Dzelzs lomu cilvēka organismā ir grūti pārvērtēt, jo tā veicina asiņu "rašanos", tās saturs ietekmē hemoglobīna un mioglobīna līmeni, dzelzs normalizē enzīmu sistēmas darbību. Bet kāds ir šis elements ķīmijas ziņā? Kāda ir dzelzs valence? Tas tiks apspriests šajā rakstā.
Mazliet vēstures
Cilvēce zināja par šo ķīmisko elementu un pat tai piederēja produkti no tā jau 4. gadsimtā pirms mūsu ēras. Tās bija Senās Ēģiptes tautas un šumeri. Tieši viņi pirmie sāka izgatavot rotaslietas, ieročus no dzelzs un niķeļa sakausējuma, kas tika atrasti arheoloģisko izrakumu laikā un rūpīgi pārbaudīti ķīmiķiem.
Nedaudz vēlāk āriešu ciltis, kas pārcēlās uz Āziju, iemācījās iegūt cieto dzelzi no rūdas. Tā laika cilvēkiem tas bija tik vērtīgs, ka izstrādājumi bija pārklāti ar zeltu!
Dzelzs īpašības
Dzelzs (Fe) ir ceturtajā vietā pēc satura zemes garozas zarnās. Tas ieņem vietu 4. perioda 7. grupā un ir 26. Mendeļejeva elementu ķīmiskā tabula. Dzelzs valence ir tieši atkarīga no tā pozīcijas tabulā. Bet vairāk par to vēlāk.
Šis metāls dabā visbiežāk sastopams rūdas veidā, kas atrodams ūdenī kā minerāls, kā arī dažādos savienojumos.
Lielākie dzelzsrūdas krājumi ir Krievijā, Austrālijā, Ukrainā, Brazīlijā, ASV, Indijā, Kanādā.
Fizikālās īpašības
Pirms pāriet pie dzelzs valences, ir nepieciešams tuvāk apskatīt tās fizikālās īpašības, tā sakot, paskatīties uz to tuvāk.
Šim metālam ir sudraba krāsa, tas ir diezgan elastīgs, bet spēj palielināt cietību, mijiedarbojoties ar citiem elementiem (piemēram, ar oglekli). Tam ir arī magnētiskas īpašības.
Mitrā vidē dzelzs var sarūsēt, tas ir, rūsēt. Lai gan absolūti tīrs metāls ir izturīgāks pret mitrumu, bet, ja tajā ir piemaisījumi, tad tieši tie izraisa koroziju.
Dzelzs labi mijiedarbojas ar skābu vidi, tā pat var veidot dzelzs skābes sāļus (ja ir spēcīgs oksidētājs).
Gaisā tas ātri pārklājas ar oksīda plēvi, kas pasargā to no mijiedarbības.
Ķīmiskās īpašības
Šim elementam ir arī vairākas ķīmiskas īpašības. Dzelzs, tāpat kā pārējie periodiskās tabulas elementi, ir ar atoma kodola lādiņu, kas atbilst kārtas numuram +26. Un ap kodolu griežas 26 elektroni.
Kopumā, ja ņemam vērā dzelzs - ķīmiskā elementa īpašības, tad tas ir metāls ar zemu aktīvo spēju.
Mijiedarbojoties ar vājākiem oksidētājiem, dzelzs veido savienojumus, kur tas ir divvērtīgs (tas ir, tā oksidācijas pakāpe ir +2). Un, ja ar spēcīgiem oksidētājiem, tad dzelzs oksidācijas pakāpe sasniedz +3 (tas ir, tā valence kļūst vienāda ar 3).
Mijiedarbojoties ar ķīmiskajiem elementiem, kas nav metāli, Fe darbojas kā reducētājs attiecībā pret tiem, savukārt tā oksidācijas pakāpe papildus +2 un +3 kļūst pat +4, +5, +6. Šādiem savienojumiem ir ļoti spēcīgas oksidējošas īpašības.
Kā minēts iepriekš, dzelzs gaisā ir pārklāts ar oksīda plēvi. Karsējot, reakcijas ātrums palielinās un var veidoties dzelzs oksīds ar valenci 2 (temperatūra mazāka par 570 grādiem pēc Celsija) vai oksīds ar valenci 3 (temperatūras indekss vairāk nekā 570 grādi).
Fe mijiedarbība ar halogēniem izraisa sāļu veidošanos. Elementi fluors un hlors to oksidē līdz +3. Broms ir līdz +2 vai +3 (tas viss ir atkarīgs no ķīmiskās transformācijas īstenošanas apstākļiem, mijiedarbojoties ar dzelzi).
Mijiedarbojoties ar jodu, elements tiek oksidēts līdz +2.
Karsējot dzelzi un sēru, rodas dzelzs sulfīds ar valences vērtību 2.
Ja jūs izkausējat dzelzi un apvienojat to ar oglekli, fosforu, silīciju, boru, slāpekli, jūs iegūstat savienojumus, ko sauc par sakausējumiem.
Dzelzs ir metāls,tāpēc tas mijiedarbojas arī ar skābēm (par to arī īsi runāja nedaudz augstāk). Piemēram, sērskābe un slāpekļskābe, kam ir augsta koncentrācija, vidē ar zemu temperatūru neietekmē dzelzi. Bet, tiklīdz tas paceļas, notiek reakcija, kuras rezultātā dzelzs oksidējas līdz +3.
Jo augstāka skābes koncentrācija, jo augstāka temperatūra jānorāda.
Karsējot 2-valento dzelzi ūdenī, mēs iegūstam tā oksīdu un ūdeņradi.
Arī Fe spēj izspiest metālus, kuriem ir samazināta aktivitāte, no sāļu ūdens šķīdumiem. Tajā pašā laikā tas tiek oksidēts līdz +2.
Kad temperatūra paaugstinās, dzelzs atjauno metālus no oksīdiem.
Kas ir valence
Jau iepriekšējā sadaļā nedaudz sastapās ar valences jēdzienu, kā arī oksidācijas pakāpi. Ir pienācis laiks apsvērt dzelzs valenci.
Bet vispirms ir jāsaprot, kāda veida ķīmisko elementu īpašība tā ir.
Ķīmisko vielu sastāvs gandrīz vienmēr ir nemainīgs. Piemēram, ūdens formulā H2O - 1 skābekļa atoms un 2 ūdeņraža atomi. Tas pats attiecas uz citiem savienojumiem, kuros ir iesaistīti divi ķīmiskie elementi, no kuriem viens ir ūdeņradis: 1 ķīmiskā elementa atomam var pievienot 1-4 ūdeņraža atomus. Bet ne otrādi! Tāpēc ir skaidrs, ka ūdeņradis pie sevis piesaista tikai 1 citas vielas atomu. Un tieši šo parādību sauc par valenci - ķīmiskā elementa atomu spēju piesaistīt konkrētucitu elementu atomu skaits.
Valences vērtība un grafiskā formula
Ir periodiskās tabulas elementi, kuriem ir nemainīga valence - tie ir skābeklis un ūdeņradis.
Un ir ķīmiskie elementi, kuros tas mainās. Piemēram, dzelzs biežāk ir 2 un 3 valents, sērs 2, 4, 6, ogleklis 2 un 4. Šie ir elementi ar mainīgu valenci.
Turklāt, saprotot, kas ir valence, varat pareizi uzrakstīt savienojumu grafisko formulu. Tas parāda atomu savienojuma secību molekulā.
Tāpat, zinot viena savienojuma elementa valenci, var noteikt otra elementa valenci.
Dzelzs valence
Kā minēts, dzelzs attiecas uz elementiem ar mainīgu valenci. Un tas var svārstīties ne tikai starp 2 un 3, bet arī sasniegt 4, 5 un pat 6.
Protams, neorganiskā ķīmija pēta dzelzs valenci sīkāk. Īsi apskatīsim šo mehānismu vienkāršāko daļiņu līmenī.
Dzelzs ir d-elements, kuram pievienots vēl 31 periodiskās tabulas elements (tie ir 4-7 periodi). Palielinoties atomu skaitam, d-elementu īpašības iegūst nelielas izmaiņas. Lēnām palielinās arī šo vielu atomu rādiuss. Tiem ir mainīga valence, kas ir atkarīga no tā, ka pirms-ārējais d-elektronu apakšlīmenis ir nepilnīgs.
Tā kā dzelzs valence ir ne tikai c-elektroni, kas atrodas ārējā slānī, bet arī nesapārotie pirms-ārējā slāņa 3d-elektroni. Un, kā rezultātā, Fe valence ķīmiskajāsavienojumi var būt vienādi ar 2, 3, 4, 5, 6. Būtībā tas ir vienāds ar 2 un 3 - tie ir stabilāki dzelzs savienojumi ar citām vielām. Mazāk stabilos tajos tā valence ir 4, 5, 6. Taču šādi savienojumi ir retāk sastopami.
Bivalents dzelzs
Kad 2 valences dzelzs mijiedarbojas ar ūdeni, tiek iegūts dzelzs oksīds (2). Šis savienojums ir melns. Diezgan viegli reaģē ar sālsskābi (zema koncentrācija) un slāpekļskābi (augsta koncentrācija).
Ja šāds divvērtīgā dzelzs oksīds mijiedarbojas ar ūdeņradi (temperatūra 350 grādi pēc Celsija) vai oglekli (koksu) 1000 grādos, tad tas tiek atjaunots tīrā stāvoklī.
Ekstrahējiet 2-valentā dzelzs dzelzs oksīdu šādos veidos:
- izmantojot dzelzs oksīda un oglekļa monoksīda kombināciju;
- kad silda tīru Fe, kamēr skābekļa spiediens ir zems;
- sadalot dzelzs oksalātu vakuuma vidē;
- kad tīra dzelzs mijiedarbojas ar tā oksīdiem, temperatūra ir 900–1000 grādi pēc Celsija.
Attiecībā uz dabisko vidi dzelzs oksīds ir divvērtīgs, klātesošs kā minerāls uestīts.
Ir vēl viens veids, kā noteikt dzelzs valenci šķīdumā - šajā gadījumā ar tā indeksu 2. Ir nepieciešams veikt reakcijas ar sarkano sāli (kālija heksacianoferātu) un ar sārmu. Pirmajā gadījumā tiek novērotas tumši zilas nogulsnes - komplekss 2-valenta dzelzs sāls. Inotrais - iegūstot tumši pelēkzaļas nogulsnes - arī dzelzs hidroksīds ir 2-valents, savukārt 3-valentais dzelzs hidroksīds šķīdumā ir tumši brūnā krāsā.
Trivalents dzelzs
3-valentam dzelzs oksīdam ir pulverveida struktūra, kura krāsa ir sarkanbrūna. Tam ir arī nosaukumi: dzelzs oksīds, dzelzs mīnijs, sarkanais pigments, pārtikas krāsviela, krokuss.
Dabā šī viela sastopama minerāla – hematīta veidā.
Šādas dzelzs oksīds vairs nesadarbojas ar ūdeni. Bet tas savienojas ar skābēm un sārmiem.
Dzelzs oksīdu (3) izmanto būvniecībā izmantoto materiālu krāsošanai:
- ķieģeļi;
- cements;
- keramikas izstrādājumi;
- betons;
- bruģa plātnes;
- grīdas segums (linolejs).
Dzelzs cilvēka organismā
Kā minēts raksta sākumā, viela dzelzs ir svarīga cilvēka ķermeņa sastāvdaļa.
Ja šis elements ir nepietiekams, var rasties šādas sekas:
- paaugstināts nogurums un jutība pret aukstumu;
- sausa āda;
- smadzeņu aktivitātes samazināšanās;
- naga plāksnes stiprības pasliktināšanās;
- reibonis;
- gremošanas problēmas;
- sirmi mati un matu izkrišana.
Dzelzs uzkrājas, parasti liesā un aknās, kā arī nierēs un aizkuņģa dziedzerī.
Cilvēka uzturā jāiekļauj pārtikas produkti, kas satur dzelzi:
- liellopu aknas;
- griķu biezputra;
- zemesrieksti;
- pistācijas;
- konservēti zaļie zirnīši;
- k altētas cūku sēnes;
- vistas olas;
- spināti;
- kizils;
- āboli;
- bumbieri;
- persiki;
- bietes;
- jūras veltes.
Dzelzs trūkums asinīs izraisa hemoglobīna līmeņa pazemināšanos un tādas slimības kā dzelzs deficīta anēmijas attīstību.
