Электропроводность серы и железа: свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах

Урок химии в 8 классе “Вещества в природе. Чистые вещества и смеси”

Содержание урока: Природные смеси веществ: природный газ, нефть, природные воды, минералы, воздух. Массовая доля компонента в смеси. Физические свойства веществ. Сохранение свойств веществ в смесях. Лабораторная работа «Изучение физических свойств железа, серы и их смеси».

Цели урока: Организовать деятельность учащихся по изучению и первичному закреплению понятий «чистое вещество», «смесь веществ», «массовая доля компонента в смеси».

Помочь осознать учащимся практическую значимость учебного материала данной темы.

Обеспечить развитие у учащихся умений классифицировать смеси.

Содействовать развитию у школьников научных методов познания (наблюдение, эксперимент), химически правильной речи.

Требования к уровню подготовки учащихся:
Уметь:
* характеризовать состав смесей веществ;
* различать чистые вещества и смеси;
* обращаться с химической посудой и лабораторным оборудованием;
* вычислять массовую долю вещества в смеси.
* использовать приобретенные знания и умения в практической деятельности и повседневной жизни для: безопасного обращения с веществами и материалами.

Оборудование: прибор для опытов с электрическим током, 2 химических стакана на 150 мл, 2 химических стакана на 100 мл, магнит, воронка, фильтр, стеклянная палочка.

Реактивы и материалы: вода дистиллированная, раствор хлорида натрия, железо (опилки), сера (порошок), загрязненная соль, гранит, железный колчедан, геленит, сфалерит.

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Проверка домашнего задания.
а) что изучает химия?
б) что называют веществом?
в) на какие группы по составу можно разделить все вещества?
г) какие вещества называют простыми?
д) приведите примеры простых веществ.
е) какие вещества называют сложными?
ж) приведите примеры сложных веществ?

3. Изучение нового материала.
Сегодня мы поговорим о так называемых чистых веществах и смесях веществ.
Мы живем в мире веществ. Этот мир также многообразен и уникален, как и мир людей. В окружающем нас мире большинство материалов представляют собой смеси различных веществ. Так, большинство горных пород и многие минералы являются смесями.
Демонстрация 1. Образцы минералов (железный колчедан, гранит, галенит, сфалерит). Фотография киновари.
Наша пища и живые организмы, использующие природу как арену для своей деятельности (и часто сами являющиеся пищей для других живых организмов), представляют собой чрезвычайно сложные смеси органических соединений. Вкус апельсина, например, обусловлен присутствием сотен различных веществ.
Вода, железо, сахар представляют собой чистые вещества. Каждое из них характеризуется определенными свойствами: температурой плавления, плотностью, способностью вступать в определенные химические реакции.
Чистое вещество состоит из частиц одного вида и имеет постоянный состав, который может быть выражен единственной химической формулой. Например, вода в чистом виде состоит только из молекул Н2О, имеет определенные физические свойства. Вода в природе никогда не бывает чистой. Вследствие растворения различных веществ, природная вода всегда содержит примеси. Вспомните накипь на чайнике, откуда она появилась? Вещества, содержащиеся в растворенном виде в воде, при нагревании осаждаются на стенках посуды. Чтобы изучать свойства воды необходимо использовать только специальным образом очищенную воду. В лаборатории используют только так называемую дистиллированную воду, которая была получена перегонкой природной воды.
Задание: опишите физические свойства воды по плану (агрегатное состояние, цвет, запах, температура плавления, температура кипения, плотность, электропроводность, теплопроводность).
Способна ли чистая вода проводить электрический ток?
Демонстрация 2. Электропроводность дистиллированной и минеральной воды.
Почему мы получили разный результат при проведении этого эксперимента? Минеральная вода содержит растворенные вещества. Рассмотрите этикетки бутилированых минеральных вод. На них всегда указывается общая минерализация (масса растворенных веществ в 1 литре воды). Именно эти вещества и вызывают свечение электрической лампы при пропускании тока через минеральную воду.
Рассмотрим, к примеру две смеси: сахар – вода и мел – вода. Первая смесь представляет прозрачную жидкость, внешне напоминающую воду. Данная смесь является однородной (или гомогенной). Другая смесь (мел – вода) не является однородной: она представляет собой крупинки мела, плавающие в воде. В смеси можно выделить малый объем, содержащий только твердое вещество или только жидкость, отличающиеся по свойствам. Если смесь оставить на некоторое время в покое, то произойдет разделение компонентов: мел выпадает в осадок, сверху будет слой чистой воды. Такие смеси называют гетерогенными.
Состав смесей устанавливают с помощью химического анализа. При этом определяются концентрации веществ, составляющих смесь, в процентах или долях единицы. Для твердых и жидких смесей определяют, как правило, массовые доли (w), а для газообразных – объемные доли (y) веществ:
Например, объемная доля кислорода в воздухе равна 21% или в долях единицы – 0,21.
Задание: вычислите массовую долю растворенных веществ в минеральной воде. Массу одного литра воды примите равной 1 кг.
Сохраняют ли вещества в смесях свои свойства? Чтобы ответить на этот вопрос выполним лабораторную работу.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
Изучение свойств железа, серы и их смеси.
Цель: экспериментально выяснить изменяются ли свойства веществ после их смешивания.
Задание. В вашем распоряжении имеются: вода, порошки железа и серы, химический стакан, магнит, лист бумаги, шпатели.
С помощью шпателя поместите небольшие порции каждого вещества на лист бумаги отдельными кучками. Опишите физические свойства железа и серы по плану:
1. Агрегатное состояние.
2. Цвет.
3. Температура плавления (данные возьмите из справочника).
4. Температура кипения (данные возьмите из справочника).
5. Плотность (данные возьмите из справочника).
6. Особые свойства.
Смешайте стеклянной палочкой оба порошка на бумаге. Исследуйте отношение смеси к воде и магниту.
Результат вашей работы оформите в виде сравнительной таблицы.

ЖелезоСераСмесь железа и серы
Отношение к магниту
Отношение к воде

Сделайте вывод по итогам работы: измелись ли свойства веществ (железа и серы) после их смешивания.

Домашнее задание. Прочитать материал учебника § 23, выполнить упражнения 1–4.

ДИСУЛЬФИД ЖЕЛЕЗА — ПЕРСПЕКТИВНЫЙ МАТЕРИАЛ ПОЛОЖИТЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРОДА ДЛЯ ЛИТИЕВОГО ИСТОЧНИКА ТОКА

Дисульфид железа — перспективный материал положительного электрода для литиевого источника тока

восстановления лежит в области потенциалов 1.0–1.3

В. Причем эта закономерность наблюдается и для

жидких и для полимерных неводных электролитов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Природный и синтезированный дисульфид

железа имеют существенное различие в структурных

и макроструктурных характеристиках, что оказывает

влияние на электрохимические свойства катодов на

их основе.

2. Величина катодного предельного тока на пер-

вом цикле, полученная на катодах из природного

пирита, в жидком неводном электролите достигает

10 мА/см2и на порядок превышает данные, получен-

ные на синтезированном материале. Более высокие

плотности тока для природного пирита реализуются

и в системах с полимерным электролитом. Это сви-

детельствует об облегчении процессов твердофазной

диффузии. Данный факт мы связываем с различием

в макроструктуре исходных материалов: синтезиро-

ванный FeS2по сравнению с природным пиритом

имеет поры меньшего размера и высокую величину

удельной поверхности — 137 м2/г (для природного

13.7 м2/г). В связи с этим реакции, протекающие по

твердофазному механизму, могут быть затруднены.

3. Потенциал восстановления дисульфида желе-

за на первом цикле в случае синтезированного нано-

FeS2составляет 1.5–1.6 В. Восстановление природ-

ного пирита происходит при менее электроположи-

тельных потенциалах 1. 0–1.3 В. Эта закономерность

наблюдается и для жидких и для полимерных невод-

ных электролитов.

4. Анализ литературы и проведенные нами ис-

пытания показывают, что дисульфид железа является

эффективным активным материалом положительного

электрода в перезаряжаемых литиевых источниках

тока с полимерным электролитом на основе хлориро-

ванного поливинилхлорида.

Авторы выражают благодарность профессору

Ю. М. Вольфковичу (Институт электрохимии им.

А. Н. Фрумкина РАН, Россия, Москва) за помощь в

проведении порометрических измерений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Whittingam M.S., Newman G.H. // J. Electrochem. Soc.

1981. V.128. Р.706.

2. Clark M.B. // Lithium batteries system. France: Academic

Press, 1983. P.115.

3. Кедринский И. А., Дмитренко В. Е., Поваров Ю. М., Гру-

дянов И. И. Химические источники тока с литиевым электродом.

Красноярск: Изд-во Краснояр. ун-та, 1983. 247с.

4. Nakatani Yu. , Takahashi N., Nakamura T. // 202nd Meeting

of the electrocem. Soc., Salt Lake City, Utah, 2002. Abstr. 1.

5. Шембель Е. М., Недужко Л. И., Полищук Ю. В.,

Максюта И. М., Черваков О. В., Рыбалка А. Г., Рейзнер Д. //

Вопросы химии и хим. технологии. 2000. №1. С.350.

6. Shembel E. M., Neduzhko L. I., Chervakov O.V., Maksyu-

ta I. M., Kylyvnyk K. Ye., Polischuk Yu.V., Reisner D.E., Xiao T.D. //

10th Intern. Meeting on Lithium Batteries «Lithium 2000», Villa Erba

Conference Center, Como, Italy, 2000. Abstr.341.

7. Shembel E.M., Maksyuta I.M., Neduzhko L.I., Cherva-

kov O.V., Polischuk Yu.V., Reisner D.E., Xiao T.D. // 197th Meeting of

The Eectrocem. Soc., The Sheraton Centre, Toronto, Canada, 2000.

Abstr. 43.

8. Golodnitsky D., Peled. E. // Electrochim. Acta. 1999. V. 45.

P.335.

9. Стрижко А. С., Шембель Е. М., Райхельсон Л. Б.,

Мальков Ю. М., Мартыненко Т. Л. // Журн. прикл. химии. 1990.

№8. C.1743.

10. Стрижко А. С., Мальков Ю. М., Райхельсон Л. Б.,

Говалев С. Н., Мартыненко Т. Л. // Тез. докл. VII Всесоюз. конф.

по электрохимии. Черновцы, 1988. Т.1. С.166.

11. Апостолова Р. Д., Шембель Е. М. // Журн. прикл. химии.

1995. Т.68, вып.9. С.1483.

12. Henriksen G. L. // Handbook of batteries. 2nd ed. N. Y.:

McGraw-Hill, 1995. P.39.1.

13. Vfkovich Yu. M., Bagotzky V.S. // J. Power Sources. 1994.

V.48. P.327.

14. Куровець М.I. Кристалографiя i мiнералогiя. Ч.II. Си-

стематика, короткий опис i методiка визначення мiнералiв. Львiв:

Свiт, 1996.

15. Чантурия В. А., Вигдергауз В. Е. Электрохимия суль-

фидов: Теория и практика флотации. М.: Наука, 1993.

16. Воган Д., Крейг Дж. Химия сульфидных минералов.

М.: Мир, 1981.

17. Радюшкина К. А., Вигдергауз В. Е., Тарасевич М. Р.,

Чантурия В. А. // Электрохимия. 1986. Т.22, вып.10. С.1394.

18. Кудайкулова Г. А. Электрохимические процессы на

поверхности сульфидных минералов в водной и апротонной

средах: Автореф. дис. . . . канд. хим. наук. М., 1990. 22 с.

19. Almeida C.M.V.B., Giannetti B.F. // J. Solid State

Electrochem. 2002. V.6. P. 11.

20. Handbook of Chemistry and Physics, CRC press., Ed.: R.C.

Weast.

21. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. М.: Мир,

1982.

22. Полищук Ю. В., Недужко Л. И., Максюта И. М.,

Баскевич О. В., Черваков О. В., Рыбалка А. Г., Шембель Е. М.,

Рейзнер Д. // Вопросы химии и хим. технологии. 2001. №4. С. 98.

23. Краткий справочник химика / Сост. В. И. Перельман.

М.: Госхимиздат, 1963.

24. Etude termodynamique des generateurs a electrode de

lithium // Entropie. 1971. №40. P.24.

25. Шембель Е. М., Стрижко А. С., Злацин А. Л., Васи-

льева Е. А., Ксенжек О. С. // Электрохимия. 1986. Т.12, вып. 6.

С.824.

26. Fong R., Dahn J.R., Batchelor R.J., Einstein F.W.B.,

Jones C.H.W. // 4th Intern Meeting Lithium Batteries Progr. and

Extended Abstr Hawaii, USA. 1998. P. 103.

27. Fong R., Dahn J.R., Jones C.H.W. // J. Electrochem. Soc.

1989. V.136, № 11. P.3206.

28. Kostov S., Boer M., Strauss E., Golodnitsky D., Greenbaum

S.G., Peled E. // J. Power Sources. 1999. V. 81–82. P.709.

29. Strauss E., Ardel G., Livshits V., Burstein L., Golodnitsky D.,

Peled E. // J. Power Sources. 2000. V.86, №2. P.206.

30. Golodnitsky D., Peled. E. // Electrochim. Acta. 1999. V. 45.

P.335.

31. Peled E., Golodnitsky D., Lang J., Lavi Y. // J. Power

Sources. 1995. V.54. P.496.

32. Peled E., Golodnitsky D., Strauss E., Lang J., Lavi Y. //

Electrochim. Acta. 1998. V.43. P.1593.

33. Strauss E., Golodnitsky D., Peled E. // Electrochem.

Solid-State Lett. 1999. V.2 (3). P.115.

34. Троицкая Л. С., Мяков В. Н., Троицкий Б. Б., Разува-

ев Г. А. // Высокомолекулярные соединения. 1967. Т.(А) IХ, № 10.

С. 2119.

35. Шаповал Г. С., Концур Ю. В., Пуд А. А. // Электрохимия.

1996. Т.32, №1. С. 142.

36. Шаповал Г. С., Концур Ю. В., Пуд А. А., Томилов А. П.

// Электрохимия. 1996. Т.32, №1. С. 138.

37. Шаповал Г. С., Концур Ю. В., Бухтияров А. В.,

Лебедев А. В., Томилов А. П. // Электрохимия. 1994. Т.30, №5.

С. 686.

Железо теплопроводность и электропроводность

  • 5 — 9 классы
  • Химия
  • 8 баллов

свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах

Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т. е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

От чего зависит показатель теплопроводности

Изучая способность передачи тепла металлическими изделиями выявлено, что теплопроводность зависит от:

  • вида металла;
  • химического состава;
  • пористости;
  • размеров.

Металлы имеют различное строение кристаллической решетки, а это может изменить теплопроводность материала. Так, например, у стали и алюминия, особенности строения микрочастиц влияют по-разному на скорость передачи тепловой энергии через них.

Коэффициент теплопроводности может иметь различные значения для одного и того же металла при изменении температуры воздействия. Это связано с тем, что у разных металлов градус плавления отличается, а значит, при других параметрах окружающей среды, свойства материалов также будут отличаться, а это отразится на теплопроводности.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

Медь, при изменении температуры в тех же пределах, будет уменьшать теплопроводность от 393 до 354 Вт/м*град. При этом, медь содержащие сплавы латуни будут иметь такие же свойства, как и алюминиевые, а значение теплопроводности будет изменяться от 100 до 200 единиц, в зависимости от количества цинка и других примесей в составе сплава латуни.

Коэффициент теплопроводности чистого никеля считается низким, он будет менять свое значение от 67 до 57 Вт/м*град. Сплавы с содержанием никеля, будут также иметь коэффициент с пониженным значением, который, благодаря содержанию железа и цинка, колеблется от 20 до 50 Вт/м*град. А наличие хрома, позволит понизить теплопроводность в металлах до 12 единиц, с небольшим увеличением этой величины, при нагреве.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

  • кухонная посуда с различными свойствами;
  • оборудование для пайки труб;
  • утюги;
  • подшипники качения и скольжения;
  • сантехническое оборудование для подогрева воды;
  • приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

В таблице приведена плотность железа d, а также значения его удельной теплоемкости Cp, температуропроводности a, коэффициента теплопроводности λ, удельного электрического сопротивления ρ, функции Лоренца L/L при различных температурах — в диапазоне от 100 до 2000 К.

Свойства железа существенно зависят от температуры: при нагревании этого металла его плотность, теплопроводность и температуропроводность уменьшаются, а значение удельной теплоемкости железа растет.

Плотность железа равна 7870 кг/м 3 при комнатной температуре. При нагревании железа его плотность снижается. Поскольку железо является основным элементом в составе стали, то плотность железа определяет и значение плотности стали. Зависимость плотности железа от температуры слабая — при его нагревании плотность металла снижается и принимает минимальное значение 7040 кг/м 3 при температуре плавления, равной 1810 К или 1537°С.

Удельная теплоемкость железа, по данным таблицы, имеет значение 450 Дж/(кг·град) при температуре 27°С. В зависимости от структуры удельная теплоемкость твердого железа при увеличении температуры изменяется по-разному. По значениям в таблице видны характерный максимум теплоемкости железа вблизи Tc и скачки при структурных переходах и при плавлении.

В расплавленном состоянии свойства железа претерпевают изменения. Так, плотность жидкого железа уменьшается и становиться равной 7040 кг/м 3 . Удельная теплоемкость железа в расплавленном состоянии имеет величину 835 Дж/(кг·град), а теплопроводность железа снижается до значения 39 Вт/(м·град). При этом удельное электрическое сопротивление этого металла увеличивается и при 2000 К принимает значение 138·10 -8 Ом·м.

Теплопроводность железа при комнатной температуре равна 80 Вт/(м·град). С ростом температуры теплопроводность железа снижается — она имеет отрицательный температурный коэффициент в области температуры 100-1042 К, а затем начинает слабо расти. Минимальное значение теплопроводности железа составляет 25,4 Вт/(м·град) вблизи точки Кюри. При β-γ переходе наблюдается слабое изменение теплопроводности, которое также имеет место и при γ-δ переходе.

Теплопроводность железа резко падает по мере увеличения количества примесей, особенно кремния и серы. Наивысшей теплопроводностью обладает очень чистое электролитическое железо — его теплопроводность при 27°С равна 95 Вт/(м·град).

Зависимость коэффициента теплопроводности железа от температуры также определяется степенью чистоты этого металла. Чем железо чище, тем выше его теплопроводность и тем больше по абсолютной величине она снижается с повышением температуры.

«>

Разработка метода обезвреживания выведенных из эксплуатации емкостей хранения одоранта природного газа — Оборудование, услуги, материалы

Накопление выведенных из эксплуатации емкостей хранения одоранта — одна из проблем, остро стоящих в газораспределительной системе страны.

Накопление выведенных из эксплуатации емкостей хранения одоранта — одна из проблем, остро стоящих в газораспределительной системе страны.

Абсолютное большинство газораспределительных станций применяют в своей работе одорант СПМ — смесь низших природных меркаптанов. Обладая высокой коррозионной активностью, одорант СПМ способствует быстрому накоплению в металлических емкостях хранения одоранта донного шлама, состоящего из продуктов коррозии — пирофорных сульфидов железа. С целью снижения класса опасности выведенных из эксплуатации емкостей хранения одоранта ученые Самарского государственного технического университета (СамГТУ) разработали метод их обезвреживания, позволяющий эффективно снизить содержание серы в донном шламе, после чего емкости могут быть утилизированы как малоопасный отход.

В большинстве случаев емкости для хранения одоранта изготовлены из не стойких к коррозии материалов, а утилизация отходов остатков одоранта и вышедших из строя узлов и сосудов, связанных с процессом одоризации, требует систематизации и совершенствования.

Период эксплуатации рабочих емкостей хранения одоранта составляет более 20 лет. В настоящее время только на предприятии Газпром трансгаз Самара имеется более 100 емкостей хранения одоранта, объемом от 1м3 до 5 м3 , выведенных из эксплуатации или с истекающим сроком эксплуатации.

Целью настоящей работы является разработка комплексного экологически и технологически безопасного метода утилизации емкостей хранения одоранта, как недавно выведенных из эксплуатации, так и длительное время находящихся на консервации.

Известно, что низшие меркаптаны взаимодействуют с железом и его окислами, образуя склонные к самовозгоранию меркаптиды железа. Кроме того, сероводород, находящийся в транспортируемом газе, действуя на железо и его окислы, образует коррозионные отложения, обладающие пирофорными свойствами, т. е. способные самовозгораться даже при невысоких температурах. Эти отложения состоят в основном из продуктов коррозии — сульфидов железа с общей формулой FexSy [2].

Свежие, не окислившиеся отложения сернистого железа при взаимодействии с газовоздушной смесью способны к сильному разогреву и могут являться источником взрыва и пожара. Основной реакцией, приводящей к наиболее интенсивному разогреву пирофорных отложений, является экзотермическая реакция взаимодействия дисульфида железа с кислородом воздуха: FeS2 + O2 → FeS + SO2, тепловой эффект которой составляет 220 кДж/моль.

Скорость данной гетерогенной реакции существенно зависит от условий, она может протекать либо медленно, стационарно со слабым разогревом, либо с самоускорением и интенсивным саморазогревом, приводящим к самовозгоранию пирофорных отложений. При нагреве пирофоров до температуры 180 220 °С происходит самовоспламенение свободной серы [3].

Медленное воздействие кислорода на пирофорные отложения приводит к постепенному их окислению с выделением элементарной серы, заполняющей поры и покрывающей отложения защитной пленкой [4].

Сульфид железа, как известно, имеет рыхлую структуру и хорошо смачивается водой, так как его поверхность обладает гидрофильными свойствами. Во влажной среде он способен под действием кислорода окисляться до сульфата железа, который смывается со стенок емкости конденсатом, растворяется в его водной части и накапливается на дне емкостей, способствуя увеличению электропроводности среды и усилению коррозии металла [5]. Так в продуктах коррозии обнаруживается до 20 % сульфата железа. Окисление сульфидов железа, можно объяснить согласно реакции: FeS2 + 3,5O2 + H2O → Fe2+ +2SO42-+ 2H+ , при этом, накапливающиеся в водном слое ионы водорода, придают ему кислый характер с рН в пределах 2-4 единиц [2].

В литературе практически отсутствуют систематические исследования, посвященные влиянию смеси природных меркаптанов (СПМ) и продуктов их превращений на процесс коррозии сталей и сплавов в присутствии электролитов.

Коррозионное разрушение металлов в системе «углеводород электролит» встречается значительно чаще, чем это принято обычно думать. Показано, что двухфазный конденсат более коррозионно активен, чем водный в отдельности.

Очевидно, при контакте металла с 2-хфазной средой создаются особые условия, резко ускоряющие коррозионный процесс. Поэтому, исследование закономерностей коррозионного поведения металлов в системе двух несмешивающихся жидкостей имеет большое практическое и научное значение.

Экспериментальная часть

Анализ образцов остатка одоранта. Хроматографическое исследование застарелого остатка одоранта, проведеное на хромато-масс-спектрометре Finnigan Trace DSQ GC/MS показало, что около 65 % застарелого остатка одоранта составляют различные диалкилдисульфиды — продукты окислительной межмолекулярной конденсации меркаптанов. Нами был проведен анализ проб из 11 выведенных из эксплуатации емкостей, которые длительно хранились на открытой площадке. Во всех образцах, представляющих собой трехфазную систему «остаток одоранта -вода-продукты коррозии», соотношение меркаптанов к дисульфидам примерно одинаково, незначительные отличия наблюдались только в соотношении отдельных компонентов. Образование диалкилдисульфидов возможно за счет взаимодействия меркаптанов с активными продуктами коррозии стальной емкости, а так же за счет поступления в емкости кислорода воздуха через неплотности фланцевых соединений в процессе длительного хранения. Анализ образцов донного шлама. Одной из основных задач данной работы является исследование возможности утилизации донного шлама отработанных емкостей хранения одоранта, относящегося, как показано расчетным методом, к отходам 3 класса опасности. В целях исследования данного вопроса была проведена серия экспериментов по изучению взаимодействия указанного шлама с озоном в водной и водно-щелочной среде. Ожидаемым результатом являлось резкое падение содержания серы в образцах. Опыты по озонированию донного шлама проводили в опытной лабораторной установке. Условия и результаты экспериментов приведены в табл.

1. Методика эксперимента. Подготовку образца донного шлама осуществляли следующим образом. Пробу из соответствующей емкости хранения одоранта отфильтровывали на фильтре Шотта, а осадок шлама тщательно промывали ацетоном и петролейным эфиром и высушивали на воздухе. В лабораторную установку загружали около 4 г растертого образца донного шлама и озонировали в рабочем растворе, без перемешивания механической мешалкой, в течение 4 часов при расходе озоно-воздушной смеси 0,5 л/мин и температуре 23 °С. Затем осадок отфильтровывали на фильтре Шотта, промывали дистиллированной водой и ацетоном, сушили на воздухе. Определение элементного состава проводилось методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (РСФ), основанном на зависимости интенсивности рентгеновской флуоресценции определяемого химического элемента, возбуждаемой с помощью рентгеновской трубки, от его содержания в пробе.

Градуировка рентгенофлуоресцентного спектрометра проводится по стандартным образцам. Влияние состава пробы на результаты анализа учитывается с помощью нормирования интенсивности линии определяемого элемента на интенсивность линии когерентного рассеяния излучения родиевой трубки.

Применяемый спектрометр SHIMADZU EDX-900, зарегистрирован в Государственном Реестре средств измерений под № 25909-03. Подготовку пробы шлама проводили путем высушивания при 115 оС и истирания в агатовой ступке до фракции 200меш (71мкм). Из подготовленной пробы отбирают две аналитические пробы, каждую из которых насыпают в кювету, таким образом, чтобы толщина слоя была не менее 3 мм. Все измерения проводят при напряжении на трубку 40 кВ, токе 100мА с использованием автоматического учета фона и при экспозиции 720 с.

Таблица 1. Условия и результаты экспериментов по озонированию образцов донного шлама

На рис. 1 и 2 представлены спектры рентгеновской флуоресценции об-разцов продуктов коррозии до и после обработки озоном в рамках апробации раз-рабатываемого метода обезвреживания выведенных из эксплуатации емкостей хранения одоранта природного газа. Следует отметить, что метод РСФ имеет свои ограничения: так, невозможно определить содержание легких атомов кислорода, азота и углерода. Однако, результаты, получаемые этим методом, дают усредненный элементный состав по всему объему образца.

Рис. 1а. Отложения на внутренней поверхности емкости хранения одоранта до озонирования

Рис. 1б. Отложения на внутренней поверхности ёмкости хранения одоранта после озонирования

Рис. 2а. Донный шлам емкости хранения одоранта до озонирования

Рис. 2б. Донный шлам емкости хранения одоранта после озонирования

Обсуждение результатов и выводы

Причины высокой коррозионной активности одоранта СПМ, на наш взгляд, кроются в наличии в его составе примеси воды, хотя и нормируемой соответствующими техническими условиями на изготовление одоранта. За длительный срок эксплуатации (10 и более лет) емкость с одорантом многократно подвергается перепадам температур, вплоть до глубокого промораживания. При этом растворенная в массе одоранта вода выпадает на стенки емкости в виде конденсата и накапливается на дне в конденсированном виде. С каждым циклом заправки емкости количество конденсированной водной фазы увеличивается, формируя, таким образом, высококоррозионную систему: одорант-электролит.

При выводе емкости с истекшим сроком из эксплуатации, нарушается герметичность фланцевых соединений, через которые начинает свободно поступать кислород воздуха, интенсифицируя процессы коррозии. При взаимодействии кислорода и активных сульфидов железа в водном растворе накапливается серная кислота, увеличивающая проводимость электролита, а, следовательно, и скорость коррозии.

Локализация коррозионных процессов на дне емкости, на фоне их ускорения, может быстро привести к резкому утончению стального дна емкости с находящимся под давлением остаточным количеством одоранта и образованию сквозного отверстия, через которое остатки одоранта (вещества второго класса опасности) могут попасть, например, на почву. Следует отметить, что конструкция большинства емкостей хранения одоранта не предусматривает возможности его полного слива. Поэтому «остаточное» количество одоранта может, с учетом объема применяемых емкостей, достигать пятидесяти и более литров. Попадание на почву такого количества опасного отхода приведет к экологическому ущербу, экономические последствия которого несложно просчитать.

В настоящее время значительное количество емкостей хранения одоранта, выведенных из эксплуатации много лет назад, создают реальную угрозу локальных экологических катастроф.

Разрабатываемый в рамках данной работы экологически безопасный метод утилизации емкостей хранения и рабочих емкостей одоранта путем озонирования остатка одоранта и донного шлама непосредственно в самой утилизируемой емкости, призван решить проблему накопления данного вида отходов и предотвратить загрязнение отходами одоранта почвы, водного и воздушного бассейнов. Дезактивация пирофорных отложений при озонировании, позволит обезопасить дальнейшую утилизацию емкостей.

Известно, что пирофорные свойства продуктов сероводородной коррозии напрямую связаны с содержанием в них серы.

Взаимодействие озона с сульфидом железа, содержащимся в донном шламе, можно представить в виде уравнений:

FeS + 4O3 → FeSO4 + 4O2;

2FeSO4 + O3 + 5h3O → 2Fe(OH)3 + 2h3SO4 + O2;

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3h3O.

В процессе образования осадок гидроксида железа быстро деградирует в оксид, который уже не реагирует с разбавленной серной кислотой, и ионы железа, таким образом, выводятся из раствора. Очевидно, что щелочная среда, в которой озон имеет наиболее высокий окислительный потенциал, будет способствовать скорейшему и более полному извлечению серы из продуктов коррозии.

По результатам данной работы можно сделать следующие выводы.

1. Остаток одоранта в отработанных емкостях его хранения на 65 % состоит из продуктов окислительной конденсации меркаптанов — диалкилдисульфидов. Это связано с тем, что между демонтированием емкости и началом мероприятий по ее утилизации проходит значительный период времени, за который в массе остатка одоранта, за счет протекания процессов окисления меркаптанов продуктами коррозии емкости и поступающим через неплотности соединений кислородом воздуха, значительная часть меркаптанов переходит в диалкилдисульфиды.

2. В результате экспериментов показано, что снижение содержания серы в образцах продуктов коррозии при озонировании в нейтральной среде в течение 4 часов составляет не менее 2 раз, а в случае применения водно-щелочного раствора превышает 6 раз. После обработки озоном донный шлам полностью утрачивает пирофорные свойства.

3. Образующийся после процесса озонирования донного шлама емкостей хранения технологический раствор, практически не содержит растворенного железа и расчетным методом отнесен к веществам четвертого класса опасности.

Литература

1. Ковалев Б.К. Некоторые проблемы одоризации газа // Вестник Газпроммаша: сб. научно-техн. статей. Выпуск 1. URL: http://www.gazprommash.ru/factory/vestnik/vestnik1/vestnik_st6/

2. Гоник А.А. Сероводородная коррозия и меры ее предупреждения. М.: Недра, 1966. 174 с.

3. АС СССР № 1404463. МПК C01G49/12. Гаджиев Б.А., Кулиев Т.М., Мехрабов М.А., Мамедов Р.Г, Мамедов М.Ф., Халилова Р.А. 1988.

4. Кекконен Ф.Ф. Химический контроль на магистральных газопроводах и компрессорных станциях. Л. : Недра, 1964. 159 с.

5. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. М.: Мир, 1970. 407 с.

Железо, сульфиды электропроводность — Справочник химика 21





Не только содержащие литий, но и обработанные им сплавы имеют хорошую структуру, пластичность и высокий предел прочности [68]. Поэтому лигатуры лития с Си, Ag, 2п, Са и А1 получили применение при дегазации, раскислении и десульфуризации расплавленных металлов и сплавов на основе Си, 2п, Mg, А1, РЬ, N1, а также на основе бронз, монель-металла и благородных металлов [10, 54]. Широкое применение получили, например, лигатуры лития для обработки меди, в особенности при получении отливок с высокой электропроводностью [10, 54, 69]. Использование лития в лигатурах в цветной металлургии основано на его способности взаимодействовать с водородом, азотом, кислородом (окислы) и серой (сульфиды) с образованием нерастворимых в металлах соединений, легко отделяемых от основного продукта. В отличие от многих добавок литий не оставляет в металлах вредных примесей важно и то, что в ряде случаев литий не растворяется в обрабатываемом металле (железо, медь) или не соединяется с ним. [c.19]







В электролит переходит 90—95% никеля, железа и цинка из анода небольшие количества никеля и железа переходят в шлам в виде сульфидов и пассивных агрегатов. Накопление сульфатов указанных металлов в электролите, во-первых, уменьшает электропроводность последнего во-вторых, участвуя в переносе тока к катоду наряду с ионами меди, но практически не разряжаясь на катоде в присутствии ионов меди, ионы никеля, железа и цинка накапливаются в прикатодном слое, затрудняют подход ионов меди к катоду и снижают их концентрацию у катода. При недостаточном перемешивании и больших плотностях тока могут получаться неплотные осадки меди на катоде. [c.196]

    Кремний применяется в металлургии для получения специальных сталей и многих сплавов. Богатые кремнием сплавы железа используются в технике в качестве кислотоупорного материала В последнее время кремний приобрел значение как полупроводник Как показывает само название, полупроводники занимают по ве личине электропроводности промежуточное положение между про водниками и изоляторами. К полупроводникам относятся некото рые простые вещества, многие сплавы, окислы, сульфиды, селе ниды, теллуриды и другие соединения.  [c.248]

    В настоящее время известны два больших класса стекол с высокой электропроводностью (полупроводниковые). К первому классу относятся бескислородные халькогенидные стекла, состоящие из сульфидов, селенидов и теллуридов фосфора, мышьяка, сурьмы и таллия. Второй класс составляют кислородные стекла, содержащие большие количества окислов ванадия, вольфрама, молибдена, марганца, кобальта, железа, титана. Наилучшими технологическими свойствами (хорошей химической стойкостью, высокой температурой размягчения) обладают силикатные стекла с окислами железа и титана. [c.327]

    Коррозия металлов в неэлектролитах является разновидностью химической коррозии. Органические жидкости не обладающие электропроводностью, исключают возможность протекания электрохимических реакций. К неэлектролитам относятся органические растворители бензол, толуол, четыреххлористый углерод, жидкое топливо (мазут, керосин и бензин) и некоторые неорганические вещества, такие, как бром, расплав серы и жидкий фтористый водород. В этих средах коррозию вызывает химическая реакция между металлом и коррозионной средой. Наибольщее практическое значение имеет коррозия металлов в нефти и ее производных. Коррозионно-актив-ными составляющими нефти являются сера, сероводород, сероуглерод, тиофены, меркаптаны и др. Сероводород образует сульфиды с железом, свинцом, медью, а также со сплавами свинца и меди. При взаимодействии меркаптанов с никелем, серебром, медью, свинцом и со сплавами меди и свинца получаются металлические производные меркаптанов — меркапти-ды. Сера реагирует с медью, ртутью и серебром с образованием сульфидов. [c.15]

    Влияние сераорганических соединений в трансформаторных маслах на их свойства исследовалось изучением электроизоляционных свойств и стабильности самих масел из сернистых нефтей, полученных методами экстракции, гидрирования и адсорбции и сравнением их с маслами из бакинских нефтей, а также изучением влияния введенных сераорганических соедииений на электрические свойства и стабильность трансформаторных масел. Помимо стандартизированных характеристик, определялась стабильность образцов масел по изменению электрических и химических характеристик в процессе их окисления в условиях повышенных те.мператур, в присутствии катализаторон (меди и железа) и без них. Выявлены качественные особенности масел из сернистых нефтей в зависимости от технологического режима их изготовления. Установлено, что сераорганические соединения, входящие ь, остав трансформаторных масел, практически не оказывают влияния на электропроводност и тангенс угла диэлектрических потерь. Влияиие сераорганических соединений на стабильность масел различно и зависит от их химической структуры. Отриительное действие на стабильность оказывает большинство меркаптанов. Сульфиды в основном, мало влияют на антиокислительную стабильность масел. Большинство из них оказывает стабилизирующее действие, хотя некоторые н ускоряют процесс окисления масел. Таблиц 3. Библиографий 4. [c.629]

    Природные поверхностные воды (как и подземные воды зоны активного водообмена) но своему составу, как правило, вполне пригодны непосредственно для питьевых целей. Улучшение органолептических свойств легко достигается на водопроводных станциях процессами коагуляции, фильтрации и окисления, вследствие чего для незагрязненных природных водоисточников объем аналитического контроля мог бы ограничиваться определением мутности (прозрачности) и цветности воды. Требования к качеству воды со стороны промышленных водопользователей зависят от особенностей технологического использования воды, которые и определяют минимально необходимый аналитический контроль исходной воды. Наиболее типично определение состава и качества воды [3]. В водо определяют жесткость, кислотность, мутность, pH, цветность, ш елочность, удельную электропроводность, масла, а также содержание бора, фтора, железа, кальция, натрия, магния, марганца, никеля, меди, свинца, цинка, хрома(VI), орто- и полифосфатов, нитрат-, нитрит-, сульфат-, сульфид-, сульфит-, хлорид-ионов, кремневой кислоты, аммиака, углекислого газа, растворенного кислорода, гидразина, тапнина, лигнина кроме того, определяют вес сухого остатка — до и после фильтрования.  [c.8]

    Следует отметить, что активные угли, выпускаемые в других странах (США, ФРГ, Испания, Италия, ГДР, ПНР, ЧССР, СРР, Голландия, Япония), также контролируют по многим показателятм, принятым для оценки качества отечественных углей. Так, согласно [29], активные угли, выпускаемые фирмами США, как правило, контролируют по кажущейся (насыпной) плотности, фракционному составу, пористости, удельной поверхности, скорости фильтрования, смачиваемости, степени измельчения, температуре воспламенения, электропроводности, влажности, показателю pH, содержанию общей и водорастворимой золы и кислоторастворимых примесей, включающих серу, сульфиды, сульфаты, хлориды, фосфаты, железо, медь, цинк, кальций, магний и кремний. Для оценки сорбционных свойств углей используют один или несколько методов сравнение с эталоном, проверка [c.85]

    Борнеман и Вагенман [40] произвели измерения электропроводности расплавленных штейнов и расплавленных смесей меди с полусернистой медью. Удельное сопротивление чистого сульфида железа (0,000588 ом/см при 1200°) только в 4—5 раз больше сопротивления чистого железа при добавлении сульфида меди к сульфиду железа удельное сопротивление равномерно растет, достигая для чистого сульфида меди 0,0120 ом/см при 1200° эта величина значительно больше, чем у сульфида железа, но тем не менее она во много раз меньше, чем можно было бы ожидать у непроводника. Отсюда можно сделать вывод, что электропроводность медных штейнов имеет преимущественно металлический или ионный-характер к такому же заключению пришел также Савельсберг [41]. [c.28]

    Приборы и реактивы. Прибор для сравнения электропроводности растворов. Бюретка (на 10 мл). Фарфоровая чашка (диам. 3—4 см). Воронка. Колба коническая (емк. 50 мл). Мерная колба. (емк. 50 мл). Пипетки (на 3 лл и 5 мл). Стакан (емк. 50 мл). Сахар (порошок). Хлорид натрия. Мрамор (мелкие кусочки). Ацетат натрия. Хлорид аммония. Цинк. Индикаторы лакмусовая бумага, метиловый оранжевый, фенолфталеин. Растворы соляной кислоты (2 н. 0,1 н.) серной кислоты (2 н.) уксусной кислоты (2 н. 0,1 н.) едкого натра (2н. 0,1 н. титрованный) едкого барита (насыщенный) аммиака (2 и. 0,1 н.) хлорида 1рехвалентного железа (0,5 н.) сульфата меди (0,5 н.) сульфата магния (0,5 н.) сульфата натрия (0,5 н.) силиката натрия (0,5 и.) молибдата аммония хлорида бария (0,5 н.) хлорида кальция (0,5 н.) нитрата серебра (0,1 н.) иодида калия (0,1 и. ) карбоната натрия (0,5 н.) сульфида натрия хлорида аммония (0.5 н.) сульфата аммония (0,5 н.) нитрата серебра (0,1 н. титрованный) хлорида натрия (0,5 н. титрованный). [c.68]

    Как показал Р1. Е. Тамм, в металлах и полупроводниках существуют особые поверхностные электронные уровни, определяющие их поверхностные свойства. Влияние этих уровней на адсорбцию и на электрические свойства поверхности было рассмотрено А. И Ансельмом, выявившим в этом случае роль квантово-механических эффектов. Как показало изучение электропроводности, значительная часть индивидуальных твердых тел и смесей, применяемых в катализе, как, например, окислы железа, ванадия, меди и марганца, сульфиды вольфрама, молибдена и цинка, алюмосиликаты и т. д., являются полупроводниками, о чем долгое время большинство химиков не подозревало, подобно герою известной ньесы Мольера, который до весьма зрелого возраста не подозревал, что говорит прозой. [c.6]

    Адсорбция влаги незначительно влияет иа свойства минералов высокой проводимости. Большее влияние на их своГ Ства оказывает обработка реагентами, в результате которой на поверхности отдельных минералов образуется пленка нового вещества. Поверхностная проводимость минералов в этом случае будет определяться электропроводностью нового образования. Например, электропроводность сфалерита может резко повыситься При покрытии его поверхности пленкой сульфида железа или сернистой меди [c.216]


виды топлива, контроль качества и технологии заправки

Каждый день в мире выполняется более 100 тысяч авиарейсов. В год мировая авиация потребляет около 300 млн тонн топлива. Эти цифры прекрасно отражают масштаб и сложность системы авиатопливообеспечения. Системы, от надежной работы которой во многом зависит безопасность миллионов людей, пользующихся авиатранспортом

Чем заправляют самолеты

Топливо для самолетов бывает двух видов. Поршневые двигатели, которыми оборудуются небольшие самолеты и вертолеты, работают на бензине — так же, как и автомобильные моторы. Правда, по составу такое топливо несколько отличается от автомобильного. Газотурбинные двигатели (турбореактивные и турбовинтовые), которыми сегодня оснащены практически все коммерческие воздушные суда, потребляют топливо для реактивных двигателей, которое также называют авиакеросином.

Основная марка авиакеросина, которым в России заправляют почти все пассажирские, транспортные и военные дозвуковые самолеты и большую часть вертолетов — ТС-1 — топливо сернистое. Оно вырабатывается из нефти с высоким содержанием серы.

В Европе основа системы авиатопливообеспечения — керосин Jet A-1. Он считается более экологичным как раз за счет меньшего содержания серы — при его производстве прямогонная керосино-легроиновая фракция полностью проходит процедуру гидроочистки. Российский авиакеросин — это смесь гидроочищеного и неочищенного прямогонного дистиллятов. В целом же это аналоги — более того, отечественный продукт может использоваться при гораздо более низких температурах, чем «Джет». ТС-1 сегодня наравне с Jet A-1 включен в международные документы и руководства по эксплуатации не только самолетов российского производства, но и лайнеров семейств Airbus и Boeing (правда, только выполняющих полеты по России). Но это авиакеросин для гражданской авиации, не предназначенный для сверхзвуковых самолетов.


«Газпром нефть» запустила НИОКР по созданию неэтилированного авиационного бензина. Вместе с учеными из Всероссийского научно-исследовательского института нефтяной промышленности специалисты компании в 2014 году занялись разработкой рецептуры неэтилированного топлива с октановым числом 91, и сейчас эта работа уже завершена.

Основное авиатопливо для сверхзвуковой авиации — РТ. При его производстве с помощью гидроочистки из нефтяного дистиллята удаляются агрессивные, а также нестабильные соединения, содержащие серу, азот и кислород. При этом повышается термическая стабильность топлива, что крайне важно при полетах на сверхзвуковых скоростях, когда за счет трения о воздух нагревается весь корпус самолета, а вместе с ним и топливо в баках.

Разумеется, РТ, обладающее такими характеристиками, можно использовать и в обычных воздушных судах вместо ТС-1. Для самых же скоростных самолетов применяется авиакеросин Т-6, обладающий еще большей термостабильностью и повышенной плотностью.

Что касается авиабензина, то это, по сути, автомобильное моторное топливо, но с улучшенными свойствами, влияющими на надежность работы двигателя. Именно потребность в повышении детонационной стойкости, октанового числа, сортности, обеспечивающих запас динамических характеристик и надежности, заставляет производителей авиабензина добавлять в него тетраэтилсвинец (этилировать). Из-за токсичности эта присадка давно запрещена при производстве автомобильного бензина, но двигатель самолета работает в гораздо более напряженном режиме, а создать неэтилированный авиабензин, не уступающий по характеристикам этилированному, октановое число которого превышает 92–95, пока не удалось никому.

При этом самым современным и совершенным самолетам и вертолетам с поршневыми двигателями нужен авиабензин с повышенным октановым числом — не меньше 100. Поэтому разработкой экологичных аналогов этилированного авиабензина 100LL (одна из самых востребованных марок в мире) сегодня занимаются ведущие производители и научные центры во всем мире. В том числе подобная программа существует и у «Газпром нефти».


100 тысяч авиарейсов выполняется в мире каждый день

Заправка в крыло

Правильная организация заправки даже одного воздушного судна — процесс сложный и при этом очень ответственный. Инцидентов и катастроф, причиной которых стала некачественно организованная заправка, к сожалению, в истории мировой авиации произошло немало. Достаточно вспомнить аварию 2000 года, когда у Ту-154 авиакомпании «Сибирь», летевшего из Краснодара, при посадке в Новосибирске отказали все три двигателя. Как показало расследование, топливные насосы просто забило частицами эпоксидного покрытия, кустарно нанесенного на внутренние стенки топливозаправщика умельцами одного из краснодарских ремонтных предприятий. Но если в этом случае благодаря профессионализму пилотов обошлось без жертв, то в Иркутске при падении гигантского транспортника Ан-124 на жилые дома в 1997 году погибли 72 человека. Одна из версий причины отказа трех двигателей «Руслана» из четырех — превышение содержания воды в авиационном топливе, которое привело к образованию кристаллов льда, забивших топливные фильтры. Чтобы такого не случалось, весь процесс заправки очень жестко регламентирован, а само топливо проходит несколько проверок качества на пути от нефтеперерабатывающего завода до бака самолета.

Первый этап — выходной контроль на самом НПЗ. Однако качественные характеристики керосина могут измениться при его перевозке в случае несоблюдения всех правил транспортировки. Поэтому при приеме керосина на топливозаправочном комплексе (ТЗК), вне зависимости от того, каким путем оно пришло с завода: по трубе, как в аэропортах московского авиаузла или санкт-петербургском Пулково; железнодорожным или автомобильным транспортом, как это происходит в большинстве воздушных гаваней страны, или, тем более, если керосин проделал долгий путь, включающий и наземные и водные маршруты, как при доставке в отдаленные точки, такие как Чукотка, — обязательно проводится входной контроль. Из каждой партии берутся пробы для лабораторных исследований, а также арбитражная проба, которую сразу опечатывают и хранят на случай возникновения разногласий в оценке качества у разных участников процесса топливообеспечения. Само топливо при закачке в приемные резервуары ТЗК проходит через фильтры с тонкостью фильтрации не более 15 мкм.


Топливо по бакам на современных лайнерах распределяется автоматически с помощью бортового компьютера. Соблюдение баланса крайне важно, так как влияет на центровку самолета. Контролировать же процесс заправки и скорректировать его можно со специальной панели, расположенной рядом с местом подсоединения рукава.

Затем керосин отстаивается в резервуарах, после чего проходит полномасштабную проверку по всем основным параметрам, определенным ГОСТом, таким как плотность, фракционный состав, кислотность, температура вспышки, кинематическая вязкость, концентрация смол, содержание воды и механических примесей, температура начала кристаллизации, взаимодействие с водой, удельная электропроводность. Если экзамен успешно сдан, керосин получает паспорт качества, который становится для топлива пропуском на перрон аэропорта. Правда, перед выдачей для заправки самолета, керосин проходит еще один этап контроля — аэродромный — и еще раз фильтруется, теперь через еще более мелкий фильтр. Проверке подвергается и сама заправочная техника, которую без специального контрольного талона до самолета не допустят.


Заправляют самолеты двумя способами. В крупных современных аэропортах перрон соединен с ТЗК системой центральной заправки, а на самолетных стоянках установлены топливные гидранты. Из них керосин в баки воздушного судна перекачивается через специальные заправочные агрегаты (ЗА). Однако пока все же более распространен другой способ — с помощью цистерн—топливозаправщиков (ТЗ). В свою очередь в ТЗ керосин наливается на пунктах налива — складских или перронных. В зависимости от размера цистерны топливозаправщик может вместить до 60 тысяч литров керосина.

Перед началом закачки топливо еще раз проверяют, правда, без использования лабораторий. Керосин сливается из резервуаров ТЗ в прозрачную банку, и визуально определяется наличие в нем воды, кристаллов льда или осадка. Также проверяется и наличие воды в баках самолета перед заправкой и после нее. Перед подсоединением рукава топливозаправщика к горловине бака и само воздушное судно, и ТЗ обязательно заземляются. В истории бывали случаи, когда разряды статического электричества воспламеняли топливо и вызывали серьезные пожары. Для обеспечения безопасности людей самолеты практически всегда заправляются до посадки в них пассажиров.

Где хранится керосин


Объем топливных баков самого крупного и вместительного до последнего времени пассажирского лайнера Boeing-747 достигает 241 140 л (у последних модификаций). Это позволяет залить около 200 тонн топлива. Более привычные ближне- и среднемагистральные Boeing-737 и Airbus A-320 могут принять по 15–25 тонн.

В большинстве самолетов топливо размещается в крыльях и баке, расположенном в центральной части самолета. На некоторых моделях еще один бак есть в хвосте или стабилизаторе — для утяжеления задней части самолета и облегчения взлета, а также для регулировки центровки самолета в полете.

Сначала топливо вырабатывается из внутренних отсеков крыла, затем из концевых. Однако непосредственно к двигателям керосин поступает только из одного бака — расходного (как правило, центрального), куда перекачивается изо всех остальных емкостей.

Для того чтобы предотвратить снижение давления при расходе топлива и прекращения его подачи в топливную систему, все баки сообщаются с атмосферой с помощью специальных дренажных баков в концевой части крыла. Попадающий в них забортный воздух замещает объем израсходованного горючего.

Топливо по бакам на современных лайнерах распределяется автоматически с помощью бортового компьютера. Соблюдение баланса крайне важно, так как влияет на центровку самолета, нарушение которой может привести к самым печальным последствиям, вплоть до катастрофы. Контролировать же процесс заправки и скорректировать его в случае необходимости можно со специальной панели, расположенной рядом с местом подсоединения рукава.

Сам оператор топливозаправщика в процессе заправки держит в руке специальный прибор контроля Deadman, кнопку которого необходимо нажимать через определенные промежутки времени. Если этого не происходит, заправка прекращается — система воспринимает пропуск в нажатии как нештатную ситуацию. Как только заданное количество керосина попало в баки, автоматика отключает подачу топлива, и заполняются документы, фиксирующие результаты заправки.

Автоматизация по всем направлениям

Постоянно автоматизируется не только сам процесс того, как заправляют самолеты. Именно в этом направлении развивается и вся система авиатопливообеспечения. Уже сегодня клиенты лидеров мирового рынка в этом сегменте могут в онлайн-режиме заказать заправку своего самолета в любом аэропорту присутствия топливного оператора. Такую схему развивает, например, Air Total International, свою интегрированную облачную систему управления топливозаправкой создает и Air BP, причем делает он это совместно с глобальным центром планирования полетов RocketRoute, в платформу которого интегрируются данные о топливозаправочной сети по всему миру.

В этом же направлении двигается «Газпромнефть-Аэро» в рамках реализации программы «Цифровой ТЗК».


241 тыс. л — объем топливных баков одного из самых крупных и вместительных в настоящее время пассажирских лайнеров Boeing-747

Сам процесс заправки по такой схеме выглядит как кадр из фантастического фильма. К лайнеру на стоянке подъезжает ТЗ, пилот, как на обычной АЗС, платит за топливо пластиковой картой с помощью мобильного терминала, которым оборудован топливозаправщик. Водитель ТЗ с планшета оформляет и распечатывает документы, подтверждающие факт заправки для пилота — уже через 10 минут в офис авиакомпании приходят необходимые финансовые документы, а баки самолета заполняются топливом.

Наличие такой системы, очевидно, повышает конкурентоспособность топливных операторов, так как значительно упрощает и оптимизирует процесс планирования полетов их клиентам — авиакомпаниям.


Биокеросин производят из биомассы с помощью процесса Фишера — Тропша, из растительного масла, создают горючее для самолетов и на основе этилового спирта. Биокомпоненты в разных пропорциях (максимум 50 50) смешиваются с обычным авиакеросином, что позволяет сократить объем выбросов углекислого газа в атмосферу почти на 50%.

Зеленый керосин

Еще одно направление развития авиатопливного рынка совпадает с вектором движения рынка автомобильного — это снижение уровня вредных выбросов в атмосферу. Главная технология здесь — создание более чистого топлива, в первую очередь за счет разработки и использования биокомпонентов.

На сегодня процедуру сертификации прошли несколько технологий производства авиационного биотоплива. Биокеросин производят из биомассы с помощью процесса Фишера — Тропша*, из растительного масла, создают горючее для самолетов и на основе этилового спирта. Биокомпоненты в разных пропорциях (максимум 50×50) смешиваются с обычным авиакеросином, что позволяет сократить объем выбросов углекислого газа в атмосферу почти на 50 %. При этом конечный продукт по химическому составу эквивалентен традиционному авиатопливу, и его применение не влияет на эксплуатационные характеристики самолетов.

Одним из первых коммерческие заправки биотопливом начал аэропорт норвежского Осло, а пионером в использовании экологичного керосина стала немецкая Lufthansa. Использование биотоплива одобрено Федеральной авиационной администрацией США (FAA), им уже заправляют свои самолеты в США несколько десятков авиакомпаний.

Но у развития этого направления есть одно но — производство биотоплива пока слишком дорого, поэтому сегодня, во времена низких цен на нефть, оно не может на равных конкурировать с обычным «Джетом», а тем более с ТС-1.

Полезные дополнения

Авиакеросин, как правило, не используется в чистом виде. Для улучшения его характеристик используются различные присадки. Основные из них:

Противодокристаллизационная (ПВК-жидкость): наиболее известная присадка этого типа — жидкость «И-М». При полете на большой высоте топливо охлаждается до очень низких температур (от −30°С до −45°С). В таких условиях вода, содержащаяся в топливе, кристаллизуется, частицы льда могут забить фильтры, и двигатель остановится. Присадки эффективно решают эту проблему.

Антистатическая: увеличивает электропроводность топлива, снижая при этом активность накопления статического электричества в топливной системе и, соответственно, риск возникновения пожара.

Антиокислительная: борется с окислением топлива и отложением смолистых образований в топливной системе и двигателе.

Противоизносная: увеличивает срок эксплуатации механизмов топливной системы.

* Процесс Фишера — Тропша — химическая реакция, происходящая в присутствии катализатора, в которой монооксид углерода (CO) и водород h3 преобразуются в различные жидкие углеводороды. Обычно используются катализаторы, содержащие железо и кобальт. Принципиальное значение этого процесса — производство синтетических углеводородов

Железо. Химия железа и его соединений

Положение железа в периодической системе химических элементов
Электронное строение железа
Физические свойства
Нахождение в природе
Способы получения
Качественные реакции
Химические свойства
1. Взаимодействие с простыми веществами
1.1. Взаимодействие с галогенами
1.2. Взаимодействие с серой
1.3. Взаимодействие с фосфором
1.4. Взаимодействие с азотом
1.5. Взаимодействие с углеродом
1.6. Горение
2. Взаимодействие со сложными веществами
2.1. Взаимодействие с водой
2.2. Взаимодействие с минеральными кислотами
2.3. Взаимодействие с серной кислотой
2.4. Взаимодействие с азотной кислотой
2.5. Взаимодействие с сильными окислителями
2.6. Взаимодействие с оксидами и солями

Оксид железа (II)
 Способы получения
 Химические свойства
1. Взаимодействие с кислотными оксидами
2. Взаимодействие с кислотами
3. Взаимодействие с водой
4. Взаимодействие с окислителями
5. Взаимодействие с кислотами
6. Взаимодействие с восстановителями

Оксид железа (III)
 Способы получения
 Химические свойства
1. Взаимодействие с кислотными оксидами и кислотами 
2. Взаимодействие с щелочами и основными оксидами
3. Взаимодействие с водой
4. Взаимодействие с окислителями
5. Окислительные свойства оксида железа (III)

6. Взаимодействие с солями более летучих кислот

Оксид железа (II, III)
 Способы получения
 Химические свойства
1. Взаимодействие с кислотными оксидами и кислотами 
2. Взаимодействие с сильными кислотами-окислителями
3. Взаимодействие с водой
4. Взаимодействие с окислителями
5. Окислительные свойства оксида железа (II, III)

Гидроксид железа (II)
 Способы получения
 Химические свойства
1. Взаимодействие с кислотами
2. Взаимодействие с кислотными оксидами
3. Восстановительные свойства 
4. Разложение при нагревании

Гидроксид железа (III)
 Способы получения
 Химические свойства
1. Взаимодействие с кислотами
2. Взаимодействие с кислотными оксидами
3. Взаимодействие с щелочами 
4. Разложение при нагревании

Соли железа

Железо

Положение в периодической системе химических элементов

Элемент железо расположен в побочной подгруппе VIII группы  (или в 8 группе в современной форме ПСХЭ) и в четвертом периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение атома железа

Электронная конфигурация  железа в основном состоянии:

+26Fe 1s22s22p63s23p64s23d6

Железо проявляет ярко выраженные магнитные свойства.

Физические свойства

Железо – металл серебристо-белого цвета, с высокой химической активностью и высокой ковкостью. Обладает высокой тепло- и электропроводностью.

(изображение с портала vchemraznica.ru)

Температура плавления 1538оС, температура кипения 2861оС.

Нахождение в природе

Железо довольно распространено в земной коре (порядка 4% массы земной коры). По распространенности на Земле железо занимает 4-ое место среди всех элементов и 2-ое место среди металлов. Содержание в земной коре  — около 8%.

В природе железо в основном встречается в виде соединений:

Красный железняк Fe2O3 (гематит).

(изображение с портала karatto.ru)

Магнитный железняк Fe3O4 или FeO·Fe2O3 (магнетит).

(изображение с портала emchi-med.ru)

В природе также широко распространены сульфиды железа, например,  пирит FeS2.

(изображение с портала livemaster.ru)

Встречаются и другие минералы, содержащие железо.

Способы получения

Железо в промышленности получают из железной руды, гематита Fe2O3  или магнетита (Fe3O4или FeO·Fe2O3).

1. Один из основных способов производства железа – доменный процесс. Доменный процесс основан на восстановлении железа из оксида углеродом в доменной печи.

В печь загружают руду, кокс и флюсы.

Шихта – смесь исходных материалов, а в некоторых случаях и топлива в определённой пропорции, которую обрабатывают в печи.

Каменноугольный кокс – это твёрдый пористый продукт серого цвета, получаемый путем коксования каменного угля при температурах 950—1100 °С без доступа воздуха. Содержит 96—98 % углерода.

Флюсы – это неорганические вещества, которые добавляют к руде при выплавке металлов, чтобы снизить температуру плавления и легче отделить металл от пустой породы.

Шлак – расплав (а после затвердевания – стекловидная масса), покрывающий поверхность жидкого металла. Шлак состоит из всплывших продуктов пустой породы с флюсами и предохраняет металл от вредного воздействия газовой среды печи, удаляет примеси.

В печи кокс окисляется до оксида углерода (II):

2C   +  O  →  2CO

Затем нагретый угарный газ восстанавливает оксид железа (III):

3CO   +  Fe2O3    →   3CO2    +   2Fe

Процесс получения железа – многоэтапный и зависит от температуры.

Наверху, где температура обычно находится в диапазоне между 200 °C и 700 °C, протекает следующая реакция:

3Fe2O3    +   CO   →    2Fe3O4      +    CO2

Ниже в печи, при температурах приблизительно 850 °C, протекает восстановление смешанного оксида железа (II, III)  до оксида железа (II):

Fe3O4   +   CO   →   3FeO   +   CO2

Встречные потоки газов разогревают шихту, и происходит разложение известняка:

CaCO3    →    CaO    +       CO2

Оксид железа (II) опускается в область с более высоких температур (до 1200oC), где протекает следующая реакция:

FeO   +   CO   →   Fe   +   CO2

Углекислый газ поднимается вверх и реагирует с коксом, образуя угарный газ:

CO2   +    C   →    2CO

(изображение с портала 900igr.net)

2. Также железо получают прямым восстановлением из оксида водородом:

Fe2O3    +   3H2   →    2Fe      +    3H2O

При этом получается более чистое железо, т.к.  получаемое железо не загрязнено серой и фосфором, которые являются примесями в каменном угле.

3. Еще один способ получения железа в промышленности – электролиз растворов солей железа.

Качественные реакции

Качественные реакции на ионы железа +2.

– взаимодействие солей железа (II) с щелочами. При этом образуется серо-зеленый студенистый осадок гидроксида железа (II).

Например, хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом натрия:

2NaOH  +   FeCl2    →    Fe(OH)2   + 2NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора сульфата железа (II) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.

Гидроксид железа (II) на воздухе буреет, так как окисляется до гидроксида железа (III):

4Fe(OH)2   +    O2   +   2H2O    →   4Fe(OH)3

– ионы железа +2 окрашивают раствор в светлый желто-зеленый цвет.

– взаимодействие с красной кровяной солью K3[Fe(CN)6] – также качественная реакция на ионы железа +2. При этом образуется синий осадок «турнбулева синь».

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (II) с раствором гексацианоферрата (III) калия (качественная реакция на ионы железа (II)) можно посмотреть здесь.

Качественные реакции на ионы железа +3

– взаимодействие солей железа (III) с щелочами. При этом образуется бурый осадок гидроксида железа (III).

Например, хлорид железа (III) реагирует с гидроксидом натрия:

3NaOH  +   FeCl3    →    Fe(OH)3   + 3NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гидроксида натрия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

– ионы железа +3 окрашивают раствор в светлый желто-оранжевый цвет.

– взаимодействие с желтой кровяной солью K4[Fe(CN)6] ионы железа +3. При этом образуется синий осадок «берлинская лазурь».

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором гексацианоферрата (II) калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

В последнее время получены данные, которые свидетельствуют, что молекулы берлинской лазури идентичны по строению молекулам турнбулевой сини. Состав молекул обоих этих веществ можно выразить формулой Fe4[Fe2(CN)6]3.

–  при взаимодействии солей железа (III) с роданидами раствор окрашивается в кроваво-красный цвет.

Например, хлорид железа (III) взаимодействует с роданидом натрия:

FeCl3   +    3NaCNS   →   Fe(CNS)3   +  3NaCl

Видеоопыт взаимодействия раствора хлорида железа (III) с раствором роданида калия (качественная реакция на ионы железа (III)) можно посмотреть здесь.

Химические свойства

1. При обычных условиях железо малоактивно, но при нагревании, в особенности в мелкораздробленном состоянии, оно становится активным и реагирует почти со всеми неметаллами.

1.1. Железо реагирует с галогенами с образованием галогенидов. При этом активные неметаллы (фтор, хлор и бром) окисляют железо до степени окисления +3:

2Fe  +  3Cl2  → 2FeCl3

Менее активный йод окисляет железо до степени окисления +2:

Fe  +  I2  →  FeI2

1.2. Железо реагирует с серой с образованием сульфида железа (II):

Fe  +  S   →  FeS

1.3. Железо реагирует с фосфором. При этом образуется бинарное соединения – фосфид железа:

Fe  +  P   →   FeP

1.4. С азотом железо реагирует в специфических условиях с образованием нитрида дижелеза:

4Fe  +  N2  →  2Fe2N

1.5. Железо реагирует с углеродом и кремнием с образованием карбида и силицида:

3Fe  +  C   →   Fe3C

1.6. При взаимодействии с кислородом железо образует окалину – двойной оксид железа (II, III):

3Fe  +  2O2  →  Fe3O4

При пропускании кислорода через расплавленное железо возможно образование оксида железа (II):

2Fe  +  O2  →  2FeO

2. Железо взаимодействует со сложными веществами.

2.1. При обычных условиях железо с водой практически не реагирует. Раскаленное железо может вступать в реакцию при температуре 700-900оС с водяным паром:

3Fe0 + 4H2+O  →  Fe+33O4 + 4H20

В воде в присутствии кислорода или во влажном воздухе железо медленно окисляется (корродирует):

4Fe  +  3O2   +   6H2O    →   4Fe(OH)3

2.2. Железо взаимодействуют с минеральными кислотами (с соляной, фосфорной и разбавленной серной кислотой). При этом образуются соль железа со степенью окисления +2 и водород.

Например, железо бурно реагирует с соляной кислотой:

Fe + 2HCl   →   FeCl2  +  H2

2.3. При обычных условиях железо не реагирует с концентрированной серной кислотой из-за пассивации – образования плотной оксидной пленки. При нагревании реакция идет, образуются оксид серы (IV), сульфат железа (III) и вода:

2Fe + 6H2SO4(конц.)   →  Fe2(SO4)3 + 3SO2 + 6H2O

2.4. Железо не реагирует при обычных условиях с концентрированной азотной кислотой также из-за пассивации. При нагревании реакция идет с образованием нитрата железа (III), оксида азота (IV) и воды:

Fe  +  6HNO3(конц.)   →   Fe(NO3)3  +  3NO2↑   +  3H2O

С разбавленной азотной кислотой железо реагирует с образованием оксида азота (II):

Fe   +  4HNO3(разб.гор.)  →   Fe(NO3)3  +  NO  +  2H2O

При взаимодействии железа с очень разбавленной азотной кислотой образуется нитрат аммония:

8Fe  +  30HNO3(оч. разб.)  →  8Fe(NO3)3   +   3NH4NO3   +  9H2O

2.5. Железо может реагировать с щелочными растворами или расплавами сильных окислителей. При этом железо окисляет до степени окисления +6, образуя соль (феррат).

Например, при взаимодействии железа с расплавом нитрата калия в присутствии гидроксида калия железо окисляется до феррата калия, а азот восстанавливается либо до нитрита калия, либо до аммиака:

Fe  +  2KOH  +  3KNO3  →   3KNO2   +  K2FeO4  +  H2O

2.6. Железо восстанавливает менее активные металлы из оксидов и солей.

Например, железо вытесняет медь из сульфата меди (II). Реакция экзотермическая:

Fe  +  CuSO4  →   FeSO4  +  Cu

Еще пример: простое вещество железо восстанавливает железо до степени окисления +2  при взаимодействии с соединениями железа +3:

2Fe(NO3)3   +  Fe  → 3Fe(NO3)2

2FeCl3  +  Fe  → 3FeCl2

Fe2(SO4)3   +  Fe  →   3FeSO4

Оксид железа (II)

Оксид железа (II) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.

Способы получения

Оксид железа (II) можно получить различными методами:

1. Частичным восстановлением оксида железа (III).

Например,  частичным восстановлением оксида железа (III) водородом:

 Fe2O3   +   H2   →   2FeO   +  H2O

Или частичным восстановлением оксида железа (III) угарным газом:

 Fe2O3   +   CO   →   2FeO   +  CO2

Еще один пример: восстановление оксида железа (III) железом:

 Fe2O3   +   Fe   →   3FeO

2. Разложение гидроксида железа (II) при нагревании:

Fe(OH)2   →   FeO   +  H2O

Химические свойства

Оксид железа (II) — типичный основный оксид.

1. При взаимодействии оксида железа (II) с кислотными оксидами образуются соли.

Например, оксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI):

FeO  +  SO3   →   FeSO4

2. Оксид железа (II) взаимодействует с растворимыми кислотами. При этом также образуются соответствующие соли.

Например, оксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой:

FeO  +  2HCl  → FeCl+  H2O

3. Оксид железа (II) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (II) малоустойчив, и легко окисляется до соединений железа (III).

Например, при взаимодействии с концентрированной азотной кислотой образуются нитрат железа (III), оксид азота (IV) и вода:

FeO  +  4HNO3(конц.)   →   NO2  +  Fe(NO3)3  +  2H2O

При взаимодействии с разбавленной азотной кислотой образуется оксид азота (II). Реакция идет при нагревании:

3FeO  +  10HNO3(разб.)   →   3Fe(NO3)3  +  NO  +  5H2O

5. Оксид железа (II) проявляет слабые окислительные свойства.

Например, оксид железа (II) реагирует с угарным газом при нагревании:

FeO   +   CO  →   Fe   +  CO2

Оксид железа (III)

Оксид железа (III) – это твердое, нерастворимое в воде вещество красно-коричневого цвета.

Способы получения

Оксид железа (III) можно получить различными методами:

1. Окисление оксида железа (II) кислородом.

 4FeO   +   O2   →   2Fe2O3

2. Разложение гидроксида железа (III) при нагревании:

2Fe(OH)3   →   Fe2O3   +  3H2O

Химические свойства

Оксид железа (III) – амфотерный.

1. При взаимодействии оксида железа (III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли.

Например, оксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой:

Fe2O3  +  6HNO3   →  2Fe(NO3)3  +  3H2O

2. Оксид железа (III) взаимодействует с щелочами и основными оксидами. Реакция протекает в расплаве, при этом образуется соответствующая соль (феррит).

Например, оксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом натрия:

Fe2O3  +  2NaOH   →   2NaFeO2  +  H2O

3. Оксид железа (III) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI).

Например, хлорат калия в щелочной среде окисляет оксид железа (III) до феррата:

Fe2O3  +  KClO3  +  4KOH   →  2K2FeO4  +  KCl  +  2H2O

Нитраты и нитриты в щелочной среде также окисляют оксид железа (III):

Fe2O3  +  3KNO3  +  4KOH   →  2K2FeO4  +  3KNO2  +  2H2O

5. Оксид железа (III) проявляет окислительные свойства.

Например, оксид железа (III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II) или железной окалины:

Fe2O3  +  3СO  →  2Fe  +  3CO2

Также оксид железа (III) восстанавливается водородом:

Fe2O3  +  3Н2  →  2Fe  +  3H2O

Железом можно восстановить оксид железа только до оксида железа (II):

Fe2O3  +  Fe   →  3FeO

Оксид железа (III) реагирует с более активными металлами.

Например, с алюминием (алюмотермия):

Fe2O3  +  2Al  →  2Fe  +  Al2O3

Оксид железа (III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями.

Например, с гидридом натрия:

Fe2O3  +  3NaH  →  3NaOH  +  2Fe

6. Оксид железа (III) – твердый, нелетучий  и амфотерный. А следовательно, он вытесняет более летучие оксиды (как правило, углекислый газ) из солей при сплавлении.

Например, из карбоната натрия:

Fe2O3  +  Na2CO3 → 2NaFeO+  CO2

Оксид железа (II, III)

Оксид железа (II, III) (железная окалина, магнетит) – это твердое, нерастворимое в воде вещество черного цвета.

Фото с сайта wikipedia.ru

Способы получения

Оксид железа (II, III) можно получить различными методами:

1. Горение железа на воздухе:

3Fe  +  2O2  →  Fe3O4

2. Частичное восстановление оксида железа (III) водородом или угарным газом:

3Fe2O3  +  Н2  →  2Fe3O4  +  H2O

3. При высокой температуре раскаленное железо реагирует с водой, образуя двойной оксид железа (II, III):

3Fe  +  4H2O(пар)  → Fe3O4  +  4H2

Химические свойства

Свойства оксида железа (II, III) определяются свойствами двух оксидов, из которых он состоит: основного оксида железа (II) и амфотерного оксида железа (III).

1. При взаимодействии оксида железа (II, III) с кислотными оксидами и кислотами образуются соли железа (II) и железа (III).

Например, оксид железа (II, III) взаимодействует с соляной кислотой. При это образуются две соли – хлорид железа (II) и хлорид железа (III):

Fe3O4  +  8HCl  →   FeCl2  +  2FeCl3  +  4H2O

Еще пример: оксид железа (II, III) взаимодействует с разбавленной серной кислотой.

Fe3O4   +  4H2SO4(разб.)  →  Fe2(SO4)3  +  FeSO4  +  4Н2О

2. Оксид железа (II, III) взаимодействует с сильными кислотами-окислителями (серной-концентрированной и азотной).

Например, железная окалина окисляется концентрированной азотной кислотой:

Fe3O4  +  10HNO3(конц.) →  NO2↑  +  3Fe(NO3)3  +  5H2O

Разбавленной азотной кислотой окалина окисляется при нагревании:

 3Fe3O4   +  28HNO3(разб.) →  9Fe(NO3)3   +   NO   +  14H2O

Также оксид железа (II, III) окисляется концентрированной серной кислотой:

2Fe3O4   +  10H2SO4(конц.)  →  3Fe2(SO4)3  +  SO2   +   10H2O

Также окалина окисляется кислородом воздуха:

4Fe3O4  +  O2(воздух)  →  6Fe2O3

3. Оксид железа (II, III) не взаимодействует с водой.

4. Оксид железа (II, III) окисляется сильными окислителями до соединений железа (VI), как и прочие оксиды железа (см. выше).

5. Железная окалина проявляет окислительные свойства.

Например, оксид железа (II, III) реагирует с угарным газом при нагревании. При этом возможно восстановление как до чистого железа, так и до оксида железа (II):

Fe3O4  +  4CO  →  3Fe  +  4CO2

Также железная окалина восстанавливается водородом:

Fe3O4   +  4H2  →  3Fe   +   4H2O

Оксид железа (II, III) реагирует с более активными металлами.

Например, с алюминием (алюмотермия):

3Fe3O4  +  8Al  →  9Fe  +  4Al2O3

Оксид железа (II, III) реагирует также с некоторыми другими сильными восстановителями (йодидами и сульфидами).

Например, с йодоводородом:

Fe3O4  +  8HI  →  3FeI2  +  I2  +  4H2O

Гидроксид железа (II)

Способы получения

1. Гидроксид железа (II) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (II).

Например, хлорид железа (II) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (II) и хлорида аммония:

FeCl2   +   2NH3   +   2H2O  →  Fe(OH)2   +   2NH4Cl

2. Гидроксид железа (II) можно получить действием щелочи на соли железа (II).

Например, хлорид железа (II) реагирует с гидроксидом калия с образованием гидроксида железа (II) и хлорида калия:

FeCl2 + 2KOH  →  Fe(OH)2↓ + 2KCl

Химические свойства

1. Гидроксид железа (II) проявляется основные свойства, а именно реагирует с кислотами. При этом образуются соответствующие соли.

Например, гидроксид железа (II) взаимодействует с соляной кислотой с образованием хлорида железа (II):

Fe(OH)2  +  2HCl →  FeCl2  +  2H2O

Fe(OH)2  +  H2SO4  → FeSO4  +  2H2O

Fe(OH)2  +  2HBr →  FeBr2  +  2H2O

2. Гидроксид железа (II) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот.

Например, гидроксид железа (II) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (II):

Fe(OH)2 + SO3  →   FeSO4 + 2H2O

3. Гидроксид железа (II) проявляет сильные восстановительные свойства, и реагирует с окислителями. При этом образуются соединения железа (III).

Например, гидроксид железа (II) взаимодействует с кислородом в присутствии воды:

4Fe(OH)2  +  O2  +  2H2O  →   4Fe(OH)3

Гидроксид железа (II) взаимодействует с пероксидом водорода:

2Fe(OH)2   +  H2O  →  2Fe(OH)3

При растворении Fe(OH)2  в азотной или концентрированной серной кислотах образуются соли железа (III):

2Fe(OH)2  +  4H2SO4(конц.)  → Fe2(SO4)3  +  SO2  +  6H2O

4. Гидроксид железа (II) разлагается при нагревании:

Fe(OH)2  →  FeO  +  H2O

Гидроксид железа (III)

Способы получения

1. Гидроксид железа (III) можно получить действием раствора аммиака на соли железа (III).

Например, хлорид железа (III) реагирует с водным раствором аммиака с образованием гидроксида железа (III) и хлорида аммония:

FeCl3 + 3NH3 + 3H2O = Fe(OH)3 + 3NH4Cl

2. Окислением гидроксида железа (II) кислородом или пероксидом водорода:

4Fe(OH)2  +  O2  +  2H2O  →   4Fe(OH)3

2Fe(OH)2   +  H2O  →  2Fe(OH)3

3. Гидроксид железа (III) можно получить действием щелочи на раствор соли железа (III).

Например, хлорид железа (III) реагирует с раствором гидроксида калия с образованием гидроксида железа (III) и хлорида калия:

FeCl3 + 3KOH    →   Fe(OH)3↓ + 3KCl

Видеоопыт получения гидроксида железа (III) взаимодействием хлорида железа (III) и гидроксида калия можно посмотреть здесь.

4. Также гидроксид железа (III) образуется при взаимодействии растворимых солей железа (III) с растворами карбонатов и сульфитов. Карбонаты и сульфиты железа (III) необратимо гидролизуются в водном растворе.

Например: бромид железа (III) реагирует с карбонатом натрия. При этом выпадает осадок гидроксида железа (III), выделяется углекислый газ и образуется бромид натрия:

2FeBr3  +  3Na2CO3  + 3H2O  =  2Fe(OH)3↓  +  CO2↑ +  6NaBr

Но есть исключение! Взаимодействие солей железа (III) с сульфитами в ЕГЭ по химии — окислительно-восстановительная реакция. Соединения железа (III) окисляют сульфиты, а также сульфиды и иодиды.

Взаимодействие хлорида железа (III) с сульфитом, например, калия — очень интересная реакция. Во-первых, в некоторых источниках указывается, что в ней таки может протекать необратимый гидролиз. Но для ЕГЭ лучше считать, что при этом протекает ОВР. Во-вторых, ОВР можно записать в разных видах:

2FeCl3  +  Na2SO3  + H2O =  2FeCl2  +  Na2SO4  + 2HCl

Также допустима такая запись:

2FeCl3  +  Na2SO3 + H2O =  FeSO4  +  2NaCl  + FeCl2 + 2HCl

Химические свойства

1. Гидроксид железа (III) проявляет слабовыраженные амфотерные свойства, с преобладанием основных. Как основание, гидроксид железа (III) реагирует с растворимыми кислотами.

Например, гидроксид железа (III) взаимодействует с азотной кислотой с образованием нитрата железа (III):

Fe(OH)3 + 3HNO3 → Fe(NO3)3 + 3H2O

Fe(OH)3  +  3HCl →  FeCl3  +  3H2O

2Fe(OH)3  +  3H2SO4  → Fe2(SO4)3  +  6H2O

Fe(OH)3  +  3HBr →  FeBr3  +  3H2O

2. Гидроксид железа (III) взаимодействует с кислотными оксидами сильных кислот.

Например, гидроксид железа (III) взаимодействует с оксидом серы (VI) с образованием сульфата железа (III):

2Fe(OH)3 + 3SO3 → Fe2(SO4)3 + 3H2O

3. Гидроксид железа (III) взаимодействует с растворимыми основаниями (щелочами). При этом в расплаве образуются соли—ферриты, а в растворе реакция практически не идет. При этом гидроксид железа (III) проявляет кислотные свойства.

Например, гидроксид железа (III) взаимодействует с гидроксидом калия в расплаве с образованием феррита калия и воды:

KOH  +  Fe(OH)3  → KFeO+ 2H2O

4. Гидроксид железа (III) разлагается при нагревании:

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O

Видеоопыт взаимодействия гидроксида железа (III) с соляной кислотой можно посмотреть здесь.

Соли железа

Нитраты железа

Нитрат железа (II) при нагревании разлагается на оксид железа (III), оксид азота (IV)  и кислород:

4Fe(NO3)2 → 2Fe2O3  +  8NO2  +   O2

Нитрат железа (III) при нагревании разлагается также на оксид железа (III), оксид азота (IV)  и кислород:

4Fe(NO3)3 → 2Fe2O3  +  12NO2  +   3O2

Гидролиз солей железа

Растворимые соли железа, образованные кислотными остатками сильных кислот гидролизуются по катиону. Гидролиз протекает ступенчато и обратимо, т.е. частично:

I ступень: Fe3+ +  H2O  ↔  FeOH2+ + H+

II ступень: FeOH2+ + H2O ↔ Fe(OH)2+ + H+

III ступень: Fe(OH)2+ + H2O ↔ Fe(OH)+ H+

Однако  сульфиты и карбонаты железа (III) и их кислые соли гидролизуются необратимо, полностью, т.е. в водном растворе не существуют, а разлагаются водой:

Fe2(SO4)3  +  6NaHSO3  → 2Fe(OH)3  +  6SO2  +  3Na2SO4

2FeBr3  +  3Na2CO3  + 3H2O →  2Fe(OH)3↓  +  CO2↑ +  6NaBr

2Fe(NO3)3  +  3Na2CO3  +  3H2O →  2Fe(OH)3↓  +  6NaNO3  +  3CO2

2FeCl3  +  3Na2CO3  +  3H2O → 2Fe(OH)3↓  +  6NaCl  +  3CO2

Fe2(SO4)3  +  3K2CO3  +  3H2O →  2Fe(OH)3↓  +  3CO2↑  +  3K2SO4

При взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает ОВР:

2FeCl3  +  3Na2S  →  2FeS  +  S  +  6NaCl

Более подробно про гидролиз можно прочитать в соответствующей статье.

Окислительные свойства железа (III)

Соли железа (III) под проявляют довольно сильные окислительные свойств. Так, при взаимодействии соединений железа (III) с сульфидами протекает окислительно-восстановительная реакция.

Например: хлорид железа (III) взаимодействует с сульфидом натрия. При этом образуется сера, хлорид натрия и либо черный осадок сульфида железа (II) (в избытке сульфида натрия), либо хлорид железа (II) (в избытке хлорида железа (III)):

2FeCl3  +  3Na2S  →   2FeS  +  S  +  6NaCl

2FeCl3  +  Na2S  →   2FeCl2  +  S   +  2NaCl

По такому же принципу соли железа (III) реагируют с сероводородом:

2FeCl3  +  H2S  →   2FeCl2  +  S   +  2HCl

Соли железа (III) также вступают в окислительно-восстановительные реакции с йодидами.

Например, хлорид железа (III) взаимодействует с йодидом калия. При этом образуются хлорид железа (II), молекулярный йод и хлорид калия:

2FeCl3  +  2KI    →   2FeCl2  +  I2   +  2KCl

Интерес представляют также реакции солей железа (III) с металлами. Мы знаем, что более активные металлы вытесняют из солей менее активные металлы. Иначе говоря, металлы, которые стоят в электрохимическом ряду левее, могут взаимодействовать с солями металлов, которые расположены в этом ряду правее. Исходя из этого правила, соли железа могут взаимодействовать только с металлами, которые расположены до железа. И они взаимодействуют.

Однако, соли железа со степенью окисления +3 в этом ряду являются небольшим исключением. Ведь для железа характерны две степени окисления: +2 и +3. И железо со степенью окисления +3 является более сильным окислителем. Таким образом, условно говоря, железо со степенью окисления +3 расположено в ряду активности после меди. И соли железа (III) могут реагировать еще и с металлами, которые расположены правее железа! Но до меди, включительно. Вот такой парадокс.

И еще один момент. Соединения железа (III) с этими металлами реагировать будут, а вот соединения железа (II) с ними реагировать не будут. Таким образом, металлы, расположенные в ряду активности между железом и медью (включая медь) при взаимодействии с солями железа (III) восстанавливают железо до степени окисления +2. А вот металлы, расположенные до железа в ряду активности, могут восстановить железо и до простого вещества.

Например, хлорид железа (III) взаимодействует с медью. При этом образуются хлорид железа (II) и хлорид меди (II):

2FeCl3   +  Cu  →   2FeCl2   +   CuCl2

А вот реакция нитрата железа (III) с цинком протекает уже по привычному механизму. И железо восстанавливается до простого вещества:

2Fe(NO3)3   +   3Zn  →  2Fe  +   3Zn(NO3)2

Реакция железа и серы | Эксперимент

Этот демонстрационный или классный эксперимент показывает экзотермическую реакцию двух элементов, железа и серы, с образованием соединения, сульфида железа. Два твердых вещества смешиваются и нагреваются в пробирке (или запальной трубке). Реакция может использоваться для иллюстрации элементов, смесей и соединений.

Эта реакция может быть проведена в качестве демонстрации или классного эксперимента в хорошо вентилируемой лаборатории при условии строгого соблюдения приведенных здесь инструкций.

Реакция может проводиться студентами в пробирках из боросиликатного стекла в качестве демонстрации или в пробирках меньшего размера (зажигание). Реакция дает возможность показать, что свойства соединения отличаются от составляющих его элементов.

Реакцию нельзя проводить на оловянных крышках в открытой лаборатории, как это предлагается в некоторых источниках. Сера может кипеть или гореть с выделением диоксида серы, который является ТОКСИЧНЫМ и КОРРОЗИОННЫМ газом и может вызвать приступ астмы.

Постройте план урока на основе этого эксперимента

Этот эксперимент можно использовать как часть плана урока для детей 11–14 лет, используя модели частиц для описания происходящих химических изменений — см. Взаимодействие железа и серы для изучения соединений.

Оборудование

Аппарат

  • Защита глаз
  • Весы (1 или 2 знака после запятой)
  • Для демонстрации учителю понадобятся:
    • Пробирка из боросиликатного стекла (например, Pyrex)
    • Горелка Бунзена
    • Термостойкий мат
    • Зажим стойки и зажим
    • Шпатели x2
    • Маленький стержневой магнит
    • Стекло для часов
    • Фильтровальная бумага (2 части или используйте 2 лодки для взвешивания)
    • Минеральная вата (или минеральное волокно)
  • Для проведения практических занятий каждой группе студентов потребуется:
    • Подготовленная запальная трубка (примечание 1)
    • Горелка Бунзена
    • Термостойкий мат
    • Щипцы для пробирок

Аппаратная записка

  1. Трубки зажигания (пробирки 75 мм x 10 мм) должны быть заполнены не более чем на четверть порошковой смесью железо-сера (см. Первый этап демонстрационной процедуры).Для заметного эффекта достаточно использовать 0,2 г смеси. Вставьте небольшую пробку из минеральной ваты в горловину каждой запальной трубки. После эксперимента сульфид железа (II) малоопасен и может быть выброшен в мусор.

Химическая промышленность

  • Железный порошок (потенциально РАЗДРАЖАЮЩИЙ)
  • Сера — булочка мелкодисперсная или цветы

Примечания по технике безопасности, охране труда и технике

  • Ознакомьтесь с нашим стандартным руководством по охране труда и технике безопасности.
  • Используйте защитные очки и убедитесь, что лаборатория хорошо вентилируется.
  • Железный порошок, Fe (s), (потенциально РАЗДРАЖАЮЩИЙ) — это может вызвать сильное раздражение глаз, потому что железо быстро окисляется в солевой среде — см. CLEAPSS Hazcard HC055a. Железный порошок предпочтительнее железных опилок. Если мелкодисперсный порошок серы смешивают с железными опилками, трудно получить однородную смесь, потому что два твердых вещества могут разделиться.
  • Сера, S (s) — см. CLEAPSS Hazcard HC096a.Рулет из серы или цветки серы следует измельчить пестиком в ступке.
  • Двуокись серы, SO 2 (г), (ТОКСИЧНАЯ) образуется при возгорании серы — см. Карту CLEAPSS Hazcard HC097.

Процедура

Демонстрация

  1. Готовят смесь, содержащую порошок железа и порошок серы в соотношении 7: 4 по массе. Сделайте это, отвесив 7 г железного порошка и 4 г мелко измельченной серы на отдельные куски фильтровальной бумаги (или используйте лодки для взвешивания).Смешайте два порошка, многократно переливая их с одного листа бумаги на другой до получения однородной (по внешнему виду) смеси.
  2. Обратите внимание на внешний вид чистых элементов и смеси. Продемонстрируйте, что железо можно отделить от смеси физическими средствами. Для этого оберните конец небольшого стержневого магнита бумажной салфеткой или пищевой пленкой и окуните его в кучу смеси размером с чайную ложку на часовом стекле. Железо притянется, но сера останется на стекле часов.
  3. Поместите около 2 г смеси в боросиликатную пробирку.
  4. Вставьте пробку из минеральной ваты (минерального волокна) в горловину пробирки. Зажмите пробирку, как показано на схеме.
  5. Нагрейте порошковую смесь у основания пробирки — сначала осторожно, а затем еще сильнее (используйте синее пламя). Нагрейте, пока внутри пробирки не появится оранжевое свечение. Немедленно прекратите нагрев. Пусть ученики увидят, что свечение продолжается и равномерно распространяется через смесь.
  6. Дайте пробирке остыть. На этом этапе студенты могли провести свою собственную версию реакции в небольшом масштабе.
  7. После охлаждения пробирку можно открыть, чтобы показать внешний вид продукта, сульфида железа (II). Пробирку можно вскрыть пестиком в ступке. Желательно надевать защитные перчатки.
  8. Можно показать, что продукт, сульфид железа (II), немагнитен. Однако это не всегда удается.Было высказано предположение, что рекомендуется использовать очень слабый магнит.

Показать полноэкранный режим

Класс практический

  1. Учащимся должны быть предоставлены заранее подготовленные запальные трубы, содержащие смесь железа и серы, и пробку из минеральной ваты.
  2. С помощью подходящих щипцов или держателей для пробирок нагрейте смесь железа и серы в пробирке до тех пор, пока она не начнет светиться. Затем следует выключить горелки Бунзена.
  3. Дать запальным трубкам остыть на термостойком коврике.Было бы разумно попросить учащихся поместить все использованные ими зажигательные трубки на один термостойкий мат, отведенный для этой цели (например, на столе учителя или в вытяжном шкафу).

Учебные заметки

При нагревании реакционной смеси сера плавится и экзотермически реагирует с железом с образованием сульфида железа (II). Пробка из минеральной ваты в горловине пробирки предотвращает выход паров серы и возможное возгорание. Если, несмотря на все меры предосторожности, пары серы все же воспламеняются, студентов необходимо научить тушить его, плотно прикрыв горлышко трубки влажной тряпкой.

Признаками химической реакции являются: свечение и тот факт, что образуется новое вещество (черный сульфид железа), которое нельзя отделить с помощью магнита (см. Шаг 8 демонстрационной процедуры).

Это может быть возможностью ввести или усилить «правило», согласно которому, если только два элемента объединяются вместе, название соединения оканчивается на «ide».

Дополнительная информация

Это ресурс из проекта «Практическая химия», разработанного Фондом Наффилда и Королевским химическим обществом.Этот сборник из более чем 200 практических занятий демонстрирует широкий спектр химических концепций и процессов. Каждое упражнение содержит исчерпывающую информацию для учителей и технических специалистов, включая полные технические примечания и пошаговые инструкции. Практическая химия сопровождает практическую физику и практическую биологию.

© Фонд Наффилда и Королевское химическое общество

Проверено здоровья и безопасности, 2016

Электропроводность за период 3

Результаты обучения

Изучив эту страницу, вы сможете:

  • описывает и объясняет, как электрическая проводимость изменяется в течение периода 3

Электропроводность

В таблице приведены значения электропроводности элементов от Na до Ar по отношению к алюминию.

Элемент Символ Атомный номер Электропроводность
натрий Na 11 0,55
магний мг 12 0,61
алюминий Al 13 1.00
кремний Si 14 0,10
фосфор 15 0
сера S 16 0
хлор Класс 17 0
аргон Ar 18 0

Вещества проводят электричество, если они содержат заряженные частицы, которые могут перемещаться с места на место при приложении разности потенциалов.

Таблица дает некоторую информацию о различных веществах.

Вещество Банкноты
металл поведение в твердом или жидком состоянии
ковалентные вещества не проводят (исключение — графит)
ионные соединения поведение в растворенном состоянии или в жидком состоянии

Описание тренда

На графике показано, как электрическая проводимость изменяется в течение периода 3.

На этом графике много чего происходит, поэтому часто бывает проще разделить его на три части. В таблице ниже дается краткое описание этих разделов.

Элементы Тип элемента Тип конструкции Описание
Na, Mg, Al металл металлик электропроводность увеличивается от Na к Al
Si металлоид гигантский ковалентный проводимость намного меньше, чем у Na, Mg и Al
P, S, Cl, Ar неметалл простой молекулярный
(Ar одноатомный)
не проводят электричество

Нажав на символ загрузки, вы сможете загрузить график в виде файла изображения или файла PDF, сохранить его данные, аннотировать их и распечатать.Обратите внимание, что графики будут помечены водяными знаками.
×

Объяснение этой тенденции

Натрий, магний и алюминий

Натрий, магний и алюминий — все металлы. Они имеют металлическую связь, в которой ядра атомов металлов притягиваются к делокализованным электронам.

Переход от натрия к алюминию:

  • количество делокализованных электронов увеличивается…
  • есть больше электронов, которые могут перемещаться и переносить заряд через структуру…
  • увеличивается электропроводность.

Кремний

Кремний имеет гигантскую ковалентную структуру. Это полупроводник, поэтому он не является хорошим проводником или хорошим изолятором.

Фосфор, сера, хлор и аргон

Остальные элементы периода 3 не проводят электричество. У них нет свободных электронов, которые могли бы перемещаться и переносить заряд с места на место.

Металлическую связь часто неправильно описывают как притяжение между положительными ионами металлов и делокализованными электронами.Однако металлы по-прежнему состоят из атомов, но внешние электроны не связаны с каким-либо конкретным атомом.

Подобным образом графит (неметалл) также имеет делокализованные электроны. Однако вы не понимаете, что он состоит из ионов углерода.

Гигантская кристаллическая структура кремния подобна структуре решетки алмаза. Каждый атом кремния ковалентно связан с четырьмя другими атомами кремния в тетраэдрическом расположении.

Атомы в молекулах фосфора, серы и хлора удерживаются вместе ковалентными связями.

границ | Наноразмерный сульфид железа: структура, синтез, свойства и биомедицинские применения

Введение

С развитием нанотехнологий (Li et al., 2019) наноматериалы стали основным ресурсом для разработки новых терапевтических лекарств и технологий, предназначенных для улучшения здоровья человека и качества жизни (Zhang and Webster, 2009; Esmaeili et al. ., 2020; Wang et al., 2020). В частности, благодаря своей множественной функциональности и превосходной биосовместимости, наноматериалы на основе железа часто используются в биомедицине, например, в биоразделении, биосенсорах, магнитно-резонансной томографии (МРТ), гипертермии опухолей и доставке лекарств (Chen and Gu, 2017). .Кроме того, недавние исследования показали, что эти наноматериалы обладают внутренними ферментативными свойствами (Gao et al., 2007; Xie et al., 2012; Xu et al., 2018), важной формой нанозимов, представляющих новое поколение искусственных фермент (Wei, Wang, 2013; Dong et al., 2019; Liang, Yan, 2019). В настоящее время большинство наноматериалов на основе железа представляют собой оксиды железа, которые обладают превосходными супрапарамагнитными свойствами, с каталитической активностью, имитирующей активность оксидоредуктаз, включая пероксидазу, каталазу, супероксиддисмутазу и оксидазу (Gao et al., 2007; Лян и Ян, 2019). Однако наноматериалы сульфида железа не были всесторонне изучены и не использовались в биомедицинских областях. Поскольку O и S являются конгенерированными элементами, сульфид железа демонстрирует те же физико-химические свойства, что и оксид железа (Fu et al., 2019). Кроме того, фазы сульфида железа в природе включают макинавит (FeS), пирротин (Fe 1 − x S), пирит (FeS 2 ) и грейгит (Fe 3 S 4 ) и т. Д. , которые демонстрируют большую изменчивость, чем оксид железа, содержащий только Fe 2 O 3 и Fe 3 O 4 .Ширина запрещенной зоны в сульфиде железа меньше, чем в оксиде железа, что приводит к тому, что первый имеет более подходящий перенос электронов и проводимость (Wadia et al., 2009; Jin et al., 2017; Zhang et al., 2018). Важно отметить, что кластеры железо-сера являются важными кофакторами многих ферментов, которые служат активными центрами переноса электронов в каталитических процессах и реакциях дыхательной цепи (Qi and Cowan, 2011). Поэтому ожидается, что наноматериалы сульфида железа будут обладать множеством функций и иметь большой потенциал в биомедицинских приложениях.Здесь мы кратко опишем типы, синтез и свойства наноматериалов сульфида железа и подчеркнем их применение в биомедицине и медицине. Это обеспечит всестороннее понимание наноматериалов сульфида железа и проиллюстрирует их значительный потенциал как новых многофункциональных биоматериалов в биомедицинских приложениях.

Тип и структура сульфида железа

Твердые фазы сульфидов железа в основном включают FeS (макинавит), Fe 1 − x S (пирротин), FeS 2p (пирит), FeS 2m (марказит), Fe 3 S 4 (грейгит ), Fe 9 S 11 (смитит).Следовательно, содержание железа в биоматериале влияет на его фазу, форму, а также на физические и химические свойства. FeS естественно имеет тетрагональную структуру, где каждый атом железа координирован до четырех сер. Для Fe 1 − x S присутствует моноклинный гексагональ. FeS 2p образует стабильные дисульфиды железа (II) с кубической структурой. FeS 2m отличается от FeS 2p как орторомбический метастабильный дисульфид железа (II), тогда как Fe 3 S 4 представляет собой кубический метастабильный сульфид Fe (II) Fe (III).Гексагональный Fe 9 S 11 относится к фазе Fe 1 − x S (Rickard, Luther, 2007).

Зарегистрированные кристаллические структуры сульфида железа показаны на рисунке 1 (Fleet, 1971; Argueta-Figueroa et al., 2017). FeS имеет тетрагональную слоистую структуру, в которой атомы железа связаны через тетраэдрическую координацию с четырьмя равноудаленными атомами серы. Один атом железа координирован с четырьмя равноотстоящими атомами серы. Расстояние Fe-Fe составляет 2,5967 Å. Кроме того, связь Fe-Fe в FeS является существенной.Чтобы оценить влияние сил Ван-дер-Ваальса, возникающих из-за атомов S, листы, включая Fe, укладываются вдоль оси C. Расстояние между этими слоями составляет 5 Å. Структура Fe 2 S 2 близка к FeS. Структура FeS 2 аналогична структуре NaCl, в которой S 2- расположен в центре куба. Кубическая структура имеет низкую симметрию. Кроме того, FeS 2 проявляет хиральность за счет абсорбированных органических молекул. Fe 3 S 4 имеет структуру обратной шпинели, в которой 8 атомов Fe расположены в тетраэдрических A-позициях, а 16 атомов Fe расположены в B-позициях октаэдра.Элементарная ячейка Fe 3 S 4 составляет 9,876 Å. Кроме того, кубическая структура Fe 3 S 4 образует плотно упакованный массив молекул S, связанных более мелкими единицами Fe (рис. 1D). Установлено, что структура Fe 7 S 8 представляет собой гексагональную сверхъячейку (Fleet, 1971). Жизнеспособное распределение вакансионных позиций, идеальное для базовой структуры NiAs, было обнаружено для описания структуры Fe 9 S 10 (Elliot, 2010).

Рис. 1. Кристаллическая структура сульфида железа. (А) FeS. (В) FeS 2 . (C) Fe 2 S 2 . (D) Fe 3 S 4 . Воспроизведено с разрешения Рикарда и Лютера (2007). Авторское право 2007 г., Американское химическое общество.

Синтез наноразмерных сульфидов железа

Наноразмерный сульфид железа включает ряд соединений железа и серы. Во-первых, обсуждается комплекс химических и биологических методов их получения.Кроме того, в таблице 1 представлены наиболее известные синтезированные методы создания различных фаз сульфида железа.

Таблица 1. Внешний вид, размеры и период решетки сульфида железа.

Гидротермальный синтез

Термическое разложение — это наиболее часто используемая гидротермальная реакция для производства сульфида железа. Типичный метод сольвотермического синтеза nFeS сначала включает растворение FeCl 3 · 6H 2 O в 40 мл этиленгликоля.Затем добавляют NaOAc и сероорганические соединения (аллилметилсульфид, диаллилсульфид, диаллилтрисульфид, диаллилдисульфид, цистеин, цистин, глутатион (GSH) или метионин) при непрерывном и энергичном перемешивании. Затем систему обрабатывали ультразвуком в течение 10 мин и переносили в автоклав из нержавеющей стали с тефлоновым покрытием. Смесь реагировала при 200 ° C в течение 12 ч и осадки трижды промывали этанолом и водой. Наконец, продукты сушили при 60 ° C в течение 3 ч (Xu et al., 2018). Для FeS 2 молекулярный предшественник из одного источника Fe 3+ диэтилдитиофосфат образует водный раствор в результате реакции FeCl 3 и (C 2 H 5 O) 2 P (S) SNH 4 , с гексадецилтриметиламмонийбромидом (CTAB), добавленным в качестве поверхностно-активного вещества и прореагировавшим с единственным предшественником [(C 2 H 5 O) 2 P (S) S] 3 Fe (Wadia et al., 2009). Для FeS: FeCl 3 · 6H 2 O растворяли в сверхчистой воде с добавлением к раствору этаноламина и тиомочевины. После перемешивания в течение 25 минут смесь добавляли в автоклав с тефлоновым покрытием и проводили реакцию при 180 ° C в течение 12 часов. Синтез Fe 3 S 4 отличается от синтеза FeS. FeCl 3 · 6H 2 О, этиленгликоль, тиомочевина и H 2 O 2 были смешаны и прореагировали при 180 ° C в течение 18 часов в присутствии укупорочного агента поливинилпирролидона (ПВП) для предотвращения чрезмерного рост и агрегация наночастиц (НЧ) (Moore et al., 2019). Затем монокристаллы Fe 1 − x S были синтезированы гидротермальным методом путем добавления кристаллов K 0,8 Fe 1,6 S 2 , порошка Fe, NaOH и тиомочевины в деионизированной воде, которые подвергались реакции при 120 ° C в течение 3–4 дней (Guo et al., 2017). Ионные жидкости, которые образуют системы протяженных водородных связей, затем использовались для образования более высоких структур в основе гидротермального процесса, как сообщили Чжэн и его коллеги при изменении структуры Fe 3 S 4 (Ma et al., 2010). Вообще говоря, продукт, полученный гидротермальным методом, имеет лучшую диспергируемость и управляемость, но примеси оксида железа также могут появляться при синтезе сульфида железа. Между тем, по данным дифракции рентгеновских лучей (XRD) образцов, синтезированных гидротермальным способом, по-видимому, легко образуется многофазный сульфид железа.

Производство СВЧ

Основными преимуществами методов с использованием микроволн по сравнению с обычным нагревом являются меньшее время реакции, меньший гранулометрический состав и более высокая чистота.Этиленгликоль является растворителем, подходящим для микроволновых методов из-за его относительно высокого дипольного момента. Для микросферолитов FeS 2 , порошок FeSO 4 · 7H 2 O, PVP-K30 и S в этиленгликоле можно подвергнуть реакции с помощью микроволн в атмосфере N 2 (Li M. et al., 2011). Хотя этот новый метод может быть более желательным, следует отметить, что явление агрегации, по-видимому, не улучшается.

Совместные осадки

Химическое соосаждение не содержит примесей.Операция проводится в мягких условиях и обычно синтезируется с использованием методов Fe 3 S 4 , в которых гептагидрат сульфата железа (II) и сульфид натрия растворяются в сверхчистой деионизированной воде. Затем раствор по каплям добавляли к уксусной кислоте для доведения pH до 3,0 с последующим перемешиванием в течение нескольких минут. Реакция была приготовлена ​​в атмосфере N 2 (Chang et al., 2011). Кроме того, зеленый синтез был достигнут в реакторе непрерывного действия с мешалкой (Simeonidis et al., 2016). Как сообщалось ранее, условия синтеза, требуемые для соосаждения, более жесткие, чем для других методов, и полученные продукты могут показывать плохую гомогенность.

Высокотемпературный химический синтез

Сообщалось о методах химического синтеза с использованием высоких температур для FeS 2 . Вкратце, ацетилацетонат железа (II) (Fe (acac) 2 ), оксид триоктилфосфина (TOPO) и олеамин (OLA) смешивали и дегазировали при 110 ° C в течение 1 часа в вакууме.Затем смесь быстро нагревали до 220 ° C в течение 1 ч при интенсивном перемешивании на магнитной мешалке в присутствии азота. Затем быстро вводили серу в раствор, который нагревали до 220 ° C в течение 1 часа. После охлаждения раствора к осадку добавляли этанол для проявления нанопластинок FeS 2 (Bi et al., 2011). Также сообщалось о методах синтеза Fe 1-x S и Fe 3 S 4 . Метод быстрой закачки был использован для уменьшения размера Fe 3 S 4 (Beal et al., 2012). Этот метод синтеза очень чувствителен к условиям эксперимента.

Сонохимический синтез

В качестве удобного и стабильного метода синтеза Бала и его коллеги описали сонохимический синтез специфического FeS. Сначала сульфид натрия растворяли в бидистиллированной воде. FeSO 4 · 7H 2 O затем независимо растворяли в растворе бидистиллированной воды и полиэтиленгликоля (1: 1). Раствор сульфида натрия содержал каплю поверхностно-активного вещества Triton-X, которое добавляли по каплям к вышеуказанному раствору при непрерывной обработке ультразвуком в течение 30 минут.Затем добавляли PVP и перемешивали систему с помощью ультразвука в течение следующих 30 минут (Ahuja et al., 2019).

Другие химические методы

Сообщалось о некоторых необычных синтетических химических методах. Низкотемпературный синтез наночастиц FeS 2 был описан в 2014 г. (Srivastava et al., 2014a). Вкратце, FeCl 3 и полисульфид натрия (Na 2 S x ) смешивали в ацетатном буфере с pH 5,6 в анаэробной среде. Затем черный раствор подвергали реакции на масляной бане при 90–100 ° C в течение 4 ч с получением сероватого продукта FeS 2 .Затем с использованием флюсовых методов синтезировали 1D Fe 7 S 8 . Реакцию проводили в печи при 750–850 ° C (Kong et al., 2005). FeS также может быть создан в биологической системе (Mei and Ma, 2013).

Биоминерализация

Биосинтез сульфида железа с использованием микроорганизмов лучше всего подходит для биомедицинских применений (Li X. et al., 2011). Когда микроорганизмы взаимодействуют с целевыми ионами, они переносятся в микробные клетки с образованием НЧ в присутствии определенных ферментов.Помимо преимуществ зеленого синтеза, биологические методы улучшают биосовместимость сульфида железа. Образующиеся частицы обладают более высокой каталитической реакционной способностью и большей площадью поверхности. Предыдущие исследования показали, что НЧ FeS 2 , Fe 3 S 4 и FeS могут продуцироваться микроорганизмами. Для биоминерализации Fe 3 S 4 и FeS 2 были описаны магнитотактические бактерии (Mann et al., 1990). В 1995 году FeS-материалы были произведены сульфатредуцирующими бактериями, выращенными на железосодержащих субстратах (Watson et al., 1995). Базилински и его коллеги также сообщили об образовании Fe 3 S 4 с использованием некультивируемых магнитотактических бактерий (Lefèvre et al., 2010). Сульфатредуцирующие бактерии были способны продуцировать Fe 1-x S, как сообщили Чарнок и его коллеги (Watson et al., 2000). Впоследствии микроорганизмы образовали наночастицы на поверхности, и, как таковая, пористая структура наночастиц сульфида железа не смогла предотвратить нормальный метаболизм. Эти исследования подтвердили полезность этого метода для эффективного производства NP.Методы химической биоминерализации также использовались для синтеза FeS 2 и квантовых точек FeS (Jin et al., 2018; Yang et al., 2020).

Модификации сульфида железа

Голые ядра нанокристаллов имеют нестабильную структуру, склонную к фотохимической деградации. Однако немодифицированные вещества обладают более высокой токсичностью. Таким образом, биосовместимые фрагменты важны, поскольку они служат в качестве заглушек для наноматериалов, включая полиэтиленгликоль (PEG), диоксид кремния, лактозу, цитрат и декстран (Simeonidis et al., 2016; Mofokeng et al., 2017). В предыдущих исследованиях сообщалось о синтезе, характеристике, цитотоксичности и биораспределении нанопластинок FeS / PEG in vivo (Yang et al., 2015). Для нанесения серебра на поверхность 3-аминопропилтриэтоксисилана, модифицированного 3-аминопропилтриэтоксисиланом (APTES), модифицированного 3-аминопропилтриэтоксисиланом (APTES), применяли метод адсорбционного восстановления, что позволило получить магнитные композитные наночастицы Fe 3 S . 4 / Ag (He et al., 2013).Однако модификации также привели к неблагоприятным последствиям. Например, модификация CTAB ингибировала рост нано Fe 3 S 4 (Simeonidis et al., 2016).

Характеристика сульфида железа

Требуются подробные характеристики для подтверждения синтеза сульфида железа. Сканирующая электронная микроскопия (SEM) и просвечивающая электронная микроскопия (TEM) могут использоваться для изображения морфологии поверхности. Это наиболее прямые и часто используемые методы оценки микроструктуры, размера и дисперсности материалов.Различия в синтетических методах привели к вариациям в изображениях ПЭМ / СЭМ, в том числе в пределах одной и той же фазы. Для FeS сообщалось о нанопластинках, сферических наночастицах и формах, подобных цветкам граната. FeS 2 существует в виде крупных частиц, кубических нанокристаллов, монодисперсных микросферолитов, сферических и гексагональных нанолент и наностержней. Типичные изображения сульфида железа показаны на рисунке 2. В таблице 1 приведены наиболее распространенные морфология и размер FeS, FeS 2 , Fe 3 S 4 и Fe 7 S 8 .Чтобы судить о кристалличности материалов, измеряют промежутки между решетками. Полученные значения пространств кристаллической решетки сульфидов железа суммированы в таблице 1. Состав, содержание и структура вещества могут быть проанализированы, измерены и выведены с использованием спектрометрии в ультрафиолетовой и видимой (УФ-видимой) области и поглощения УФ и видимого света. . Согласно предыдущим исследованиям, пики УФ-поглощения FeS составляют 285 нм и 500 нм (таблица 2). Информация о составе материалов и структуре и / или морфологии атомов или молекул внутри материалов может быть получена с помощью рентгеноструктурного анализа.XRD является наиболее прямым индикатором чистоты кристалла и, следовательно, представляет собой удобную систему для анализа синтезированных материалов. Карты JCPDS используются для сравнения и анализа неизвестных кристаллов. Карты JCPDS FeS (карта JCPDS № 15-0037 и 75-0602), FeS 2 (карта JCPDS № 03-065-1211, 89-3057, 65-3321 и 42-130), Fe 3 S 4 (карта JCPDS № 16-0713, 89-1998 и 16-0073) и Fe 7 S 8 (карта JCPDS № 25-0411 и 76-2308) перечислены в таблице 2 .Для наноматериалов сульфида железа важна рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) Fe и S. Материалы FeS представлены в таблице 2 (Fe 2p: 2p 3/2 (711,4 эВ), 2p 1/2 (724,9 эВ), S 2p: 2p 3/2 (161,1 эВ), 2p 1). / 2 (166,0 эВ)), FeS 2 (Fe 2p: 2p 3/2 (707,0 эВ), 2p 1/2 (720,0 эВ), S 2p 2p 3/2 (162,3 эВ) ), 2p 1/2 (163,5 эВ)), Fe 3 S 4 (Fe 2p: 2p 3/2 (711.0 эВ), S 2p: 2p 3/2 (161,0 эВ), 2p 1/2 (162,5 эВ)), Fe 7 S 8 (Fe 2p: 2p 3/2 (709,9 эВ), (711,6 эВ), S 2p: 2p 3/2 (163,5 эВ), 2p 1/2 (164,7 эВ)). Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) может использоваться для обнаружения функциональных групп в сложной смеси и, следовательно, имеет важное значение для характеристики модифицированного сульфида железа. Предыдущие исследования предоставили FTIR-спектры, показывающие успешные модификации APTES на поверхности наночастиц Fe 3 S 4 (He et al., 2013). Fe 7 S 8 / N-C наногибриды были приготовлены для FeMOF и FeMOF-S и проанализированы с помощью FTIR (Jin et al., 2019). Кроме того, энергодисперсионная спектроскопия (EDS) (Paolella et al., 2011; Ding et al., 2016; Guo et al., 2016), динамическое рассеяние света (DLS) (He et al., 2013; Ding et al. , 2016), рамановской спектроскопии (Gan et al., 2016; Guo et al., 2016), дифракции электронов в выбранной области (SAED) (Kar and Chaudhuri, 2004), тонкой структуры поглощения рентгеновских лучей (XAFS) (Feng et al. ., 2013), дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и термогравиметрическим анализом (ТГА) (Jin et al., 2019), изотермы адсорбции-десорбции азота и анализ распределения пор по размерам (Guo et al., 2016) сульфида железа были представлены в качестве систем характеризации.

Рис. 2. Типичные изображения наноразмерного сульфида железа. (A) ПЭМ изображение сферического FeS. Воспроизведено с разрешения Dai et al. (2009). Авторское право 2009 г., Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм. (B) ПЭМ и ПЭМВР FeS 2 наноточек. Воспроизведено с разрешения Jin et al. (2018). Авторское право 2017 г., Американское химическое общество.(C) ПЭМ-изображения тромбоцитов Fe 3 S 4 . Воспроизведено с разрешения Paolella et al. (2011). Авторское право 2011 г., Американское химическое общество. (D) SEM и HRTEM нанопроволок Fe 7 S 8 . Воспроизведено с разрешения Yao et al. (2013). Авторское право 2013, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм.

Таблица 2. UV-VIS, XPS и XRD сульфида железа.

Характеристики наноразмерных сульфидов железа

Помимо физических и химических свойств, характеристики включают структуру, растворимость, стабильность, реакционную способность, магнитные свойства и фототермические свойства продуктов.

Растворимость

Основными формами наноразмерных сульфидов железа являются твердые осадки, плохо растворимые в воде. Однако Rickard et al. показали, что осадочный FeS может растворяться при c (S 2-) ≤ 10 -5,7 M с образованием Fe 2+ . Растворимость может быть увеличена в щелочной среде, а не в нейтральной (Rickard, 2006). FeS не растворяется в HCl, что означает, что его нельзя удалить с помощью HCl (Rickard and Luther, 2007). Согласно предыдущим исследованиям, K sp из FeS 2 составляло 10 -16.4 при 25 ° C. Продукты растворимости различных сульфидов железа были оценены и привели к согласованным значениям pKs (FeS: 3,6 ± 0,2; FeS 2 16,4 ± 1,2; Fe 3 S 4 4,4 ± 0,1; Fe 7 S 8 5,1 ± 0,1). Это улучшило наше понимание растворимости сульфида железа как в синтетической, так и в природной воде при комнатной температуре (Davison, 1991).

Устойчивость

FeS стабилен в диапазоне P-T ядра Марса (Kavner et al., 2001). Понимание взаимосвязи между стабильностью сульфида железа и его химической средой имеет ключевое значение. После образования сульфида железа его структура обратима. Исследования изучали стабильность FeS 2 при различных температурах и концентрациях поглощенной воды на поверхности. Температура мало влияет на морфологию FeS 2 при низких концентрациях поглощенной воды. Однако при температуре выше 90 К переход от октаэдрической структуры к кубической форме ускоряется.При более высоких концентрациях воды зависимость от температуры более очевидна (Barnard and Russo, 2009). В последнем исследовании установлено, что функции поверхностных лигандов влияют на стабильность FeS 2 (наностержни FeS 2 , синтезированные в лаборатории) (Barand and Russo, 2009). Стабильность FeS способствовала низкоэнергетическому возбуждению от Fe d до S-Sσ * p (Zhang et al., 2018). Fe 3 S 4 наблюдали при 200 ° C в течение 30 часов, затем со временем он трансформировался в FeS 2 (Gao et al., 2015).

Реакционная способность

Сульфид железа обладает высокой реакционной способностью по отношению к N 2 и H 2 S. Эта реакция происходит при комнатной температуре, и адсорбция N 2 зависит от поверхности FeS и электронного состояния N 2 . Уменьшение абсорбированного N 2 и H 2 S можно объяснить образованием аммиака (Kasting, 1993). Реакционная способность Fe 7 S 8 аналогична FeS (Niño et al., 2018). Присутствие как атомов Au 1+ , так и атомов Au наблюдалось на поверхности FeS 2 .Осаждение Au увеличивается при более высоких pH и температурах. Также была исследована реакционная способность сульфидов Au 1+ с FeS 2 (Scaini et al., 1998). Аналогичным образом сообщается о реакционной способности FeS 2 с использованием газообразных H 2 O и O 2-. Газообразный H 2 O приводит к образованию гидроксидов железа на FeS 2 . Последовательность различных воздействий также приводит к образованию ряда продуктов (SO42-, Fe (OH) 3 ) (Usher et al., 2005). Недавно было показано, что FeS 2 является потенциальным наноматериалом для пребиотической химии из-за его высокореактивной поверхности, которая управляет адсорбцией аминокислот (Ganbaatar et al., 2016). Среди наиболее распространенных зондов молекулы воды использовались для изучения реакционной способности FeS 2 (De Leeuw et al., 2000). Различные фазы сульфида железа проявляют широкий диапазон реакционной способности по отношению к хлорированным растворителям. Условия, включая pH, концентрацию сульфидов, ионы металлов и природные органические вещества, могут влиять на кинетику реакции разложения хлорированных растворителей (He et al., 2015). Сообщалось также о взаимодействии FeS, Fe 3 S 4 и CO 2 . Перенос заряда на FeS также может эффективно активировать CO 2 , в то время как Fe 3 S 4 не реагирует с CO 2 (SantosCarballal et al., 2017).

Магнитные свойства

Наноматериалы с магнитными свойствами имеют множество применений, включая магнитокалорическую терапию, в качестве агентов МРТ, материалов для магнитной сепарации и магнитных носителей.Открытие их магнитных свойств привело к идентификации фаз сульфида железа. Ферромагнетизм Fe 7 S 8 можно объяснить ионами Fe 3+ с избытком серы (Yosida, 1951). Магнитная восприимчивость χ природного FeS 2 оказалась равной 64 × 10 −6 68 × 10 −6 см 3 / моль между 4,2 и 380 К (Mohindar and Jagadeesh, 1979). Магнитное упорядочение в FeS было выведено и использовано для доказательства сильных коллективных спиновых флуктуаций.FeS также можно использовать в качестве сверхпроводника (Kwon et al., 2011). Даже когда структура FeS изменяется от троилита к типу MnP под высоким давлением, антиферромагнитные свойства сохраняются до тех пор, пока не сформируется моноклинная структура (Ono, 2007). Затем магнитный момент исчезает, и йетрагональная фаза FeS (Tc: 5K) наблюдалась для той же структуры, что и сверхпроводник FeSe (Tc: 8 K) (Kuhn et al., 2016). Fe 3 S 4 показывает высокое значение Mrs / χ (Mrs / χ: изотермическая остаточная намагниченность насыщения: магнитная восприимчивость), а его MrsMs (отношения гистерезиса) и Bcr / Bc равны 0.5 и 1.5 (Ms: намагниченность насыщения; Bc: коэрцитивная сила; Bcr: коэрцитивная сила остаточной намагниченности). Fe 3 S 4 также демонстрирует уникальные высокотемпературные свойства с явным падением намагниченности с 270 до 350 ° C (Roberts, 1995). Синтезированный Fe 3 S 4 содержит различные кристаллы от мелких суперпарамагнитных зерен (без остаточной магнитной индукции) до крупных многодоменных зерен (Snowball, 1991). Магнитные гистерезисные свойства Fe 7 S 8 также были изучены (Menyeh and O’Reilly, 1997).Сообщалось о взаимосвязи между структурой и магнитными свойствами в пределах переменных температур. Магнитные переходы произошли в рамках трансформации структуры (Powell et al., 2004). Способность магнитокалорического преобразования наночастиц Fe 3 S 4 была измерена в переменном магнитном поле (AMF). Между тем, отличные физические и химические свойства обеспечивают магнитотермическую тромболитическую способность в медицинских приложениях (Fu et al., 2019; Рисунок 3).

Рис. 3. Характеристики магнитокалорического преобразования (a – d) и фототермические свойства сульфидов железа. (а) Изменение температуры наночастиц Fe 3 S 4 в воде при различных концентрациях Fe 2+ (т.е. 0, 0,5 и 1,0 мг / мл) в зависимости от времени действия магнитного поля. (б) График изменения температуры за 300 с в зависимости от концентрации наночастиц Fe 3 S 4 . Тепловизионное изображение (в) чистой воды и (г) наночастиц Fe 3 S 4 (1.0 мг / мл) под действием AMF в течение 5 мин. Воспроизведено с разрешения Fu et al. (2019). Авторское право 2019, Границы в материалах. (e) Синтетический путь и применение наноточек FeS 2 в основе его фототермической активности. (f) Схема, показывающая фототермическое усиление клеточного поглощения наночастиц FeS 2 @ BSA-Ce6. Воспроизведено с разрешения Jin et al. (2018). Авторское право 2017 г., Американское химическое общество.

Фототермические свойства

Фототермическая терапия (ФТТ) в последние годы привлекла к себе большое внимание.Механизм PTT в основном возникает из-за фотопоглощающих наноматериалов, которые выделяют тепло посредством непрерывного лазерного излучения, разрушая раковые клетки, но не причиняя вреда здоровым тканям. Поэтому необходимо обратить внимание на фототермические свойства сульфида железа. Нанопланшеты с ПЭГилированным FeS (FeS-PEG) демонстрируют высокое поглощение в ближней инфракрасной области (NIR). При использовании инфракрасного (ИК) тепловизора температура может достигать 70 ° C в течение 5 минут. Между тем, FeS-PEG демонстрирует более высокую эффективность фототермического преобразования, чем другие известные оксиды железа (Yang et al., 2015). Были также синтезированы ультрамалые наноточек FeS 2 , которые показали свою полезность для фотодинамической терапии. Хлорин е6 (Се6) использовали для конъюгирования FeS 2 в присутствии эталонного бычьего сывороточного альбумина (БСА). FeS 2 @ BSA-Ce6 наноточки (7 нм) продемонстрировали хорошие результаты в фотоакустической (PA) визуализации in vivo, МРТ и повышенном клеточном поглощении (Jin et al., 2018; Рисунок 3).

Биомедицинские приложения

На сегодняшний день обобщены различные биомедицинские применения сульфида железа (катализаторы, антибактериальные агенты, противоопухолевые препараты, системы доставки лекарств, тромболитические агенты, биосенсоры, противогрибковые агенты, улучшители семян в фитоприменениях) и их функциональные механизмы (схема 1).

Схема 1. Принципиальная схема биомедицинского применения наноразмерного сульфида железа.

Ферментоподобный катализ

Кластеры железной серы являются критическими кофакторами многих ферментов и белков, которые проводят окислительно-восстановительные реакции и регулируют окислительный стресс. Таким образом, ожидается, что наноразмерные сульфиды железа будут выполнять аналогичный катализ и действовать как нанозимы. Предыдущие исследования показали, что сульфид железа может эффективно активировать персульфат (PS) или пероксимоносульфат (PMS) с образованием сульфатных радикалов (Xiao et al., 2020). Другие распространенные реакции с участием сульфида железа показаны в разделе «Сонохимический синтез». Поскольку в 2007 году было показано, что наночастицы оксида железа обладают внутренней пероксидазной активностью (Gao et al., 2007), было высказано предположение, что сульфид железа имеет аналогичные свойства. Каталитические процессы сульфида железа показаны на рисунке 4. Высокая каталитическая активность, мультиферментная активность, устойчивость к суровым условиям окружающей среды, стабильность при хранении и внутренние преимущества наноматериалов предоставляют дополнительные возможности для развития биомедицины, а это означает, что существуют хорошие альтернативы природным ферментам.Ферментативная активность сульфида железа интенсивно исследуется. В 2010 году сообщалось, что нанолисты FeS обладают пероксидазоподобной активностью. Было показано, что суспензии FeS катализируют окисление субстратов пероксидазы, 3, 3 ‘, 5, 5’-тетраметилбензидина (TMB) с образованием синего продукта в присутствии H 2 O 2 (Dai et al., 2009 ) (Рисунок 4). Fe 7 S 8 нанопроволок, также обладающих внутренней пероксидазной активностью, также было зарегистрировано в 2013 году, для которых наблюдали каталитическое поведение.Кажущийся K M Fe 7 S 8 с TMB в качестве субстрата был 0,548 мМ, что почти в шесть раз ниже, чем у пероксидазы хрена (HRP). Эти результаты демонстрируют, что Fe 7 S 8 имеет более высокое сродство к TMB, чем к HRP (Yao et al., 2013). В 2015 г. было показано, что магнитные НЧ Fe 3 S 4 обладают пероксидазоподобной активностью. Путем исследования кинетики установившегося состояния было показано, что Fe 3 S 4 обладает более высоким сродством к H 2 O 2 , чем HRP.Причины могут заключаться в том, что Fe 3 S 4 связывается и реагирует с H 2 O 2 , после чего высвобождается нанозим до реакции со вторым субстратом TMB (Ding et al., 2016). Было показано, что nFeS (Fe 1-x S и Fe 3 S 4 ) (подробное описание в разделе «Гидротермальный синтез») обладает как пероксидазоподобной, так и каталазоподобной активностью (рис. 4). nFeS способен разлагать H 2 O 2 на свободные радикалы и O 2 , способствуя высвобождению полисульфанов (Xu et al., 2018). Также было показано, что FeS 2 обладает амилазоподобными свойствами (Srivastava et al., 2014b).

Рис. 4. Принципиальная схема катализа сульфида железа как нанозима. (A) Пероксидазоподобная активность FeS. Изображения суспензии листовой наноструктуры FeS (1), смеси ТМБ и H 2 O 2 после каталитической реакции листовой наноструктурой FeS (2), смесь TMB и H 2 O 2 после добавления H 2 SO 4 для гашения каталитической реакции с помощью листовой наноструктуры FeS (3).Воспроизведено с разрешения Dai et al. (2009). Авторское право 2009 г., Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм. (B) Каталазоподобная активность Cys-nFeS. Тенденция KM и соотношение Vmax / KM в кинетическом анализе с различным цистеином. Воспроизведено с разрешения Xu et al. (2018). Авторское право 2018, Издательская группа Nature.

Альтернативные антибактериальные средства

Schoonen et al. сообщили об антибактериальном действии FeS 2 . Показано, что его механизм связан с образованием H 2 O 2 .Та же группа сообщила, что минералы могут вызывать образование активных форм кислорода (Cohn et al., 2006; Schoonen et al., 2006). Быстрое всасывание Fe 2+ может влиять на метаболизм бактерий. Окисление Fe 2+ до Fe 3+ приводит к образованию активных форм кислорода (АФК) и биомолекулярному повреждению. В результате сульфид железа может действовать как противомикробные средства. Сообщается, что сульфиды железа эффективны при бактериальных инфекциях. В 2013 году He et al.сообщили о бактериостатической активности Fe 3 S 4 / Ag против E. coli (86,2%) и S. aureus (90,6%). Между тем, НЧ Fe 3 S 4 без Ag не действуют (He et al., 2013). Группа Arenas-Arrocena синтезировала НЧ Fe x − 1 S и сообщила об их антибактериальной и цитотоксической активности в 2018 г. Наблюдалась антибактериальная активность против S. aureus, E. coli и E. faecalis (Argueta-Figueroa et al., 2018) . Кроме того, Гао и его коллеги обнаружили антибактериальные неорганические полисульфиды железа, которые были преобразованы сероорганическими соединениями в 2018 году.Неорганические наносульфиды (nFeS, Fe 1-x S и Fe 3 S 4 ) показали ингибирование против Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus. В этих исследованиях также описаны новые стратегии синтеза наноматериалов сульфида железа. Кроме того, инфекции, связанные с биопленкой S. mutans, можно предотвратить с помощью nFeS (Xu et al., 2018) (Рисунок 5). Также были измерены антибактериальные свойства FeS 2 -Bi 2 O 3 против патогенных микроорганизмов Mycobacterium tuberculosis и Salmonella (Manafi et al., 2019). Дикша и др. сообщили, что НЧ FeS могут повышать внутрибактериальные уровни АФК в бактериях за счет светового облучения в 2020 году. Это было выявлено как основной антибактериальный механизм НЧ FeS (Agnihotri et al., 2020).

Рисунок 5. (A) Морфология P. aeruginosa до (контроль) и после обработки Cys-nFeS. Красные треугольники обозначают жгутики. Масштабные линейки: 1 мкм. (B) Фотографии инфицированных P. aeruginosa ран, обработанных буфером (контроль), Cys-nFeS, H 2 O 2 и Cys-nFeS + H 2 O 2 в разное время (пять мышей в каждая группа).(C) Конфокальное трехмерное изображение биопленки S. mutans UA159, обработанной Cys-nFeS. Масштабные линейки: 100 мкм. (D) СЭМ-изображение биопленки S. mutans, обработанной Cys-nFeS. Красные стрелки указывают на прибыль на акцию. Левая шкала: 100 мкм. Правые масштабные линейки: 3 мкм. (E) Схема высвобождения полисульфана из nFeS. Воспроизведено с разрешения Xu et al. (2018). Авторское право 2018, Издательская группа Nature.

Лечение рака

Чен и его коллеги сообщили, что опухоли у мышей могут нарушать метаболизм железа в основных органах.Химическая форма железа в опухолях представляла собой сульфид железа и ферритин, что подчеркивает потенциал сульфида железа для лечения рака (Chen and Chen, 2017). Chang et al. синтезированные частицы Fe 3 S 4 с магнитными свойствами за счет соосаждения. НЧ использовались для лечения гипертермии при раке, открывая новые возможности для мультимодальной противоопухолевой терапии (Chang et al., 2011). В 2015 году Ян и др. пришли к выводу, что треугольные нанопластинки (наноструктуры FeS / PEG) могут быть использованы в качестве наноагентов для фототермического лечения рака под контролем МРТ in vivo.Было показано, что высокие дозы нанопластинок FeS безопасны и эффективны на мышах. Это исследование подчеркнуло потенциальное клиническое использование FeS для МРТ в дополнение к ЧТВ (рис. 6) (Yang et al., 2015). В 2018 году было показано, что нанолисты Fe 3 S 4 обладают высокой эффективностью для фототермической и хемодинамической синергетической терапии под контролем МРТ, что открыло новое направление в разработке неорганического сульфида железа для будущих клинических применений (Guan et al., 2018 ). Крошечный наноразмерный сульфид железа с простым методом биоминерализации также привлек внимание из-за его огромного потенциала применения in vivo, особенно в терапии рака, в сочетании с его превосходными фототермическими и магнитными характеристиками.FeS 2 @ BSA-Ce6 (подробно описанный в разделе «Биоминерализация») показал хорошие результаты как при мультимодальной визуализации in vivo, так и при комбинированной терапии in vivo (Jin et al., 2018). Между тем, последняя литература доказала, что 3 нм квантовые точки FeS @ BSA могут быть использованы в качестве контрастных агентов для Т1-взвешенных МРТ. Более того, ультрамалые квантовые точки показали хорошие результаты при фототермической терапии, и они могут выводиться через клубочковую фильтрацию в мочевой пузырь после лечения (Yang et al., 2020). Также исследовалось использование халькогенидов железа.Cu 5 FeS 4 -PEG NPs были эффективны в двухмодальной визуализации и PTT (Zhao et al., 2016). В 2017 году нанопластинки CuFeS 2 использовались для фототермической / фотоакустической визуализации in vivo и химиотерапии рака / PTT (Ding et al., 2017).

Рисунок 6. (A) Флуоресцентные изображения in vivo голых мышей с опухолью 4T1, полученные в разные моменты времени после внутривенной инъекции наноточек FeS 2 @ BSA-Ce6 (3,5 мг / кг Ce6 и 12 мг / кг FeS 2 ). (B) Фотоакустические изображения опухолей у мышей, сделанные в различные моменты времени после внутривенной инъекции наноточек FeS 2 @ BSA-Ce6.(C) МРТ-изображения голых мышей с опухолью 4T1 до и через 8 часов после внутривенной инъекции наноточек FeS 2 @ BSA-Ce6. (3,5 мг / кг Ce6 и 12 мг / кг FeS 2 ). (D) ИК-тепловые изображения опухолей у мышей, которым в / в инъецировали FeS 2 @ BSA-Ce6 при лазерном облучении 808 нм (0,8 Вт / см 2 , 15 мин). (E) Изменения температуры поверхности опухолей, отслеживаемые инфракрасной тепловой камерой во время лазерного облучения. (F) Репрезентативные иммунофлуоресцентные изображения срезов опухоли после окрашивания гипоксией.Ядро клетки, области гипоксии и кровеносные сосуды окрашивали DAPI (синий), антителом к ​​пимонидазолу (зеленый) и антителом к ​​CD31 (красный), соответственно. Воспроизведено с разрешения Jin et al. (2018). Авторское право 2017 г., Американское химическое общество.

Доставка лекарств

Сульфид железа полезен как носитель лекарств. В предыдущих исследованиях модифицированный β-циклодекстрин (β-CD) и ПЭГ Fe 3 S 4 (GMNC) использовали в качестве НЧ, нагружающих лекарство. И β-ЦД, и ПЭГ использовались для контроля формы и размера ГМНК в качестве поверхностно-активных веществ.Кроме того, повышается биосовместимость Fe 3 S 4 с эффективностью захвата 58,7% для модифицированной доставки химиотерапевтического лекарственного средства доксорубицина. Между тем, усиленное химиотерапевтическое лечение опухолей мышей было получено за счет внутривенной инъекции ГМНК, нагруженных доксорубицином (Dox) (Feng et al., 2013; Рисунок 7).

Рис. 7. (A) Схематическое изображение магнитосомы, содержащей грейгит, и химически синтезированных магнитосомоподобных GMNC.(B) Эффект ингибирования роста в модели образца саркомы мыши S180. Фотографии и весовые соотношения опухолевой ткани мышей, получавших физиологический раствор (контрольная группа), GMNC, Dox в низкой концентрации и GMNC, загруженные Dox (без внешнего магнитного поля и под его контролем), соответственно. Воспроизведено с разрешения Feng et al. (2013). Авторское право 2013, Издательская группа Nature.

Тромболитические агенты

В исследованиях сосудистых заболеваний удаление тромбоза неинвазивными методами является сложной задачей.Однако сообщалось об исследованиях НЧ сульфида железа в качестве тромболитических агентов. Ge et al. впервые подчеркнула полезность НЧ Fe 3 S 4 в качестве тромболитических агентов, обладающих как фототермической, так и магнитотермической тромболитической способностью. Используя наночастицы Fe 3 S 4 , тромбоз чревной вены можно предотвратить с помощью комбинированной магнитной гипертермии. Как in vivo, так и in vitro, Fe 3 S 4 продемонстрировал полезные эффекты для удаления тромбов (рис.8), обеспечивая новую стратегию гипертермии для предотвращения тромбоза (Fu et al., 2019).

Рисунок 8. (A) Тромболитическая способность in vitro наночастиц Fe 3 S 4 при указанных условиях. Fe 3 S 4 наночастицы: 0,5 мг / мл; БИК: 808 нм, 0,33 Вт / см -2 ; AMF: 4,2 × 10 9 А м -1 с -1 . (B) Т2-взвешенная МРТ-визуализация in vivo мыши с тромбозом чревной вены до (слева) и после (справа) внутривенной инъекции раствора наночастиц Fe 3 S 4 с последующим моделированием AMF.Воспроизведено с разрешения Fu et al. (2019). Авторское право 2019, Границы в материалах.

Биосенсоры

Сульфиды железа использовались в качестве сенсоров глюкозы из-за их внутренней пероксидазоподобной активности (Dai et al., 2009). Сенсоры глюкозы могут быть разработаны с использованием колориметрических методов, в которых каскадные реакции образуют основной механизм обнаружения глюкозы. TMB может быть окислен до oxTMB в присутствии глюкозы, GOx и сульфида железа. H 2 O 2 , образующийся при разложении глюкозы в присутствии глюкозооксидазы, может использоваться в качестве субстрата для сульфида железа.Имитаторы пероксидазы сульфида железа могут окислять TMB до oxTMB в присутствии H 2 O 2 . Fe 7 S 8 нанопроволок также обладают пероксидазной активностью. Используя линейный диапазон, можно определить концентрации глюкозы от 5 × 10 −6 до 5 × 10 −4 M (Yao et al., 2013). В 2016 году Сиань и его коллеги использовали магнитные наночастицы (МНЧ) Fe 3 S 4 для количественной оценки концентрации глюкозы в сыворотке крови человека. Линейный диапазон был измерен от 2 до 100 мкМ, а предел обнаружения (LOD) составлял 0.16 мкМ (Ding et al., 2016). Эти исследования подчеркнули потенциал свежеприготовленного сульфида железа как сенсоров глюкозы, так и искусственных нанозимов пероксидазы.

Противогрибковые средства

Противогрибковые НЧ FeS in vitro проявили значительную противогрибковую активность против F. verticillioides при 18 мкг / мл -1 , с более высокой эффективностью, чем стандартные фунгициды (карбендазим (средняя эффективная доза (ED50): 230 мкг / мл -1 ) Это были первые сообщения, в которых подчеркивалась противогрибковая активность сульфида железа.Влияние FeS на здоровье семян и параметры качества риса также оценивалось на основе этой противогрибковой активности. Было показано, что сульфиды железа эффективны в почвах с дефицитом железа в качестве альтернативы высоким дозам органических фунгицидов (Ahuja et al., 2019).

Улучшения семян в фито-приложениях

FeS 2 представляет собой фотоэлектрический материал, который увеличивает биомассу растений в семенах нута (Cicer arietinum). Между тем, механизм функционального FeS 2 объясняется его амилазоподобной активностью.В присутствии H 2 O и FeS 2 крахмал в семенах может быть расщеплен до H 2 O 2 , который участвует в абсорбции CO 2 и улучшает здоровье растений. Семена шпината, обработанные FeS 2 , демонстрировали более широкую морфологию листьев, большее количество листьев и повышенную биомассу (Srivastava et al., 2014b) (Рисунок 9). В более поздних исследованиях грунтовка семян FeS 2 была описана как инновационная стратегия (Das et al., 2016).FeS 2 также улучшил как урожай семян, так и рост на поле Brassica juncea (Rawat et al., 2017).

Рис. 9. Параметры роста растений: контроль по сравнению с тестом (FeS 2 ). (а) Площадь листьев / растение, показывающее значительное увеличение площади листьев / опытных растений (52,4 ± 0,3) по сравнению с контролем (25,6 ± 0,2). (b) Индекс площади листа, обозначающий общую площадь фотосинтеза, доступную для растений, и высокие значения для тестируемых образцов (1,5 ± 0,07) могут быть коррелированы с высоким содержанием биомассы удобренных растений шпината по сравнению с (0.9 ± 0,02). (c) Сравнительная фотография листьев, показывающая большую площадь листа у опытных растений по сравнению с контрольными растениями. Параметры роста растений: контроль vs. тест (FeS 2 ). (d) Количество листьев / растение: контроль: 13 ± 1,0; тест: 19 ± 1.0. (e) Удельная площадь листа означает толщину листа и оказалась схожей как для опытных, так и для контрольных образцов. (f) Полевая фотография, сделанная на 50-й день (непосредственно перед сбором урожая), показывающая, что растения опытной группы имеют сравнительно больше листвы по сравнению с контрольными растениями.(g) Предлагаемая схема механизма действия FeS 2 на семена шпината в улучшении прорастания и роста растений. Воспроизведено с разрешения Srivastava al. (2014). Авторское право 2014 г., Королевское химическое общество.

Выводы

Таким образом, мы выделили самые последние методы синтеза наночастиц сульфида железа, включая модификации и характеристики наносульфида железа. Поразительно, но наноразмерные сульфиды железа демонстрируют разнообразные физико-химические свойства, ферментативный катализ, высокую стабильность и биосовместимость, что облегчает их биомедицинское применение.Ряд наночастиц сульфидов железа был оценен в катализе, терапии опухолей, антибактериальных и противогрибковых средствах, доставке лекарств, биосенсорах, удалении тромбов и в растениях. К их преимуществам относятся (1) высокая биосовместимость из-за ключевой роли железа и серы в естественной жизни; (2) фототермические и магнитные свойства наноразмерного сульфида железа; (3) их наноструктура и большая площадь поверхности, которые могут улучшить доставку лекарств; и (4) их ферментативные свойства нанозимов, включая их высокую реакционную способность по отношению к многочисленным химическим веществам, которые могут регулировать перекись водорода, ROS и различные каталитические реакции для лечения связанных заболеваний.

Хотя было показано, что наноразмерные сульфиды железа представляют большой потенциал для многочисленных применений в биомедицине (Схема 2), ряд вопросов остается нерешенным, включая синтез сульфида железа, который является стабильным и однофазным, с модификации для адаптации к биологической среде. Исследования показали, что модификация молекулярного ЦТАБ ингибирует получение НЧ Fe 3 S 4 из-за конкурентного ингибирования с Na 2 S в кислых условиях, что приводит к образованию немагнитных сульфидов железа и других побочных продуктов.Наночастицы, модифицированные цитратом, не имеют достаточного расстояния между частицами из-за эффектов агрегации (Simeonidis et al., 2016). Кроме того, биомедицинские оценки сульфидов железа остаются немногочисленными, а механизмы их действия в физиологических условиях плохо изучены. Внутренние ферментативные свойства сульфида железа как нанозимов могут предоставить окно для понимания его биологических эффектов и потенциальной цитотоксичности in vivo. Взятые вместе, наноразмерные сульфиды железа обладают разнообразными физико-химическими свойствами и ферментативными свойствами, которые описывают форму отличительных наноматериалов с большим потенциалом для использования в биомедицинских приложениях.

Схема 2. Принципиальная схема биомедицинских приложений на основе физико-химических свойств наноразмерного сульфида железа.

Авторские взносы

Все перечисленные авторы внесли существенный, прямой и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее к публикации.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Эта работа была поддержана Национальной программой ключевых исследований и разработок Китая (грант № 2018YFC1003500), а также Национальным фондом естественных наук Китая (гранты №№ 81930050, 81671810 и 31701236).

Список литературы

Агнихотри, С., Мохан, Т., Джа, Д., Гаутам, Х., и Рой, И. (2020). Двойная модальность наночастиц FeS с индуцированной реактивными видами кислорода и фототермической токсичностью по отношению к патогенным бактериям. САУ ОМЕГА 5, 597–602.DOI: 10.1021 / acsomega.9b03177

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ахуджа Р., Сидху А. и Бала А. (2019). Синтез и оценка водных наночастиц сульфида железа (ii) (FeS-NP) против Fusarium verticillioides, вызывающего гниль оболочки и обесцвечивание семян риса. Евро. J. Plant Pathol. 155, 163–171. DOI: 10.1007 / s10658-019-01758-3

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аргуета-Фигероа, Л., Мартинес-Альварес, О., Сантос-Крус, Х., Гарсиа-Контрерас, Р., Акоста-Торрес, Л.С., Фуэнте-Эрнандес, Дж. И др. (2017). Наноматериалы из нетоксичных сульфидов металлов: систематический обзор их потенциальных биомедицинских применений. Матер. Sci. Англ. С 76, 1305–1315. DOI: 10.1016 / j.msec.2017.02.120

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Аргуета-Фигероа, Л., Торрес-Гомес, Н., Гарсия-Контрерас, Р., Вильчис-Нестор, А. Р., Мартинес-Альварес, О., Акоста-Торрес, Л. С. и др. (2018). Гидротермальный синтез нанопластинок пирротина (Fe x − 1 S) и изучение их антибактериальной, цитотоксической активности.Progress Nat. Sci. 28, 447–455. DOI: 10.1016 / j.pnsc.2018.06.003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Баранд А. и Руссо С. (2009). Моделирование экологической устойчивости наностержней FeS 2 , используя уроки биоминерализации. Нанотехнологии 20: 115702. DOI: 10.1088 / 0957-4484 / 20/11/115702

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Барнард А. и Руссо С. (2009). Морфологическая стабильность нанокристаллов пирита FeS 2 в воде.J. Phys. Chem. С 113, 5376-5380. DOI: 10.1021 / jp809377s

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Бил Дж., Эчегоин П. и Тилли Р. (2012). Синтез и характеристика нанокристаллов магнитного сульфида железа. J. Solid State Chem. 189, 57–62. DOI: 10.1016 / j.jssc.2012.01.015

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Би Ю., Юань Ю., Экстром К. Л., Дарво С. А. и Хуанг Дж. (2011). Стабильные на воздухе, светочувствительные, фазово-чистые тонкие пленки из нанокристаллов пирита железа для фотоэлектрических применений.Nano Letter 11, 4953–4957. DOI: 10.1021 / nl202902z

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чанг, Ю., Савита, С., Садхасивам, С., Сюй, К., и Лин, Ф. (2011). Изготовление, характеристика и применение наночастиц грейгита для гипертермии рака. J. Colloid Interface Sci. 363, 314–319. DOI: 10.1016 / j.jcis.2010.06.069

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Р. и Чен Г. (2017). Вызванное опухолью нарушение метаболизма железа в основных органах: новый взгляд на химический состав железа.J. Int. Med. Res 46, 70–78. DOI: 10.1177 / 0300060517718711

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чен Б. и Гу Н. (2017). Текущее состояние и развитие фармацевтических наноматериалов на основе железа. Матер. Китай 36, 211–218.

Кон, К., Лафферс, Р., Саймон, С., О’Риордан, Т., и Шунен, М. (2006). Роль пирита в образовании гидроксильных радикалов в угле: возможные последствия для здоровья человека. Часть. Fiber Toxicol. 3:16. DOI: 10.1186 / 1743-8977-3-16

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дас, К., Srivastava, G., Dubey, A., Roy, M., Jain, S., Sethy, N., et al. (2016). Протравливание семян нано-железопиритом: устойчивое мероприятие по сокращению потребления удобрений при выращивании овощных (свекла, морковь), пряностей (пажитник), кормовых (люцерна) и масличных (горчица, кунжут). Nanotechnol. Environ. Англ. 1, 1–12. DOI: 10.1007 / s41204-016-0002-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дэвисон, В. (1991). Растворимость сульфидов железа в синтетических и природных водах при температуре окружающей среды.Aquatic Sci. 53, 309–329. DOI: 10.1007 / BF00877139

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Де Леу, Н., Паркер, С., Ситхол, Х., и Нгёпе, П. Э. (2000). Моделирование структуры поверхности и реакционной способности пирита: введение потенциальной модели для FeS 2 . J. Phys. Chem. B 104, 7969–7976. DOI: 10.1021 / jp0009498

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дин, Б., Ю, К., Ли, К., Дэн, X., Дин, Дж., Ченг, З. и др. (2017). Нанопластинки CuFeS 2 , прикрепленные к цис-платине с пролекарством, для фототермической / фотоакустической визуализации in vivo и химиотерапии / фототермической терапии рака.Nanoscale 9, 16937–16949. DOI: 10.1039 / C7NR04166G

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Дин, К., Янь, Ю., Сян, Д., Чжан, К., и Сянь, Ю. (2016). Магнитные наночастицы Fe 3 S 4 с пероксидазоподобной активностью и их использование в фотометрическом ферментативном анализе глюкозы. Microchim. Acta 183, 625–631. DOI: 10.1007 / s00604-015-1690-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Донг, Х., Фань, Ю., Чжан, В., Гу, Н., и Чжан Ю. (2019). Каталитические механизмы нанозимов и их применение в биомедицине. Биоконъюг. Chem. 30, 1273–1296. DOI: 10.1021 / acs.bioconjchem.9b00171

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Эсмаили, Э., Эслами-Аршаги, Т., Хоссейнзаде, С., Элахирад, Э., Джамалпур, З., Хатами, С. и др. (2020). Биомедицинский потенциал нановолоконных матов из ацетата целлюлозы / полиуретана, содержащих восстановленные нанокомпозиты оксида графена / серебра и куркумин: антимикробные свойства и заживление кожных ран.Int. J. Biol. Макромол. 152, 418–427. DOI: 10.1016 / j.ijbiomac.2020.02.295

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Фэн, М., Лу, Й., Ян, Ю., Чжан, М., Сюй, Ю., Гао, Х. и др. (2013). Биоинспирированные магнитные нанокристаллы грейгита: применение в химическом синтезе и биомедицине. Sci. Реп.3: 994. DOI: 10.1038 / srep02994

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Fu, D., Liu, J., Ren, Q., Ding, J., Ding, H., Chen, X., и другие. (2019). Магнитные наночастицы сульфида железа как тромболитические средства для магнитокалорийной терапии и фототермической терапии тромбозов. Фронт. Матер. 6: 316. DOI: 10.3389 / fmats.2019.00316

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ган, Ю., Сюй, Ф., Ло, Дж., Юань, Х., Цзинь, К., Чжан, Л. и др. (2016). Однокамерный биотемплатный синтез FeS 2 декорировал легированное серой углеродное волокно в качестве анода большой емкости для литий-ионных аккумуляторов. Электрохим. Acta 209, 201–209.DOI: 10.1016 / j.electacta.2016.05.076

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ганбаатар, Н., Мацудзаки, Н., Накадзава, Ю., Африн, Р., Аоно, М., Яно, Т. и др. (2016). Анализ поверхностных сил пирита (FeS 2 ): его реакционная способность к адсорбции аминокислот. Adv. Матер. Phys. Chem. 6, 167–176. DOI: 10.4236 / ampc.2016.67018

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, Л., Чжуан, Дж., Ни, Л., Чжан, Дж., Чжан, Ю., Гу, Н. и др. (2007). Внутренняя пероксидазоподобная активность ферромагнитных наночастиц.Внутренняя пероксидазоподобная активность ферромагнитных наночастиц. Nat. Nanotechnol. 2, 577–583. DOI: 10.1038 / nnano.2007.260

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гао, С., Хуан, Ф., Сун, Д., Ли, Г., Лю, К., Фэн, Т. и др. (2015). «Механизм роста и исследование стабильности нанокристаллов Fe 3 S 4 , синтезированных в термических и влажных условиях», в материалах 11-го Международного конгресса по прикладной минералогии. DOI: 10.1007 / 978-3-319-13948-7_13

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Гуань, Г., Ван, X., Ли, Б., Чжан, В., Цуй, З., Лу, X., и др. (2018). «Трансформированный» Fe 3 S 4 тетрагональные нанолисты: высокоэффективный и очищаемый организмом агент для фототермической и хемодинамической синергетической терапии под контролем магнитно-резонансной томографии. Nanoscale 10, 17902–17911. DOI: 10.1039 / C8NR06507A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Го, С., Ли, Дж., Ма, З., Чи, Й., и Сюэ, Х. (2016). Простой метод получения композита FeS / пористый углерод в качестве усовершенствованного анодного материала для литий-ионных аккумуляторов. J. Mater. Sci. 52, 2345–2355. DOI: 10.1007 / s10853-016-0527-y

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Го З., Сунь Ф., Хань Б., Линь К., Чжоу Л. и Юань В. (2017). Вакансия железа в тетрагональных кристаллах Fe 1 − x S и ее влияние на структуру и сверхпроводимость. Phys. Chem. Chem. Phys.19, 9000–9006. DOI: 10.1039 / C7CP00068E

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хэ, К., Хуанг, К., Лю, Дж. (2013). Получение, характеристика и антибактериальная активность магнитного грейгита и наночастиц Fe 3 S 4 / Ag. Nanosci. Nanotechnol. Lett. 5, 1–8. DOI: 10.1166 / nnl.2014.1727

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хе Ю., Уилсон Дж., Су К. и Уилкин Р. Т. (2015). Обзор абиотического разложения хлорированных растворителей химически активными минералами железа в водоносных горизонтах.Восстановление мониторинга подземных вод 35, 57–75. DOI: 10.1111 / gwmr.12111

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Джин, А., Ми-Джу, К., Куг-Сын, Л., Ю, С., Сун, Ю. (2019). Веретенообразный Fe 7 S 8 Углеродные наногибриды, легированные / N, для анодов высокоэффективных ионно-натриевых аккумуляторов. Nano Res. 12, 695–700. DOI: 10.1007 / s12274-019-2278-y

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Jin, J., Wu, W., Min, H., Wu, H., Wang, S., Ding, Y., et al.(2017). Электрод из стеклоуглерода, модифицированный нанолистами FeS, в качестве высокочувствительного амперометрического датчика перекиси водорода. Microchim. Acta 184, 1389–1396. DOI: 10.1007 / s00604-017-2105-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Цзинь, К., Лю, Дж., Чжу, В., Дун, З., Лю, З., и Ченг, Л. (2018). Синтез ультрамалых наноточек FeS 2 с помощью альбумина для фототермической усиленной фотодинамической терапии под визуализацией. ACS Appl. Матер. Интерфейсы 10, 332–340. DOI: 10.1021 / acsami.7b16890

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кар, С., Чаудхури, С. (2004). Сольвотермический синтез нанокристаллического FeS 2 различной морфологии. Chem. Phys. Lett. 398, 22–26. DOI: 10.1016 / j.cplett.2004.09.028

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кавнер А., Даффи Т. и Шен Г. (2001). Фазовая стабильность и плотность FeS при высоких давлениях и температурах: последствия для внутренней структуры Марса.Планета Земля. Sci. Lett. 185, 25–33. DOI: 10.1016 / S0012-821X (00) 00356-3

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ким, Э. Дж., И Бэтчелор, Б. (2009). Синтез и определение характеристик пирита (FeS2) с использованием микроволнового излучения. Матер. Res. Бык. 44, 1553–1558. DOI: 10.1016 / j.materresbull.2009.02.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Конг, X., Лу, Т., и Ли, Ю. (2005). Fe 7 S 8 наностержней и нанолистов.J. Alloys Compd. 390, 236–239. DOI: 10.1016 / j.jallcom.2004.07.054

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Кун, С. Дж., Эскильдсен, М. Р., Дебир-Шмитт, Л., Ли, Л., де Ла Крус, К., и Сефат, А. С. (2016). Структура и магнитные взаимодействия в FeS: низкотемпературном сверхпроводнике. Бык. Являюсь. Phys. Soc. 61, 2. Выдержки из мартовского собрания APS (ID абстракции: BAPS.2016.MAR.h21.12).

Google Scholar

Квон, К., Рефсон, К., Боун, С., Цяо, Р., Ян, В., Лю З. и др. (2011). Магнитное упорядочение в тетрагональном FeS: свидетельство сильных коллективных спиновых флуктуаций. Phys. Ред. B Cond. Мэтт. 83, 064402.1–064402.7. DOI: 10.1103 / PhysRevB.83.064402

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Лефевр К., Абреу Ф., Линс У. и Базилински Д. (2010). Немагнитотактические многоклеточные прокариоты из неморской водной среды с низким содержанием соли и их необычное негативное фототактическое поведение. Прил. Environ. Microbiol. 76, 3220–3227. DOI: 10.1128 / AEM.00408-10

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, М., Яо, К., Чжоу, Г., Цюй, X., Му, К., и Фу, С. (2011). Управляемый синтез монодисперсных микросферолитов пирита с помощью микроволн. Cryst. Англ. Comm. 13, 5936–5942. DOI: 10.1039 / c1ce05478c

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ли, Х., Сюй, Х., Чен, З., Чен, З., и Чен, Г. (2011). Биосинтез наночастиц микроорганизмами и их применение. Дж.Nanomater. 2011, 1–16. DOI: 10.1155 / 2011/270974

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Li, Y., Pu, Q., Li, S., Zhang, H., Wang, X., Yao, H., et al. (2019). Методы машинного обучения в исследованиях позволяют прогнозировать биомедицинские эффекты от применения наноматериалов. Патт. Признать. Lett. 117, 111–118. DOI: 10.1016 / j.patrec.2018.11.008

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ma, J., Chang, L., Lian, J., Huang, Z., Duan, X., Liu, X., et al. (2010).Ионно-модулированный жидкостью синтез ферримагнетиков Fe 3 S 4 иерархических сверхструктур. Chem. Commun. 46, 5006–5008. DOI: 10.1039 / c0cc00479k

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манафи А., Хоссейни М., Фахри А., Гупта В. и Агарвал С. (2019). Исследование фотокаталитического процесса нанокомпозитов дисульфид железа-оксид висмута с использованием методологии поверхности отклика: структурные и антибактериальные свойства. J. Mol.Liq. 289: 110950. DOI: 10.1016 / j.molliq.2019.110950

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Манн С., Спаркс Н., Франкель Р., Базилински Д. и Яннаш Х. (1990). Биоминерализация ферримагнитного грейгита (Fe 3 S 4 ) и пирита железа (FeS 2 ) в магнитотактической бактерии. Nature 343, 258–261. DOI: 10.1038 / 343258a0

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мэй, Б., и Ма, З. (2013). Исследование антифрикционных свойств сферической наночастицы FeS.Прил. Мех. Матер. 475-476, 1334–1339. DOI: 10.4028 / www.scientific.net / AMM.475-476.1334

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Menyeh, A., and O’Reilly, W. (1997). Магнитные гистерезисные свойства мелких частиц моноклинного пирротина Fe 7 S 8 . J. Geomag. Геоэлектр. 49, 965–976. DOI: 10.5636 / jgg.49.965

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мофокенг Т., Мабена Г., Молото М. Дж., Шумбула П. М., Мубиайи П. и Ньямукамба П.(2017). Влияние температуры на наночастицы сульфида металла, закрытые лактозой. Chalcogenide Lett. 14, 347–355.

Google Scholar

Мохиндар С. и Джагадиш М. (1979). Температурно-зависимая магнитная восприимчивость марказита (FeS_ {2}). Phys. Ред. B 20: 3897. DOI: 10.1103 / PhysRevB.20.3897

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Мур, Дж., Ниенхейс, Э., Ахмадзаде, М., и Макклой, Дж. (2019). Синтез частиц грейгита (Fe 3 S 4 ) гидротермальным методом.AIP Adv. 9: 035012. DOI: 10.1063 / 1.5079759

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ниньо М., Флорес Э., Санчес К. и Рохо Дж. (2018). Реакционная способность поверхности FeS при комнатной температуре при воздействии азота и H 2 S. J. Phys. Chem. В 122, 705–712. DOI: 10.1021 / acs.jpcb.7b06309

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Оно, С. (2007). Магнитный фазовый переход FeS при высоких давлениях. Acta Crystallogr. Разд. Найдено.Кристаллогр. 63:59. DOI: 10.1107 / S0108767307098716

CrossRef Полный текст

Паолелла А., Джордж К., Повиа М., Чжан Ю., Кране Р., Гич М. и др. (2011). Перенос заряда и электрохимические свойства нанопластинок коллоидного грейгита (Fe 3 S 4 ). Chem. Матер. 23, 3762–3768. DOI: 10,1021 / см201531h

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Пауэлл, А.В., Вакейро, П., Найт, К.С., Чапон, Л.С., и Санчес, Р.Д.(2004). Структура и магнетизм синтетического пирротина Fe 7 S 8 : порошковое нейтронографическое исследование. Phys. Ред. B 70, 014415. doi: 10.1103 / PhysRevB.70.014415

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ци, В., и Коуэн, Дж. (2011). Структурная, механистическая и координационная химия, имеющая отношение к биосинтезу железо-серы и связанных кофакторов железа. Coord. Chem. Ред. 255, 688–699. DOI: 10.1016 / j.ccr.2010.10.016

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Рават, М., Наян, Р., Неги, Б., Заиди, М. Г. Х. и Арора, С. (2017). Физиобиохимическая основа наночастиц сульфида железа, индуцированных ростом и повышением урожайности семян в b. juncea. Plant Physiol. Biochem. 118, 274–284. DOI: 10.1016 / j.plaphy.2017.06.021

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Робертс А. (1995). Магнитные свойства осадочного грейгита (Fe 3 S 4 ). Earth Planetary Sci. Lett. 134, 227–236. DOI: 10.1016 / 0012-821X (95) 00131-U

CrossRef Полный текст | Google Scholar

SantosCarballal, D., Ролдан, А., Дзаде, Н., Де Леу, Н. Х. (2017). Реакционная способность CO 2 на поверхности магнетита (Fe 3 O 4 ), грейгита (Fe 3 S 4 ) и макинавита (FeS). Филос. Пер. R. Soc. А 376: 65. DOI: 10.1098 / rsta.2017.0065

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Scaini, M., Bancroft, G., and Knipe, S. (1998). Реакции водных форм сульфидов Au 1+ с пиритом в зависимости от pH и температуры.Являюсь. Минеральная. 83, 316–322. DOI: 10.2138 / AM-1998-3-415

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шунен, М., Кон, К., Ремер, Э., Лафферс, Р., Саймон, С., и О’Риордан, Т. (2006). Минеральное образование активных форм кислорода. Med. Минераол. Геохим. 64, 179–221. DOI: 10.2138 / RMG.2006.64.7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Симеонидис К., Лиебана-Виньяс С., Видвальд У., Ма, З., Ли, З.-А., Спасова М. и др. (2016). Универсальный крупномасштабный и экологически чистый процесс синтеза магнитных наночастиц с настраиваемыми функциями магнитной гипертермии.RSC Adv. 6, 53107–53117. DOI: 10.1039 / C6RA09362K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Snowball, I. (1991). Магнитные гистерезисные свойства грейгита (Fe 3 S 4 ) и новое проявление в голоценовых отложениях шведской лаппландии. Phys. Внутри планеты Земля 68, 32–40. DOI: 10.1016 / 0031-9201 (91)

-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шривастава Г., Дас А., Кусуркар Т., Рой М., Айран С., Шарма Р. и др.(2014a). Железный пирит, потенциальный фотоэлектрический материал, увеличивает биомассу растений после предварительной обработки семян. Матер. Экспресс 4, 23–31. DOI: 10.1166 / mex.2014.1139

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шривастава Г., Дас, К. К., Дас, А., Сингх, С., Рой, М., Ким, Х. и др. (2014b). Обработка семян наночастицами пирита железа (FeS 2 ) увеличивает производство шпината. RSC Adv. 4, 58495–58504. DOI: 10.1039 / C4RA06861K

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ашер, К., Пол К., Нараянсами Дж., Кубицки Дж., Спаркс Д., Шунен М. и др. (2005). Механистические аспекты окисления пирита в окислительной газовой среде: изотопное исследование HATR – IR in situ. Environ. Sci. Technol. 39, 7576–7584. DOI: 10.1021 / es0506657

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ванита, П., и О’Брайен, П. (2008). Фазовый контроль при синтезе магнитных нанокристаллов сульфида железа из кластера Fe-S кубанового типа. Варенье. Chem. Soc. 130, 17256–17257.DOI: 10.1021 / ja8078187

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вадиа, К., Ву, Ю., Гул, С., Фолькман, С., Го, Дж., И Пол Аливисатос, А. (2009). Гидротермальный синтез однофазных нанокристаллов пирита FeS 2 с помощью ПАВ. Chem. Матер. 21, 2568–2570. DOI: 10,1021 / см

3v

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ван, X., Чжоу, W., Zhou, Z., An, Y., и Wu, S. (2013). Синтез наноструктур сульфида железа с контролируемой формой путем термического разложения металлоорганических прекурсоров.Матер. Sci. Полуконд. Proc. 16, 530–536. DOI: 10.1016 / j.mssp.2012.10.002

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уотсон, Дж., Кресси, Б., Робертс, А., Эллвуд, Д. К., Чарнок, Дж., И Сопер, А. К. (2000). Структурные и магнитные исследования наночастиц сульфида железа, адсорбирующих тяжелые металлы, производимых сульфатредуцирующими бактериями. J. Magn. Magn. Матер. 214, 13–30. DOI: 10.1016 / S0304-8853 (00) 00025-1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уотсон, Дж., Эллвуд Д., Дэн К., Михаловский С., Хейтер К. Э. и Эванс Дж. (1995). Адсорбция тяжелых металлов на FeS, продуцируемом бактериями. Minerals Eng. 8, 1097–1108. DOI: 10.1016 / 0892-6875 (95) 00075-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Уотсон, Дж., Эллвуд, Д., Сопер, А., и Чарнок, Дж. (1999). Наноразмерные сильномагнитные материалы сульфида железа бактериального происхождения. J. Magnetism Magnetic Mater. 203, 69–72. DOI: 10.1016 / S0304-8853 (99) 00191-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вэй, Х., и Ван Э. (2013). Наноматериалы с ферментативными характеристиками (нанозимы): искусственные ферменты нового поколения. Chem. Soc. Ред. 42, 6060–6093. DOI: 10.1039 / c3cs35486e

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Сяо, С., Ченг, М., Чжун, Х., Лю, З., Лю, Ю., Ян, X. и др. (2020). Железо-опосредованная активация персульфата и пероксимоносульфата как гомогенным, так и гетерогенным образом: обзор. Chem. Англ. J. 384: 123265. DOI: 10.1016 / j.cej.2019.123265

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Се, Дж., Чжан, X., Ван, Х., Чжэн, Х., Хуанг, Й., и Се, Дж. (2012). Аналитические и экологические применения наночастиц в качестве имитаторов ферментов. Trac Trends Analyt. Химия 39, 114–129. DOI: 10.1016 / j.trac.2012.03.021

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Xu, Z., Qiu, Z., Liu, Q., Huang, Y., Li, D., Shen, X., et al. (2018). Преобразование сероорганических соединений в неорганические полисульфиды против устойчивых бактериальных инфекций. Nat. Commun. 9: 3713. DOI: 10.1038 / s41467-018-06164-7

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян К., Ян, Г., Чен, Л., Ченг, Л., Ван, Л., Ге, С. и др. (2015). FeS-нанопластины как многофункциональные нанотераностические средства для фототермической терапии под контролем магнитно-резонансной томографии. Биоматериалы 38, 1–9. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2014.10.052

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ян В., Сян К., Сюй Ю., Чен С., Цзэн В., Лю К. и др. (2020). Ограниченный альбумином крупномасштабный синтез очищаемых почками квантовых точек сульфида железа для Т1-взвешенной МРТ и фототераностики опухолей.Биоматериалы 255: 120186. DOI: 10.1016 / j.biomaterials.2020.120186

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Яо, В., Чжу, Х., Ли, В., Яо, Х., Ву, Ю. и Ю, С. (2013). Собственная пероксидазная каталитическая активность нанопроволок Fe 7 S 8 , созданных на основе гибридных нанопроволок [Fe 16 S 20 ] / диэтилентриамин. Chem. Plus Chem. 78, 723–727. DOI: 10.1002 / cplu.201300075

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Йосида, К.(1951). Примечание о магнитных свойствах системы FeS n . Прогр. Теор. Phys. 6, 356–365. DOI: 10.1143 / ptp / 6.3.356

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан Л. и Вебстер Т. (2009). Нанотехнологии и наноматериалы: перспективы улучшения регенерации тканей. Нано сегодня 4, 66–80. DOI: 10.1016 / j.nantod.2008.10.014

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжан М., Цуй З. и Цзян Х. (2018). Относительная стабильность полиморфов FeS 2 с приближением случайных фаз.J. Mater. Chem. А 6: 6606. DOI: 10.1039 / C8TA00759D

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Чжао, К., И, X., Ли, М., Чжун, X., Ши, К., и Ян, К. (2016). Высокое поглощение в ближней инфракрасной области спектра Cu 5 FeS 4 наночастиц для двухрежимной визуализации и фототермической терапии. Nanoscale 8, 13368–13376. DOI: 10.1039 / C6NR04444A

PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
    браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Какой металл лучший дирижер?

Давайте вернемся к периодической таблице, чтобы объяснить, какие металлы лучше всего проводят электричество.Количество валентных электронов в атоме — это то, что делает материал способным проводить электричество. Внешняя оболочка атома — валентность. В большинстве случаев проводники имеют один или два (иногда три) валентных электрона.

Металлы с ОДНИМ валентным электроном — это медь, золото, платина и серебро. Железо имеет два валентных электрона. Хотя алюминий имеет три валентных электрона, он также является отличным проводником. Полупроводник — это материал, который имеет четыре валентных электрона.

Электропроводность

Металлические связи заставляют металлы проводить электричество.В металлической связи атомы металла окружены постоянно движущимся «морем электронов». Это движущееся море электронов позволяет металлу проводить электричество и свободно перемещаться между ионами.

Большинство металлов в определенной степени проводят электричество. Некоторые металлы обладают большей проводимостью, чем другие. Медь, серебро, алюминий, золото, сталь и латунь являются обычными проводниками электричества. Металлы с самой высокой проводимостью — это серебро, медь и золото.

Порядок электропроводности металлов

Этот список электропроводности включает сплавы, а также чистые элементы.Поскольку размер и форма вещества влияют на его проводимость, в списке предполагается, что все образцы имеют одинаковый размер. Вот основные типы металлов и некоторые распространенные сплавы в порядке убывания проводящих отношений, как и в Metal Detecting World.

От лучшего к худшему — какой металл является лучшим проводником электричества

(одинакового размера)

Bronze

1 Серебро (чистое)
2 Медь (чистое)
3

3

3

3

Золото (чистое)
4 Алюминий
5 Цинк
6 Никель
7 Латунь Железо (чистое)
10 Платина
11 Сталь (карбонизированная)
12 Свинец (чистый)
13 Нерж. Электропроводность

«Серебро — лучший проводник электричества, потому что оно содержит большее количество подвижных атомов (свободных электронов).Чтобы материал был хорошим проводником, пропускаемое через него электричество должно перемещать электроны; чем больше в металле свободных электронов, тем выше его проводимость. Однако серебро дороже других материалов и обычно не используется, если только оно не требуется для специального оборудования, такого как спутники или печатные платы », — поясняет Sciencing.com.

Медь проводимость

«Медь менее проводящая, чем серебро, но дешевле и обычно используется в качестве эффективного проводника в бытовых приборах.Большинство проводов имеют медное покрытие, а сердечники электромагнитов обычно оборачиваются медной проволокой. Медь также легко паять и наматывать на провода, поэтому ее часто используют, когда требуется большое количество проводящего материала », — сообщает Sciencing.com

Золото Проводимость

В то время как золото является хорошим проводником электричества и не тускнеет, когда на воздухе это слишком дорого для обычного использования. Индивидуальные свойства делают его идеальным для конкретных целей.

Алюминий Проводимость

Алюминий может проводить электричество, но он не проводит электричество так же хорошо, как медь.Алюминий образует электрически стойкую оксидную поверхность в электрических соединениях, что может вызвать их перегрев. В высоковольтных линиях электропередачи, заключенных в стальной корпус для дополнительной защиты, используется алюминий.

Цинк Проводимость

ScienceViews.com объясняет, что «Цинк — это сине-серый металлический элемент с атомным номером 30. При комнатной температуре цинк становится хрупким, но становится пластичным при 100 C. Податливость означает, что его можно сгибать. и сформирован без разрушения. Цинк — умеренно хороший проводник электричества ».

Никель Проводимость

Большинство металлов проводят электричество. Никель — это элемент с высокой электропроводностью.

Латунь Проводимость

Латунь — это металл для растяжения, используемый для небольших машин, потому что его легко сгибать и формовать в различные детали. Его преимущества перед сталью заключаются в том, что он немного более проводящий, дешевле в приобретении, менее коррозионный, чем сталь, и при этом сохраняет ценность после использования. Латунь — это сплав.

Бронза Проводимость

Бронза — это электропроводящий сплав, а не элемент.

Железо Проводимость

Железо имеет металлические связи, в которых электроны могут свободно перемещаться вокруг более чем одного атома. Это называется делокализацией. Из-за этого железо — хороший проводник.

Платина Проводимость

Платина — это элемент с высокой электропроводностью, который более пластичен, чем золото, серебро или медь. Он менее податлив, чем золото. Металл обладает отличной устойчивостью к коррозии, устойчив при высоких температурах и имеет стабильные электрические свойства.

Сталь Проводимость

Сталь — это проводник и сплав железа. Сталь обычно используется для оболочки других проводников, потому что это негибкий и очень коррозионный металл при контакте с воздухом.

Проводимость свинца

«Хотя соединения свинца могут быть хорошими изоляторами, чистый свинец — это металл, который проводит электричество, что делает его плохим изолятором. Удельное сопротивление свинца составляет 22 миллиардных метра. Он находит применение в электрических контактах, потому что, будучи относительно мягким металлом, он легко деформируется при затягивании и обеспечивает прочное соединение.Например, разъемы для автомобильных аккумуляторов обычно делают из свинца. Стартер автомобиля на короткое время потребляет ток более 100 ампер, что требует надежного подключения к батарее », — поясняет сайт Sciencing.com.

Нержавеющая сталь Проводимость

Нержавеющая сталь, как и все металлы, является относительно хорошим проводником электричества.

Факторы, влияющие на электрическую проводимость

Определенные факторы могут влиять на то, насколько хорошо материал проводит электричество. ThoughtCo объясняет эти факторы здесь:

  • Температура. Изменение температуры серебра или любого другого проводника приводит к изменению его проводимости.Как правило, повышение температуры вызывает тепловое возбуждение атомов и снижает проводимость при одновременном увеличении удельного сопротивления. Взаимосвязь линейная, но при низких температурах она нарушается.
  • Примеси: Добавление примесей к проводнику снижает его проводимость. Например, чистое серебро не так хорошо проводит дирижерство, как чистое серебро. Окисленное серебро — не такой хороший проводник, как чистое серебро. Примеси препятствуют потоку электронов.
  • Кристаллическая структура и фазы: Если есть разные фазы материала, проводимость немного замедлится на границе раздела и может отличаться от одной структуры от другой.Способ обработки материала может повлиять на то, насколько хорошо он проводит электричество.
  • Электромагнитные поля: проводники генерируют свои собственные электромагнитные поля, когда через них проходит электричество, причем магнитное поле перпендикулярно электрическому полю. Внешние электромагнитные поля могут создавать магнитосопротивление, которое может замедлять ток.
  • Частота: количество циклов колебаний, которые переменный электрический ток совершает в секунду, представляет собой его частоту в герцах.Выше определенного уровня высокая частота может вызвать протекание тока вокруг проводника, а не через него (скин-эффект). Поскольку нет колебаний и, следовательно, частоты, скин-эффект не возникает при постоянном токе.

Посетите Tampa Steel & Supply для качественной стали и алюминия

Вам нужны материалы для стали? Не ищите ничего, кроме профессионалов Tampa Steel and Supply. У нас есть обширный список стальной продукции для любого проекта, который вам нужен.Мы гордимся тем, что обслуживаем наших клиентов почти четыре десятилетия, и готовы помочь вам с вашими потребностями в стали. Есть вопросы? Позвоните нам сегодня, чтобы узнать больше, или загляните в наш красивый выставочный зал Тампа.

Сделайте запрос онлайн
или позвоните в Tampa Steel & Supply по телефону (813) 241-2801

1.3: Свойства вещества — Chemistry LibreTexts

Цели обучения

  • Отделить физические свойства и изменения от химических

Все материи обладают физическими и химическими свойствами.Физические свойства — это характеристики, которые ученые могут измерить без изменения состава исследуемого образца, такие как масса, цвет и объем (объем пространства, занимаемого образцом). Химические свойства описывают характерную способность вещества реагировать с образованием новых веществ; они включают его воспламеняемость и подверженность коррозии. Все образцы чистого вещества имеют одинаковые химические и физические свойства. Например, чистая медь всегда представляет собой красновато-коричневое твердое вещество (физическое свойство) и всегда растворяется в разбавленной азотной кислоте с образованием синего раствора и коричневого газа (химическое свойство).

Физические свойства могут быть обширными или интенсивными. Обширные свойства зависят от количества вещества и включают массу, вес и объем. Интенсивные свойства, напротив, не зависят от количества вещества; они включают цвет, точку плавления, точку кипения, электропроводность и физическое состояние при данной температуре. Например, элементарная сера представляет собой желтое кристаллическое твердое вещество, которое не проводит электричество и имеет температуру плавления 115,2 ° C, независимо от того, какое количество исследуется (рисунок \ (\ PageIndex {1} \)).Ученые обычно измеряют интенсивные свойства, чтобы определить личность вещества, тогда как обширные свойства передают информацию о количестве вещества в образце.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Разница между экстенсивными и интенсивными свойствами материи. Поскольку они различаются по размеру, два образца серы имеют разные экстенсивные свойства, такие как масса и объем. Напротив, их интенсивные свойства, включая цвет, температуру плавления и электропроводность, идентичны.

Хотя масса и объем являются экстенсивными свойствами, их соотношение является важным интенсивным свойством, называемым плотностью (\ (\ rho \)). Плотность определяется как масса на единицу объема и обычно выражается в граммах на кубический сантиметр (г / см 3 ). По мере увеличения массы в данном объеме увеличивается и плотность. Например, свинец с его большей массой имеет гораздо большую плотность, чем тот же объем воздуха, точно так же, как кирпич имеет большую плотность, чем такой же объем пенополистирола. При заданных температуре и давлении плотность чистого вещества постоянна:

\ [\ begin {align *} \ text {density} & = {\ text {mass} \ over \ text {volume}} \\ [4pt] \ rho & = {m \ over V} \ label {Eq1} \ end {align *} \]

Чистая вода, например, имеет плотность 0.998 г / см 3 при 25 ° C. Средние плотности некоторых распространенных веществ указаны в Таблице \ (\ PageIndex {1} \). Обратите внимание, что у кукурузного масла отношение массы к объему ниже, чем у воды. Это означает, что при добавлении в воду кукурузное масло будет «плавать» (Рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): плотности обычных веществ
Вещество Плотность при 25 ° C (г / см 3 ) Вещество Плотность при 25 ° C (г / см 3 )
кровь 1.035 Масло кукурузное 0,922
телесный жир 0,918 майонез 0,910
цельное молоко 1,030 мед 1,420

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): вода и масло. Поскольку масло имеет более низкую плотность, чем вода, оно плавает сверху. (CC-BY SA 3.0; Виктор Блакус).

Физическая собственность и изменение

Физические изменения — это изменения, при которых не разрываются и не образуются химические связи. Это означает, что те же типы соединений или элементов, которые были в начале изменения, присутствуют и в конце изменения. Поскольку конечные материалы такие же, как и исходные, их свойства (например, цвет, температура кипения и т. Д.) Также будут такими же. Физические изменения включают перемещение молекул, но не их изменение.Некоторые типы физических изменений включают:

  • Изменения состояния (переход от твердого состояния к жидкости или газу и наоборот)
  • Разделение смеси
  • Физическая деформация (резка, вмятина, растяжение)
  • Приготовление растворов (специальных смесей).

По мере таяния кубика льда его форма изменяется, поскольку он приобретает способность течь. Однако его состав не меняется. Плавление является примером физического изменения (рис. \ (\ PageIndex {3} \)), так как некоторые свойства материала меняются, а идентичность материи — нет.Физические изменения можно далее классифицировать как обратимые или необратимые. Растаявший кубик льда можно повторно заморозить, поэтому таяние — это обратимое физическое изменение. Все физические изменения, связанные с изменением состояния, обратимы. Другие изменения состояния включают испарение (жидкость в газ), замерзание (жидкость в твердое тело) и конденсацию (газ в жидкость). Растворение — это также обратимое физическое изменение. Когда соль растворяется в воде, считается, что соль перешла в водное состояние. Соль можно восстановить, выпарив воду, оставив соль.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Таяние льда — это физическое изменение. Когда твердая вода (\ (\ ce {H_2O} \)) в виде льда тает в жидкость (воду), она кажется измененной. Однако это изменение носит только физический характер, поскольку состав составляющих молекул тот же: 11,19% водорода и 88,81% кислорода по массе.

Химические свойства и изменение

Химические изменения происходят при разрыве и / или образовании связей между молекулами или атомами. Это означает, что одно вещество с определенным набором свойств (например, температура плавления, цвет, вкус и т. Д.) Превращается в другое вещество с разными свойствами.Химические изменения часто труднее обратить, чем физические.

Хороший пример химического изменения — горящая бумага. В отличие от процесса разрыва бумаги, акт сжигания бумаги фактически приводит к образованию новых химических веществ (если быть точным, углекислого газа и воды). Другой пример химического изменения происходит при образовании воды. Каждая молекула содержит два атома водорода и один атом кислорода, химически связанные.

Другой пример химического изменения — это то, что происходит при сжигании природного газа в вашей печи.На этот раз до реакции у нас есть молекула метана \ (\ ce {CH_4} \) и две молекулы кислорода \ (\ ce {O_2} \), а после реакции у нас есть две молекулы воды, \ (\ ce {H_2O} \) и одна молекула диоксида углерода \ (\ ce {CO_2} \). В этом случае изменился не только внешний вид, но и структура молекул. Новые вещества не обладают такими химическими свойствами, как исходные. Следовательно, это химическое изменение.

Горение металлического магния также является химическим изменением (Магний + Кислород → Оксид магния):

\ [\ ce {2 Mg + O_2 \ rightarrow 2 MgO}
\ nonumber \]

как ржавчина железа (железо + кислород → оксид железа / ржавчина):

\ [\ ce {4 Fe + 3O_2 \ rightarrow 2 Fe_2O_3}
\ nonumber \]

Используя компоненты состава и свойств, мы можем отличить один образец материи от других.

Список литературы

  1. Петруччи, Биссоннет, Селедка, Мадура. Общая химия: принципы и современные приложения. Десятое изд. Река Аппер Сэдл, Нью-Джерси 07458: Pearson Education Inc., 2011.
  2. Cracolice, Peters. Основы вводной химии Активный подход к обучению. Второе изд. Бельмонт, Калифорния 94001: Брукс / Коул, 2007.

Авторы и авторство

Почему сера — неметалл?

Сера считается неметаллом, поскольку она соответствует 3 физическим свойствам, перечисленным для неметаллов.Это плохой проводник тепла и электричества, потому что электроны не могут двигаться. Элемент, который становится ионом, должен иметь свободное пространство для движения его электронов и создания электрического заряда. Вместо этого электроны Sulphur очень плотно удерживаются и не могут перемещаться, поэтому это скорее изолятор. Кроме того, поскольку сера тусклая и хрупкая в твердой форме, это еще раз объясняет, почему она является плохим проводником, поскольку электронам труднее перемещаться, когда они плотно упакованы в твердое тело.Кроме того, неметаллы, такие как сера, обычно имеют более низкую плотность, чем металлы. Неметаллы могут увеличиваться в атомной массе, однако они имеют меньшие объемы, чем металлы. Как объяснялось ранее, по мере того, как вы перемещаетесь по периодической таблице, электроны приближаются к ядру, создавая меньший объем, и это значительно снижает плотность неметаллов. Сера имеет низкую плотность, потому что у нее меньше объема для электронного облака.

Сера также относится к этой элементной группе, потому что она соответствует 3 основным химическим свойствам неметаллов.