Unsur-unsur dari kelompok kedelapan (besi, rutenium, osmium, gassium), kesembilan (kobalt, rhodium, iridium, meitnerium) dan kesepuluh (nikel, paladium, platinum, darmstadtium) secara historis dianggap bersama sehubungan dengan penyatuannya menjadi satu kedelapan kelompok versi periode pendek dari tabel periodik. Unsur-unsur periode kelima dan keenam yang termasuk dalam komposisinya (ruthenium, osmium, rhodium, iridium, paladium, platinum) adalah mulia, sering ditemukan bersama dalam bentuk paduan yang didominasi platinum, sehingga biasanya digabungkan menjadi keluarga logam platina (platinoid). Demikian juga, besi, kobalt dan nikel kadang-kadang diperlakukan sebagai triad terpisah (triad besi). Dengan beberapa kesamaan tanpa syarat dari logam platinum, kimia unsur-unsur yang termasuk dalam kelompok yang berbeda, misalnya, osmium, rhodium dan paladium, berbeda secara signifikan, tetapi pada saat yang sama, ada kesamaan yang nyata antara senyawa unsur yang serupa dalam kelompok, untuk misalnya kobalt (III) amoniak, rhodium(III) dan iridium(III). Oleh karena itu, sifat kimia senyawa yang mengandung oksigen dan kompleks dijelaskan dalam buku teks dengan kelompok. Unsur-unsur periode ketujuh gassium, meitnerium dan darmstadtium bersifat radioaktif dengan waktu paruh pendek dan hanya diperoleh dalam jumlah beberapa puluh atom.

Besi adalah salah satu dari tujuh logam kuno, yang dikenal umat manusia sejak periode paling awal sejarah masyarakat. Meskipun orang Mesir dan Fenisia sudah mengetahui kemampuan senyawa kobalt untuk memberikan warna biru cerah pada kacamata, unsur itu sendiri dalam bentuk zat sederhana baru diperoleh pada tahun 1735 oleh ahli kimia Jerman G. Brandt, dan beberapa tahun kemudian orang Swedia ahli metalurgi A.F. Cronstedt mengisolasi nikel dari bijih tembaga. Platinum secara tradisional dianggap sebagai logam orang India di Ekuador, karena digunakan oleh mereka untuk membuat perhiasan dan topeng ritual sebelum kedatangan para penakluk. Logam yang dapat diresapi, secara lahiriah mirip dengan perak, menerima dari orang Spanyol nama platina, kependekan dari kata "perak". Untuk waktu yang lama, logam tidak menemukan kegunaannya karena kekerasan dan refraktorinya yang tinggi. Untuk pertama kalinya, ahli kimia Inggris W. Wollaston berhasil memperoleh platina lunak pada tahun 1805, yang meningkatkan proses penempaan panas. Dia dikreditkan dengan penemuan paladium (dinamai setelah asteroid Pallas, ditemukan pada tahun 1802) dan rhodium, dinamai warna merah muda-merah garam. Iridium (dari bahasa Latin iris - pelangi, menurut senyawa yang memiliki warna cerah dari berbagai warna) dan osmium (dari bahasa Yunani - bau, menurut bau tak sedap yang tajam dari tetroksida yang mudah menguap) segera diisolasi dari bubuk yang tersisa setelah diproses platinum mentah dengan aqua regia. Pada tahun 1844, Klaus, profesor kimia di Universitas Kazan, mengisolasi rutenium, yang dinamai menurut nama Rusia, dari bijih Ural yang dikirim kepadanya untuk dianalisis.

Logam platinum superberat adalah gassium radioaktif, meitnerium, dan darmstadtium. Unsur-unsur ini diperoleh pada 1980-an-1990-an. di akselerator nuklir super-kuat di Darmstadt (Jerman) tentang reaksi

208 Pb + 58 Fe 265 Hs + 1 n 1/2 (265 Hs) = 2×10 –3 s

209 Bi + 58 Fe 266 Mt + 1 n 1/2 (266 Mt) = 3,4 × 10 -3 s

208 Pb + 62 Ni 269 Ds + 1 n 1/2 (269 Ds) = 2,7 × 10 -4 s

Gassium dinamai tanah Hesse, di mana kota Darmstadt berada, meitnerium - untuk menghormati ilmuwan Australia Lise Meitner, yang mempelajari reaksi fisi inti uranium, dan darmshadtium untuk menghormati Darmstadt. Nama elemen terakhir disetujui oleh komisi IUPAC pada tahun 2003.

Unsur-unsur dari golongan kedelapan memiliki konfigurasi elektronik yang sama dalam keadaan dasar (n – 1)d 6 ns 2 rusak di rutenium karena "selip elektron". Fenomena serupa terjadi pada atom rhodium, yang merupakan bagian dari kelompok kesembilan, dengan konfigurasi elektron yang sama (n – 1)d 7 ns 2 . Di antara unsur-unsur kelompok kesepuluh, konfigurasi (n – 1)d 8 ns 2 hanya diamati dalam atom nikel: di platinum dalam keadaan dasar, satu "terobosan" elektron terjadi, dan di paladium, dua, yang mengarah pada penyelesaian lengkap kulit-d (Tabel 6.1).

Tabel 6.1.

Beberapa sifat elemen dari kelompok kedelapan - kesepuluh.

Kelompok	kedelapan	kesembilan	Kesepuluh
Biaya inti	26 Fe	44 Ru	76 Os	27Co	45 Rh	77 Ir	28 Ni	46 Pd	78 Poin
Jumlah isotop alami
Konfigurasi elektronik	3d 6 4s 2	[kr] 4d 7 5s 1	[Xe]4f 14 5d 6 6s 2	3d 7 4s 2	[kr]4d 8 5s 1	[Xe]4f 14 5d 7 6s 2	3d 8 4s 2	[kr]4d 10	[Xe]4f 14 5d 9 6s 1
Jari-jari logam, nm	0.126	0.134	0.135	0.125	0.134	0.136	0.124	0.137	0.139
Energi ionisasi, kJ/mol,	saya 1 saya 2 saya 3 saya 4 saya 5		(4500) (6100)	(1600) (2400) (3900) (5200)		(4400) (6500)	(1680) (2600) (3800) (5500)		(4700) (6300)	(2800) (3900) (5300)
Jari-jari ionik, nm (cn = 6)	E 2+ E 3+ E 4+ E 5+ E 6+ E 7+	0.061* 0.065* 0.059	- 0.068 0.062 0.057	- - 0.063 0.058 0.055 0.053	0.065* 0.054* 0.053	- 0.067 0.060 0.055	- 0.068 0.063 0.057	0.069 0.056* 0.048	0.086 0.076 0.062	0.080 ‘ 0.063 0.057
Keelektronegatifan menurut Pauling	1.83	2.2	2.2	1.88	2.28	2.20	1.91	2.20	2.28
Keelektronegatifan menurut Allred-Rochow	1.64	1.42	1.52	1.70	1.45	1.55	1.75	1.35	1.44
Keadaan oksidasi	(–2), (–1), 0, +2, +3, (+4), (+5), +6	(–2), 0, (+2), (+3), +4, (+5), +6, +7, +8	(–2), 0, (+2), +3, +4, (+5), +6, +7, +8	(–1), 0, (+1) (+2), (+3), +4, (+5), (+6), (+7), +8	(–1), 0, +1, +2, +3, (+4), (+5), (+6)	(–1), 0, +1, (+2), +3, +4, (+5), (+6)	(–1), 0, (+1), +2, (+3), (+4)	0, (+1), +2, (+3), (+4)	0, (+1), +2, (+3), +4, (+5), (+6)

* dalam keadaan putaran rendah

Pola-pola perubahan sifat-sifat unsur golongan 8–10 ketika bergerak sepanjang periode dan melintasi golongan mematuhi hukum umum yang dibahas dalam Bab 1. Energi ionisasi pertama pada golongan kedelapan dan kesembilan berkurang ketika berpindah dari logam 3d ke 4d (Tabel 6.1.), yang disebabkan oleh peningkatan jari-jari atom dan pelepasan elektron valensi dari nukleus. Peningkatan lebih lanjut dalam E 1 pada logam-d dari periode keenam dijelaskan oleh efek penyaringan yang terkait dengan pengisian sublevel 4f. Pola umum tidak berlaku untuk unsur-unsur golongan kesepuluh karena stabilisasi yang signifikan dari orbital-d atom nikel, yang disebabkan oleh "terobosan" ganda elektron.

Logam dari triad besi, seperti elemen lain dari seri 3d, memiliki jari-jari atom kecil dan orbital d yang relatif kecil dengan tingkat tumpang tindih yang tidak signifikan, memiliki aktivitas kimia yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan logam platinum. Tidak seperti mereka, besi, kobalt dan nikel menggantikan hidrogen dari larutan asam dan teroksidasi di udara. Mereka tidak dicirikan oleh senyawa kluster, yang, jika terbentuk, seringkali menjadi tidak stabil di udara dan dalam larutan berair. Secara umum, logam platinum dapat dianggap sebagai logam yang paling tidak aktif secara kimia, karena jari-jari atom yang relatif rendah (dibandingkan dengan elemen d pada awal baris transisi) dan tingkat tumpang tindih orbital d yang tinggi. Dari jumlah tersebut, hanya osmium yang dapat berinteraksi langsung dengan oksigen, dan hanya paladium yang bereaksi dengan asam nitrat pekat. Secara umum, logam platinum dicirikan oleh senyawa kompleks, termasuk kompleks dengan ligan -akseptor (karbon monoksida, alkena, alkadiena), hidrida, yang sering stabil bahkan dalam larutan berair, dan gugus. Seperti logam transisi berat lainnya, platinoid menunjukkan bilangan oksidasi yang tinggi, hingga +8 (OsO 4). Stabilitas bilangan oksidasi yang lebih tinggi meningkat ke bawah kelompok (Catatan kaki: Untuk tinjauan kimia logam platinum dalam bilangan oksidasi dari +4 hingga +8, lihat D. J. Gulliver, W. Levason, Coord. Chem. Rev., 1982, 46 , 1).

Ketika bergerak sepanjang periode, ketika jumlah elektron valensi meningkat dan pasangannya, sublevel d menjadi stabil, dan stabilitas bilangan oksidasi yang lebih tinggi menurun. Jadi, besi dapat dioksidasi dalam larutan berair menjadi FeO 4 2–, yang mengandung atom logam dalam keadaan oksidasi +6, kobalt dan nikel dalam kondisi ini memperoleh keadaan oksidasi +3. Bilangan oksidasi tertinggi paling stabil untuk unsur-unsur golongan kedelapan - besi (+6), rutenium (+8) dan osmium (+8) (Catatan kaki: Ada informasi tentang memperoleh senyawa besi dalam keadaan oksidasi +8: Lihat Kiselev Yu. M., Kopelev N. S., Spitsyn V. I., Martynenko L. I. Doklady AN SSSR, 1987, v. 292, no. 3, hal. 628). Logam-logam ini menunjukkan bilangan oksidasi terendah dengan senyawa dengan ligan -akseptor, misalnya, dalam karbonil: K 2 , K. Nilai bilangan oksidasi paling stabil menurun secara monoton ketika bergerak sepanjang periode: untuk besi, bilangan oksidasi paling khas adalah +3, kobalt dalam larutan berair ada terutama dalam keadaan oksidasi +2, dan dalam kompleks +3, nikel secara eksklusif dalam keadaan oksidasi +2. Hal ini sesuai dengan kenaikan energi ionisasi ketiga deret Fe - Co - Ni (Tabel 6.1.). Ion Ni 2+ tahan terhadap oksidasi oksigen udara pada pH berapa pun, garam kobalt(II) stabil dalam media asam dan netral, dan teroksidasi dengan adanya ion OH, besi(II) diubah menjadi besi(III) di bawah aksi oksigen (E 0 ( O 2 /H 2 O) = 1,229 B, pH = 0, dan 0,401 B, pH = 14) pada pH berapa pun. Aktivitas reduksi logam-logam triad juga berkurang ketika bergerak sepanjang deret 3d (Tabel 6.2.).

Tabel 6.2. Potensial elektroda standar M(III)/M(II) dan M(III)/M(0) untuk elemen triad besi

Perubahan bilangan oksidasi yang stabil dalam larutan berair dapat direpresentasikan sebagai diagram:

Contoh senyawa dari unsur 8 - 10 golongan dengan derajat oksidasi yang berbeda diberikan dalam tabel. 6.3. Ion dengan konfigurasi elektron d 3 (Ru +5), d 5 (Fe +3,) dan d 6 (Fe +2, Co +3, Rh +3, Ir +3) dicirikan oleh kompleks oktahedral, untuk konfigurasi d 4 ( Ru +4, Os +4) dan d 7 (Co +2) adalah oktahedral yang terdistorsi secara tetragonal, timbul karena efek Jahn-Teller, untuk d 8 - oktahedral (Ni +2 dengan ligan medan lemah dan sedang) - atau bujur sangkar planar ( Pd +2 , Pt +2 , dan juga Ni +2 dengan ligan medan kuat). Molekul dan ion dengan geometri tetrahedral muncul ketika ion logam berinteraksi dengan ligan massal (PR3, Cl–, Br–, I–) atau ketika sublevel d terisi penuh (d10, Pd0, Rh–1, Ru–2).

Penurunan berturut-turut dalam jari-jari atom dan ionik saat seseorang bergerak sepanjang periode menyebabkan penurunan bertahap dalam bilangan koordinasi maksimum dari 10 untuk besi (dalam ferrosen) menjadi 8 untuk kobalt (dalam 2–) dan 7 untuk nikel (dalam kompleks dengan makrosiklik). ligan). Analog berat besi - rutenium dan osmium juga jarang meningkatkan bilangan koordinasi lebih dari enam. Untuk platina(II) dan paladium(II), yang memiliki konfigurasi elektron d 8, kompleks planar bujur sangkar dengan bilangan koordinasi 4 adalah yang paling khas.

Konsekuensi lain dari penurunan jari-jari ionik adalah penurunan tertentu dalam nilai produk kelarutan hidroksida M(OH) 2, dan, akibatnya, konstanta kebasaannya ketika bergerak di sepanjang deret 3d:

Mn(OH) 2 Fe(OH) 2 Co(OH) 2 Ni(OH) 2

PR, 20 °C 1.9×10 –13 7.1×10 –16 2.0×10 –16 6.3×10 –18

Derajat hidrolisis garam dengan anion dengan nama yang sama juga meningkat dalam arah yang sama. Ini mengarah pada fakta bahwa ketika garam mangan(II) dan besi(II) terkena larutan natrium karbonat rata-rata, karbonat rata-rata mengendap, dan ion kobalt dan nikel menghasilkan garam basa dalam kondisi ini. Peningkatan kelembutan Pearson dari kation logam 3d saat mereka bergerak sepanjang periode saat sublevel d terisi dan jari-jari ionik menurun menyebabkan penguatan ikatan M-S dibandingkan dengan M-O. Ini dengan jelas menggambarkan perubahan monoton dalam produk kelarutan sulfida:

MnS FeS CoS NiS CuS

PR, 20 °C 2.5×10 –13 5.0×10 –1 8 2.0×10 – 25 2.0×10 – 26 6.3×10 – 36

Dengan demikian, mangan dan besi terjadi di alam terutama dalam bentuk senyawa oksigen, diikuti oleh besi, kobalt, nikel dan tembaga dalam bijih polisulfida.

Tabel 6.3. Keadaan oksidasi, konfigurasi elektronik, bilangan koordinasi (C.N.) dan geometri molekul dan ion

Konfigurasi elektronik	K. Ch.	Geometri	Kelompok kedelapan	Grup kesembilan	Kelompok kesepuluh
Keadaan oksidasi	Contoh	Keadaan oksidasi	Contoh	Keadaan oksidasi	Contoh
h 10		segi empat	–2	2– , M = Fe, Ru, Os	–1	– , M = Co, Rh		Ni(CO) 4 , M(PF 3) 4 , M = Pd, Pt
d9		bipiramida trigonal	–1	2–		–	+1	–
–	Co 2 (CO) 8, M 4 (CO) 12, M = Rh, Ir	–
	segi delapan
d8		segi delapan		–	+1	–	+2	2+ , 3+
	bipiramida trigonal		,	3–
–	–	2–
	segi empat
–	RhCl(PPh 3) 2	2–. 2– , M = Pd, Pt
	kotak
d7		segi delapan	+1	+	+2	2+, Rh 2 (CH 3 COO) 4 (H 2 O) 2	+3	3– , M = Ni, Pd
	segi empat		–	2–	–
d6		segi empat	+2	2–	+3	5–	+4	2– , 2– , M = Pd, Pt
	segi delapan	2+ , 4–	3+	–
d5		segi empat	+3	–	+4	–	+5	–
	segi delapan	3+ , 3–	2– , 2– , M = Co, Rh	–
d4		segi empat	+4		+5	–	+6	PTF 6
	segi delapan	2– , M = Ru, Os	– , M = Rh, Ir	–
d3		segi empat	+5	3– , – , M = Ru, Os	+6	MF 6 , M = Rh, Ir
d2		segi empat	+6	2– , 2– ,		–
d1		segi empat	+7	– , M = Ru, Os		–
	segi delapan	OsOF 5	–
	bipiramida segi lima	OSF 7	–
d0		segi empat	+8	MO 4 , M = Ru, Os		–

TAMBAHAN. Biokimia besi.

Meskipun tubuh orang dewasa hanya mengandung sekitar 4 g besi, ia memainkan peran penting dalam proses transfer oksigen ke jaringan dan sel, penghapusan karbon dioksida, dan fosforilasi oksidatif. Tiga perempat atom besi dalam tubuh berbentuk hemoglobin, yang terdiri dari kompleks porfirin besi yang disebut heme dan protein globin. Hemoglobin menyediakan transportasi oksigen ke jaringan tubuh, dan protein terkait mioglobin, yang memiliki struktur sederhana dan, tidak seperti hemoglobin, tidak memiliki struktur kuaterner, menentukan kemampuan jaringan untuk menyimpan oksigen. Hemoglobin ditemukan dalam sel darah merah dan mioglobin ditemukan di jaringan otot. Kedua senyawa memiliki warna merah karena adanya atom besi di dalamnya dalam keadaan oksidasi +2, dan oksidasi besi menyebabkan hilangnya aktivitas biologisnya! Dalam struktur protein, heme terletak di celah antara dua heliks yang dibentuk oleh rantai polipeptida. Kompleks porfirin memastikan koordinasi planar persegi atom besi oleh empat atom nitrogen dari siklus porfirin. Atom nitrogen dari cincin imidazol dari asam amino histidin yang termasuk dalam rantai polipeptida terdekat melengkapi bilangan koordinasi besi menjadi lima. Jadi, dalam bentuk hemoglobin yang tidak teroksigenasi, posisi keenam dalam bidang koordinasi atom besi tetap kosong. Di sinilah molekul oksigen masuk. Ketika oksigen ditambahkan, atom besi meninggalkan bidang siklus porfirin sebesar 0,02 nm dibandingkan dengan bentuk deoksi. Hal ini menyebabkan perubahan konformasi dalam susunan rantai polipeptida. Dalam hal ini, kompleks menjadi diamagnetik karena transisi atom besi ke keadaan putaran rendah:

Darah arteri sebagian besar mengandung oksihemoglobin, dan ketika molekul oksigen yang terkandung di dalamnya masuk ke mioglobin, warna darah menjadi lebih gelap - ini menunjukkan kembalinya heme ke bentuk deoksi sebelumnya. Hemoglobin tidak hanya membawa oksigen dari paru-paru ke jaringan perifer, tetapi juga mempercepat pengangkutan karbon dioksida dari jaringan ke paru-paru. Segera setelah pelepasan oksigen, ia mengikat sekitar 15% dari CO2 terlarut dalam darah.

Molekul CO mampu membentuk kompleks yang lebih kuat dengan heme daripada molekul oksigen, sehingga mencegah pengangkutannya dari paru-paru ke jaringan. Itulah sebabnya menghirup karbon monoksida menyebabkan kematian karena kekurangan oksigen. Ion sianida juga memainkan peran yang sama, meskipun toksisitasnya terutama karena interaksi dengan hemoprotein lain yang mengandung besi - sitokrom. Sitokrom terlibat dalam fosforilasi oksidatif - oksidasi piruvat yang terjadi di mitokondria, yang terbentuk selama oksidasi primer karbohidrat. Energi yang dilepaskan dalam proses ini disimpan dalam bentuk ikatan energi tinggi dari molekul ATP. Dalam rantai kompleks fosforilasi oksidatif, sitokrom a, b, dan c adalah pembawa elektron dari satu enzim ke enzim lain dan, akhirnya, ke oksigen. Dalam hal ini, atom besi terus-menerus mengubah keadaan oksidasinya.

Yang paling banyak dipelajari adalah sitokrom P 450, yang merupakan heme yang berbeda dari heme dalam hemoglobin oleh satu set substituen dan mengandung besi +3, dikoordinasikan oleh molekul air dan atom belerang milik asam amino sistein (Gbr. 6.1 .Model pusat aktif sitokrom P 450 yang dikelilingi oleh bagian protein molekul) . Perannya adalah untuk menghidroksilasi senyawa lipofilik yang asing bagi tubuh, yang terbentuk sebagai produk sampingan atau masuk ke dalam tubuh dari luar:

R–H + O 2 + 2e – + 2H + ® ROH + H 2 O

Pada tahap pertama (Gbr. 6.2. Siklus katalitik sitokrom P 450). Sitokrom menempelkan molekul substrat, yang kemudian (langkah 2) mengalami reduksi oleh enzim lain. Tahap ketiga adalah penambahan oksigen, mirip dengan yang dijelaskan di atas untuk hemoglobin. Dalam kompleks besi spin rendah yang dihasilkan, molekul O2 terkoordinasi direduksi menjadi ion peroksida (tahap 4), yang, sebagai akibat dari transfer elektron intramolekul, mengarah ke kompleks oksoferril yang mengandung besi dalam keadaan oksidasi +5 (tahap 5 ). Ketika dipulihkan, substrat teroksidasi dipisahkan, dan sitokrom masuk ke keadaan semula (tahap 6).

Heme juga membentuk dasar katalase dan peroksidase, enzim yang mengkatalisis reaksi oksidasi dengan hidrogen peroksida. Satu molekul katalase per detik mampu menyebabkan penguraian 44.000 molekul H 2 O 2 .

Dalam fosforilasi oksidatif, bersama dengan sitokrom, ferredoxin terlibat - protein besi-sulfur, pusat aktifnya adalah kluster yang mengandung atom besi, jembatan sulfida, dan residu asam amino sistein (Gbr. 6.3. Struktur ferredoxin bakteri ( a), pusat aktif ferredoxin (b)). Ferredoksin yang ditemukan pada bakteri, mengandung delapan atom besi dan belerang, memainkan peran kunci dalam proses fiksasi nitrogen di atmosfer. Dalam molekul ferredoxin bakteri, ditemukan dua kelompok Fe 4 S 4 yang identik, berbentuk kubus dan terletak pada jarak 1,2 nm satu sama lain. Kedua kelompok ini terletak di dalam rongga yang dibentuk oleh rantai asam amino yang saling terkait. Komposisi nitrogenase (lihat hal. 169, volume 2) juga mencakup protein dengan berat molekul sekitar 220 ribu, mengandung dua atom molibdenum dan hingga 32 atom besi. (R. Murray, D. Grenner, P. Meyes, W. Rodwell, Biokimia Manusia, M., Mir, 1993).

AKHIR SUPLEMEN

6.2. Distribusi di alam, produksi dan penggunaan zat sederhana dari 8-10 kelompok.

Dalam hal prevalensi di alam di antara unsur-unsur golongan 8-10, pemimpin yang tak terbantahkan adalah besi, lebih tepatnya, isotopnya 56 Fe, yang intinya memiliki energi ikat proton dan neutron tertinggi, dan, oleh karena itu, sangat stabil .

Memang, jumlah atom besi di Semesta secara signifikan melebihi jumlah atom dari setiap elemen tetangga dalam sistem Periodik dan dekat dengan hidrogen dan helium. Misalnya, di Matahari, kandungan hidrogen diperkirakan 1 × 10 12 unit konvensional, helium - pada 6,31 × 10 10, dan besi - pada 3,16 × 10 17. Ini dijelaskan oleh fakta bahwa inti nuklida 56 Fe termasuk dalam bilangan ajaib, yaitu memiliki kulit inti yang terisi penuh. Ketika jumlah nukleon dalam inti meningkat, energi ikat per nukleon pertama meningkat dengan cepat, mencapai maksimum hanya pada inti besi, dan kemudian secara bertahap menurun (Gbr. 6.4. Energi ikat per nukleon sebagai fungsi dari nomor atom unsur) (R.J. Theiler, Asal unsur kimia, M., Mir, 1975).

Menurut kandungan di kerak bumi, besi berada di urutan keempat (4,1%), kedua setelah oksigen, silikon dan aluminium, nikel (8 × 10 -3%) di sepuluh kedua, kobalt (2 × 10 -3 %) - pada yang ketiga, dan logam platinum jarang (Ru 10–7%, Pt 10–7%, Pd 6×10–8%, Rh 2×10–8%, Os 10–8%, Ir 3× 10–10%) . Di kerak bumi, besi diwakili terutama oleh hematit Fe 2 O 3 (bijih besi merah), magnetit Fe 3 O 4 (bijih besi magnetik), limonit Fe 2 O 3 × xH 2 O (bijih besi coklat), siderit FeCO 3 (spar besi, spar bijih besi ), ilmenit FeTiO 3 dan mineral pirit FeS 2 yang mengandung sulfur (pirit besi). Secara umum, lebih dari 300 mineral yang mengandung besi telah diketahui. Sejumlah besar besi adalah bagian dari berbagai silikat dan aluminosilikat yang membentuk batuan. Ketika lapuk, senyawa besi, terutama besi(III) oksida dan oksohidroksida, masuk ke pasir kuarsa, tanah liat, dan tanah, memberi mereka warna kuning-coklat, warna tanah. Besi asal meteorik ditemukan dalam bentuk bebas di bumi, seringkali dalam bentuk paduan dengan nikel. Besi asli juga dikenal dalam bentuk serpihan atau daun kecil yang diselingi basal. Hanya kadang-kadang ia membentuk bagian-bagian yang terpisah. Temuan seperti itu sangat langka sehingga di Zaman Batu dan Perunggu, alat yang dibuat darinya jauh lebih berharga daripada emas. Mantel bumi mengandung sejumlah besar besi dalam bentuk spinel, silikat, dan oksida. Dipercayai bahwa besi dengan campuran nikel dan belerang adalah bagian utama dari inti bumi. Di lapisan permukaan Bulan, kandungan besinya mencapai 0,5%.

Perkembangan memperoleh besi dari bijih besi adalah awal dari Zaman Besi. Untuk mereduksi oksida besi dengan batu bara, diperlukan suhu lebih dari 1400 °C, yang tidak dapat disediakan oleh api biasa. Itulah sebabnya, pada awal perkembangan masyarakat, bijih besi belum tersedia sebagai bahan baku produksi logam. Orang-orang harus membatasi diri mereka hanya untuk menemukan besi meteorik secara acak. Pada awal milenium pertama SM. Pada abad ke-18, metode pengerjaan mentah pemulihan bijih dikuasai, berdasarkan penggunaan bengkel - struktur yang terbuat dari batu yang dilapisi dengan tanah liat. Lubang-lubang ditinggalkan di dinding bengkel, di mana udara disuntikkan melalui tabung tanah liat khusus - nozel - dengan bantuan tas kulit yang disebut bulu. Arang dan bijih besi dituangkan ke dalam tungku, dan api dibuat di atasnya. Logam yang dihasilkan dilas menjadi kritsa - massa berpori, dari mana produk diperoleh dengan menempa. Produksi tungku ledakan telah menggantikan metode adonan mentah. Ini terjadi sebagai akibat dari peningkatan ketinggian tungku, yang juga memerlukan pengenalan fluks - aditif khusus yang membentuk terak dengan titik leleh rendah dengan batuan sisa yang terkandung dalam bijih. Karena dalam tanur tinggi, tidak seperti perapian, logam cair bersentuhan dengan batu bara untuk waktu yang lama, ia berkarburasi, berubah menjadi besi tuang. Ini membutuhkan operasi ekstra untuk "redistribusi" besi tuang menjadi baja dan besi. Tungku sembur pertama muncul di Belanda pada akhir abad ke-14 - awal abad ke-15, pada abad ke-16 mereka mencapai ketinggian 4 - 5 m. Di Rusia, produksi tanur sembur muncul pada abad ke-17, dan di abad berikutnya dikembangkan di Ural.

Tambahan. Diagram keadaan sistem besi-karbon.

Diagram keadaan sistem Fe-C di wilayah hingga 6,5 ​​wt. % C, ditunjukkan pada Gambar. 6.5 a, penting dalam metalurgi untuk produksi yang ditargetkan dari berbagai kelas baja dan besi tuang. Besi murni mengkristal dalam tiga modifikasi, , dan , yang masing-masing melarutkan sejumlah karbon dan stabil dalam kisaran suhu tertentu. Larutan padat karbon dalam modifikasi ini, -Fe, -Fe dan -Fe-C, masing-masing disebut -ferit, -austenit dan -ferit. -Fe dan -Fe memiliki kisi pusat tubuh kubik dan -Fe memiliki kisi pusat muka kubik. Kelarutan karbon paling besar pada austenit (γ-Fe).

Mencair mengandung hingga 1,75 berat. % C, setelah pendinginan cepat hingga 1150 ° C, mereka adalah larutan padat homogen - austenit. Baja dibuat dari paduan ini. Dalam lelehan yang mengandung lebih dari 1,75% C setelah pendinginan hingga 1150 ° C, selain austenit padat, ada juga cairan eutektik dari komposisi titik A (Gbr. 6.5.a) Ketika didinginkan di bawah 1150 ° C, ia mengkristal dan mengisi ruang antara kristal austenit. Sistem padat yang dihasilkan adalah besi tuang. Tergantung pada kondisinya, eutektik dapat mengkristal dalam dua cara. Setelah pendinginan cepat, ektektik yang memadat terdiri dari kristal austenit dan kristal Fe 3 C yang tidak stabil yang disebut sementit. Dengan pendinginan lambat, campuran kristal austenit dan grafit stabil terbentuk. Besi tuang yang mengandung sementit disebut putih, dan yang mengandung grafit disebut abu-abu. Eutektik yang dipadatkan dari austenit dan sementit disebut ledeburit, dan hanya ledeburit yang dilepaskan dari lelehan yang mengandung 4,3% C.

Ketika austenit didinginkan di bawah 1150 o C, austenit akan mengalami rekristalisasi. Dari larutan padat yang mengandung kurang dari 0,9 berat. % C, ferit -Fe dilepaskan terlebih dahulu (lihat sisipan pada Gambar 6.5.a), dan dari larutan yang mengandung lebih dari 0,9 berat. % C, sementit dilepaskan terutama, yang disebut sementit sekunder. Dalam kedua kasus, komposisi larutan padat yang tersisa mendekati titik eutektoid B. Pada titik ini, kristal ferit dan sementit mengendap secara bersamaan dalam campuran berlapis tipis yang disebut perlit. Lelehan yang mengandung 0,9% C, pada pendinginan, dapat membentuk perlit murni yang tidak mengandung kristal besar ferit atau Fe 3 C yang telah diendapkan sebelumnya.

Dengan mengatur komposisi lelehan awal, laju pendinginan, dan waktu pemanasan pada suhu yang dipilih dari diagram, dimungkinkan untuk memperoleh paduan dengan struktur mikro, komposisi, orientasi, dan tegangan yang berbeda dalam kristal. Jika kemudian sistem yang dihasilkan didinginkan dengan sangat cepat (padam), maka semua transformasi lebih lanjut sangat terhambat, dan struktur yang dibuat dipertahankan, meskipun ternyata tidak stabil secara termodinamika. Ini adalah cara untuk mendapatkan nilai baja yang berbeda.

Beras. 6.5. Diagram fase sistem besi-karbon

AKHIR SUPLEMEN.

Saat ini, bijih besi direduksi dengan kokas dalam tanur tinggi, sedangkan besi cair sebagian bereaksi dengan karbon, membentuk besi karbida Fe 3 C (sementit), dan sebagian melarutkannya. Saat lelehan mengeras, besi cor. Besi tuang yang digunakan untuk membuat baja disebut pig iron. Baja, tidak seperti besi tuang, mengandung lebih sedikit karbon. Kelebihan karbon yang terkandung dalam besi cor harus dibakar. Ini dicapai dengan melewatkan udara yang diperkaya oksigen di atas besi cair. Ada juga metode langsung untuk memproduksi besi, berdasarkan reduksi pelet bijih besi magnetik dengan gas alam atau hidrogen:

Fe 3 O 4 + CH 4 \u003d 3Fe + CO 2 + 2H 2 O.

Besi yang sangat murni dalam bentuk bubuk diperoleh dengan dekomposisi Fe(CO) 5 karbonil.

TAMBAHAN. Paduan besi.

Paduan berbasis besi dibagi menjadi besi tuang dan baja.

Besi cor- paduan besi dengan karbon (mengandung 2 sampai 6% C), mengandung karbon dalam bentuk larutan padat, serta kristal grafit dan sementit Fe 3 C. Ada beberapa jenis besi tuang yang berbeda sifatnya dan warna fraktur. Besi cor putih mengandung karbon dalam bentuk sementit. Ini sangat rapuh dan tidak menemukan aplikasi langsung. Semua besi cor putih diubah menjadi baja (pig iron). Besi cor abu-abu mengandung inklusi grafit - mereka terlihat jelas pada fraktur. Ini kurang rapuh daripada putih dan digunakan untuk membuat roda gila dan radiator pemanas air. Penambahan sejumlah kecil magnesium ke dalam lelehan menyebabkan pengendapan grafit tidak dalam bentuk pelat, tetapi dalam bentuk inklusi bola. Besi cor yang dimodifikasi ini memiliki kekuatan tinggi dan digunakan untuk membuat poros engkol mesin. Besi cor cermin, mengandung 10-20% mangan dan sekitar 4% karbon, digunakan sebagai deoxidizer dalam produksi baja.

Gambar 6.6. Besi cor kelabu (a) dan besi cor tugas berat (b) di bawah mikroskop.

Bijih besi dan kokas adalah bahan baku untuk produksi besi. Besi kasar dilebur dalam tanur tinggi - tungku besar, setinggi hingga 80 m, dilapisi dengan batu bata tahan api dari dalam, dan ditutup dengan selubung baja di atasnya. Bagian atas tanur sembur disebut poros, bagian bawah disebut gunung, dan lubang atas, yang berfungsi untuk memuat muatan, disebut bagian atas. Dari bawah, udara panas yang diperkaya dengan oksigen dimasukkan ke dalam tungku. Di bagian atas perapian, batu bara dibakar dengan pembentukan karbon dioksida. Panas yang dilepaskan dalam hal ini cukup untuk melanjutkan proses. Karbon dioksida, melewati lapisan kokas, direduksi menjadi karbon monoksida (II) CO, yang, bereaksi dengan bijih besi, mereduksinya menjadi logam. Untuk menghilangkan pengotor yang terkandung dalam bijih, misalnya, pasir kuarsa SiO 2, fluks ditambahkan ke tungku - batu kapur atau dolomit, yang terurai menjadi oksida CaO, MgO, mengikat terak menjadi fluks dengan titik leleh rendah (CaSiO 3, MgSiO 3). Selain besi, kokas juga mengurangi pengotor yang terkandung dalam bijih, misalnya fosfor, belerang, mangan, dan sebagian silikon:

Ca 3 (PO 4) 2 + 5C = 3CaO + 5CO + 2P,

CaSO 4 + 4C \u003d CaS + 4CO,

MnO + C = Mn + CO

SiO2 + 2C = Si + 2CO.

Pada logam cair, belerang terdapat dalam bentuk FeS sulfida, fosfor dalam bentuk Fe 3 P fosfida, silikon dalam bentuk SiC silisida, dan kelebihan karbon berupa Fe 3 C karbida (sementit). . Gas-gas yang keluar dari tanur sembur disebut tanur sembur atau gas tanur sembur. Sekitar sepertiga volumenya terdiri dari karbon monoksida, sehingga digunakan sebagai bahan bakar untuk memanaskan udara yang memasuki tanur tinggi.

NASI. 6.7 Skema tanur tinggi

Baja– paduan besi dengan karbon (mengandung 0,5 hingga 2% C), hanya mengandung karbon dalam bentuk larutan padat. Baja lebih keras dari besi, lebih sulit ditekuk, lebih tahan banting, lebih mudah patah, meski tidak rapuh seperti besi tuang. Semakin banyak karbon yang dikandungnya, semakin sulit. Dalam nilai baja biasa, tidak lebih dari 0,05% belerang dan 0,08% fosfor diperbolehkan. Bahkan sedikit campuran belerang membuat baja rapuh saat dipanaskan; dalam metalurgi, sifat baja ini disebut kerapuhan merah. Kandungan fosfor dalam baja menyebabkan kerapuhan dingin - kerapuhan pada suhu rendah.Baja yang mengeras terbentuk selama pendinginan tajam dari baja yang dipanaskan hingga suhu panas merah. Baja tersebut memiliki kekerasan tinggi, tetapi rapuh. Alat pemotong terbuat dari baja yang dikeraskan. Dengan pendinginan lambat, baja temper diperoleh - lunak dan ulet. Dengan memasukkan aditif paduan ke dalam lelehan ( doping) - kromium, mangan, vanadium, dll., menerima nilai baja khusus. Baja yang mengandung lebih dari 13% kromium kehilangan kemampuannya untuk menimbulkan korosi di udara dan menjadi tahan karat. Ini digunakan dalam industri kimia, dalam kehidupan sehari-hari, dalam konstruksi. Terutama baja kuat yang mengandung vanadium digunakan untuk pengecoran baja.

Bahan baku untuk produksi baja adalah besi tuang, dan inti dari proses yang terjadi selama peleburan adalah menghilangkan kelebihan karbon dari paduan. Untuk melakukan ini, oksigen dilewatkan melalui besi cair, yang mengoksidasi karbon yang terkandung dalam besi dalam bentuk grafit atau sementit menjadi karbon monoksida CO. Namun, dalam hal ini, bagian dari besi juga dioksidasi oleh oksigen menjadi oksida:

2Fe + O 2 \u003d 2FeO.

Untuk reduksi terbalik FeO menjadi besi, deoksidasi dimasukkan ke dalam lelehan, sebagai aturan, ini adalah logam aktif - mangan, barium, kalsium, lantanum. Mereka mereduksi besi teroksidasi menjadi logam:

Mn + FeO = MnO + Fe,

dan kemudian dipisahkan dari lelehannya, mengambang ke permukaannya dalam bentuk terak yang dapat melebur, berinteraksi baik dengan lapisan tungku atau dengan tambahan khusus fluks:

MnO + SiO 2 \u003d MnSiO 3.

Baja dilebur dalam tungku khusus. Tergantung pada jenis tungku, ada beberapa metode pembuatan baja. Dalam tungku perapian terbuka, ruang peleburan adalah bak yang ditutupi dengan kubah batu bata tahan api (Gambar 6.8. Pembuatan baja: (a) Tungku perapian terbuka, Konverter oksigen). Bahan bakar disuntikkan ke bagian atas tungku - mereka adalah gas alam atau bahan bakar minyak. Panas yang dilepaskan selama pembakaran memanaskan campuran dan menyebabkannya meleleh. Selama 6 - 8 jam, di mana besi tuang cair berada di tungku perapian terbuka, karbon secara bertahap terbakar di dalamnya. Setelah itu, baja cair dituangkan dan setelah beberapa saat besi tuang dimuat kembali. Proses perapian terbuka bersifat periodik. Keuntungan utamanya adalah baja yang dihasilkan dapat dituangkan ke dalam cetakan besar. Dalam hal kinerja, proses perapian terbuka lebih rendah daripada proses konverter oksigen, yang dilakukan tidak di tungku besar, tetapi dalam konverter kecil - peralatan berbentuk buah pir yang dilas dari baja dan dilapisi dengan batu bata tahan api dari dalam. Dari atas, udara yang kaya oksigen dihembuskan melalui konverter yang dipasang pada sumbu horizontal. Oksida mangan dan besi yang terbentuk bereaksi dengan lapisan silikat konverter, membentuk terak. Proses berlangsung sekitar 40 menit, setelah itu konverter dipindahkan ke posisi miring dan baja cair dan terak dituangkan secara berurutan (Gbr. 6.8. b). Konverter berlapis batu bata pasir-kapur, yang disebut konverter Bessemer setelah penemu Inggris Henry Bessemer, tidak cocok untuk membuat baja dari besi yang mengandung fosfida besi. Untuk redistribusi besi cor yang kaya fosfor, konverter Thomas digunakan, yang dilapisi dengan batu kapur atau dolomit dari dalam. Peleburan baja dilakukan dengan adanya kapur, yang mengikat fosfor yang terkandung dalam besi cor menjadi fosfat, yang membentuk terak (Thomas slag), yang digunakan sebagai pupuk. Baja paduan dilebur dalam tungku listrik pada suhu di atas 3000 °C. Ini memungkinkan untuk memperoleh baja dengan sifat khusus, termasuk yang superkuat dan tahan api.

AKHIR SUPLEMEN

Cobalt terdapat di alam terutama dalam bentuk senyawa dengan arsenik, smaltite CoAs 2 (cobalt spice) dan kobaltite CoAsS (cobalt luster), namun mineral ini terlalu langka dan tidak membentuk endapan independen. Ini juga merupakan bagian dari bijih tembaga-kobalt-nikel dan tembaga-kobalt sulfida yang kompleks; ditemukan dalam jumlah kecil di tanah liat dan serpih, yang terbentuk dalam kondisi kekurangan oksigen.

Nikel, seperti kobalt, memiliki afinitas tinggi untuk elemen pasca-transisi periode kelima - arsenik dan belerang, dan karena kedekatan jari-jari ionik, nikel sering kali isomorfik dengan senyawa kobalt, besi, dan tembaga. Karena ini, sejumlah besar nikel di litosfer terikat menjadi bijih tembaga-nikel polisulfida. Di antara mineral sulfida, millerit NiS (pirit nikel kuning), pentlandit (Fe, Ni) 9 S 8 , dan kloantit NiAs 2 (pirit nikel putih) adalah yang paling penting. Bahan baku nikel penting lainnya adalah batuan serpentin, yang merupakan silikat dasar, misalnya garnierit (Ni, Mg) 6 × 4H 2 O. Senyawa nikel dalam jumlah kecil ditemukan dalam fosil batu bara, serpih, dan minyak.

Bahan baku utama untuk produksi kobalt dan nikel adalah bijih polisulfida (catatan kaki: silikat dan bijih nikel lain yang mengandung oksigen pertama-tama diubah menjadi sulfida melalui peleburan dengan gipsum dan batubara terdehidrasi pada 1500 ° C: CaSO 4 + 4C = CaS + 4CO ; 3NiO + 3CaS = Ni 3 S 2 + 3CaO + S). Bijih yang diaglomerasi dicampur dengan asam sulfat dan dilebur dalam tungku poros menjadi matte yang terdiri dari besi, kobalt, nikel dan tembaga sulfida. Ini memungkinkan Anda untuk memisahkannya dari silikat yang membentuk terak. Ketika matte cair didinginkan, sulfida dilepaskan dalam bentuk kristal. Mereka dihancurkan dan kemudian dipanaskan hingga 1300 ° C dalam aliran udara. Kemampuan sulfida untuk mengoksidasi menurun pada seri FeS > CoS > Ni 3 S 2, oleh karena itu, besi sulfida pertama bereaksi dengan oksigen, yang diubah menjadi terak dengan penambahan silika. Oksidasi lebih lanjut mengarah pada pembentukan oksida kobalt dan nikel

2Ni 2 S 3 + 7O 2 \u003d 6NiO + 4SO 2.

Mereka dibawa ke dalam larutan dengan perlakuan dengan asam sulfat atau dengan menggunakan oksidasi anodik. Pengotor tembaga dihilangkan dengan memasukkan bubuk nikel, yang mereduksinya menjadi zat sederhana. Kobalt dan nikel memiliki sifat kimia yang mirip. Untuk memisahkannya, larutan dibasakan dan diperlakukan dengan natrium klorat, yang hanya mengoksidasi ion kobalt:

2CoSO 4 + Cl 2 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O \u003d 2Co (OH) 3 + 2NaCl + 3CO 2 + 2Na 2 SO 4.

Dalam lingkungan yang sedikit asam, kobalt tetap berada dalam endapan dalam bentuk hidroksida, dan nikel masuk ke dalam larutan dalam bentuk garam, yang diubah menjadi hidroksida. Oksida yang diperoleh dengan kalsinasi hidroksida direduksi dengan batubara:

Co 3 O 4 + 4C \u003d 3CO + 4CO,

NiO + C = Ni + CO.

Selama reduksi, karbida Co 3 C, Ni 3 C juga terbentuk, untuk menghilangkannya, oksida diambil secara berlebihan:

Ni 3 C + NiO = 4Ni + CO.

Pemurnian elektrolit digunakan untuk mendapatkan logam yang lebih murni. Ini juga memungkinkan untuk mengisolasi logam platinum yang terkandung dalam matte.

Lebih dari setengah kobalt dan nikel yang diproduksi dihabiskan untuk produksi paduan. Paduan magnetik berbasis kobalt (Fe-Co-Mo, Fe-Ni-Co-Al, Sm-Co) mampu mempertahankan sifat magnetik pada suhu tinggi. Paduan logam-keramik, yaitu titanium, tungsten, molibdenum, vanadium, dan tantalum karbida yang disemen dengan kobalt, digunakan untuk membuat alat pemotong. Baja dengan kandungan nikel dan kromium yang tinggi tidak menimbulkan korosi di udara, mereka digunakan untuk membuat instrumen dan peralatan bedah untuk industri kimia. Nichrome paduan nikel-kromium tahan panas, mengandung 20 - 30% kromium, memiliki hambatan listrik yang tinggi, digunakan untuk membuat gulungan pemanas listrik. Konstantan paduan tembaga-nikel (40% Ni, 60% Cu) dan nikel (30% Ni, 56% Cu, 14% Zn), dari monel (68% Ni, 28% Cu, 2,5% Fe, 1,5% Mn) mint sebuah koin.

Penting superalloy– bahan berbahan dasar besi, kobalt atau nikel, yang dirancang khusus untuk servis suhu tinggi. Mereka memiliki ketahanan korosi yang tinggi, mempertahankan kekuatan dalam kisaran suhu di mana turbin gas beroperasi, dicirikan oleh modulus elastisitas yang tinggi dan koefisien ekspansi termal yang rendah. Kombinasi ketahanan oksidasi dan kekuatan bahan-bahan ini tak tertandingi. Banyak superalloy memiliki kisi kubik berpusat pada muka, yang merupakan struktur kristal terpadat dari semua struktur kristal, memberikan sifat termomekanik yang luar biasa dari material. Paduan terdiri dari basa (Fe, Co, Ni), mengandung aditif logam yang meningkatkan ketahanan permukaan (Cr) dan elemen (Al), yang membentuk fase '-kubik (γ'-Ni 3 Al), yang memiliki tinggi kekuatan dan ketahanan oksidasi. Pengenalan sejumlah kecil karbon (0,05 - 0,2%) ke dalam superalloy mengarah pada pembentukan karbida, misalnya, TiC, yang, selama pengoperasian paduan pada suhu tinggi, secara bertahap berubah menjadi karbida dengan komposisi M 23 C 6 dan M 6 C, yang mudah terpengaruh perlakuan panas. Karbon yang dihasilkan masuk ke dalam bentuk larutan padat. Dengan demikian, struktur superalloy dapat direpresentasikan sebagai larutan padat dengan inklusi kristal halus dari senyawa intermetalik dan karbida, yang memberikan kekerasan dan kekuatannya. Doping tambahan berkontribusi untuk memperlambat proses difusi, meningkatkan stabilitas struktur pada suhu tinggi. Salah satu superalloy pertama dikembangkan pada tahun 1935, Rex-78, terdiri dari 60% besi, 18% Ni, 14% Cr, dan juga mengandung sejumlah kecil molibdenum, titanium, tembaga, boron, karbon. Ini digunakan untuk pembuatan bilah turbin dan nozel (Superalloys II. Bahan tahan panas untuk pembangkit listrik dirgantara dan industri, M., Metalurgi, 1995)

Kobalt dan nikel yang terdispersi halus memiliki aktivitas katalitik yang tinggi. Bubuk kobalt halus yang diendapkan pada penyangga berfungsi sebagai katalis aktif untuk hidrokarbonilasi Fischer-Tropsch. Nikel sering menggantikan platinum dalam proses hidrogenasi, seperti lemak nabati. Di laboratorium, bubuk nikel halus yang aktif secara katalitik (nikel rangka, nikel Raney) diperoleh dengan mengolah paduan nikel-aluminium dengan alkali dalam atmosfer inert atau pereduksi. Nikel digunakan untuk produksi baterai alkaline.

Banyak senyawa kobalt berwarna cerah dan telah digunakan sejak zaman kuno sebagai pigmen untuk pembuatan cat: kobalt aluminat CoAl 2 O 4 ("kobalt biru", "biru Gzhel") memiliki warna biru, stannat Co 2 SnO 4 (“ ceruleum", "biru langit") - biru dengan warna kebiruan, fosfat Co 3 (PO 4) 2 ("kobalt ungu gelap") dan CoNH 4 PO 4 × H 2 O ("kobalt ungu muda") - kemerahan- violet, campuran oksida kobalt (II ) dan seng CoO × xZnO (“kobalt hijau”) - hijau terang, silikat kobalt (“schmalt”, “gelas kobalt”) - biru tua (E.F. Belenky, I.V. Riskin, Kimia dan Teknologi Pigmen, L., Kimia, 1974). Menambahkan oksida kobalt ke kaca memberikan warna biru.

Pigmen besi biasanya berwarna kuning-coklat atau merah-coklat dalam berbagai warna. Di antara pigmen alami, yang paling terkenal adalah oker - kristal oksohidroksida FeOOH dan sienna yang mengandung tanah liat. Ketika dikalsinasi, mereka mengalami dehidrasi, memperoleh warna merah. Jumlah coklat terbentuk dari pelapukan bijih besi yang mengandung mangan. Pigmen hitam adalah magnetit.

Logam platinum terjadi di alam terutama dalam bentuk aslinya - dalam bentuk zat sederhana, paduan satu sama lain dan dengan logam mulia lainnya. Dalam jumlah yang sangat kecil, mereka adalah bagian dari beberapa bijih polisulfida; penemuan mineral sulfida mereka sendiri sangat jarang, misalnya, RuS 2 laurite, PtS cooperite. Kandungan total rata-rata logam platinum dalam rad sulfida Ural adalah 2-5 gram per ton. Di alam, butiran platinum sering ditemukan di tempat yang sama dengan emas, oleh karena itu, dalam bentuk inklusi terpisah, mereka kadang-kadang terlihat di permukaan barang-barang emas kuno, terutama yang berasal dari Mesir. Cadangan besar platinum asli terkonsentrasi di Andes Amerika Selatan. Dalam batuan penyusunnya, butiran platinum, bersama dengan partikel emas, sering berubah menjadi piroksen dan silikat dasar lainnya, dari mana, sebagai akibat erosi, mereka masuk ke pasir sungai. Emas yang tersapu darinya mengandung kristal kecil platinum, yang sangat sulit untuk dipisahkan. Pada Abad Pertengahan, mereka tidak berusaha untuk ini: pencampuran biji-bijian berat hanya meningkatkan massa logam mulia. Kadang ada juga nugget platina berukuran besar, hingga sembilan kilogram. Mereka pasti mengandung pengotor besi, tembaga, platinum iodida, dan terkadang emas dan perak. Misalnya, logam dari deposit Choco di Kolombia, yang dikembangkan oleh suku Inca kuno, memiliki komposisi perkiraan Pt 86,2%, Pd 0,4%, Rh 2,2%, Ir 1,2%, Os 1,2%, Cu 0, 40% , Fe 8,0%, Si 0,5%. Iridium asli mengandung 80 - 95% Ir, hingga 2,7% Ru, hingga 6,1% Pt; osmium - 82 - 98,9% Os, 0,9 - 19,8% Ir, hingga 10% Ru, 0,1 - 3,0% Pt, hingga 1,3% Rh, hingga 1% Fe.

Di Rusia, placer platinum pertama ditemukan pada tahun 1824 di Ural Utara, dan segera penambangan dimulai di wilayah Nizhny Tagil. Sejak saat itu hingga 1934, Rusia adalah pemimpin di pasar pemasok platinum dunia, memberi jalan pertama ke Kanada, dan dari tahun 1954 ke Afrika Selatan, yang memiliki simpanan logam terbesar.

TAMBAHAN. Pengilangan.

Pemurnian adalah produksi logam mulia dengan kemurnian tinggi. Pemurnian logam platinum didasarkan pada pemisahan senyawa kimia dari unsur-unsur ini, karena perbedaan beberapa sifatnya - kelarutan, volatilitas, reaktivitas. Bahan bakunya adalah lumpur yang diperkaya yang tersisa dari produksi tembaga dan nikel, yang diperoleh dengan melarutkan sisa produk teknis yang mengandung logam mulia, termasuk katalis bekas. Lumpur mengandung logam platinum, serta emas, perak, tembaga, dan besi. Untuk menghilangkan silika dan logam dasar, sebagian besar skema teknologi menggunakan lumpur cair dengan litargi timbal dan arang. Dalam hal ini, logam dasar yang terkandung dalam lumpur dioksidasi oleh litargi timbal menjadi oksida, dan timbal yang dihasilkan mengkonsentrasikan logam kelompok perak, emas dan platinum. Manik timah yang dihasilkan, juga disebut werkble, mengalami cupellation - peleburan oksidatif pada setetes - bejana berpori yang terbuat dari abu tulang, magnesit, dan semen Portland. Dalam hal ini, sebagian besar timbal dioksidasi dan diserap oleh bahan droplet. Setelah cupellation, paduan diperlakukan dengan asam sulfat untuk menghilangkan perak. Sekarang mengandung logam mulia. Operasi pemurnian yang paling penting adalah interaksi dengan aqua regia (Gbr. 6.9. Pemurnian logam mulia yang disederhanakan), di mana sebagian besar emas, paladium dan platinum dilarutkan, sedangkan rutenium, osmium, rhodium dan iridium sebagian besar tetap berada di sedimen. Untuk memisahkan emas dari platinum dan paladium, larutan besi vitriol diterapkan, yang mengarah pada pelepasan emas dalam bentuk bebas. Paladium dan platinum, hadir dalam larutan dalam bentuk klorida dan kompleks klorida, dipisahkan berdasarkan kelarutan garam yang berbeda. Mendidih lumpur selama berjam-jam dalam aqua regia menyebabkan transisi parsial logam platinum lainnya ke dalam larutan, sehingga platinum yang diperoleh menurut skema ini mengandung pengotor rhodium dan iridium. Dari residu, tidak larut dalam aqua regia, rhodium diisolasi dengan fusi dengan natrium hidrosulfat. Ketika lelehan dilindi, ia masuk ke dalam larutan dalam bentuk sulfat kompleks. Rutenium, osmium dan iridium, yang tahan terhadap serangan asam, mengalami fusi oksidatif dengan alkali. Larutan yang diperoleh dengan pencucian lelehan mengandung rutenat dan osmat, dan sebagian besar iridium mengendap dalam bentuk dioksida. Pemisahan rutenium dari osmium didasarkan pada sublimasi oksida yang lebih tinggi dengan menjebaknya dalam larutan asam klorida. Dalam hal ini, rutenium oksida direduksi dan menjadi larutan, sedangkan osmium anhidrida masuk ke fase gas dan sebagian terlepas ke atmosfer. Ini tidak mengherankan, karena osmium adalah logam platinum yang paling sedikit dicari. Skema pemurnian yang tepat dipilih untuk bahan baku tertentu, tergantung pada persentase berbagai logam di dalamnya.

AKHIR SUPLEMEN.

Karena titik lelehnya yang tinggi, platinum, tidak seperti emas dan perak, tidak meleleh dalam tungku, tidak dapat ditempa baik dingin maupun panas. Oleh karena itu, logam tidak menemukan aplikasi praktis untuk waktu yang lama, hanya diminati oleh pemalsu, yang mencampurnya dengan emas untuk meningkatkan massanya. Hal-hal sampai pada titik bahwa Raja Spanyol pada tahun 1755 mengeluarkan dekrit yang menyatakan bahwa semua platinum yang ditambang selama pengembangan placer Kolombia di Choco harus dipisahkan dengan hati-hati dari emas dan ditenggelamkan di sungai. Selama 43 tahun dekrit tersebut, hingga empat ton logam mulia dihancurkan.

Untuk pertama kalinya, insinyur Rusia berhasil memperoleh ingot logam pada tahun 1826. Untuk melakukan ini, butiran platinum asli dilarutkan dalam aqua regia dan kemudian diendapkan dalam bentuk massa spons berpori, yang dicetak di bawah tekanan pada 1000 ° C. Dalam hal ini, logam memperoleh kelenturan dan keuletan. Di Rusia, dari tahun 1828 hingga 1845, koin platinum dicetak, serta medali dan perhiasan. Pengaturan platinum untuk berlian dan banyak batu mulia lainnya terlihat jauh lebih mengesankan daripada yang perak. Penambahan platinum ke perhiasan perak membuatnya lebih berat dan lebih tahan lama. Penggunaan yang luas dalam perhiasan adalah "emas putih" - paduan putih keperakan paladium dan emas dalam perbandingan 1: 5. Menariknya, emas tidak bercampur dengan platinum dalam bentuk padat, paduan semacam itu adalah campuran larutan padat platinum dalam emas dan emas dalam platinum. Dengan peningkatan persentase platinum, warna emas berubah menjadi kuning keabu-abuan dan abu-abu keperakan. Paduan tersebut digunakan oleh perhiasan Faberge.

Konsumsi dunia tahunan logam platinum diperkirakan 200 ton. Platinum sedikit lebih mahal daripada emas, sedangkan rhodium, iridium, rutenium dan osmium beberapa kali lebih mahal daripada platinum. Yang termurah dari logam platinum adalah paladium. Harganya kurang dari $4 per gram.

Area terpenting penggunaan logam platinum disajikan dalam tabel

Tabel 6.4. Struktur konsumsi logam platinum dalam %

Itu tidak termasuk osmium, produksi tahunan dunia yang hanya beberapa kilogram. Meskipun katalis hidrogenasi yang dikembangkan berdasarkan basisnya bahkan lebih efisien daripada katalis platinum, dan penambahannya pada paduan sangat meningkatkan ketahanan ausnya, osmium dan senyawanya belum menemukan aplikasi praktis karena biayanya yang tinggi.

Di antara konsumen platinum, rhodium dan paladium, industri otomotif adalah yang pertama, yang secara luas memperkenalkan katalis yang dibuat atas dasar mereka yang meningkatkan afterburning gas buang. Efisiensi penggunaannya secara langsung tergantung pada kualitas bensin - kandungan tinggi senyawa sulfur organik di dalamnya menyebabkan keracunan katalis yang cepat dan mengurangi efeknya menjadi nol. Dalam proses reformasi, paduan platinum-renium digunakan, dalam hidrogenasi, serta dalam oksidasi amonia menjadi oksida nitrat (II) dan sulfur dioksida menjadi anhidrida sulfat - asbes berlapis, dalam produksi asetaldehida sintetis (proses Wacker) - paladium (II) klorida. Senyawa Rhodium menemukan aplikasi terutama dalam katalisis homogen. Diantaranya, yang paling terkenal adalah trifenilfosfinerhodium(I) klorida Rh(PPh 3) 3 Cl, sering disebut sebagai katalis Wilkinson. Di hadapannya, banyak proses hidrogenasi berlangsung bahkan pada suhu kamar.

Karena stabilitas termal yang tinggi dan nilai EMF termal yang tinggi, paduan logam platinum digunakan dalam produksi termokopel untuk mengukur suhu tinggi: termokopel platinum-rhodium beroperasi pada suhu hingga 1300 °C, dan rhodium-iridium - 2300 °C.

Inertness kimia dan refraktori membuat platinum dan platinoid menjadi bahan yang nyaman untuk pembuatan elektroda, peralatan gelas laboratorium, reaktor kimia, misalnya, peleburan kaca. Palladium adalah bahan utama untuk kapasitor keramik multilayer yang digunakan di komputer dan ponsel. Dalam teknik elektro, platinum dan paladium digunakan untuk menerapkan lapisan pelindung pada kontak dan hambatan listrik, sehingga mereka dapat dihilangkan dari perangkat listrik bekas. Preparat platinum digunakan dalam kemoterapi untuk penyakit tumor onkologis.

Subkelompok sekunder terdiri dari apa yang disebut triad: triad besi (besi, kobalt, nikel) dan dua triad logam platinum (ruthenium, rhodium, paladium dan osmium, iridium, platinum).

Sifat umum triad.

1. Semua elemen memiliki valensi variabel. Unsur-unsur dari triad besi dapat memiliki bilangan oksidasi dalam senyawanya +2, +3, +6, dan untuk Co dan Ni, bilangan oksidasi yang paling khas adalah +2. Untuk logam platinum, bilangan oksidasi dari +2 hingga +8 diketahui.

2. Semua elemen dari subkelompok ini adalah agen pengompleks yang sangat baik. Mereka adalah katalis untuk berbagai proses kimia.

3. Unsur-unsur triad besi memiliki sifat kemagnetan dan aktivitas kimia yang lebih tinggi dibandingkan dengan logam platina.

4. Logam platinum terjadi secara alami di alam. Besi, kobalt, nikel - hanya dalam bijih.

5. Sifat-sifat unsur triad besi mirip satu sama lain (analogi horizontal). Untuk logam platinum, kesamaan diamati baik dalam triad (analogi horizontal) dan dalam pasangan Ru-Os, Rh-Ir, dan Pd-Pt (analogi vertikal).

Besi

Elemen paling umum dari subkelompok sekunder kelompok VIII adalah besi - dasar dari industri metalurgi. Itu terjadi di alam dalam bentuk magnetit (Fe 3 O 4), bijih besi merah (Fe 2 O 3), bijih besi coklat (FeO. xH 2 O), siderit (FeCO 3), pirit (FeS 2).

Bijih ini mengandung hingga 40% besi, yang diekstraksi dari mereka dalam proses tungku ledakan. Tanur sembur adalah unit operasi berkelanjutan, di mana bijih, kokas (batubara yang disiapkan khusus, sebagai zat pereduksi) dan fluks (untuk mengikat pengotor) dimuat lapis demi lapis dari atas. MgCO 3 digunakan sebagai fluks . CaCO 3 , CaF 2 , CaCO 3 . Tungku sembur dapat dibagi secara kondisional menjadi beberapa zona (vertikal dari bawah ke atas), di mana berbagai proses berlangsung:

zona saya(t = 200 o C) - dehidrasi muatan;

zona II(t \u003d 450 - 500 ° C) - reduksi Fe 2 O 3 menjadi Fe 3 O 4 dengan karbon monoksida (II):

3Fe 2 O 3 + CO \u003d 2Fe 3 O 4 + CO 2;

zona III(t \u003d 600 ° C) - reduksi Fe 3 O 4 menjadi FeO:

Fe 3 O 4 + CO \u003d 3FeO + CO 2

zona IV(t \u003d 700 - 800 ° C) - reduksi FeO menjadi logam:

FeO + CO \u003d Fe + CO 2

zona V(t \u003d 800 - 1000 ° C) - dekomposisi fluks:

CaCO 3 \u003d CaO + CO 2

zona VI(t \u003d 1200 ° C) - pembentukan terak:

CaO + SiO 2 \u003d CaSiO 3,

3CaO + P 2 O 5 \u003d Ca 3 (PO 4) 2,

CaO + FeS = CaS + FeO

zona VII(t \u003d 1300 o C) - pembentukan besi cor - paduan besi, karbon, dan besi karbida Fe 3 C, yang terbentuk karena interaksi besi dengan karbon yang terlarut di dalamnya:

3Fe + C → Fe 3 C

Seiring dengan karbon dan Fe 3 C, besi cor memiliki pengotor permanen lainnya: silikon, mangan, fosfor, belerang. Kegunaan utamanya: sebagai casting dan untuk peleburan kembali menjadi baja (penghilangan kotoran dari besi cor yang membuatnya rapuh). Peleburan baja terdiri dari meniup oksigen melalui besi cor cair, yang mengoksidasi kotoran (silikon, mangan, fosfor, belerang) menjadi oksida. Oksida pengotor, berinteraksi dengan fluks, masuk ke terak.

Subgrup samping dari grup kedelapan dari sistem periodik mencakup tiga triad elemen d dan tiga elemen yang diperoleh secara artifisial dan sedikit dipelajari: gassium, Hs, meitnerium, Mt, darmstadtium Ds. Triad pertama dibentuk oleh unsur-unsur: besi, Fe, kobalt Co, nikel Ni; triad kedua - ruthenium Ru, radium Ro, paladium Pd, dan triad ketiga - osmium Os, iridium Ir dan platinum Pt. Hassium, meitrenium, darmstadtium yang diperoleh secara artifisial dengan masa pakai yang singkat melengkapi daftar elemen terberat yang dikenal saat ini.

Sebagian besar unsur golongan VIIB yang dipertimbangkan memiliki dua elektron valensi pada kulit elektron terluar atom; mereka semua logam. Selain ns-elektron eksternal, elektron dari kulit elektron kedua dari belakang (n-1)d mengambil bagian dalam pembentukan ikatan.

Karena peningkatan muatan inti, elemen terakhir dari setiap triad memiliki keadaan oksidasi karakteristik yang lebih rendah dari elemen pertama. Pada saat yang sama, peningkatan jumlah periode di mana elemen berada disertai dengan peningkatan derajat karakteristik oklusi (Tabel 9.1)

Tabel 9.1 Karakteristik bilangan oksidasi unsur-unsur dari subkelompok sisi kedelapan

Keadaan oksidasi yang paling umum dari unsur-unsur dalam senyawanya disorot dalam Tabel. 41 dicetak tebal.

Unsur-unsur ini kadang-kadang dibagi menjadi tiga subkelompok: subkelompok besi (Fe, Ru, Os), subkelompok kobalt (Co, Rh, Ir), dan subkelompok nikel (Ni, Pd, Pt). Pembagian seperti itu didukung oleh karakteristik keadaan oksidasi unsur (Tabel 42) dan beberapa sifat lainnya. Misalnya, semua elemen subkelompok besi adalah katalis aktif untuk sintesis amonia, dan subkelompok nikel adalah untuk reaksi hidrogenasi senyawa organik. Unsur-unsur subkelompok kobalt dicirikan oleh pembentukan senyawa kompleks [E (NH 3) 6] G 3, di mana G adalah ion halogen

Sifat redoks unsur golongan VIIIB ditentukan dengan skema berikut:

Memperkuat sifat pengoksidasi ion logam

Semua logam Golongan VIIIB aktif secara katalitik. Semuanya kurang lebih mampu menyerap hidrogen dan mengaktifkannya; mereka semua membentuk ion berwarna (senyawa). Semua logam rentan terhadap pembentukan kompleks. Perbandingan sifat fisika dan kimia unsur-unsur subgolongan VIII-B menunjukkan bahwa Fe, Ni, Co sangat mirip satu sama lain dan sekaligus sangat berbeda dengan unsur-unsur dari dua triad lainnya, sehingga terisolasi dalam keluarga besi. Enam elemen stabil yang tersisa disatukan dengan nama umum - keluarga logam platinum.

Logam dari keluarga besi

Dalam triad besi, analogi horizontal, karakteristik elemen-d secara keseluruhan, paling jelas dimanifestasikan. Sifat-sifat unsur-unsur triad besi diberikan dalam Tabel. 42.

Tabel 9.2 Sifat-sifat unsur-unsur triad besi

Sumber daya alam. Besi adalah unsur keempat (setelah O 2 , Si, Al) yang paling melimpah di kerak bumi. Itu dapat terjadi di alam dalam keadaan bebas: itu adalah besi yang berasal dari meteorik. Meteorit besi rata-rata mengandung 90% Fe, 8,5% Ni, 0,5% Co. Ada rata-rata satu meteorit besi untuk dua puluh meteorit batu. Terkadang besi asli ditemukan, diambil dari perut bumi oleh magma cair.

Untuk mendapatkan besi, bijih besi magnetik Fe 3 O 4 (mineral magnetit), bijih besi merah Fe 2 O 3 (hematit) dan bijih besi coklat Fe 2 O 3 x H 2 O (limonit), FeS 2 - pirit digunakan. Dalam tubuh manusia, zat besi hadir dalam hemoglobin.

Kobalt dan nikel dalam keadaan logam ditemukan di meteorit. Mineral terpenting: kobaltit CoAsS (kilap kobalt), pirit besi-nikel (Fe,Ni) 9 S 8 . Mineral ini ditemukan dalam bijih polimetalik.

Properti. Besi, kobalt, nikel adalah logam putih keperakan dengan warna keabu-abuan (Fe), merah muda (Co) dan kekuningan (Ni). Logam murni kuat dan ulet. Ketiga logam tersebut bersifat feromagnetik. Ketika dipanaskan sampai suhu tertentu (titik Curie), sifat feromagnetik hilang dan logam menjadi paramagnetik.

Besi dan kobalt dicirikan oleh polimorfisme, sedangkan nikel bersifat monomorfik dan memiliki struktur fcc hingga suhu leleh.

Kehadiran pengotor sangat mengurangi ketahanan logam-logam ini terhadap atmosfer agresif dengan adanya uap air. Ini mengarah pada perkembangan korosi (pengkarat besi) karena pembentukan lapisan longgar campuran oksida dan hidroksida dengan komposisi variabel di permukaan, yang tidak melindungi permukaan dari kerusakan lebih lanjut.

Perbandingan potensial elektroda sistem E 2+ /E untuk besi (-0,441 V), nikel (-0,277 V) dan kobalt (-0,25 V), dan potensial elektroda sistem Fe 3+ /Fe (-0,036 V), menunjukkan bahwa unsur paling aktif dari triad ini adalah besi. Asam klorida, sulfat, dan nitrat encer melarutkan logam-logam ini dengan pembentukan ion E 2+:

Fe+2HC? = FeC? 2+H2;

Ni + H 2 SO 4 \u003d NiSO 4 + H 2;

3Co + 8HNO 3 \u003d 3Co (NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O;

4Fe + 10HNO 3 \u003d 3Fe (NO 3) 2 + NH 4 Tidak 3 + 3H 2 O.

Asam nitrat pekat dan asam sulfat pekat panas (kurang dari 70%) mengoksidasi besi menjadi Fe(III) dengan pembentukan NO dan SO2, contoh:

Fe + 4HNO 3 \u003d Fe (NO 3) 3 + Tidak + 2H 2 O;

2Fe + 6H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

Asam nitrat yang sangat pekat (sp.v. 1.4) mengendurkan besi, kobalt, nikel, membentuk lapisan oksida pada permukaannya.

Sehubungan dengan larutan alkali, Fe, Co, Ni stabil, tetapi bereaksi dengan lelehan pada suhu tinggi. Ketiga logam tidak bereaksi dengan air dalam kondisi normal, tetapi pada suhu yang sangat panas, besi berinteraksi dengan uap air:

3Fe + 4H 2 o Fe 3 O 4 + 4H 2 .

Kobalt dan nikel secara nyata lebih tahan terhadap korosi daripada besi, yang konsisten dengan posisinya dalam rangkaian potensial elektroda standar.

Besi yang terdispersi halus dalam oksigen terbakar ketika dipanaskan untuk membentuk Fe 3 O 4 , yang merupakan oksida besi paling stabil dan kobalt membentuk oksida yang sama. Oksida-oksida ini adalah turunan dari unsur-unsur dalam keadaan oksidasi +2, +3 (EO E 2 O 3). Oksidasi termal kobalt dan nikel berlangsung pada suhu yang lebih tinggi, dengan pembentukan NiO dan CoO, yang memiliki komposisi variabel tergantung pada kondisi oksidasi.

Untuk besi, nikel, kobalt, oksida EO dan E 2 O 3 diketahui (Tabel 9.3)

Tabel 9.3 Senyawa yang mengandung oksigen dari unsur-unsur subkelompok VIIIB

Nama elemen	Keadaan oksidasi		Hidroksida
	Karakter		Nama	rumus ion	Nama
Besi (Fe)			Dasar		Besi(II) hidroksida		Garam besi (II)
		Amfoter dengan dominasi basa		Besi(III) hidroksida		Garam besi (III)
	asam besi
		Asam		asam besi
Kobalt (Co)			Dasar		Cobalt(II) hidroksida		Garam kobalt (II)
		Dasar		Cobalt(III) hidroksida		Garam kobalt (III)
Nikel (Ni)			Dasar		Nikel(II) hidroksida		Garam nikel(II)
		Dasar		Nikel(III) hidroksida		Garam nikel(III)

Oksida EO dan E 2 O 3 tidak dapat diperoleh dalam bentuk murni dengan sintesis langsung, karena dalam hal ini terbentuk sekumpulan oksida, yang masing-masing merupakan fase dengan komposisi variabel. Mereka diperoleh secara tidak langsung - dengan penguraian garam dan hidroksida tertentu. Oksida E 2 O 3 stabil hanya untuk besi dan diperoleh dengan dehidrasi hidroksida.

EO oksida tidak larut dalam air dan tidak berinteraksi dengannya atau dengan larutan alkali. Hal yang sama berlaku untuk E(OH)2 hidroksida yang sesuai. E(OH)2 hidroksida mudah bereaksi dengan asam membentuk garam. Sifat asam-basa dari hidroksida unsur-unsur triad besi diberikan dalam Tabel. 42.

Besi hidroksida (III) Fe (OH) 3 terbentuk selama oksidasi Fe (OH) 2 dengan oksigen atmosfer:

4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3.

Reaksi serupa khas untuk kobalt. Nikel hidroksida (II) stabil terhadap oksigen atmosfer. Akibatnya, E(OH) 3 hidroksida berperilaku berbeda ketika berinteraksi dengan asam. Jika Fe (OH) 3 membentuk garam besi (III), maka reaksi Co (OH) 3 dan Ni (OH) 3 dengan asam disertai reduksi menjadi E (+2):

Fe(OH)3 + 3HC? = FeC? 3+3H2O;

2Ni(OH)3 + 6HC? = 2 NIC? 2+C? 2+6H2O.

Fe(OH)3 hidroksida juga menunjukkan fungsi asam, bereaksi dengan larutan alkali pekat panas untuk membentuk kompleks hidrokso, misalnya Na 3 . Turunan asam besi HFeO 2 (ferit) diperoleh dengan menggabungkan alkali atau karbonat dengan Fe 2 O 3:

2NaOH + Fe2O3 2NaFeO2 + H2O;

MgCO 3 + Fe 2 O 3 MgFe 2 O 4 + CO 2.

Ferrites Me II Fe 2 O 4 termasuk dalam kelas spinel. Oksida Fe3O4 dan Co3O4 yang dibahas di atas secara formal adalah spinel FeFe2O4 dan CoCo2O4.

Tidak seperti kobalt dan nikel, senyawa besi dikenal dengan bilangan oksidasi + 6. Ferrat terbentuk selama oksidasi Fe (OH) 3 dalam alkali pekat panas dengan adanya zat pengoksidasi:

2Fe +3 (OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 Fe +6 O 4 + 6KBr + 2H 2 O.

Ferrat tidak stabil secara termal dan dengan sedikit pemanasan (100-2000C) berubah menjadi ferit:

4K 2 FeO 4 4KfeO 2 + 2K 2 O + 3O 2 .

Dalam keadaan bebas, asam besi dan oksida FeO 3 yang sesuai belum diisolasi. Secara kelarutan dan secara struktural, ferrat dekat dengan kromat dan sulfat yang sesuai. Kalium ferrat dibentuk dengan menggabungkan Fe 2 O 3 dengan KNO 3 dan KOH:

Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH \u003d 2K 2 feO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O.

Ferrat adalah zat kristal merah-ungu. Ketika dipanaskan, mereka terurai. Asam H 2 FeO 4 tidak dapat diisolasi, langsung terurai menjadi Fe 2 O 3 , H 2 O dan O 2 . Ferrat adalah oksidator kuat. Dalam lingkungan asam dan netral, ferrat terurai, mengoksidasi air:

2Na 2 FeO 4 + 10 H 2 O 4Fe (OH) 3 + 4NaOH + O 2.

Senyawa dengan non-logam. Fe, Ni, Co halida relatif sedikit dan sesuai dengan keadaan oksidasi yang paling umum +2 dan +3. Untuk besi, halida FeG 2 dan FeG 3 dengan fluor, klorin dan bromin diketahui. Dengan interaksi langsung, FeF 3 , FeC? 3, FeBr3. Dihalida diperoleh secara tidak langsung - dengan melarutkan logam (atau oksidanya) dalam asam hidrohalat yang sesuai. Untuk kobalt, trifluorida CoF 3 dan triklorida CoC? 3 . Nikel tidak membentuk trihalida. Semua dihalida dari triad besi adalah senyawa seperti garam yang khas dengan kontribusi ionik yang signifikan terhadap ikatan kimia.

Besi, kobalt, nikel berinteraksi penuh semangat dengan kalkogen dan membentuk kalkogenida: EX dan EX 2 . Monokalkogenida dapat diperoleh dengan interaksi komponen yang sesuai dalam larutan:

CoC? 2 + (NH 4) 2 S \u003d CoS + 2NH 4 C?.

Semua chalcogenides adalah fase komposisi variabel.

Senyawa logam dari triad besi dengan non-logam lainnya (pniktogen, karbon, silikon, boron) sangat berbeda dari yang dipertimbangkan di atas. Semuanya tidak mematuhi aturan valensi formal dan sebagian besar memiliki sifat logam.

Besi, kobalt, nikel menyerap hidrogen, tetapi tidak memberikan senyawa tertentu dengannya. Ketika dipanaskan, kelarutan hidrogen dalam logam meningkat. Hidrogen yang terlarut di dalamnya berada dalam keadaan atom.

Garam dari asam yang mengandung oksigen dan senyawa kompleks. Semua garam asam klorida, sulfat dan nitrat larut dalam air.

Garam nikel (II) berwarna hijau, kobalt (II) - biru, dan larutannya serta hidrat kristalin - merah muda (misalnya,), garam besi (II) - kehijauan, dan besi (III) - coklat. Garam yang paling penting adalah: FeC? 36H2O; FeSO 4 7H 2 O - besi sulfat, (NH 4) 2 SO 4 FeSO 4 6H 2 O - garam Mohr; NH 4 Fe (SO 4) 2 12H 2 O - alum amonium besi; NiSO 4 6H 2 O, dll.

Kemampuan garam besi, kobalt dan nikel untuk membentuk hidrat kristalin menunjukkan kecenderungan unsur-unsur ini untuk membentuk kompleks. Hidrat kristal adalah contoh khas aquacomplex:

[E (H 2 O) 6] (ClO 4) 2; [E (H 2 O) 6] (NO 3) 2.

Kompleks anionik sangat banyak untuk unsur-unsur triad besi: halida (Me I (EF 3), Me 2 I [EG 4], Me 3 [EG 4], dll.), tiosianat (Me 2 I [E (SSP) 4] , Me 4 I [E (SSP) 6 ], Me 3 I [E (SSP) 6 ]), oksolat (Me 2 I [E (C 2 O 4) 2 ], Me 3 [E (C 2 O 4) 3]). Kompleks sianida sangat khas dan stabil: K 4 - kalium heksasianoferat (II) (garam darah kuning) dan K 3 - kalium heksasianoferat (III) (garam darah merah). Garam-garam ini merupakan pereaksi yang baik untuk mendeteksi ion Fe+3 (garam kuning) dan ion Fe2+ (garam merah) pada pH ??7:

4Fe 3+ + 4- = Fe 4 3;

biru Prussia

3Fe 2+ + 2 3- = Fe 3 2 .

turnbull biru

Biru Prusia digunakan sebagai pewarna biru. Ketika garam tiosianat KCNS ditambahkan ke larutan yang mengandung ion Fe 3+, larutan berubah menjadi merah darah karena pembentukan besi tiosianat:

FeC? 3 + 3KCNS = Fe(SSP) 3 + 3KC?.

Reaksi ini sangat sensitif dan digunakan untuk membuka ion Fe3+.

Cobalt (II) dicirikan oleh garam sederhana yang stabil dan senyawa kompleks yang tidak stabil K 2, K 4, yang berubah menjadi senyawa kobalt (III): K 3, C? 3 .

Senyawa kompleks yang khas dari besi, besi, kobalt dan nikel adalah karbonil. Senyawa serupa telah dipertimbangkan sebelumnya untuk unsur-unsur subkelompok kromium dan mangan. Namun, yang paling khas di antara karbonil adalah: , , . Karbonil besi dan nikel diperoleh sebagai cairan pada tekanan biasa dan 20-60 ° C dengan melewatkan aliran CO di atas bubuk logam. Karbonil kobalt diperoleh pada 150-200 o C dan tekanan (2-3) 10 7 Pa. Ini adalah kristal oranye. Selain itu, ada karbonil dengan komposisi yang lebih kompleks: Fe (CO) 9 dan karbonil trinuklear, yang merupakan senyawa dari tipe gugus.

Semua karbonil bersifat diamagnetik, karena ligan CO (dan juga CN?) menciptakan medan yang kuat, sebagai akibatnya elektron valensi d dari zat pengompleks membentuk ikatan p dengan molekul CO melalui mekanisme donor-akseptor. ikatan y terbentuk karena pasangan elektron bebas dari molekul CO dan orbital kosong yang tersisa dari zat pengompleks:

Nikel (II), sebaliknya, membentuk banyak senyawa kompleks yang stabil: (OH) 2 , K 2 ; ion 2+ berwarna biru tua.

Reaksi ini banyak digunakan dalam analisis kualitatif dan kuantitatif untuk penentuan nikel. Senyawa nikel dan terutama kobalt beracun.

Aplikasi. Besi dan paduannya membentuk dasar teknologi modern. Nikel dan kobalt adalah tambahan paduan penting dalam baja. Paduan tahan panas berbasis nikel (nikrom yang mengandung Ni dan Cr, dll.) banyak digunakan. Paduan tembaga-nikel (melchior, dll.) digunakan untuk membuat koin, perhiasan, dan barang-barang rumah tangga. Banyak paduan lain yang mengandung nikel dan kobalt sangat penting secara praktis. Secara khusus, kobalt digunakan sebagai komponen kental dari bahan dari mana alat pemotong logam dibuat, di mana partikel-partikel karbida yang sangat keras, MoC dan WC, diselingi. Lapisan logam nikel yang dilapisi melindungi yang terakhir dari korosi dan memberi mereka penampilan yang indah.

Logam keluarga besi dan senyawanya banyak digunakan sebagai katalis. Besi spons dengan aditif - katalis untuk sintesis amonia. Nikel terdispersi tinggi (nikel Raney) adalah katalis yang sangat aktif untuk hidrogenasi senyawa organik, khususnya lemak. Nikel Raney diperoleh dengan bekerja dengan larutan alkali pada senyawa intermetalik NiA?, sedangkan aluminium membentuk aluminat terlarut, dan nikel tetap dalam bentuk partikel kecil. Katalis ini disimpan di bawah lapisan cairan organik, karena dalam keadaan kering langsung teroksidasi oleh oksigen atmosfer. Cobalt dan mangan adalah bagian dari katalis yang ditambahkan ke cat minyak untuk mempercepat "pengeringan" mereka.

Fe 2 O 3 oksida dan turunannya (ferit) banyak digunakan dalam elektronika radio sebagai bahan magnetik.

Terletak di periode keempat.
Berat atom besi adalah 55,84, muatan inti adalah +26. Distribusi elektron menurut tingkat energi (+26): 2, 8, 14, 2. Konfigurasi elektron lapisan besi terluar dan terluar 3s23p63d64s2.

Jadi, untuk atom besi, selain dua s-elektron lapisan luar keempat, ada enam lagi d-elektron dari lapisan praeksternal ketiga. Ini d-elektron paling aktif 4 tidak berpasangan. Akibatnya, 6 elektron secara khusus terlibat aktif dalam pembentukan ikatan valensi besi - 2 dari luar dan 4 dari lapisan pra-luar. Bilangan oksidasi besi yang paling umum adalah Fe +2 dan Fe +3. Besi merupakan salah satu unsur yang paling banyak ditemukan di alam. Dalam hal prevalensi di antara unsur-unsur lain, menempati urutan keempat.

57. Berdasarkan struktur atom besi, serta distribusi elektron dalam orbital, tunjukkan kemungkinan keadaan oksidasi unsur ini.

Besi dalam keadaan bebas adalah logam berkilau abu-abu keperakan dengan massa jenis 7,87, titik leleh 1535° dan titik didih 2740°. Besi memiliki sifat feromagnetik yang nyata, yaitu, di bawah pengaruh medan magnet, ia menjadi magnet dan, ketika medan berhenti, mempertahankan sifat magnetiknya, menjadi magnet itu sendiri. Semua elemen dari kelompok besi memiliki sifat-sifat ini.
Menurut sifat kimianya, besi adalah logam yang sangat aktif. Dengan tidak adanya uap air, besi tidak berubah di udara, tetapi ketika terkena uap air dan oksigen di udara, ia mengalami korosi yang parah dan ditutupi dengan lapisan karat yang longgar, yaitu besi, yang tidak melindunginya dari oksidasi lebih lanjut. , dan besi secara bertahap teroksidasi di seluruh massanya:
4Fe + 2Н2О + 3О2 = 2Fe2O3 2H2O
Sejumlah metode telah dikembangkan untuk melindungi logam yang paling berharga ini dari korosi.

Dalam rangkaian tegangan, besi terletak di sebelah kiri hidrogen. Dalam hal ini, mudah terkena aksi asam encer, berubah menjadi garam besi, misalnya:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
Besi tidak bereaksi dengan asam sulfat dan nitrat pekat. Asam-asam ini menciptakan lapisan oksida yang kuat dan padat pada permukaan logam sehingga logam menjadi benar-benar pasif dan tidak lagi masuk ke dalam reaksi lain. Pada saat yang sama, dalam interaksi langsung dengan zat pengoksidasi kuat seperti besi selalu menunjukkan keadaan oksidasi +3:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
Besi bereaksi dengan uap super panas; pada saat yang sama, ia dipindahkan dari air, dan besi panas-merah berubah menjadi oksida, dan selalu berupa oksida besi FeO atau oksida besi Fe3O4 (Fe2O3 FeO):
Fe + H2O = FeO + H2

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
Besi yang dipanaskan dalam oksigen murni akan terbakar hebat dengan pembentukan kerak besi (lihat Gambar 40).

3Fe + 2O2 = Fe3O4

Ketika dikalsinasi, besi membentuk paduan dengan karbon dan, pada saat yang sama, besi karbida Fe3C.

58. Sebutkan sifat-sifat fisik besi.
59. Apa sifat kimia besi? Berikan jawaban yang masuk akal.

Senyawa besi

Besi membentuk dua rangkaian senyawa - senyawa Fe +2 dan Fe +3. Besi dicirikan oleh dua oksida - oksida FeO dan oksida Fe2O3. Benar, oksida campuran Fe3O4 diketahui, molekulnya adalah dua dan besi besi: Fe2O3 · FeO. Oksida ini juga disebut oksida besi, atau oksida besi.

Senyawa besi besi kurang stabil daripada oksida-o, dan dengan adanya zat pengoksidasi, bahkan jika itu hanya udara, mereka biasanya berubah menjadi senyawa besi besi. Misalnya, besi (II) hidroksida Fe (OH) 2 adalah padatan putih, tetapi dapat diperoleh dalam bentuk murni hanya jika larutan reaktan tidak mengandung oksigen terlarut dan jika reaksi dilakukan tanpa atmosfer. oksigen:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4
Garam dari mana besi (II) hidroksida diperoleh, tentu saja, tidak boleh mengandung sedikit pun pengotor senyawa oksida. Karena sangat sulit untuk menciptakan kondisi seperti itu di laboratorium pendidikan biasa, besi (II) hidroksida diperoleh dalam bentuk endapan agar-agar hijau tua yang kurang lebih, yang menunjukkan oksidasi berkelanjutan senyawa besi menjadi besi. Jika besi (II) hidroksida disimpan di udara untuk waktu yang lama, secara bertahap berubah menjadi besi (III) hidroksida Fe (OH) 3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
besi adalah hidroksida tidak larut yang khas. Besi hidroksida (II) memiliki sifat dasar, sedangkan Fe (OH) 3 memiliki sifat amfoter yang sangat lemah.

60. Sebutkan sifat-sifat oksida besi sebagai oksida basa yang khas. Berikan jawaban yang masuk akal. Tulis semua persamaan reaksi dalam bentuk ion lengkap dan disingkat.

61. Sebutkan sifat-sifat besi hidroksida (II). Dukung jawaban Anda dengan persamaan reaksi.

Di antara garam besi (II), besi sulfat FeSO4 7H2O, yang mengandung 7 molekul air kristalisasi, adalah yang paling penting. Besi sulfat sangat larut dalam air. Ini digunakan untuk mengendalikan hama di bidang pertanian, serta dalam pembuatan pewarna.
Dari garam besi, yang paling penting adalah besi klorida FeCl3, yang merupakan kristal oranye yang sangat higroskopis yang menyerap air selama penyimpanan dan menyebar menjadi bubur coklat.

Garam besi (II) dapat dengan mudah berubah menjadi garam besi (III), misalnya, ketika dipanaskan dengan asam nitrat atau kalium permanganat dengan adanya asam sulfat:
6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O
Oksidasi garam Fe +2 dalam garam Fe +3 juga dapat terjadi di bawah aksi oksigen atmosfer selama penyimpanan senyawa ini, tetapi hanya proses ini yang lebih lama. Untuk pengenalan kation Fe2+ dan Fe3+, digunakan reagen spesifik yang sangat khas. Misalnya, untuk mengenali besi besi, mereka mengambil garam darah merah K3, yang, dengan adanya ion besi, memberi mereka endapan biru intens yang khas dari turnbull blue:
3FeSO4 + 2K3 = Fe32 + 3K2SO4
atau dalam bentuk ionik
3Fe 2+ + 2 3- = Fe32
Untuk mengenali garam Fe3 +, digunakan reaksi dengan garam darah kuning K4:
4FeCl3 + 3K4 = Fe43 + 12KCl

4Fe 3+ + 3 4- = Fe43
Dalam hal ini, endapan biru intens dari endapan biru Prusia. Biru Prusia dan biru turnbull digunakan sebagai pewarna.
Selain itu, besi besi dapat dikenali menggunakan garam larut - kalium tiosianat KCNS atau amonium tiosianat NH4CNS. Ketika zat ini berinteraksi dengan garam Fe(III), larutan menjadi berwarna merah darah.

62. Sebutkan sifat-sifat garam Fe +3 dan Fe +2. Keadaan oksidasi mana yang lebih stabil?
63. Bagaimana cara mengubah garam Fe +2 menjadi garam Fe +3 dan sebaliknya? Berikan contoh.

Reaksi berjalan sesuai dengan persamaan:
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3KCl
atau dalam bentuk ionik
Fe 3+ + 3CNS - \u003d Fe (SSP),
Senyawa besi memegang peranan penting dalam kehidupan organisme. Misalnya, itu adalah bagian dari protein darah utama - hemoglobin, serta tanaman hijau - klorofil. Besi memasuki tubuh terutama dalam bahan organik produk makanan. Zat besi banyak mengandung apel, telur, bayam, bit. Sebagai obat, zat besi digunakan dalam bentuk garam asam organik. Ferric chloride berfungsi sebagai agen hemostatik.

64. Tiga tabung reaksi berisi: a) besi (II) sulfat, b) besi (III) sulfat dan c) besi (III) klorida. Bagaimana cara menentukan tabung reaksi mana yang mengandung garam?
65. Cara melakukan serangkaian transformasi:
Fe → FeCl2 → FeSO4 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3 → Fe2O3.
66. Berikut ini diberikan: besi, soda api. Bagaimana, hanya dengan menggunakan zat-zat ini, untuk mendapatkan besi (II) hidroksida dan besi (III) hidroksida?
67. Suatu larutan yang mengandung krom (III) klorida dan besi (III) klorida diperlakukan dengan alkali berlebih. Endapan yang dihasilkan disaring. Apa yang tersisa pada filter dan apa yang masuk ke dalam filtrat? Berikan jawaban yang tepat menggunakan persamaan reaksi dalam bentuk molekul, ionik penuh, dan ion yang disingkat.

paduan besi

Besi adalah dasar dari metalurgi besi, sehingga ditambang dalam jumlah besar. Program baru untuk pembangunan komunisme skala penuh menyediakan produksi 250 juta ton baja pada tahun 1980. Ini 3,8 kali lebih banyak dari tahun 1960.
Besi hampir tidak pernah digunakan dalam bentuk murni, tetapi hanya dalam bentuk paduan. Paduan besi yang paling penting adalah karbonnya - berbagai besi tuang dan baja. Perbedaan utama antara besi tuang dan baja adalah kandungan karbonnya: besi tuang mengandung lebih dari 1,7% karbon, sedangkan baja mengandung kurang dari 1,7%.

Yang sangat penting secara praktis adalah ferroalloys (paduan besi dengan silikon), ferrochrome (paduan besi dengan kromium), dan ferromanganese (paduan besi dengan mangan). Ferroalloy adalah besi tuang yang mengandung lebih dari 10% besi dan setidaknya 10% dari komponen yang sesuai. Selain itu, mereka mengandung elemen yang sama seperti pada besi tuang. Ferroalloy terutama digunakan dalam "deoksidasi" baja dan sebagai pengotor paduan.
Di antara besi cor, besi linier dan pig iron dibedakan. Besi tuang digunakan untuk pengecoran berbagai bagian, besi kasar dilebur menjadi baja, karena memiliki kekerasan yang sangat tinggi dan tidak dapat diproses. Besi kasar berwarna putih, dan besi tuang berwarna abu-abu. Pig iron mengandung lebih banyak mangan.

Baja adalah karbon dan paduan. Baja karbon biasanya merupakan paduan besi dan karbon, sedangkan baja paduan mengandung aditif paduan, yaitu pengotor logam lain yang memberikan sifat lebih berharga pada baja. memberikan kelenturan baja, elastisitas, stabilitas selama pengerasan, dan - kekerasan dan ketahanan panas. Baja dengan aditif zirkonium sangat elastis dan ulet; mereka digunakan untuk membuat pelat baja. Kotoran mangan membuat baja tahan terhadap benturan dan gesekan. Boron meningkatkan sifat pemotongan baja dalam pembuatan baja perkakas.
Kadang-kadang bahkan pengotor kecil dari logam langka memberikan sifat baru pada baja. Jika bagian baja disimpan dalam bubuk berilium pada suhu 900-1000 °, kekerasan baja dan ketahanan ausnya meningkat pesat.
Chrome-nikel atau, sebagaimana disebut juga, baja tahan karat tahan terhadap korosi. Kotoran belerang dan fosfor sangat berbahaya bagi baja - mereka membuat logam rapuh.

68. Apa zat besi terpenting yang Anda ketahui?
69. Apa perbedaan utama antara baja dan besi tuang?
70. Apa saja sifat-sifat besi tuang dan jenis besi tuang apa yang Anda ketahui?
71. Apa itu baja paduan dan aditif paduan?

proses domain

Pig iron diproduksi dengan peleburan reduksi di tanur tinggi. Ini adalah struktur besar setinggi tiga puluh meter, menghasilkan lebih dari 2.000 ton besi cor per hari. Skema perangkat tanur tinggi ditunjukkan pada gambar. 83.
Bagian atas tanur sembur, tempat muatan dimuat, disebut bagian atas. Melalui bagian atas biaya

Beras. 83. Skema perangkat tanur tinggi.

jatuh ke dalam poros panjang tungku, mengembang dari atas ke bawah, yang memfasilitasi pergerakan material yang dimuat dari atas ke bawah. Ketika muatan bergerak ke bagian terluas dari tungku - uap - serangkaian transformasi terjadi dengannya, sebagai akibatnya besi tuang terbentuk, mengalir ke perapian - bagian terpanas dari tungku. Di sinilah terak mengumpulkan. Besi tuang dan terak dilepaskan dari tungku melalui lubang khusus di perapian, yang disebut tapholes. Melalui bagian atas tungku, udara ditiupkan ke dalam tungku ledakan, yang mendukung pembakaran bahan bakar di tungku.

Pertimbangkan proses kimia yang terjadi selama peleburan besi. Muatan tanur sembur, yaitu kompleks zat yang dimuat ke dalamnya, terdiri dari bijih besi, bahan bakar dan fluks, atau fluks. Ada banyak bijih besi. Bijih utama adalah bijih besi magnetik Fe3O4, bijih besi merah Fe2O3, bijih besi coklat 2Fe2O8 3H2O. Dalam proses tanur sembur, siderit FeCO3, dan terkadang FeS2, digunakan sebagai bijih besi, yang, setelah dibakar dalam tungku pirit, berubah menjadi abu Fe2O3, yang dapat digunakan dalam metalurgi. Bijih tersebut kurang diinginkan karena campuran belerang yang besar. Tidak hanya besi tuang, tetapi juga ferroalloy dilebur dalam tanur tinggi. Bahan bakar yang dimuat ke dalam tungku berfungsi secara bersamaan untuk mempertahankan suhu tinggi di tungku dan untuk memulihkan besi dari bijih, dan juga mengambil bagian dalam pembentukan paduan dengan karbon. Bahan bakarnya biasanya kokas.

Dalam proses peleburan besi, kokas digas, berubah, seperti pada generator gas, pertama menjadi dioksida dan kemudian menjadi karbon monoksida:
C + O2 = CO3 CO2 + C = 2CO
Karbon monoksida yang dihasilkan adalah zat pereduksi gas yang baik. Dengan bantuannya, bijih besi dipulihkan:
Fe2O3 + 3CO = 3CO2 + 2Fe
Bersama dengan bijih yang mengandung besi, pengotor batuan sisa pasti akan masuk ke tungku. Mereka sangat tahan api dan dapat menyumbat tungku yang telah berjalan terus menerus selama bertahun-tahun. Agar batuan sisa mudah dikeluarkan dari tungku, diubah menjadi senyawa yang dapat melebur, mengubahnya menjadi terak dengan fluks (fluks). Untuk mentransfer ke terak batuan dasar yang mengandung, misalnya, batu kapur, yang terurai dalam tungku sesuai dengan persamaan
CaCO3 = CaO + CO2
tambahkan pasir. Sekering dengan kalsium oksida, pasir membentuk silikat:
CaO + SiO3 = CaSiO3
Ini adalah zat dengan titik leleh yang jauh lebih rendah. Dalam keadaan cair, dapat dilepaskan dari tungku.

Jika batu itu asam, mengandung silikon dioksida dalam jumlah besar, maka, sebaliknya, batu kapur dimasukkan ke dalam tungku, yang mengubah silikon dioksida menjadi silikat, dan sebagai hasilnya diperoleh terak yang sama. Dahulu terak merupakan limbah, tetapi sekarang didinginkan dengan air dan digunakan sebagai bahan bangunan.
Untuk mempertahankan pembakaran bahan bakar, udara yang dipanaskan dan diperkaya oksigen secara terus menerus dipasok ke tanur tinggi. Itu dipanaskan di pemanas udara khusus - kiupers. Cowper adalah menara tinggi yang dibangun dari batu bata tahan api, di mana gas panas dari tanur tinggi dibuang. Gas blast-furnace mengandung karbon dioksida CO2, N2 dan karbon monoksida CO. Karbon monoksida terbakar di dalam cowper, sehingga menaikkan suhunya. Kemudian gas tanur sembur secara otomatis dikirim ke cowper lain, dan melalui yang pertama, peniupan udara yang diarahkan ke tanur sembur dimulai. Dalam cowper panas, udara dipanaskan, dan dengan demikian bahan bakar dihemat, yang akan dihabiskan dalam jumlah besar untuk memanaskan udara yang memasuki tanur tinggi. Setiap tanur tinggi memiliki beberapa cowper.

72. Apa komposisi muatan tanur sembur?
73. Sebutkan proses kimia utama yang terjadi selama peleburan besi.
74. Apa komposisi gas blast-furnace dan bagaimana penggunaannya di cowpers?
75. Berapa banyak besi tuang yang mengandung 4% karbon yang dapat diperoleh dari 519,1 kg bijih besi magnetik yang mengandung 10% pengotor?
76. Berapa jumlah kokas yang memberikan volume karbon monoksida yang cukup untuk mereduksi 320 kg oksida besi jika kokas mengandung 97% karbon murni?
77. Bagaimana siderite harus diproses agar besi dapat diperoleh darinya?

peleburan baja

Baja dilebur dalam tiga jenis tungku - tungku regeneratif tungku terbuka, konverter Bessemer, dan tungku listrik.
Tungku perapian terbuka adalah tungku paling modern yang dirancang untuk melebur massa utama baja (Gbr. 84). Tungku perapian terbuka, tidak seperti tanur sembur, bukanlah tanur yang beroperasi terus-menerus.

Beras. 84. Skema perangkat tungku perapian terbuka

Bagian utamanya adalah bak mandi, di mana bahan-bahan yang diperlukan dimuat melalui jendela oleh mesin khusus. Pemandian dihubungkan oleh saluran khusus ke regenerator, yang berfungsi untuk memanaskan gas yang mudah terbakar dan udara yang dipasok ke tungku. Pemanasan terjadi karena panas dari produk pembakaran, yang dilewatkan melalui regenerator dari waktu ke waktu. Karena ada beberapa dari mereka, mereka bekerja secara bergantian dan memanas secara bergantian. Tungku perapian terbuka dapat menghasilkan hingga 500 ton baja per lelehan.

Muatan tungku perapian terbuka sangat beragam: komposisi muatan termasuk besi kasar, besi tua, bijih, fluks (fluks) yang sifatnya sama seperti dalam proses tanur tinggi. Seperti dalam proses tanur sembur, selama pembuatan baja, udara dan gas yang mudah terbakar dipanaskan dalam regenerator karena panas dari gas buang. Bahan bakar di tungku perapian terbuka adalah bahan bakar minyak yang disemprotkan oleh nozel atau gas yang mudah terbakar, yang saat ini digunakan secara luas. Bahan bakar di sini hanya berfungsi untuk mempertahankan suhu tinggi di dalam tungku.
Proses peleburan baja pada dasarnya berbeda dengan proses tanur sembur, karena proses tanur sembur adalah proses reduksi, dan peleburan baja adalah proses oksidatif, yang tujuannya adalah untuk mengurangi kandungan karbon dengan mengoksidasinya dalam massa baja. logam. Proses yang terlibat dalam hal ini cukup kompleks.

Terkandung dalam bijih dan disuplai dengan udara ke tungku untuk membakar bahan bakar gas, ia mengoksidasi, serta sejumlah besar besi, mengubahnya terutama menjadi oksida besi (II): 2Fe + O2 \u003d 2FeO
Terkandung dalam besi tuang, atau pengotor logam lain pada suhu tinggi, reduksi besi (II) oksida yang dihasilkan lagi menjadi besi logam menurut persamaan: Si + 2FeO \u003d SiO2 + 2Fe Mn + FeO \u003d MnO + Fe
Bereaksi serupa dengan oksida besi (II) dan: C + FeO = Fe + CO
Di akhir proses, untuk mengembalikan sisa oksida besi (II) (atau, seperti yang mereka katakan, untuk "mendeoksidasi" itu), "deoxidizers" - ferroalloys - ditambahkan. Aditif mangan dan silikon yang ada di dalamnya mengurangi sisa oksida besi (II) sesuai dengan persamaan di atas. Setelah itu, pencairan berakhir. Mencair dalam tungku perapian terbuka membutuhkan waktu 8-10 jam.

Beras. 85. Diagram perangkat konverter Bessemer

Konverter Bessemer (Gbr. 85) - tungku tipe lama, tetapi dengan kinerja yang sangat tinggi. Karena konverter bekerja tanpa konsumsi bahan bakar, metode produksi baja ini menempati tempat yang signifikan dalam metalurgi. Konverter adalah bejana baja berbentuk buah pir dengan kapasitas 20-30 ton, dilapisi dari dalam dengan batu bata tahan api. Setiap panas dalam konverter berlangsung 12-15 menit. Konverter memiliki sejumlah kelemahan: hanya dapat bekerja pada besi cair. Ini disebabkan oleh fakta bahwa oksidasi karbon dilakukan oleh udara yang lewat dari bawah melalui seluruh massa besi cair, yang secara signifikan mempercepat peleburan dan meningkatkan intensitas oksidasi. Secara alami, "limbah" besi dalam hal ini sangat besar. Pada saat yang sama, waktu leleh yang singkat tidak memungkinkan untuk mengaturnya, untuk menambahkan pengotor paduan, oleh karena itu, terutama baja karbon dilebur dalam konverter. Pada akhir peleburan, suplai udara dihentikan dan, seperti pada proses perapian terbuka, “deoxidizers” ditambahkan.

Dalam tungku listrik (Gbr. 86), baja paduan dengan nilai khusus dilebur, terutama dengan suhu leleh tinggi, mengandung dan aditif lainnya. Baja jadi dikirim ke rolling. Di sana, di pabrik penggilingan besar - mekar dan lempengan - mereka mengompres ingot baja merah-panas dengan bantuan gulungan, yang memungkinkan untuk menghasilkan berbagai bentuk dari ingot baja.

Gambar 86. Skema tungku busur listrik. 1 - elektroda, 2 - jendela pemuatan, 3 - saluran untuk pelepasan baja, 4 - mekanisme putar

Besi dalam bentuk paduan banyak digunakan dalam perekonomian nasional. Tidak ada satu pun cabang ekonomi nasional yang dapat melakukannya tanpanya. Untuk menghemat logam besi, saat ini, sejauh mungkin, mereka berusaha menggantinya dengan bahan sintetis.
Peralatan mesin dan mobil, pesawat terbang dan peralatan, perlengkapan untuk struktur beton bertulang, timah untuk kotak timah dan lembaran atap, kapal dan jembatan, mesin dan balok pertanian, pipa dan berbagai macam produk rumah tangga terbuat dari logam besi.

78. Apa perbedaan mendasar antara proses pembuatan baja dan proses tanur tinggi?
79. Tungku apa yang digunakan untuk peleburan baja?
80. Apa yang dimaksud dengan regenerator dalam tungku perapian terbuka?

81. Tentukan komposisi muatan tungku perapian terbuka dan perbedaannya dari komposisi muatan tanur tinggi?
82. Apa itu "deoxidizers"?
83. Mengapa peleburan baja disebut peleburan oksidatif?
84. Berapa banyak baja yang mengandung 1% karbon dapat diperoleh dari 116,7 kg besi tuang yang mengandung 4% karbon?
85. Berapa banyak ferromanganese yang mengandung 80% mangan yang diperlukan untuk “mendeoksidasi” 36 kg oksida besi?

Artikel tentang topik Besi, subkelompok sekunder dari grup VIII

BESI DAN LISTRIK Sifat baja bervariasi. Ada baja yang dirancang untuk tahan lama di air laut, baja yang tahan terhadap suhu tinggi dan ...

Pada golongan IB (gugus tembaga) terdapat logam transisi Cu, Ag, Au yang mempunyai distribusi elektron yang sama, ditentukan oleh fenomena “terobosan” atau “kegagalan” elektron.

Fenomena "kebocoran" adalah transfer simbolis dari salah satu dari dua elektron valensi s ke sublevel d, yang mencerminkan retensi elektron eksternal yang tidak seragam oleh nukleus.

Transisi satu elektron s ke tingkat terluar mengarah pada stabilisasi sublevel d. Oleh karena itu, tergantung pada tingkat eksitasi, atom-atom dari kelompok IB dapat menyumbangkan dari satu hingga tiga elektron untuk pembentukan ikatan kimia. Akibatnya, unsur-unsur golongan IB dapat membentuk senyawa dengan bilangan oksidasi +1, +2 dan +3. Namun, ada perbedaan: untuk tembaga, bilangan oksidasi paling stabil adalah +1 dan +2; +1 untuk perak, dan +1 dan +3 untuk emas. Bilangan koordinasi yang paling khas dalam kelompok ini adalah 2, 3, 4.

Unsur-unsur kelompok IB relatif lembam. Dalam deret elektrokimia, mereka berdiri setelah hidrogen, yang dimanifestasikan dalam kemampuan reduksinya yang lemah. Oleh karena itu, mereka terjadi secara alami di alam. Mereka adalah salah satu logam pertama yang ditemukan dan digunakan oleh manusia purba. Senyawa berikut ditemukan sebagai fosil: Cu 2 O - cuprite, Cu 2 S - chalcosine, Ag 2 S - argentite, acanthite, AgCl - kerargyrite, AuTe 2 - calaverite, (Au, Ag) Te 4 - sylvanite .

Pada golongan IB, sifat pereduksi dan basa berkurang dari tembaga menjadi emas.

Sifat kimia senyawa tembaga, perak, emas.

Perak oksida (I) diperoleh dengan memanaskan perak dengan oksigen atau dengan memperlakukan larutan AgNO 3 dengan basa:

2 AgNO 3 + 2KOH > Ag 2 O + 2KNO 3 + H 2 O

Perak (I) oksida sedikit larut dalam air, namun, karena hidrolisis, larutan memiliki reaksi basa

Ag 2 O + H 2 O > 2Ag + + 2OH -

dalam larutan sianida berubah menjadi kompleks:

Ag 2 O + 4KSN + H 2 O > 2K [Ag (CN) 2] + 2KOH

Ag 2 O adalah oksidator kuat. Mengoksidasi garam krom (III):

3Ag 2 O + 2Cr(OH) 3 + 4NaOH > 2Na 2 CrO 4 + 6Ag + 5H 2 O,

serta aldehida dan halokarbon.

Sifat pengoksidasi perak oksida (I) menentukan penggunaan suspensinya sebagai antiseptik.

Dalam deret elektrokimia potensial redoks normal, perak muncul setelah hidrogen. Oleh karena itu, logam perak hanya bereaksi dengan pengoksidasi asam nitrat dan asam sulfat pekat:

2Ag + 2H 2 SO 4 > Ag 2 SO 4 + 5O 2 + 2H 2 O

Kebanyakan garam perak sedikit atau kurang larut. Halida yang praktis tidak larut, fosfat. Perak sulfat dan perak karbonat sulit larut. Larutan perak halida terurai di bawah aksi ultraviolet dan sinar-X:

2AgCl -- hn > 2Ag + Cl 2

Bahkan lebih sensitif terhadap aksi ultraviolet dan sinar-X adalah kristal AgCl dengan campuran bromida. Di bawah aksi kuantum cahaya dalam kristal, reaksi terjadi

r -- + hн > ° + e -

Ag + + e ~ > Ag°

2AgBr > 2Ag 0 + Br 2

Sifat perak halida ini digunakan dalam pembuatan bahan fotosensitif, khususnya film fotografi, film sinar-X.

Perak klorida yang tidak larut dan perak bromida larut dalam amonia untuk membentuk amonia:

AgCl + 2NH 3 > [Ag (NH 3) 2] Cl

Pembubaran AgCl dimungkinkan karena ion perak mengikat menjadi ion kompleks yang sangat kuat. Jadi hanya sedikit ion perak yang tersisa dalam larutan sehingga tidak cukup untuk membentuk endapan, karena hasil kali konsentrasinya lebih kecil dari konstanta kelarutannya.

Sifat bakterisida AgCl digunakan dalam persiapan untuk pengobatan selaput lendir gas. Untuk sterilisasi dan pengawetan produk makanan, "air perak" digunakan - air suling yang diolah dengan kristal AgCl.

Sama seperti perak, tembaga (I) membentuk halida yang tidak larut. Garam-garam ini larut dalam amonia dan membentuk kompleks:

CuCl + 2NH 3 > [Cu(NH 3) 2 ]Cl

Oksida dan hidroksida tembaga (II) yang tidak larut dalam air, yang bersifat basa dan larut dalam asam:

Cu (OH) 2 + 2HCl + 4H 2 O > [Cu (H 2 O) 6] Cl 2

Hasil aquacation [Cu(H 2 O) 6 ] 2+ memberikan warna biru cerah pada larutan.

Tembaga (II) hidroksida larut dalam amonia, membentuk kompleks yang mengubah larutan menjadi biru:

Cu (OH) 2 + 4NH 3 + 2H 2 O > [Cu (NH 3) 4 (H 2 O) 2] (OH) 2

Reaksi ini digunakan untuk reaksi kualitatif terhadap ion tembaga (II).

Garam tembaga, perak dan emas berinteraksi dengan sulfida logam alkali dan hidrogen sulfida untuk membentuk endapan yang tidak larut dalam air - Ag 2 S, Cu 2 S, CuS, Au 2 S 3 .

Afinitas tinggi logam golongan IB untuk belerang menentukan energi ikatan M-S yang tinggi, dan ini, pada gilirannya, menentukan sifat spesifik dari perilakunya dalam sistem biologis.

Kation logam ini mudah berinteraksi dengan zat yang mengandung gugus yang mengandung belerang. Misalnya, ion Ag + dan Cu + bereaksi dengan enzim ditiol mikroorganisme sesuai dengan skema:

Dimasukkannya ion logam dalam komposisi protein menonaktifkan enzim, menghancurkan protein.

Mekanisme yang sama mendasari aksi obat yang mengandung perak dan emas yang digunakan dalam dermatologi.

Senyawa emas (III) yang paling umum adalah AuCl 3 klorida, yang mudah larut dalam air.

Oksida emas dan hidroksida (III) adalah senyawa amfoter dengan sifat asam yang lebih menonjol. Emas hidroksida (III) tidak larut dalam air, tetapi larut dalam alkali dengan pembentukan kompleks hidrokso:

AuO (OH) + NaOH + H 2 O > Na [Au (OH) 4]

Bereaksi dengan asam membentuk kompleks asam:

AuO (OH) + 2H 2 SO 4 > H [Au (SO 4) 2] + 2H 2 O

Sejumlah besar senyawa kompleks dikenal karena emas dan analognya. Reaksi terkenal dari melarutkan emas dalam "aqua regia" (1 volume HMO3 pekat dan 3 volume HCl pekat) adalah pembentukan asam kompleks:

Au + 4HCl + HNO 3 > H [AuCl 4] + NO + 2H 2 O

Di dalam tubuh, tembaga berfungsi dalam keadaan oksidasi +1 dan +2. Ion Cu + dan Cu 2+ adalah bagian dari protein "biru" yang diisolasi dari bakteri. Protein ini memiliki sifat yang mirip dan disebut azurin.

Tembaga (I) mengikat lebih kuat ke ligan yang mengandung belerang, dan tembaga (II) ke karboksil, fenolik, dan gugus amino protein. Tembaga (I) menghasilkan kompleks dengan bilangan koordinasi 4. Struktur tetrahedral terbentuk (jika jumlah elektron d yang terlibat genap). Untuk tembaga (II), bilangan koordinasinya adalah 6; sesuai dengan geometri ortorombik kompleks.