Դժվար է գերագնահատել երկաթի դերը մարդու օրգանիզմի համար, քանի որ այն նպաստում է արյան «ստեղծմանը», դրա պարունակությունը ազդում է հեմոգլոբինի և միոգլոբինի մակարդակի վրա, երկաթը նորմալացնում է ֆերմենտային համակարգի աշխատանքը։ Բայց ո՞րն է այս տարրը քիմիայի առումով: Ո՞րն է երկաթի վալենտությունը: Սա կքննարկվի այս հոդվածում:
Մի քիչ պատմություն
Մարդկությունը գիտեր այս քիմիական տարրի մասին և նույնիսկ ուներ դրանից արտադրանք դեռ մ.թ.ա. 4-րդ դարում: Սրանք Հին Եգիպտոսի և շումերների ժողովուրդներն էին: Հենց նրանք առաջինն սկսեցին պատրաստել զարդեր, զենքեր երկաթի և նիկելի համաձուլվածքից, որոնք հայտնաբերվել են հնագիտական պեղումների ժամանակ և մանրակրկիտ հետազոտվել քիմիկոսների կողմից։
Քիչ անց Ասիա տեղափոխված արիացիների ցեղերը սովորեցին հանքաքարից պինդ երկաթ հանել։ Այն այնքան արժեքավոր էր այն ժամանակվա մարդկանց համար, որ արտադրանքը պատված էր ոսկով։
Երկաթի բնութագրեր
Երկաթը (Fe) չորրորդ տեղում է՝ երկրակեղևի աղիքներում իր պարունակությամբ։ Այն զբաղեցնում է 4-րդ շրջանի 7-րդ խմբում և ունի 26-րդ համարըՄենդելեևի տարրերի քիմիական աղյուսակը. Երկաթի վալենտությունը ուղղակիորեն կախված է աղյուսակում նրա դիրքից: Բայց դրա մասին ավելի ուշ:
Այս մետաղը բնության մեջ առավել տարածված է հանքաքարի տեսքով, որը գտնվում է ջրում որպես հանքանյութ, ինչպես նաև տարբեր միացություններում։
Երկաթի հանքաքարի ամենամեծ պաշարները գտնվում են Ռուսաստանում, Ավստրալիայում, Ուկրաինայում, Բրազիլիայում, ԱՄՆ-ում, Հնդկաստանում, Կանադայում:
Ֆիզիկական հատկություններ
Երկաթի վալենտությանն անցնելուց առաջ անհրաժեշտ է ավելի մոտիկից նայել նրա ֆիզիկական հատկությունները, այսպես ասած՝ ավելի մոտիկից նայել։
Այս մետաղն ունի արծաթափայլ գույն, բավականին ճկուն է, բայց ունակ է մեծացնել կարծրությունը այլ տարրերի հետ փոխազդեցության միջոցով (օրինակ՝ ածխածնի հետ): Այն նաև ունի մագնիսական հատկություն։
Խոնավ միջավայրում երկաթը կարող է կոռոզիայի ենթարկվել, այսինքն՝ ժանգոտվել։ Թեև բացարձակապես մաքուր մետաղն ավելի դիմացկուն է խոնավության նկատմամբ, բայց եթե այն պարունակում է կեղտեր, ապա հենց նրանք են կոռոզիա հրահրում։
Երկաթը լավ է փոխազդում թթվային միջավայրերի հետ, այն կարող է նույնիսկ երկաթաթթվի աղեր առաջացնել (ապահովում է ուժեղ օքսիդացնող նյութ):
Օդում այն արագորեն ծածկվում է օքսիդ թաղանթով, որը պաշտպանում է այն փոխազդեցությունից:
Քիմիական հատկություններ
Նաև այս տարրն ունի մի շարք քիմիական հատկություններ։ Երկաթը, ինչպես և պարբերական աղյուսակի մնացած տարրերը, ունի ատոմային միջուկի լիցք, որը համապատասխանում է +26 սերիական համարին։ Իսկ միջուկի շուրջը պտտվում է 26 էլեկտրոն։
Ընդհանուր առմամբ, եթե դիտարկենք երկաթի հատկությունները՝ քիմիական տարր, ապա այն ցածր ակտիվ ունակությամբ մետաղ է։
Փոխազդելով ավելի թույլ օքսիդացնող նյութերի հետ՝ երկաթը միացություններ է առաջացնում, որտեղ այն երկվալենտ է (այսինքն՝ նրա օքսիդացման աստիճանը +2 է): Իսկ եթե ուժեղ օքսիդացնող նյութերով, ապա երկաթի օքսիդացման աստիճանը հասնում է +3-ի (այսինքն՝ նրա վալենտությունը հավասար է 3-ի):
Մետաղ չհանդիսացող քիմիական տարրերի հետ փոխազդեցության ժամանակ Fe-ը նրանց նկատմամբ գործում է որպես վերականգնող նյութ, մինչդեռ նրա օքսիդացման աստիճանը, բացի +2 և +3-ից, դառնում է նույնիսկ +4, +5, +6:. Նման միացությունները շատ ուժեղ օքսիդացնող հատկություն ունեն։
Ինչպես նշվեց վերևում, օդում երկաթը ծածկված է օքսիդ թաղանթով: Իսկ երբ տաքացվում է, ռեակցիայի արագությունը մեծանում է և կարող է առաջանալ երկաթի օքսիդ 2-ով (ջերմաստիճանը 570 աստիճան Ցելսիուսից ցածր) կամ 3 վալենտով օքսիդ (ջերմաստիճանի ինդեքսը ավելի քան 570 աստիճան):
Fe-ի փոխազդեցությունը հալոգենների հետ հանգեցնում է աղերի առաջացման: Ֆտոր և քլոր տարրերը այն օքսիդացնում են մինչև +3։ Բրոմը մինչև +2 կամ +3 է (ամեն ինչ կախված է երկաթի հետ փոխազդեցության ժամանակ քիմիական փոխակերպման իրականացման պայմաններից):
Փոխազդելով յոդի հետ՝ տարրը օքսիդանում է մինչև +2։
Երկաթի և ծծմբի տաքացումն առաջացնում է երկաթի սուլֆիդ՝ 2 վալենտով:
Եթե հալեցնում եք երկաթը և միացնում այն ածխածնի, ֆոսֆորի, սիլիցիումի, բորի, ազոտի հետ, ապա կստանաք միացություններ, որոնք կոչվում են համաձուլվածքներ:
Երկաթը մետաղ է,հետևաբար, այն նաև փոխազդում է թթուների հետ (սա նույնպես համառոտ խոսվեց մի փոքր ավելի բարձր): Օրինակ՝ ծծմբական և ազոտական թթուները, որոնք ունեն բարձր կոնցենտրացիա, ցածր ջերմաստիճան ունեցող միջավայրում, չեն ազդում երկաթի վրա։ Բայց հենց բարձրանում է, առաջանում է ռեակցիա, որի արդյունքում երկաթը օքսիդանում է +3։
Որքան բարձր է թթվի կոնցենտրացիան, այնքան բարձր ջերմաստիճանը պետք է տրվի:
Ջրում տաքացնելով երկվալենտ երկաթը՝ ստանում ենք դրա օքսիդը և ջրածինը։
Նաև Fe-ն ունի աղերի ջրային լուծույթներից նվազած ակտիվություն ունեցող մետաղները տեղահանելու հատկություն: Միաժամանակ օքսիդացվում է մինչև +2։
Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է, երկաթը վերականգնում է մետաղները օքսիդներից։
Ի՞նչ է վալենտությունը
Արդեն նախորդ բաժնում մի փոքր հանդիպեցինք վալենտություն հասկացությանը, ինչպես նաև օքսիդացման աստիճանին։ Ժամանակն է հաշվի առնել երկաթի վալենտությունը։
Բայց նախ պետք է հասկանալ, թե քիմիական տարրերի ինչ հատկություն է դա։
Քիմիական նյութերն իրենց կազմով գրեթե միշտ հաստատուն են։ Օրինակ, ջրի բանաձեւում H2O - 1 թթվածնի ատոմ եւ 2 ջրածնի ատոմ: Նույնը վերաբերում է նաև այլ միացություններին, որոնցում ներգրավված են երկու քիմիական տարր, որոնցից մեկը ջրածինն է՝ քիմիական տարրի 1 ատոմին կարելի է ավելացնել 1-4 ջրածնի ատոմ։ Բայց ոչ հակառակը։ Ուստի պարզ է, որ ջրածինը մեկ այլ նյութի միայն 1 ատոմ է կապում իրեն։ Եվ հենց այս երևույթն է կոչվում վալենտություն՝ քիմիական տարրի ատոմների հատկությունը կցելու հատկությունայլ տարրերի ատոմների թիվը։
Վալենտային արժեք և գրաֆիկական բանաձև
Պարբերական աղյուսակի կան տարրեր, որոնք ունեն հաստատուն վալենտություն, դրանք են թթվածինը և ջրածինը:
Եվ կան քիմիական տարրեր, որոնցում այն փոխվում է: Օրինակ՝ երկաթն ավելի հաճախ 2 և 3 վալենտ է, ծծումբը՝ 2, 4, 6, ածխածինը 2 և 4։ Սրանք փոփոխական վալենտությամբ տարրեր են։
Հետագայում, հասկանալով, թե ինչ է վալենտությունը, կարող եք ճիշտ գրել միացությունների գրաֆիկական բանաձևը: Այն ցուցադրում է ատոմների միացման հաջորդականությունը մոլեկուլում։
Նաև, իմանալով միացության տարրերից մեկի վալենտականությունը, կարող եք որոշել մյուսի վալենտականությունը։
Երկաթե վալենտություն
Ինչպես նշվեց, երկաթը վերաբերում է փոփոխական վալենտություն ունեցող տարրերին: Եվ այն կարող է տատանվել ոչ միայն 2-ի և 3-ի միջև, այլև հասնել 4-ի, 5-ի և նույնիսկ 6-ի։
Իհարկե, անօրգանական քիմիան ավելի մանրամասն ուսումնասիրում է երկաթի վալենտությունը։ Եկեք համառոտ դիտարկենք այս մեխանիզմը ամենապարզ մասնիկների մակարդակում։
Երկաթը d-տարր է, որին գումարվում են պարբերական աղյուսակի ևս 31 տարր (սրանք 4-7 պարբերաշրջաններ են)։ Քանի որ ատոմային թիվը մեծանում է, d-տարրերի հատկությունները ձեռք են բերում աննշան փոփոխություններ: Այս նյութերի ատոմային շառավիղը նույնպես կամաց-կամաց մեծանում է։ Նրանք ունեն փոփոխական վալենտություն, որը կախված է նրանից, որ d-էլեկտրոնի նախնական արտաքին մակարդակը թերի է։
Քանի որ երկաթի համար ոչ միայն c-էլեկտրոնները, որոնք գտնվում են արտաքին շերտում, վալենտ են, այլև նախաարտաքին շերտի չզույգված 3d-էլեկտրոնները: Եվ, որպես հետևանք, Fe-ի վալենտականությունը քիմմիացությունները կարող են հավասար լինել 2-ի, 3-ի, 4-ի, 5-ի, 6-ի: Հիմնականում դա հավասար է 2-ի և 3-ի. սրանք երկաթի ավելի կայուն միացություններ են այլ նյութերի հետ: Պակաս կայուններում այն ցուցադրում է 4, 5, 6 վալենտություն: Սակայն նման միացություններն ավելի քիչ տարածված են:
Երկվալենտ ֆերում
Երբ 2 վալենտային երկաթը փոխազդում է ջրի հետ, ստացվում է երկաթի օքսիդ (2): Այս կապը սև է: Բավականին հեշտությամբ փոխազդում է աղաթթուների (ցածր կոնցենտրացիայի) և ազոտական (բարձր կոնցենտրացիաների) թթուների հետ:
Եթե նման երկվալենտ երկաթի օքսիդը փոխազդում է կամ ջրածնի (ջերմաստիճանը 350 աստիճան Ցելսիուս) կամ ածխածնի (կոքսի) հետ 1000 աստիճանում, ապա այն վերականգնվում է մաքուր վիճակի։
Արտահանեք երկվալենտ երկաթի երկաթի օքսիդը հետևյալ եղանակներով՝
- երկաթի օքսիդի և ածխածնի մոնօքսիդի համակցության միջոցով;
- երբ մաքուր Fe-ը տաքացվում է, մինչդեռ թթվածնի ճնշումը ցածր է;
- երբ վակուումային միջավայրում երկաթի օքսալատը քայքայվում է;
- երբ մաքուր երկաթը փոխազդում է իր օքսիդների հետ, ջերմաստիճանը կազմում է 900-1000 աստիճան Ցելսիուս։
Ինչ վերաբերում է բնական միջավայրին, ապա երկաթի օքսիդը երկվալենտ է, առկա է որպես հանքանյութի վեստիտ:
Լուծույթում երկաթի վալենտությունը որոշելու ևս մեկ եղանակ կա՝ այս դեպքում ունենալով նրա ինդեքսը 2։ Անհրաժեշտ է ռեակցիաներ իրականացնել կարմիր աղով (կալիումի հեքսացիանոֆերատ) և ալկալիով։ Առաջին դեպքում նկատվում է մուգ կապույտ նստվածք՝ երկաթի 2-վալենտային բարդ աղ։ Մեջերկրորդը՝ ստանալով մուգ մոխրագույն-կանաչ նստվածք՝ երկաթի հիդրօքսիդը նույնպես 2-վալենտ է, մինչդեռ 3-վալենտ երկաթի հիդրօքսիդը լուծույթում ունի մուգ շագանակագույն գույն։
Եռավալենտ երկաթ
3-վալենտ երկաթի օքսիդն ունի փոշու կառուցվածք, որի գույնը կարմիր-շագանակագույն է։ Այն ունի նաև անվանումներ՝ երկաթի օքսիդ, երկաթի մինիում, կարմիր պիգմենտ, սննդի ներկանյութ, կրոկուս։
Բնության մեջ այս նյութը հանդիպում է հանքանյութի՝ հեմատիտի տեսքով։
Նման երկաթի օքսիդն այլևս չի փոխազդում ջրի հետ։ Բայց այն միանում է թթուների և ալկալիների հետ։
Երկաթի օքսիդ (3) օգտագործվում է շինարարության մեջ օգտագործվող նյութերը գունավորելու համար:
- աղյուսներ;
- ցեմենտ;
- կերամիկական արտադրանք;
- բետոն;
- սալահատակ;
- հատակ (լինոլեում).
Երկաթը մարդու մարմնում
Ինչպես նշվեց հոդվածի սկզբում, երկաթ նյութը մարդու մարմնի կարևոր բաղադրիչն է։
Երբ այս տարրը անբավարար է, կարող են առաջանալ հետևյալ հետևանքները.
- ավելացնում է հոգնածությունը և ցրտի նկատմամբ զգայունությունը;
- չոր մաշկ;
- ուղեղի ակտիվության նվազում;
- եղունգների ափսեի ամրության վատթարացում;
- գլխապտույտ;
- մարսողության խնդիրներ;
- մոխրագույն մազեր և մազաթափություն.
Երկաթը սովորաբար կուտակվում է փայծաղում և լյարդում, ինչպես նաև երիկամներում և ենթաստամոքսային գեղձում:
Մարդու սննդակարգը պետք է պարունակի երկաթ պարունակող մթերքներ.
- տավարի լյարդ;
- հնդկացորենի շիլա;
- գետնանուշ;
- պիստակ;
- պահածոյացված կանաչ ոլոռ;
- չորացրած խոզի սունկ;
- հավի ձու;
- սպանախ;
- dogwood;
- խնձոր;
- տանձ;
- դեղձ;
- ճակնդեղ;
- ծովամթերք.
Արյան մեջ երկաթի պակասը հանգեցնում է հեմոգլոբինի նվազմանը և այնպիսի հիվանդության զարգացման, ինչպիսին է երկաթի դեֆիցիտի անեմիան:
