تعریف

اهن- عنصر گروه هشتم دوره چهارم جدول تناوبی عناصر شیمیایی اثر D.I. مندلیف.

و عدد ضعیف 26 است. نماد Fe (لاتی "ferrum") است. یکی از رایج ترین فلزات در پوسته زمین (مقام دوم بعد از آلومینیوم).

خواص فیزیکی آهن

آهن یک فلز خاکستری است. در حالت خالص کاملاً نرم، چکش خوار و انعطاف پذیر است. پیکربندی الکترونیکی سطح انرژی خارجی 3d 6 4s 2 است. آهن در ترکیبات خود حالت های اکسیداسیون «2+» و «+3» را نشان می دهد. نقطه ذوب آهن 1539 درجه سانتیگراد است. آهن دو تغییر کریستالی ایجاد می کند: α- و γ-آهن. اولی آنها دارای یک شبکه مکعبی در مرکز بدنه است، دومی دارای یک شبکه مکعبی وجهی است. آهن α از نظر ترمودینامیکی در دو محدوده دمایی پایدار است: زیر 912 و از 1394 درجه سانتیگراد تا نقطه ذوب. بین 912 و 1394 درجه سانتیگراد، γ-آهن پایدار است.

خواص مکانیکی آهن به خلوص آن بستگی دارد - محتوای حتی مقادیر بسیار کمی از عناصر دیگر در آن. آهن جامد توانایی حل بسیاری از عناصر را در خود دارد.

خواص شیمیایی آهن

در هوای مرطوب، آهن به سرعت زنگ می‌زند، یعنی. با پوشش قهوه ای اکسید آهن هیدراته پوشانده شده است، که به دلیل شکنندگی آن، آهن را از اکسیداسیون بیشتر محافظت نمی کند. در آب، آهن به شدت خورده می شود. با دسترسی فراوان به اکسیژن، اشکال هیدراته اکسید آهن (III) تشکیل می شود:

2Fe + 3/2O 2 + nH 2 O = Fe 2 O 3 × H 2 O.

با کمبود اکسیژن یا دسترسی دشوار، اکسید مخلوط (II، III) Fe 3 O 4 تشکیل می شود:

3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4H 2.

آهن در اسید هیدروکلریک با هر غلظتی حل می شود:

Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2.

به طور مشابه، انحلال در اسید سولفوریک رقیق رخ می دهد:

Fe + H 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.

در محلول های غلیظ اسید سولفوریک، آهن به آهن اکسید می شود (III):

2Fe + 6H 2 SO 4 \u003d Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.

اما در اسید سولفوریک که غلظت آن نزدیک به 100 درصد است، آهن غیرفعال می شود و عملاً هیچ اثر متقابلی رخ نمی دهد. آهن در محلولهای رقیق و با غلظت متوسط ​​اسید نیتریک حل می شود:

Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H 2 O.

در غلظت های بالای اسید نیتریک، انحلال کند می شود و آهن غیرفعال می شود.

مانند سایر فلزات، آهن با مواد ساده واکنش می دهد. واکنش های برهمکنش آهن با هالوژن ها (بدون توجه به نوع هالوژن) هنگام گرم شدن ادامه می یابد. برهمکنش آهن با برم با افزایش فشار بخار دومی انجام می شود:

2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3;

3Fe + 4I 2 = Fe 3 I 8.

برهمکنش آهن با گوگرد (پودر)، نیتروژن و فسفر نیز هنگام گرم شدن رخ می دهد:

6Fe + N 2 = 2Fe 3 N;

2Fe + P = Fe 2 P;

3Fe + P = Fe 3 P.

آهن قادر به واکنش با غیر فلزات مانند کربن و سیلیکون است:

3Fe + C = Fe 3 C;

در میان واکنش های برهمکنش آهن با مواد پیچیده، واکنش های زیر نقش ویژه ای ایفا می کنند - آهن قادر است فلزاتی را که در سری فعالیت سمت راست آن قرار دارند، از محلول های نمک (1)، به کاهش آهن (III) کاهش دهد. ) ترکیبات (2):

Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu (1);

Fe + 2FeCl 3 = 3FeCl 2 (2).

آهن، در فشار بالا، با یک اکسید غیر نمک ساز - CO واکنش می دهد تا موادی با ترکیب پیچیده - کربونیل ها - Fe (CO) 5، Fe 2 (CO) 9 و Fe 3 (CO) 12 ایجاد کند.

آهن در غیاب ناخالصی ها در آب و محلول های قلیایی رقیق پایدار است.

گرفتن آهن

راه اصلی برای به دست آوردن آهن از سنگ آهن (هماتیت، مگنتیت) یا الکترولیز محلول های نمک آن است (در این مورد، آهن "خالص" به دست می آید، یعنی آهن بدون ناخالصی).

نمونه هایی از حل مسئله

مثال 1

ورزش

ترازو آهن Fe 3 O 4 با وزن 10 گرم ابتدا با 150 میلی لیتر محلول اسید کلریدریک (چگالی 1.1 گرم در میلی لیتر) با کسر جرمی هیدروژن کلرید 20 درصد تیمار شد و سپس مقدار اضافی آهن به محلول حاصل اضافه شد. ترکیب محلول را (بر حسب درصد وزنی) تعیین کنید.

راه حل

اجازه دهید معادلات واکنش را با توجه به شرایط مسئله بنویسیم: 8HCl + Fe 3 O 4 = FeCl 2 + 2FeCl 3 + 4H 2 O (1); 2FeCl 3 + Fe = 3FeCl 2 (2). با دانستن چگالی و حجم محلول اسید کلریدریک، می توانید جرم آن را پیدا کنید: m sol (HCl) = V(HCl) × ρ (HCl); m sol (HCl) = 150×1.1 = 165 گرم. بیایید جرم کلرید هیدروژن را محاسبه کنیم: m(HCl) = m sol (HCl) ×ω(HCl)/100%; m(HCl) = 165×20%/100% = 33 گرم. جرم مولی (جرم یک مول) اسید کلریدریک با استفاده از جدول عناصر شیمیایی D.I. مندلیف - 36.5 گرم در مول. بیایید مقدار هیدروژن کلرید را پیدا کنیم: v(HCl) = m(HCl)/M(HCl); v(HCl) = 33/36.5 = 0.904 مول. جرم مولی (جرم یک مول) مقیاس، با استفاده از جدول عناصر شیمیایی D.I. مندلیف - 232 گرم در مول. بیایید مقدار ماده مقیاس را پیدا کنیم: v(Fe 3 O 4) = 10/232 = 0.043 مول. طبق رابطه 1، v(HCl): v(Fe 3 O 4) = 1:8، بنابراین، v(HCl) = 8 v(Fe 3 O 4) = 0.344 مول. سپس مقدار ماده کلرید هیدروژن که بر اساس معادله (344/0 مول) محاسبه می شود، کمتر از مقداری خواهد بود که در شرط مسئله (904/0 مول) نشان داده شده است. بنابراین، اسید کلریدریک بیش از حد است و واکنش دیگری انجام می شود: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H 2 (3). بیایید مقدار ماده کلرید آهن تشکیل شده در نتیجه اولین واکنش را تعیین کنیم (شاخص ها نشان دهنده یک واکنش خاص هستند): v 1 (FeCl 2): ​​v (Fe 2 O 3) = 1: 1 = 0.043 مول؛ v 1 (FeCl 3): v(Fe 2 O 3) = 2:1; v 1 (FeCl 3) = 2 × v (Fe 2 O 3) = 0.086 مول. بیایید مقدار هیدروژن کلرید را که در واکنش 1 واکنش نشان نداده و مقدار ماده کلرید آهن (II) تشکیل شده در واکنش 3 را تعیین کنیم: v rem (HCl) = v(HCl) – v 1 (HCl) = 0.904 – 0.344 = 0.56 mol; v 3 (FeCl 2): ​​v rem (HCl) = 1:2; v 3 (FeCl 2) = 1/2 × v rem (HCl) = 0.28 مول. بیایید مقدار ماده FeCl 2 تشکیل شده در واکنش 2، مقدار کل ماده FeCl 2 و جرم آن را تعیین کنیم: v 2 (FeCl 3) = v 1 (FeCl 3) = 0.086 مول؛ v 2 (FeCl 2): ​​v 2 (FeCl 3) = 3:2; v 2 (FeCl 2) = 3/2× v 2 (FeCl 3) = 0.129 مول؛ v مجموع (FeCl2) = v 1 (FeCl 2) + v 2 (FeCl 2) + v 3 (FeCl 2) = 0.043 + 0.129 + 0.28 = 0.452 مول. m(FeCl 2) = v مجموع (FeCl 2) × M (FeCl 2) = 0.452 × 127 = 57.404 گرم. اجازه دهید مقدار ماده و جرم آهن وارد شده به واکنش های 2 و 3 را تعیین کنیم: v 2 (Fe): v 2 (FeCl 3) = 1:2; v 2 (Fe) = 1/2× v 2 (FeCl 3) = 0.043 مول؛ v 3 (Fe): v rem (HCl) = 1:2; v 3 (Fe) = 1/2×v رم (HCl) = 0.28 mol; v sum (Fe) = v 2 (Fe) + v 3 (Fe) = 0.043+0.28 = 0.323 mol; m(Fe) = v مجموع (Fe) ×M(Fe) = 0.323 × 56 = 18.088 گرم. اجازه دهید مقدار ماده و جرم هیدروژن آزاد شده در واکنش 3 را محاسبه کنیم: v(H2) = 1/2×v rem (HCl) = 0.28 mol; m(H2) = v(H2) ×M(H2) = 0.28 × 2 = 0.56 گرم. جرم محلول حاصل از m'sol و کسر جرمی FeCl 2 را در آن تعیین می کنیم: m’ sol \u003d m sol (HCl) + m (Fe 3 O 4) + m (Fe) - m (H 2);

معرفی

مطالعه خواص شیمیایی عناصر منفرد جزء جدایی ناپذیر یک دوره شیمی در یک مدرسه مدرن است که بر اساس یک رویکرد استقرایی اجازه می دهد تا در مورد ویژگی های تعامل شیمیایی عناصر بر اساس فیزیکی و شیمیایی آنها فرضی ایجاد کند. مشخصات. با این حال، توانایی های آزمایشگاه شیمی مدرسه همیشه به ما اجازه نمی دهد که وابستگی خواص شیمیایی یک عنصر را به موقعیت آن در سیستم تناوبی عناصر شیمیایی و ویژگی های ساختاری مواد ساده نشان دهیم.

خواص شیمیایی گوگرد هم در ابتدای دوره شیمی برای نشان دادن تفاوت بین پدیده های شیمیایی و فیزیکی و هم هنگام مطالعه ویژگی های عناصر شیمیایی منفرد استفاده می شود. اغلب، دستورالعمل ها نشان دادن برهمکنش گوگرد با آهن را به عنوان نمونه ای از پدیده های شیمیایی و نمونه ای از خواص اکسیداتیو گوگرد توصیه می کنند. اما در بیشتر موارد این واکنش یا اصلا رخ نمی دهد و یا نمی توان نتایج بروز آن را با چشم غیر مسلح ارزیابی کرد. گزینه‌های مختلف برای انجام این آزمایش اغلب با تکرارپذیری کم نتایج مشخص می‌شوند، که اجازه استفاده سیستماتیک آنها را در توصیف فرآیندهای فوق نمی‌دهد. بنابراین، جستجو برای گزینه‌هایی که می‌توانند جایگزینی برای نشان دادن فرآیند برهم‌کنش آهن با گوگرد، مناسب با ویژگی‌های آزمایشگاه شیمی مدرسه ارائه دهند، مرتبط است.

هدف:امکان انجام واکنش‌های مربوط به برهمکنش گوگرد با فلزات را در آزمایشگاه مدرسه بررسی کنید.

وظایف:

تعیین مشخصات فیزیکی و شیمیایی اصلی گوگرد؛

تجزیه و تحلیل شرایط انجام و وقوع واکنش های تعامل گوگرد با فلزات؛

مطالعه روش های شناخته شده برای اجرای برهمکنش گوگرد با فلزات؛

سیستم هایی را برای انجام واکنش ها انتخاب کنید.

ارزیابی کفایت واکنش های انتخاب شده به شرایط آزمایشگاه شیمی مدرسه.

موضوع مطالعه:واکنش های برهمکنش گوگرد با فلزات

موضوع مطالعه:امکان سنجی واکنش های برهمکنش گوگرد با فلزات در آزمایشگاه مدرسه

فرضیه:یک جایگزین برای برهمکنش آهن با گوگرد در آزمایشگاه شیمی مدرسه، یک واکنش شیمیایی است که الزامات شفافیت، تکرارپذیری، ایمنی نسبی و در دسترس بودن مواد واکنش دهنده را برآورده می کند.

می خواهیم کار خود را با توضیح مختصری در مورد گوگرد شروع کنیم:

موقعیت در جدول تناوبی: گوگرد در دوره 3، گروه VI، زیرگروه اصلی (A)، متعلق به عناصر s است.

عدد اتمی گوگرد 16 است، بنابراین، بار اتم گوگرد + 16، تعداد الکترون ها 16 است. سه سطح الکترونی در سطح بیرونی 6 الکترون است.

طرح آرایش الکترون ها بر اساس سطوح:

16 اس )))
2 8 6

هسته یک اتم گوگرد 32 S شامل 16 پروتون (برابر بار هسته) و 16 نوترون (جرم اتمی منهای تعداد پروتون ها: 32 - 16 = 16) است.

فرمول الکترونیکی: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4

میز 1

مقادیر پتانسیل یونیزاسیون اتم گوگرد

پتانسیل یونیزاسیون

انرژی (eV)

گوگرد در سرما نسبتاً بی اثر (به شدت فقط با فلوئور)، اما وقتی گرم می شود از نظر شیمیایی بسیار فعال می شود - با هالوژن ها واکنش می دهد(به جز ید)، اکسیژن، هیدروژن و تقریباً با تمام فلزات. در نتیجهواکنش ها نوع دوم ترکیبات گوگردی مربوطه را تولید می کند.

واکنش پذیری گوگرد، مانند هر عنصر دیگر، هنگام برهم کنش با فلزات به موارد زیر بستگی دارد:

فعالیت مواد واکنش دهنده به عنوان مثال، گوگرد به طور فعال با فلزات قلیایی تعامل خواهد داشت

در دمای واکنش این با ویژگی های ترمودینامیکی فرآیند توضیح داده می شود.

امکان ترمودینامیکی وقوع خود به خود واکنش های شیمیایی در شرایط استاندارد با انرژی استاندارد گیبس واکنش تعیین می شود:

ΔG 0 T< 0 – прямая реакция протекает

ΔG 0 Т > 0 - واکنش مستقیم غیرممکن است

در مورد درجه آسیاب مواد واکنش دهنده، زیرا گوگرد و فلزات عمدتاً در حالت جامد واکنش نشان می دهند.

ویژگی های ترمودینامیکی برخی از واکنش های بین گوگرد و فلزات داده شده است در اسلاید 4

از جدول می توان دریافت که برهمکنش گوگرد با هر دو فلز در ابتدای سری تنش و فلزات کم فعال از نظر ترمودینامیکی امکان پذیر است.

بنابراین، گوگرد یک غیرفلز نسبتاً فعال در هنگام گرم شدن است، که قادر به واکنش با فلزات دارای فعالیت بالا (قلیایی) و فعالیت کم (نقره، مس) است.

بررسی برهمکنش گوگرد با فلزات

انتخاب سیستم برای تحقیق

برای مطالعه برهمکنش گوگرد با فلزات، سیستم‌هایی انتخاب شدند که شامل فلزات واقع در مکان‌های مختلف سری Beketov و دارای فعالیت‌های متفاوت بودند.

معیارهای زیر به عنوان شرایط انتخاب شناسایی شدند: سرعت اجرا، وضوح، کامل بودن واکنش، ایمنی نسبی، تکرارپذیری نتیجه، مواد باید به طور قابل توجهی در خواص فیزیکی متفاوت باشند، در دسترس بودن مواد در آزمایشگاه مدرسه، تلاش های موفقیت آمیزی برای حمل وجود دارد. برهم کنش گوگرد با فلزات خاص

برای ارزیابی تکرارپذیری واکنش ها، هر آزمایش سه بار انجام شد.

بر اساس این معیارها، سیستم های واکنش زیر برای آزمایش انتخاب شدند:

گوگرد و مس Cu + S = CuS + 79 kJ/mol

روش شناسی و اثر مورد انتظار

4 گرم گوگرد را به صورت پودر گرفته و در لوله آزمایش بریزید. گوگرد را در لوله آزمایش حرارت دهید تا بجوشد. سپس یک سیم مسی بردارید و روی شعله گرم کنید. وقتی گوگرد ذوب شد و به جوش آمد، سیم مسی را در آن قرار دهید

نتایج مورد انتظار:لوله آزمایش با بخارات قهوه ای پر می شود، سیم گرم می شود و می سوزد و یک سولفید شکننده تشکیل می دهد.

2. برهمکنش گوگرد با مس.

واکنش خیلی واضح نبود؛ گرمایش خود به خودی مس نیز رخ نداد. هنگام افزودن اسید کلریدریک، تکامل گاز قابل توجهی مشاهده نشد.

گوگرد و آهن Fe + S = FeS + 100.4 kJ/mol

روش شناسی و اثر مورد انتظار

4 گرم گوگرد پودر شده و 7 گرم پودر آهن را بردارید و مخلوط کنید. مخلوط به دست آمده را در یک لوله آزمایش بریزید. بیایید مواد را در یک لوله آزمایش گرم کنیم

نتایج مورد انتظار:گرمایش خود به خودی قوی مخلوط رخ می دهد. سولفید آهن حاصل پخته می شود. این ماده با آب جدا نمی شود و به آهنربا واکنش نشان نمی دهد.

1. برهمکنش گوگرد با آهن.

انجام واکنشی برای تولید سولفید آهن بدون باقیمانده در شرایط آزمایشگاهی تقریباً غیرممکن است؛ تعیین اینکه چه زمانی مواد کاملاً واکنش داده اند بسیار دشوار است؛ گرمایش خود به خودی مخلوط واکنش مشاهده نمی شود. ماده حاصل بررسی شد تا ببینند سولفید آهن است یا خیر. برای این کار از HCl استفاده کردیم. وقتی اسید کلریدریک را روی ماده ریختیم، شروع به کف کردن کرد و سولفید هیدروژن آزاد شد.

گوگرد و سدیم 2Na + S = Na 2 S + 370.3 kJ/mol

روش شناسی و اثر مورد انتظار

4 گرم گوگرد پودر شده را بردارید و در هاون بریزید و خوب آسیاب کنید

یک تکه سدیم به وزن حدود 2 گرم را برش دهید. فیلم اکسید را جدا کرده و آنها را با هم آسیاب کنید.

نتایج مورد انتظار:واکنش به سرعت پیش می رود و احتراق خود به خودی معرف ها امکان پذیر است.

3. برهمکنش گوگرد با سدیم.

برهمکنش گوگرد با سدیم خود آزمایشی خطرناک و به یاد ماندنی است. پس از چند ثانیه مالش، اولین جرقه ها پخش شد و سدیم و گوگرد موجود در هاون شعله ور شد و شروع به سوختن کرد. هنگامی که محصول با اسید هیدروکلریک در تعامل است، سولفید هیدروژن به طور فعال آزاد می شود.

گوگرد و روی Zn + S = ZnS + 209 کیلوژول بر مول

روش شناسی و اثر مورد انتظار

پودر گوگرد و روی را هر کدام 4 گرم گرفته و مواد را مخلوط کنید. مخلوط تمام شده را روی توری آزبست بریزید. یک مشعل داغ به مواد می آوریم

نتایج مورد انتظار:واکنش بلافاصله رخ نمی دهد، بلکه به شدت رخ می دهد و شعله سبز مایل به آبی تشکیل می شود.

4. برهمکنش گوگرد با روی.

شروع واکنش بسیار دشوار است، شروع آن نیاز به استفاده از عوامل اکسید کننده قوی یا دمای بالا دارد. این مواد با شعله سبز مایل به آبی شعله ور می شوند. هنگامی که شعله خاموش می شود، باقی مانده ای در این مکان باقی می ماند؛ هنگام تعامل با اسید هیدروکلریک، سولفید هیدروژن کمی آزاد می شود.

گوگرد و آلومینیوم 2Al + 3S = Al 2 S 3 + 509.0 kJ/mol

روش شناسی و اثر مورد انتظار

پودر گوگرد به وزن 4 گرم و آلومینیوم به وزن 2.5 گرم را گرفته و مخلوط کنید. مخلوط حاصل را روی توری آزبست قرار دهید. مخلوط را با منیزیم سوزان مشتعل کنید

نتایج مورد انتظار:واکنش باعث فلاش می شود.

5. برهمکنش گوگرد با آلومینیوم.

واکنش نیاز به افزودن یک عامل اکسید کننده قوی به عنوان آغازگر دارد. پس از احتراق با سوزاندن منیزیم، فلاش قدرتمند رنگ زرد مایل به سفید رخ داد، سولفید هیدروژن کاملاً فعال آزاد می شود.

گوگرد و منیزیم Mg + S = MgS + 346.0 kJ/mol

روش شناسی و اثر مورد انتظار

براده های منیزیم 2.5 گرم و پودر گوگرد 4 گرم را بگیرید و مخلوط کنید

مخلوط حاصل را روی توری آزبست قرار دهید. خرد شده را به مخلوط حاصل می آوریم.

نتایج مورد انتظار:این واکنش باعث یک فلاش قدرتمند می شود.

4. برهمکنش گوگرد با منیزیم.

واکنش نیاز به افزودن منیزیم خالص به عنوان آغازگر دارد. یک فلاش قوی از رنگ سفید رخ می دهد، سولفید هیدروژن به طور فعال آزاد می شود.

نتیجه

واکنش برای تولید سولفید آهن کامل نشد، زیرا باقیمانده ای به شکل مخلوطی از گوگرد پلاستیکی و آهن باقی مانده است.

فعال ترین آزادسازی سولفید هیدروژن در سولفید سدیم و در سولفیدهای منیزیم و آلومینیوم مشاهده شد.

سولفید مس آزادسازی کمتری از سولفید هیدروژن داشت.

انجام آزمایش برای به دست آوردن سولفید سدیم خطرناک است و در آزمایشگاه مدرسه توصیه نمی شود.

واکنش های تولید سولفیدهای آلومینیوم، منیزیم و روی برای انجام در شرایط مدرسه مناسب ترین است.

نتایج مورد انتظار و واقعی زمانی که گوگرد با سدیم، منیزیم و آلومینیوم برهمکنش داشت همزمان بود.

نتیجه

علیرغم توصیه های موجود برای نشان دادن برهمکنش آهن با گوگرد به عنوان مثالی برای نشان دادن پدیده های شیمیایی و خواص اکسیداتیو گوگرد در درس شیمی دبیرستان، اجرای واقعی چنین آزمایشی اغلب با اثر قابل مشاهده همراه نیست.

هنگام تعیین جایگزینی برای این نمایش، سیستم هایی انتخاب شدند که الزامات دید، ایمنی و در دسترس بودن مواد واکنش دهنده در آزمایشگاه مدرسه را برآورده می کردند. سیستم‌های واکنش گوگرد با مس، آهن، روی، منیزیم، آلومینیوم و سدیم به‌عنوان گزینه‌های ممکن انتخاب شدند و به ما اجازه می‌دهند اثربخشی استفاده از واکنش گوگرد با فلزات مختلف را به‌عنوان آزمایش‌های نمایشی در درس‌های شیمی ارزیابی کنیم.

بر اساس نتایج آزمایشات، مشخص شد که برای این اهداف استفاده از سیستم های واکنش گوگرد با فلزات با فعالیت متوسط ​​​​بالا (منیزیم، آلومینیوم) بهینه ترین است.

بر اساس آزمایش‌های انجام‌شده، ویدئویی ایجاد شد که خواص اکسیداتیو گوگرد را با استفاده از مثالی از برهمکنش آن با فلزات نشان می‌دهد، که توصیف این ویژگی‌ها را بدون انجام آزمایشی در مقیاس کامل ممکن می‌سازد. یک وب سایت به عنوان کمک اضافی ایجاد شده است ( ) که از جمله نتایج مطالعه را به صورت تصویری ارائه می کند.

نتایج این مطالعه می‌تواند مبنایی برای مطالعه عمیق‌تر ویژگی‌های خواص شیمیایی نافلزات، سینتیک شیمیایی و ترمودینامیک باشد.

خواص شیمیایی آهنبیایید به مثالی از تعامل آن با غیر فلزات معمولی - گوگرد و اکسیژن نگاه کنیم.

آهن و گوگرد خرد شده را در یک ظرف پتری مخلوط کنید. بیایید یک سوزن بافندگی فولادی را در شعله حرارت دهیم و آن را به مخلوط معرف ها لمس کنیم. واکنش شدید بین آهن و گوگرد با آزاد شدن انرژی گرما و نور همراه است. محصول جامد اثر متقابل این مواد، سولفید آهن (II) سیاه است. برخلاف آهن توسط آهنربا جذب نمی شود.

آهن با گوگرد واکنش می دهد و سولفید آهن (II) تشکیل می دهد. بیایید معادله واکنش را ایجاد کنیم:

واکنش آهن با اکسیژن نیز نیاز به پیش گرم کردن دارد. ماسه کوارتز را در ظرفی با دیواره ضخیم بریزید. یک دسته سیم آهنی بسیار نازک - به اصطلاح پشم آهن - را در شعله مشعل گرم کنیم. سیم داغ را در ظرف حاوی اکسیژن قرار دهید. آهن با شعله خیره کننده می سوزد، جرقه های پراکنده - ذرات داغ مقیاس آهن Fe 3 O 4.

همین واکنش در هوا نیز رخ می دهد، زمانی که فولاد در اثر اصطکاک در حین ماشینکاری بسیار داغ می شود.

هنگامی که آهن در اکسیژن یا هوا می سوزد، رسوب آهن تشکیل می شود:

3Fe + 2O 2 = Fe 3 O 4، مطالب از سایت

یا 3Fe + 2O 2 = FeO. Fe 2 O 3 .

فلس آهن ترکیبی است که در آن آهن مقادیر ظرفیت متفاوتی دارد.

عبور هر دو واکنش اتصال با آزاد شدن انرژی حرارتی و نوری همراه است.

در این صفحه مطالبی در مورد موضوعات:

• سولفید آهن با اکسیژن چه نوع واکنشی است؟

• معادله آهن و گوگرد را بنویسید

• سطح واکنش های آهن با اکسیژن

• نمونه ای از واکنش شیمیایی بین آهن و گوگرد

• معادله برهمکنش اکسیژن با آهن

سوالات در مورد این مواد:

آهن عنصری از زیرگروه جانبی گروه هشتم دوره چهارم سیستم تناوبی عناصر شیمیایی D.I. مندلیف با عدد اتمی 26 است که با نماد Fe (lat. Ferrum) مشخص می شود. یکی از رایج ترین فلزات در پوسته زمین (مقام دوم بعد از آلومینیوم). فلز با فعالیت متوسط، عامل کاهنده.

حالت های اصلی اکسیداسیون - 2+، +3

ماده ساده آهن، فلزی شکل‌پذیر به رنگ سفید نقره‌ای با واکنش‌پذیری شیمیایی بالا است: آهن در دماهای بالا یا رطوبت بالا در هوا به سرعت خورده می‌شود. آهن در اکسیژن خالص می سوزد و در حالت پراکنده ریز خود به خود در هوا مشتعل می شود.

خواص شیمیایی یک ماده ساده - آهن:

زنگ زدگی و سوختن در اکسیژن

1) آهن در هوا به راحتی در مجاورت رطوبت اکسید می شود (زنگ زدگی):

4Fe + 3O 2 + 6H 2 O → 4Fe(OH) 3

سیم آهن داغ در اکسیژن می سوزد و رسوب تشکیل می دهد - اکسید آهن (II، III):

3Fe + 2O 2 → Fe 3 O 4

3Fe+2O2 →(Fe II Fe 2 III)O4 (160 درجه سانتیگراد)

2) در دماهای بالا (700-900 درجه سانتیگراد)، آهن با بخار آب واکنش می دهد:

3Fe + 4H 2 O – t ° → Fe 3 O 4 + 4H 2

3) آهن هنگام گرم شدن با غیر فلزات واکنش نشان می دهد:

2Fe+3Cl 2 → 2FeCl 3 (200 درجه سانتیگراد)

Fe + S – t° → FeS (600 درجه سانتیگراد)

Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700 درجه سانتیگراد)

4) در سری ولتاژ، در سمت چپ هیدروژن است، با اسیدهای رقیق HCl و H 2 SO 4 واکنش می دهد و نمک های آهن (II) تشکیل می شود و هیدروژن آزاد می شود:

Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (واکنش ها بدون دسترسی به هوا انجام می شود، در غیر این صورت Fe + 2 به تدریج توسط اکسیژن به Fe + 3 تبدیل می شود)

Fe + H 2 SO 4 (رقیق شده) → FeSO 4 + H 2

در اسیدهای اکسید کننده غلیظ، آهن تنها با حرارت دادن حل می شود و بلافاصله به کاتیون Fe 3+ تبدیل می شود:

2Fe + 6H 2 SO 4 (conc.) - t ° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O

Fe + 6HNO 3 (conc.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O

(در سرما، اسیدهای نیتریک و سولفوریک غلیظ غیرفعال کردن

میخ آهنی غوطه ور در محلول آبی سولفات مس به تدریج با پوششی از مس فلزی قرمز پوشانده می شود.

5) آهن فلزات واقع در سمت راست خود را از محلول های نمک آنها جابجا می کند.

Fe + CuSO 4 → FeSO 4 + Cu

خواص آمفوتریک آهن فقط در قلیاهای غلیظ در هنگام جوشش ظاهر می شود:

Fe + 2NaOH (50%) + 2H 2 O = Na 2 ↓ + H 2

و رسوبی از سدیم تتراهیدروکسوفرات (II) تشکیل می شود.

سخت افزار فنی- آلیاژهای آهن و کربن: چدن حاوی 2.06-6.67٪ C است. فولاد 0.02-2.06٪ C، سایر ناخالصی های طبیعی (S، P، Si) و افزودنی های ویژه معرفی شده مصنوعی (Mn، Ni، Cr) اغلب وجود دارد که به آلیاژهای آهن خواص فنی مفیدی می دهد - سختی، مقاومت حرارتی و خوردگی، چکش خواری و غیره. . .

فرآیند تولید آهن کوره بلند

فرآیند تولید آهن در کوره بلند شامل مراحل زیر است:

الف) تهیه (برشته کردن) سنگ معدن سولفیدی و کربناتی - تبدیل به سنگ معدنی اکسیدی:

FeS 2 → Fe 2 O 3 (O 2,800 درجه سانتی گراد، -SO 2) FeCO 3 → Fe 2 O 3 (O 2500-600 درجه سانتی گراد، -CO 2)

ب) احتراق کک با انفجار داغ:

C (کک) + O 2 (هوا) → CO 2 (600-700 درجه سانتیگراد) CO 2 + C (کک) ⇌ 2 CO (700-1000 درجه سانتیگراد)

ج) کاهش سنگ معدن اکسید با مونوکسید کربن CO به صورت متوالی:

Fe2O3 → (CO)(Fe II Fe 2 III) O 4 → (CO) FeO → (CO) Fe

د) کربوریزه کردن آهن (تا 6.67% C) و ذوب چدن:

Fe (t ) →(سی(کک)900-1200 درجه سانتیگراد)آهن (مایع) (چدن، نقطه ذوب 1145 درجه سانتیگراد)

چدن همیشه حاوی سمنتیت Fe 2 C و گرافیت به صورت دانه است.

تولید فولاد

تبدیل چدن به فولاد در کوره های ویژه (مبدل، اجاق باز، الکتریکی) انجام می شود که در روش گرمایش متفاوت است. دمای فرآیند 1700-2000 درجه سانتیگراد. دمیدن هوای غنی شده با اکسیژن منجر به سوختن کربن اضافی و همچنین گوگرد، فسفر و سیلیکون به شکل اکسیدهای چدن می شود. در این مورد، اکسیدها یا به شکل گازهای خروجی (CO 2، SO 2) جذب می شوند، یا به سرباره ای که به راحتی جدا می شود - مخلوطی از Ca 3 (PO 4) 2 و CaSiO 3 متصل می شوند. برای تولید فولادهای ویژه، افزودنی های آلیاژی سایر فلزات به کوره وارد می شود.

اعلام وصولآهن خالص در صنعت - الکترولیز محلول نمک های آهن، به عنوان مثال:

FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90°С) (الکترولیز)

(روش های ویژه دیگری از جمله احیای اکسیدهای آهن با هیدروژن وجود دارد).

از آهن خالص در تولید آلیاژهای خاص، در ساخت هسته های الکترومغناطیس و ترانسفورماتور، چدن - در تولید قطعات ریخته گری و فولاد، فولاد - به عنوان مواد ساختاری و ابزار، از جمله مقاوم در برابر سایش، حرارت و خوردگی استفاده می شود. آنهایی که

اکسید آهن (II). اف EO . یک اکسید آمفوتریک با غلبه بالایی از خواص اساسی. سیاه، دارای ساختار یونی Fe 2 + O 2- . وقتی گرم می شود ابتدا تجزیه می شود و دوباره تشکیل می شود. هنگام سوختن آهن در هوا تشکیل نمی شود. با آب واکنش نشان نمی دهد. با اسیدها تجزیه می شود، با قلیاها ترکیب می شود. در هوای مرطوب به آرامی اکسید می شود. توسط هیدروژن و کک کاهش می یابد. در فرآیند کوره بلند ذوب آهن شرکت می کند. به عنوان جزئی از سرامیک ها و رنگ های معدنی استفاده می شود. معادلات مهم ترین واکنش ها:

4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 درجه سانتی گراد، 900-1000 درجه سانتی گراد)

FeO + 2HC1 (رقیق شده) = FeC1 2 + H 2 O

FeO + 4HNO 3 (conc.) = Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O

FeO + 4NaOH = 2H 2 O + نیک 4افهO3 (قرمز.) تری اکسوفرات (II)(400-500 درجه سانتیگراد)

FeO + H 2 = H 2 O + Fe (فوق العاده خالص) (350 درجه سانتیگراد)

FeO + C (کک) = Fe + CO (بالای 1000 درجه سانتیگراد)

FeO + CO = Fe + CO 2 (900 درجه سانتیگراد)

4FeO + 2H 2 O (رطوبت) + O 2 (هوا) → 4FeO(OH) (t)

6FeO + O 2 = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 درجه سانتیگراد)

اعلام وصول V آزمایشگاه ها: تجزیه حرارتی ترکیبات آهن (II) بدون دسترسی به هوا:

Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 درجه سانتیگراد)

FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 درجه سانتیگراد)

اکسید دی آیرون (III) - آهن ( II ) ( Fe II Fe 2 III)O 4 . دو اکسید. سیاه، دارای ساختار یونی Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4 است. از نظر حرارتی تا دماهای بالا پایدار است. با آب واکنش نشان نمی دهد. با اسیدها تجزیه می شود. توسط هیدروژن، آهن داغ کاهش می یابد. در فرآیند کوره بلند تولید چدن شرکت می کند. به عنوان جزئی از رنگ های معدنی استفاده می شود ( سرب قرمز)، سرامیک، سیمان رنگی. محصول اکسیداسیون ویژه سطح محصولات فولادی ( سیاه شدن، کبود شدن). ترکیب مربوط به زنگ قهوه ای و پوسته تیره روی آهن است. استفاده از فرمول Fe 3 O 4 توصیه نمی شود. معادلات مهم ترین واکنش ها:

2 (Fe II Fe 2 III) O 4 \u003d 6FeO + O 2 (بالای 1538 درجه سانتیگراد)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8HC1 (تفاوت) \u003d FeC1 2 + 2FeC1 3 + 4H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 10HNO 3 (conc.) \u003d 3 Fe (NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O

(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (هوا) \u003d 6Fe 2 O 3 (450-600 ° C)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + 4H 2 \u003d 4H 2 O + 3Fe (خلوص بالا، 1000 درجه سانتیگراد)

(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO \u003d 3 FeO + CO 2 (500-800 درجه سانتیگراد)

(Fe II Fe 2 III) O4 + Fe ⇌4 FeO (900-1000 ° C، 560-700 ° C)

اعلام وصول:احتراق آهن (نگاه کنید به) در هوا.

مگنتیت

اکسید آهن (III). اف e 2 O 3 . اکسید آمفوتریک با غلبه خواص اساسی. قرمز قهوه ای، دارای ساختار یونی (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. از نظر حرارتی تا دماهای بالا پایدار است. هنگام سوختن آهن در هوا تشکیل نمی شود. با آب واکنش نمی دهد، هیدرات آمورف قهوه ای Fe 2 O 3 nH 2 O از محلول رسوب می کند. با اسیدها و قلیاها به آرامی واکنش می دهد. توسط مونوکسید کربن، آهن مذاب کاهش می یابد. با اکسیدهای فلزات دیگر آلیاژ می کند و اکسیدهای مضاعف را تشکیل می دهد - اسپینل ها(به محصولات فنی فریت می گویند). به عنوان ماده اولیه در ذوب چدن در فرآیند کوره بلند، کاتالیزور در تولید آمونیاک، جزء سرامیک ها، سیمان های رنگی و رنگ های معدنی، در جوشکاری ترمیت سازه های فولادی، به عنوان حامل صدا استفاده می شود. و تصویر بر روی نوارهای مغناطیسی، به عنوان یک عامل پولیش برای فولاد و شیشه.

معادلات مهم ترین واکنش ها:

6Fe 2 O 3 = 4 (Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (1200-1300 درجه سانتیگراد)

Fe 2 O 3 + 6НС1 (dil.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (t) (600°С,р)

Fe 2 O 3 + 2 NaOH (conc.) → H 2 O + 2 نآافهO 2 (قرمز)دیوکسوفرات (III)

Fe 2 O 3 + MO = (M II Fe 2 II I) O 4 (M = مس، منگنز، آهن، نیکل، روی)

Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O + 2Fe (فوق العاده خالص، 1050-1100 درجه سانتیگراد)

Fe 2 O 3 + Fe = 3FeO (900 درجه سانتیگراد)

3Fe 2 O 3 + CO = 2 (Fe II Fe 2 III) O 4 + CO 2 (400-600 درجه سانتیگراد)

اعلام وصولدر آزمایشگاه - تجزیه حرارتی نمک های آهن (III) در هوا:

Fe 2 (SO 4) 3 = Fe 2 O 3 + 3SO 3 (500-700 درجه سانتیگراد)

4(Fe(NO 3) 3 9 H 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 درجه سانتیگراد)

در طبیعت - سنگ معدن اکسید آهن هماتیت Fe 2 O 3 و لیمونیت Fe 2 O 3 nH 2 O

هیدروکسید آهن (II). اف e(OH) 2. هیدروکسید آمفوتریک با غلبه خواص اساسی. پیوندهای سفید (گاهی اوقات با رنگ مایل به سبز)، پیوندهای Fe-OH عمدتاً کووالانسی هستند. از نظر حرارتی ناپایدار است. به راحتی در هوا اکسید می شود، به ویژه هنگامی که مرطوب است (تاریک می شود). نامحلول در آب. با اسیدهای رقیق و قلیاهای غلیظ واکنش می دهد. کاهنده معمولی یک محصول میانی در زنگ زدگی آهن. در ساخت توده فعال باتری های آهن نیکل استفاده می شود.

معادلات مهم ترین واکنش ها:

Fe(OH) 2 = FeO + H 2 O (150-200 درجه سانتیگراد، اتمسفر N 2)

Fe(OH) 2 + 2HC1 (dil.) = FeC1 2 + 2H 2 O

Fe(OH) 2 + 2 NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (آبی-سبز) (جوش)

4Fe(OH) 2 (تعلیق) + O 2 (هوا) → 4FeO(OH)↓ + 2H 2 O (t)

2Fe(OH) 2 (تعلیق) +H2O2 (رقیق شده) = 2FeO(OH)↓ + 2H2O

Fe(OH) 2 + KNO 3 (conc.) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 درجه سانتیگراد)

اعلام وصول: رسوب از محلول با مواد قلیایی یا هیدرات آمونیاک در یک جو بی اثر:

Fe 2+ + 2OH (dil.) = افe(OH) 2 ↓

Fe 2 + + 2 (NH 3 H 2 O) = افe(OH) 2 ↓+ 2NH 4

متا هیدروکسید آهن اف eO(OH). هیدروکسید آمفوتریک با غلبه خواص اساسی. پیوندهای قهوه ای روشن، Fe - O و Fe - OH عمدتا کووالانسی هستند. هنگامی که گرم می شود، بدون ذوب تجزیه می شود. نامحلول در آب. از محلول به شکل یک پلی هیدرات آمورف قهوه ای Fe 2 O 3 nH 2 O رسوب می کند که وقتی در زیر محلول قلیایی رقیق نگهداری می شود یا پس از خشک شدن به FeO(OH) تبدیل می شود. با اسیدها و قلیاهای جامد واکنش می دهد. عامل اکسید کننده و کاهنده ضعیف. زینتر شده با Fe(OH) 2. یک محصول میانی در زنگ زدگی آهن. به عنوان پایه ای برای رنگ های معدنی و لعاب های زرد، جاذب گازهای زائد و کاتالیزور در سنتز آلی استفاده می شود.

ترکیب ترکیب Fe(OH) 3 ناشناخته است (به دست نیامده است).

معادلات مهم ترین واکنش ها:

Fe 2 O 3 . nH 2 O→( 200-250 درجه سانتیگراد، -اچ 2 O) FeO(OH)→( 560-700 درجه سانتیگراد در هوا، -H2O)← Fe 2 O 3

FeO(OH) + ZNS1 (dil.) = FeC1 3 + 2H 2 O

FeO(OH)→ Fe 2 O 3 . nH 2 O-کلوئید(NaOH (conc.))

FeO(OH)→ نیک 3 [افe(OH) 6]سفید Na 5 و K 4 به ترتیب. در هر دو مورد، یک محصول آبی با ترکیب و ساختار یکسان، KFe III، رسوب می کند. در آزمایشگاه به این رسوب می گویند آبی پروس، یا تورنبول آبی:

Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓

Fe 3 + + K + + 4- = KFe III ↓

نام شیمیایی معرف های شروع کننده و محصولات واکنش:

K 3 Fe III - هگزاسیانوفرات پتاسیم (III)

K4 Fe III - هگزاسیانوفرات پتاسیم (II)

КFe III - آهن (III) هگزاسیانوفرات پتاسیم (II)

علاوه بر این، یک معرف خوب برای یون های Fe 3+ یون تیوسیانات NСS است - آهن (III) با آن ترکیب می شود و رنگ قرمز روشن ("خونین") ظاهر می شود:

Fe 3+ + 6NCS - = 3-

این معرف (مثلاً به شکل نمک KNCS) در صورت عبور از لوله های آهنی پوشیده شده با زنگ در داخل، حتی می تواند آثار آهن (III) را در آب لوله کشی تشخیص دهد.