OH) 2 + 2Н 2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3
Fe(III) hidroksida adalah produk akhir dari hidrolisis garam Fe 3+.
Sifat kimia
Fe(OH) 3 adalah basa yang sangat lemah (jauh lebih lemah dari Fe(OH) 2). Menunjukkan sifat asam yang nyata. Dengan demikian, Fe(OH)3 memiliki sifat amfoter:
1) reaksi dengan asam berlangsung dengan mudah:
2) endapan baru Fe(OH)3 dilarutkan dalam konsentrasi panas. larutan KOH atau NaOH dengan pembentukan kompleks hidrokso:
Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K 3
Dalam larutan basa, Fe(OH)3 dapat dioksidasi menjadi ferrat (garam asam besi H2FeO4 tidak diisolasi dalam keadaan bebas):
2Fe(OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O
garam Fe3+
Yang paling praktis penting adalah: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe (NO 3) 3, Fe (SCN) 3, K 3 4 - garam darah kuning \u003d Fe 4 3 Biru Prusia (endapan biru tua)
b) Fe 3+ + 3SCN - \u003d Fe (SCN) 3 Fe (III) tiosianat (larutan merah darah)
Besi dikenal pada zaman prasejarah, tetapi digunakan secara luas jauh kemudian, karena sangat langka di alam dalam keadaan bebas, dan produksinya dari bijih menjadi mungkin hanya pada tingkat perkembangan teknologi tertentu. Mungkin, untuk pertama kalinya, seseorang berkenalan dengan besi meteorit, sebagaimana dibuktikan dengan namanya dalam bahasa orang-orang kuno: "beni-pet" Mesir kuno berarti "besi surgawi"; sideros Yunani kuno dikaitkan dengan sidus Latin (genus case sideris) - bintang, benda langit. Dalam teks-teks Het abad ke-14 SM. e. Besi disebut-sebut sebagai logam yang jatuh dari langit. Dalam bahasa Roman, akar nama yang diberikan oleh orang Romawi telah dipertahankan (misalnya, fer Prancis, ferro Italia).
Metode memperoleh Besi dari bijih ditemukan di bagian barat Asia pada milenium ke-2 SM. e.; setelah itu, penggunaan Besi menyebar di Babel, Mesir, Yunani; Zaman Perunggu digantikan oleh Zaman Besi. Homer (dalam lagu ke-23 Iliad) menceritakan bahwa Achilles menghadiahkan pemenang kompetisi lempar cakram dengan cakram seruling besi. Di Eropa dan Rusia Kuno selama berabad-abad, besi diperoleh melalui proses pembuatan keju. Bijih besi direduksi dengan arang dalam tungku yang dibangun di dalam lubang; udara dipompa ke perapian dengan bulu, produk reduksi - kritsu dipisahkan dari terak dengan pukulan palu dan berbagai produk ditempa darinya. Ketika metode peniupan ditingkatkan dan ketinggian perapian meningkat, suhu proses meningkat dan sebagian besi menjadi karburasi, yaitu, besi tuang diperoleh; produk yang relatif rapuh ini dianggap sebagai produk limbah. Karenanya nama besi cor "chushka", "pig iron" - bahasa Inggris. besi kasar. Belakangan diketahui bahwa ketika bukan bijih besi, tetapi besi tuang dimasukkan ke dalam perapian, mekar besi rendah karbon juga diperoleh, dan proses dua tahap seperti itu ternyata lebih menguntungkan daripada adonan mentah. Pada abad ke-12-13, metode berteriak sudah tersebar luas.
Pada abad ke-14, besi cor mulai dilebur tidak hanya sebagai produk setengah jadi untuk diproses lebih lanjut, tetapi juga sebagai bahan untuk pengecoran berbagai produk. Rekonstruksi perapian menjadi tungku poros ("domnitsa"), dan kemudian menjadi tungku ledakan, juga berasal dari waktu yang sama. Pada pertengahan abad ke-18, proses wadah untuk memperoleh baja mulai digunakan di Eropa, yang dikenal di Suriah pada periode awal Abad Pertengahan, tetapi kemudian dilupakan. Dengan metode ini, baja diperoleh dengan melelehkan muatan logam dalam bejana kecil (cawan lebur) dari massa yang sangat tahan api. Pada kuartal terakhir abad ke-18, proses pelumpuran untuk mengubah besi tuang menjadi besi mulai berkembang di perapian tungku bergema yang berapi-api. Revolusi industri pada abad ke-18 dan awal abad ke-19, penemuan mesin uap, pembangunan rel kereta api, jembatan besar, dan armada uap menciptakan permintaan yang sangat besar akan besi dan paduannya. Namun, semua metode produksi besi yang ada tidak dapat memenuhi kebutuhan pasar. Produksi massal baja baru dimulai pada pertengahan abad ke-19, ketika proses Bessemer, Thomas, dan perapian terbuka dikembangkan. Pada abad ke-20, proses pembuatan baja listrik muncul dan menyebar luas, menghasilkan baja berkualitas tinggi.
Distribusi besi di alam. Dalam hal konten di litosfer (4,65% berat), besi menempati urutan kedua di antara logam (aluminium di tempat pertama). Ini bermigrasi dengan kuat di kerak bumi, membentuk sekitar 300 mineral (oksida, sulfida, silikat, karbonat, titanat, fosfat, dll.). Besi mengambil bagian aktif dalam proses magmatik, hidrotermal dan supergen, yang terkait dengan pembentukan berbagai jenis endapan besi. Besi adalah logam dari kedalaman bumi, terakumulasi pada tahap awal kristalisasi magma, dalam batuan ultrabasa (9,85%) dan dasar (8,56%) (hanya 2,7% pada granit). Di biosfer, besi terakumulasi di banyak sedimen laut dan benua, membentuk bijih sedimen.
Peran penting dalam geokimia besi dimainkan oleh reaksi redoks - transisi besi 2-valent ke 3-valensi dan sebaliknya. Di biosfer, dengan adanya bahan organik, Fe 3+ direduksi menjadi Fe 2+ dan mudah bermigrasi, dan ketika bertemu oksigen atmosfer, Fe 2+ teroksidasi, membentuk akumulasi hidroksida besi trivalen. Senyawa yang tersebar luas dari Besi 3-valent berwarna merah, kuning, coklat. Ini menentukan warna banyak batuan sedimen dan namanya - "formasi berwarna merah" (lempung dan lempung merah dan coklat, pasir kuning, dll.).
Sifat fisik besi. Pentingnya besi dalam teknologi modern ditentukan tidak hanya oleh penyebarannya yang luas di alam, tetapi juga oleh kombinasi sifat-sifat yang sangat berharga. Ini adalah plastik, mudah ditempa baik dalam keadaan dingin dan panas, dapat digulung, dicap dan ditarik. Kemampuan melarutkan karbon dan unsur-unsur lain merupakan dasar untuk memperoleh berbagai paduan besi.
Besi dapat eksis dalam bentuk dua kisi kristal: - dan -pusat kubik (bcc) dan kubik berpusat muka (fcc). Di bawah 910 °C, -Fe dengan kisi bcc stabil (a = 2,86645Å pada 20 °C). Antara 910 °C dan 1400 °C, modifikasi dengan kisi fcc stabil (a = 3,64Å). Di atas 1400 °C, kisi -Fe bcc (a = 2,94Å) kembali terbentuk, yang stabil hingga titik leleh (1539 °C). -Fe bersifat feromagnetik hingga 769 °C (Titik Curie). Modifikasi -Fe dan -Fe bersifat paramagnetik.
Transformasi polimorfik besi dan baja selama pemanasan dan pendinginan ditemukan pada tahun 1868 oleh D.K. Chernov. Karbon membentuk larutan padat interstisial dengan Besi, di mana atom C yang memiliki jari-jari atom kecil (0,77 ) terletak di celah kisi kristal logam, yang terdiri dari atom yang lebih besar (jari-jari atom Fe 1,26 ). Larutan padat karbon dalam -Fe disebut austenit, dan dalam -Fe disebut ferit. Larutan karbon padat jenuh dalam -Fe mengandung massa 2,0% C pada 1130 °C; -Fe hanya larut 0,02-0,04% C pada 723 °C, dan kurang dari 0,01% pada suhu kamar. Oleh karena itu, ketika austenit dipadamkan, martensit terbentuk - larutan karbon padat lewat jenuh dalam -Fe, yang sangat keras dan rapuh. Kombinasi pendinginan dengan temper (pemanasan ke suhu yang relatif rendah untuk mengurangi tekanan internal) memungkinkan baja memberikan kombinasi kekerasan dan keuletan yang diperlukan.
Sifat fisik Besi tergantung pada kemurniannya. Dalam industri bahan besi Besi biasanya disertai dengan pengotor karbon, nitrogen, oksigen, hidrogen, belerang, dan fosfor. Bahkan pada konsentrasi yang sangat rendah, pengotor ini sangat mengubah sifat logam. Jadi, belerang menyebabkan apa yang disebut kerapuhan merah, fosfor (bahkan 10 -2% P) - kerapuhan dingin; karbon dan nitrogen mengurangi plastisitas, dan hidrogen meningkatkan kerapuhan Besi (yang disebut kerapuhan hidrogen). Mengurangi kandungan pengotor hingga 10 -7 - 10 -9% menyebabkan perubahan signifikan pada sifat logam, khususnya pada peningkatan keuletan.
Berikut ini adalah sifat fisik Besi, terutama mengacu pada logam dengan kandungan pengotor total kurang dari 0,01% berdasarkan massa:
Jari-jari atom 1,26Å
Jari-jari ion Fe 2+ 0,80Å, Fe 3+ 0,67Å
Kepadatan (20 °C) 7,874 g/cm3
t bale sekitar 3200 °С
Koefisien suhu ekspansi linier (20 ° C) 11,7 10 -6
Konduktivitas termal (25 °C) 74,04 W/(m K)
Kapasitas panas Besi tergantung pada strukturnya dan berubah secara kompleks dengan suhu; kapasitas panas spesifik rata-rata (0-1000°C) 640,57 j/(kg K) .
Resistivitas listrik (20 °C) 9,7 10 -8 ohm m
Koefisien suhu hambatan listrik (0-100 °C) 6,51 10 -3
Modulus Young 190-210 10 3 MN / m 2 (19-21 10 3 kgf / mm 2)
Koefisien suhu modulus Young 4 10 -6
Modulus geser 84.0 10 3 MN/m 2
Kekuatan tarik jangka pendek 170-210 MN/m2
Perpanjangan relatif 45-55%
Kekerasan Brinell 350-450 MN/m2
Kekuatan hasil 100 MN/m2
Kekuatan benturan 300 MN/m2
Sifat Kimia Besi. Konfigurasi kulit elektron terluar atom adalah 3d 6 4s 2 . Besi menunjukkan valensi variabel (senyawa yang paling stabil adalah Besi 2- dan 3-valent). Dengan oksigen, Besi membentuk oksida (II) FeO, oksida (III) Fe 2 O 3 dan oksida (II, III) Fe 3 O 4 (senyawa FeO dengan Fe 2 O 3 yang memiliki struktur spinel). Di udara lembab pada suhu biasa, besi menjadi tertutup oleh karat lepas (Fe 2 O 3 nH 2 O). Karena porositasnya, karat tidak menghalangi akses oksigen dan kelembapan ke logam dan karenanya tidak melindunginya dari oksidasi lebih lanjut. Akibat berbagai jenis korosi, jutaan ton Besi hilang setiap tahun. Ketika besi dipanaskan di udara kering di atas 200 °C, besi ditutupi dengan film oksida yang sangat tipis, yang melindungi logam dari korosi pada suhu biasa; ini adalah dasar dari metode teknis untuk melindungi Besi - kebiruan. Ketika dipanaskan dalam uap air, besi dioksidasi membentuk Fe 3 O 4 (di bawah 570 °C) atau FeO (di atas 570 °C) dan melepaskan hidrogen.
Hidroksida Fe (OH) 2 terbentuk sebagai endapan putih oleh aksi alkali kaustik atau amonia pada larutan berair garam Fe 2+ dalam atmosfer hidrogen atau nitrogen. Ketika kontak dengan udara, Fe(OH)2 mula-mula berubah menjadi hijau, kemudian menjadi hitam, dan akhirnya dengan cepat berubah menjadi Fe(OH)3 hidroksida merah-coklat. FeO oksida menunjukkan sifat dasar. Oksida Fe 2 O 3 bersifat amfoter dan memiliki fungsi agak asam; bereaksi dengan oksida yang lebih basa (misalnya, dengan MgO), membentuk ferit - senyawa jenis Fe 2 O 3 nMeO, yang memiliki sifat feromagnetik dan banyak digunakan dalam elektronik radio. Sifat asam juga dinyatakan dalam Besi 6-valent, yang ada dalam bentuk ferrat, misalnya K 2 FeO 4 , garam asam besi tidak diisolasi dalam keadaan bebas.
Besi mudah bereaksi dengan halogen dan hidrogen halida, menghasilkan garam, seperti klorida FeCl 2 dan FeCl 3 . Ketika besi dipanaskan dengan belerang, FeS dan FeS2 sulfida terbentuk. Besi karbida - Fe 3 C (sementit) dan Fe 2 C (e-karbida) - mengendap dari larutan padat karbon dalam besi saat didinginkan. Fe 3 C juga dilepaskan dari larutan karbon dalam cairan Besi pada konsentrasi tinggi C. Nitrogen, seperti karbon, memberikan larutan padat interstisial dengan Besi; nitrida Fe 4 N dan Fe 2 N diisolasi dari mereka.Dengan hidrogen, besi hanya memberikan hidrida yang sedikit stabil, yang komposisinya belum ditetapkan secara tepat. Ketika dipanaskan, besi bereaksi kuat dengan silikon dan fosfor untuk membentuk silisida (misalnya Fe 3 Si dan fosfida (misalnya Fe 3 P).
Senyawa besi dengan banyak unsur (O, S, dan lain-lain), yang membentuk struktur kristal, memiliki komposisi yang bervariasi (misalnya, kandungan belerang dalam monosulfida dapat bervariasi dari 50 hingga 53,3 persen). Hal ini disebabkan oleh cacat pada struktur kristal. Misalnya, dalam oksida besi (II), beberapa ion Fe 2+ di lokasi kisi digantikan oleh ion Fe 3+; untuk menjaga netralitas listrik, beberapa situs kisi milik ion Fe 2+ tetap kosong.
Potensial elektroda normal Besi dalam larutan garamnya untuk reaksi Fe = Fe 2+ + 2e adalah -0,44 V, dan untuk reaksi Fe = Fe 3+ + 3e adalah -0,036 V. Jadi, dalam rangkaian aktivitas, besi berada di sebelah kiri hidrogen. Ini mudah larut dalam asam encer dengan pelepasan H2 dan pembentukan ion Fe2+. Interaksi besi dengan asam nitrat adalah aneh. HNO 3 pekat (densitas 1,45 g/cm 3) mengendurkan Besi karena pembentukan lapisan oksida pelindung pada permukaannya; lebih encer HNO 3 melarutkan Besi dengan pembentukan ion Fe 2+ atau Fe 3+, direduksi menjadi NH 3 atau N 2 dan N 2 O. Larutan garam 2-valent Besi di udara tidak stabil - Fe 2+ teroksidasi secara bertahap menjadi Fe3+. Larutan berair dari garam besi bersifat asam karena hidrolisis. Penambahan ion tiosianat SCN- ke dalam larutan garam Fe 3+ memberikan warna merah darah cerah karena munculnya Fe(SCN) 3, yang memungkinkan untuk mengungkapkan keberadaan 1 bagian Fe 3+ di sekitar 10 6 bagian air. Besi ditandai dengan terbentuknya senyawa kompleks.
Mendapatkan Besi. Besi murni diperoleh dalam jumlah yang relatif kecil dengan elektrolisis larutan berair garamnya atau dengan reduksi oksidanya dengan hidrogen. Produksi besi yang cukup murni secara bertahap meningkat melalui reduksi langsung dari konsentrat bijih dengan hidrogen, gas alam, atau batubara pada suhu yang relatif rendah.
Penggunaan besi. Besi adalah logam terpenting dalam teknologi modern. Dalam bentuknya yang murni, karena kekuatannya yang rendah, besi praktis tidak digunakan, meskipun produk baja atau besi tuang sering disebut "besi" dalam kehidupan sehari-hari. Sebagian besar besi digunakan dalam bentuk paduan dengan komposisi dan sifat yang sangat berbeda. Paduan besi menyumbang sekitar 95% dari semua produk logam. Paduan kaya karbon (lebih dari 2% berat) - besi tuang, dilebur dalam tanur tinggi dari bijih kaya besi. Baja dari berbagai tingkatan (kandungan karbon kurang dari 2% massa) dilebur dari besi tuang di perapian terbuka dan tungku listrik dan konverter dengan mengoksidasi (membakar) kelebihan karbon, menghilangkan kotoran berbahaya (terutama S, P, O) dan menambahkan elemen paduan. Baja paduan tinggi (dengan kandungan nikel, kromium, tungsten, dan elemen lainnya yang tinggi) dilebur dalam busur listrik dan tungku induksi. Proses baru seperti vakum dan peleburan kembali elektroslag, plasma dan peleburan berkas elektron, dan lainnya digunakan untuk produksi baja dan paduan besi untuk tujuan yang sangat penting. Metode sedang dikembangkan untuk peleburan baja di unit operasi berkelanjutan yang memastikan kualitas tinggi dari logam dan otomatisasi proses.
Bahan berbasis besi dibuat yang dapat menahan efek suhu tinggi dan rendah, vakum dan tekanan tinggi, media agresif, tegangan bolak-balik tinggi, radiasi nuklir, dll. Produksi besi dan paduannya terus berkembang.
Besi sebagai bahan seni telah digunakan sejak zaman kuno di Mesir, Mesopotamia, dan India. Sejak Abad Pertengahan, banyak produk besi yang sangat artistik telah dilestarikan di negara-negara Eropa (Inggris, Prancis, Italia, Rusia, dan lainnya) - pagar palsu, engsel pintu, braket dinding, baling-baling cuaca, perlengkapan dada, lampu. Ditempa melalui produk dari batang dan produk dari besi lembaran berlubang (seringkali dengan lapisan mika) dibedakan oleh bentuk planar, siluet grafik linier yang jelas dan terlihat secara efektif dengan latar belakang udara terang. Pada abad ke-20, besi digunakan untuk pembuatan kisi-kisi, pagar, partisi interior kerawang, tempat lilin, dan monumen.
Zat besi dalam tubuh. Besi hadir dalam organisme semua hewan dan tumbuhan (rata-rata sekitar 0,02%); itu diperlukan terutama untuk pertukaran oksigen dan proses oksidatif. Ada organisme (yang disebut konsentrator) yang mampu mengumpulkannya dalam jumlah besar (misalnya, bakteri besi - hingga 17-20% Besi). Hampir semua zat besi dalam organisme hewan dan tumbuhan dikaitkan dengan protein. Defisiensi besi menyebabkan keterlambatan pertumbuhan dan klorosis tanaman yang berhubungan dengan penurunan produksi klorofil. Kelebihan zat besi juga berdampak buruk pada perkembangan tanaman, misalnya menyebabkan kemandulan bunga padi dan klorosis. Di tanah alkali, senyawa besi yang tidak dapat diakses oleh akar tanaman terbentuk, dan tanaman tidak menerimanya dalam jumlah yang cukup; di tanah asam, besi masuk ke dalam senyawa larut secara berlebihan. Dengan kekurangan atau kelebihan senyawa besi yang dapat diasimilasi dalam tanah, penyakit tanaman dapat diamati di area yang luas.
Zat besi masuk ke tubuh hewan dan manusia dengan makanan (hati, daging, telur, kacang-kacangan, roti, sereal, bayam, dan bit adalah zat besi yang paling kaya). Biasanya, seseorang menerima 60-110 mg Besi dengan makanan, yang secara signifikan melebihi kebutuhan hariannya. Penyerapan besi yang dicerna dengan makanan terjadi di bagian atas usus halus, dari mana ia memasuki darah dalam bentuk terikat protein dan dibawa dengan darah ke berbagai organ dan jaringan, di mana ia disimpan dalam bentuk kompleks besi-protein - feritin. Depot utama zat besi dalam tubuh adalah hati dan limpa. Karena feritin, semua senyawa tubuh yang mengandung besi disintesis: pigmen pernapasan hemoglobin disintesis di sumsum tulang, mioglobin disintesis di otot, dan sitokrom dan enzim yang mengandung besi lainnya disintesis di berbagai jaringan. Besi diekskresikan dari tubuh terutama melalui dinding usus besar (pada manusia, sekitar 6-10 mg per hari) dan sebagian kecil oleh ginjal. Kebutuhan tubuh akan Zat Besi bervariasi sesuai dengan usia dan kondisi fisik. Untuk berat 1 kg, anak-anak membutuhkan - 0,6, orang dewasa - 0,1 dan wanita hamil - 0,3 mg Zat Besi per hari. Pada hewan, kebutuhan zat besi kira-kira (per 1 kg bahan kering makanan): untuk sapi perah - setidaknya 50 mg, untuk hewan muda - 30-50 mg; untuk anak babi - hingga 200 mg, untuk babi hamil - 60 mg.
Ini adalah salah satu elemen paling umum di kerak bumi.
Sifat fisik besi.
Besi- Logam perak-putih yang dapat ditempa dengan ketahanan kimia yang tinggi. Ini mentolerir suhu tinggi dan kelembaban dengan baik. Ini cepat menodai (berkarat) di udara dan di air. Sangat plastis, menyerah pada penempaan dan penggulungan. Ini memiliki konduktivitas termal dan listrik yang baik, feromagnet yang sangat baik.
Sifat kimia besi.
Besi logam transisi. Ini dapat memiliki keadaan oksidasi +2 dan +3. Bereaksi dengan uap air:
3 Fe + 4 H 2 HAI = Fe 3 HAI 4 + 4 H 2 .
Tetapi dengan adanya kelembaban, besi berkarat:
4 Fe + 3 HAI 2 + 6 H 2 HAI = 4 Fe(Oh) 3 .
2 Fe + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3 .
Fe + H 2 JADI 4 = FeSO 4 + H 2 .
Asam pekat mempasifkan besi dalam dingin, tetapi larut saat dipanaskan:
2Fe + 6H 2 SO 4 \u003d Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
Besi hidroksida (II) diperoleh dengan aksi alkali pada garam besi (II) tanpa akses ke oksigen:
F 2 SO 4 + 2NaOH \u003d Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.
Endapan putih terbentuk, yang dengan cepat teroksidasi di udara:
4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3 .
Hidroksida ini bersifat amfoter; ketika dipanaskan, ia larut dalam alkali dengan pembentukan heksahidroferat:
Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K 3.
Bentuk besi dua garam besi kompleks:
- garam darah kuning K 4 [ Fe(CN) 6 ];
- garam darah merah K 3 [ Fe(CN) 6 ].
Senyawa ini bersifat kualitatif untuk penentuan ion besi. Menggabungkan biru Prussia:
K 4 + Fe 2+ \u003d KFe III + 2K +.
Penggunaan besi.
Zat besi merupakan komponen penting dari proses respirasi. Ini adalah bagian dari hemoglobin darah, terlibat dalam transfer oksigen dari paru-paru ke jaringan. Di alam, besi ditemukan dalam komposisi bijih dan mineral.
Besi adalah unsur kedelapan dari periode keempat dalam tabel periodik. Nomornya dalam tabel (juga disebut atom) adalah 26, yang sesuai dengan jumlah proton dalam nukleus dan elektron di kulit elektron. Ini ditunjuk oleh dua huruf pertama dari padanan Latinnya - Fe (lat. Ferrum - dibaca seperti "ferrum"). Besi merupakan unsur paling umum kedua di kerak bumi, persentasenya adalah 4,65% (paling banyak adalah aluminium, Al). Dalam bentuk aslinya, logam ini cukup langka, lebih sering ditambang dari bijih campuran dengan nikel.
dalam kontak dengan
Apa sifat senyawa ini? Besi sebagai atom terdiri dari kisi kristal logam, yang memastikan kekerasan senyawa yang mengandung elemen ini dan stabilitas molekul. Sehubungan dengan ini, logam ini adalah benda padat yang khas, tidak seperti, misalnya, merkuri.
Besi sebagai zat sederhana- logam berwarna perak dengan sifat khas untuk kelompok elemen ini: kelenturan, kilau logam, dan keuletan. Selain itu, zat besi memiliki reaktivitas yang tinggi. Properti terakhir dibuktikan oleh fakta bahwa besi terkorosi dengan sangat cepat dengan adanya suhu tinggi dan kelembaban yang sesuai. Dalam oksigen murni, logam ini terbakar dengan baik, dan jika dihancurkan menjadi partikel yang sangat kecil, mereka tidak hanya akan terbakar, tetapi juga menyala secara spontan.
Seringkali kita menyebut besi bukan logam murni, tetapi paduannya yang mengandung karbon ©, misalnya baja (<2,14% C) и чугун (>2,14%C). Juga sangat penting industri adalah paduan, yang logam paduan (nikel, mangan, kromium, dan lain-lain) ditambahkan, yang menyebabkan baja menjadi tahan karat, yaitu paduan. Jadi, berdasarkan ini, menjadi jelas betapa luasnya aplikasi industri logam ini.
Karakteristik Fe
Sifat kimia besi
Mari kita lihat lebih dekat fitur elemen ini.
Sifat-sifat zat sederhana
- Oksidasi di udara pada kelembaban tinggi (proses korosif):
4Fe + 3O2 + 6H2O \u003d 4Fe (OH) 3 - besi (III) hidroksida (hidroksida)
- Pembakaran kawat besi dalam oksigen dengan pembentukan oksida campuran (mengandung unsur dengan keadaan oksidasi +2 dan keadaan oksidasi +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (skala besi). Reaksi ini mungkin terjadi jika dipanaskan hingga 160 C.
- Interaksi dengan air pada suhu tinggi (600−700 C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Reaksi dengan non-logam:
a) Reaksi dengan halogen (Penting! Dengan interaksi ini, ia memperoleh bilangan oksidasi elemen +3)
2Fe + 3Cl2 \u003d 2FeCl3 - besi klorida
b) Reaksi dengan belerang (Penting! Dalam interaksi ini, unsur memiliki bilangan oksidasi +2)
Besi (III) sulfida - Fe2S3 dapat diperoleh melalui reaksi lain:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
c) Pembentukan pirit
Fe + 2S \u003d FeS2 - pirit. Perhatikan derajat oksidasi unsur-unsur penyusun senyawa ini: Fe (+2), S (-1).
- Interaksi dengan garam logam dalam deret elektrokimia aktivitas logam di sebelah kanan Fe:
Fe + CuCl2 \u003d FeCl2 + Cu - besi (II) klorida
- Interaksi dengan asam encer (misalnya, klorida dan sulfat):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe+HCl = FeCl2+ H2
Perhatikan bahwa reaksi ini menghasilkan besi dengan keadaan oksidasi +2.
- Dalam asam murni, yang merupakan oksidator terkuat, reaksi hanya mungkin terjadi jika dipanaskan; dalam asam dingin, logam dipasifkan:
Fe + H2SO4 (pekat) = Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 + 6H2O
Fe+6HNO3 = Fe(NO3)3+3NO2+3H2O
- Sifat amfoter besi dimanifestasikan hanya ketika berinteraksi dengan alkali pekat:
Fe + 2KOH + 2H2O \u003d K2 + H2 - endapan kalium tetrahidroksiferrat (II).
Proses pembuatan besi di tanur tinggi
- Pemanggangan dan dekomposisi bijih sulfida dan karbonat selanjutnya (isolasi oksida logam):
FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 C, -SO2). Reaksi ini juga merupakan langkah pertama dalam sintesis industri asam sulfat.
FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550−600 C, -CO2).
- Membakar kokas (berlebihan):
(kokas) + O2 (udara) —> CO2 (600−700 C)
CO2+С (kokas) —> 2CO (750−1000 C)
- Pemulihan bijih yang mengandung oksida dengan karbon monoksida:
Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)
FeO —> Fe(CO, -CO2)
- Karburisasi besi (hingga 6,7%) dan peleburan besi tuang (t⁰melting - 1145 C)
Fe (padat) + C (kokas) -> besi tuang. Suhu reaksi adalah 900−1200 C.
Pada besi tuang, sementit (Fe2C) dan grafit selalu ada dalam bentuk butiran.
Karakterisasi senyawa yang mengandung Fe
Kami akan mempelajari fitur dari setiap koneksi secara terpisah.
Fe3O4
Oksida besi campuran atau ganda, mengandung unsur dengan tingkat oksidasi +2 dan +3. Juga Fe3O4 disebut oksida besi. Senyawa ini tahan terhadap suhu tinggi. Tidak bereaksi dengan air, uap air. Diurai oleh asam mineral. Dapat direduksi dengan hidrogen atau besi pada suhu tinggi. Seperti yang dapat Anda pahami dari informasi di atas, ini adalah produk antara dalam rantai reaksi produksi industri besi.
Oksida besi langsung digunakan dalam produksi cat berbasis mineral, semen berwarna dan produk keramik. Fe3O4 adalah apa yang diperoleh dengan menghitamkan dan membirukan baja. Campuran oksida diperoleh dengan membakar besi di udara (reaksi diberikan di atas). Bijih yang mengandung oksida adalah magnetit.
Fe2O3
Besi(III) oksida, nama sepele - bijih besi, senyawa merah-coklat. Tahan terhadap suhu tinggi. Dalam bentuknya yang murni, tidak terbentuk selama oksidasi besi dengan oksigen atmosfer. Tidak bereaksi dengan air, membentuk hidrat yang mengendap. Bereaksi buruk dengan basa encer dan asam. Itu dapat dicampur dengan oksida logam lain, membentuk spinel - oksida ganda.
Bijih besi merah digunakan sebagai bahan baku dalam produksi industri pig iron dengan metode blast-furnace. Ini juga mempercepat reaksi, yaitu katalis dalam industri amonia. Ini digunakan di area yang sama dengan oksida besi. Plus, itu digunakan sebagai pembawa suara dan gambar pada pita magnetik.
FeOH2
Besi(II) hidroksida, senyawa yang memiliki sifat asam dan basa, yang terakhir mendominasi, yaitu amfoter. Zat putih yang cepat teroksidasi di udara, "berubah menjadi coklat" menjadi besi (III) hidroksida. Terurai bila terkena suhu. Bereaksi dengan larutan asam dan basa lemah. Kami tidak akan larut dalam air. Bertindak sebagai reduktor dalam reaksi. Ini adalah produk antara dalam reaksi korosi.
Deteksi ion Fe2+ dan Fe3+ (reaksi “kualitatif”)
Pengenalan ion Fe2+ dan Fe3+ dalam larutan air dilakukan dengan menggunakan senyawa kompleks kompleks - K3, garam darah merah, dan K4, garam darah kuning. Pada kedua reaksi tersebut terbentuk endapan biru jenuh dengan komposisi kuantitatif yang sama, tetapi dengan posisi besi yang berbeda dengan valensi +2 dan +3. Endapan ini juga sering disebut sebagai biru Prusia atau biru Turnbull.
Reaksi ditulis dalam bentuk ion
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Pereaksi yang baik untuk mendeteksi Fe3+ adalah ion tiosianat (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- - senyawa ini memiliki warna merah cerah ("berdarah").
Reagen ini, misalnya, kalium tiosianat (rumus - KNCS), memungkinkan Anda untuk menentukan bahkan konsentrasi besi yang dapat diabaikan dalam larutan. Jadi, dia bisa menentukan apakah pipa berkarat saat memeriksa air keran.
