O ferro é um metal de atividade química média. É um constituinte de muitos minerais: magnetita, hematita, limonita, siderita, pirita.
Amostra de limonitaPropriedades químicas e físicas do ferro
Em condições normais e em sua forma pura, o ferro é um sólido cinza-prateado com um brilho metálico brilhante. O ferro é um bom condutor elétrico e térmico. Isso pode ser sentido ao tocar um objeto de ferro em uma sala fria. Como o metal conduz o calor rapidamente, ele retira a maior parte do calor da pele humana em um curto período de tempo, de modo que o frio é sentido quando tocado.
ferro puro
O ponto de fusão do ferro é 1538°C, o ponto de ebulição é 2862°C. As propriedades características do ferro são boa ductilidade e fusibilidade.
Reage com substâncias simples: oxigênio, halogênios (bromo, iodo, flúor), fósforo, enxofre. Quando o ferro é queimado, óxidos metálicos são formados. Dependendo das condições de reação e das proporções entre os dois participantes, os óxidos de ferro podem ser variados. Equações de reação:
2Fe + O2 = 2FeO;
4Fe + 3O2 = 2Fe2O3;
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄.
Essas reações ocorrem em altas temperaturas. você aprenderá quais experimentos para estudar as propriedades do ferro podem ser feitos em casa.
A reação do ferro com o oxigênio
Para a reação do ferro com o oxigênio, o pré-aquecimento é necessário. O ferro queima com uma chama deslumbrante, espalhando - partículas incandescentes de escala de ferro Fe₃O₄. A mesma reação de ferro e oxigênio ocorre no ar, quando é fortemente aquecido por atrito durante o processamento mecânico.
Quando o ferro é queimado no oxigênio (ou no ar), a incrustação de ferro é formada. Equação de reação:
3Fe + 2O₂ = Fe₃O₄
3Fe + 2O₂ = FeO Fe₂O₃.
O óxido de ferro é um composto em que o ferro tem diferentes valores de valência.
Produção de óxidos de ferro
Os óxidos de ferro são produtos da interação do ferro com o oxigênio. Os mais famosos são FeO, Fe₂O₃ e Fe₃O₄.
Óxido de ferro (III) Fe₂O₃ é um pó vermelho-alaranjado formado durante a oxidação do ferro no ar.
A substância é formada pela decomposição de um sal férrico no ar em alta temperatura. Um pouco de sulfato de ferro (III) é derramado em um cadinho de porcelana e depois é calcinado no fogo de um queimador de gás. Após a decomposição térmica, o sulfato ferroso se decompõe em óxido de enxofre e óxido de ferro.
Óxido de ferro (II, III) Fe₃O₄ é formado pela queima de ferro em pó em oxigênio ou no ar. Para obter o óxido, um pouco de pó fino de ferro misturado com nitrato de sódio ou potássio é despejado em um cadinho de porcelana. A mistura é inflamada com um queimador de gás. Quando aquecidos, os nitratos de potássio e sódio se decompõem com a liberação de oxigênio. O ferro no oxigênio queima para formar o óxido Fe₃O₄. Após o término da combustão, o óxido resultante permanece no fundo do copo de porcelana na forma de escamas de ferro.
Atenção! Não tente repetir esses experimentos você mesmo!
Óxido de ferro (II) FeO é um pó preto que é formado pela decomposição de oxalato de ferro em uma atmosfera inerte.
O corpo humano contém cerca de 5 g de ferro, a maior parte (70%) faz parte da hemoglobina no sangue.
Propriedades físicas
No estado livre, o ferro é um metal branco prateado com um tom acinzentado. O ferro puro é dúctil e possui propriedades ferromagnéticas. Na prática, as ligas de ferro são comumente usadas - ferros fundidos e aços.
O Fe é o elemento mais importante e mais comum dos nove d-metais do subgrupo secundário do grupo VIII. Juntamente com o cobalto e o níquel, forma a "família do ferro".
Ao formar compostos com outros elementos, geralmente usa 2 ou 3 elétrons (B \u003d II, III).
O ferro, como quase todos os elementos d do grupo VIII, não apresenta maior valência igual ao número do grupo. Sua valência máxima atinge VI e é extremamente rara.
Os compostos mais típicos são aqueles em que os átomos de Fe estão nos estados de oxidação +2 e +3.
Métodos para obter ferro
1. O ferro comercial (em uma liga com carbono e outras impurezas) é obtido por redução carbotérmica de seus compostos naturais de acordo com o esquema:
A recuperação ocorre gradualmente, em 3 etapas:
1) 3Fe 2 O 3 + CO = 2Fe 3 O 4 + CO 2
2) Fe 3 O 4 + CO = 3FeO + CO 2
3) FeO + CO \u003d Fe + CO 2
O ferro fundido resultante deste processo contém mais de 2% de carbono. No futuro, os aços são obtidos a partir de ferro fundido - ligas de ferro contendo menos de 1,5% de carbono.
2. O ferro muito puro é obtido de uma das seguintes maneiras:
a) decomposição do pentacarbonil Fe
Fe(CO) 5 \u003d Fe + 5CO
b) redução de hidrogênio de FeO puro
FeO + H 2 \u003d Fe + H 2 O
c) eletrólise de soluções aquosas de sais de Fe+2
FeC 2 O 4 \u003d Fe + 2СO 2
oxalato de ferro(II)
Propriedades quimicas
Fe - um metal de atividade média, exibe propriedades gerais características dos metais.
Uma característica única é a capacidade de "enferrujar" no ar úmido:
Na ausência de umidade com ar seco, o ferro começa a reagir visivelmente apenas em T > 150°C; quando calcinado, “escama de ferro” Fe 3 O 4 é formado:
3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4
O ferro não se dissolve na água na ausência de oxigênio. Em temperaturas muito altas, o Fe reage com o vapor de água, deslocando o hidrogênio das moléculas de água:
3 Fe + 4H 2 O (g) \u003d 4H 2
O processo de ferrugem em seu mecanismo é a corrosão eletroquímica. O produto de ferrugem é apresentado de forma simplificada. De fato, uma camada solta de uma mistura de óxidos e hidróxidos de composição variável é formada. Ao contrário do filme de Al 2 O 3, esta camada não protege o ferro de uma maior destruição.
Tipos de corrosão
Proteção contra corrosão do ferro
1. Interação com halogênios e enxofre em alta temperatura.
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3
2Fe + 3F 2 = 2FeF 3
Fe + I 2 \u003d FeI 2
Os compostos são formados em que o tipo de ligação iônica predomina.
2. Interação com fósforo, carbono, silício (o ferro não se combina diretamente com N 2 e H 2, mas os dissolve).
Fe + P \u003d Fe x P y
Fe + C = Fe x C y
Fe + Si = FexSiy
Substâncias de composição variável são formadas, uma vez que berthollides (a natureza covalente da ligação prevalece nos compostos)
3. Interação com ácidos "não oxidantes" (HCl, H 2 SO 4 dil.)
Fe 0 + 2H + → Fe 2+ + H 2
Como o Fe está localizado na série de atividades à esquerda do hidrogênio (E ° Fe / Fe 2+ \u003d -0,44V), ele é capaz de deslocar o H 2 dos ácidos comuns.
Fe + 2HCl \u003d FeCl 2 + H 2
Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2
4. Interação com ácidos "oxidantes" (HNO 3 , H 2 SO 4 conc.)
Fe 0 - 3e - → Fe 3+
HNO 3 e H 2 SO 4 concentrados "passivam" o ferro, de modo que em temperaturas normais o metal não se dissolve neles. Com forte aquecimento, ocorre dissolução lenta (sem liberação de H 2).
Em razb. HNO 3 ferro se dissolve, entra em solução na forma de cátions Fe 3+ e o ânion ácido é reduzido a NO *:
Fe + 4HNO 3 \u003d Fe (NO 3) 3 + NO + 2H 2 O
Dissolve-se muito bem numa mistura de HCl e HNO 3
5. Atitude em relação aos álcalis
Fe não se dissolve em soluções aquosas de álcalis. Ele reage com álcalis fundidos apenas em temperaturas muito altas.
6. Interação com sais de metais menos ativos
Fe + CuSO 4 \u003d FeSO 4 + Cu
Fe 0 + Cu 2+ = Fe 2+ + Cu 0
7. Interação com monóxido de carbono gasoso (t = 200°C, P)
Fe (pó) + 5CO (g) \u003d Fe 0 (CO) 5 ferro pentacarbonil
Compostos de Fe(III)
Fe 2 O 3 - óxido de ferro (III).
Pó castanho-avermelhado, n. R. em H 2 O. Na natureza - "minério de ferro vermelho".
Formas de obter:
1) decomposição do hidróxido de ferro (III)
2Fe(OH) 3 = Fe 2 O 3 + 3H 2 O
2) torrefação de pirita
4FeS 2 + 11O 2 \u003d 8SO 2 + 2Fe 2 O 3
3) decomposição de nitrato
Propriedades quimicas
Fe 2 O 3 é um óxido básico com sinais de anfoterismo.
I. As principais propriedades se manifestam na capacidade de reagir com ácidos:
Fe 2 O 3 + 6H + = 2Fe 3+ + ZN 2 O
Fe 2 O 3 + 6HCI \u003d 2FeCI 3 + 3H 2 O
Fe 2 O 3 + 6HNO 3 \u003d 2Fe (NO 3) 3 + 3H 2 O
II. Propriedades de ácido fraco. Fe 2 O 3 não se dissolve em soluções aquosas de álcalis, mas quando fundido com óxidos sólidos, álcalis e carbonatos, as ferritas são formadas:
Fe 2 O 3 + CaO \u003d Ca (FeO 2) 2
Fe 2 O 3 + 2NaOH \u003d 2NaFeO 2 + H 2 O
Fe 2 O 3 + MgCO 3 \u003d Mg (FeO 2) 2 + CO 2
III. Fe 2 O 3 - matéria-prima para produção de ferro na metalurgia:
Fe 2 O 3 + ZS \u003d 2Fe + ZSO ou Fe 2 O 3 + ZSO \u003d 2Fe + ZSO 2
Fe (OH) 3 - hidróxido de ferro (III)
Formas de obter:
Obtido pela ação de álcalis em sais solúveis Fe 3+:
FeCl 3 + 3NaOH \u003d Fe (OH) 3 + 3NaCl
No momento do recebimento de Fe(OH) 3 - precipitado mucomorfo vermelho-acastanhado.
O hidróxido de Fe (III) também é formado durante a oxidação de Fe e Fe (OH) 2 em ar úmido:
4Fe + 6H 2 O + 3O 2 \u003d 4Fe (OH) 3
4Fe(OH) 2 + 2-2 O + O 2 = 4Fe(OH) 3
O hidróxido de Fe(III) é o produto final da hidrólise de sais de Fe 3+.
Propriedades quimicas
Fe(OH) 3 é uma base muito fraca (muito mais fraca que Fe(OH) 2). Mostra propriedades ácidas notáveis. Assim, Fe (OH) 3 tem um caráter anfotérico:
1) reações com ácidos ocorrem facilmente:
2) um precipitado fresco de Fe(OH) 3 é dissolvido em solução concentrada a quente. soluções de KOH ou NaOH com a formação de complexos hidroxo:
Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K 3
Em uma solução alcalina, Fe (OH) 3 pode ser oxidado a ferratos (sais de ácido de ferro H 2 FeO 4 não isolados no estado livre):
2Fe(OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O
Sais de Fe 3+
Os mais importantes são: Fe 2 (SO 4) 3, FeCl 3, Fe (NO 3) 3, Fe (SCN) 3, K 3 4 - sal de sangue amarelo \u003d Fe 4 3 azul da Prússia (precipitado azul escuro)
b) Fe 3+ + 3SCN - \u003d Fe (SCN) 3 Fe (III) tiocianato (solução vermelho sangue)
O ferro era conhecido nos tempos pré-históricos, mas foi amplamente utilizado muito mais tarde, pois é extremamente raro na natureza em estado livre, e sua produção a partir de minérios tornou-se possível apenas em um certo nível de desenvolvimento tecnológico. Provavelmente, pela primeira vez, uma pessoa se familiarizou com o meteorito Ferro, como evidenciado por seus nomes nas línguas dos povos antigos: o antigo egípcio "beni-pet" significa "ferro celestial"; o antigo grego sideros está associado ao latim sidus (gênero case sideris) - uma estrela, um corpo celeste. Nos textos hititas do século XIV aC. e. O ferro é mencionado como um metal que caiu do céu. Nas línguas românicas, a raiz do nome dado pelos romanos foi preservada (por exemplo, francês fer, italiano ferro).
O método de obtenção de ferro a partir de minérios foi inventado na parte ocidental da Ásia no 2º milênio aC. e.; depois disso, o uso do Ferro se espalhou pela Babilônia, Egito, Grécia; A Idade do Bronze foi substituída pela Idade do Ferro. Homero (na 23ª canção da Ilíada) conta que Aquiles premiou o vencedor da competição de lançamento de disco com um disco de grito de ferro. Na Europa e na Rússia Antiga, por muitos séculos, o ferro era obtido pelo processo de fabricação de queijos. O minério de ferro era reduzido com carvão em uma fornalha construída em um poço; o ar foi bombeado para a lareira com peles, o produto de redução - kritsu foi separado da escória por golpes de martelo e vários produtos foram forjados a partir dele. À medida que os métodos de sopro foram aprimorados e a altura da fornalha aumentou, a temperatura do processo aumentou e parte do ferro foi cementada, ou seja, foi obtido o ferro fundido; este produto relativamente frágil foi considerado um produto residual. Daí o nome de ferro fundido "chushka", "ferro gusa" - inglês. ferro gusa. Mais tarde, notou-se que, ao carregar não minério de ferro, mas ferro fundido no forno, também é obtida a floração de ferro com baixo teor de carbono, e esse processo de dois estágios acabou sendo mais lucrativo do que o soprado bruto. Nos séculos 12 e 13, o método de gritar já era difundido.
No século XIV, o ferro fundido começou a ser fundido não apenas como produto semi-acabado para processamento posterior, mas também como material para fundição de vários produtos. A reconstrução da lareira em um forno de poço ("domnitsa"), e depois em um alto-forno, também data da mesma época. Em meados do século 18, o processo de cadinho de obtenção de aço começou a ser usado na Europa, que era conhecido na Síria no início da Idade Média, mas depois foi esquecido. Com este método, o aço era obtido pela fusão de uma carga metálica em pequenos vasos (cadinhos) a partir de uma massa altamente refratária. No último quartel do século XVIII, o processo de conversão de ferro fundido em ferro começou a se desenvolver no forno de um forno reverberatório ardente. A revolução industrial do século XVIII e início do século XIX, a invenção da máquina a vapor, a construção de ferrovias, grandes pontes e a frota a vapor criaram uma enorme demanda por ferro e suas ligas. No entanto, todos os métodos existentes de produção de ferro não conseguiam atender às necessidades do mercado. A produção em massa de aço começou apenas em meados do século XIX, quando foram desenvolvidos os processos Bessemer, Thomas e a lareira. No século 20, o processo de fabricação de aço elétrico surgiu e se difundiu, resultando em aço de alta qualidade.
Distribuição do ferro na natureza. Em termos de conteúdo na litosfera (4,65% em peso), o ferro ocupa o segundo lugar entre os metais (o alumínio está em primeiro lugar). Migra vigorosamente na crosta terrestre, formando cerca de 300 minerais (óxidos, sulfetos, silicatos, carbonatos, titanatos, fosfatos, etc.). O ferro participa ativamente nos processos magmáticos, hidrotermais e supergênicos, que estão associados à formação de vários tipos de depósitos de ferro. O ferro é um metal das profundezas da Terra, acumula-se nos estágios iniciais da cristalização do magma, nas rochas ultrabásicas (9,85%) e básicas (8,56%) (é apenas 2,7% nos granitos). Na biosfera, o ferro acumula-se em muitos sedimentos marinhos e continentais, formando minérios sedimentares.
Um papel importante na geoquímica do ferro é desempenhado pelas reações redox - a transição do ferro 2-valente para 3-valente e vice-versa. Na biosfera, na presença de matéria orgânica, o Fe 3+ é reduzido a Fe 2+ e migra facilmente, e quando encontra o oxigênio atmosférico, o Fe 2+ é oxidado, formando acúmulos de hidróxidos de ferro trivalentes. Compostos difundidos de ferro trivalente são vermelho, amarelo, marrom. Isso determina a cor de muitas rochas sedimentares e seu nome - "formação de cor vermelha" (margas e argilas vermelhas e marrons, areias amarelas, etc.).
Propriedades físicas do ferro. A importância do ferro na tecnologia moderna é determinada não apenas por sua ampla distribuição na natureza, mas também por uma combinação de propriedades muito valiosas. É de plástico, facilmente forjado tanto em estado frio quanto aquecido, pode ser enrolado, estampado e estirado. A capacidade de dissolver carbono e outros elementos é a base para a obtenção de uma variedade de ligas de ferro.
O ferro pode existir na forma de duas redes cristalinas: cúbica de corpo centrado α e γ (bcc) e cúbica de face centrada (fcc). Abaixo de 910°C, o α-Fe com uma rede bcc é estável (a = 2,86645Å a 20°C). Entre 910°C e 1400°C, a modificação γ com a rede fcc é estável (a = 3,64Å). Acima de 1400°C, a rede δ-Fe bcc (a = 2,94Å) é novamente formada, que é estável até o ponto de fusão (1539°C). O α-Fe é ferromagnético até 769 °C (ponto de Curie). As modificações γ-Fe e δ-Fe são paramagnéticas.
Transformações polimórficas de ferro e aço durante o aquecimento e resfriamento foram descobertas em 1868 por D.K. Chernov. O carbono forma soluções sólidas intersticiais com o ferro, nas quais átomos de C com um raio atômico pequeno (0,77 Å) estão localizados nos interstícios da rede cristalina do metal, que consiste em átomos maiores (raio atômico de Fe 1,26 Å). Uma solução sólida de carbono em γ-Fe é chamada de austenita e em α-Fe é chamada de ferrita. Uma solução sólida saturada de carbono em γ-Fe contém 2,0% C em massa a 1130°C; O α-Fe dissolve apenas 0,02-0,04% C a 723°C e menos de 0,01% à temperatura ambiente. Portanto, quando a austenita é resfriada, a martensita é formada - uma solução sólida supersaturada de carbono em α-Fe, que é muito dura e quebradiça. A combinação de têmpera com revenimento (aquecimento a temperaturas relativamente baixas para reduzir as tensões internas) torna possível dar ao aço a combinação necessária de dureza e ductilidade.
As propriedades físicas do Ferro dependem de sua pureza. Em materiais industriais de ferro, o ferro geralmente é acompanhado por impurezas de carbono, nitrogênio, oxigênio, hidrogênio, enxofre e fósforo. Mesmo em concentrações muito baixas, essas impurezas alteram muito as propriedades do metal. Assim, o enxofre causa a chamada fragilidade vermelha, fósforo (até 10 -2% P) - fragilidade a frio; o carbono e o nitrogênio reduzem a plasticidade e o hidrogênio aumenta a fragilidade do ferro (a chamada fragilidade do hidrogênio). A redução do teor de impurezas para 10 -7 - 10 -9% leva a mudanças significativas nas propriedades do metal, em particular a um aumento na ductilidade.
A seguir estão as propriedades físicas do Ferro, referindo-se principalmente a um metal com um teor total de impurezas inferior a 0,01% em massa:
Raio atômico 1,26Å
Raios iônicos Fe 2+ 0,80Å, Fe 3+ 0,67Å
Densidade (20°C) 7,874 g/cm3
t fardo cerca de 3200°С
Coeficiente de temperatura de expansão linear (20°C) 11,7 10 -6
Condutividade térmica (25°C) 74,04 W/(m K)
A capacidade calorífica do Ferro depende de sua estrutura e muda de forma complexa com a temperatura; capacidade calorífica específica média (0-1000°C) 640,57 j/(kg K) .
Resistividade elétrica (20°C) 9,7 10 -8 ohm m
Coeficiente de temperatura de resistência elétrica (0-100°C) 6,51 10 -3
Módulo de Young 190-210 10 3 MN / m 2 (19-21 10 3 kgf / mm 2)
Coeficiente de temperatura do módulo de Young 4 10 -6
Módulo de cisalhamento 84,0 10 3 MN/m 2
Resistência à tração de curto prazo 170-210 MN/m2
Alongamento relativo 45-55%
Dureza Brinell 350-450 MN/m2
Força de rendimento 100 MN/m2
Resistência ao impacto 300 MN/m2
Propriedades químicas do ferro. A configuração da camada eletrônica externa do átomo é 3d 6 4s 2 . O ferro exibe uma valência variável (os compostos mais estáveis são o ferro 2 e 3 valente). Com o oxigênio, o Ferro forma óxido (II) FeO, óxido (III) Fe 2 O 3 e óxido (II,III) Fe 3 O 4 (composto de FeO com Fe 2 O 3 com estrutura espinélio). No ar úmido em temperaturas normais, o ferro fica coberto com ferrugem solta (Fe 2 O 3 ·nH 2 O). Devido à sua porosidade, a ferrugem não impede o acesso de oxigênio e umidade ao metal e, portanto, não o protege de mais oxidação. Como resultado de vários tipos de corrosão, milhões de toneladas de ferro são perdidas todos os anos. Quando o ferro é aquecido ao ar seco acima de 200 °C, ele é coberto com uma película de óxido muito fina, que protege o metal da corrosão em temperaturas normais; esta é a base do método técnico de proteção do Ferro - azulamento. Quando aquecido em vapor de água, o ferro é oxidado para formar Fe 3 O 4 (abaixo de 570°C) ou FeO (acima de 570°C) e libera hidrogênio.
O hidróxido Fe (OH) 2 é formado como um precipitado branco pela ação de álcalis cáusticos ou amônia em soluções aquosas de sais de Fe 2+ em uma atmosfera de hidrogênio ou nitrogênio. Quando em contato com o ar, o Fe(OH) 2 primeiro fica verde, depois fica preto e, finalmente, rapidamente se transforma em hidróxido de Fe(OH) 3 marrom-avermelhado. O óxido de FeO exibe propriedades básicas. O óxido Fe 2 O 3 é anfotérico e tem função levemente ácida; reagindo com óxidos mais básicos (por exemplo, com MgO, forma ferritas - compostos do tipo Fe 2 O 3 nMeO, que possuem propriedades ferromagnéticas e são amplamente utilizados em radioeletrônica. As propriedades ácidas também são expressas no Ferro 6-valente, que existe na forma de ferratos, por exemplo K 2 FeO 4 , sais de ácido de ferro não isolados no estado livre.
O ferro reage facilmente com halogênios e haletos de hidrogênio, dando sais, como cloretos FeCl 2 e FeCl 3 . Quando o ferro é aquecido com enxofre, sulfetos de FeS e FeS 2 são formados. Carbonetos de ferro - Fe 3 C (cementita) e Fe 2 C (e-carboneto) - precipitam de soluções sólidas de carbono em ferro após resfriamento. Fe 3 C também é liberado de soluções de carbono em Ferro líquido em altas concentrações de C. Nitrogênio, como carbono, dá soluções sólidas intersticiais com Ferro; deles são isolados os nitretos Fe 4 N e Fe 2 N. Com o hidrogênio, o ferro dá hidretos apenas ligeiramente estáveis, cuja composição não foi estabelecida com precisão. Quando aquecido, o ferro reage vigorosamente com silício e fósforo para formar silicetos (por exemplo, Fe 3 Si e fosfetos (por exemplo, Fe 3 P).
Compostos de ferro com muitos elementos (O, S e outros), que formam uma estrutura cristalina, têm composição variável (por exemplo, o teor de enxofre em monossulfeto pode variar de 50 a 53,3 at.%). Isto é devido a defeitos na estrutura cristalina. Por exemplo, no óxido de ferro (II), alguns dos íons Fe 2+ nos sítios da rede são substituídos por íons Fe 3+; para manter a neutralidade elétrica, alguns sítios da rede pertencentes aos íons Fe 2+ permanecem vazios.
O potencial de eletrodo normal do Ferro em soluções aquosas de seus sais para a reação Fe = Fe 2+ + 2e é -0,44 V, e para a reação Fe = Fe 3+ + 3e é -0,036 V. Assim, na série de atividades, o ferro está à esquerda do hidrogênio. Dissolve-se prontamente em ácidos diluídos com a liberação de H 2 e a formação de íons Fe 2+. A interação do ferro com o ácido nítrico é peculiar. HNO 3 concentrado (densidade 1,45 g/cm 3) passiva o Ferro devido à formação de uma película protetora de óxido em sua superfície; HNO 3 mais diluído dissolve o Ferro com a formação de íons Fe 2+ ou Fe 3+, sendo reduzido a NH 3 ou N 2 e N 2 O. Soluções de sais de Ferro 2-valente no ar são instáveis - Fe 2+ oxida-se gradualmente para Fe 3+. As soluções aquosas de sais de ferro são ácidas devido à hidrólise. A adição de íons tiocianato SCN- a soluções de sais de Fe 3+ dá uma cor vermelho-sangue brilhante devido ao aparecimento de Fe(SCN) 3, o que torna possível revelar a presença de 1 parte de Fe 3+ em cerca de 10 6 partes de água. O ferro é caracterizado pela formação de compostos complexos.
Obtendo Ferro. O ferro puro é obtido em quantidades relativamente pequenas pela eletrólise de soluções aquosas de seus sais ou pela redução de seus óxidos com hidrogênio. A produção de ferro suficientemente puro está aumentando gradualmente por meio de sua redução direta de concentrados de minério com hidrogênio, gás natural ou carvão em temperaturas relativamente baixas.
O uso de ferro. O ferro é o metal mais importante da tecnologia moderna. Em sua forma pura, devido à sua baixa resistência, o ferro praticamente não é usado, embora os produtos de aço ou ferro fundido sejam frequentemente chamados de "ferro" na vida cotidiana. A maior parte do ferro é utilizada na forma de ligas com composições e propriedades muito diferentes. As ligas de ferro representam aproximadamente 95% de todos os produtos metálicos. Ligas ricas em carbono (mais de 2% em peso) - ferro fundido, são fundidos em altos-fornos a partir de minérios ricos em ferro. O aço de vários graus (teor de carbono inferior a 2% em peso) é fundido a partir de ferro fundido em fornos e conversores elétricos e de lareira aberta, oxidando (queimando) o excesso de carbono, removendo impurezas nocivas (principalmente S, P, O) e adicionando elementos de liga. Aços de alta liga (com alto teor de níquel, cromo, tungstênio e outros elementos) são fundidos em fornos elétricos a arco e indução. Novos processos, como refusão a vácuo e eletroescória, fusão por plasma e feixe de elétrons, e outros são usados para a produção de aços e ligas de ferro para fins particularmente importantes. Estão sendo desenvolvidos métodos para a fundição do aço em unidades de operação contínua que garantem a alta qualidade do metal e a automação do processo.
São criados materiais à base de ferro que podem suportar altas e baixas temperaturas, vácuo e altas pressões, ambientes agressivos, altas tensões alternadas, radiação nuclear, etc. A produção de ferro e suas ligas está em constante crescimento.
O ferro como material de arte tem sido usado desde os tempos antigos no Egito, Mesopotâmia e Índia. Desde a Idade Média, numerosos produtos de ferro altamente artísticos foram preservados em países europeus (Inglaterra, França, Itália, Rússia e outros) - cercas forjadas, dobradiças de portas, suportes de parede, cata-ventos, acessórios para baús, luzes. Forjados através de produtos de varetas e produtos de chapas de ferro perfuradas (muitas vezes com revestimento de mica) distinguem-se por formas planas, uma silhueta gráfica linear clara e são efetivamente visíveis contra um fundo claro. No século 20, o ferro é usado para a fabricação de treliças, cercas, divisórias interiores a céu aberto, castiçais e monumentos.
Ferro no corpo. O ferro está presente nos organismos de todos os animais e nas plantas (cerca de 0,02% em média); é necessário principalmente para troca de oxigênio e processos oxidativos. Existem organismos (os chamados concentradores) capazes de acumulá-lo em grandes quantidades (por exemplo, bactérias de ferro - até 17-20% de ferro). Quase todo o ferro em organismos animais e vegetais está associado a proteínas. A deficiência de ferro causa retardo no crescimento e clorose da planta associada à redução da produção de clorofila. O excesso de ferro também prejudica o desenvolvimento das plantas, causando, por exemplo, a esterilidade das flores do arroz e a clorose. Em solos alcalinos, formam-se compostos de ferro inacessíveis às raízes das plantas e as plantas não o recebem em quantidades suficientes; em solos ácidos, o ferro passa para compostos solúveis em excesso. Com deficiência ou excesso de compostos de ferro assimiláveis nos solos, doenças de plantas podem ser observadas em grandes áreas.
O ferro entra no corpo de animais e humanos com alimentos (fígado, carne, ovos, legumes, pão, cereais, espinafre e beterraba são os mais ricos em ferro). Normalmente, uma pessoa recebe 60-110 mg de ferro com a dieta, o que excede significativamente sua necessidade diária. A absorção do ferro ingerido com os alimentos ocorre na parte superior do intestino delgado, de onde entra no sangue na forma de proteína e é carreado com o sangue para vários órgãos e tecidos, onde é depositado na forma de um complexo ferro-proteína - ferritina. O principal depósito de ferro no corpo é o fígado e o baço. Devido à ferritina, todos os compostos contendo ferro do corpo são sintetizados: o pigmento respiratório hemoglobina é sintetizado na medula óssea, a mioglobina é sintetizada nos músculos e os citocromos e outras enzimas contendo ferro são sintetizados em vários tecidos. O ferro é excretado do corpo principalmente através da parede do intestino grosso (em humanos, cerca de 6-10 mg por dia) e em pequena extensão pelos rins. A necessidade de ferro do corpo varia com a idade e condição física. Para 1 kg de peso, as crianças precisam - 0,6, adultos - 0,1 e mulheres grávidas - 0,3 mg de ferro por dia. Nos animais, a necessidade de ferro é aproximadamente (por 1 kg de matéria seca da dieta): para vacas leiteiras - pelo menos 50 mg, para animais jovens - 30-50 mg; para leitões - até 200 mg, para porcas grávidas - 60 mg.
É um dos elementos mais comuns na crosta terrestre.
Propriedades físicas do ferro.
Ferro- metal branco prateado maleável com alta resistência química. Tolera bem as altas temperaturas e a umidade. Mancha rapidamente (ferrugem) no ar e na água. Muito plástico, bem cede ao forjamento e laminação. Tem boa condutividade térmica e elétrica, um excelente ferromagneto.
Propriedades químicas do ferro.
Ferro metal de transição. Pode ter um estado de oxidação de +2 e +3. Reage com vapor de água:
3 Fe + 4 H 2 O = Fe 3 O 4 + 4 H 2 .
Mas na presença de umidade, o ferro enferruja:
4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O = 4 Fe(Oh) 3 .
2 Fe + 3 Cl 2 = 2 FeCl 3 .
Fe + H 2 ASSIM 4 = FeSO 4 + H 2 .
Ácidos concentrados passivam o ferro no frio, mas se dissolvem quando aquecidos:
2Fe + 6H 2 SO 4 \u003d Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
hidróxido de ferro (II) obtido pela ação de álcalis sobre sais de ferro (II) sem acesso ao oxigênio:
F 2 SO 4 + 2NaOH \u003d Fe (OH) 2 + Na 2 SO 4.
Um precipitado branco é formado, que oxida rapidamente no ar:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3.
Este hidróxido é anfotérico; quando aquecido, dissolve-se em álcalis com a formação de hexahidroferato:
Fe (OH) 3 + 3KOH \u003d K 3.
Formas de ferro dois sais de ferro complexos:
- sal de sangue amarelo K 4 [ Fe(CN) 6 ];
- sal de sangue vermelho K 3 [ Fe(CN) 6 ].
Esses compostos são qualitativos para a determinação de íons de ferro. Composto Azul da Prússia:
K 4 + Fe 2+ \u003d KFe III + 2K +.
O uso de ferro.
O ferro é um componente essencial do processo de respiração. Faz parte da hemoglobina do sangue, está envolvida na transferência de oxigênio dos pulmões para os tecidos. Na natureza, o ferro é encontrado na composição de minérios e minerais.
O ferro é o oitavo elemento do quarto período da tabela periódica. Seu número na tabela (também chamado de atômico) é 26, que corresponde ao número de prótons no núcleo e elétrons na camada eletrônica. É designado pelas duas primeiras letras do seu equivalente latino - Fe (lat. Ferrum - lê-se como "ferrum"). O ferro é o segundo elemento mais comum na crosta terrestre, o percentual é de 4,65% (o mais comum é o alumínio, Al). Na sua forma nativa, este metal é bastante raro, mais frequentemente é extraído de minério misturado com níquel.
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Qual é a natureza deste composto? O ferro como átomo consiste em uma rede cristalina metálica, que garante a dureza dos compostos que contêm esse elemento e a estabilidade molecular. É em relação a isso que esse metal é um corpo sólido típico, ao contrário, por exemplo, do mercúrio.
Ferro como uma substância simples- metal prateado com propriedades típicas deste grupo de elementos: maleabilidade, brilho metálico e ductilidade. Além disso, o ferro tem uma alta reatividade. Esta última propriedade é evidenciada pelo fato de que o ferro corrói muito rapidamente na presença de alta temperatura e umidade adequada. Em oxigênio puro, esse metal queima bem e, se for esmagado em partículas muito pequenas, elas não apenas queimarão, mas também se inflamarão espontaneamente.
Muitas vezes chamamos o ferro não de metal puro, mas suas ligas contendo carbono ©, por exemplo, aço (<2,14% C) и чугун (>2,14% C). Também de grande importância industrial são as ligas, às quais são adicionados metais de liga (níquel, manganês, cromo e outros), devido às quais o aço se torna inoxidável, ou seja, ligado. Assim, com base nisso, fica claro a extensa aplicação industrial deste metal.
Fe característico
Propriedades químicas do ferro
Vamos dar uma olhada nas características deste elemento.
Propriedades de uma substância simples
- Oxidação no ar com alta umidade (processo corrosivo):
4Fe + 3O2 + 6H2O \u003d 4Fe (OH) 3 - ferro (III) hidróxido (hidróxido)
- Combustão de um fio de ferro em oxigênio com a formação de um óxido misto (contém um elemento com um estado de oxidação de +2 e um estado de oxidação de +3):
3Fe+2O2 = Fe3O4 (escama de ferro). A reação é possível quando aquecida a 160 ⁰C.
- Interação com água em alta temperatura (600-700 ⁰C):
3Fe+4H2O = Fe3O4+4H2
- Reações com não metais:
a) Reação com halogênios (Importante! Com esta interação, adquire o estado de oxidação do elemento +3)
2Fe + 3Cl2 \u003d 2FeCl3 - cloreto férrico
b) Reação com enxofre (Importante! Nesta interação, o elemento tem um estado de oxidação de +2)
Sulfeto de ferro (III) - Fe2S3 pode ser obtido durante outra reação:
Fe2O3+ 3H2S=Fe2S3+3H2O
c) Formação de pirita
Fe + 2S \u003d FeS2 - pirita. Preste atenção ao grau de oxidação dos elementos que compõem este composto: Fe (+2), S (-1).
- Interação com sais metálicos na série eletroquímica de atividade metálica à direita do Fe:
Fe + CuCl2 \u003d FeCl2 + Cu - cloreto de ferro (II)
- Interação com ácidos diluídos (por exemplo, clorídrico e sulfúrico):
Fe+HBr = FeBr2+H2
Fe + HCl = FeCl2 + H2
Observe que essas reações produzem ferro com um estado de oxidação de +2.
- Em ácidos não diluídos, que são os agentes oxidantes mais fortes, a reação só é possível quando aquecido; em ácidos frios, o metal é passivado:
Fe + H2SO4 (concentrado) = Fe2 (SO4) 3 + 3SO2 + 6H2O
Fe+6HNO3 = Fe(NO3)3+3NO2+3H2O
- As propriedades anfotéricas do ferro são manifestadas apenas ao interagir com álcalis concentrados:
Fe + 2KOH + 2H2O \u003d K2 + H2 - precipitado de tetrahidroxiferrato de potássio (II).
Processo de fabricação de ferro em um alto-forno
- Torrefação e decomposição subsequente de minérios de sulfeto e carbonato (isolamento de óxidos metálicos):
FeS2 -> Fe2O3 (O2, 850 ⁰C, -SO2). Esta reação também é o primeiro passo na síntese industrial de ácido sulfúrico.
FeCO3 -> Fe2O3 (O2, 550−600 ⁰C, -CO2).
- Queima de coque (em excesso):
С (coque) + O2 (ar) —> CO2 (600−700 ⁰C)
CO2+С (coque) —> 2CO (750−1000 ⁰C)
- Recuperação de minério contendo óxido com monóxido de carbono:
Fe2O3 —> Fe3O4 (CO, -CO2)
Fe3O4 —> FeO (CO, -CO2)
FeO —> Fe(CO, -CO2)
- Carburação de ferro (até 6,7%) e fusão de ferro fundido (t⁰fusão - 1145 ⁰C)
Fe (sólido) + C (coque) -> ferro fundido. A temperatura da reação é 900-1200 ⁰C.
No ferro fundido, a cementita (Fe2C) e a grafite estão sempre presentes na forma de grãos.
Caracterização de compostos contendo Fe
Estudaremos as características de cada conexão separadamente.
Fe3O4
Óxido de ferro misto ou duplo, contendo um elemento com estado de oxidação +2 e +3. Também Fe3O4 é chamado óxido de ferro. Este composto é resistente a altas temperaturas. Não reage com água, vapor de água. Decomposto por ácidos minerais. Pode ser reduzido com hidrogênio ou ferro em alta temperatura. Como você pode entender pelas informações acima, é um produto intermediário na cadeia de reação da produção industrial de ferro.
Diretamente o óxido de ferro é utilizado na produção de tintas de base mineral, cimento colorido e produtos cerâmicos. Fe3O4 é o que é obtido pelo escurecimento e azulamento do aço. Um óxido misto é obtido pela queima de ferro no ar (a reação é dada acima). Um minério contendo óxidos é magnetita.
Fe2O3
Óxido de ferro(III), nome trivial - hematita, composto marrom-avermelhado. Resistente a altas temperaturas. Em sua forma pura, não é formado durante a oxidação do ferro com o oxigênio atmosférico. Não reage com a água, forma hidratos que precipitam. Reage mal com álcalis e ácidos diluídos. Pode ser ligado com óxidos de outros metais, formando espinélios - óxidos duplos.
O minério de ferro vermelho é utilizado como matéria-prima na produção industrial de ferro-gusa pelo método de alto-forno. Também acelera a reação, ou seja, é um catalisador na indústria de amônia. É usado nas mesmas áreas que o óxido de ferro. Além disso, foi usado como portador de som e imagens em fitas magnéticas.
FeOH2
Hidróxido de Ferro(II), composto que possui propriedades ácidas e básicas, predominam as últimas, ou seja, é anfotérico. Uma substância branca que se oxida rapidamente no ar, "torna-se marrom" em hidróxido de ferro (III). Decompõe-se quando exposto à temperatura. Ele reage com soluções fracas de ácidos e álcalis. Não vamos dissolver na água. Na reação, atua como agente redutor. É um produto intermediário na reação de corrosão.
Detecção de íons Fe2+ e Fe3+ (reações "qualitativas")
O reconhecimento de íons Fe2+ e Fe3+ em soluções aquosas é realizado usando compostos complexos complexos - K3, sal de sangue vermelho e K4, sal de sangue amarelo, respectivamente. Em ambas as reações, um precipitado azul saturado com a mesma composição quantitativa, mas uma posição diferente de ferro com valência de +2 e +3, cai. Este precipitado também é frequentemente referido como azul da Prússia ou azul de Turnbull.
Reação escrita na forma iônica
Fe2++K++3- K+1Fe+2
Fe3++K++4- K+1Fe+3
Um bom reagente para detectar Fe3+ é o íon tiocianato (NCS-)
Fe3++ NCS- 3- - estes compostos têm uma cor vermelha brilhante ("sanguinolenta").
Este reagente, por exemplo, tiocianato de potássio (fórmula - KNCS), permite determinar até mesmo uma concentração insignificante de ferro em soluções. Assim, ele é capaz de determinar se os canos estão enferrujados ao examinar a água da torneira.
