stringtranslate.com

Группа железа

В химии и физике группа железа относится к элементам , которые каким-то образом связаны с железом ; в основном в периоде (строке) 4 периодической таблицы. Термин имеет разные значения в разных контекстах.

В химии этот термин в значительной степени устарел, но он часто означает железо , кобальт и никель , также называемые триадой железа ; [1] или, иногда, другие элементы, которые напоминают железо в некоторых химических аспектах.

В астрофизике и ядерной физике этот термин все еще довольно распространен, и он обычно означает эти три плюс хром и марганец — пять элементов, которые исключительно распространены как на Земле, так и в других местах во Вселенной по сравнению с их соседями в периодической таблице. Титан и ванадий также производятся в сверхновых типа Ia . [2]

Общая химия

Группа железа в периодической таблице
Fe, Co и Ni находятся в группах 8, 9, 10 (старое название группы VIII)

В химии «группа железа» использовалась для обозначения железа и следующих двух элементов в периодической таблице , а именно кобальта и никеля . Эти три элемента составляли «триаду железа». [1] Они являются верхними элементами групп 8, 9 и 10 периодической таблицы ; или верхнего ряда «группы VIII» в старой (до 1990 года) системе ИЮПАК, или «группы VIIIB» в системе CAS . [3] Эти три металла (и три из платиновой группы , расположенные непосредственно под ними) были отделены от других элементов, поскольку они имеют очевидное сходство в своей химии, но не связаны явно ни с одной из других групп. Группа железа и ее сплавы проявляют ферромагнетизм .

Сходства в химии были отмечены как одна из триад Дёберейнера и Адольфом Штрекером в 1859 году. [4] Действительно, «октавы» Ньюлендса (1865) подверглись резкой критике за отделение железа от кобальта и никеля. [5] Менделеев подчеркивал, что группы «химически аналогичных элементов» могут иметь схожие атомные веса , а также атомные веса, которые увеличиваются на равные приращения, как в его оригинальной статье 1869 года [6] , так и в его Фарадеевской лекции 1889 года . [7]

Аналитическая химия

В традиционных методах качественного неорганического анализа группа железа состоит из тех катионов, которые

Основными катионами в группе железа являются само железо (Fe2 + и Fe3 + ), алюминий (Al3 + ) и хром (Cr3 + ). [8] Если в образце присутствует марганец , небольшое количество гидратированного диоксида марганца часто осаждается с гидроксидами группы железа. [8] Менее распространенные катионы, которые осаждаются с группой железа, включают бериллий , титан , цирконий , ванадий , уран , торий и церий . [9]

Астрофизика

Группа железа в астрофизике — это группа элементов от хрома до никеля , которые существенно более распространены во Вселенной, чем те, которые следуют за ними — или непосредственно перед ними — в порядке атомного номера . [10] Изучение распространенности элементов группы железа относительно других элементов в звездах и сверхновых позволяет уточнить модели звездной эволюции .

Распространенность химических элементов в Солнечной системе. Масштаб вертикальной оси логарифмический. Водород и гелий наиболее распространены, со времен Большого взрыва . Следующие три элемента (Li, Be, B) редки, поскольку они плохо синтезируются во время Большого взрыва, а также в звездах. Две общие тенденции в оставшихся звездных элементах: (1) чередование распространенности элементов, имеющих четные или нечетные атомные номера, и (2) общее уменьшение распространенности, поскольку элементы становятся тяжелее. «Железный пик» можно увидеть в элементах около железа как вторичный эффект, увеличивающий относительное распространение элементов с наиболее прочно связанными ядрами .

Объяснение этого относительного изобилия можно найти в процессе нуклеосинтеза в некоторых звездах, особенно в тех, которые имеют массу около 8–11  масс Солнца . В конце своей жизни, когда другие виды топлива исчерпаны, такие звезды могут войти в краткую фазу « сжигания кремния ». [11] Это включает последовательное добавление ядер гелия4
2Он
(« альфа-процесс ») к более тяжелым элементам, присутствующим в звезде, начиная с28
14Си
:

Все эти ядерные реакции экзотермические : выделяющаяся энергия частично компенсирует гравитационное сжатие звезды. Однако серия заканчивается на56
28Ни
, как следующая реакция в серии

является эндотермической. При отсутствии дополнительного источника энергии для поддержания себя ядро ​​звезды коллапсирует само по себе, в то время как внешние области сдуваются в сверхновой типа II . [11]

Никель-56 нестабилен по отношению к бета-распаду , а конечный стабильный продукт горения кремния —56
26Фе
.

Часто ошибочно утверждается, что железо-56 исключительно распространено, поскольку является самым стабильным из всех нуклидов. [10] Это не совсем так:62
28Ни
и58
26Фе
имеют немного более высокую энергию связи на нуклон , то есть они немного более стабильны как нуклиды, как видно из таблицы справа. [15] Однако быстрых нуклеосинтетических путей к этим нуклидам не существует.

Фактически, существует несколько стабильных нуклидов элементов от хрома до никеля в верхней части кривой стабильности, что объясняет их относительное распространение во Вселенной. Нуклиды, которые не находятся на прямом пути альфа-процесса, образуются в результате s-процесса , захвата медленных нейтронов внутри звезды.

Кривая энергии связи на нуклон (рассчитанная из дефекта массы ядра ) в зависимости от числа нуклонов в ядре. Железо-56 отмечено около самого верха кривой: видно, что «пик» довольно плоский, что объясняет существование нескольких распространенных элементов вокруг железа.

Смотрите также

Примечания и ссылки

Примечания

  1. ^ В более легких звездах с меньшим гравитационным давлением альфа-процесс происходит гораздо медленнее и фактически останавливается на этой стадии, поскольку титан-44 нестабилен по отношению к бета-распаду (t 1/2  = 60,0(11) лет).

Ссылки

  1. ^ ab M. Green, ed. (2002): Металлоорганическая химия , том 10, стр. 283. Королевское химическое общество; 430 страниц, ISBN  9780854043330
  2. ^ Браво, Э. (2013). "Взгляд на термоядерные сверхновые из процесса неполного сжигания кремния". Астрономия и астрофизика . 550 : A24. arXiv : 1212.2410 . Bibcode : 2013A&A...550A..24B. doi : 10.1051/0004-6361/201220309. S2CID  49331289.
  3. ^ Шервуд Тейлор, Ф. (1942), Неорганическая и теоретическая химия (6-е изд.), Лондон: Heinemann, стр. 151–54, 727–28.
  4. ^ Стрекер, А. (1859), Theorien und Experimente zur Bestimmung der Atomgewichte der Elemente, Брауншвейг: Фридрих Видег.
  5. ^ "Труды обществ [Отчет о законе октав]", Chemical News , 13 : 113, 1866.
  6. ^ Менделеев, Д. (1869), «О связи свойств элементов с их атомными весами», Z. Chem. , 12 : 405–6.
  7. ^ Менделеев, Д. (1889), «Периодический закон химических элементов», J. Chem. Soc. , 55 : 634–56, doi :10.1039/ct8895500634.
  8. ^ ab Vogel, Arthur I. (1954), Учебник макро- и полумикрокачественного неорганического анализа (4-е изд.), Лондон: Longman, стр. 260–278, ISBN 0-582-44367-9.
  9. ^ Фогель, Артур И. (1954), Учебник макро- и полумикрокачественного неорганического анализа (4-е изд.), Лондон: Longman, стр. 592–611, ISBN 0-582-44367-9.
  10. ^ ab Гринвуд, Норман Н.; Эрншоу, Алан (1984). Химия элементов. Оксфорд: Pergamon Press . С. 13–16. ISBN 978-0-08-022057-4..
  11. ^ ab Woosley, Stan; Janka, Thomas (2005), "Физика сверхновых с коллапсом ядра", Nature Physics , 1 (3): 147–54, arXiv : astro-ph/0601261 , Bibcode : 2005NatPh...1..147W, CiteSeerX 10.1.1.336.2176 , doi : 10.1038/nphys172, S2CID  118974639 .
  12. ^ Ван, Мэн; Хуан, ВДж; Кондев, ФГ; Ауди, Г.; Наими, С. (2021). «Оценка атомной массы AME 2020 (II). Таблицы, графики и ссылки». Chinese Physics C. 45 ( 3): 030003. doi :10.1088/1674-1137/abddaf.
  13. ^ Particle Data Group (2008), "Обзор физики элементарных частиц" (PDF) , Phys. Lett. B , 667 (1–5): 1–6, Bibcode :2008PhLB..667....1A, doi :10.1016/j.physletb.2008.07.018, hdl : 1854/LU-685594 , S2CID  227119789, заархивировано из оригинала (PDF) 2020-09-07 , извлечено 2019-12-13. Таблицы данных.
  14. ^ Mohr, Peter J.; Taylor, Barry N.; Newell, David B. (2008). "CODATA Recommended Values ​​of the Fundamental Physical Constants: 2006" (PDF) . Reviews of Modern Physics . 80 (2): 633–730. arXiv : 0801.0028 . Bibcode :2008RvMP...80..633M. doi :10.1103/RevModPhys.80.633. Архивировано из оригинала (PDF) 2017-10-01.Прямая ссылка на ценность.
  15. ^ Fewell, MP (1995), «Атомный нуклид с самой высокой средней энергией связи», Am. J. Phys. , 63 (7): 653–58, Bibcode : 1995AmJPh..63..653F, doi : 10.1119/1.17828.