مقدمة
تعد دراسة الخواص الكيميائية للعناصر الفردية جزءًا لا يتجزأ من دورة الكيمياء في المدرسة الحديثة، والتي تسمح، بناءً على المنهج الاستقرائي، بوضع افتراض حول خصائص التفاعل الكيميائي للعناصر بناءً على خصائصها الفيزيائية والكيميائية. صفات. ومع ذلك، فإن إمكانيات المختبر الكيميائي المدرسي لا تسمح لنا دائمًا بإظهار اعتماد الخواص الكيميائية للعنصر على موقعه في النظام الدوري للعناصر الكيميائية والسمات الهيكلية للمواد البسيطة.
تُستخدم الخواص الكيميائية للكبريت في بداية دورة الكيمياء لتوضيح الفرق بين الظواهر الكيميائية والظواهر الفيزيائية، وعند دراسة خصائص العناصر الكيميائية الفردية. في أغلب الأحيان، توصي الإرشادات بإظهار تفاعل الكبريت مع الحديد، كمثال على الظواهر الكيميائية ومثال على الخصائص المؤكسدة للكبريت. لكن في معظم الحالات، إما أن رد الفعل هذا لا يحدث على الإطلاق، أو أنه لا يمكن تقييم نتائج حدوثه بالعين المجردة. غالبًا ما تتميز الخيارات المختلفة لإجراء هذه التجربة بانخفاض إمكانية تكرار نتائج النتائج، مما لا يسمح باستخدامها المنهجي في توصيف العمليات المذكورة أعلاه. لذلك، من المهم البحث عن خيارات يمكن أن توفر بديلاً لتوضيح عملية تفاعل الحديد مع الكبريت، بما يتناسب مع خصائص مختبر الكيمياء المدرسي.
هدف:بحث إمكانية إجراء تفاعلات تتضمن تفاعل الكبريت مع المعادن في مختبر المدرسة.
مهام:
تحديد الخصائص الفيزيائية والكيميائية الرئيسية للكبريت.
تحليل ظروف سير وحدوث تفاعلات تفاعل الكبريت مع المعادن؛
دراسة الطرق المعروفة لتفاعل الكبريت مع المعادن.
اختيار أنظمة تنفيذ التفاعلات؛
تقييم مدى كفاية التفاعلات المختارة لظروف المختبر الكيميائي بالمدرسة.
موضوع الدراسة:تفاعلات تفاعل الكبريت مع المعادن
موضوع الدراسة:جدوى تفاعلات تفاعل الكبريت مع المعادن في المختبر المدرسي.
فرضية:سيكون البديل لتفاعل الحديد مع الكبريت في مختبر الكيمياء المدرسي هو التفاعل الكيميائي الذي يلبي متطلبات الوضوح والتكاثر والسلامة النسبية وتوافر المواد المتفاعلة.
نريد أن نبدأ عملنا بوصف موجز للكبريت:
موقعه في الجدول الدوري: يقع الكبريت في الدورة 3، المجموعة السادسة، المجموعة الفرعية الرئيسية (أ)، وينتمي إلى العناصر s.
العدد الذري للكبريت هو 16، وبالتالي فإن شحنة ذرة الكبريت هي +16، وعدد الإلكترونات 16. ثلاثة مستويات للإلكترون في المستوى الخارجي هي 6 إلكترونات
رسم تخطيطي لترتيب الإلكترونات حسب المستويات:
16 س )))
2 8 6
تحتوي نواة ذرة الكبريت 32S على 16 بروتونًا (تساوي شحنة النواة) و16 نيوترونًا (الكتلة الذرية مطروحًا منها عدد البروتونات: 32 – 16 = 16).
الصيغة الإلكترونية: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 4
الجدول 1
قيم إمكانات التأين لذرة الكبريت
إمكانية التأين
الطاقة (فولت)
الكبريت في البرد خامل تمامًا (يتحد بقوة مع الفلور)، ولكن عند تسخينه يصبح نشطًا كيميائيًا للغاية - فهو يتفاعل مع الهالوجينات(ما عدا اليود)، الأكسجين، الهيدروجين ومع جميع المعادن تقريبًا. نتيجة لتفاعلات النوع الأخير ينتج مركبات الكبريت المقابلة.
تعتمد تفاعلية الكبريت كأي عنصر آخر عند تفاعله مع المعادن على:
نشاط المواد المتفاعلة. على سبيل المثال، سوف يتفاعل الكبريت بشكل أكثر نشاطًا مع الفلزات القلوية
على درجة حرارة التفاعل . يتم تفسير ذلك من خلال الميزات الديناميكية الحرارية للعملية.
يتم تحديد الإمكانية الديناميكية الحرارية لحدوث التفاعلات الكيميائية تلقائيًا في ظل الظروف القياسية بواسطة طاقة جيبس القياسية للتفاعل:
ΔG 0 ت< 0 – прямая реакция протекает
ΔG 0 Т > 0 - رد الفعل المباشر مستحيل
على درجة طحن المواد المتفاعلة، حيث أن الكبريت والمعادن تتفاعل بشكل رئيسي في الحالة الصلبة.
يتم إعطاء الخصائص الديناميكية الحرارية لبعض التفاعلات بين الكبريت والمعادن في الشريحة 4
يوضح الجدول أن تفاعل الكبريت مع كلا المعدنين في بداية سلسلة الإجهاد والمعادن منخفضة النشاط ممكن من الناحية الديناميكية الحرارية.
وبالتالي، فإن الكبريت هو مادة غير معدنية نشطة إلى حد ما عند تسخينها، وقادرة على التفاعل مع المعادن ذات النشاط العالي (القلوية) والنشاط المنخفض (الفضة والنحاس).
دراسة تفاعل الكبريت مع المعادن
اختيار أنظمة البحث
لدراسة تفاعل الكبريت مع المعادن تم اختيار أنظمة تتضمن معادن موجودة في أماكن مختلفة من سلسلة بيكيتوف ولها أنشطة مختلفة.
تم تحديد المعايير التالية كشروط اختيار: سرعة التنفيذ، الوضوح، اكتمال التفاعل، السلامة النسبية، استنساخ النتيجة، يجب أن تختلف المواد بشكل ملحوظ في الخواص الفيزيائية، توفر المواد في مختبر المدرسة، هناك محاولات ناجحة للحمل تفاعلات الكبريت مع معادن معينة.
لتقييم إمكانية تكرار نتائج ردود الفعل، تم إجراء كل تجربة ثلاث مرات.
وبناء على هذه المعايير، تم اختيار أنظمة التفاعل التالية للتجربة:
الكبريت والنحاس Cu + S = CuS + 79 كيلوجول/مول
المنهجية والتأثير المتوقع
خذ 4 جم من الكبريت على شكل مسحوق، ثم اسكبه في أنبوب اختبار. تسخين الكبريت في أنبوب الاختبار حتى الغليان. ثم خذ سلكًا نحاسيًا وقم بتسخينه على اللهب. عندما يذوب الكبريت ويغلي، ضع سلكًا نحاسيًا فيه
نتيجة متوقعة:يمتلئ أنبوب الاختبار بأبخرة بنية اللون، ويسخن السلك و"يحترق" ليشكل كبريتيدًا هشًا.
2. تفاعل الكبريت مع النحاس.
لم يكن التفاعل واضحًا جدًا؛ كما لم يحدث تسخين تلقائي للنحاس. عند إضافة حمض الهيدروكلوريك، لم يلاحظ أي تطور كبير للغاز.
الكبريت والحديد Fe + S = FeS + 100.4 كيلوجول/مول
المنهجية والتأثير المتوقع
خذ 4 جرام من مسحوق الكبريت و 7 جرام من مسحوق الحديد واخلطهما. صب الخليط الناتج في أنبوب الاختبار. دعونا نقوم بتسخين المواد في أنبوب اختبار
نتيجة متوقعة:يحدث تسخين تلقائي قوي للخليط. يتم تلبيد كبريتيد الحديد الناتج. المادة لا تنفصل عن الماء ولا تتفاعل مع المغناطيس.
1. تفاعل الكبريت مع الحديد.
يكاد يكون من المستحيل إجراء تفاعل لإنتاج كبريتيد الحديد دون بقايا في ظروف المختبر؛ ومن الصعب للغاية تحديد متى لم تتم ملاحظة التسخين التلقائي لخليط التفاعل؛ وتم فحص المادة الناتجة لمعرفة ما إذا كانت كبريتيد الحديد. لهذا استخدمنا حمض الهيدروكلوريك. عندما أسقطنا حمض الهيدروكلوريك على المادة، بدأت تتشكل رغوة وتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين.
الكبريت والصوديوم 2Na + S = Na 2 S + 370.3 كيلوجول/مول
المنهجية والتأثير المتوقع
خذ 4 جرام من مسحوق الكبريت واسكبه في الهاون واطحنه جيدًا
قطع قطعة من الصوديوم تزن حوالي 2 جرام، وقطع طبقة الأكسيد وطحنها معًا.
نتيجة متوقعة:يستمر التفاعل بسرعة، ومن الممكن الاحتراق التلقائي للكواشف.
3. تفاعل الكبريت مع الصوديوم.
يعد تفاعل الكبريت مع الصوديوم بحد ذاته تجربة خطيرة ولا تُنسى. وبعد بضع ثوان من الفرك، تطايرت الشرارات الأولى، واشتعل الصوديوم والكبريت الموجود في الهاون وبدأ في الاحتراق. عندما يتفاعل المنتج مع حمض الهيدروكلوريك، يتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين بشكل نشط.
الكبريت والزنك Zn + S = ZnS + 209 كيلوجول/مول
المنهجية والتأثير المتوقع
خذ مسحوق الكبريت والزنك، 4 جرام لكل منهما، واخلط المواد. صب الخليط النهائي على شبكة الاسبستوس. نحضر شعلة ساخنة للمواد
نتيجة متوقعة:لا يحدث التفاعل على الفور، بل بعنف، ويتشكل لهب أزرق مخضر.
4. تفاعل الكبريت مع الزنك .
من الصعب جدًا بدء التفاعل، حيث يتطلب بدئه استخدام عوامل مؤكسدة قوية أو درجة حرارة عالية. تشتعل المواد بلهب أزرق مخضر. عندما ينطفئ اللهب، تبقى بقايا في هذا المكان، عند التفاعل مع حمض الهيدروكلوريك، يتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين قليلاً.
الكبريت والألومنيوم 2Al + 3S = Al 2 S 3 + 509.0 كيلوجول/مول
المنهجية والتأثير المتوقع
خذ مسحوق الكبريت بوزن 4 جرام والألومنيوم بوزن 2.5 جرام واخلطهما. ضع الخليط الناتج على شبكة الاسبستوس. أشعل الخليط بحرق المغنسيوم
نتيجة متوقعة:عند حدوث التفاعل، يحدث وميض.
5. تفاعل الكبريت مع الألمنيوم .
يتطلب التفاعل إضافة عامل مؤكسد قوي كبادئ. بعد الإشعال بحرق المغنيسيوم، حدث وميض قوي من اللون الأبيض المصفر، ويتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين بنشاط كبير.
الكبريت والمغنيسيوم Mg + S = MgS + 346.0 كيلوجول/مول
المنهجية والتأثير المتوقع
خذ نشارة المغنيسيوم 2.5 جم ومسحوق الكبريت 4 جم واخلطهما
ضع الخليط الناتج على شبكة الاسبستوس. نحضر الشظية إلى الخليط الناتج.
نتيجة متوقعة:رد الفعل يسبب وميض قوي.
4. تفاعل الكبريت مع المغنسيوم .
يتطلب التفاعل إضافة المغنيسيوم النقي كبادئ. يحدث وميض قوي من اللون الأبيض، ويتم إطلاق كبريتيد الهيدروجين بنشاط.
خاتمة
لم يكتمل التفاعل لإنتاج كبريتيد الحديد، حيث بقيت بقايا على شكل خليط من كبريت البلاستيك والحديد.
ولوحظ الإطلاق الأكثر نشاطًا لكبريتيد الهيدروجين في كبريتيد الصوديوم والمغنيسيوم وكبريتيدات الألومنيوم.
كان لكبريتيد النحاس إطلاق أقل نشاطًا لكبريتيد الهيدروجين.
إن إجراء تجارب للحصول على كبريتيد الصوديوم أمر خطير ولا ينصح به في مختبر المدرسة.
تعتبر التفاعلات لإنتاج كبريتيدات الألومنيوم والمغنيسيوم والزنك هي الأكثر ملاءمة للتنفيذ في الظروف المدرسية.
وتزامنت النتائج المتوقعة والفعلية عند تفاعل الكبريت مع الصوديوم والمغنيسيوم والألومنيوم.
خاتمة
على الرغم من التوصيات الحالية لإظهار تفاعل الحديد مع الكبريت كمثال لتوضيح الظواهر الكيميائية والخصائص المؤكسدة للكبريت في مقرر الكيمياء بالمدرسة الثانوية، إلا أن التنفيذ الفعلي لمثل هذه التجربة غالبًا لا يكون مصحوبًا بتأثير مرئي.
عند تحديد بديل لهذا العرض التوضيحي، تم اختيار الأنظمة التي تلبي متطلبات الرؤية والسلامة وتوافر المواد المتفاعلة في مختبر المدرسة. تم اختيار أنظمة تفاعل الكبريت مع النحاس والحديد والزنك والمغنيسيوم والألمنيوم والصوديوم كخيارات ممكنة، مما يسمح لنا بتقييم فعالية استخدام تفاعل الكبريت مع المعادن المختلفة كتجارب توضيحية في دروس الكيمياء.
بناءً على نتائج التجارب، تم تحديد أنه من الأفضل لهذه الأغراض استخدام أنظمة تفاعل الكبريت مع المعادن ذات النشاط المتوسط المرتفع (المغنيسيوم والألمنيوم).
بناءً على التجارب التي تم إجراؤها، تم إنشاء فيديو يوضح الخصائص المؤكسدة للكبريت باستخدام مثال تفاعله مع المعادن، مما يجعل من الممكن وصف هذه الخصائص دون إجراء تجربة واسعة النطاق. تم إنشاء موقع على شبكة الإنترنت كمساعدة إضافية ( )، والذي يعرض، من بين أمور أخرى، نتائج الدراسة في شكل مرئي.
يمكن أن تصبح نتائج الدراسة أساسًا لدراسة أكثر تعمقًا لخصائص الخواص الكيميائية لللافلزات والحركية الكيميائية والديناميكا الحرارية.
تعريف
حديد- عنصر المجموعة الثامنة من الفترة الرابعة من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية بقلم D. I. Mendeleev.
ورقم المجلد هو 26. الرمز هو Fe (باللاتينية "ferrum"). من أكثر المعادن شيوعاً في القشرة الأرضية (المركز الثاني بعد الألومنيوم).
الخصائص الفيزيائية للحديد
الحديد معدن رمادي. في شكله النقي يكون ناعمًا جدًا ومرنًا ولزجًا. التكوين الإلكتروني لمستوى الطاقة الخارجي هو 3d 6 4s 2. يظهر الحديد في مركباته حالات الأكسدة "+2" و"+3". درجة انصهار الحديد هي 1539 درجة مئوية. يشكل الحديد تعديلين بلوريين: الحديد α وγ. الأول منهما يحتوي على شبكة مكعبة تتمحور حول الجسم، والثاني يحتوي على شبكة مكعبة تتمحور حول الوجه. الحديد α مستقر ديناميكيًا حراريًا في نطاقين من درجات الحرارة: أقل من 912 ومن 1394 درجة مئوية إلى نقطة الانصهار. بين 912 و1394 درجة مئوية، يكون الحديد مستقرًا.
تعتمد الخواص الميكانيكية للحديد على نقائه - أي محتوى كميات صغيرة جدًا من العناصر الأخرى فيه. يمتلك الحديد الصلب القدرة على إذابة العديد من العناصر في حد ذاته.
الخواص الكيميائية للحديد
في الهواء الرطب، يصدأ الحديد بسرعة، أي. مغطى بطبقة بنية من أكسيد الحديد المائي، والذي، بسبب قابليته للتفتيت، لا يحمي الحديد من المزيد من الأكسدة. في الماء، يتآكل الحديد بشكل مكثف؛ مع وفرة الوصول إلى الأكسجين، يتم تشكيل أشكال هيدرات أكسيد الحديد (III):
2Fe + 3/2O 2 + nH 2 O = Fe 2 O 3 ×H 2 O.
مع نقص الأكسجين أو صعوبة الوصول إليه، يتم تشكيل أكسيد مختلط (II، III) Fe 3 O 4:
3Fe + 4H 2 O (v) ↔ Fe 3 O 4 + 4 H 2.
يذوب الحديد في حمض الهيدروكلوريك بأي تركيز:
الحديد + 2HCl = FeCl2 + H2.
يحدث الذوبان في حامض الكبريتيك المخفف بالمثل:
الحديد + ح 2 SO 4 = FeSO 4 + H 2.
في المحاليل المركزة لحمض الكبريتيك، يتأكسد الحديد إلى الحديد (III):
2Fe + 6H 2 SO 4 = Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O.
ومع ذلك، في حامض الكبريتيك، الذي يقترب تركيزه من 100٪، يصبح الحديد سلبيًا ولا يحدث أي تفاعل عمليًا. يذوب الحديد في المحاليل المخففة والمتوسطة التركيز لحمض النيتريك:
Fe + 4HNO 3 = Fe(NO 3) 3 + NO + 2H2O.
عند التركيزات العالية من حمض النيتريك، يتباطأ الذوبان ويصبح الحديد سلبيًا.
مثل المعادن الأخرى، يتفاعل الحديد مع مواد بسيطة. تحدث التفاعلات بين الحديد والهالوجينات (بغض النظر عن نوع الهالوجين) عند تسخينها. يحدث تفاعل الحديد مع البروم عند زيادة ضغط بخار الأخير:
2Fe + 3Cl 2 = 2FeCl 3؛
3Fe + 4I 2 = الحديد 3 أنا 8.
يحدث أيضًا تفاعل الحديد مع الكبريت (المسحوق) والنيتروجين والفوسفور عند تسخينه:
6Fe + N 2 = 2Fe 3 N؛
2Fe + P = Fe 2 P؛
3Fe + P = Fe 3 P.
الحديد قادر على التفاعل مع المعادن غير مثل الكربون والسيليكون:
3Fe + C = الحديد 3 C؛
من بين تفاعلات تفاعل الحديد مع المواد المعقدة، تلعب التفاعلات التالية دورًا خاصًا - فالحديد قادر على اختزال المعادن الموجودة في سلسلة النشاط على يمينه من المحاليل الملحية (1)، واختزال مركبات الحديد (III) ( 2):
Fe + CuSO 4 = FeSO 4 + Cu (1)؛
الحديد + 2FeCl 3 = 3FeCl 2 (2).
يتفاعل الحديد عند ضغط مرتفع مع أكسيد غير ملح - CO لتكوين مواد ذات تركيبة معقدة - الكربونيلات - Fe (CO) 5، Fe 2 (CO) 9 و Fe 3 (CO) 12.
الحديد، في غياب الشوائب، يكون مستقرًا في الماء وفي المحاليل القلوية المخففة.
الحصول على الحديد
الطريقة الرئيسية للحصول على الحديد هي من خام الحديد (الهيماتيت، المغنتيت) أو التحليل الكهربائي لمحاليل أملاحه (في هذه الحالة يتم الحصول على الحديد "النقي"، أي الحديد بدون شوائب).
أمثلة على حل المشكلات
مثال 1
| يمارس | تمت معالجة مقياس الحديد Fe 3 O 4 بوزن 10 جم أولاً باستخدام 150 مل من محلول حمض الهيدروكلوريك (كثافة 1.1 جم/مل) مع جزء كتلي من كلوريد الهيدروجين بنسبة 20%، ثم تمت إضافة الحديد الزائد إلى المحلول الناتج. تحديد تكوين الحل (بالنسبة المئوية بالوزن). |
| حل | دعونا نكتب معادلات التفاعل وفقا لشروط المشكلة: 8HCl + Fe3O4 = FeCl2 + 2FeCl3 + 4H2O (1); 2FeCl 3 + Fe = 3FeCl 2 (2). بمعرفة كثافة وحجم محلول حمض الهيدروكلوريك، يمكنك العثور على كتلته: م سول (حمض الهيدروكلوريك) = V(حمض الهيدروكلوريك) × ρ (حمض الهيدروكلوريك)؛ م سول (حمض الهيدروكلوريك) = 150×1.1 = 165 جم. دعونا نحسب كتلة كلوريد الهيدروجين: m(HCl) = m sol (HCl) ×ω(HCl)/100%; م(حمض الهيدروكلوريك) = 165×20%/100% = 33 جم. الكتلة المولية (كتلة مول واحد) من حمض الهيدروكلوريك، محسوبة باستخدام جدول العناصر الكيميائية بواسطة D.I. مندليف – 36.5 جم/مول. لنجد كمية كلوريد الهيدروجين: v(HCl) = m(HCl)/M(HCl); الخامس (حمض الهيدروكلوريك) = 33/36.5 = 0.904 مول. الكتلة المولية (كتلة مول واحد) من المقياس، محسوبة باستخدام جدول العناصر الكيميائية بواسطة D.I. مندليف – 232 جم/مول. لنجد كمية مادة المقياس: v(Fe3O4) = 10/232 = 0.043 مول. وفقا للمعادلة 1، v(HCl): v(Fe 3 O 4) = 1: 8، وبالتالي، v (HCl) = 8 v (Fe 3 O 4) = 0.344 مول. ومن ثم فإن كمية كلوريد الهيدروجين المحسوبة بالمعادلة (0.344 مول) ستكون أقل من تلك المشار إليها في بيان المشكلة (0.904 مول). ولذلك، فإن حمض الهيدروكلوريك فائض وسيحدث تفاعل آخر: Fe + 2HCl = FeCl 2 + H2 (3). دعونا نحدد كمية مادة كلوريد الحديديك المتكونة نتيجة التفاعل الأول (نستخدم مؤشرات للدلالة على تفاعل معين): v 1 (FeCl 2): v (Fe 2 O 3) = 1:1 = 0.043 مول؛ الخامس 1 (FeCl 3): الخامس (الحديد 2 يا 3) = 2:1؛ v 1 (FeCl 3) = 2 × v (Fe 2 O 3) = 0.086 مول. دعونا نحدد كمية كلوريد الهيدروجين التي لم تتفاعل في التفاعل 1 وكمية كلوريد الحديد (II) المتكونة أثناء التفاعل 3: v rem (HCl) = v(HCl) – v 1 (HCl) = 0.904 – 0.344 = 0.56 مول؛ v 3 (FeCl 2): v rem (HCl) = 1:2؛ v 3 (FeCl 2) = 1/2 × v rem (HCl) = 0.28 مول. دعونا نحدد كمية مادة FeCl 2 المتكونة أثناء التفاعل 2، والكمية الإجمالية لمادة FeCl 2 وكتلتها: v 2 (FeCl 3) = v 1 (FeCl 3) = 0.086 مول؛ v 2 (FeCl 2): v 2 (FeCl 3) = 3:2؛ v 2 (FeCl 2) = 3/2× v 2 (FeCl 3) = 0.129 مول؛ مجموع v (FeCl 2) = v 1 (FeCl 2) + v 2 (FeCl 2) + v 3 (FeCl 2) = 0.043 + 0.129 + 0.28 = 0.452 مول؛ m(FeCl 2) = مجموع v (FeCl 2) × M(FeCl 2) = 0.452 × 127 = 57.404 جم. دعونا نحدد كمية المادة وكتلة الحديد التي دخلت في التفاعلين 2 و 3: v 2 (Fe): v 2 (FeCl 3) = 1:2؛ v 2 (Fe) = 1/2× v 2 (FeCl 3) = 0.043 مول؛ v 3 (Fe): v rem (HCl) = 1:2؛ v 3 (Fe) = 1/2×v rem (HCl) = 0.28 مول؛ مجموع v (Fe) = v 2 (Fe) + v 3 (Fe) = 0.043+0.28 = 0.323 مول؛ m(Fe) = v sum (Fe) ×M(Fe) = 0.323 ×56 = 18.088 جم. دعونا نحسب كمية المادة وكتلة الهيدروجين المنطلق في التفاعل 3: v(H 2) = 1/2×v rem (HCl) = 0.28 مول؛ م(ح 2) = الخامس(ح 2) ×م(ح 2) = 0.28 × 2 = 0.56 جم. نحدد كتلة المحلول الناتج m’sol والجزء الكتلي من FeCl 2 الموجود فيه: م’ سول = م سول (حمض الهيدروكلوريك) + م(Fe 3 O 4) + م(Fe) – م(H 2); |
الخواص الكيميائية للحديددعونا نلقي نظرة على مثال تفاعله مع اللافلزات النموذجية - الكبريت والأكسجين.
خلط الحديد والكبريت المطحون إلى مسحوق في طبق بيتري. دعونا نقوم بتسخين إبرة حياكة فولاذية في اللهب ونلمسها بخليط الكواشف. ويصاحب التفاعل العنيف بين الحديد والكبريت إطلاق طاقة حرارية وضوءية. ويكون المنتج الصلب لتفاعل هذه المواد، وهو كبريتيد الحديد (II)، أسود اللون. وعلى عكس الحديد، فهو لا ينجذب للمغناطيس.
يتفاعل الحديد مع الكبريت لتكوين كبريتيد الحديد الثنائي. لنقم بإنشاء معادلة التفاعل:
يتطلب تفاعل الحديد مع الأكسجين أيضًا التسخين المسبق. صب رمل الكوارتز في وعاء سميك الجدران. دعونا نقوم بتسخين مجموعة من الأسلاك الحديدية الرفيعة جدًا - ما يسمى بالصوف الحديدي - في لهب الموقد. ضع السلك الساخن في وعاء يحتوي على الأكسجين. يحترق الحديد بلهب مبهر وتناثر الشرر - جزيئات ساخنة من مقياس الحديد Fe 3 O 4.
يحدث نفس التفاعل أيضًا في الهواء، عندما يصبح الفولاذ ساخنًا جدًا بسبب الاحتكاك أثناء التشغيل.
عند احتراق الحديد في الأكسجين أو في الهواء تتكون قشور الحديد:
3Fe + 2O 2 = الحديد 3 O 4، المواد من الموقع
أو 3Fe + 2O 2 = FeO. الحديد 2 أو 3 .
مقياس الحديد هو مركب يحتوي فيه الحديد على قيم تكافؤ مختلفة.
ويصاحب مرور كلا تفاعلي الاتصال إطلاق الطاقة الحرارية والضوئية.
يوجد في هذه الصفحة مواد حول المواضيع التالية:
ما نوع تفاعل كبريتيد الحديد مع الأكسجين؟
اكتب معادلة بين الحديد والكبريت
مستوى تفاعل الحديد مع الأكسجين
مثال على التفاعل الكيميائي بين الحديد والكبريت
معادلة تفاعل الأكسجين مع الحديد
أسئلة حول هذه المادة:
الحديد هو عنصر من عناصر المجموعة الفرعية الجانبية للمجموعة الثامنة من الفترة الرابعة للنظام الدوري للعناصر الكيميائية لـ D.I Mendeleev برقم ذري 26. تم تحديده بالرمز Fe (lat. Ferrum). من أكثر المعادن شيوعاً في القشرة الأرضية (المركز الثاني بعد الألومنيوم). فلز متوسط النشاط، عامل اختزال.
حالات الأكسدة الرئيسية - +2، +3
الحديد هو مادة بسيطة، وهو معدن فضي أبيض قابل للطرق وله تفاعل كيميائي عالي: يتآكل الحديد بسرعة عند درجات الحرارة العالية أو الرطوبة العالية في الهواء. يحترق الحديد في الأكسجين النقي، وفي حالة التشتت الدقيق يشتعل تلقائيًا في الهواء.
الخواص الكيميائية لمادة بسيطة - الحديد:
الصدأ والاحتراق في الأكسجين
1) في الهواء، يتأكسد الحديد بسهولة في وجود الرطوبة (الصدأ):
4Fe + 3O2 + 6H2O → 4Fe(OH) 3
يحترق سلك الحديد الساخن في الأكسجين ويشكل مقياسًا - أكسيد الحديد (II، III):
3Fe + 2O 2 → الحديد 3 O 4
3Fe+2O 2 →(Fe II Fe 2 III)O 4 (160 درجة مئوية)
2) عند درجات الحرارة العالية (700-900 درجة مئوية) يتفاعل الحديد مع بخار الماء:
3Fe + 4H 2 O – t° → Fe 3 O 4 + 4 H 2
3) يتفاعل الحديد مع اللافلزات عند تسخينه:
2Fe+3Cl 2 → 2FeCl 3 (200 درجة مئوية)
Fe + S – t° → FeS (600 درجة مئوية)
Fe+2S → Fe +2 (S 2 -1) (700 درجة مئوية)
4) في متسلسلة الجهد يكون على يسار الهيدروجين ويتفاعل مع الأحماض المخففة HCl وH2SO4 وتتكون أملاح الحديد الثنائي ويتحرر الهيدروجين:
Fe + 2HCl → FeCl 2 + H 2 (تتم التفاعلات دون وصول الهواء، وإلا يتم تحويل Fe +2 تدريجيًا بواسطة الأكسجين إلى Fe +3)
Fe + H 2 SO 4 (مخفف) → FeSO 4 + H 2
في الأحماض المؤكسدة المركزة، يذوب الحديد فقط عند تسخينه ويتحول على الفور إلى كاتيون Fe 3+:
2Fe + 6H 2 SO 4 (محدد) – t° → Fe 2 (SO 4) 3 + 3SO 2 + 6H 2 O
Fe + 6HNO 3 (conc.) – t° → Fe(NO 3) 3 + 3NO 2 + 3H 2 O
(في البرد، أحماض النيتريك والكبريتيك المركزة سلبي
يصبح المسمار الحديدي المغمور في محلول مزرق من كبريتات النحاس مغطى تدريجيًا بطبقة من النحاس المعدني الأحمر.
5) يزيح الحديد المعادن الموجودة على يمينه من محاليل أملاحها.
الحديد + CuSO 4 → FeSO 4 + النحاس
تظهر الخواص المذبذبة للحديد فقط في القلويات المركزة أثناء الغليان:
Fe + 2NaOH (50%) + 2H2O= Na2 ↓+ H2
ويتكون راسب من رباعي هيدروكسي فيرات الصوديوم (II).
الأجهزة التقنية- سبائك الحديد والكربون: حديد الزهر يحتوي على 2.06-6.67% C، فُولاَذغالبًا ما توجد 0.02-2.06٪ C، والشوائب الطبيعية الأخرى (S، P، Si) والإضافات الخاصة المصطنعة (Mn، Ni، Cr) موجودة، مما يعطي سبائك الحديد خصائص مفيدة تقنيًا - الصلابة، والمقاومة الحرارية والتآكل، والقدرة على التحمل، وما إلى ذلك . .
عملية إنتاج الحديد بالفرن العالي
تتكون عملية الفرن العالي لإنتاج الحديد الزهر من المراحل التالية:
أ) تحضير (تحميص) خامات الكبريتيد والكربونات - التحويل إلى خام الأكسيد:
FeS 2 →Fe 2 O 3 (O 2,800 درجة مئوية، -SO 2) FeCO 3 →Fe 2 O 3 (O 2,500-600 درجة مئوية، -CO 2)
ب) احتراق فحم الكوك بالانفجار الساخن:
C (فحم الكوك) + O2 (الهواء) → CO 2 (600-700 درجة مئوية) CO 2 + C (فحم الكوك) ⇌ 2 CO (700-1000 درجة مئوية)
ج) اختزال خام الأكسيد بأول أكسيد الكربون CO بالتتابع:
Fe2O3 →(أول أكسيد الكربون)(الحديد الثاني الحديد 2 الثالث) يا 4 →(أول أكسيد الكربون)الحديد O →(أول أكسيد الكربون)الحديد
د) كربنة الحديد (حتى 6.67% C) وصهر الحديد الزهر:
الحديد (ر ) →(ج(فحم الكوك)900-1200 درجة مئوية)الحديد (السائل) (حديد الزهر، نقطة الانصهار 1145 درجة مئوية)
يحتوي الحديد الزهر دائمًا على سمنتيت Fe 2 C والجرافيت على شكل حبيبات.
إنتاج الصلب
يتم تحويل الحديد الزهر إلى فولاذ في أفران خاصة (محول، موقد مفتوح، كهربائي)، والتي تختلف في طريقة التسخين؛ درجة حرارة العملية 1700-2000 درجة مئوية. يؤدي نفخ الهواء المشبع بالأكسجين إلى حرق الكربون الزائد وكذلك الكبريت والفوسفور والسيليكون على شكل أكاسيد من حديد الزهر. في هذه الحالة، يتم التقاط الأكاسيد إما على شكل غازات عادم (CO 2، SO 2)، أو يتم ربطها في خبث يسهل فصله - خليط من Ca 3 (PO 4) 2 وCaSiO 3. لإنتاج الفولاذ الخاص، يتم إدخال إضافات صناعة السبائك من معادن أخرى إلى الفرن.
إيصالالحديد النقي في الصناعة - التحليل الكهربائي لمحلول أملاح الحديد، على سبيل المثال:
FeСl 2 → Fe↓ + Сl 2 (90 درجة مئوية) (التحليل الكهربائي)
(توجد طرق خاصة أخرى منها اختزال أكاسيد الحديد بالهيدروجين).
يستخدم الحديد النقي في إنتاج السبائك الخاصة، في تصنيع نوى المغناطيسات الكهربائية والمحولات، والحديد الزهر - في إنتاج المسبوكات والصلب، والصلب - كمواد هيكلية وأدوات، بما في ذلك مقاومة التآكل والحرارة والتآكل تلك.
أكسيد الحديد الثنائي F منظمة أصحاب العمل . أكسيد مذبذب مع غلبة عالية من الخصائص الأساسية. أسود، له بنية أيونية Fe 2+ O 2- . عند تسخينه، فإنه يتحلل أولا ثم يتشكل مرة أخرى. ولا يتشكل عند احتراق الحديد في الهواء. لا يتفاعل مع الماء. تتحلل مع الأحماض، وتندمج مع القلويات. يتأكسد ببطء في الهواء الرطب. تم تخفيضه بواسطة الهيدروجين وفحم الكوك. يشارك في عملية الفرن العالي لصهر الحديد. يتم استخدامه كأحد مكونات السيراميك والدهانات المعدنية. معادلات أهم التفاعلات:
4FeO ⇌(Fe II Fe 2 III) + Fe (560-700 درجة مئوية، 900-1000 درجة مئوية)
FeO + 2HC1 (مخفف) = FeC1 2 + H 2 O
FeO + 4HNO 3 (conc.) = Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 2H 2 O
FeO + 4NaOH = 2H2O + نأ 4Fهيا3(أحمر.) ثلاثي اكسوفيرات (II)(400-500 درجة مئوية)
FeO + H 2 = H 2 O + Fe (نقي للغاية) (350 درجة مئوية)
FeO + C (فحم الكوك) = Fe + CO (فوق 1000 درجة مئوية)
FeO + CO = Fe + CO 2 (900 درجة مئوية)
4FeO + 2H2O (رطوبة) + O2 (هواء) →4FeO(OH) (ر)
6FeO + O 2 = 2(Fe II Fe 2 III) O 4 (300-500 درجة مئوية)
إيصالالخامس مختبرات: التحلل الحراري لمركبات الحديد (II) دون وصول الهواء:
Fe(OH) 2 = FeO + H2O (150-200 درجة مئوية)
FeCO3 = FeO + CO 2 (490-550 درجة مئوية)
أكسيد الديرون (III) - الحديد( ثانيا ) ( الحديد الثاني الحديد 2 III)O 4 . أكسيد مزدوج. الأسود، له التركيب الأيوني Fe 2+ (Fe 3+) 2 (O 2-) 4. مستقر حرارياً حتى درجات الحرارة المرتفعة. لا يتفاعل مع الماء. يتحلل مع الأحماض. يتم تقليله بواسطة الهيدروجين والحديد الساخن. يشارك في عملية الفرن العالي لإنتاج الحديد الزهر. يستخدم كأحد مكونات الدهانات المعدنية ( الرصاص الحديدي)، السيراميك، الاسمنت الملون. منتج أكسدة خاصة لسطح منتجات الصلب ( اسوداد، ازرقاق). يتوافق التكوين مع الصدأ البني والمقياس الداكن على الحديد. لا يوصى باستخدام الصيغة الإجمالية Fe 3 O 4. معادلات أهم التفاعلات:
2(Fe II Fe 2 III)O 4 = 6FeO + O 2 (فوق 1538 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + 8НС1 (dil.) = FeС1 2 + 2FeС1 3 + 4Н 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 +10HNO 3 (ملخص) = 3Fe(NO 3) 3 + NO 2 + 5H 2 O
(Fe II Fe 2 III) O 4 + O 2 (الهواء) = 6 Fe 2 O 3 (450-600 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III)O 4 + 4H 2 = 4H 2 O + 3Fe (نقي للغاية، 1000 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III) O 4 + CO = 3 FeO + CO 2 (500-800 درجة مئوية)
(Fe II Fe 2 III)O4 + Fe ⇌4FeO (900-1000 درجة مئوية، 560-700 درجة مئوية)
إيصال:احتراق الحديد (انظر) في الهواء.
المغنتيت.
أكسيد الحديد (III). F ه 2 أو 3 . أكسيد مذبذب مع غلبة الخصائص الأساسية. بني محمر، له بنية أيونية (Fe 3+) 2 (O 2-) 3. مستقر حرارياً حتى درجات الحرارة المرتفعة. ولا يتشكل عند احتراق الحديد في الهواء. لا يتفاعل مع الماء، يترسب من المحلول هيدرات غير متبلورة بنية Fe 2 O 3 nH 2 O مع الأحماض والقلويات. يتم تقليله بواسطة أول أكسيد الكربون والحديد المنصهر. تندمج مع أكاسيد المعادن الأخرى وتشكل أكاسيد مزدوجة - الإسبنيل(تسمى المنتجات التقنية الفريت). يتم استخدامه كمادة خام في صهر الحديد الزهر في عملية الفرن العالي، كمحفز في إنتاج الأمونيا، أحد مكونات السيراميك والأسمنت الملون والدهانات المعدنية، في لحام الثرمايت للهياكل الفولاذية، كحامل للصوت وصورة على الأشرطة المغناطيسية، كعامل تلميع للصلب والزجاج.
معادلات أهم التفاعلات:
6Fe 2 O 3 = 4(Fe II Fe 2 III)O 4 + O 2 (1200-1300 درجة مئوية)
الحديد 2 يا 3 + 6НС1 (ديل.) →2FeС1 3 + ЗН 2 O (ر) (600 درجة مئوية، ص)
Fe 2 O 3 + 2NaOH (ملخص) →H 2 O+ 2 نأFهيا 2 (أحمر)ديوكسوفيرات (III)
Fe 2 O 3 + MO = (M II Fe 2 II I) O 4 (M = Cu، Mn، Fe، Ni، Zn)
Fe 2 O 3 + ZN 2 = ZN 2 O + 2Fe (نقي للغاية، 1050-1100 درجة مئوية)
Fe2O3 + Fe = 3FeO (900 درجة مئوية)
3Fe 2 O 3 + CO = 2(Fe II Fe 2 III)O 4 + CO 2 (400-600 درجة مئوية)
إيصالفي المختبر - التحلل الحراري لأملاح الحديد (III) في الهواء :
الحديد 2 (SO 4) 3 = الحديد 2 O 3 + 3 SO 3 (500-700 درجة مئوية)
4(Fe(NO 3) 3 9 H 2 O) = 2Fe a O 3 + 12NO 2 + 3O 2 + 36H 2 O (600-700 درجة مئوية)
في الطبيعة - خامات أكسيد الحديد الهيماتيتالحديد 2 يا 3 و ليمونيتالحديد 2 يا 3 نH 2 يا
هيدروكسيد الحديد (II). F ه(يا) 2 . هيدروكسيد مذبذب مع غلبة الخصائص الأساسية. تكون روابط Fe-OH بيضاء (أحيانًا ذات صبغة خضراء) تساهمية في الغالب. غير مستقر حراريا. يتأكسد بسهولة في الهواء، خاصة عندما يكون رطبًا (يصبح داكنًا). غير قابل للذوبان في الماء. يتفاعل مع الأحماض المخففة والقلويات المركزة. المخفض النموذجي. منتج وسيط في صدأ الحديد . يتم استخدامه في تصنيع الكتلة النشطة لبطاريات الحديد والنيكل.
معادلات أهم التفاعلات:
Fe(OH) 2 = FeO + H2O (150-200 درجة مئوية، أجهزة الصراف الآلي.N 2)
Fe(OH) 2 + 2HC1 (ديل) = FeC1 2 + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + 2NaOH (> 50%) = Na 2 ↓ (أزرق مخضر) (مغلي)
4Fe(OH) 2 (تعليق) + O 2 (هواء) →4FeO(OH)↓ + 2H2O (t)
2Fe(OH) 2 (معلق) +H 2 O 2 (مخفف) = 2FeO(OH)↓ + 2H 2 O
Fe(OH) 2 + KNO 3 (conc.) = FeO(OH)↓ + NO+ KOH (60 درجة مئوية)
إيصال: الترسيب من المحلول مع القلويات أو هيدرات الأمونيا في جو خامل:
الحديد 2+ + 2OH (ديل) = Fه(أوه) 2 ↓
الحديد 2+ + 2(NH3H2O) = Fه(أوه) 2 ↓+2NH4
ميتاهيدروكسيد الحديد F EO(OH). هيدروكسيد مذبذب مع غلبة الخصائص الأساسية. روابط البني الفاتح وFe-O وFe-OH هي في الغالب تساهمية. عند تسخينه، فإنه يتحلل دون ذوبان. غير قابل للذوبان في الماء. يترسب من المحلول على شكل متعدد هيدرات بني غير متبلور Fe 2 O 3 nH 2 O، والذي، عند حفظه تحت محلول قلوي مخفف أو عند التجفيف، يتحول إلى FeO(OH). يتفاعل مع الأحماض والقلويات الصلبة. عامل مؤكسد ومختزل ضعيف. متكلس مع الحديد (OH) 2. منتج وسيط في صدأ الحديد . يتم استخدامه كقاعدة للدهانات المعدنية الصفراء والمينا، وامتصاص غازات النفايات، ومحفز في التخليق العضوي.
مركب التركيب Fe(OH) 3 غير معروف (لم يتم الحصول عليه).
معادلات أهم التفاعلات:
الحديد 2 أو 3 . نH 2 يا →( 200-250 درجة مئوية، —ح 2 يا) الحديدO(OH)→( 560-700 درجة مئوية في الهواء، -H2O)→ الحديد 2 يا 3
FeO(OH) + ZNS1 (dil.) = FeC1 3 + 2H 2 O
FeO(OH)→ الحديد 2 يا 3 . نه 2 يا-الغروية(هيدروكسيد الصوديوم (ملخص))
FeO(OH)→ نأ 3 [Fه(يا) 6 ]أبيض، نا 5 وك 4 على التوالي؛ في كلتا الحالتين، يترسب منتج أزرق له نفس التركيب والبنية، KFe III. في المختبر يسمى هذا الراسب الأزرق البروسي، أو تورنبول الأزرق:
Fe 2+ + K + + 3- = KFe III ↓
Fe 3+ + K + + 4- = KFe III ↓
الأسماء الكيميائية للكواشف البادئة ومنتجات التفاعل:
K 3 Fe III - هيكسسيانوفيرات البوتاسيوم (III)
K 4 Fe III - هيكسسيانوفيرات البوتاسيوم (II)
КFe III - الحديد (III) هيكسانيوفيرات البوتاسيوم (II)
بالإضافة إلى ذلك، فإن الكاشف الجيد لأيونات Fe 3+ هو أيون الثيوسيانات NСS -، ويتحد معه الحديد (III)، ويظهر لون أحمر ساطع ("دموي"):
الحديد 3+ + 6NCS - = 3-
يمكن لهذا الكاشف (على سبيل المثال، على شكل ملح KNCS) اكتشاف آثار الحديد (III) في ماء الصنبور إذا مر عبر أنابيب حديدية مغطاة بالصدأ من الداخل.
