FERUL - material studiat la scoala

FERUL - material studiat la scoala

Structura :

Ferul (din limba latina - ,,ferrum") este un element chimic cu simbolul Fe, cu Z=26 si A=56 , situat in sistemul periodic al elementelor in grupa aVIIIa secundara , perioada 4 si facand parte din prima serie de metale tranzitionale (3d) .

Ferul contine in nucleu urmatoarele particule :

protoni p⁺= 26

neutroni n⁰= 30

electroni e^-= 26 , avand deci o configuratie electronica

K²L⁸M¹⁴N² (4 straturi )

1s 2s 2p 3s 3p 4s 3d (7substraturi si 15 orbitali)

[Ar]3d4s

Ferul are valenta variabila , putand forma compusi cu N.O. : 0, I, II, III, IV sau VI .La N.O. inferioare (II si III) ferul are caracter metalic electropozitiv , formand compusi cu caracter ionic , stabili si frecvent intalniti (combinatiile Fesunt cele mai stabile) .

Fe 2e^- Fe [Ar]3d   

Fe 2e^- Fe [Ar] 3d

La N.O. superioare (IV si VI) ferul are caracter nemetalic , formand compusi covalenti , cu stabilitate redusa si cu caracter oxidant puternic .

Tabelul 6 : Configuratia spatiala a compusilor fierului

In stare compacta , ferul exista in 4 modificatii alotropice (ά, β, γ, δ) , dintre care formele ά, β si δ cristalizeaza in retele cubice centrate intern , iar forma γ in retele cubice cu fete centrate .

906^oC 1401^oC

ά Fe γ Fe δ Fe

Stare naturala si obtinere

Ca abundenta , ferul este al 10-lea element in Univers si al patrulea pe Pamant (al doilea metal , dupa Al) . Ca masa insa , ferul ocupa primul loc pe Pamant . In prezent se considera ca 80% din nucleul intern al Pamantului este format din fer .

Datorita reactivitatii sale mari , in natura ferul se gaseste in stare pura doar in cazuri foarte rare , in meteoritii ferosi . Ferul meteoritic contine in general 90% Fe, 8%Ni si restul impuritati formate in principal din cobalt . Se presupune de asemenea ca planeta Marte isi datoreaza culoarea rosiatica unui sol bogat in oxizi de fier .

Pe Planeta noastra, ferul se afla doar sub forma de combinatii chimice :

- hemetita Fe O (rosie)

- limonita Fe O ^. H O (galben-bruna)

- magnetita Fe O (neagra)

- siderita FeCO (galben-bruna)

- pirita FeS (neagra)

- ilmenit FeTiO (brun)

Primul tip de fier cunoscut si utilizat de oameni provenea din meteoriti . In Egipt si Mesopotamia s-au descoperit varfuri de sulite si obiecte decorative cu aceasta origine , datand din jurul anului 4000i.Hr.. 2000 de ani mai tarziu a aparut si ferul prelucrat din minereuri (la inceput cel numit fier de mlastina sau limonit) , folosit insa doar pentru obiecte de cult si considerat mai valoros decat aurul .Intre 1600-1200i.Hr. a inceput obtinerea ferului in topitorii primitive , in imperiul Hitit (Anatolia si Caucaz) . Disparitia acestui imperiu a permis raspandirea cunostintelor despre prelucrarea ferului in toata regiunea , facilitand trecerea de la epoca Bronzului la epoca Fierului .

Cel mai important zacamant de fier se afla in El Mutun-Bolivia (~40 miliarde de tone de minereu cu un continut de fer de peste 50%) . Alte tari cu importante zacaminte de fer sunt : Brazilia, Rusia, Canada, India, S.U.A., China. In tara noastra se gasesc zacaminte de fer in Muntii Apuseni si in Banat ,

la Ocna de Fier, Capusul Mare, Baisoara, Vadul Dobrei , etc..

In organismul uman ferul se gaseste in proteina din ficat si in hemoglobina din sange.

Ferul prezinta 4 izotopi naturali :

Fe - 91,7%

Fe - 5,8%

Fe - 2,2%

Fe - 0,3%

De asemenea, se cunosc alti 10 izotopi sintetici ai ferului , printre care ⁶⁰Fe , care a existat in stare naturala in perioada de formare a Sistemului Solar .

Cele mai numeroase si in acelasi timp cele mai importante metode de obtinere ale ferului sunt metodele de reducere pe cale uscata cu C, CO sau H

Procedeele de reducere cu C si CO sunt cele mai vechi si mai simple procedee metalurgice de obtinere a ferului .

FeO + C Fe + CO (reducere directa)

2FeO + C 2Fe + CO (reducere directa)

FeO + CO Fe + CO (reducere indirecta)

Aceste reactii sunt reactii endoterme , efectuandu-se cu un consum important de energie , la temperaturi ridicate , iar metalul obtinut nu este in stare pura deoarece are o tendinta pronuntata de a forma carburi (Fe C) .

Proprietati fizice

Ferul in stare compacta este un metal solid , de culoare cenusie-argintie , cu luciu metalic , cu proprietati feromagnetice ; temperatura la care aceste proprietati dispar (punct Curie) este foarte ridicata (768^o C) .

Duritatea sa este medie (4,5) , iar densitatea ρ=7,89gcm³ , situand astfel ferul in randul metalelor grele . Fiind un metal greu fuzibil , se topeste la temperaturi > 1500^oC si fierbe la temperaturi > 3000^oC .Valorile conductibilitatii termice si electrice sunt de aproximativ 4 ori mai mici decat ale argintului, de exemplu .

Ferul este un metal moale , din care cauza , exceptand alungirea, prezinta proprietati mecanice inferioare , cum ar fi : rezistenta la rupere , la tractiune , duritatea . Este maleabil si ductil , si are capacitatea de a forma cu usurinta , cu unele metale , aliaje cu proprietati deosebite , numite feroaliaje (fonta si otel) .

In tabelul 7 sunt trecute principalele proprietati fizice ale ferului .

Tabelul 7 : Proprietati fizice ale Fe

Proprietati chimice

Ferul este rezistent in aer uscat , la temperatura obisnuita ; incalzit in aer la temperatura inalta se oxideaza energic , cu degajare de caldura si scantei stralucitoare trecand in FeO( acest oxid se formeaza la forjarea ferului incalzit la rosu ) .In stare fin divizata este piroforic in curent de oxigen .

3Fe + 2O Fe O (negru)

Ferul se combina usor la cald cu clorul (formand FeCl ) , cu sulful ( cand rezulta FeS ) , cu fosforul , etc .

2Fe + 3Cl 2FeCl

Fe + S FeS

Are tendinta accentuata sa se combine cu carbonul formand carburi , care se dizolva in masa metalica , imprimandu-i calitati speciale . De asemenea se poate combina cu siliciul formand FeSi , FeSi si FeSi.

La temperatura obisnuita , in absenta aerului , ferul nu este atacat de apa pura, intrucat se formeaza un strat de Fe(OH), care are actiune protectoare. In prezenta aerului umed , are loc procesul de ruginire a ferului. Fe se oxideaza deci in aerul umed , trecand in oxihidroxid FeO(OH) , cunoscut sub numele de rugina . Cu trecerea timpului ferul este degradat complet, fenomenul de ruginire fiind un fenomen nedorit , numit coroziune .

La temperaturi ridicate (peste 700C), ferul reactioneaza cu apa , formand FeOsi punand in libertate hidrogen (una dintre cele mai vechi metode tehnice de obtinere a hidrogenului este trecerea vaporilor de apa peste fer inrosit ) .

3Fe + 4HOFeO + 4H↑

Hidroxidul de sodiu diluat nu ataca ferul in absenta aerului , intrucat ionii OH micsoreaza solubilitatea Fe(OH) format superficial . In schimb , NaOH concentrat ataca ferul chiar in absenta aerului , la temperatura ridicata, deoarece se formeaza o combinatie complexa , care , fiind solubila , permite continuarea reactiei asupra metalului .

Conform pozitiei sale in seria tensiunilor electrochimice , ferul reactioneaza cu acizii minerali neoxidanti diluati ; in absenta de aer se formeaza saruri de Fe si hidrogen :

Fe + 2HFe + H↑

Fe + 2HCl FeCl + H↑

In prezenta de aer , o parte din Fe trece in Fe.

Acidul sulfuric concentrat, ca si acidul azotic concentrat si HCrOconcentrat pasivizeaza ferul . Asa se explica de ce HNO si HSO se pot transporta in cisterne de otel .

Ferul inlocuieste metalele mai putin active din combinatiile lor , ca de exemplu :

Fe + CuSOFeSO + Cu

Hidrogenul este absorbit de fer numai in cantitati mici, la incandescenta . Nu se cunoaste insa nici o hidrura a ferului .

Actiune fiziologica :

Ferul se gaseste in toate celulele animale si vegetale, avand o deosebita importanta biochimica si fiind astfel un element indispensabil vietii . El este principalul catalizator al proceselor respiratorii si intra in compozitia hemoglobinei , care are rol fiziologic de transportator al oxigenului de la plamani la tesuturi .

In organismul unui adult se gaseste in cantitate foarte mica (4-5g) ; necesarul de fer este de 10-15mg./zi . Cele mai bune surse de fer sunt carnea de porc, de pui, pestele, lintea, fasolea, patrunjelul, etc . Contrar credintei populare, spanacul nu este o sursa importanta de fier .