Mendeleev. Chimia elementelor VIII B din grupa sistemului periodic D.I. Mendeleev Caracteristici generale ale elementelor grupului 8 al subgrupului secundar

Subgrupul lateral al celui de-al optulea grup acoperă trei triade de elemente d.

Prima triadă este formată din elemente fier, cobalt și nichel, al doilea - ruteniu, rodiu, paladiu, iar a treia triadă - osmiu, iridiu și platină.

Majoritatea elementelor din subgrupul luat în considerare au doi electroni în învelișul exterior al atomului; toate sunt metale.

Pe lângă electronii exteriori, electronii din învelișul de electroni anterior neterminat participă și ei la formarea legăturilor chimice.

Familia fierului include fierul, cobaltul și nichelul. Creșterea electronegativității în seria Fe (1.83) – Co (1.88) – Ni (1.91) arată că de la fier la nichel ar trebui să se producă o scădere a proprietăților bazice și reducătoare. În seria tensiunii electrochimice, aceste elemente vin înaintea hidrogenului.

În ceea ce privește prevalența sa în natură, utilizarea compușilor în medicină și tehnologie și rolul său în organism, fierul se află pe primul loc în acest grup.

Elementele din familia fierului din compuși prezintă stări de oxidare +2,

Compuși de fier (II).. Sărurile feroase se formează atunci când fierul se dizolvă în acizi diluați. Cel mai important dintre ele este sulfatul de fier (II) sau sulfatul feros, FeSO4 . 7H 2 O, formând verde deschis

cristale, foarte solubile în apă. În aer, sulfatul de fier se erodează treptat și în același timp se oxidează de la suprafață, transformându-se într-o sare de bază galben-maronie a fierului (III).

Sulfatul de fier (II) este preparat prin dizolvarea resturilor de oțel în acid sulfuric 20-30%:

Fe + H2S04 = FeS04 + H2

Sulfatul de fier (II) este utilizat pentru combaterea dăunătorilor plantelor, în producția de cerneluri și vopsele minerale și în vopsirea textilelor. Când o soluție de sare de fier (II) reacționează cu un alcalin, precipită un precipitat alb de hidroxid de fier (II) Fe(OH) 2, care în aer, datorită oxidării, capătă rapid o culoare verzuie și apoi maro, transformându-se în fier. (III) hidroxid Fe(OH)3:

4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3

Compușii de fier divalenți sunt agenți reducători și pot fi transformați cu ușurință în compuși de fier feric:

6FeSO 4 + 2HNO 3 + 3H 2 SO 4 = 3Fe 2 (SO 4) 3 + 2NO + 4H 2 O

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4 = 5Fe 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 8H 2 O

Oxidul feric și hidroxidul au proprietăți amfotere. Hidroxidul de fier (III) este o bază mai slabă decât hidroxidul de fier (II), acest lucru se exprimă prin faptul că sărurile de fier feric sunt puternic hidrolizate, iar Fe(OH) 3 nu formează săruri cu acizi slabi (de exemplu, acidul carbonic, sulfat de hidrogen).

Proprietățile acide ale oxidului și hidroxidului de fier feric se manifestă în reacția de fuziune cu carbonați de metale alcaline, în urma căreia se formează ferite - săruri ale acidului feros HFeO 2 neobținute în stare liberă:

Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 = 2NaFeO 2 + CO

Dacă încălziți pilitură de oțel sau oxid de fier (III) cu azotat și hidroxid de potasiu, se formează un aliaj care conține ferat de potasiu K 2 FeO 4 - o sare a acidului de fier H 2 FeO 4 care nu se eliberează în stare liberă:

Fe 2 O 3 + 4KOH + 3KNO 3 = 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O

În compușii biogene, fierul este complexat cu liganzi organici (mioglobină, hemoglobină). Gradul de oxidare a fierului în aceste complexe este dezbătut. Unii autori consideră că starea de oxidare este +2, alții sugerează că variază de la +2 la +3 în funcție de gradul de interacțiune cu oxigenul.

Aplicație

Constantele de disociere ale unor acizi și baze /la 25 0 C/

Situat în a patra perioadă.
Greutatea atomică a fierului este de 55,84, sarcina nucleară +26. Distribuția electronilor după niveluri de energie (+26): 2, 8, 14, 2. Configurația electronică a stratului exterior și pre-exterior de fier 3s23p63d64s2.

Astfel, atomul de fier, pe lângă doi s-electroni ai celui de-al patrulea strat exterior, mai sunt sase d-electronii celui de-al treilea strat pre-exterior. Din acestea d-electronii sunt cei mai activi 4 nepereche. În consecință, 6 electroni sunt implicați în mod special în formarea legăturilor de valență de fier - 2 din straturile externe și 4 din straturile pre-exterioare. Cele mai frecvente stări de oxidare ale fierului sunt Fe+2 și Fe+3. Fierul este unul dintre cele mai des întâlnite elemente în natură. Ocupă locul patru ca prevalență printre alte elemente.

■ 57. Pe baza structurii atomului de fier, precum și a distribuției electronilor în orbitali, indicați posibilele stări de oxidare ale acestui element.

Fierul în stare liberă este un metal strălucitor de culoare gri-argintiu cu o densitate de 7,87, un punct de topire de 1535° și un punct de fierbere de 2740°. Fierul are proprietăți feromagnetice pronunțate, adică sub influența unui câmp magnetic devine magnetizat și atunci când câmpul se oprește, își păstrează proprietăți magnetice, devenind el însuși un magnet. Toate elementele grupului de fier au aceste proprietăți.
În ceea ce privește proprietățile sale chimice, fierul este un metal foarte activ. În absența umidității, fierul nu se schimbă în aer, dar atunci când este expus la umiditate și oxigen din aer, suferă o coroziune severă și se acoperă cu o peliculă liberă de rugină, care este fier, care nu îl protejează de mai departe. oxidare, iar fierul se oxidează treptat în întreaga sa masă:
4Fe + 2H2O + 3O2 = 2Fe2O3 2H2O
Au fost dezvoltate o serie de metode pentru a proteja acest metal valoros de coroziune.

În seria de tensiune, fierul este situat în stânga hidrogenului. În acest sens, este ușor expus la acizi diluați, transformându-se într-o sare feroasă de fier, de exemplu:
Fe + 2HCI = FeCl2 + H2
Fierul nu reacționează cu acizii sulfuric și azotic concentrați. Acești acizi creează o peliculă de oxid atât de puternică și densă pe suprafața metalului, încât metalul devine complet pasiv și nu mai intră în alte reacții. În același timp, atunci când interacționează direct cu agenți oxidanți puternici precum fierul, fierul prezintă întotdeauna o stare de oxidare de +3:
2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3
Fierul de călcat reacționează cu aburul supraîncălzit; în acest caz, este deplasat din apă, iar fierul fierbinte se transformă în oxid, iar acesta este întotdeauna fie oxid feros FeO, fie oxid de fier Fe3O4(Fe2O3 FeO):
Fe + H2O = FeO + H2

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
Fierul încălzit în oxigen pur arde viguros pentru a forma solzi de fier (vezi Fig. 40).

3Fe + 2O2 = Fe3O4

Când este calcinat, fierul formează un aliaj cu carbon și în același timp carbură de fier Fe3C.

■ 58. Enumeraţi proprietăţile fizice ale fierului.
59. Care sunt proprietățile chimice ale fierului? Dați un răspuns motivat.

Compuși de fier

Fierul formează două serii de compuși - compuși Fe +2 și Fe +3. Fierul se caracterizează prin doi oxizi - oxid FeO și oxid Fe2O3. Adevărat, este cunoscut oxidul mixt Fe3O4, a cărui moleculă este fier di- și trivalent: Fe2O3 · FeO. Acest oxid se mai numește și scară de fier, sau oxid de fier.

Compușii de fier feros sunt mai puțin stabili decât compușii de oxid de fier, iar în prezența unui agent oxidant, chiar dacă este doar aer, se transformă de obicei în compuși de fier feric. De exemplu, hidroxidul de fier (II) Fe(OH)2 este un solid alb, dar poate fi obținut sub formă pură numai atunci când soluțiile substanțelor care reacţionează nu conţin oxigen dizolvat și dacă reacţia se desfăşoară în absenţa oxigen atmosferic:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4
Sarea din care se obține hidroxidul de fier (II), desigur, nu trebuie să conțină cel mai mic amestec de compuși oxizi. Întrucât astfel de condiții sunt foarte dificil de creat într-un laborator educațional obișnuit, hidroxidul de fier (II) se obține sub formă de precipitat de culoare verde mai mult sau mai puțin închis cu aspect gelatinos, ceea ce indică oxidarea compușilor divalenți de fier în fier feric. Dacă hidroxidul de fier (II) este menținut în aer pentru o perioadă lungă de timp, se transformă treptat în hidroxid de fier (III) Fe(OH)3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
fierul sunt hidroxizi insolubili tipici. Hidroxidul de fier (II) are proprietăți bazice, în timp ce Fe(OH)3 are proprietăți amfotere foarte slab exprimate.

■ 60. Enumeraţi proprietăţile oxidului de fier ca oxid bazic tipic. Dați un răspuns motivat. Scrieți toate ecuațiile de reacție în forme ionice complete și prescurtate.

61. Enumerați proprietățile hidroxidului de fier (II). Sprijiniți-vă răspunsul cu ecuații de reacție.

Dintre sărurile de fier (II), cel mai important este sulfatul de fier FeSO4 · 7H2O, care conține 7 molecule de apă de cristalizare. Sulfatul de fier se dizolvă bine în apă. Este folosit pentru combaterea dăunătorilor agricoli, precum și la fabricarea coloranților.
Dintre sărurile de fier trivalent, cea mai importantă este clorura ferică FeCl3, care este cristale portocalii foarte higroscopice care absorb apa în timpul depozitării și se dizolvă într-o pastă maro.

Sărurile de fier (II) se pot transforma cu ușurință în săruri de fier (III), de exemplu atunci când sunt încălzite cu acid azotic sau permanganat de potasiu în prezența acidului sulfuric:
6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O
Oxidarea sărurilor de Fe +2 în săruri de Fe +3 poate avea loc și sub influența oxigenului atmosferic în timpul depozitării acestor compuși, dar acest proces este mai lung. Reactivi specifici foarte caracteristici sunt utilizați pentru a recunoaște cationii Fe 2+ și Fe 3+. De exemplu, pentru a recunoaște fierul divalent, luați sarea roșie a sângelui K3, care, în prezența ionilor de fier divalenți, dă cu ei un precipitat caracteristic albastru intens de Turnboule blue:
3FeSO4 + 2K3 = Fe32 + 3K2SO4
sau sub formă ionică
3Fe 2+ + 2 3- = Fe32
Pentru a recunoaște sărurile Fe3+, se folosește o reacție cu sare galbenă din sânge K4:
4FeCl3 + 3K4 = Fe43 + 12KCl

4Fe 3+ + 3 4- = Fe43
În acest caz, apare un precipitat de albastru intens de albastru prusac. Albastrul prusac și albastrul Turnboule sunt folosiți ca coloranți.
În plus, fierul feric poate fi recunoscut folosind săruri solubile - tiocianat de potasiu KCNS sau tiocianat de amoniu NH4CNS. Când aceste substanțe interacționează cu sărurile de Fe(III), soluția capătă o culoare roșie sânge.

■ 62. Enumeraţi proprietăţile sărurilor Fe +3 şi Fe +2. Care stare de oxidare este mai stabilă?
63. Cum se transformă sare Fe +2 în sare Fe +3 și invers? Dă exemple.

Reacția urmează ecuația:
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3Cl
sau sub formă ionică
Fe 3+ + 3CNS - = Fe(CNS),
Compușii de fier joacă un rol important în viața organismelor. De exemplu, face parte din proteina principală din sânge - hemoglobina, precum și din plantele verzi - clorofila. Fierul intră în organism în principal ca parte a materiei organice din produsele alimentare. Merele, ouăle, spanacul și sfecla conțin mult fier. Ca medicamente, fierul este folosit sub formă de săruri ale acizilor organici. Clorura ferică servește ca agent hemostatic.

■ 64. Trei eprubete conţin: a) sulfat de fier (II), b) sulfat de fier (III) şi c) clorură de fier (III). Cum se stabilește ce eprubetă conține ce sare?
65. Cum se efectuează o serie de transformări:
Fe → FeCl2 → FeSO4 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3 → Fe2O3.
66. Se dau: fier, sodă caustică. Cum, folosind numai aceste substanțe, se poate obține hidroxid de fier (II) și hidroxid de fier (III)?
67. O soluție care conține clorură de crom (III) și clorură de fier (III) a fost tratată cu exces alcalin. Precipitatul rezultat a fost filtrat. Ce a rămas pe filtru și ce a intrat în filtrat? Dați un răspuns argumentat folosind ecuații de reacție în forme moleculare, ionice complete și ionice reduse.

Aliaje de fier

Fierul este baza metalurgiei feroase, deci este extras în cantități uriașe. Noul program de construcție extinsă a comunismului prevede producția a 250 de milioane de tone de oțel în 1980. Este de 3,8 ori mai mult decât în ​​1960.
Fierul nu este folosit aproape niciodată în forma sa pură, ci doar sub formă de aliaje. Cele mai importante aliaje de fier sunt cele cu carbon - diverse fonte și oțeluri. Principala diferență dintre fontă și oțel este conținutul de carbon: fonta conține mai mult de 1,7% carbon, iar oțelul conține mai puțin de 1,7%.

Feroaliajele (un aliaj de fier și siliciu), ferocromul (un aliaj de fier și crom) și feromanganul (un aliaj de fier și mangan) sunt de mare importanță practică. Feroaliajele sunt fonte care conțin mai mult de 10% fier și cel puțin 10% din componenta corespunzătoare. În plus, conțin aceleași elemente ca și fonta. Feroaliajele sunt utilizate în principal în „dezoxidarea” oțelului și ca impurități de aliere.
Dintre fontele, se face o distincție între liniar și pigment. Fonta de turnătorie este folosită pentru turnarea diferitelor piese; fonta brută este retopită în oțel, deoarece are o duritate foarte mare și nu poate fi prelucrată. Fonta brută este albă, iar fierul de turnătorie este gri. Fonta brută conține mai mult mangan.

Oțelurile sunt carbon și aliate. Oțelurile carbon sunt de obicei un aliaj de fier și carbon, în timp ce oțelurile aliate conțin aditivi de aliere, adică amestecuri de alte metale care conferă oțelului proprietăți mai valoroase. conferă oțelului ductilitate, elasticitate, stabilitate în timpul călirii și - duritate și rezistență la căldură. Otelurile cu aditivi de zirconiu sunt foarte elastice si ductile; sunt folosite pentru a face plăci de blindaj. Impuritățile de mangan fac oțelul rezistent la impact și frecare. Borul îmbunătățește proprietățile de tăiere ale oțelului în fabricarea oțelurilor pentru scule.
Uneori, chiar și impuritățile minore ale metalelor rare conferă noi proprietăți oțelului. Dacă păstrați o piesă de oțel în pulbere de beriliu la o temperatură de 900-1000°, duritatea oțelului și rezistența la uzură sunt mult crescute.
Oțelul crom-nichel sau, așa cum se mai numește, oțelul inoxidabil, este rezistent la coroziune. Impuritățile de sulf și fosfor sunt foarte dăunătoare pentru oțel - fac metalul fragil.

■ 68. Ce glande importante cunoașteți?
69. Care este principala diferență dintre oțel și fontă?
70. Ce proprietăți ale fontei și ce tipuri de fontă cunoașteți?
71. Ce sunt oțelurile aliate și aditivii de aliere?

Procesul de domeniu

Fonta se obține prin topire prin reducere în furnalele înalte. Acestea sunt structuri uriașe de treizeci de metri înălțime, producând peste 2000 de tone de fontă pe zi. O diagramă a structurii furnalului este prezentată în Fig. 83.
Partea superioară a furnalului, prin care se încarcă sarcina, se numește vârf. Prin cuptor încărcarea

Orez. 83. Schema unui furnal.

cade într-un ax lung al cuptorului care se lărgește în jos, ceea ce facilitează deplasarea materialului încărcat de sus în jos. Pe măsură ce sarcina se deplasează în partea cea mai largă a cuptorului - aburul - au loc o serie de transformări, în urma cărora se formează fonta, care curge în vatră - cea mai fierbinte parte a cuptorului. Aici se adună zgura. Fonta brută și zgura sunt evacuate din cuptor prin găuri speciale din forjă, numite gropi. Aerul este suflat în furnal prin partea superioară a cuptorului pentru a menține combustibilul arzând în cuptor.

Să luăm în considerare procesele chimice care au loc în timpul topirii fontei. Sarcina furnalului, adică complexul de substanțe încărcate în ea, constă din minereu de fier, combustibil și fluxuri sau fluxuri. Există multe minereuri de fier. Principalele minereuri sunt minereul de fier magnetic Fe3O4, minereul de fier roșu Fe2O3, minereul de fier brun 2Fe2O8 · 3H2O. În procesul de furnal, siderita FeCO3 și uneori FeS2 sunt folosite ca minereu de fier, care, după arderea în cuptoare de pirit, se transformă în cenzură Fe2O3, care poate fi folosită în metalurgie. Un astfel de minereu este mai puțin de dorit datorită conținutului său ridicat de sulf. Nu numai fonta, ci și feroaliajele sunt topite într-un furnal. Combustibilul încărcat în cuptor servește atât la menținerea unei temperaturi ridicate în cuptor, cât și la reducerea fierului din minereu și, de asemenea, participă la formarea unui aliaj cu carbon. Combustibilul este de obicei cocs.

În timpul procesului de topire a fierului, cocsul este gazeificat, transformându-se, ca într-un generator de gaz, mai întâi în dioxid și apoi în monoxid de carbon:
C + O2 = CO3 CO2 + C = 2CO
Monoxidul de carbon rezultat este un bun agent reducător gazos. Cu ajutorul lui, minereul de fier este recuperat:
Fe2O3 + 3СО = 3СО2 + 2Fe
Odată cu minereul care conține fier, impuritățile din roca sterilă intră în mod necesar în cuptor. Ele pot fi foarte refractare și pot înfunda un cuptor care a funcționat continuu de mulți ani. Pentru ca roca sterilă să poată fi îndepărtată cu ușurință din cuptor, aceasta este transformată într-un compus cu punct de topire scăzut, transformându-l în zgură folosind fluxuri (fluxuri). Pentru a transforma roca de bază care conține, de exemplu, calcar în zgură, care se descompune într-un cuptor conform ecuației
CaCO3 = CaO + CO2
adăugați nisip. Fuzionarea cu oxid de calciu, nisipul formează silicat:
CaO + SiO3 = CaSiO3
Aceasta este o substanță cu un punct de topire incomparabil mai scăzut. În stare lichidă, poate fi eliberat din cuptor.

Dacă roca este acidă, care conține o cantitate mare de dioxid de siliciu, atunci, dimpotrivă, calcarul este încărcat în cuptor, care transformă dioxidul de siliciu în silicat, iar rezultatul este aceeași zgură. Anterior, zgura era un deșeu, dar acum este răcită cu apă și folosită ca material de construcție.
Pentru a menține arderea combustibilului, aerul încălzit, îmbogățit cu oxigen este furnizat continuu în furnal. Este încălzit în încălzitoare speciale de aer - kiupers. Cowper este un turn înalt din cărămizi refractare, unde gazele fierbinți care ies din furnal sunt deviate. Gazele de furnal conțin dioxid de carbon CO2, N2 și monoxid de carbon CO. Monoxidul de carbon arde în cowper, crescându-i astfel temperatura. Apoi gazele de furnal sunt trimise automat către un alt cuptor, iar prin primul începe suflarea aerului direcționat în furnal. Într-un cowper fierbinte, aerul este încălzit și astfel se economisește combustibil, care în cantități mari ar fi cheltuit pentru încălzirea aerului care intră în furnal. Fiecare furnal are mai multe cowpers.

■ 72. Care este compoziția încărcăturii furnalului?
73. Enumeraţi principalele procese chimice care au loc în timpul topirii fontei.
74. Care este compoziția gazului de furnal și cum se utilizează la cowpers?
75. Câtă fontă care conține 4% carbon se poate obține din 519,1 kg de minereu de fier magnetic care conține 10% impurități?
76. Ce cantitate de cocs dă un volum de monoxid de carbon suficient pentru a reduce 320 kg de oxid de fier dacă cocsul conține 97% carbon pur?
77. Cum ar trebui prelucrată sideritul pentru ca din ele să se poată obține fier?

Producția de oțel

Oțelul este topit în trei tipuri de cuptoare - cuptoare regenerative cu vatră deschisă, convertoare Bessemer și cuptoare electrice.
Cuptorul cu vatră deschisă este cel mai modern cuptor proiectat pentru topirea cea mai mare parte a oțelului (Fig. 84). Un cuptor cu vatră deschisă, spre deosebire de un furnal, nu este un cuptor care funcționează continuu.

Orez. 84. Schema unui cuptor cu focar deschis

Partea sa principală este cada, în care materialele necesare sunt încărcate prin ferestre folosind o mașină specială. Baia este conectată prin pasaje speciale la regeneratoare, care servesc la încălzirea gazelor combustibile și a aerului furnizat cuptorului. Încălzirea are loc datorită căldurii produselor de ardere, care sunt trecute din când în când prin regeneratoare. Din moment ce sunt mai multe, acestea lucrează pe rând și se încălzesc pe rând. Un cuptor cu vatră deschisă poate produce până la 500 de tone de oțel per topitură.

Sarcina unui cuptor cu vatră deschisă este foarte diversă: sarcina include fontă, fier vechi, minereu, fluxuri (fluxuri) de aceeași natură ca și în procesul furnalului. Ca și în procesul de furnal, în timpul topirii oțelului, aerul și gazele combustibile sunt încălzite în regeneratoare folosind căldura gazelor reziduale. Combustibilul din cuptoarele cu focar deschis este fie păcură pulverizată cu duze, fie gaze combustibile, care sunt utilizate în prezent pe scară largă. Combustibilul de aici servește doar pentru a menține o temperatură ridicată în cuptor.
Procesul de topire a oțelului este fundamental diferit de procesul de furnal, deoarece procesul de furnal este un proces reducător, iar topirea oțelului este un proces oxidativ, al cărui scop este reducerea conținutului de carbon prin oxidarea acestuia în masa metalică. Procesele care au loc sunt destul de complexe.

Conținut în minereu și alimentat cu aer cuptorului pentru arderea combustibilului gazos, acesta oxidează, precum și o cantitate semnificativă de fier, transformându-l în principal în oxid de fier (II): 2Fe + O2 = 2FeO
Conținute în fontă sau orice impurități ale altor metale la temperaturi ridicate reduc oxidul de fier (II) rezultat din nou la fier metalic conform ecuației: Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe Mn + FeO = MnO + Fe
Reacționează similar cu oxidul de fier (II) și: C + FeO = Fe + CO
La sfârșitul procesului, se adaugă „dezoxidanți” - feroaliaje - pentru a restabili oxidul de fier (II) rămas (sau, după cum se spune, pentru a-l „dezoxida”). Aditivii de mangan și siliciu prezenți în ele reduc oxidul de fier (II) rămas conform ecuațiilor de mai sus. După aceasta, topirea se termină. Topirea în cuptoare cu vatră deschisă durează 8-10 ore.

Orez. 85. Diagrama de proiectare a convertorului Bessemer

Convertorul Bessemer (Fig. 85) este un cuptor de tip mai vechi, dar cu productivitate foarte mare. Deoarece convertorul funcționează fără consum de combustibil, această metodă de producție a oțelului ocupă un loc semnificativ în metalurgie. Convertorul este un vas de oțel în formă de pară, cu o capacitate de 20-30 de tone, căptușit la interior cu cărămizi refractare. Fiecare topire în convertor durează 12-15 minute. Convertorul are o serie de dezavantaje: poate funcționa numai pe fontă lichidă. Acest lucru se datorează faptului că oxidarea carbonului se realizează prin aerul trecut de jos prin întreaga masă de fontă lichidă, ceea ce accelerează semnificativ topirea și crește intensitatea oxidării. Desigur, „risipa” de fier în acest caz este deosebit de mare. În același timp, timpul scurt de topire nu permite reglarea acestuia sau adăugarea de aliaje, astfel încât în ​​convertoare se topesc în principal oțelurile carbon. La sfârșitul topirii, alimentarea cu aer este oprită și, ca și în procesul cu vatră deschisă, se adaugă „dezoxidanți”.

În cuptoarele electrice (Fig. 86) oțelul aliat de clase speciale este topit, în principal cu un punct de topire ridicat, care conține și alți aditivi. Oțelul finit este trimis la laminare. Acolo, pe laminoare uriașe - mori de flori și plăci - lingourile de oțel fierbinți sunt comprimate cu ajutorul rolelor, care fac posibilă producerea diferitelor forme din lingoul de oțel.

Figura 86. Diagrama unui cuptor cu arc electric. 1 - electrozi, 2 - fereastra de încărcare, 3 - jgheab pentru eliberare din oțel, 4 - mecanism rotativ

Fierul sub formă de aliaje este utilizat pe scară largă în economia națională. Nici un singur sector al economiei naționale nu poate face fără ea. Pentru a salva metalele feroase, în prezent, ori de câte ori este posibil, încearcă să le înlocuiască cu materiale sintetice.
Metalele feroase sunt folosite la fabricarea de mașini-unelte și mașini, avioane și unelte, armături pentru structuri din beton armat, tablă pentru conserve și foi de acoperiș, nave și poduri, mașini și grinzi agricole, țevi și o gamă întreagă de produse de uz casnic.

■ 78. Care este diferența fundamentală dintre procesul de topire a oțelului și procesul de furnal?
79. Ce cuptoare se folosesc pentru topirea oțelului?
80. Ce sunt regeneratoarele într-un cuptor cu vatră deschisă?

81. Indicați compoziția încărcăturii cuptorului cu focar deschis și diferența acesteia față de compoziția sarcinii furnalului?
82. Ce sunt „dezoxidanții”?
83. De ce se numește topirea oțelului topire oxidativă?
84. Cât oțel care conține 1% carbon poate fi produs din 116,7 kg de fontă care conține 4% carbon?
85. Cât feromangan care conține 80% mangan este nevoie pentru a „dezoxida” 36 kg de oxid feros?

Articol pe tema Fier, un subgrup secundar al grupei VIII

FIERUL ȘI ELECTRICITATEA Proprietățile oțelurilor sunt variate. Există oțeluri concepute să reziste mult în apa de mare, oțeluri care pot rezista la temperaturi ridicate și...

Situat în a patra perioadă.
Greutatea atomică a fierului este de 55,84, sarcina nucleară +26. Distribuția electronilor după niveluri de energie (+26): 2, 8, 14, 2. Configurația electronică a stratului exterior și pre-exterior de fier 3s23p63d64s2.

Astfel, atomul de fier, pe lângă doi s-electroni ai celui de-al patrulea strat exterior, mai sunt sase d-electronii celui de-al treilea strat pre-exterior. Din acestea d-electronii sunt cei mai activi 4 nepereche. În consecință, 6 electroni sunt implicați în mod special în formarea legăturilor de valență de fier - 2 din straturile externe și 4 din straturile pre-exterioare. Cele mai frecvente stări de oxidare ale fierului sunt Fe+2 și Fe+3. Fierul este unul dintre cele mai des întâlnite elemente în natură. Ocupă locul patru ca prevalență printre alte elemente.

■ 57. Pe baza structurii atomului de fier, precum și a distribuției electronilor în orbitali, indicați posibilele stări de oxidare ale acestui element.

Fierul în stare liberă este un metal strălucitor de culoare gri-argintiu cu o densitate de 7,87, un punct de topire de 1535° și un punct de fierbere de 2740°. Fierul are proprietăți feromagnetice pronunțate, adică sub influența unui câmp magnetic devine magnetizat și atunci când câmpul se oprește, își păstrează proprietăți magnetice, devenind el însuși un magnet. Toate elementele grupului de fier au aceste proprietăți.
În ceea ce privește proprietățile sale chimice, fierul este un metal foarte activ. În absența umidității, fierul nu se schimbă în aer, dar atunci când este expus la umiditate și oxigen din aer, suferă o coroziune severă și se acoperă cu o peliculă liberă de rugină, care este fier, care nu îl protejează de mai departe. oxidare, iar fierul se oxidează treptat în întreaga sa masă:
4Fe + 2H2O + 3O2 = 2Fe2O3 2H2O
Au fost dezvoltate o serie de metode pentru a proteja acest metal valoros de coroziune.

În seria de tensiune, fierul este situat în stânga hidrogenului. În acest sens, este ușor expus la acizi diluați, transformându-se într-o sare feroasă de fier, de exemplu:
Fe + 2HCI = FeCl2 + H2
Fierul nu reacționează cu acizii sulfuric și azotic concentrați. Acești acizi creează o peliculă de oxid atât de puternică și densă pe suprafața metalului, încât metalul devine complet pasiv și nu mai intră în alte reacții. În același timp, atunci când interacționează direct cu agenți oxidanți puternici precum fierul, fierul prezintă întotdeauna o stare de oxidare de +3:
2Fe + 3Сl2 = 2FeCl3
Fierul de călcat reacționează cu aburul supraîncălzit; în acest caz, este deplasat din apă, iar fierul fierbinte se transformă în oxid, iar acesta este întotdeauna fie oxid feros FeO, fie oxid de fier Fe3O4(Fe2O3 FeO):
Fe + H2O = FeO + H2

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
Fierul încălzit în oxigen pur arde viguros pentru a forma solzi de fier (vezi Fig. 40).

3Fe + 2O2 = Fe3O4

Când este calcinat, fierul formează un aliaj cu carbon și în același timp carbură de fier Fe3C.

■ 58. Enumeraţi proprietăţile fizice ale fierului.
59. Care sunt proprietățile chimice ale fierului? Dați un răspuns motivat.

Compuși de fier

Fierul formează două serii de compuși - compuși Fe +2 și Fe +3. Fierul se caracterizează prin doi oxizi - oxid FeO și oxid Fe2O3. Adevărat, este cunoscut oxidul mixt Fe3O4, a cărui moleculă este fier di- și trivalent: Fe2O3 · FeO. Acest oxid se mai numește și scară de fier, sau oxid de fier.

Compușii de fier feros sunt mai puțin stabili decât compușii de oxid de fier, iar în prezența unui agent oxidant, chiar dacă este doar aer, se transformă de obicei în compuși de fier feric. De exemplu, hidroxidul de fier (II) Fe(OH)2 este un solid alb, dar poate fi obținut sub formă pură numai atunci când soluțiile substanțelor care reacţionează nu conţin oxigen dizolvat și dacă reacţia se desfăşoară în absenţa oxigen atmosferic:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4
Sarea din care se obține hidroxidul de fier (II), desigur, nu trebuie să conțină cel mai mic amestec de compuși oxizi. Întrucât astfel de condiții sunt foarte dificil de creat într-un laborator educațional obișnuit, hidroxidul de fier (II) se obține sub formă de precipitat de culoare verde mai mult sau mai puțin închis cu aspect gelatinos, ceea ce indică oxidarea compușilor divalenți de fier în fier feric. Dacă hidroxidul de fier (II) este menținut în aer pentru o perioadă lungă de timp, se transformă treptat în hidroxid de fier (III) Fe(OH)3:

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
fierul sunt hidroxizi insolubili tipici. Hidroxidul de fier (II) are proprietăți bazice, în timp ce Fe(OH)3 are proprietăți amfotere foarte slab exprimate.

■ 60. Enumeraţi proprietăţile oxidului de fier ca oxid bazic tipic. Dați un răspuns motivat. Scrieți toate ecuațiile de reacție în forme ionice complete și prescurtate.

61. Enumerați proprietățile hidroxidului de fier (II). Sprijiniți-vă răspunsul cu ecuații de reacție.

Dintre sărurile de fier (II), cel mai important este sulfatul de fier FeSO4 · 7H2O, care conține 7 molecule de apă de cristalizare. Sulfatul de fier se dizolvă bine în apă. Este folosit pentru combaterea dăunătorilor agricoli, precum și la fabricarea coloranților.
Dintre sărurile de fier trivalent, cea mai importantă este clorura ferică FeCl3, care este cristale portocalii foarte higroscopice care absorb apa în timpul depozitării și se dizolvă într-o pastă maro.

Sărurile de fier (II) se pot transforma cu ușurință în săruri de fier (III), de exemplu atunci când sunt încălzite cu acid azotic sau permanganat de potasiu în prezența acidului sulfuric:
6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O
Oxidarea sărurilor de Fe +2 în săruri de Fe +3 poate avea loc și sub influența oxigenului atmosferic în timpul depozitării acestor compuși, dar acest proces este mai lung. Reactivi specifici foarte caracteristici sunt utilizați pentru a recunoaște cationii Fe 2+ și Fe 3+. De exemplu, pentru a recunoaște fierul divalent, luați sarea roșie a sângelui K3, care, în prezența ionilor de fier divalenți, dă cu ei un precipitat caracteristic albastru intens de Turnboule blue:
3FeSO4 + 2K3 = Fe32 + 3K2SO4
sau sub formă ionică
3Fe 2+ + 2 3- = Fe32
Pentru a recunoaște sărurile Fe3+, se folosește o reacție cu sare galbenă din sânge K4:
4FeCl3 + 3K4 = Fe43 + 12KCl

4Fe 3+ + 3 4- = Fe43
În acest caz, apare un precipitat de albastru intens de albastru prusac. Albastrul prusac și albastrul Turnboule sunt folosiți ca coloranți.
În plus, fierul feric poate fi recunoscut folosind săruri solubile - tiocianat de potasiu KCNS sau tiocianat de amoniu NH4CNS. Când aceste substanțe interacționează cu sărurile de Fe(III), soluția capătă o culoare roșie sânge.

■ 62. Enumeraţi proprietăţile sărurilor Fe +3 şi Fe +2. Care stare de oxidare este mai stabilă?
63. Cum se transformă sare Fe +2 în sare Fe +3 și invers? Dă exemple.

Reacția urmează ecuația:
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3Cl
sau sub formă ionică
Fe 3+ + 3CNS - = Fe(CNS),
Compușii de fier joacă un rol important în viața organismelor. De exemplu, face parte din proteina principală din sânge - hemoglobina, precum și din plantele verzi - clorofila. Fierul intră în organism în principal ca parte a materiei organice din produsele alimentare. Merele, ouăle, spanacul și sfecla conțin mult fier. Ca medicamente, fierul este folosit sub formă de săruri ale acizilor organici. Clorura ferică servește ca agent hemostatic.

■ 64. Trei eprubete conţin: a) sulfat de fier (II), b) sulfat de fier (III) şi c) clorură de fier (III). Cum se stabilește ce eprubetă conține ce sare?
65. Cum se efectuează o serie de transformări:
Fe → FeCl2 → FeSO4 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3 → Fe2O3.
66. Se dau: fier, sodă caustică. Cum, folosind numai aceste substanțe, se poate obține hidroxid de fier (II) și hidroxid de fier (III)?
67. O soluție care conține clorură de crom (III) și clorură de fier (III) a fost tratată cu exces alcalin. Precipitatul rezultat a fost filtrat. Ce a rămas pe filtru și ce a intrat în filtrat? Dați un răspuns argumentat folosind ecuații de reacție în forme moleculare, ionice complete și ionice reduse.

Aliaje de fier

Fierul este baza metalurgiei feroase, deci este extras în cantități uriașe. Noul program de construcție extinsă a comunismului prevede producția a 250 de milioane de tone de oțel în 1980. Este de 3,8 ori mai mult decât în ​​1960.
Fierul nu este folosit aproape niciodată în forma sa pură, ci doar sub formă de aliaje. Cele mai importante aliaje de fier sunt cele cu carbon - diverse fonte și oțeluri. Principala diferență dintre fontă și oțel este conținutul de carbon: fonta conține mai mult de 1,7% carbon, iar oțelul conține mai puțin de 1,7%.

Feroaliajele (un aliaj de fier și siliciu), ferocromul (un aliaj de fier și crom) și feromanganul (un aliaj de fier și mangan) sunt de mare importanță practică. Feroaliajele sunt fonte care conțin mai mult de 10% fier și cel puțin 10% din componenta corespunzătoare. În plus, conțin aceleași elemente ca și fonta. Feroaliajele sunt utilizate în principal în „dezoxidarea” oțelului și ca impurități de aliere.
Dintre fontele, se face o distincție între liniar și pigment. Fonta de turnătorie este folosită pentru turnarea diferitelor piese; fonta brută este retopită în oțel, deoarece are o duritate foarte mare și nu poate fi prelucrată. Fonta brută este albă, iar fierul de turnătorie este gri. Fonta brută conține mai mult mangan.

Oțelurile sunt carbon și aliate. Oțelurile carbon sunt de obicei un aliaj de fier și carbon, în timp ce oțelurile aliate conțin aditivi de aliere, adică amestecuri de alte metale care conferă oțelului proprietăți mai valoroase. conferă oțelului ductilitate, elasticitate, stabilitate în timpul călirii și - duritate și rezistență la căldură. Otelurile cu aditivi de zirconiu sunt foarte elastice si ductile; sunt folosite pentru a face plăci de blindaj. Impuritățile de mangan fac oțelul rezistent la impact și frecare. Borul îmbunătățește proprietățile de tăiere ale oțelului în fabricarea oțelurilor pentru scule.
Uneori, chiar și impuritățile minore ale metalelor rare conferă noi proprietăți oțelului. Dacă păstrați o piesă de oțel în pulbere de beriliu la o temperatură de 900-1000°, duritatea oțelului și rezistența la uzură sunt mult crescute.
Oțelul crom-nichel sau, așa cum se mai numește, oțelul inoxidabil, este rezistent la coroziune. Impuritățile de sulf și fosfor sunt foarte dăunătoare pentru oțel - fac metalul fragil.

■ 68. Ce glande importante cunoașteți?
69. Care este principala diferență dintre oțel și fontă?
70. Ce proprietăți ale fontei și ce tipuri de fontă cunoașteți?
71. Ce sunt oțelurile aliate și aditivii de aliere?

Procesul de domeniu

Fonta se obține prin topire prin reducere în furnalele înalte. Acestea sunt structuri uriașe de treizeci de metri înălțime, producând peste 2000 de tone de fontă pe zi. O diagramă a structurii furnalului este prezentată în Fig. 83.
Partea superioară a furnalului, prin care se încarcă sarcina, se numește vârf. Prin cuptor încărcarea

Orez. 83. Schema unui furnal.

cade într-un ax lung al cuptorului care se lărgește în jos, ceea ce facilitează deplasarea materialului încărcat de sus în jos. Pe măsură ce sarcina se deplasează în partea cea mai largă a cuptorului - aburul - au loc o serie de transformări, în urma cărora se formează fonta, care curge în vatră - cea mai fierbinte parte a cuptorului. Aici se adună zgura. Fonta brută și zgura sunt evacuate din cuptor prin găuri speciale din forjă, numite gropi. Aerul este suflat în furnal prin partea superioară a cuptorului pentru a menține combustibilul arzând în cuptor.

Să luăm în considerare procesele chimice care au loc în timpul topirii fontei. Sarcina furnalului, adică complexul de substanțe încărcate în ea, constă din minereu de fier, combustibil și fluxuri sau fluxuri. Există multe minereuri de fier. Principalele minereuri sunt minereul de fier magnetic Fe3O4, minereul de fier roșu Fe2O3, minereul de fier brun 2Fe2O8 · 3H2O. În procesul de furnal, siderita FeCO3 și uneori FeS2 sunt folosite ca minereu de fier, care, după arderea în cuptoare de pirit, se transformă în cenzură Fe2O3, care poate fi folosită în metalurgie. Un astfel de minereu este mai puțin de dorit datorită conținutului său ridicat de sulf. Nu numai fonta, ci și feroaliajele sunt topite într-un furnal. Combustibilul încărcat în cuptor servește atât la menținerea unei temperaturi ridicate în cuptor, cât și la reducerea fierului din minereu și, de asemenea, participă la formarea unui aliaj cu carbon. Combustibilul este de obicei cocs.

În timpul procesului de topire a fierului, cocsul este gazeificat, transformându-se, ca într-un generator de gaz, mai întâi în dioxid și apoi în monoxid de carbon:
C + O2 = CO3 CO2 + C = 2CO
Monoxidul de carbon rezultat este un bun agent reducător gazos. Cu ajutorul lui, minereul de fier este recuperat:
Fe2O3 + 3СО = 3СО2 + 2Fe
Odată cu minereul care conține fier, impuritățile din roca sterilă intră în mod necesar în cuptor. Ele pot fi foarte refractare și pot înfunda un cuptor care a funcționat continuu de mulți ani. Pentru ca roca sterilă să poată fi îndepărtată cu ușurință din cuptor, aceasta este transformată într-un compus cu punct de topire scăzut, transformându-l în zgură folosind fluxuri (fluxuri). Pentru a transforma roca de bază care conține, de exemplu, calcar în zgură, care se descompune într-un cuptor conform ecuației
CaCO3 = CaO + CO2
adăugați nisip. Fuzionarea cu oxid de calciu, nisipul formează silicat:
CaO + SiO3 = CaSiO3
Aceasta este o substanță cu un punct de topire incomparabil mai scăzut. În stare lichidă, poate fi eliberat din cuptor.

Dacă roca este acidă, care conține o cantitate mare de dioxid de siliciu, atunci, dimpotrivă, calcarul este încărcat în cuptor, care transformă dioxidul de siliciu în silicat, iar rezultatul este aceeași zgură. Anterior, zgura era un deșeu, dar acum este răcită cu apă și folosită ca material de construcție.
Pentru a menține arderea combustibilului, aerul încălzit, îmbogățit cu oxigen este furnizat continuu în furnal. Este încălzit în încălzitoare speciale de aer - kiupers. Cowper este un turn înalt din cărămizi refractare, unde gazele fierbinți care ies din furnal sunt deviate. Gazele de furnal conțin dioxid de carbon CO2, N2 și monoxid de carbon CO. Monoxidul de carbon arde în cowper, crescându-i astfel temperatura. Apoi gazele de furnal sunt trimise automat către un alt cuptor, iar prin primul începe suflarea aerului direcționat în furnal. Într-un cowper fierbinte, aerul este încălzit și astfel se economisește combustibil, care în cantități mari ar fi cheltuit pentru încălzirea aerului care intră în furnal. Fiecare furnal are mai multe cowpers.

■ 72. Care este compoziția încărcăturii furnalului?
73. Enumeraţi principalele procese chimice care au loc în timpul topirii fontei.
74. Care este compoziția gazului de furnal și cum se utilizează la cowpers?
75. Câtă fontă care conține 4% carbon se poate obține din 519,1 kg de minereu de fier magnetic care conține 10% impurități?
76. Ce cantitate de cocs dă un volum de monoxid de carbon suficient pentru a reduce 320 kg de oxid de fier dacă cocsul conține 97% carbon pur?
77. Cum ar trebui prelucrată sideritul pentru ca din ele să se poată obține fier?

Producția de oțel

Oțelul este topit în trei tipuri de cuptoare - cuptoare regenerative cu vatră deschisă, convertoare Bessemer și cuptoare electrice.
Cuptorul cu vatră deschisă este cel mai modern cuptor proiectat pentru topirea cea mai mare parte a oțelului (Fig. 84). Un cuptor cu vatră deschisă, spre deosebire de un furnal, nu este un cuptor care funcționează continuu.

Orez. 84. Schema unui cuptor cu focar deschis

Partea sa principală este cada, în care materialele necesare sunt încărcate prin ferestre folosind o mașină specială. Baia este conectată prin pasaje speciale la regeneratoare, care servesc la încălzirea gazelor combustibile și a aerului furnizat cuptorului. Încălzirea are loc datorită căldurii produselor de ardere, care sunt trecute din când în când prin regeneratoare. Din moment ce sunt mai multe, acestea lucrează pe rând și se încălzesc pe rând. Un cuptor cu vatră deschisă poate produce până la 500 de tone de oțel per topitură.

Sarcina unui cuptor cu vatră deschisă este foarte diversă: sarcina include fontă, fier vechi, minereu, fluxuri (fluxuri) de aceeași natură ca și în procesul furnalului. Ca și în procesul de furnal, în timpul topirii oțelului, aerul și gazele combustibile sunt încălzite în regeneratoare folosind căldura gazelor reziduale. Combustibilul din cuptoarele cu focar deschis este fie păcură pulverizată cu duze, fie gaze combustibile, care sunt utilizate în prezent pe scară largă. Combustibilul de aici servește doar pentru a menține o temperatură ridicată în cuptor.
Procesul de topire a oțelului este fundamental diferit de procesul de furnal, deoarece procesul de furnal este un proces reducător, iar topirea oțelului este un proces oxidativ, al cărui scop este reducerea conținutului de carbon prin oxidarea acestuia în masa metalică. Procesele care au loc sunt destul de complexe.

Conținut în minereu și alimentat cu aer cuptorului pentru arderea combustibilului gazos, acesta oxidează, precum și o cantitate semnificativă de fier, transformându-l în principal în oxid de fier (II): 2Fe + O2 = 2FeO
Conținute în fontă sau orice impurități ale altor metale la temperaturi ridicate reduc oxidul de fier (II) rezultat din nou la fier metalic conform ecuației: Si + 2FeO = SiO2 + 2Fe Mn + FeO = MnO + Fe
Reacționează similar cu oxidul de fier (II) și: C + FeO = Fe + CO
La sfârșitul procesului, se adaugă „dezoxidanți” - feroaliaje - pentru a restabili oxidul de fier (II) rămas (sau, după cum se spune, pentru a-l „dezoxida”). Aditivii de mangan și siliciu prezenți în ele reduc oxidul de fier (II) rămas conform ecuațiilor de mai sus. După aceasta, topirea se termină. Topirea în cuptoare cu vatră deschisă durează 8-10 ore.

Orez. 85. Diagrama de proiectare a convertorului Bessemer

Convertorul Bessemer (Fig. 85) este un cuptor de tip mai vechi, dar cu productivitate foarte mare. Deoarece convertorul funcționează fără consum de combustibil, această metodă de producție a oțelului ocupă un loc semnificativ în metalurgie. Convertorul este un vas de oțel în formă de pară, cu o capacitate de 20-30 de tone, căptușit la interior cu cărămizi refractare. Fiecare topire în convertor durează 12-15 minute. Convertorul are o serie de dezavantaje: poate funcționa numai pe fontă lichidă. Acest lucru se datorează faptului că oxidarea carbonului se realizează prin aerul trecut de jos prin întreaga masă de fontă lichidă, ceea ce accelerează semnificativ topirea și crește intensitatea oxidării. Desigur, „risipa” de fier în acest caz este deosebit de mare. În același timp, timpul scurt de topire nu permite reglarea acestuia sau adăugarea de aliaje, astfel încât în ​​convertoare se topesc în principal oțelurile carbon. La sfârșitul topirii, alimentarea cu aer este oprită și, ca și în procesul cu vatră deschisă, se adaugă „dezoxidanți”.

În cuptoarele electrice (Fig. 86) oțelul aliat de clase speciale este topit, în principal cu un punct de topire ridicat, care conține și alți aditivi. Oțelul finit este trimis la laminare. Acolo, pe laminoare uriașe - mori de flori și plăci - lingourile de oțel fierbinți sunt comprimate cu ajutorul rolelor, care fac posibilă producerea diferitelor forme din lingoul de oțel.

Figura 86. Diagrama unui cuptor cu arc electric. 1 - electrozi, 2 - fereastra de încărcare, 3 - jgheab pentru eliberare din oțel, 4 - mecanism rotativ

Fierul sub formă de aliaje este utilizat pe scară largă în economia națională. Nici un singur sector al economiei naționale nu poate face fără ea. Pentru a salva metalele feroase, în prezent, ori de câte ori este posibil, încearcă să le înlocuiască cu materiale sintetice.
Metalele feroase sunt folosite la fabricarea de mașini-unelte și mașini, avioane și unelte, armături pentru structuri din beton armat, tablă pentru conserve și foi de acoperiș, nave și poduri, mașini și grinzi agricole, țevi și o gamă întreagă de produse de uz casnic.

■ 78. Care este diferența fundamentală dintre procesul de topire a oțelului și procesul de furnal?
79. Ce cuptoare se folosesc pentru topirea oțelului?
80. Ce sunt regeneratoarele într-un cuptor cu vatră deschisă?

81. Indicați compoziția încărcăturii cuptorului cu focar deschis și diferența acesteia față de compoziția sarcinii furnalului?
82. Ce sunt „dezoxidanții”?
83. De ce se numește topirea oțelului topire oxidativă?
84. Cât oțel care conține 1% carbon poate fi produs din 116,7 kg de fontă care conține 4% carbon?
85. Cât feromangan care conține 80% mangan este nevoie pentru a „dezoxida” 36 kg de oxid feros?

Articol pe tema Fier, un subgrup secundar al grupei VIII

FIERUL ȘI ELECTRICITATEA Proprietățile oțelurilor sunt variate. Există oțeluri concepute să reziste mult în apa de mare, oțeluri care pot rezista la temperaturi ridicate și...

Subgrupul este format din 9 elemente și este în acest sens unic în Tabelul Periodic. O altă proprietate unică a acestui grup este că elementele acestui subgrup nu ating cea mai înaltă stare de oxidare (cu excepția Ru și Os). În general, se acceptă împărțirea a 9 elemente în 4 familii: triada de fier și diadele Ru-Os, Rh-Ir, Pd-Pt. Această împărțire este justificată de cinosimetria subnivelului 3d al elementelor Fe, Co și Ni, precum și de compresia lantanidă a lui Os, Ir și Pt.

Chimia elementelor triadei de fier Substante simple

Fierul ocupă locul patru ca abundență pe Pământ, dar cea mai mare parte se află într-o stare nepotrivită pentru uz industrial (aluminosilicați). Numai minereurile pe bază de oxizi de fier FeO și Fe 2 O 3 au importanță industrială. Cobaltul și nichelul sunt elemente rare care, deși își formează propriile minerale, sunt extrase industrial din minereurile polimetalice.

Producerea elementelor se reduce la reducerea lor din oxizi. Derivații de carbon (cocs, CO) sunt utilizați ca agenți reducători, astfel încât metalul rezultat conține până la câteva procente de carbon. Fierul care conține mai mult de 2% carbon se numește fontă; Acest material este potrivit pentru turnarea produselor masive, dar rezistența sa mecanică este scăzută. Prin arderea carbonului în cuptoare cu vatră deschisă sau convertoare se obține oțel, din care se pot produce produse rezistente mecanic. Dependența proprietăților unui material de metoda de producere și prelucrare a acestuia este deosebit de clar vizibilă pentru fier: o combinație de călire și revenire face posibilă obținerea de materiale cu proprietăți diferite.

Obținerea Co și Ni este un proces complex. În etapa finală, oxizii metalici (CoO, Co 2 O 3, NiO) sunt reduși cu carbon, iar metalul rezultat este purificat prin electroliză.

Proprietățile substanțelor simple depind puternic de prezența impurităților altor elemente în ele. Metalele pure compacte sunt stabile în aer la temperaturi obișnuite datorită formării unei pelicule puternice de oxid, în special Ni. Cu toate acestea, într-o stare foarte dispersată, aceste metale sunt piroforice, adică. autoaprindere.

La încălzire, Fe, Co, Ni reacționează cu nemetalele bazice, iar interacțiunea fierului cu clorul are loc deosebit de intens datorită volatilității FeCl 3 rezultat, care nu protejează suprafața metalului de oxidare. Dimpotrivă, interacțiunea Ni cu fluor practic nu are loc din cauza formării unei pelicule puternice de fluor, prin urmare echipamentele cu nichel sunt utilizate atunci când se lucrează cu fluor.

Fe, Co, Ni nu formează compuși specifici cu hidrogenul, dar sunt capabili să-l absoarbă în cantități vizibile, în special în stare foarte dispersă. Prin urmare, metalele din familia fierului sunt buni catalizatori pentru procesele de hidrogenare.

Metalele reacţionează bine cu acizii neoxidanţi:

E + 2HCl  ECl 2 + H 2

Acizii oxidanți pasivează metalele, dar reacția nu are loc cu alcalii datorită naturii bazice a oxizilor metalici.

Conexiuni e(0)

Această stare de oxidare este caracteristică carbonililor. Fierul formează carbonil din compoziția Fe(CO)5, cobalt - Co2 (CO)8 și nichel - Ni(CO)4. Nichel carbonilul se formează deosebit de ușor (50 °C, presiune atmosferică), așa că este folosit pentru a obține nichel pur.

Conexiuni E(+2)

Stabilitatea compușilor în această stare de oxidare crește de la Fe la Ni. Acest lucru se datorează faptului că o creștere a încărcăturii nucleului, în timp ce dimensiunea atomului rămâne neschimbată, întărește legătura dintre nucleu și electroni d, astfel că aceștia din urmă sunt mai greu de desprins.

Compușii E(+2) se obțin prin dizolvarea metalelor în acizi. Hidroxizii de E(OH)2 precipită atunci când se adaugă o soluție alcalină la soluții apoase de săruri:

ECl 2 + 2NaOH = E(OH) 2  + 2NaCl

Din aceasta putem concluziona că sărurile metalelor în cauză sunt susceptibile la hidroliză cationică. Ca rezultat al hidrolizei, se obțin diverși produși, inclusiv complexe polinucleare, de exemplu NiOH +,.

Prin calcinarea E(OH) 2 fără acces la aer se pot obține oxizi. Oxizii și hidroxizii prezintă un caracter predominant bazic; Ferrații(+2), cobaltații(+2) și nichelații(+2) se obțin numai în condiții dure, de exemplu prin aliere:

Na2O + NiO = Na2NiO2

Sulfurile E(+2) pot fi precipitate din soluții apoase folosind Na 2 S sau chiar H 2 S (spre deosebire de MnS, care nu se precipită cu H 2 S), dar aceste sulfuri se dizolvă în acizi tari, care este utilizat în analiza chimică:

E 2+ + S 2–  E 2 S, E 2 S + 2H + (ex.)  E 2+ + H 2 S

Dintre compușii E(+2), numai Fe(+2) prezintă proprietăți reducătoare vizibile. Astfel, toți compușii simpli (necomplexi) Fe(+2) sunt oxidați de oxigenul aerului și de alți agenți oxidanți puternici:

4Fe(OH) 2 + 2H 2 O + O 2  4Fe(OH) 3

10FeSO 4 + 2KMnO 4 + 8H 2 SO 4  5Fe 2 (SO 4) 3 + K 2 SO 4 + 2MnSO 4 + 8H 2 O

Compușii de cobalt (+2) și nichel (+2) sunt oxidați numai de agenți oxidanți puternici, de exemplu NaOCl:

E(OH)2 + NaOCl+ X H 2 O  E 2 O 3  X H2O + NaCl

Conexiuni E(+3)

Compușii stabili în această stare de oxidare sunt produși de fier și, parțial, de cobalt. Dintre derivații Ni(+3), numai compușii complecși sunt stabili.

Hidroxizii E(OH) 3 se obțin prin acțiunea alcalinei asupra soluțiilor sărate sau prin oxidarea E(OH) 2:

FeCl3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓ + 3NaCl

2Co(OH)2 + H2O2 = 2Co(OH)3

Aceasta produce produse care conțin o cantitate variabilă de apă (neavând o compoziție constantă). Oxizii sunt produșii finali ai deshidratării hidroxidului, dar nu este posibil să se obțină Co 2 O 3 și Ni 2 O 3 pur din cauza descompunerii lor în oxigen și oxid inferior. Pentru fier şi cobalt se pot obţine oxizi de compoziţie E 3 O 4, care pot fi consideraţi ca oxizi mixţi EOE 2 O 3. Pe de altă parte, E 3 O 4 sunt săruri care corespund funcției acide a hidroxizilor E(OH) 3.

Fe 2 O 3 + Na 2 O  2NaFeO 2

Principalele funcții ale Fe(OH) 3 sunt mult mai bine exprimate:

Fe(OH)3 + 3HCl  FeCl3 + 3H2O

Datorită faptului că Fe(OH)3 este un electrolit slab, sărurile Fe(+3) sunt susceptibile la hidroliză. Produșii de hidroliză colorează soluția cu o culoare maroie caracteristică, iar când soluția este fiertă, precipită un precipitat de Fe(OH)3:

Fe 3+ + 3H 2 O  Fe(OH) 3 + 3H +

Nu se pot obține săruri simple Co(+3) și Ni(+3) care să corespundă funcției principale a hidroxidului E(OH) 3: reacțiile redox au loc în mediu acid cu formarea de E(+2) :

2Co 3 O 4 + 12HCl  6CoCl 2 + O 2 + 6H 2 O

Compușii Co(+3) și Ni(+3) pot fi doar agenți oxidanți și, de altfel, destul de puternici, iar fierul (+3) nu este un agent oxidant puternic. Cu toate acestea, nu este întotdeauna posibil să se obțină săruri E(+3) cu un anion reducător (I–, S2–). De exemplu:

2Fe(OH) 3 + 6HI  2FeI 2 + 6H 2 O + I 2

Spre deosebire de cobalt și nichel, fierul produce derivați Fe(+6), care sunt obținuți prin oxidarea severă a Fe(OH)3 într-un mediu alcalin:

2Fe(OH) 3 + 3Br 2 +10KOH  2K 2 FeO 4 + 6KBr + 8H 2 O

Ferrații (+6) sunt agenți oxidanți mai puternici decât permanganații.

Este singura substanță care rămâne lichidă la temperaturi de până la 0 K. Se cristalizează doar la o presiune de 25 atm. are cel mai scăzut punct de fierbere. la temperaturi sub 2,2 K, heliul lichid există ca un amestec de două lichide, dintre care unul are proprietăți anormale - în special, superfluiditatea (vâscozitatea este de 10 miliarde de ori mai mică decât cea a apei).

Heliul este al doilea element cel mai abundent (după hidrogen) din Univers. Aproximativ 10% din Soare este format din acesta (descoperit în 1868). Pe pământ, heliul a fost găsit în 1895 în gazele de reacție, când mineralul kleveit a fost dizolvat în acizi. Gazele nobile rămase au fost izolate din aer.

Neonul este un gaz ușor: este de 1,44 ori mai ușor decât aerul, de aproape 2 ori mai ușor decât argonul, dar de 5 ori mai greu decât heliul. În ceea ce privește proprietățile sale, este mai aproape de heliu decât de argon. Spectrul de neon este bogat: în el sunt identificate peste 900 de linii. Cele mai strălucitoare linii formează un fascicul în părțile roșii, portocalii și galbene ale spectrului la unde de la 6599 la 5400 Ǻ. Aceste raze sunt absorbite și împrăștiate mult mai puțin de aer și particulele suspendate în el decât razele cu unde scurte - albastru, indigo, violet.

În 1898, în Lumea Veche, când studia cu un spectroscop primele porțiuni de gaz care se evapora din aerul lichid, chimistul scoțian William Ramsay (Ramsay), împreună cu Morris William Traver, au descoperit în ele un nou gaz, Neon (Ne 6) , un gaz inert continut in aer in cantitati microscopice.

Argonul este un gaz monoatomic cu un punct de fierbere (la presiune normală) de -185,9 °C (puțin mai mic decât oxigenul, dar ușor mai mare decât azotul), punct de topire -189,3 °C În 100 ml apă la 20 °C 3,3 ml de argonul se dizolvă; argonul se dizolvă mult mai bine în unii solvenți organici decât în ​​apă.

Descoperit de J. Rayleigh și fizicianul englez W. Ramsay în 1894 din aer. Gazul se distingea printr-o compoziție monoatomică a moleculelor și o inactivitate chimică aproape completă (argonul nu intră în nicio reacție chimică). noul gaz și-a primit numele (greacă argos inactiv).

Kryptonul este un gaz monoatomic inert, fără culoare, gust sau miros. De 3 ori mai greu decât aerul t pl = - 157,3 o C, t fierbere = - 152,0 o C, densitate în condiții normale. egal cu 3,74 g/l. Deschis în 1898 de W. Ramsay (Anglia) Aplicație: pentru umplerea lămpilor cu incandescență. Compușii criptonilor sunt agenți de oxidare și agenți de fluorurare în reacțiile de sinteză chimică.

Xenonul este un gaz monoatomic inert, fără culoare, gust sau miros. Se topește 112 °C, Tt 108 °C, strălucește în violetul de descărcare. În 1889, omul de știință englez Wu Ramsay a izolat un amestec din aer lichid în care au fost descoperite două gaze prin metoda spectrală: criptonul („ascuns”, „secret”) și xenon („extraterestru”, „neobișnuit”).

Radonul este un gaz monoatomic radioactiv, incolor și inodor. Solubilitate în apă 460 ml/l; în solvenți organici și în țesutul adipos uman, solubilitatea radonului este de zeci de ori mai mare decât în ​​apă. Radioactivitatea proprie a radonului face ca acesta să devină fluorescent. Radonul gazos și lichid este fluorescent cu lumină albastră. Culoarea strălucirii într-o descărcare de gaz în radon este albastră.

Cristale incolore, solubile în apă. Molecula este liniară. O soluție în apă este un agent oxidant foarte puternic, mai ales într-un mediu acid, unde oxidează bromul și manganul la cele mai înalte stări de oxidare de +7. Într-un mediu alcalin, se hidrolizează conform ecuației: XeF 2 + 4KOH = 2Xe + 4KF + O 2 + 2H 2 O

Când interacționează cu apa, XeF 4 este disproporționat: 6XeF H 2 O = 2XeО НF + 4Xe + 3О 2

Se formează în timpul hidrolizei XeF 4. Este o substanță albă, nevolatilă, foarte explozivă, foarte solubilă în apă, iar soluția are o reacție ușor alcalină. Când ozonul acționează asupra unei astfel de soluții, se formează o sare a acidului xenonic, în care xenonul are o stare de oxidare de +8: XeO 3 + O 3 + 4NaOH = Na 4 XeO 6 + O H 2 O

Poate fi obținut prin reacția perxenatului de bariu cu acid sulfuric anhidru la temperaturi scăzute: Ba 2 XeO 6 + 2H 2 SO 4 = 2 BaSO 4 + XeO H 2 O XeO 4 este un gaz incolor care este foarte exploziv și se descompune la temperaturi peste 0° C : 3XeО 4 = 2XeО 3 + Xe + 3О 2