תת-הקבוצה הצדדית של הקבוצה השמינית של המערכת המחזורית מכסה שלוש שלשות של יסודות d ושלושה יסודות שהתקבלו באופן מלאכותי ומעט שנחקרו: גזיום, Hs, מיטנריום, Mt, darmstadtium Ds. השלשה הראשונה נוצרת על ידי היסודות: ברזל, פה, קובלט Co, ניקל Ni; הטריאדה השנייה - רותניום Ru, רדיום רו, פלדיום Pd; והטריאדה השלישית - אוסמיום Os, אירידיום Ir ופלטינה Pt. חסיום, מיטרניום, דרמשטדיום שהושג באופן מלאכותי עם אורך חיים קצר משלימים את רשימת היסודות הכבדים ביותר הידועים כיום.
לרוב היסודות הנחשבים של קבוצה VIIB יש שני אלקטרונים ערכיים על מעטפת האלקטרונים החיצונית של האטום; כולם מתכות. בנוסף לאלקטרונים ns חיצוניים, האלקטרונים של מעטפת האלקטרון הלפני אחרונה (n-1)d לוקחים חלק ביצירת קשרים.
בשל העלייה במטען הגרעיני, ליסוד האחרון של כל שלישיה יש מצב חמצון אופייני נמוך יותר מהיסוד הראשון. יחד עם זאת, עלייה במספר התקופה בה נמצא היסוד מלווה בעלייה בדרגת החסימה האופיינית (טבלה 9.1).
טבלה 9.1 מצבי חמצון אופייניים של יסודות מתת-קבוצת הצלע השמינית
מצבי החמצון הנפוצים ביותר של יסודות בתרכובות שלהם מודגשים בטבלה. 41 בהדגשה.
יסודות אלו מחולקים לעיתים לשלוש תת-קבוצות: תת-קבוצת הברזל (Fe, Ru, Os), תת-קבוצת הקובלט (Co, Rh, Ir), ותת-קבוצת הניקל (Ni, Pd, Pt). חלוקה כזו נתמכת על ידי מצבי החמצון האופייניים של היסודות (טבלה 42) וכמה תכונות אחרות. לדוגמה, כל היסודות של תת-קבוצת הברזל הם זרזים פעילים לסינתזה של אמוניה, ותת-קבוצת הניקל מיועדת לתגובות הידרוגנציה של תרכובות אורגניות. היסודות של תת-קבוצת הקובלט מאופיינים ביצירת תרכובות מורכבות [E (NH 3) 6] G 3, כאשר G הוא יון הלוגן
תכונות החיזור של אלמנטים מקבוצה VIIIB נקבעים על ידי הסכמה הבאה:
חיזוק תכונות החמצון של יוני מתכת
כל המתכות מקבוצה VIIIB פעילות קטליטית. כולם מסוגלים פחות או יותר לספוג מימן ולהפעילו; כולם יוצרים יונים צבעוניים (תרכובות). כל המתכות נוטות להיווצרות מורכבות. השוואה בין התכונות הפיזיקליות והכימיות של היסודות של תת-קבוצה VIII-B מראה ש-Fe, Ni, Co דומים מאוד זה לזה ובו בזמן שונים מאוד מהיסודות של שתי השלשות האחרות, ולכן הם מבודדים. במשפחת הברזל. ששת היסודות היציבים הנותרים מאוחדים תחת שם משותף - משפחת מתכות הפלטינה.
מתכות ממשפחת הברזל
בשלשת הברזל, האנלוגיה האופקית, האופיינית ליסודות ה-d בכללותם, באה לידי ביטוי בצורה הברורה ביותר. תכונות היסודות של שלישיית הברזל ניתנות בטבלה. 42.
טבלה 9.2 תכונות היסודות של שלישיית הברזל
משאבים טבעיים. ברזל הוא היסוד הרביעי (אחרי O 2 , Si, Al) בשכיחותו בקרום כדור הארץ. זה יכול להתרחש בטבע במצב חופשי: זה ברזל ממקור מטאורי. מטאוריטי ברזל מכילים בממוצע 90% Fe, 8.5% Ni, 0.5% Co. יש בממוצע מטאוריט ברזל אחד לעשרים מטאוריטי אבן. לפעמים נמצא ברזל מקומי, שהוצא מבטן האדמה על ידי מאגמה מותכת.
להשגת ברזל משתמשים בעפרת ברזל מגנטית Fe 3 O 4 (מינרל מגנטיט), עפרת ברזל אדומה Fe 2 O 3 (המטיט) ועפרת ברזל חומה Fe 2 O 3 x H 2 O (לימוניט), FeS 2 - פיריט. בגוף האדם, ברזל קיים בהמוגלובין.
קובלט וניקל במצב מתכתי נמצאים במטאוריטים. המינרלים החשובים ביותר: קובלטיט CoAsS (ברק קובלט), פיריט ברזל-ניקל (Fe,Ni) 9 S 8. מינרלים אלה נמצאים בעפרות פולי מתכתיות.
נכסים. ברזל, קובלט, ניקל הם מתכות כסופים-לבן בעלות גוון אפרפר (Fe), ורדרד (Co) וצהבהב (Ni). מתכות טהורות הן חזקות וגמישות. כל שלוש המתכות הן פרומגנטיות. בחימום לטמפרטורה מסוימת (נקודת קירי), התכונות הפרומגנטיות נעלמות והמתכות הופכות לפראמגנטיות.
ברזל וקובלט מאופיינים בפולימורפיזם, בעוד שניקל הוא מונומורפי ובעל מבנה fcc עד לטמפרטורת ההיתוך.
נוכחותם של זיהומים מפחיתה מאוד את העמידות של מתכות אלו לאווירה אגרסיבית בנוכחות לחות. זה מוביל להתפתחות של קורוזיה (חלודה של ברזל) עקב היווצרות של שכבה רופפת של תערובת של תחמוצות והידרוקסידים בהרכב משתנה על פני השטח, שאינם מגנים על פני השטח מפני הרס נוסף.
השוואה בין פוטנציאל האלקטרודה של מערכות E 2+ /E עבור ברזל (-0.441 V), ניקל (-0.277 V) וקובלט (-0.25 V), ופוטנציאל האלקטרודה של מערכת Fe 3+ /Fe (-0.036 V), מראה שהמרכיב הפעיל ביותר בשלישייה זו הוא ברזל. חומצות הידרוכלוריות, גופרית וחנקתיות מדוללות ממיסות את המתכות הללו עם היווצרות יוני E 2+:
Fe+2HC? = FeC? 2+H2;
Ni + H 2 SO 4 \u003d NiSO 4 + H 2;
3Co + 8HNO 3 \u003d 3Co (NO 3) 2 + 2NO + 4H 2 O;
4Fe + 10HNO 3 \u003d 3Fe (NO 3) 2 + NH 4 No 3 + 3H 2 O.
חומצה חנקתית מרוכזת יותר וחומצה גופרתית מרוכזת חמה (פחות מ-70%) מחמצנות ברזל ל-Fe (III) עם היווצרות NO ו-SO2, למשל:
Fe + 4HNO 3 \u003d Fe (NO 3) 3 + No + 2H 2 O;
2Fe + 6H 2 SO 4 Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
חומצה חנקתית מרוכזת מאוד (sp.v. 1.4) פסיבית ברזל, קובלט, ניקל, ויוצרת סרטי תחמוצת על פני השטח שלהם.
ביחס לתמיסות אלקליות, Fe, Co, Ni יציבים, אך מגיבים עם נמס בטמפרטורות גבוהות. כל שלוש המתכות אינן מגיבות עם מים בתנאים רגילים, אבל בטמפרטורה חמה-אדום, ברזל יוצר אינטראקציה עם אדי מים:
3Fe + 4H 2 o Fe 3 O 4 + 4H 2.
קובלט וניקל עמידים באופן ניכר יותר בפני קורוזיה מאשר ברזל, מה שעולה בקנה אחד עם מיקומם בסדרת הפוטנציאלים הסטנדרטיים של האלקטרודות.
ברזל מפוזר דק בחמצן נשרף כאשר מחומם ליצירת Fe 3 O 4, שהיא תחמוצת הברזל היציבה ביותר וקובלט יוצר את אותה תחמוצת. תחמוצות אלו הן נגזרות של יסודות במצבי חמצון +2, +3 (EO E 2 O 3). חמצון תרמי של קובלט וניקל ממשיך בטמפרטורות גבוהות יותר, עם היווצרות של NiO ו-CoO, בעלי הרכב משתנה בהתאם לתנאי החמצון.
עבור ברזל, ניקל, קובלט, תחמוצות ידועות EO ו-E 2 O 3 (טבלה 9.3)
טבלה 9.3 תרכובות המכילות חמצן של יסודות מתת-קבוצה VIIIB
|
שם הרכיב |
מצב חמצון |
הידרוקסידים |
|||||
|
אופי |
שֵׁם |
נוסחת יונים |
שֵׁם |
||||
|
ברזל (Fe) |
בסיסי |
ברזל(II) הידרוקסיד |
מלחי ברזל (II) |
||||
|
אמפוטרי עם דומיננטיות של בסיסי |
הידרוקסיד של ברזל(III). |
מלחי ברזל (III) |
|||||
|
חומצה ברזלית |
|||||||
|
חוּמצָה |
חומצת ברזל |
||||||
|
קובלט (Co) |
בסיסי |
קובלט(II) הידרוקסיד |
מלחי קובלט (II) |
||||
|
בסיסי |
קובלט(III) הידרוקסיד |
מלחי קובלט (III) |
|||||
|
ניקל (ני) |
בסיסי |
ניקל(II) הידרוקסיד |
מלחי ניקל(II). |
||||
|
בסיסי |
ניקל(III) הידרוקסיד |
מלחי ניקל(III). |
לא ניתן להשיג תחמוצות EO ו-E 2 O 3 בצורה טהורה על ידי סינתזה ישירה, שכן במקרה זה נוצרת קבוצה של תחמוצות, שכל אחת מהן היא שלב בהרכב משתנה. הם מתקבלים בעקיפין - על ידי פירוק של מלחים והידרוקסידים מסוימים. אוקסיד E 2 O 3 יציב רק לברזל ומתקבל על ידי התייבשות של הידרוקסיד.
תחמוצות EO אינן מסיסות במים ואינן מקיימות אינטראקציה איתם או עם תמיסות אלקליות. הדבר נכון גם לגבי הידרוקסידים E(OH) 2 המקבילים. E(OH) 2 הידרוקסידים מגיבים בקלות עם חומצות ליצירת מלחים. תכונות החומצה-בסיס של ההידרוקסידים של היסודות של שלישיית הברזל ניתנות בטבלה. 42.
ברזל הידרוקסיד (III) Fe (OH) 3 נוצר במהלך החמצון של Fe (OH) 2 עם חמצן אטמוספרי:
4 Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3.
תגובה דומה אופיינית לקובלט. ניקל הידרוקסיד (II) יציב ביחס לחמצן אטמוספרי. כתוצאה מכך, הידרוקסידים E(OH) 3 מתנהגים בצורה שונה באינטראקציה עם חומצות. אם Fe (OH) 3 יוצר מלחי ברזל (III), אז התגובה של Co (OH) 3 ו- Ni (OH) 3 עם חומצות מלווה בהפחתה ל-E (+2):
Fe(OH)3 + 3HC? = FeC? 3+3H2O;
2Ni(OH)3 + 6HC? = 2 NiC? 2+C? 2+6H2O.
Fe(OH) 3 הידרוקסיד גם מציג פונקציה חומצית, מגיבה עם תמיסות אלקליות חמות מרוכזות ליצירת קומפלקסים של הידרוקסו, למשל, Na 3 . נגזרות חומצה ברזלית HFeO 2 (פריטים) מתקבלות על ידי מיזוג אלקליים או קרבונטים עם Fe 2 O 3:
2NaOH + Fe 2 O 3 2NaFeO 2 + H 2 O;
MgCO 3 + Fe 2 O 3 MgFe 2 O 4 + CO 2.
Ferrites Me II Fe 2 O 4 שייכים למחלקת הספינלים. תחמוצות Fe 3 O 4 ו-Co 3 O 4 שנדונו לעיל הן רשמית ספינלים של FeFe 2 O 4 ו-CoCo 2 O 4.
בניגוד לקובלט וניקל, ידועות תרכובות ברזל שבהן מצב החמצון שלה הוא + 6. פראטים נוצרים במהלך החמצון של Fe (OH) 3 באלקלי חם מרוכז בנוכחות חומר מחמצן:
2Fe +3 (OH) 3 + 10KOH + 3Br 2 = 2K 2 Fe +6 O 4 + 6KBr + 2H 2 O.
הפראטים אינם יציבים תרמית ועם חימום קל (100-2000C) הופכים לפריטים:
4K 2 FeO 4 4KfeO 2 + 2K 2 O + 3O 2.
במצב חופשי, חומצת ברזל ותחמוצת FeO 3 המתאימה לא בודדו. לפי מסיסות ומבחינה מבנית, הפראטים קרובים לכרומטים ולסולפטים המתאימים. אשלגן פראט נוצר על ידי מיזוג Fe 2 O 3 עם KNO 3 ו-KOH:
Fe 2 O 3 + 3KNO 3 + 4KOH \u003d 2K 2 feO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O.
פראטים הם חומרים גבישיים אדומים-סגולים. כשהם מתחממים, הם מתפרקים. לא ניתן לבודד את החומצה H 2 FeO 4, היא מתפרקת באופן מיידי ל- Fe 2 O 3, H 2 O ו- O 2 . פראטים הם חומרי חמצון חזקים. בסביבות חומציות ונייטרליות, הפראטים מתפרקים, מחמצנים מים:
2Na 2 FeO 4 + 10 H 2 O 4Fe (OH) 3 + 4NaOH + O 2.
תרכובות עם לא מתכות. הלידים Fe, Ni, Co הם מעטים יחסית והם תואמים את מצבי החמצון האופייניים ביותר +2 ו-+3. לברזל ידועים ההלידים FeG 2 ו-FeG 3 עם פלואור, כלור וברום. עם אינטראקציה ישירה, FeF 3, FeC? 3, פברואר 3. דיהלידים מתקבלים בעקיפין - על ידי המסת המתכת (או התחמוצת שלה) בחומצה ההידרופלית המתאימה. קובלט טריפלואוריד CoF 3 וטריכלוריד CoC? 3 . ניקל אינו יוצר טריהאלידים. כל הדיהאלידים של שלישיית הברזל הם תרכובות דמויות מלח אופייניות בעלות תרומה יונית משמעותית לקשר הכימי.
ברזל, קובלט, ניקל מקיימים אינטראקציה נמרצת עם כלקוגנים ויוצרים כלקוגנידים: EX ו-EX 2. ניתן להשיג מונוכלקוגנידים על ידי אינטראקציה של הרכיבים המתאימים בתמיסות:
CoC? 2 + (NH 4) 2 S \u003d CoS + 2NH 4 C?.
כל הכלקוגנידים הם שלבים בעלי הרכב משתנה.
התרכובות של המתכות של שלישיית הברזל עם לא-מתכות אחרות (פניקטוגנים, פחמן, סיליקון, בורון) שונות באופן ניכר מאלה שנחשבו לעיל. כולם אינם מצייתים לכללי הערכיות הפורמלית ולרובם יש תכונות מתכתיות.
ברזל, קובלט, ניקל סופגים מימן, אבל לא נותנים איתו תרכובות מסוימות. בחימום, מסיסות המימן במתכות עולה. מימן המומס בהם נמצא במצב אטומי.
מלחים של חומצות המכילות חמצן ותרכובות מורכבות. כל המלחים של חומצות הידרוכלוריות, גופריתיות וחנקתיות מסיסים במים.
מלחי ניקל (II) הם ירוק, קובלט (II) - כחול, ותמיסותיהם והידרטים הגבישיים - ורודים (למשל,), מלחי ברזל (II) - ירקרקים וברזל (III) - חום. המלחים החשובים ביותר הם: FeC? 36H2O; FeSO 4 7H 2 O - ברזל סולפט, (NH 4) 2 SO 4 FeSO 4 6H 2 O - מלח מוהר; NH 4 Fe (SO 4) 2 12H 2 O - אלום אמוניום ברזל; NiSO 4 6H 2 O וכו'.
היכולת של מלחי ברזל, קובלט וניקל ליצור הידרטים גבישיים מעידה על נטייתם של יסודות אלה להיווצרות מורכבות. הידרטים גבישיים הם דוגמה טיפוסית למתחמי מים:
[E (H 2 O) 6] (ClO 4) 2; [E (H 2 O) 6] (NO 3) 2.
קומפלקסים אניונים רבים עבור האלמנטים של שלישיית הברזל: הליד (Me I (EF 3), Me 2 I [EG 4], Me 3 [EG 4] וכו'), תיאוציאנט (Me 2 I [E (CNS) 4] , Me 4 I [E (CNS) 6 ], Me 3 I [E (CNS) 6 ]), אוקסולאט (Me 2 I [E (C 2 O 4) 2 ], Me 3 [E (C 2 O) 4) 3]). קומפלקסים ציאנידים אופייניים ויציבים במיוחד: K 4 - אשלגן הקסציאנופראט (II) (מלח דם צהוב) ו-K 3 - אשלגן הקסציאנופראט (III) (מלח דם אדום). מלחים אלו הם מגיבים טובים לזיהוי יוני Fe+3 (מלח צהוב) ויוני Fe 2+ (מלח אדום) ב-pH ??7:
4Fe 3+ + 4- = Fe 4 3;
כחול פרוסי
3Fe 2+ + 2 3- = Fe 3 2 .
טורנבול כחול
הכחול הפרוסי משמש כצבע כחול. כאשר מוסיפים מלחי thiocyanate KCNS לתמיסה המכילה יוני Fe 3+, התמיסה הופכת לאדומה בדם עקב היווצרות תיאוציאנט ברזל:
FeC? 3 + 3KCNS = Fe(CNS) 3 + 3KC?.
תגובה זו רגישה מאוד ומשמשת לפתיחת יון Fe 3+.
קובלט (II) מאופיין במלחים פשוטים יציבים ובתרכובות מורכבות לא יציבות K 2, K 4, שהופכות לתרכובות קובלט (III): K 3, C? 3 .
תרכובות מורכבות אופייניות של ברזל, ברזל, קובלט וניקל הן קרבונילים. תרכובות דומות נחשבו קודם לכן עבור היסודות של תת-קבוצות הכרום והמנגן. עם זאת, האופייניים ביותר בין הקרבונילים הם: , , . קרבונילים של ברזל וניקל מתקבלים כנוזלים בלחץ רגיל וב-20-60 מעלות צלזיוס על ידי העברת זרם CO על אבקות מתכת. קובלט קרבוניל מתקבל ב-150-200 o C ולחץ (2-3) 10 7 Pa. אלו הם גבישים כתומים. בנוסף, ישנם קרבונילים בהרכב מורכב יותר: Fe (CO) 9 וקרבונילים תלת-גרעיניים, שהם תרכובות מסוג צביר.
כל הקרבונילים הם דיאמגנטיים, שכן ליגני CO (כמו גם CN?) יוצרים שדה חזק, וכתוצאה מכך האלקטרונים הערכיים של חומר הקומפלקס יוצרים קשרי p עם מולקולות CO במנגנון התורם-המקבל. קשרי y נוצרים עקב צמדי אלקטרונים בודדים של מולקולות CO והאורביטלים הפנויים הנותרים של חומר הקומפלקס:
ניקל (II), להיפך, יוצר תרכובות מורכבות רבות יציבות: (OH) 2 , K 2 ; היון 2+ הוא כחול כהה.
תגובה זו נמצאת בשימוש נרחב בניתוח איכותי וכמותי לקביעת ניקל. תרכובות של ניקל ובעיקר קובלט הן רעילות.
יישום. ברזל וסגסוגותיו מהווים את הבסיס לטכנולוגיה המודרנית. ניקל וקובלט הם תוספות סגסוג חשובות בפלדות. סגסוגות עמידות בחום על בסיס ניקל (ניכרום המכילות Ni ו-Cr וכו') נמצאות בשימוש נרחב. סגסוגות נחושת ניקל (מלכיור וכו') משמשות לייצור מטבעות, תכשיטים וכלי בית. סגסוגות רבות אחרות המכילות ניקל וקובלט הן בעלות חשיבות מעשית רבה. בפרט, קובלט משמש כמרכיב צמיג של החומרים מהם עשויים כלי חיתוך מתכת, שבהם משובצים חלקיקים של קרבידים קשים במיוחד MoC ו-WC. ציפוי ניקל מצופה אלקטרו של מתכות מגן על האחרון מפני קורוזיה ונותן להם מראה יפה.
מתכות ממשפחת הברזל ותרכובותיהן נמצאות בשימוש נרחב כזרזים. ברזל ספוג עם תוספים - זרז לסינתזה של אמוניה. ניקל מפוזר מאוד (ניקל רני) הוא זרז פעיל מאוד להידרוגנציה של תרכובות אורגניות, בפרט שומנים. ניקל ראני מתקבל על ידי פעולה עם תמיסת אלקלית על התרכובת הבין מתכתית NiA?, בעוד שאלומיניום יוצר אלומינאט מסיס, והניקל נשאר בצורה של חלקיקים זעירים. זרז זה מאוחסן מתחת לשכבה של נוזל אורגני, שכן במצב יבש הוא מתחמצן באופן מיידי על ידי חמצן אטמוספרי. קובלט ומנגן הם חלק מהזרז המוסף לצבעי שמן כדי להאיץ את "ייבושם".
תחמוצת Fe 2 O 3 ונגזרותיה (פריטים) נמצאים בשימוש נרחב באלקטרוניקה רדיו כחומרים מגנטיים.
ממוקם בתקופה הרביעית.
המשקל האטומי של ברזל הוא 55.84, המטען הגרעיני הוא +26. התפלגות אלקטרונים לפי רמות אנרגיה (+26): 2, 8, 14, 2. תצורה אלקטרונית של שכבת הברזל החיצונית והקדם-חיצונית 3s23p63d64s2.
כך, עבור אטום ברזל, בנוסף לשניים ס-אלקטרונים של השכבה החיצונית הרביעית, ישנם שישה נוספים ד-אלקטרונים של השכבה הפרה-חיצונית השלישית. של אלה ד-אלקטרונים הם הכי פעילים 4 לא מזווגים. כתוצאה מכך, 6 אלקטרונים מעורבים באופן פעיל במיוחד ביצירת קשרי ערכיות ברזל - 2 מהשכבות החיצוניות ו-4 מהשכבות הטרום-חיצוניות. מצבי החמצון הנפוצים ביותר של ברזל הם Fe +2 ו- Fe +3. ברזל הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר בטבע. במונחים של שכיחות בין שאר המרכיבים, היא מדורגת במקום הרביעי.
■ 57. בהתבסס על מבנה אטום הברזל, כמו גם התפלגות האלקטרונים באורביטלים, מצביעים על מצבי החמצון האפשריים של יסוד זה.
ברזל במצב חופשי הוא מתכת בוהקת אפורה כסופה עם צפיפות של 7.87, נקודת התכה של 1535° ונקודת רתיחה של 2740°. לברזל יש תכונות פרומגנטיות מובהקות, כלומר בהשפעת שדה מגנטי הוא מתמגנט וכאשר השדה נפסק, שומר על תכונותיו המגנטיות והופך בעצמו למגנט. לכל היסודות מקבוצת הברזל יש תכונות אלו.
על פי תכונותיו הכימיות, ברזל הוא מתכת פעילה מאוד. בהיעדר לחות, הברזל אינו משתנה באוויר, אך כשהוא נחשף ללחות וחמצן באוויר הוא עובר קורוזיה קשה ומתכסה בשכבת חלודה רופפת, שהוא ברזל, שאינו מגן עליו מפני חמצון נוסף. , וברזל מתחמצן בהדרגה בכל המסה שלו:
4Fe + 2Н2О + 3О2 = 2Fe2O3 2H2O
פותחו מספר שיטות כדי להגן על המתכת היקרה ביותר מפני קורוזיה.
בסדרת המתחים, הברזל ממוקם משמאל למימן. בהקשר זה, הוא נחשף בקלות לפעולה של חומצות מדוללות, הופך למלח ברזל, למשל:
Fe + 2HCl = FeCl2 + H2
ברזל אינו מגיב עם חומצות גופרית וחנקתיות מרוכזות. חומצות אלו יוצרות שכבת תחמוצת כה חזקה וצפופה על פני המתכת, עד שהמתכת הופכת לפסיבית לחלוטין ואינה נכנסת עוד לתגובות אחרות. יחד עם זאת, באינטראקציה ישירה עם חומרי חמצון חזקים כמו ברזל תמיד מציג מצב חמצון של +3:
2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3
ברזל מגיב עם קיטור מחומם; באותו זמן, הוא נעקר מהמים, והברזל הלוהט הופך לתחמוצת, וזה תמיד או תחמוצת ברזל FeO או תחמוצת ברזל Fe3O4 (Fe2O3 FeO):
Fe + H2O = FeO + H2
3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2
ברזל מחומם בחמצן טהור נשרף בעוצמה עם היווצרות אבנית ברזל (ראה איור 40).
3Fe + 2O2 = Fe3O4
כאשר מבודד, ברזל יוצר סגסוגת עם פחמן ובו זמנית, ברזל קרביד Fe3C.
■ 58. רשום את התכונות הפיזיקליות של הברזל.
59. מהן התכונות הכימיות של ברזל? תן תשובה מנומקת.
תרכובות ברזל
ברזל יוצר שתי סדרות של תרכובות - תרכובות Fe +2 ו- Fe +3. ברזל מאופיין בשתי תחמוצות - תחמוצת FeO ותחמוצת Fe2O3. נכון, ידועה תחמוצת מעורבת Fe3O4, שהמולקולה שלה היא ברזל דו-ברזל: Fe2O3 · FeO. תחמוצת זו נקראת גם תחמוצת ברזל, או תחמוצת ברזל.
תרכובות ברזל ברזליות פחות יציבות מתחמוצת-או, ובנוכחות חומר מחמצן, גם אם מדובר רק באוויר, הן הופכות לרוב לתרכובות ברזל ברזל. לדוגמה, הידרוקסיד הברזל (II) Fe (OH) 2 הוא מוצק לבן, אך ניתן להשיגו בצורתו הטהורה רק כאשר התמיסות של החומרים המגיבים אינן מכילות חמצן מומס ואם התגובה מתבצעת בהיעדר של חמצן אטמוספרי:
FeSO4 + 2NaOH = Fe(OH)2 + Na2SO4
המלח שממנו מתקבל הידרוקסיד של ברזל (II), כמובן, לא צריך להכיל את הטומאה הקטנה ביותר של תרכובות חמצוניות. מכיוון שקשה מאוד ליצור תנאים כאלה במעבדה חינוכית רגילה, מתקבל הידרוקסיד של ברזל (II) בצורה של משקע ג'לטיני ירוק כהה פחות או יותר, המעיד על חמצון מתמשך של תרכובות ברזל לברזל. אם הידרוקסיד של ברזל (II) נשמר באוויר במשך זמן רב, הוא הופך בהדרגה להידרוקסיד של ברזל (III) Fe (OH) 3:
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
ברזל הם הידרוקסידים בלתי מסיסים אופייניים. הידרוקסיד של ברזל (II) הוא בעל תכונות בסיסיות, בעוד ל-Fe (OH) 3 יש תכונות אמפוטריות מאוד חלשות.
■ 60. רשום את התכונות של תחמוצת ברזל כתחמוצת בסיסית טיפוסית. תן תשובה מנומקת. כתוב את כל משוואות התגובה בצורות יוניות מלאות ומקוצרות.
61. רשום את תכונות הברזל הידרוקסיד (II). תמכו את תשובתכם במשוואות תגובה.
מבין מלחי הברזל (II), יש חשיבות רבה ביותר לברזל סולפט FeSO4 7H2O, המכיל 7 מולקולות של מי התגבשות. ברזל גופרתי מסיס מאוד במים. הוא משמש להדברת מזיקים בחקלאות, כמו גם בייצור של צבעים.
מבין מלחי הברזל, החשוב ביותר הוא כלוריד ברזל FeCl3, שהוא גבישים כתומים היגרוסקופיים מאוד שסופגים מים במהלך האחסון ומתפשטים לשתייה חומה.
מלחי ברזל (II) יכולים להפוך בקלות למלחי ברזל (III), למשל, כאשר הם מחוממים עם חומצה חנקתית או אשלגן פרמנגנט בנוכחות חומצה גופרתית:
6FeSO4 + 2HNO3 + 3H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 2NO + 4H2O
חמצון של מלחי Fe+2 במלחי Fe+3 יכול להתרחש גם תחת פעולת חמצן אטמוספרי במהלך אחסון התרכובות הללו, אך רק תהליך זה ארוך יותר. להכרה של קטיונים Fe 2+ ו- Fe 3+, משתמשים בריאגנטים ספציפיים מאוד אופייניים. לדוגמה, כדי לזהות ברזל ברזל, הם לוקחים מלח דם אדום K3, אשר, בנוכחות יוני ברזל, נותן להם משקע כחול עז אופייני של כחול טורנבול:
3FeSO4 + 2K3 = Fe32 + 3K2SO4
או בצורה יונית
3Fe 2+ + 2 3- = Fe32
כדי לזהות Fe3 + מלחים, נעשה שימוש בתגובה עם מלח דם צהוב K4:
4FeCl3 + 3K4 = Fe43 + 12KCl
4Fe 3+ + 3 4- = Fe43
במקרה זה, משקעים כחולים עזים של משקעים כחולים פרוסים. כחול פרוסי וכחול טורנבול משמשים כצבעים.
בנוסף, ניתן לזהות ברזל ברזל באמצעות מלחים מסיסים - אשלגן תיאוצינאט KCNS או אמוניום תיוציאנאט NH4CNS. כאשר חומרים אלה מקיימים אינטראקציה עם מלחי Fe(III), התמיסה מקבלת צבע אדום-דם.
■ 62. רשום את תכונות המלחים Fe +3 ו- Fe +2. איזה מצב חמצון יציב יותר?
63. איך ממירים מלח Fe+2 למלח Fe+3 ולהיפך? תן דוגמאות.
התגובה הולכת לפי המשוואה:
FeCl3 + 3KCNS = Fe(CNS)3 + 3KCl
או בצורה יונית
Fe 3+ + 3CNS - \u003d Fe (CNS),
תרכובות ברזל ממלאות תפקיד חשוב בחייהם של אורגניזמים. לדוגמה, הוא חלק מחלבון הדם העיקרי - המוגלובין, כמו גם צמחים ירוקים - כלורופיל. ברזל נכנס לגוף בעיקר בחומר האורגני של מוצרי מזון. הרבה ברזל מכיל תפוחים, ביצים, תרד, סלק. כתרופות, ברזל משמש בצורה של מלחים של חומצות אורגניות. כלוריד ברזל משמש כסוכן המוסטטי.
■ 64. שלוש מבחנות מכילות: א) ברזל (II) סולפט, ב) ברזל (III) סולפט וג) ברזל (III) כלוריד. כיצד לקבוע איזו מבחנה מכילה איזה מלח?
65. כיצד לבצע סדרה של טרנספורמציות:
Fe → FeCl2 → FeSO4 → Fe2(SO4)3 → Fe(OH)3 → Fe2O3.
66. ניתן להלן: ברזל, סודה קאוסטית. כיצד, באמצעות חומרים אלו בלבד, להשיג הידרוקסיד של ברזל (II) וברזל (III) הידרוקסיד?
67. תמיסה המכילה כרום (III) כלוריד וברזל (III) כלוריד טופלה בעודף של אלקלי. המשקע שהתקבל סונן. מה נשאר על המסנן ומה עובר לתסנין? תן תשובה מושכלת באמצעות משוואות התגובה בצורות מולקולריות, יוניות מלאות ומקוצרות.
סגסוגות ברזל
ברזל הוא הבסיס של מתכות ברזל, ולכן הוא נכרה בכמויות אדירות. התוכנית החדשה לבנייה בקנה מידה מלא של קומוניזם מספקת ייצור של 250 מיליון טון פלדה ב-1980. זה פי 3.8 מאשר ב-1960.
כמעט אף פעם לא משתמשים בברזל בצורתו הטהורה, אלא רק בצורת סגסוגות. הסגסוגות החשובות ביותר של הברזל הן הפחמן שלו - ברזל יצוק ופלדות שונות. ההבדל העיקרי בין ברזל יצוק לפלדה הוא תכולת הפחמן: ברזל יצוק מכיל יותר מ-1.7% פחמן, בעוד פלדה מכילה פחות מ-1.7%.
חשיבות מעשית רבה הן סגסוגות ברזל (סגסוגת של ברזל עם סיליקון), פרוכרום (סגסוגת של ברזל עם כרום), ופרומנגן (סגסוגת של ברזל עם מנגן). סגסוגות ברזל הן ברזל יצוק המכילים יותר מ-10% ברזל ולפחות 10% מהרכיב המתאים. בנוסף, הם מכילים את אותם אלמנטים כמו ברזל יצוק. סגסוגות ברזל משמשות בעיקר ב"דה חמצון" של פלדה וכזיהומים מסגסוגים.
בין ברזל יצוק, ברזל ליניארי וחזיר מובחנים. ברזל יציקה משמש ליציקת חלקים שונים, ברזל חזיר מותך לפלדה, כיוון שהוא בעל קשיות גבוהה מאוד ואינו ניתן לעיבוד. ברזל חזיר הוא לבן, וברזל יציקה הוא אפור. ברזל חזיר מכיל יותר מנגן.
פלדות הן פחמן וסגסוגת. פלדות פחמן הן בדרך כלל סגסוגת של ברזל ופחמן, בעוד פלדות סגסוגת מכילות תוספים מסגסוגים, כלומר זיהומים של מתכות אחרות המעניקות לפלדה תכונות יקרות יותר. נותן גמישות לפלדה, גמישות, יציבות במהלך התקשות, ו- קשיות ועמידות בחום. פלדות עם תוספי זירקוניום הן מאוד אלסטיות ורקיעות; הם משמשים לייצור לוחות שריון. זיהומי מנגן הופכים את הפלדה לעמידה בפני פגיעות וחיכוך. בורון משפר את תכונות החיתוך של פלדה בייצור פלדות כלי עבודה.
לפעמים אפילו זיהומים קלים של מתכות נדירות נותנים לפלדה תכונות חדשות. אם חלק פלדה נשמר באבקת בריליום בטמפרטורה של 900-1000 מעלות, קשיות הפלדה ועמידות הבלאי שלה גדלים מאוד.
כרום ניקל או כפי שהם נקראים גם פלדות אל חלד עמידות בפני קורוזיה. זיהומי גופרית וזרחן מזיקים מאוד לפלדה - הם הופכים את המתכת לשבירה.
■ 68. מהם הברזל הכי חשוב שידוע לך?
69. מה ההבדל העיקרי בין פלדה לברזל יצוק?
70. מהן התכונות של ברזל יצוק ואיזה סוגי ברזל יצוק אתה מכיר?
71. מהן פלדות סגסוגת ותוספי סגסוגת?
תהליך תחום
ברזל חזיר מיוצר על ידי התכה הפחתה בתנורי פיצוץ. מדובר במבנים ענקיים בגובה שלושים מטרים, המייצרים יותר מ-2,000 טון ברזל יצוק ביום. התוכנית של מכשיר תנור הפיצוץ מוצגת באיור. 83.
החלק העליון של תנור הפיצוץ, שדרכו מוטען המטען, נקרא העליון. דרך החלק העליון של המטען
אורז. 83. תוכנית התקן של תנור פיצוץ.
נופל לתוך פיר ארוך של הכבשן, מתרחב מלמעלה למטה, מה שמקל על תנועת החומר הטעון מלמעלה למטה. כאשר המטען עובר לחלק הרחב ביותר של הכבשן - קיטור - מתרחשת איתו סדרה של טרנספורמציות, כתוצאה מכך נוצר ברזל יצוק, הזורם אל האח - החלק החם ביותר של הכבשן. כאן נאסף סיגים. ברזל יצוק וסיגים משתחררים מהכבשן דרך חורים מיוחדים באח, הנקראים טפחים. דרך חלקו העליון של הכבשן, נשפף אוויר לתוך תנור הפיצוץ, התומך בשריפת הדלק בכבשן.
שקול את התהליכים הכימיים המתרחשים במהלך ההתכה של ברזל. המטען של תנור פיצוץ, כלומר מכלול החומרים המועמסים לתוכו, מורכב מעפרות ברזל, דלק ושטפים, או שטפים. יש הרבה עפרות ברזל. העפרות העיקריות הן עפרות ברזל מגנטיות Fe3O4, עפרות ברזל אדומות Fe2O3, עפרות ברזל חומות 2Fe2O8 3H2O. בתהליך התנור הפיצוץ, FeCO3 siderit משמש כעפרת ברזל, ולפעמים FeS2, אשר לאחר שריפה בתנורי פיריט, הופך ל-Fe2O3, אשר ניתן להשתמש בו במטלורגיה. עפרות כאלה פחות רצויות בגלל התערובת הגדולה של גופרית. לא רק ברזל יצוק, אלא גם סגסוגות ברזל מותכות בכבשן פיצוץ. הדלק המוטען לכבשן משמש במקביל לשמירה על טמפרטורה גבוהה בכבשן ולהשבת ברזל מעפרות, וכן לוקח חלק ביצירת סגסוגת עם פחמן. הדלק הוא בדרך כלל קולה.
בתהליך של התכת ברזל, קולה מגוזה, והופך, כמו במחולל גז, תחילה לדו-חמצני ולאחר מכן לפחמן חד-חמצני:
C + O2 = CO3 CO2 + C = 2CO
הפחמן החד חמצני המתקבל הוא חומר מפחית גזים טוב. בעזרתו, עפרות ברזל משוחזרות:
Fe2O3 + 3CO = 3CO2 + 2Fe
יחד עם עפרות המכילות ברזל, זיהומים של פסולת סלע בטוח ייכנסו לכבשן. הם מאוד עקשן ויכולים לסתום תנור שפועל ברציפות במשך שנים רבות. על מנת שפסולת הסלע יוסר בקלות מהכבשן, היא הופכת לתרכובת מתמזגת, והופכת אותה לסיגים עם שטפים (שטפים). להעביר לסיגים את סלע הבסיס המכיל, למשל, אבן גיר, המתפרקת בכבשן לפי המשוואה
CaCO3 = CaO + CO2
להוסיף חול. בהתמזגות עם תחמוצת סידן, חול יוצר סיליקט:
CaO + SiO3 = CaSiO3
זהו חומר בעל נקודת התכה נמוכה מאין כמותה. במצב נוזלי, ניתן לשחרר אותו מהכבשן.
אם הסלע הוא חומצי, המכיל כמות גדולה של דו תחמוצת הסיליקון, אז, להיפך, מועמסים לכבשן אבן גיר, אשר הופכת דו תחמוצת הסיליקון לסיליקט, ומתקבל אותו סיגים כתוצאה מכך. בעבר, סיגים היו פסולת, אבל עכשיו הוא מקורר במים ומשמש כחומר בניין.
כדי לשמור על הבעירה של הדלק, אוויר מחומם ומועשר בחמצן מסופק ברציפות לכבשן הפיצוץ. הוא מחומם בתנורי אוויר מיוחדים - kiupers. Cowper הוא מגדל גבוה הבנוי מלבנים עקשן, שבו נפלטים גזים חמים מתנור הפיצוץ. גזי תנור פיצוץ מכילים פחמן דו חמצני CO2, N2 ופחמן חד חמצני CO. פחמן חד חמצני נשרף בפרת, ובכך מעלה את הטמפרטורה שלו. לאחר מכן נשלחים גזי הכבשן באופן אוטומטי ל-cowper אחר, ובאמצעות הראשון, מתחילה נשיפה של אוויר המופנה לכבשן הפיצוץ. בקופר חם, האוויר מחומם, וכך נחסך דלק, שייצא בכמויות גדולות על חימום האוויר הנכנס לכבשן הפיצוץ. לכל תנור פיצוץ יש כמה קופרים.
■ 72. מהו הרכב מטען הכבשן?
73. רשום את התהליכים הכימיים העיקריים המתרחשים במהלך ההתכה של ברזל.
74. מהו ההרכב של גז כבשנים וכיצד הוא משמש ב-cowpers?
75. כמה ברזל יצוק המכיל 4% פחמן ניתן להשיג מ-519.1 ק"ג של עפרות ברזל מגנטיות המכילות 10% זיהומים?
76. איזו כמות קוק נותנת נפח חד חמצני של פחמן המספיק להפחתת 320 ק"ג תחמוצת ברזל אם הקוקס מכיל 97% פחמן טהור?
77. כיצד יש לעבד סידריט כדי שניתן יהיה להשיג מהם ברזל?
התכת פלדה
פלדה מותכת בשלושה סוגי תנורים - תנורים רגנרטיביים באח פתוח, ממירי בסמר ותנורים חשמליים.
תנור האח הפתוח הוא התנור המודרני ביותר המיועד להתכת המסה העיקרית של הפלדה (איור 84). תנור עם אש פתוח, בניגוד לתנור פיצוץ, אינו תנור הפועל ברציפות.
אורז. 84. תכנית המכשיר של תנור אש פתוח
החלק העיקרי שלו הוא אמבטיה, שבה החומרים הדרושים מועמסים דרך החלונות על ידי מכונה מיוחדת. האמבטיה מחוברת במעברים מיוחדים למחדשים, המשמשים לחימום הגזים הדליקים והאוויר המסופקים לכבשן. החימום מתרחש עקב החום של תוצרי הבעירה, המועברים דרך הרגנרטורים מעת לעת. מכיוון שיש כמה מהם, הם פועלים בתורם ומתחממים בתורם. תנור עם אש פתוח יכול לייצר עד 500 טון פלדה לכל התכה.
המטען של תנור אש פתוח הוא מגוון מאוד: הרכב המטען כולל ברזל חזיר, גרוטאות מתכת, עפרות, שטפים (שטפים) בעלי אופי זהה לתהליך תנור הפיצוץ. כמו בתהליך כבשני הפיצוץ, במהלך ייצור הפלדה, אוויר וגזים דליקים מתחממים במחדשים בשל החום של גזי הפליטה. הדלק בתנורים פתוחים הוא מזוט שמרוסס על ידי חרירים או גזים דליקים, שנמצאים כיום בשימוש נרחב במיוחד. הדלק כאן משמש רק לשמירה על טמפרטורה גבוהה בכבשן.
תהליך התכת פלדה שונה מהותית מתהליך תנור הפיצוץ, שכן תהליך התנור הלהב הוא תהליך הפחתה, והתכת פלדה היא תהליך חמצוני, שמטרתו להפחית את תכולת הפחמן על ידי חמצונו במסת המתכת. התהליכים הכרוכים בכך מורכבים למדי.
כלול בעפרה ומסופק עם אוויר לכבשן לשריפת דלק גזי, הוא מתחמצן, כמו גם כמות משמעותית של ברזל, והופך אותו בעיקר לתחמוצת ברזל (II): 2Fe + O2 \u003d 2FeO
כלול בברזל יצוק, או כל זיהומים של מתכות אחרות בטמפרטורה גבוהה, הפחת את תחמוצת הברזל (II) שהתקבלה שוב לברזל מתכתי לפי המשוואה: Si + 2FeO \u003d SiO2 + 2Fe Mn + FeO \u003d MnO + Fe
מגיב באופן דומה עם תחמוצת ברזל (II) ו: C + FeO = Fe + CO
בסופו של התהליך, כדי לשחזר את תחמוצת הברזל (II) שנותרה (או, כמו שאומרים, "להסיר" אותה), מוסיפים "מפירי חמצון" - סגסוגות ברזל. התוספים של מנגן וסיליקון המצויים בהם מפחיתים את תחמוצת הברזל הנותרת (II) לפי המשוואות לעיל. לאחר מכן, ההיתוך מסתיימת. התכה בתנורים פתוחים אורכת 8-10 שעות.
אורז. 85. דיאגרמת מכשיר ממיר Bessemer
ממיר Bessemer (איור 85) - תנור מסוג ישן יותר, אך בעל ביצועים גבוהים מאוד. מכיוון שהממיר עובד ללא צריכת דלק, שיטה זו של ייצור פלדה תופסת מקום משמעותי במטלורגיה. הממיר הוא כלי פלדה בצורת אגס בקיבולת 20-30 טון, מרופד מבפנים בלבנים עקשניות. כל חימום בממיר נמשך 12-15 דקות. לממיר יש מספר חסרונות: הוא יכול לעבוד רק על ברזל נוזלי. זאת בשל העובדה שחמצון הפחמן מתבצע על ידי אוויר העובר מלמטה דרך כל מסת הברזל הנוזלי, מה שמאיץ משמעותית את ההיתוך ומגביר את עוצמת החמצון. מטבע הדברים, "בזבוז" הברזל במקרה זה גדול במיוחד. יחד עם זאת, זמן ההיתוך הקצר אינו מאפשר לווסת אותו, להוסיף זיהומי סגסוגת, לכן, בעיקר פלדות פחמן מותכות בממירים. בתום ההיתוך, אספקת האוויר מופסקת וכמו בתהליך האח הפתוח, מוסיפים "מפירי חמצון".
בתנורים חשמליים (איור 86), מתכת פלדה סגסוגת בדרגות מיוחדות, בעיקר עם טמפרטורת התכה גבוהה, המכילה תוספים ותוספים אחרים. פלדה מוגמרת נשלחת לגלגול. שם, במפעלי גלגול ענקיים - פריחות ולוחות - דוחסים בעזרת גלילים מטילי פלדה לוהטים אדומים, המאפשרים לייצר צורות שונות ממטיל פלדה.
איור 86. תכנית של תנור קשת חשמלי. 1 - אלקטרודות, 2 - חלון טעינה, 3 - מצנח לשחרור פלדה, 4 - מנגנון סיבובי
ברזל בצורה של סגסוגות נמצא בשימוש נרחב בכלכלה הלאומית. אף ענף אחד בכלכלה הלאומית לא יכול בלעדיו. כדי לחסוך במתכות ברזליות מנסים כיום, ככל האפשר, להחליפן בחומרים סינטטיים.
מכונות וכלי רכב, מטוסים וכלים, אביזרי בטון מזוין, פח לקופסאות פח ויריעות קירוי, ספינות וגשרים, מכונות וקורות חקלאיות, צינורות ומגוון שלם של מוצרים ביתיים עשויים ממתכות ברזליות.
■ 78. מהו ההבדל המהותי בין תהליך ייצור הפלדה לתהליך תנור הפיצוץ?
79. באילו תנורים משתמשים להתכת פלדה?
80. מהם רגנרטורים בתנור אח פתוח?
81. ציין את הרכב המטען של תנור אש פתוח וההבדל שלו מהרכב המטען של תנור פיצוץ?
82. מהם "מפירי חמצון"?
83. מדוע היתוך פלדה נקרא התכה חמצונית?
84. כמה פלדה המכילה 1% פחמן ניתן להשיג מ-116.7 ק"ג ברזל יצוק המכיל 4% פחמן?
85. כמה פרומנגן המכיל 80% מנגן יידרש כדי "להוציא מהחמצון" 36 ק"ג של תחמוצת ברזל?
מאמר בנושא ברזל, תת-קבוצה משנית של קבוצה VIII
ברזל וחשמל תכונות הפלדה מגוונות. ישנן פלדות המיועדות לשהייה ממושכת במי ים, פלדות העומדות בטמפרטורות גבוהות ו...
תת-הקבוצה המשנית של הקבוצה השמינית מכסה שלוש שלשות של יסודות D.
השלשה הראשונה נוצרת על ידי היסודות ברזל, קובלט וניקל, השני - רותניום, רודיום, פלדיוםוהשלישיה השלישית - אוסמיום, אירידיום ופלטינה.
לרוב היסודות של תת-הקבוצה הנחשבת יש שני אלקטרונים על מעטפת האלקטרונים החיצונית של האטום; כולם מתכות.
בנוסף לאלקטרונים חיצוניים, גם אלקטרונים ממעטפת האלקטרון הקודמת הבלתי גמורה לוקחים חלק ביצירת קשרים כימיים.
משפחת הברזל כוללת ברזל, קובלט וניקל. עלייה באלקטרושליליות בסדרת Fe (1.83) - Co (1.88) - Ni (1.91) מראה שירידה בתכונות הבסיסיות והמפחיתות צריכה להתרחש מברזל לניקל. בסדרה האלקטרוכימית של המתחים, יסודות אלה הם עד מימן.
מבחינת השכיחות בטבע, השימוש בתרכובות ברפואה ובטכנולוגיה והתפקיד בגוף, ברזל נמצא במקום הראשון בקבוצה זו.
יסודות ממשפחת הברזל בתרכובות מציגים מצבי חמצון +2,
תרכובות ברזל(II).. מלחי ברזל נוצרים כאשר הברזל מומס בחומצות מדוללות. החשוב שבהם הוא ברזל (II) סולפט, או ברזל סולפט, FeSO 4 . 7H 2 O, יוצר ירוק בהיר
גבישים, מסיסים מאוד במים. באוויר, ברזל סולפט מתקלף בהדרגה ובו זמנית מתחמצן מפני השטח, והופך למלח בסיסי חום צהוב של ברזל (III).
סולפט ברזל (II) מתקבל על ידי המסת שאריות פלדה בחומצה גופרתית של 20-30%:
Fe + H 2 SO 4 \u003d FeSO 4 + H 2
ברזל גופרתי (II) משמש להדברת מזיקים בצמחים, בייצור של דיו וצבעים מינרליים ובצביעת בדים. כאשר תמיסת מלח ברזל (II) מגיבה עם אלקלי, משקע לבן של ברזל (II) הידרוקסיד Fe (OH) 2, אשר באוויר, עקב חמצון, מקבל במהירות צבע ירקרק ולאחר מכן חום, והופך לברזל ( III) הידרוקסיד Fe (OH) 3 :
4Fe(OH) 2 + O 2 + 2H 2 O = 4Fe(OH) 3
תרכובות ברזל הן חומרים מפחיתים וניתן בקלות להפוך אותם לתרכובות ברזל:
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
תחמוצת ברזל והידרוקסיד הם אמפוטריים. הידרוקסיד של ברזל (III) הוא בסיס חלש יותר מהידרוקסיד של ברזל (II), זה מתבטא בעובדה שמלחי ברזל ברזל עוברים הידרוליזה חזקה, ועם חומצות חלשות (לדוגמה, פחמן, מימן גופרתי) Fe (OH) 3 לא יוצרים מלחים.
התכונות החומציות של תחמוצת ברזל והידרוקסיד באות לידי ביטוי בתגובת היתוך עם קרבונטים מתכת אלקליים, וכתוצאה מכך נוצרים פריטים - מלחים של חומצה ברזלית HFeO 2 שאינם מתקבלים במצב חופשי:
Fe 2 O 3 + Na 2 CO 3 \u003d 2NaFeO 2 + CO
אם אתה מחמם סתימות פלדה או תחמוצת ברזל (III) עם ניטראט ואשלגן הידרוקסיד, נוצרת סגסוגת המכילה אשלגן פראט K 2 FeO 4 - מלח של חומצת ברזל H 2 FeO 4 לא מבודד במצב חופשי:
Fe 2 O 3 + 4KOH + 3KNO 3 = 2K 2 FeO 4 + 3KNO 2 + 2H 2 O
בתרכובות ביוגניות, ברזל מורכב עם ליגנדים אורגניים (מיוגלובין, המוגלובין). מידת חמצון הברזל בקומפלקסים אלה שנויה במחלוקת. חלק מהכותבים מאמינים שמצב החמצון הוא +2, אחרים מציעים שהוא משתנה בין +2 ל-+3 בהתאם למידת האינטראקציה עם חמצן.
יישום
קבועי דיסוציאציה של כמה חומצות ובסיסים /ב-25 0 С/
| מתחם | K 1 | K 2 | K 3 |
| HF | 6,8 . 10 -4 | ||
| HClO | 5,0 . 10 -8 | ||
| HBrO | 2,5 . 10 -9 | ||
| H 2 S | 9,5 . 10 -8 | 1.0 . 10 -14 | |
| H2SO3 | 1,7 . 10 -2 | 6,2 . 10 -8 | |
| HNO 2 | 5,1 . 10 -4 | ||
| H3PO4 | 7,6 . 10 -3 | 6,2 . 10 -8 | 4,2 . 10 -13 |
| H2CO3 | 4,5 . 10 -7 | 4,8 . 10 -11 | |
| CH3COOH | 1,8 . 10 -5 | ||
| HCN | 6,2 . 10 -10 | ||
| NH4OH | 1,8 . 10 -5 |
יסודות אלה: הליום ( לֹא), ניאון ( לא), ארגון ( Ar), קריפטון ( Kr), קסנון
(אה) וראדון ( Rn) נקראים גזים אינרטיים מכיוון שיש להם פעילות כימית נמוכה מאוד. ברמת האנרגיה החיצונית של הליום יש שני אלקטרונים, בעוד שלשאר היסודות יש שמונה אלקטרונים כל אחד, מה שמתאים לתצורה אלקטרונית חיובית מבחינה אנרגטית.
מנורות ליבון מילוי ניאון וארגון. ריתוך ארגון של פלדות אל חלד, טיטניום, אלומיניום וסגסוגות אלומיניום מספק ריתוכים נקיים וחזקים במיוחד.
קריפטון, קסנון ורדון מסוגלים לשלב עם אלמנטים אחרים ובעיקר עם פלואור. לתרכובות אלו (XeF 2, XeF 6, XeO 3 ואחרות) יש תכונות חמצון חזקות. ראדון הוא יסוד רדיואקטיבי עם זמן מחצית חיים של 3.8 ימים. עם זאת, בטבע, הוא נוצר כל הזמן. במונחים של מסה טוחנת, הוא כבד פי 7.65 מהאוויר, ולכן הוא מצטבר במרתפים, חדרים לא מאווררים. במהלך היום ריכוז הראדון בחדר לא מאוורר עולה פי 6, ובשימוש במקלחת בחדר האמבטיה פי 40. רוב החשיפה שאדם מקבל מהתפרקות הרדיואקטיבית של ראדון.
18 תרכובות מורכבות
תרכובות מורכבות – אלו תרכובות המכילות יון מורכב (מורכב) המסוגל להתקיים עצמאי בתמיסה. מספר רב של סוכני קומפלקס וליגנדים אפשריים, כמו גם תופעה כמו איזומריזם, מובילים למגוון של תרכובות אלה.
18.1 הרכב תרכובות מורכבות
כדי לענות על שאלה זו, נערוך ניתוח השוואתי של הניתוק של מלח רגיל, מלח כפול ותרכובת מורכבת:
1) ניתוק מלחים בינוניים - אשלגן ואלומיניום סולפטים
K 2 SO 4 → 2K + + SO 4 2– ,
Al 2 (SO 4) 3) → 2Al 3+ + 3SO 4 2– ;
2) דיסוציאציה של מלח כפול - אלום אשלגן
KAl(SO 4) 2 → K + + Al 3+ + 2SO 4 2– ;
3) ניתוק של תרכובת מורכבת - אשלגן הקסציאנופראט (III)
K 3 → 3K + + 3– .
מהמשוואות לעיל של ניתוק אלקטרוליטי, ניתן לראות שתוצרי הניתוק של המלח הכפול עולים בקנה אחד עם תוצרי הניתוק של אשלגן ואלומיניום סולפטים. במקרה של מלח מורכב, תוצרי הדיסוציאציה מכילים חלקיק מורכב (יון מורכב) המוקף בסוגריים מרובעים ויונים פשוטים המנטרלים את המטען שלו.
היון המורכב, בתורו, מתנתק כאלקטרוליט חלש, כלומר, באופן הפיך ובשלב:
3– ↔ Fe 3+ + 6CN – .
עבור יונים מורכבים, מותר לרשום תוצרי דיסוציאציה בכל השלבים במשוואה אחת.
תוצרי דיסוציאציה של יון מורכב:
1) Fe 3+ - חומר מורכב,
2) 6CN - - ליגנדים.
לפיכך, הרכב התרכובת המורכבת כולל:
1) הגורם המורכב הוא האטום המרכזי,
2) ליגנדים - חלקיקים המתואמים סביב חומר הקומפלקס,
3) חלקיקים המנטרלים את מטען היון המורכב.אם המטען של יון מורכב הוא אפס, לפיכך הוא מורכב רק מהחומר הקומפלקס והליגנדים.
סוכני קומפלקס אופייניים הם קטיוני מתכת של תת-קבוצות משניות: Ag +, Cu 2+, Fe 3+ ואחרים.
ליגנדים אופייניים: NH 3 , H 2 O, CN - , NO 2 - , יוני הליד ואחרים.
הגורם המורכב באמצעות קשרים קוולנטיים ו(או) אינטראקציה אלקטרוסטטית יוצר קשר חזק עם הליגנדים.
מספר הקואורדינציה הוא מספר הליגנדים החד-דנטאטיים המתואמים סביב הגורם הקומפלקס.מספר התיאום בדרך כלל שווה פי שניים מהמטען של הגורם המורכב.
מספר הקשרים שנוצרו על ידי כל ליגנד עם האטום המרכזי נקרא שיוף של הליגנד. לדוגמה:
1) ליגנדים חד-דנטאטיים: F - , Br - , I - , CN - , OH - , NH 3 , H 2 O וכו';
2) ליגנדים דו-צדדיים: H 2 N–CH 2 –CH 2 –NH 2 – אתילןדיאמין, יון אוקסלט, יון קרבונט וכו';
3) ligands polydentate - דוגמה היא ethylenediaminetetraacetate ion (EDTA). קומפלקסים עם ליגנדים פולידנטים נקראים קומפלקסים צ'לטים. הם מופצים באופן נרחב בטבע וממלאים תפקיד חשוב בתהליכים ביולוגיים, למשל, המוגלובין בדם (חומר קומפלקס Fe 2+), כלורופיל (חומר מורכב מ-Mg 2+).
שם המתחם המורכבמורכב משמות של אניון וקטיון. את שם התרכובת קוראים מימין לשמאל, בעוד שהאניון נקרא במילה נומינטיבית, והקטיון בגנטיב.
מספר הליגנדים מצוין על ידי ספרות יווניות: 1 - מונו, 2 - די, 3 - שלוש, 4 - טטרה, 5 - פנטה, 6 - הקסה, 7 - הפטה, 8 - אוקטה. שמות הליגנדים הנפוצים ביותר: F - - פלואורו, Cl - - כלורו, Br - - ברום, I - - יודו, OH - - הידרוקסו, SO 3 2 - - סולפיטו, NO 2 - - ניטרו, CN - - ציאנו ,
CNS - - rhodan, NH 3 - אממין, en - ethylenediamine, H 2 O - אקווה.
שמו של הגורם המורכב תלוי במטען היון בו הוא נכנס. במקרה של קטיון מורכב או חלקיק מורכב ללא כדור חיצוני, נעשה שימוש בשם הרוסי של הגורם המורכב, ובמקרה של אניון מורכב, שורש השם הלטיני של היסוד המורכב והסיום "ב " מתווספים אחרי שם הליגנדים.
אם ההרכב של הספירה הפנימית של הקומפלקס כולל מולקולות ואניונים כליגנדים, אז קודם כל הם קוראים לאניונים (מסתיימים ב"o"), ולאחר מכן את המולקולות. אם מספר מצבי חמצון אפשריים עבור הגורם המורכב, אז זה מצוין בסוגריים על ידי ספרה רומית.
דוגמאות לשמות של תרכובות מורכבות:
1) סוג אניוני:
Na - נתרן tetrahydroxoaluminate,
K 4 - אשלגן hexacyanoferrate(II);
2) סוג קטיוני:
SO 4 - גופרת נחושת (II) טטראמין,
Cl 2 - dichlorotetraammineplatinum(IV) כלוריד;
3) מתחמים ניטרליים חשמלית:
- trifluorothriaquachrome,
ברזל פנטקרבוניל.
הפירוק של תרכובות מורכבות ממשיך כמו אלקטרוליט חזק לתוך יון מורכב וליונים של הכדור החיצוני. בתורו, יון מורכב או קומפלקס ניטרלי חשמלי מתנתקים כמו אלקטרוליט חלש לחומר מורכב ולליגנדים.
מבחינה כמותית, מצב שיווי המשקל מאופיין בערך המקביל של Kp. ביחס לניתוק של יון מורכב, קבוע שיווי המשקל (Kp) נקרא קבוע חוסר היציבות (Kn). ככל ש-Kn קטן יותר, המתחם יציב יותר. לדוגמה:
1) דיסוציאציה של הקומפלקס האניוני
K 3 → 3K + + 3– ,
3- ↔ Fe 3+ + 6CN -,
2) דיסוציאציה של הקומפלקס הקטיוני
SO 4 → 2+ + SO 4 2– ,
2+ ↔ Cu 2+ + 4NH 3,
קומפלקס הציאניד של ברזל ברזל יציב יותר.
18.2 תגובות המערבות תרכובות מורכבות
דוגמאות לתגובות היווצרות מורכבות עם קטיון מורכב (1), אניון מורכב (2) וקומפלקס ניטרלי (3):
1) Ni(NO 3) 2 + 6NH 3 → (NO 3) 2,
Ni 2+ + 6NH 3 → 2+;
2) Cr(OH) 3 + 3KOH קונצרן. ↔K3,
Cr(OH) 3 + 3OH – ↔ 3– ;
3) Fe + 5CO = .
מסקנה: תרכובות מורכבות נוצרות אם קיימים יונים וליגנדים מורכבים בתמיסה.
כדוגמה למעבר ממתחם מורכב אחד ל
בדרך אחרת, ננתח את התגובה של הפיכת קומפלקס האמוניה של נחושת לקומפלקס ציאניד:
SO 4 + 4KSN ↔ K 2 + K 2 SO 4 + 4NH 3,
2+ + SO 4 2– + 4К + + 4СN – ↔ 2– + 4К + + 4NH 3 + SO 4 2– ,
Cu(NH 3) 4] 2+ + 4СN – ↔ 2– + 4NH 3 .
Kn(2+) = 5.0 10 - 4, ו-Kn( 2–) = 5.0 10 - 28,
כלומר, נוצר יון מורכב חזק יותר.
הבה ננתח את ההרס של התרכובת המורכבת באמצעות הדוגמה של קומפלקס אמוניה כסף:
NO 3 + KI ↔ AgI¯ + 2NH 3 + KNO 3,
NO 3 - + K + + I - ↔ AgI¯ + 2NH 3 + NO 3 - + K +,
I - ↔ AgI¯ + 2NH 3.
שיווי המשקל של תגובה זו מוסט ימינה, שכן
Kn (+) \u003d 6.8 10 - 8, ו-PR (AgI) \u003d 1.5 10 - 16,
כלומר נוצרת תרכובת שמסיסה בצורה גרועה במים - יודיד כסף.
התגובות לעיל מאפיינות את השתתפותן של תרכובות מורכבות בתגובות חילופי יונים.
כדוגמה לתגובת חיזור, בואו ננתח את התגובה של ההמרה של קומפלקס הציאניד של ברזל ברזל לקומפלקס ציאניד של ברזל ברזל:
K 4 + O 2 + H 2 O → K 3 + KOH,
Fe +2 - 1e = Fe +3 | ×4,
O 2 + 4e \u003d 2O -2 | × 1.
4K 4 + O 2 + 2H 2 O → 4K 3 + 4KOH.
היסודות של הקבוצות השמינית (ברזל, רותניום, אוסמיום, גזיום), התשיעית (קובלט, רודיום, אירידיום, מיטנריום) והעשירית (ניקל, פלדיום, פלטינה, דרמשטדיום) נחשבים יחדיו באופן היסטורי בהקשר לאיחודם לשמינית אחת. קבוצה של הגרסה הקצרה של הטבלה המחזורית. היסודות של התקופה החמישית והשישית הכלולים בו (רותניום, אוסמיום, רודיום, אירידיום, פלדיום, פלטינה) הם אצילים, לעתים קרובות מצויים יחד בצורה של סגסוגות שבהן פלטינה שולטת, ולכן הם משולבים בדרך כלל למשפחה של פלטינה. מתכות (פלטינואידים). כמו כן, לעיתים מתייחסים לברזל, קובלט וניקל כאל טריאדה נפרדת (טריאדת ברזל). עם דמיון בלתי מותנה של מתכות פלטינה, הכימיה של יסודות הכלולים בקבוצות שונות, למשל, אוסמיום, רודיום ופלדיום, שונה באופן משמעותי, אך יחד עם זאת, יש דמיון ניכר בין תרכובות דומות של יסודות בתוך הקבוצה, עבור לדוגמה, קובלט (III) אמוניאטים, רודיום (III) ואירידיום (III). לכן, התכונות הכימיות של תרכובות המכילות חמצן ומורכבות מתוארות בספר הלימוד לפי קבוצות. יסודות מהתקופה השביעית גזיום, מיטנריום ודרמשטדיום הם רדיואקטיביים עם זמן מחצית חיים קצר ומתקבלים רק בכמות של כמה עשרות אטומים.
ברזל הוא אחת משבע המתכות של העת העתיקה, כלומר ידועה לאנושות מהתקופות המוקדמות ביותר של ההיסטוריה של החברה. למרות שהמצרים והפיניקים כבר ידעו את יכולתן של תרכובות קובלט להעניק למשקפיים צבע כחול עז, היסוד עצמו בצורת חומר פשוט הושג רק ב-1735 על ידי הכימאי הגרמני ג'י ברנדט, וכעבור כמה שנים השבדי המטלורג א.פ. Cronstedt בודד ניקל מעפרות נחושת. פלטינה נחשבת באופן מסורתי למתכת של האינדיאנים של אקוודור, שכן היא שימשה אותם לייצור תכשיטים ומסכות פולחניות לפני הגעתם של הכובשים. המתכת הבלתי מתמזגת, דומה כלפי חוץ לכסף, קיבלה מהספרדים את השם פלטינה, דמעות של המילה "כסף". במשך זמן רב, המתכת לא מצאה שימוש בשל קשיותה ועמידותה הגבוהה. לראשונה הצליח הכימאי האנגלי W. Wollaston להשיג פלטינה ניתנת לגימור בשנת 1805, ששיפר את תהליך הזיוף החם. מיוחסת לו גילוי הפלדיום (על שם האסטרואיד פאלאס, שהתגלה ב-1802) והרודיום, על שם הצבע הוורוד-אדום של המלחים. אירידיום (מהקשתית הלטינית - קשת בענן, לפי תרכובות בעלות צבע עז של צבעים שונים) ואוסמיום (מיוונית οσμη - ריח, לפי הריח החד והלא נעים של טטרוקסיד נדיף) בודדו עד מהרה מהאבקה שנותרה לאחר העיבוד פלטינה גולמית עם אקווה רג'יה. בשנת 1844 בודד קלאוס, פרופסור לכימיה באוניברסיטת קאזאן, את הרותניום, שאותו כינה על שם רוסיה, מעפרת אורל שנשלחה אליו לניתוח.
מתכות הפלטינה העל-כבדות הן גזיום רדיואקטיבי, מיטנריום ודרמשטדיום. אלמנטים אלה הושגו בשנות ה-80–1990. במאיץ הגרעיני החזק בדרמשטט (גרמניה) על תגובות
208 Pb + 58 Fe 265 Hs + 1 n τ 1/2 (265 Hs) = 2×10 –3 s
209 Bi + 58 Fe 266 Mt + 1 n τ 1/2 (266 Mt) = 3.4 × 10 -3 שניות
208 Pb + 62 Ni 269 Ds + 1 n τ 1/2 (269 Ds) = 2.7 × 10 -4 שניות
גזיום נקרא על שם ארץ הסה, שבה שוכנת העיר דרמשטדט, מיטנריום - לכבודה של המדענית האוסטרלית ליז מייטנר, שחקרה את תגובות הביקוע של גרעיני אורניום, ודרמשאדטיום לכבוד דרמשטדט. שמו של האלמנט האחרון אושר על ידי ועדת IUPAC ב-2003.
לאלמנטים של הקבוצה השמינית יש תצורה אלקטרונית משותפת במצב הקרקע (n – 1)ד 6 ns 2נשבר ברוטניום עקב "החלקת אלקטרונים". תופעות דומות מתרחשות באטום הרודיום, שהוא חלק מהקבוצה התשיעית, עם תצורת אלקטרונים משותפת (n – 1)ד 7 ns 2 .בין מרכיבי הקבוצה העשירית, התצורה (n – 1)ד 8 ns 2נצפה רק באטום הניקל: בפלטינה במצב הקרקע מתרחשת "פריצת דרך" של אלקטרון אחד, ובפלדיום - שניים, מה שמוביל להשלמה מלאה של מעטפת ה-d (טבלה 6.1).
טבלה 6.1.
כמה מאפיינים של אלמנטים של הקבוצות השמינית - העשירית.
| קְבוּצָה | שמונה | ט | עֲשִׂירִית | ||||||||
| טעינת ליבה | 26 Fe | 44 רו | 76 Os | 27Co | 45 Rh | 77 איר | 28 Ni | 46 Pd | 78 Pt | ||
| מספר איזוטופים טבעיים | |||||||||||
| תצורה אלקטרונית | 3ד 6 4ס 2 | [kr] 4ד 7 5 שניות 1 | [Xe]4f 14 5ד 6 6ס 2 | 3ד 7 4ס 2 | [kr]4ד 8 5s 1 | [Xe]4f 14 5ד 7 6ס 2 | 3ד 8 4ס 2 | [kr]4ד 10 | [Xe]4f 14 5ד 9 6ס 1 | ||
| רדיוס מתכת, ננומטר | 0.126 | 0.134 | 0.135 | 0.125 | 0.134 | 0.136 | 0.124 | 0.137 | 0.139 | ||
| אנרגיית יינון, קילו ג'ל/מול, | I 1 I 2 I 3 I 4 I 5 | (4500) (6100) | (1600) (2400) (3900) (5200) | (4400) (6500) | (1680) (2600) (3800) (5500) | (4700) (6300) | (2800) (3900) (5300) | ||||
| רדיוס יוני, ננומטר (cn = 6) | E 2+ E 3+ E 4+ E 5+ E 6+ E 7+ | 0.061* 0.065* 0.059 | - 0.068 0.062 0.057 | - - 0.063 0.058 0.055 0.053 | 0.065* 0.054* 0.053 | - 0.067 0.060 0.055 | - 0.068 0.063 0.057 | 0.069 0.056* 0.048 | 0.086 0.076 0.062 | 0.080 ‘ 0.063 0.057 | |
| אלקטרוניטיביות לפי פאולינג | 1.83 | 2.2 | 2.2 | 1.88 | 2.28 | 2.20 | 1.91 | 2.20 | 2.28 | ||
| אלקטרוני שליליות לפי אלרד-רוכוב | 1.64 | 1.42 | 1.52 | 1.70 | 1.45 | 1.55 | 1.75 | 1.35 | 1.44 | ||
| מצבי חמצון | (–2), (–1), 0, +2, +3, (+4), (+5), +6 | (–2), 0, (+2), (+3), +4, (+5), +6, +7, +8 | (–2), 0, (+2), +3, +4, (+5), +6, +7, +8 | (–1), 0, (+1) (+2), (+3), +4, (+5), (+6), (+7), +8 | (–1), 0, +1, +2, +3, (+4), (+5), (+6) | (–1), 0, +1, (+2), +3, +4, (+5), (+6) | (–1), 0, (+1), +2, (+3), (+4) | 0, (+1), +2, (+3), (+4) | 0, (+1), +2, (+3), +4, (+5), (+6) | ||
* במצב ספין נמוך
דפוסי השינויים במאפיינים של אלמנטים מקבוצות 8-10 כאשר נעים לאורך תקופה ולרוחב קבוצה מצייתים לחוקים הכלליים שנדונו בפרק 1. אנרגיות היינון הראשונות בקבוצה השמינית והתשיעית יורדת כאשר עוברים מתכת תלת-ממדית למתכת תלת-ממדית. 4d (טבלה 6.1.), אשר נובעת עם עלייה ברדיוס האטומי והסרה של אלקטרוני ערכיות מהגרעין. העלייה הנוספת ב-E 1 במעבר ל-d-metals של התקופה השישית מוסברת על ידי השפעות ההקרנה הקשורות למילוי תת-רמת 4f. התבנית הכללית אינה חלה על יסודות הקבוצה העשירית בשל ייצוב משמעותי של אורביטלי ה-d של אטום הניקל, הנגרם מ"פריצת דרך" כפולה של אלקטרונים.
למתכות של שלישיית הברזל, כמו ליסודות אחרים בסדרת ה-3d, בעלות רדיוס אטומי קטן ואורביטלים ד קטנים יחסית עם מידת חפיפה לא משמעותית, יש פעילות כימית גבוהה בהרבה בהשוואה למתכות פלטינה. בניגוד אליהם, ברזל, קובלט וניקל מחלצים מימן מתמיסות חומצה ומתחמצנים באוויר. הם אינם מאופיינים בתרכובות מקבץ, אשר, אם נוצרו, מתבררות לעתים קרובות כלא יציבות באוויר ובתמיסה מימית. באופן כללי, מתכות פלטינה יכולות להיחשב כמתכות הכי פחות פעילות מבחינה כימית, בשל הרדיוס האטומי הנמוך יחסית (בהשוואה ליסודות ה-d בתחילת שורות המעבר) ומידת החפיפה הגבוהה של ד-אורביטלים. מתוכם, רק אוסמיום מסוגל ליצור אינטראקציה ישירה עם חמצן, ורק פלדיום מגיב עם חומצה חנקתית מרוכזת. באופן כללי מתכות פלטינה מתאפיינות בתרכובות מורכבות, לרבות קומפלקסים עם ליגנים π-acceptor (פחמן חד חמצני, אלקנים, אלקדיאנים), הידרידים, שלעיתים קרובות יציבים גם בתמיסה מימית ואשכולות. כמו מתכות מעבר כבדות אחרות, פלטינואידים מציגים מצבי חמצון גבוהים, עד +8 (OsO 4). היציבות של מצבי חמצון גבוהים עולה במורד הקבוצות (הערת שוליים: לסקירה של הכימיה של מתכות פלטינה במצבי חמצון מ-+4 עד +8, ראה D.J. Gulliver, W. Levason, Coord. Chem. Rev., 1982, 46 , 1).
כאשר נעים לאורך התקופה, ככל שמספר האלקטרונים הערכיים גדל והזיווג שלהם, תת-הרמה ה-d מתייצבת, והיציבות של מצבי חמצון גבוהים יותר יורדת. אז, ברזל יכול להתחמצן בתמיסה מימית כדי להמיר FeO 4 2–, המכילה אטום מתכת במצב חמצון +6, קובלט וניקל בתנאים אלה מקבלים את מצב החמצון +3. מצבי החמצון הגבוהים ביותר הם היציבים ביותר ליסודות הקבוצה השמינית - ברזל (+6), רותניום (+8) ואוסמיום (+8) (הערת שוליים: יש מידע על הכנת תרכובות ברזל במצב חמצון +8 : ראה Kiselev Yu Kopelev N. S., Spitsyn V. I., Martynenko L. I. Doklady AN SSSR, 1987, v. 292, no. 3, p. 628). מתכות אלו מציגות את מצבי החמצון הנמוכים ביותר עם תרכובות עם ליגנים π-acceptor, למשל, בקרבונילים: K 2 , K. הערך של מצב החמצון היציב ביותר יורד באופן מונוטוני ככל שאתה נע לאורך התקופה: עבור ברזל, החמצון האופייני ביותר המצב הוא +3, קובלט בתמיסות מימיות קיים בעיקר במצב חמצון +2, ובקומפלקסים +3, ניקל באופן בלעדי במצב חמצון +2. זה עולה בקנה אחד עם העלייה באנרגיות היינון השלישיות בסדרת Fe - Co - Ni (טבלה 6.1). יוני Ni 2+ עמידים לחמצון חמצן באוויר בכל pH, מלחי קובלט(II) יציבים במדיה חומצית ונייטרלית, ומחומצנים בנוכחות יוני OH, ברזל(II) הופך לברזל(III) תחת פעולת חמצן (E 0 ( O 2 / H 2 O) = 1.229 B, pH = 0, ו- 0.401 B, pH = 14) בכל pH. הפעילות המפחיתה של מתכות השלשה פוחתת גם כאשר נעים לאורך סדרת התלת-ממד (טבלה 6.2).
טבלה 6.2. פוטנציאלים סטנדרטיים של אלקטרודות M(III)/M(II) ו-M(III)/M(0) עבור אלמנטים משולשי ברזל
ניתן להציג את השינוי במצבי החמצון היציבים בתמיסות מימיות כתרשים:
דוגמאות לתרכובות של יסודות של 8 - 10 קבוצות עם דרגות חמצון שונות ניתנות בטבלה. 6.3. עבור יונים עם תצורות אלקטרוניות d 3 (Ru +5), d 5 (Fe +3,) ו-d 6 (Fe +2, Co +3, Rh +3, Ir +3), קומפלקסים אוקטהדרלים אופייניים, עבור תצורות d 4 ( Ru +4, Os +4) ו- d 7 (Co +2) הם אוקטהדרלים מעוותים טטראגוניים, הנובעים עקב אפקט Jahn-Teller, עבור d 8 - אוקטהדרלית (Ni +2 עם ליגנים שדה חלשים ובינוניים) - או מרובע מישורי (Pd +2, Pt +2, וגם Ni +2 עם ליגני שדה חזקים). מולקולות ויונים עם גיאומטריה טטרהדרלית נוצרות כאשר יוני מתכת מקיימים אינטראקציה עם ליגנדים בתפזורת (PR3, Cl–, Br–, I–) או כאשר תת-רמת ה-d מלאה לחלוטין (d10, Pd0, Rh–1, Ru–2).
ירידה רצופה ברדיוסים האטומיים והיוניים תוך כדי תנועה לאורך התקופה מביאה לירידה הדרגתית במספרי הקואורדינציה המקסימלית מ-10 עבור ברזל (בפרוצן) ל-8 עבור קובלט (ב-2–) ו-7 עבור ניקל (במתחמים עם מקרוציקליים ליגנדים). אנלוגים כבדים של ברזל - רותניום ואוסמיום גם לעתים רחוקות מגדילים את מספר הקואורדינציה יותר משש. עבור פלטינה (II) ופלדיום (II), שיש להם תצורה אלקטרונית d 8, קומפלקסים מישוריים מרובעים עם מספר קואורדינציה של 4 הם האופייניים ביותר.
תוצאה נוספת של ירידה ברדיוסים יוניים היא ירידה מסוימת בערכי תוצר המסיסות של הידרוקסידים M(OH) 2, וכתוצאה מכך, קבועי הבסיסיות שלהם כאשר הם נעים לאורך סדרת התלת-ממד:
Mn(OH) 2 Fe(OH) 2 Co(OH) 2 Ni(OH) 2
יחסי ציבור, 20 מעלות צלזיוס 1.9×10 –13 7.1×10 –16 2.0×10 –16 6.3×10 –18
מידת ההידרוליזה של מלחים עם אניונים באותו שם עולה גם היא באותו כיוון. זה מוביל לעובדה שכאשר מלחי מנגן(II) וברזל(II) מטופלים בתמיסת נתרן קרבונט ממוצעת, משקעים קרבונטים ממוצעים, ויוני קובלט וניקל נותנים מלחים בסיסיים בתנאים אלו. עלייה ברכות פירסון של קטיונים מתכת 3d ככל שהם נעים לאורך התקופה כאשר תת-הרמה מתמלאת וירידה ברדיוסים היוניים גורמת לחיזוק הקשר M-S בהשוואה ל-M-O. זה ממחיש בבירור את השינוי המונוטוני בתוצרי המסיסות של סולפידים:
MnS FeS CoS NiS CuS
יחסי ציבור, 20 מעלות צלזיוס 2.5×10 –13 5.0×10 –1 8 2.0×10 – 25 2.0×10 – 26 6.3×10 – 36
לפיכך, מנגן וברזל מופיעים בטבע בעיקר בצורת תרכובות חמצן, ואחריהם ברזל, קובלט, ניקל ונחושת בעפרות פוליאסולפיד.
טבלה 6.3. מצבי חמצון, תצורות אלקטרוניות, מספרי קואורדינציה (C.N.) וגיאומטריה של מולקולות ויונים
| תצורה אלקטרונית | ק.צ. | גֵאוֹמֶטרִיָה | קבוצה שמינית | קבוצה תשיעית | קבוצה עשירית | ||||
| מצב חמצון | דוגמאות | מצב חמצון | דוגמאות | מצב חמצון | דוגמאות | ||||
| ד 10 | אַרְבָּעוֹן | –2 | 2– , M = Fe, Ru, Os | –1 | – , M = Co, Rh | Ni(CO) 4 , M(PF 3) 4 , M = Pd, Pt | |||
| ד9 | דו-פירמידה טריגונלית | –1 | 2– | – | +1 | – | |||
| – | Co 2 (CO) 8, M 4 (CO) 12, M = Rh, Ir | – | |||||||
| אוקטהדרון | |||||||||
| ד8 | אוקטהדרון | – | +1 | – | +2 | 2+ , 3+ | |||
| דו-פירמידה טריגונלית | , | 3– | |||||||
| – | – | 2– | |||||||
| אַרְבָּעוֹן | |||||||||
| – | RhCl(PPh 3) 2 | 2–. 2– , M = Pd, Pt | |||||||
| כיכר | |||||||||
| ד7 | אוקטהדרון | +1 | + | +2 | 2+, Rh 2 (CH 3 COO) 4 (H 2 O) 2 | +3 | 3– , M = Ni, Pd | ||
| אַרְבָּעוֹן | – | 2– | – | ||||||
| ד6 | אַרְבָּעוֹן | +2 | 2– | +3 | 5– | +4 | 2– , 2– , M = Pd, Pt | ||
| אוקטהדרון | 2+ , 4– | 3+ | – | ||||||
| ד5 | אַרְבָּעוֹן | +3 | – | +4 | – | +5 | – | ||
| אוקטהדרון | 3+ , 3– | 2– , 2– , M = Co, Rh | – | ||||||
| ד4 | אַרְבָּעוֹן | +4 | +5 | – | +6 | PTF 6 | |||
| אוקטהדרון | 2– , M = Ru, Os | – , M = Rh, Ir | – | ||||||
| ד3 | אַרְבָּעוֹן | +5 | 3– , – , M = Ru, Os | +6 | MF 6, M = Rh, Ir | ||||
| ד2 | אַרְבָּעוֹן | +6 | 2– , 2– , | – | |||||
| ד1 | אַרְבָּעוֹן | +7 | – , M = Ru, Os | – | |||||
| אוקטהדרון | OsOF 5 | – | |||||||
| דו-פירמידה מחומשת | OSF 7 | – | |||||||
| ד0 | אַרְבָּעוֹן | +8 | MO 4 , M = Ru, Os | – |
חיבור. ביוכימיה של ברזל.
למרות שגופו של מבוגר מכיל רק כ-4 גרם ברזל, הוא ממלא תפקיד חשוב בתהליכי העברת חמצן לרקמות ותאים, סילוק פחמן דו חמצני וזרחן חמצוני. שלושה רבעים מאטומי הברזל בגוף הם בצורת המוגלובין, המורכב מקומפלקס פורפירין של ברזל הנקרא heme והחלבון גלובין. המוגלובין מספק הובלת חמצן לרקמות הגוף, והחלבון הקשור אליו, מיוגלובין, בעל מבנה פשוט יותר ובניגוד להמוגלובין, אין לו מבנה רבעוני, קובע את יכולת הרקמות לאגור חמצן. המוגלובין נמצא בתאי דם אדומים ומיוגלובין נמצא ברקמת השריר. לשתי התרכובות צבע אדום עקב הימצאות אטום ברזל בהן במצב חמצון +2, וחמצון הברזל מביא לאובדן הפעילות הביולוגית שלהן! במבנה החלבון, heme ממוקם ברווח בין שני סלילים הנוצרים על ידי שרשרת הפוליפפטיד. קומפלקס הפורפירין מבטיח את התיאום המישורי המרובע של אטום הברזל על ידי ארבעת אטומי החנקן של מחזור הפורפירין. אטום החנקן של טבעת האימידאזול של חומצת האמינו היסטידין השייכת לשרשרת הפוליפפטיד הקרובה ביותר משלים את מספר התיאום של ברזל לחמישה. לפיכך, בצורה הלא מחומצת של המוגלובין, המיקום השישי בספירת התיאום של אטום הברזל נשאר פנוי. כאן נכנסת מולקולת החמצן. כאשר מוסיפים חמצן, אטום הברזל עוזב את המישור של מחזור הפורפירין ב-0.02 ננומטר בהשוואה לצורת הדאוקסי. זה מוביל לשינויים קונפורמטיביים בסידור של שרשראות פוליפפטידים. במקרה זה, הקומפלקס הופך דיאמגנטי עקב המעבר של אטום הברזל למצב ספין נמוך:
דם עורקי מכיל בעיקר אוקסיהמוגלובין, וכאשר מולקולות החמצן הכלולות בו עוברות למיוגלובין, צבע הדם הופך כהה יותר - הדבר מעיד על החזרת ההם לצורתו הקודמת של הדאוקסי. המוגלובין לא רק נושא חמצן מהריאות לרקמות היקפיות, אלא גם מאיץ את ההובלה של פחמן דו חמצני מהרקמות לריאות. מיד לאחר שחרור החמצן, הוא קושר כ-15% מה-CO 2 המומס בדם.
מולקולת CO מסוגלת ליצור קומפלקס חזק יותר עם heme מאשר מולקולת החמצן, ובכך למנוע את הובלתה מהריאות לרקמות. לכן שאיפת פחמן חד חמצני מובילה למוות מחוסר חמצן. גם יון הציאניד ממלא תפקיד דומה, אם כי רעילותו נובעת בעיקר מאינטראקציה עם המופרוטאינים המכילים ברזל אחרים - ציטוכרומים. ציטוכרומים מעורבים בזרחן חמצוני - חמצון של פירובט המתרחש במיטוכונדריה, הנוצר במהלך החמצון הראשוני של פחמימות. האנרגיה המשתחררת בתהליך זה מאוחסנת בצורה של קשרים עתירי אנרגיה של מולקולת ה-ATP. בשרשרת מורכבת של זרחון חמצוני, ציטוכרומים a, b ו-c הם נושאי אלקטרונים מאנזים אחד למשנהו ובסופו של דבר לחמצן. במקרה זה, אטום הברזל משנה כל הזמן את מצב החמצון שלו.
הנחקר ביותר הוא ציטוכרום P 450, שהוא heme השונה מההם בהמוגלובין על ידי קבוצת תחליפים ומכיל ברזל +3, המתואמים על ידי מולקולת מים ואטום גופרית השייך לחומצת האמינו ציסטאין (איור 6.1). דגם של המרכז הפעיל של ציטוכרום P 450 מוקף בחלק החלבון של המולקולה). תפקידו לבצע הידרוקסילציה של תרכובות ליפופיליות הזרות לגוף, הנוצרות כתוצרי לוואי או חודרות לגוף מבחוץ:
R–H + O 2 + 2e – + 2H + ¾® ROH + H 2 O
בשלב הראשון (איור 6.2. מחזור קטליטי של ציטוכרום P 450). ציטוכרום מצמיד מולקולת סובסטרט, אשר לאחר מכן (שלב 2) נתון להפחתה על ידי אנזים אחר. השלב השלישי הוא הוספת חמצן, בדומה לזה שתואר לעיל עבור המוגלובין. בקומפלקס הברזל נמוך הספין שנוצר, מולקולת O2 המתואמת מופחתת ליון חמצן (שלב 4), שכתוצאה מהעברת אלקטרונים תוך מולקולרית, מוביל לקומפלקס אוקסופריל המכיל ברזל במצב חמצון +5 (שלב 5). ). כאשר הוא משוחזר, המצע המחומצן מופרד, והציטוכרום עובר למצבו המקורי (שלב 6).
המה מהווה גם את הבסיס לקטלאזות ופרוקסידאזות, אנזימים המזרזים תגובות חמצון עם מי חמצן. מולקולת קטלאז אחת בשנייה מסוגלת לגרום לפירוק של 44,000 מולקולות H 2 O 2.
בזרחון חמצוני, יחד עם ציטוכרומים, מעורבים פרדוקסינים - חלבוני ברזל-גופרית, שמרכזם הפעיל הוא צביר המכיל אטום ברזל, גשרים גופרתיים ושאריות חומצות אמינו ציסטאין (איור 6.3. מבנה הפרדוקסין החיידקי (איור 6.3). א), המרכז הפעיל של ferredoxin (ב)). פרדוקסינים המצויים בחיידקים, המכילים שמונה אטומי ברזל וגופרית כל אחד, ממלאים תפקיד מפתח בתהליכי קיבוע החנקן האטמוספרי. במולקולת הפרדוקסין החיידקית נמצאו שתי קבוצות Fe 4 S 4 זהות, בעלות צורה של קובייה וממוקמות במרחק של 1.2 ננומטר זו מזו. שני אשכולות אלו ממוקמים בתוך חלל שנוצר על ידי שרשראות של חומצות אמינו המקושרות זו לזו. הרכב הניטרוגנאז (ראה עמ' 169, כרך 2) כולל גם חלבונים במשקל מולקולרי של כ-220 אלף, המכילים שני אטומי מוליבדן ועד 32 אטומי ברזל. (R. Murray, D. Grenner, P. Meyes, W. Rodwell, Human Biochemistry, M., Mir, 1993).
סוף התוספת
6.2. תפוצה בטבע, ייצור ושימוש בחומרים פשוטים של 8-10 קבוצות.
מבחינת השכיחות בטבע בין אלמנטים מקבוצות 8-10, המנהיג הבלתי מעורער הוא הברזל, ליתר דיוק, האיזוטופ שלו 56 Fe, שלגרעיניו יש את אנרגיית הקישור הגבוהה ביותר של פרוטונים וניוטרונים, ולכן הם יציבים ביותר.
אכן, מספר אטומי הברזל ביקום עולה באופן משמעותי על מספר האטומים של כל אחד מהיסודות השכנים במערכת המחזורית וקרוב למימן ולהליום. לדוגמה, על השמש, תכולת המימן מוערכת ב-1 × 10 12 יחידות קונבנציונליות, הליום - ב-6.31 × 10 10, וברזל - ב-3.16 × 10 17. זה נובע מהעובדה שגרעין הגרעין 56 Fe שייך למספר הקסם, כלומר לאחר שמלאו לחלוטין פגזים גרעיניים. ככל שמספר הגרעינים בגרעין גדל, אנרגיית הקישור לגרעין גדלה תחילה במהירות, מגיעה למקסימום בדיוק בגרעין הברזל, ולאחר מכן יורדת בהדרגה (איור 6.4. אנרגיית הקישור לנוקלאון כפונקציה של המספר האטומי של יסוד). (R.J. Theiler, Origin chemical elements, M., Mir, 1975).
לפי התכולה בקרום כדור הארץ, ברזל נמצא במקום הרביעי (4.1%), שני רק לחמצן, סיליקון ואלומיניום, ניקל (8 × 10 -3%) נמצא בעשירייה השנייה, קובלט (2 × 10 -3 %) - בשלישית, מתכות פלטינה נדירות (Ru 10–7%, Pt 10–7%, Pd 6×10–8%, Rh 2×10–8%, Os 10–8%, Ir 3× 10–10%). בקרום כדור הארץ, הברזל מיוצג בעיקר על ידי המטיט Fe 2 O 3 (עפרת ברזל אדומה), מגנטיט Fe 3 O 4 (עפרת ברזל מגנטית), לימוניט Fe 2 O 3 ×xH 2 O (עפרת ברזל חומה), סידריט FeCO 3 (ברזל, עפרת ברזל), אילמניט FeTiO 3 ופיריט מינרלי נושא גופרית FeS 2 (פיריט ברזל). באופן כללי, ידועים יותר מ-300 מינרלים המכילים ברזל. כמות משמעותית של ברזל היא חלק מסיליקטים ואלומוסיליקטים שונים המרכיבים סלעים. כאשר מתבלים, תרכובות ברזל, בעיקר תחמוצת ברזל(III) ואוקסוהידרוקסיד, נכנסות לחול קוורץ, חימר ואדמה, ומעניקות להן צבע חום-צהוב ואדמתי. ברזל ממקור מטאורי נמצא בצורה חופשית על פני כדור הארץ, לרוב בצורה של סגסוגת עם ניקל. ברזל מקומי ידוע גם בצורת פתיתים או עלים קטנים המשובצים בבזלת. רק מדי פעם הוא יוצר חלקים נפרדים. ממצא כזה נדיר עד כדי כך שבתקופת האבן והברונזה הוערכו כלים שנעשו ממנו הרבה יותר מזהב. מעטפת כדור הארץ מכילה כמויות משמעותיות של ברזל בצורה של ספינלים, סיליקטים ותחמוצות. הוא האמין כי ברזל עם תערובת של ניקל וגופרית הוא החלק העיקרי של ליבת כדור הארץ. בשכבת פני הירח, תכולת הברזל מגיעה ל-0.5%.
התפתחות השגת ברזל מעפרות ברזל הייתה תחילתה של תקופת הברזל. כדי להפחית תחמוצות ברזל עם פחם, נדרשת טמפרטורה של מעל 1400 מעלות צלזיוס, אשר אש רגילה לא יכלה לספק. לכן, בשלבים הראשונים של התפתחות החברה, עפרות ברזל לא היו זמינות כחומר גלם לייצור מתכת. אנשים נאלצו להגביל את עצמם רק לממצאים אקראיים של ברזל מטאורי. בתחילת האלף הראשון לפני הספירה. במאה ה-18 השתלטו על שיטת עבודה גולמית של השבת עפרות, המבוססת על שימוש במחסנית - מבנה העשוי מאבנים מצופות חימר. בקירות המחצבה נותרו חורים, אליהם הוחדר אוויר דרך צינורות חרס מיוחדים - חרירים - בעזרת שקיות עור המכונות פרוות. פחם ועפרות ברזל נשפכו לתוך הכבשן, ועליה הועלתה אש. המתכת שהתקבלה הולחמה לקריצה - מסה נקבובית, שממנה התקבלו מוצרים בזיוף. ייצור כבשנים בא להחליף את שיטת הבצק הגולמי. זה קרה כתוצאה מעלייה בגובה הכבשן, מה שהצריך גם הכנסת שטפים - תוספים מיוחדים היוצרים סיגים נמסים עם פסולת המצוי בעפרה. מכיוון שבתנור פיצוץ, בניגוד לאח, המתכת המותכת נמצאת במגע עם פחם במשך זמן רב, היא מתקרבת והופכת לברזל יצוק. זה דורש פעולה נוספת ל"חלוקה מחדש" של ברזל יצוק לפלדה וברזל. תנורי הפיצוץ הראשונים הופיעו בהולנד בסוף המאה ה-14 - תחילת המאה ה-15, במאה ה-16 הם הגיעו לגובה של 4 - 5 מ'. ברוסיה התעורר ייצור תנורי הפיצוץ במאה ה-17, ובמאה ה-17. במאה הבאה הוא פותח באורל.
חיבור. תרשים מצב מערכת ברזל-פחמן.
דיאגרמת מצב של מערכת Fe-C באזור עד 6.5 wt. % C, המוצג באיור 6.5 א, חשוב במטלורגיה לייצור ממוקד של דרגות שונות של פלדות וברזל יצוק. ברזל טהור מתגבש בשלושה שינויים, α, γ ו-δ, שכל אחד מהם ממיס כמות מסוימת של פחמן ויציב בטווח טמפרטורות מסוים. תמיסות מוצקות של פחמן בשינויים אלה, α-Fe, γ-Fe ו-δ-Fe-C, נקראות α-ferrite, γ-austenite ו-δ-ferrite, בהתאמה. ל-α-Fe ול-δ-Fe יש סריג מרוכז בגוף מעוקב ול-γ-Fe יש סריג מרוכז בפנים. המסיסות של פחמן היא הגדולה ביותר באוסטניט (γ-Fe).
נמס המכילים עד 1.75 wt. % C, לאחר קירור מהיר ל-1150 מעלות צלזיוס, הם פתרון מוצק הומוגני - אוסטניט. פלדה עשויה מסגסוגות אלה. בהמסות המכילות יותר מ-1.75% C לאחר קירור ל-1150 מעלות צלזיוס, בנוסף לאוסטניט מוצק, ישנו גם אוקטיקה נוזלית בהרכב של נקודה A (איור 6.5.א) כאשר מתקרר מתחת ל-1150 מעלות צלזיוס, הוא מתגבש ו ממלא את החלל בין גבישי אוסטניט. המערכות המוצקות המתקבלות הן ברזל יצוק. בהתאם לתנאים, האוקטיקה יכולה להתגבש בשתי דרכים. לאחר קירור מהיר, האקטקטיקה המוצקה מורכבת מגבישי אוסטניט וגבישי Fe 3 C לא יציבים הנקראים צמנטיט. בקירור איטי נוצרת תערובת של גבישי אוסטניט וגרפיט יציב. ברזל יצוק המכיל צמנטיט נקרא לבן, והמכיל גרפיט נקרא אפור. האוקטיקה המוצקה מאוסטניט ומצמנטיט נקראת ledeבוריט, ורק ledeבוריט משתחרר מההמסה המכילה 4.3% C.
כאשר אוסטניט מתקרר מתחת ל-1150 o C, הוא מתגבש מחדש. מתמיסות מוצקות המכילות פחות מ-0.9 wt. % C, α-Fe פריט משוחרר תחילה (ראה הוספה באיור 6.5.a), ומתמיסות המכילות יותר מ-0.9 wt. % C, צמנטיט משתחרר בעיקר, אשר נקרא צמנטיט משני. בשני המקרים, הרכב התמיסה המוצקה שנותרה מתקרב לנקודה האויטקטואידית B. בשלב זה, גבישי פריט וצמנטיט משקעים בו זמנית בתערובת שכבתית דקה הנקראת פרלייט. התכה המכילה 0.9% C, עם הקירור, יכולה ליצור פרליט טהור שאינו מכיל גבישים גדולים של פריט או Fe 3 C ששקעו קודם לכן.
על ידי התאמת הרכב ההמסה הראשונית, קצב הקירור וזמן החימום בטמפרטורות שנבחרו מהדיאגרמה, ניתן להשיג סגסוגות בעלות מבנה מיקרו, הרכב, כיוון ולחצים שונים בגבישים. אם אז המערכת המתקבלת מתקררת מהר מאוד (מרווה), אז כל הטרנספורמציות הנוספות מעוכבות מאוד, והמבנה שנוצר נשמר, אם כי מתברר שהוא לא יציב מבחינה תרמודינמית. זו הדרך להשיג דרגות שונות של פלדה.
אורז. 6.5. דיאגרמת שלבים של מערכת ברזל-פחמן
סוף התוספת.
נכון להיום, עפרות ברזל מופחתות עם קוקה בתנורי פיצוץ, בעוד ברזל מותך מגיב חלקית עם פחמן, יוצר ברזל קרביד Fe 3 C (צמנטיט), וממיס אותו חלקית. כשההמסה מתמצקת, ברזל יצוק. ברזל יצוק המשמש לייצור פלדה נקרא ברזל חזיר. פְּלָדָה, בניגוד מברזל יצוק, מכיל פחות פחמן. יש לשרוף עודפי פחמן הכלול ברזל יצוק. זה מושג על ידי העברת אוויר מועשר בחמצן על הברזל המותך. קיימת גם שיטה ישירה לייצור ברזל, המבוססת על הפחתת כדורי עפרות ברזל מגנטיים עם גז טבעי או מימן:
Fe 3 O 4 + CH 4 \u003d 3Fe + CO 2 + 2H 2 O.
ברזל טהור מאוד בצורת אבקה מתקבל על ידי פירוק של Fe(CO) 5 קרבוניל.
חיבור. סגסוגות של ברזל.
סגסוגות על בסיס ברזל מחולקות לברזל יצוק ופלדה.
ברזל יצוק- סגסוגת של ברזל עם פחמן (מכילה בין 2 ל-6% C), המכילה פחמן בצורה של תמיסה מוצקה, וכן גבישים של גרפיט וצמנטיט Fe 3 C. ישנם מספר סוגים של ברזל יצוק הנבדלים בתכונותיהם וצבע שבר. ברזל יצוק לבן מכיל פחמן בצורה של צמנטיט. הוא שביר מאוד ואינו מוצא יישום ישיר. כל ברזל יצוק לבן מומר לפלדה (ברזל חזיר). ברזל יצוק אפור מכיל תכלילי גרפיט - הם נראים בבירור בשבר. הוא פחות שביר מלבן ומשמש לייצור גלגלי תנופה ורדיאטורים לחימום מים. תוספת של כמות קטנה של מגנזיום להמסה גורמת למשקעים של גרפיט לא בצורה של לוחות, אלא בצורה של תכלילים כדוריים. ברזל יצוק שונה זה בעל חוזק גבוה ומשמש לייצור גל ארכובה של מנוע. ברזל יצוק במראה, המכיל 10-20% מנגן וכ-4% פחמן, משמש כמסיר חמצון בייצור פלדה.
איור.6.6. ברזל יצוק אפור (א) וברזל יצוק כבד (ב) תחת מיקרוסקופ.
עפרות ברזל וקולה הם חומרי הגלם לייצור ברזל. ברזל חזיר מותך בתנורי פיצוץ - תנורים גדולים, עד 80 מ' גובה, מצופים בלבנים עקשניות מבפנים, ומכוסים במעטפת פלדה מלמעלה. חלקו העליון של כבשן הפיצוץ נקרא פיר, החלק התחתון נקרא ההר, והחור העליון, המשמש להעמסת המטען, נקרא העליון. מלמטה, אוויר חם מועשר בחמצן מוזן לתוך הכבשן. בחלקו העליון של האח שורפים פחם תוך היווצרות פחמן דו חמצני. החום המשתחרר במקרה זה מספיק כדי שהתהליך ימשיך. פחמן דו חמצני, העובר דרך שכבות הקוקס, מופחת לפחמן חד חמצני (II) CO, אשר מגיב עם עפרות ברזל, מפחית אותו למתכת. כדי להסיר זיהומים הכלולים בעפרה, למשל, חול קוורץ SiO 2, שטפים מתווספים לכבשן - אבן גיר או דולומיט, המתפרקים לתחמוצות CaO, MgO, קושרים סיגים לשטפים נמסים (CaSiO 3, MgSiO 3). בנוסף לברזל, קולה מפחית גם את הזיהומים הכלולים בעפרה, למשל, זרחן, גופרית, מנגן וסיליקון חלקית:
Ca 3 (PO 4) 2 + 5C = 3CaO + 5CO + 2P,
CaSO 4 + 4C \u003d CaS + 4CO,
MnO + C = Mn + CO
SiO2 + 2C = Si + 2CO.
במתכת המותכת, גופרית קיימת בצורה של גופרית FeS, זרחן הוא בצורת Fe 3 P פוספיד, סיליקון הוא בצורה של סיליקיד SiC, ועודף פחמן הוא בצורת Fe 3 C קרביד (צמנטיט) . הגזים היוצאים מהכבשן מכונים תנור פיצוץ או גזי תנור פיצוץ. כשליש בנפח הם מורכבים מפחמן חד חמצני, ולכן הם משמשים כדלק לחימום האוויר הנכנס לכבשן הפיצוץ.
אורז. 6.7 תכנית של תנור פיצוץ
פְּלָדָה– סגסוגת של ברזל עם פחמן (מכילה בין 0.5 ל-2% C), המכילה פחמן רק בצורה של תמיסה מוצקה. פלדה קשה יותר מברזל, קשה יותר לכיפוף, עמידה יותר, קלה יותר לשבירה, אם כי לא שבירה כמו ברזל יצוק. ככל שהוא מכיל יותר פחמן, כך הוא קשה יותר. בדרגות פלדה רגילות, לא יותר מ-0.05% גופרית ו-0.08% זרחן מותרים. אפילו תערובת קלה של גופרית הופכת את הפלדה לשבירה בחימום; במטלורגיה, תכונה זו של פלדה נקראת שבירות אדומה. תכולת הזרחן בפלדה גורמת לשבירות קרה - שבירות בטמפרטורות נמוכות.פלדה מוקשה נוצרת במהלך קירור חד של פלדה מחוממת לטמפרטורת חום אדום. פלדה כזו היא בעלת קשיות גבוהה, אך היא שבירה. כלי חיתוך עשויים מפלדה מוקשה. בקירור איטי, מתקבלת פלדה מחוסמת - היא רכה וגמישה. על ידי החדרת תוספים סגסוגים לתוך ההמסה ( סמים) - כרום, מנגן, ונדיום וכו' מקבלים דרגות מיוחדות של פלדה. פלדה המכילה יותר מ-13% כרום מאבדת את יכולתה להחליד באוויר והופכת אל חלד. הוא משמש בתעשייה הכימית, בחיי היומיום, בבנייה. פלדות חזקות במיוחד המכילות ונדיום משמשות ליציקת שריון.
חומר הגלם לייצור פלדה הוא ברזל יצוק, ומהות התהליכים המתרחשים במהלך ההיתוך היא הוצאת עודפי פחמן מהסגסוגת. לשם כך מועבר חמצן דרך הברזל המותך, שמחמצן את הפחמן הכלול בברזל בצורה של גרפיט או צמנטיט לפחמן חד חמצני CO. עם זאת, במקרה זה, חלק מהברזל מתחמצן גם על ידי חמצן לתחמוצת:
2Fe + O 2 \u003d 2FeO.
להפחתה הפוכה של FeO לברזל, מסיר חמצון מוכנסים להמסה, ככלל, אלו מתכות פעילות - מנגן, בריום, סידן, לנתנום. הם מפחיתים ברזל מחומצן למתכת:
Mn + FeO = MnO + Fe,
ולאחר מכן מופרד מההמסה, צף אל פני השטח שלו בצורה של סיגים מתיכים, באינטראקציה עם רירית התנור או עם תוספת מיוחדת שטפים:
MnO + SiO 2 \u003d MnSiO 3.
פלדה מותכת בתנורים מיוחדים. בהתאם לסוג התנורים, ישנן מספר שיטות לייצור פלדה. בכבשן אח פתוח, חלל ההיתוך הוא אמבטיה מכוסה בקמרון של לבנים עקשניות (איור 6.8. ייצור פלדה: (א) תנור אח פתוח, ממיר חמצן). דלק מוזרק לחלק העליון של התנור - הם גז טבעי או מזוט. החום המשתחרר בזמן הבעירה שלו מחמם את התערובת וגורם לה להתמוסס. במשך 6 - 8 שעות, שבמהלכן הברזל היצוק המותך נמצא בכבשן האח הפתוח, נשרף בו בהדרגה פחמן. לאחר מכן שופכים את הפלדה המותכת ולאחר זמן מה מעמיסים שוב את הברזל היצוק. תהליך האח הפתוח הוא תקופתי. היתרון העיקרי שלו הוא שניתן לצקת את הפלדה המתקבלת לתבניות גדולות. מבחינת ביצועים, תהליך האח הפתוח נחות מתהליך ממיר החמצן, שמתבצע לא בתנורים גדולים, אלא בממירים קטנים - מנגנון בצורת אגס מרותך מפלדה ומרופד בלבנים עקשן מבפנים. מלמעלה, אוויר מועשר בחמצן מועף דרך ממיר המותקן על ציר אופקי. התחמוצות שנוצרות של מנגן וברזל מגיבות עם רירית הסיליקט של הממיר, ויוצרות סיגים. התהליך נמשך כ-40 דקות, ולאחר מכן מעבירים את הממיר למצב משופע ונשפכים ברצף פלדה מותכת וסיגים (איור 6.8. ב). ממירים מצופים בלבני חול סיד, המכונים ממירי בסמר על שם הממציא האנגלי הנרי בסמר, אינם מתאימים לייצור פלדה מברזלים המכילים פוספידים של ברזל. לחלוקה מחדש של ברזל יצוק עשיר בזרחן משתמשים בממירי תומס, המצופים באבן גיר או דולומיט מבפנים. התכת פלדה מתבצעת בנוכחות סיד הקושר את הזרחן הכלול בברזל היצוק לפוספטים היוצרים סיגים (Thomas slag), המשמשים כדשן. פלדות סגסוגת מותכות בתנורים חשמליים בטמפרטורות מעל 3000 מעלות צלזיוס. זה מאפשר להשיג פלדות בעלות תכונות מיוחדות, כולל סופר חזקות ועמידות.
סוף התוספת
קובלט מופיע בטבע בעיקר בצורה של תרכובות עם ארסן, smaltite CoAs 2 (תבלין קובלט) וקובלטיט CoAsS (ברק קובלט), אולם מינרלים אלו נדירים מדי ואינם יוצרים מרבצים עצמאיים. הוא גם חלק מעפרות נחושת-קובלט-ניקל מורכבות ונחושת-קובלט גופרתי; הוא נמצא בכמויות קטנות בחרסיות ובפצלים, שנוצרו בתנאים של מחסור בחמצן.
לניקל, בדומה לקובלט, יש זיקה גבוהה ליסודות שלאחר המעבר מהתקופה החמישית - ארסן וגופרית, ובשל קרבתם של רדיוסים יוניים, הוא לרוב איזומורפי לתרכובות של קובלט, ברזל ונחושת. בשל כך, כמויות גדולות של ניקל בליתוספירה נקשרות לעפרות נחושת-ניקל פוליסולפידית. בין המינרלים הגופרתיים, יש חשיבות רבה ביותר למינריט NiS (פיריט ניקל צהוב), פנטלנדיט (Fe, Ni) 9 S 8 וכלואנטיט NiAs 2 (ניקל-פיריט לבן). חומר גלם חשוב נוסף של ניקל הוא סלעי סרפנטין, שהם סיליקטים בסיסיים, למשל, גרניריט (Ni, Mg) 6 × 4H 2 O. כמויות קטנות של תרכובות ניקל נמצאות בפחמים מאובנים, פצלים ושמן.
חומרי הגלם העיקריים לייצור קובלט וניקל הם עפרות פוליסולפיד (הערת שוליים: סיליקטים ועפרות ניקל אחרות המכילות חמצן מומרים לראשונה לסולפידים על ידי היתוך עם גבס מיובש ופחם ב-1500 מעלות צלזיוס: CaSO 4 + 4C = CaS + 4CO ; 3NiO + 3CaS = Ni 3 S 2 + 3CaO + S). העפרה האגורה מעורבת עם חומצה גופרתית ומומסת בכבשן פיר למט המורכב מברזל, קובלט, ניקל ונחושת גופרתי. זה מאפשר לך להפריד אותו מהסיליקטים היוצרים סיגים. כאשר המט המותך מתקרר, סולפידים משתחררים בצורה גבישית. הם נמעכים ואז מחוממים ל-1300 מעלות צלזיוס בזרם אוויר. יכולת ההתחמצנות של הסולפידים יורדת בסדרה FeS > CoS > Ni 3 S 2, לכן, ברזל גופרתי מגיב לראשונה עם חמצן, אשר הופך לסיגים בתוספת סיליקה. חמצון נוסף מוביל להיווצרות תחמוצות של קובלט וניקל
2Ni 2 S 3 + 7O 2 \u003d 6NiO + 4SO 2.
הם מובאים לתמיסה על ידי טיפול בחומצה גופרתית או על ידי פנייה לחמצון אנודי. טומאת הנחושת מוסרת על ידי החדרת אבקת ניקל, המפחיתה אותה לחומר פשוט. לקובלט ולניקל תכונות כימיות דומות. כדי להפריד ביניהם, התמיסה עוברת אלקליזציה ומטופלת בנתרן כלורט, המחמצן רק יוני קובלט:
2CoSO 4 + Cl 2 + 3Na 2 CO 3 + 3H 2 O \u003d 2Co (OH) 3 ¯ + 2NaCl + 3CO 2 + 2Na 2 SO 4.
בסביבה מעט חומצית, קובלט נשאר במשקע בצורת הידרוקסיד, וניקל עובר לתמיסה בצורת מלח, אשר הופך להידרוקסיד. תחמוצות המתקבלות על ידי סילוק הידרוקסידים מופחתות עם פחם:
Co 3 O 4 + 4C \u003d 3CO + 4CO,
NiO + C = Ni + CO.
במהלך ההפחתה נוצרים גם קרבידים Co 3 C, Ni 3 C, כדי להסיר אותם, התחמוצת נלקחת בעודף:
Ni 3 C + NiO = 4Ni + CO.
זיקוק אלקטרוליטי משמש להשגת מתכות טהורות יותר. זה גם מאפשר לבודד את מתכות הפלטינה הכלולות במט.
יותר ממחצית מהקובלט והניקל המיוצרים מושקעים על ייצור סגסוגות. סגסוגות מגנטיות על בסיס קובלט (Fe-Co-Mo, Fe-Ni-Co-Al, Sm-Co) מסוגלות לשמור על תכונות מגנטיות בטמפרטורות גבוהות. סגסוגות מתכת-קרמיות, שהן טיטניום, טונגסטן, מוליבדן, ונדיום וטנטלום קרבידים המוצקים בקובלט, משמשות לייצור כלי חיתוך. פלדות בעלות תכולה גבוהה של ניקל וכרום אינן מתכלות באוויר; הן משמשות לייצור מכשירים וציוד כירורגיים לתעשייה הכימית. ניכרום סגסוגת כרום ניקל עמידה בחום, המכילה 20 - 30% כרום, בעלת התנגדות חשמלית גבוהה, היא משמשת לייצור סלילי חימום חשמליים. סגסוגות נחושת-ניקל קבועות (40% Ni, 60% Cu) וניקלין (30% Ni, 56% Cu, 14% Zn), ממונל (68% Ni, 28% Cu, 2.5% Fe, 1.5% Mn) מנטה מטבע.
חשובים סגסוגות על- חומרים המבוססים על ברזל, קובלט או ניקל, שתוכננו במיוחד עבור שירות בטמפרטורה גבוהה. יש להם עמידות בפני קורוזיה גבוהה, שומרים על חוזק בטווח הטמפרטורות שבו פועלות טורבינות גז, מאופיינים במודול גמישות גבוה ומקדם התפשטות תרמית נמוך. השילוב של עמידות חמצון וחוזק של חומרים אלה הוא ללא תחרות. לסגסוגות-על רבות יש סריג מעוקב במרכז הפנים, אשר, בהיותו הצפוף ביותר מבין כל מבני הגביש, מספק תכונות תרמו-מכניות יוצאות דופן של החומר. הסגסוגת מורכבת מבסיס (Fe, Co, Ni), מכילה תוספי מתכת המגבירים את עמידות פני השטח (Cr) ואלמנטים (Al), היוצרים שלב γ' מעוקב (γ'-Ni 3 Al), בעל גבוה חוזק ועמידות חמצון. הכנסת כמויות קטנות של פחמן (0.05 - 0.2%) לסגסוגות העל מובילה להיווצרות קרבידים, למשל, TiC, אשר במהלך פעולת הסגסוגת בטמפרטורות גבוהות, הופכים בהדרגה לקרבידים בהרכב M 23 C 6 ו-M 6 C, אשר מושפעים בקלות טיפול בחום. הפחמן המתקבל עובר לצורת תמיסה מוצקה. לפיכך, המבנה של סגסוגת-על יכול להיות מיוצג כפתרון מוצק עם תכלילים גבישיים עדינים של תרכובות בין-מתכתיות וקרבידים, המספקים את הקשיות והחוזק שלה. סימום נוסף תורם להאטת תהליכי הדיפוזיה, הגברת יציבות המבנה בטמפרטורות גבוהות. אחת מסגסוגות העל הראשונות פותחה ב-1935, Rex-78, המורכבת מ-60% ברזל, 18% Ni, 14% Cr, ומכילה גם כמויות קטנות של מוליבדן, טיטניום, נחושת, בורון, פחמן. הוא משמש לייצור להבי טורבינה וחירי (Superalloys II. חומרים עמידים בחום לתחנות כוח תעופה וחלל ותעשייתיות, M., Metallurgy, 1995)
לקובלט וניקל מפוזרים דק פעילות קטליטית גבוהה. אבקת הקובלט העדינה המופקדת על התומך משמשת כזרז פעיל להידרוקרבונילציה של פישר-טרופש. ניקל מחליף לעתים קרובות את הפלטינה בתהליכי הידרוגנציה, כגון שומנים צמחיים. במעבדה מתקבלת אבקת ניקל עדין פעילה קטליטית (ניקל שלד, ניקל ראני) על ידי טיפול בסגסוגת ניקל-אלומיניום עם אלקלי באווירה אינרטית או מפחיתה. ניקל הולך לייצור סוללות אלקליין.
תרכובות קובלט רבות הן צבעוניות עזות ושימשו מאז ימי קדם כפיגמנטים להכנת צבעים: קובלט אלומינאט CoAl 2 O 4 ("קובלט כחול", "כחול Gzhel") יש צבע כחול, Stanate Co 2 SnO 4 (" ceruleum", "שמים-כחול") - כחול עם גוון כחלחל, פוספטים Co 3 (PO 4) 2 ("קובלט סגול כהה") ו-CoNH 4 PO 4 × H 2 O ("אור סגול קובלט") - אדמדם- סגול, תחמוצת מעורבת של קובלט (II ) ואבץ CoO × xZnO ("קובלט ירוק") - ירוק בהיר, סיליקטים קובלט ("שמאלט", "זכוכית קובלט") - כחול כהה (E.F. Belenky, I.V. Riskin, Chemistry and Technology of Pigments, L., Chemistry, 1974). הוספת תחמוצת קובלט לזכוכית מעניקה לה צבע כחול.
פיגמנטים של ברזל הם בדרך כלל צהוב-חום או אדום-חום בגוונים שונים. מבין הפיגמנטים הטבעיים, הידועים ביותר הם אוקר - אוקסוהידרוקסיד גבישי FeOOH וחימר המכיל סיינה. כשהם מבושל, הם מתייבשים, מקבלים צבע אדום. אומבר חום נוצר על ידי בליה של עפרות ברזל המכילות מנגן. הפיגמנט השחור הוא מגנטיט.
מתכות פלטינה מופיעות בטבע בעיקר בצורתן המקומית - בצורה של חומרים פשוטים, סגסוגות זו עם זו ועם מתכות אצילות אחרות. בכמויות קטנות מאוד, הם חלק מכמה עפרות פוליסולפיד; ממצאים של מינרלים גופרתיים משלהם, למשל, RuS 2 laurite, PtS cooperite, הם נדירים ביותר. התכולה הכוללת הממוצעת של מתכות פלטינה בראדס הגופרית של אורל היא 2-5 גרם לטון. בטבע, גרגרי פלטינה נמצאים לעתים קרובות באותם מקומות כמו זהב, ולכן, בצורה של תכלילים נפרדים, הם נראים לפעמים על פני השטח של פריטי זהב עתיקים, בעיקר ממוצא מצרי. עתודות גדולות של פלטינה מקומית מרוכזות בהרי האנדים של דרום אמריקה. בסלעים המרכיבים אותם, גרגרי פלטינה, יחד עם חלקיקי זהב, מתבררים לעתים קרובות כלולים בפירוקסנים ובסיליקטים בסיסיים אחרים, מהם, כתוצאה מהשחיקה, הם עוברים לחולות הנהר. הזהב שנשטף מתוכם מכיל גבישים קטנים של פלטינה, שקשה ביותר להפרידם. בימי הביניים הם לא חתרו לכך: שילוב של דגנים כבדים רק הגדיל את מסת המתכת היקרה. מדי פעם יש גם נאגטים גדולים של פלטינה, עד תשעה קילוגרמים. הם בהכרח מכילים זיהומים של ברזל, נחושת, יודי פלטינה, ולפעמים זהב וכסף. לדוגמה, למתכת ממרבצת ה- Choco בקולומביה, שפותחה על ידי האינקה העתיקות, יש הרכב משוער של Pt 86.2%, Pd 0.4%, Rh 2.2%, Ir 1.2%, Os 1.2%, Cu 0, 40% , Fe 8.0%, Si 0.5%. אירידיום מקורי מכיל 80 - 95% Ir, עד 2.7% Ru, עד 6.1% Pt; אוסמיום - 82 - 98.9% Os, 0.9 - 19.8% Ir, עד 10% Ru, 0.1 - 3.0% Pt, עד 1.3% Rh, עד 1% Fe.
ברוסיה התגלה מתקן הפלטינה הראשון ב-1824 בצפון אוראל, ועד מהרה החלה הכרייה באזור ניז'ני תגיל. מאז ועד 1934, רוסיה הייתה המובילה בשוק הספקים העולמיים של פלטינה, ופינה את מקומה תחילה לקנדה, ומ-1954 לדרום אפריקה, שבה יש את המרבצים הגדולים ביותר של המתכת.
חיבור. זיקוק.
זיקוק הוא ייצור של מתכות יקרות בטוהר גבוה. זיקוק מתכות פלטינה מבוסס על הפרדת תרכובות כימיות של יסודות אלו, בשל השוני בחלק מתכונותיהם - מסיסות, תנודתיות, תגובתיות. חומר הגלם הוא בוצה מועשרת שנותרה מייצור נחושת וניקל, המתקבלת על ידי המסת גרוטאות של מוצרים טכניים המכילים מתכות יקרות, לרבות זרזים בשימוש. בוצות מכילות מתכות פלטינה, כמו גם זהב, כסף, נחושת וברזל. כדי להסיר סיליקה ומתכות בסיס, רוב התוכניות הטכנולוגיות נוקטות בהמסת בוצה עם עופרת ופחם. במקרה זה, מתכות בסיס הכלולות בבוצה מתחמצנות על ידי התפשטות עופרת לתחמוצות, והעופרת המתקבלת מרכזת מתכות מקבוצת כסף, זהב ופלטינה. חרוז העופרת המתקבל, הנקרא גם werkble, נתון ל-cupellation - התכה חמצונית על טיפה - כלי נקבובי העשוי מאפר עצמות, מגנזיט ומלט פורטלנד. במקרה זה, רוב העופרת מתחמצנת ונספגת בחומר הטיפות. לאחר הקיפול, הסגסוגת מטופלת בחומצה גופרתית להסרת כסף. כעת הוא מכיל מתכות יקרות. פעולת הזיקוק החשובה ביותר היא האינטראקציה עם אקווה רג'יה (איור 6.9. זיקוק פשוט של מתכות אצילות), שבה מומסים רוב הזהב, הפלדיום והפלטינה, בעוד רותניום, אוסמיום, רודיום ואירידיום נשארים בעיקר במשקעים. כדי להפריד זהב מפלטינה ופלדיום, מורחים על התמיסה ברזל גופרתי, מה שמוביל לשחרור זהב בצורה חופשית. פלדיום ופלטינה, המצויים בתמיסה בצורה של כלורידים ומתחמי כלוריד, מופרדים על סמך המסיסות השונות של המלחים. שעות רבות של הרתחת הבוצה באקווה רג'יה מובילות למעבר חלקי לתמיסה של מתכות פלטינה אחרות, ולכן הפלטינה המתקבלת על פי תכנית זו מכילה זיהומים של רודיום ואירידיום. מהשאריות, בלתי מסיסות באקווה רג'יה, מבודד רודיום על ידי היתוך עם נתרן הידרוסולפט. כאשר ההמסה נשטפת, היא נכנסת לתמיסה בצורה של סולפטים מורכבים. רותניום, אוסמיום ואירידיום, העמידים להתקפת חומצה, נתונים לאיחוי חמצוני עם אלקלי. התמיסה המתקבלת על ידי שטיפת ההמסה מכילה רותנאטים ואוסמטים, ורוב האירידיום משקע בצורת דו חמצני. ההפרדה של רותניום מאוסיום מבוססת על סובלימציה של תחמוצות גבוהות יותר שלהם עם לכידתם בתמיסה של חומצה הידרוכלורית. במקרה זה, תחמוצת הרותניום מופחתת ונכנסת לתמיסה, בעוד שאוסמיום אנהידריד נכנס לשלב הגז ובורח חלקית לאטמוספירה. זה לא מפתיע, שכן אוסמיום הוא הפחות מבוקש מבין מתכות הפלטינה. ערכת הזיקוק המדויקת נבחרת עבור חומר גלם ספציפי, בהתאם לאחוז המתכות השונות שבו.
סוף התוספת.
בשל נקודת ההיתוך הגבוהה שלה, פלטינה, בניגוד לזהב וכסף, לא נמסה בכבשן, לא יכלה לזייף לא קר ולא חם. לכן, המתכת לא מצאה יישום מעשי במשך זמן רב, היא הייתה מבוקשת רק בקרב זייפנים, שערבבו אותה עם זהב כדי להגדיל את המסה שלה. הדברים הגיעו עד כדי כך שמלך ספרד בשנת 1755 הוציא צו לפיו כל הפלטינה שנכרה במהלך התפתחותם של המקומות הקולומביאניים בצ'וקו אמורה להיות מופרדת בזהב מזהב ולטבוע בנהרות. במשך 43 שנות הגזירה הושמדו עד ארבע טונות של מתכת יקרה.
בפעם הראשונה, מהנדסים רוסים הצליחו להשיג מטילי מתכת בשנת 1826. לשם כך, גרגרי פלטינה מקומית הומסו באקווה רג'יה ולאחר מכן שקעו בצורה של מסה ספוגית נקבובית, שעוצבה בלחץ של 1000 מעלות ג. במקרה זה, המתכת רכשה גמישות וגמישות. ברוסיה, מ-1828 עד 1845, הוטבעו מטבעות פלטינה, כמו גם מדליות ותכשיטים. תפאורה ליהלומים ואבנים יקרות רבות אחרות עשויות פלטינה נראית הרבה יותר מרשימה מאלה כסופה. התוספת של פלטינה לתכשיטי כסף הופכת אותם לכבדים ועמידים יותר. שימוש נרחב בתכשיטים הוא "זהב לבן" - סגסוגת כסף-לבן של פלדיום וזהב ביחס של 1: 5. מעניין שזהב לא מתערבב עם פלטינה בצורה מוצקה, סגסוגת זו היא תערובת של תמיסות מוצקות של פלטינה ב. זהב וזהב בפלטינה . עם עלייה באחוז הפלטינה, צבע הזהב משתנה לצהוב אפרפר ואפור כסוף. סגסוגות כאלה שימשו את תכשיטני פברז'ה.
הצריכה השנתית של מתכות פלטינה בעולם מוערכת ב-200 טון. פלטינה מעט יותר יקרה מזהב, בעוד שרודיום, אירידיום, רותניום ואוסמיום יקרים פי כמה מפלטינה. הזולה ביותר מבין מתכות הפלטינה היא פלדיום. זה עולה פחות מ-4 דולר לגרם.
תחומי השימוש החשובים ביותר של מתכות פלטינה מוצגים בטבלה
טבלה 6.4. מבנה הצריכה של מתכות פלטינה באחוזים
הוא אינו כולל אוסמיום, שהייצור השנתי שלו בעולם הוא קילוגרמים בודדים בלבד. למרות שזרזי הידרוגנציה שפותחו על בסיסו יעילים אף יותר מאלה של פלטינה, והוספתם לסגסוגות מגדילה מאוד את עמידותם לבלאי, אוסמיום ותרכובותיו טרם מצאו יישום מעשי בשל מחירם הגבוה.
בין צרכני הפלטינה, הרודיום והפלדיום, תעשיית הרכב נמצאת במקום הראשון, אשר מציגה באופן נרחב זרזים המיוצרים על בסיסם המשפרים את השריפה לאחר שריפת גזי הפליטה. יעילות השימוש בהם תלויה ישירות באיכות הבנזין - תכולה גבוהה של תרכובות גופרית אורגניות בו מובילה להרעלה מהירה של הזרז ומפחיתה את השפעתו לכלום. בתהליכי רפורמה משתמשים בסגסוגות פלטינה-רניום, בהידרוגנציה, כמו גם בחמצון של אמוניה לתחמוצת חנקן (II) וגופרית דו-חמצנית לאנהידריד גופרתי, נעשה שימוש באסבסט פלטיני, לייצור אצטלדהיד סינתטי (תהליך Wacker) - פלדיום (II) כלוריד. תרכובות רודיום מוצאות שימוש בעיקר בקטליזה הומוגנית. ביניהם, טריפנילפוספינרודיום(I) כלוריד Rh(PPh 3) 3 Cl, המכונה לעתים קרובות הזרז של וילקינסון, ידוע ביותר. בנוכחותו, תהליכי הידרוגנציה רבים מתרחשים אפילו בטמפרטורת החדר.
בשל יציבותם התרמית הגבוהה וערכי EMF תרמיים גבוהים, סגסוגות מתכת פלטינה משמשות בייצור צמדים תרמיים למדידת טמפרטורות גבוהות: צמדים תרמיים פלטינה-רודיום פועלים בטמפרטורות של עד 1300 מעלות צלזיוס, ורודיום-אירידיום - 2300 מעלות צלזיוס.
האינרטיות והעמידות הכימית הופכות את הפלטינה והפלטינואידים לחומרים נוחים לייצור אלקטרודות, כלי זכוכית מעבדתיים, כורים כימיים, למשל, ממיסי זכוכית. פלדיום הוא החומר העיקרי עבור קבלים קרמיים רב שכבתיים המשמשים במחשבים ובטלפונים ניידים. בהנדסת חשמל, פלטינה ופלדיום משמשים ליישום ציפוי מגן על מגעים והתנגדויות חשמליות, כך שניתן להסירם ממכשירים חשמליים משומשים. תכשירי פלטינה משמשים בכימותרפיה של מחלות גידול אונקולוגיות.