Prvky VIII.B skupiny – triáda železa

železo (26Fe)

• výskyt:

rudné minerály (rudy) – minerály obsahující kov• hematit (krevel) - Fe2O3 • limonit (hnědel) - 2FeO3·3H2O • magnetit (magnetovec) - Fe3O4 • siderit (ocelek) - FeCO3 • pyrit - FeS2 • minerální vody [Fe(HCO3)2] • 70% v lidském těle je součástí hemoglobinu

hematit

limonit

magnetit (Bolívie)

siderit (Německo)

pyrit („kočičí zlato“)

průmyslová výroba železa a oceli

• 1. popis vysoké pece

• vysoká pec je zařízení, které pracuje 10 let nepřetržitě, po skončení provozu se opravuje, v ČR jsou vysoké pece v Ostravě – ArcelorMittal Steel Ostrava a v Třineckých železárnách

• pec je vysoká 25-40m, základem je šachta, která se v horní části zužuje – tzv. sazebna (zde se pomocí šikmých výtahů naváží vsázka – ruda(hematit, koks a vápenec)

• sazebna je uzavřena sazebním uzávěrem, kudy také odchází vysokopecní (kychtový plyn) do ohřívačů vzduchu

• další částí šachty je zarážka – nejširší místo šachty a nístěj – spodní část šachty, odkud se vypouští struska a roztavené surové železo

• šachta je tvořena ocelovými pláty a vyztužena ohnivzdornou vyzdívkou, plášť šachty je chlazen vodou

• v místě zarážky se nachází kruhové potrubí, kterým pomocí dmyšen proudí do vysoké pece předehřátý vzduch z ohřívačů vzduchu

• předehřátý vzduch obsahuje kyslík a má teplotu až 1000 C a slouží ke spalování koksu ve vysoké peci

• součástí vysoké pece jsou ohřívače vzduchu – jsou to válcovité ocelové nádoby, s ohnivzdornou vyzdívkou, uvnitř mají spalnou komoru, kde se ohřívá vzduch pomocí kychtového plynu z vysoké pece, který obsahuje především oxid uhelnatý

• teplota na vrcholu ohřívačů (pod kopulí je až 1600 C)

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

2. Reakce ve vysoké peci

• vysoká pec má pásma, které se liší teplotou a reakcemi, které zde probíhají

• předehřívací pásmo (pod sazebnou) – teplota cca 200 C, zde se vsázka (koks, ruda – hematit – oxid železitý, struskotvorné přísady – vápenec, dolomit) předehřívá a vypařuje se vlhkost

• 1.redukční pásmo – zde probíhá nepřímá redukce oxidu železitého oxidem uhelnatým, který je součástí vysokopecního plynu, vzniká tak surové železo, které klesá ke dnu pece, teplota 400 – 1000 C

• 2.redukční pásmo – zde probíhá přímá redukce oxidu železitého uhlíkem, teplota 1100 – 1200 C,

• nauhličovací pásmo – teplota až až 1400 C, v tomto pásmu se do železa dostává uhlík, 3,5 až 4,5%, uhlík snižuje teplotu tání železa

• tavící pásmo – zde se nachází kapalné surové železo, připravené k odpichu,teplota je zde až 2000 C, t.t (Fe) = 1536 C

• struska a surové železo se vypouští, struska vzniká z hlušiny, která doprovází čistý hematit a z vápence a dolomitu

• struska plave na surovém železe a chrání ho před oxidací kyslíkem

• struska se používá na výrobu např. tvárnic nebo se přidává do cementu

struska

• surové železo je buď šedé nebo bílé

• z šedého železa, ocelového šrotu,vápence a koksu se v tavících pecích získává litina šedá nebo bílá, teplota v peci je 1500 C, litina je pevná, ale křehká, obsah uhlíku víc než 2,14%

• výrobky z litiny – radiátory, kotle, kašny, náhrobky, krbové desky apod.

• bílé železo se zpracovává v ocelárnách na ocel

• základem výroby oceli ze surového železa je snižování obsahu uhlíku až na 1%, dále jsou při výrobě oceli odstraňovány nečistoty (sloučeniny Si, P, S) – jsou převedeny na své oxidy

• výroba oceli v kyslíkovém konvertoru spočívá v profukování surového roztaveného železa kyslíkem z ocelových trysek

• výroba oceli v elektrické peci spočívá v roztavení surového železa účinkem tepla, které vzniká průchodem el. proudu surovým železem

• el. oblouková pec je tvořena elektrodami, mezi kterými vzniká díky průchodu el. proudu el. oblouk

• oběma způsoby získáme měkkou nelegovanou ocel, kterou můžeme zpracovávat kalením, popouštěním nebo legováním

• kalení – prudké zahřátí oceli a prudké zchlazení vodou• popouštění – pomalé zahřátí a zchlazení• legování – k oceli se přidávají kromě železa další kovy, nikl, chrom,

vanad, kobalt, takže legované oceli mohou obsahovat až 30 % různých kovů

• výrobky z oceli – ocelové konstrukce – Eifellova věž, Petřínská rozhledna, televizní vysílač Žižkov, ocelové konstrukce mostů, kolejnice,plechy, dráty, chirurgické a zubařské nástroje, elektrárenské turbíny

chirurgické nástroje

fyzikální vlastnosti:

• bílý, lesklý, neušlechtilý kov, měkký, kujný, tažný

• chemické vlastnosti:

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

(rezavění)• s kyslíkem reaguje za vzniku Fe2O3 nebo Fe3O4 • reaguje např. s HCl nebo zředěnou kyselinou sírovou za

vzniku soli a vodíku• 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 vytváří heptahydrát - zelená skalice

FeSO4·7H2O – používá se k úpravě pitných a odpadních vod a k hubení mechu v trávnících

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

zelená skalice

• 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

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

krevní sůl)

• ve vodě dobře rozpustná, žlutá, krystalická látka, není toxická

• reakcí se železitou solí vzniká - tmavě modrá sraženina, berlínská modř – využití v analytické chemii

žlutá krevní sůl

• FeCl3·6H2O – hexahydrát chloridu železitého

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

– světlehnědá, krystalická látka, rozpustná ve vodě– při úpravě vody vytváří vločky, které na sebe navážou

z vody rozpuštěné nežádoucí látky

hexahydrát chloridu železitého

• hydroxid železitý

– složení lépe vystihuje vzorec Fe2O3·nH2O – látka má amfoterní charakter

– vytváří hnědé nebo červenohnědé granule, ve vodě nerozpustné

– používá se k čištění vod, které obsahují arsen (adsorpce)

• síran železitý

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

• nejčastěji jako nonahydrát, používá se k úpravě odpadních vod jako srážedlo

nonahydrát síranu železitého

- 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 jedovatá • reakcí s ionty železnatými dává modrou sraženinu,

Turnbullova modř – v analytické chemii

červená krevní sůl

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)