Żelazna grupa

W chemii i fizyce grupa żelaza odnosi się do pierwiastków , które są w jakiś sposób spokrewnione z żelazem ; głównie w okresie (wierszu) 4 układu okresowego. Termin ten ma różne znaczenia w różnych kontekstach.

W chemii termin ten jest w dużej mierze przestarzały, ale często oznacza żelazo , kobalt i nikiel , zwane także triadą żelaza ; lub czasami inne pierwiastki, które pod pewnymi względami chemicznymi przypominają żelazo.

W astrofizyce i fizyce jądrowej termin ten jest nadal dość powszechny i zwykle oznacza te trzy oraz chrom i mangan — pięć pierwiastków, które są wyjątkowo obfite, zarówno na Ziemi, jak i w innych częściach wszechświata, w porównaniu z ich sąsiadami w układzie okresowym. Tytan i wanad są również produkowane w supernowych typu 1a .

Chemia ogólna

W chemii „grupa żelaza” odnosiła się do żelaza i dwóch następnych pierwiastków w układzie okresowym , a mianowicie kobaltu i niklu . Ta trójka składała się z „żelaznej triady”. Są to górne pierwiastki grup 8, 9 i 10 układu okresowego ; lub górny rząd „grupy VIII” w starym systemie IUPAC (sprzed 1990 r.) lub „grupy VIIIB” w systemie CAS . Te trzy metale (i trzy z grupy platynowców , bezpośrednio pod nimi) zostały odsunięte od innych pierwiastków, ponieważ mają oczywiste podobieństwa w chemii, ale nie są w oczywisty sposób spokrewnione z żadną inną grupą.

Podobieństwa w chemii zostały odnotowane jako jedna z triad Döbereinera i Adolpha Streckera w 1859 r. Rzeczywiście, „oktawy” Newlandsa (1865) były ostro krytykowane za oddzielanie żelaza od kobaltu i niklu. Mendelejew podkreślił, że grupy „chemicznie analogicznych pierwiastków” mogą mieć podobne masy atomowe , jak również masy atomowe, które rosną o równe przyrosty, zarówno w swoim oryginalnym artykule z 1869 r., jak iw wykładzie Faradaya z 1889 r .

Chemia analityczna

W tradycyjnych metodach jakościowej analizy nieorganicznej grupa żelaza składa się z tych kationów, które

mają rozpuszczalne chlorki ; I
nie wytrącają się w postaci siarczków przez siarkowodór w środowisku kwaśnym ;
wytrącają się jako wodorotlenki przy pH około 10 (lub niższym) w obecności amoniaku .

Głównymi kationami z grupy żelaza są samo żelazo (Fe ²⁺ i Fe ³⁺ ), glin (Al ³⁺ ) i chrom (Cr ³⁺ ). Jeśli w próbce obecny jest mangan , niewielka ilość uwodnionego dwutlenku manganu jest często wytrącana wraz z wodorotlenkami grup żelaza. Do mniej powszechnych kationów, które wytrącają się z grupą żelaza, należą beryl , tytan , cyrkon , wanad , uran , tor i cer .

Astrofizyka

Grupa żelaza w astrofizyce to grupa pierwiastków od chromu do niklu , których jest znacznie więcej we wszechświecie niż tych, które występują po nich – lub bezpośrednio przed nimi – w kolejności liczby atomowej . Badanie obfitości pierwiastków z grupy żelaza w stosunku do innych pierwiastków w gwiazdach i supernowych umożliwia udoskonalenie modeli ewolucji gwiazd .

Obfitość pierwiastków chemicznych w Układzie Słonecznym. Zauważ, że skala osi pionowej jest logarytmiczna. Najbardziej rozpowszechnione są wodór i hel, pochodzące z Wielkiego Wybuchu . Kolejne trzy pierwiastki (Li, Be, B) są rzadkie, ponieważ są słabo syntetyzowane w Wielkim Wybuchu, a także w gwiazdach. Dwa ogólne trendy w pozostałych pierwiastkach wytwarzanych przez gwiazdy to: (1) zmiana obfitości pierwiastków, ponieważ mają one parzyste lub nieparzyste liczby atomowe, oraz (2) ogólny spadek liczebności, gdy pierwiastki stają się cięższe. „Szczyt żelaza” można zobaczyć w pierwiastkach w pobliżu żelaza jako efekt wtórny, zwiększając względną obfitość pierwiastków z jądrami najsilniej związany.

Wyjaśnienie tej względnej obfitości można znaleźć w procesie nukleosyntezy w niektórych gwiazdach, szczególnie tych o masie około 8–11 mas Słońca . Pod koniec swojego życia, kiedy inne paliwa się wyczerpią, takie gwiazdy mogą wejść w krótką fazę „ spalania krzemu ”. Wiąże się to z sekwencyjnym dodawaniem jąder helu
⁴₂ He
(„ proces alfa ”) do cięższych pierwiastków obecnych w gwieździe, zaczynając od
²⁸₁₄ Si
:

²⁸₁₄ Si	+	⁴₂ On	→	³²₁₆ S
³²₁₆ S	+	⁴₂ On	→	³⁶₁₈ Ar
³⁶₁₈ Ar	+	⁴₂ On	→	⁴⁰₂₀ Ok
⁴⁰₂₀ Ok	+	⁴₂ On	→	⁴⁴₂₂ Ti
⁴⁴₂₂ Ti	+	⁴₂ On	→	⁴⁸₂₄ Kr
⁴⁸₂₄ Kr	+	⁴₂ On	→	⁵²₂₆ Fe
⁵²₂₆ Fe	+	⁴₂ On	→	⁵⁶₂₈ ni

Wszystkie te reakcje jądrowe są egzotermiczne : uwalniana energia częściowo równoważy grawitacyjne kurczenie się gwiazdy. Jednak seria kończy się przy
⁵⁶₂₈ Ni
, jako następna reakcja w serii

⁵⁶₂₈ ni

+

⁴₂ On

→

⁶⁰₃₀ Zn

jest endotermiczny. Bez dalszego źródła energii, jądro gwiazdy zapada się samo w sobie, podczas gdy zewnętrzne regiony zostają zdmuchnięte przez supernową typu II .

Nikiel-56 jest niestabilny pod względem rozpadu beta , a ostatecznym stabilnym produktem spalania krzemu jest
⁵⁶_·26 Fe
.

⁵⁶₂₈ ni	→	⁵⁶₂₇ Sp	+	β ⁺	t _1/2 = 6,075(10) re
⁵⁶₂₇ Sp	→	⁵⁶₂₆ Fe	+	β ⁺	t _1/2 = 77,233(27) re

	Masa nuklidu	Wada masy	Energia wiązania na nukleon
⁶²₂₈ ni	61.9283451(6) u	0,5700031(6) u	8,563872(10) MeV
⁵⁸₂₆ Fe	57.9332756(8) u	0.5331899(8) u	8,563158(12) MeV
⁵⁶₂₆ Fe	55.9349375(7) u	0.5141981(7) u	8,553080(12) MeV

Często błędnie stwierdza się, że żelazo-56 jest wyjątkowo powszechne, ponieważ jest najbardziej stabilnym ze wszystkich nuklidów. To nie do końca prawda:
⁶²₂₈ Ni
i
⁵⁸₂₆ Fe
mają nieco wyższe energie wiązania na nukleon – to znaczy są nieco bardziej stabilne jako nuklidy – jak widać z tabeli po prawej stronie. Jednak nie ma szybkich dróg nukleosyntezy do tych nuklidów.

W rzeczywistości istnieje kilka stabilnych nuklidów pierwiastków od chromu do niklu wokół szczytu krzywej stabilności, co odpowiada za ich względną obfitość we wszechświecie. Nuklidy, które nie znajdują się na bezpośredniej ścieżce procesu alfa, powstają w procesie s , wychwytywaniu wolnych neutronów w gwieździe.

Krzywa energii wiązania na nukleon (obliczona z defektu masy jądrowej ) w funkcji liczby nukleonów w jądrze. Żelazo-56 jest oznaczone na samym szczycie krzywej: można zauważyć, że „szczyt” jest dość płaski, co wyjaśnia istnienie kilku wspólnych pierwiastków wokół żelaza.

Zobacz też

Uwagi i odniesienia

Notatki

Bibliografia