|
|
I- VỊ TRÍ VÀ CẤU TẠO
1. Vị trí của sắt trong bảng tuần hoàn
Sắt là nguyên tố kim loại chuyển tiếp, thuộc nhóm $VIIIB$, chu kì $4$, số hiệu nguyên tử là $26$.
2. Cấu tạo của sắt
- Cấu hình electron
Nguyên tử $Fe$ có $26$ electron, được phân bố thành $4$ lớp: $2e, 8e, 14e, 2e.$
Sắt là nguyên tố $d$, có cấu hình electron nguyên tử: $1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2$ hay viết gọn là:
Khi tạo ra các ion sắt, nguyên tử $Fe$ nhường electron ở phân lớp $4s$ trước phân lớp $3d$. Thí dụ:
Nguyên tử $Fe$ nhường $2e$ ở phân lớp $4s$ tạo ra ion $Fe^{2+}$, có cấu hình electron:
Nguyên tử $Fe$ nhường $2e$ ở phân lớp $4s$ và $1e$ ở phân lớp $3d$ tạo ra ion $Fe^{3+}$, có cấu hình electron:
Nhận xét: Tương tự nguyên tố $Cr$, khi tham gia phản ứng hóa học,
nguyên tử $Fe$ không chỉ nhường electron ở phân lớp $4s$ mà có thể
nhường thêm electron ở phân lớp $3d$, tạo ra những ion có điện tích khác
nhau là $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}$. Trong hợp chất, $Fe$ có số oxi hóa $+2$
hoặc $+3$.
- Một số đại lượng của nguyên tử
Bán kính nguyên tử $Fe:0,162 (nm)$
Bán kính các ion $Fe^{2+}$ và $Fe^{3+}: 0,076$ và $0,064 (nm)$
Năng lượng ion hóa $I_1, I_2$ và $I_3:760, 1560, 2960 (kJ/mol)$
Độ âm điện $:1,83$
Thế điện cực chuẩn $E^0_{Fe^{2+}/Fe}:- 0,44 (V)$ $E^0_{Fe^{3+}/Fe^{2+}}: + 0,77 (V)$
- Cấu tạo của đơn chất
Tùy thuộc vào nhiệt độ, kim loại $Fe$ có thể tồn tại ở các mạng tinh
thể lập phương tâm khối $(Fe_{\alpha })$ hoặc lập phương tâm diện
$(Fe_{\gamma})$.
II- TÍNH CHẤT VẬT LÍ.
Sắt là kim loại có màu trắng hơi xám, dẻo, dễ rèn, nóng chảy ở nhiệt độ
$1540^0C$, có khối lượng riêng $7,9g/cm^3$. Sắt có tính dẫn điện, dẫn
nhiệt tốt, đặc biệt có tính nhiễm từ.
III- TÍNH CHẤT HÓA HỌC
Những đặc điểm về cấu tạo và đại lượng đặc trưng của nguyên tử $Fe$ nêu ở
trên cho thấy tính chất hóa học cơ bản của sắt là tính khử trung bình:
$Fe$ có thể bị oxi hóa thành $Fe^{2+}$ hoặc $Fe^{3+}$.
1. Tác dụng với phi kim
$Fe$ khử nhiều phi kim thành ion âm trong khi đó $Fe$ bị oxi hóa thành $Fe^{2+}$ thành $Fe^{3+}$.
Thí dụ:
$\begin{gathered}
Fe + S\xrightarrow{{{t^0}}}FeS \\
3Fe + 2{O_2}\xrightarrow{{{t^0}}}F{e_3}{O_4} \\
2Fe + 3C{l_2}\xrightarrow{{{t^0}}}2FeC{l_3} \\
\end{gathered} $
2. Tác dụng với axit
$Fe$ khử dễ dàng ion $H^+$ trong dung dịch axit $HCl$ hoặc $H_2SO_4$
loãng thành hiđro đồng thời $Fe$ bị oxi hóa thành $Fe^{2+}:$
\[Fe + {H_2}S{O_4}\xrightarrow{{ }}FeS{O_4} + {H_2} \uparrow \]
Khi tác dụng với những axit có tính oxi hóa mạnh, như $HNO_3$ và $H_2SO_4$ đặc nóng, $Fe$ bị oxi hóa mạnh thành ion $Fe^{3+}$
\[Fe + 4HN{O_3} (loãng) \xrightarrow{{ }}Fe{(N{O_3})_3} + 2{H_2}O + NO \uparrow \]
\[2Fe + 6{H_2}S{O_4} (đặc) \xrightarrow{{{t^0}}}F{e_2}{\left( {S{O_4}} \right)_3} + 6{H_2}O + 3S{O_2} \uparrow \]
Axit $HNO_3$ và $H_2SO_4$ đặc nguội không tác dụng với sắt mà còn làm cho sắt trở nên thụ động.
3. Tác dụng với dung dịch muối
Sắt khử được những ion kim loại đứng sau nó trong dãy điện hóa (có thế điện cực chuẩn lớn hơn $-0,44 V$ ).
Thí dụ:
\[Fe + CuSO_4 \xrightarrow{{ }}FeS{O_4} + Cu \downarrow \]
\[Fe + 3AgN{O_3} (dư) \xrightarrow{{}}Fe{(N{O_3})_3} + 3Ag \downarrow \]
4. Tác dụng với nước
Ở nhiệt độ cao, sắt khử được hơi nước
\[3Fe + 4{H_2}O\xrightarrow{{{t^0} < {{570}^0}C}}F{e_3}{O_4} + 4{H_2} \uparrow \]
\[Fe + {H_2}O\xrightarrow{{{t^0} > {{570}^0}C}}FeO + {H_2} \uparrow \]
IV- TRẠNG THÁI TỰ NHIÊN
Trong tự nhiên, sắt ở trạng thái tự do trong các
mảnh thiên thạch. Những hợp chất của sắt tồn tại dưới dạng quặng sắt thì
rất phong phú (sắt chiếm tới $5\%$ khối lượng vỏ Trái Đất, đứng hàng
thứ tư trong các nguyên tố, hàng thứ hai trong các kim loại, sau nhôm).
Một số quặng sắt quan trọng là:
Quặng hematit đỏ chứa $Fe_2O_3$ khan.
Quặng hematit nâu chứa $Fe_2O_3.nH_2O$
Quặng manhetit chứa $Fe_3O_4$ là quặng giàu sắt nhất, nhưng hiếm có trong tự nhiên.
Ngoài ra còn có quặng xiđerit chứa $FeCO_3$, quặng pirit sắt chứa $FeS_2$.
Để sản xuất gang người ta thường dùng manđetit và hemantit.
Hợp chất sắt còn có mặt trong hồng cầu của máu, làm nhiệm vụ chuyển tải
oxi đến các tế bào cơ thể để duy trì sự sống của con người và động vật.
|