Prvky VIII.B skupiny – triáda železa

železo (26Fe)

• výskyt:

• hematit (krevel) - Fe2O3 • limonit (hnědel) - 2FeO3·3H2O • magnetit (magnetovec) - Fe3O4 • siderit (ocelek) - FeCO3 • pyrit - FeS2 • minerální vody [Fe(HCO3)2] • železo je esenciální prvek, 70% v lidském těle je součástí

hemoglobinu a 20-25% se nachází v podobě zásobních bílkovin

• průmyslová výroba:

• pec se zaváží směsí rudy (obvykle hematitem), koksu a vápence

• poté se zdola vhání horký vzduch - tím se spaluje koks a v nejnižší části pece se dosáhne teploty 2000°C, zatímco na jejím vrcholu je teplota asi 200°C

• ruda se redukuje na železo a křemičitá hlušina účinkem vápence přichází na strusku (v podstatě CaSiO3)

• redukce nepřímá (redukce CO) - probíhá v rozmezích asi 400 - 1000°C ve vyšší části pece:

3Fe2O3+ CO 2Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO 3FeO + CO2FeO + CO Fe + CO2

• redukce přímá (redukce uhlíkem) - probíhá v nižší části pece v asi 1000-1800 °C:

• Fe2O3+ 3C 2Fe + 3COFe3O4 + 4C 3Fe + 4COFeO + C Fe + CO   

• roztavené železo a struska se hromadí na dně pece, odkud se odděleně vypouštějí  

• takto vyredukované železo obsahuje značné množství uhlíku

• struska se využívá jako stavební materiál (výroba tvárnic) a také při výrobě určitých druhů cementů

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c7/Schema_kopie.jpg

vysoká pec

• Surové železo je buď šedé nebo bílé, v prvním případě obsahuje železo mnohem více křemíku než manganu a má barvu na lomu šedou nebo je poměr obrácený a barva lomu je bílá.

• Šedé železo se obvykle přetavuje, aby se zbavilo mechanických nečistot, a pak se používá jako tzv. litina k odlévání železných předmětů.

• Dá se dobře obrábět, ale není kujné.

• Bílé železo se zkujňuje, tedy zušlechťuje, různými způsoby, které je mají zbavit přebytečného uhlíku, fosforu, síry, křemíku a jiných prvků, které železu dodávají křehkosti.

• Stane se tak jejich oxidací a podle množství uhlíku, které v materiálu zbude, se získá kujné železo nebo ocel.

výroba oceli – kyslíkový konvertor

výroba oceli – elektrická oblouková pec

• tvrdost se zvyšuje kalením - zahřátí oceli a ochlazení ve vodě nebo oleji

• fyzikální vlastnosti:

• bílý lesklý kov, měkký, kujný, tažný • do teploty 768°C (Curieho teplota) je ferromagnetické

• chemické vlastnosti:

• na suchém vzduchu stálé • na vlhkém vzduchu se pokrývá vrstvou Fe(OH)3

(rezavění)• s kyslíkem reaguje za vzniku Fe2O3 nebo Fe3O4 • snadno se rozpouští ve zředěných kyselinách, vznikají

železnaté soli • v oxidujících kyselinách se pasivuje

• sloučeniny:

• hydroxid železnatý

– reakcí vodného roztoku obsahujícího Fe2+ s hydroxidy - vzniká vločkovitá sraženina, která, je-li připravena za naprostého vyloučení vzduchu je bílá

– v přítomnosti kyslíku Fe(OH)2 tmavne a přechází na červenohnědý Fe(OH)3

• disulfid železnatý

– může se připravit zahříváním Fe2O3 v atmosféře H2S – zahříváním za přístupu vzduchu vzniká Fe2O3 a SO2

• síran železnatý

• bezvodý - bílá látka • s vodou krystaluje jako heptahydrát - zelená skalice

FeSO4·7H2O

• (NH4)2Fe(SO4)2·6H2O - Mohrova sůl - látka na vzduchu stálá - význam v analytické chemii

• uhličitan železnatý

• bílá sraženina • na vzduchu hnědne, neboť se oxiduje • nerozpustný ve vodě, obsahuje-li však vodu a

rozpuštěný CO2 tvoří se rozpustný Fe(HCO3)2, který je součástí minerálních vod

komplexní sloučeniny: - K4[Fe(CN)6] - hexakyanoželeznatan draselný (žlutá

krevní sůl)

• připravuje se reakcí:• FeSO4 + 6KCN K4[Fe(CN)6] + K2SO4

• ve vodě dobře rozpustný, není toxický • reakcí se železitou solí vzniká - tmavě modrá sraženina,

berlínská modř:

3K4[Fe(CN)6] + 4FeCl3 Fe4[Fe(CN)6]3 + 12KCl

• FeCl3·6H2O

– prostředek k leptání, zvláště důležitá je jeho schopnost leptat měď, čehož se využívá při výrobě tištěných elektrických obvodů

– úprava vody slouží jako koagulační činidlo, (vytváří vločky, které sorpcí odstraní z vody rozpuštěné organické i suspendované látky)

• hydroxid železitý

– složení lépe vystihuje vzorec Fe2O3·nH2O – látka má amfoterní charakter – adsorpční vlastnost - čištění vod, v lékařství při

otravách As2O3

• síran železitý

• krystaluje v podobě šesti různých hydrátů (12, 10, 9, 7, 6 a 3 H2O)

• nejčastěji jako nonahydrát, používá se jako koagulační činidlo, při úpravě pitné vody, ale též při čištění odpadních vod

- K3[Fe(CN)6] - hexakyanoželezitan draselný (červená krevní sůl) • příprava oxidací hexakyanoželeznatanu draselného

např. chlórem v roztoku okyseleném kyselinou chlorovodíkovou:2K4[Fe(CN)6] + Cl2 2K3[Fe(CN)6] + 2KCl

• krystalizuje v červených krystalech, které se dobře rozpouští ve vodě na žlutý roztok

• je jedovatý, má oxidační účinky • reakcí s ionty železnatými dává modrou sraženinu,

Turnbullova modř:

• 3FeSO4 + 2K3[Fe(CN)6] Fe3[Fe(CN)6]2 + 3K2SO4

kobalt (27Co)

• výskyt:

• smaltin - CoAs2 • kobaltin - CoAsS • součást vitamínu B12

• průmyslová výroba:• rudy se nejprve praží, kov se tak převede na oxid a oxid

se redukuje uhlíkem, vodíkem nebo hliníkem

• fyzikální vlastnosti:

• lesklý, stříbřitý kov s modrým nádechem • tvrdší než železo, kujný, tažný • feromagnetický - Curieho teplota > 1100 °C • jeden izotop - 60Co

• chemické vlastnosti:

• na vzduchu je za normální teploty stálý • ve zředěných kyselinách se rozpouští obtížně• tvoří komplexní sloučeniny

• využití:

• výroba barev - výroba porcelánu a skla• sloučeniny kobaltu se používají jako katalyzátory v

organických reakcích • výroba slitin (Alnico - Al, Ni, Co) - výroba permanentních

magnetů • pokobaltování - ochrana před korozí ovocnými šťávami

(příbory), 60Co (poločas rozpadu - 5271 let)• koncentrovaný zdroj záření gama v lékařství při léčbě

zhoubných nádorů

• sloučeniny: • chlorid kobaltnatý

• indikátor kvality silikagelu používaného jako sušící prostředek (změna barvy modré na růžovou, ke které dochází při přechodu z

bezvodé formy na hydratovanou)

nikl (28Ni)

• výskyt:

• nikelin - NiAs

• průmyslová výroba:

• karbonylový způsob - pražením vzniklý oxid nikelnatý redukujeme vodním plynem (CO + H2)

• houbovitý nikl pak reaguje při teplotě 50 - 60°C s oxidem uhelnatým

• vzniká těkavý tetrakarbonyl niklu, který se potom rozloží vedením přes tablety z čistého niklu při teplotě 230°C a uvolněný CO se vrací zpět

• nikl vyrobený tímto způsobem dosahuje čistoty asi 99,95%

• fyzikální vlastnosti:

• stříbrobílý, lesklý, kujný, tažný kov

• chemické vlastnosti:

• ve zředěných kyselinách se rozpouští jen zvolna • odolný vůči působení alkalických hydroxidů • koncentrovaná HNO3 nikl pasivuje

• využití:

• přísada do ocelí (korozivzdorné) • výroba slitin • katalyzátor (hydrogenace) • akumulátorové baterie (Ni/Fe)