लोहा (Fe): गुणधर्म, अभिक्रियाएँ और महत्व

परिचय

लोहा (Fe), एक चांदी जैसा-भूरा संक्रमण धातु है, जो द्रव्यमान के हिसाब से पृथ्वी की पपड़ी में चौथा सबसे प्रचुर तत्व है और समग्र रूप से पृथ्वी पर सबसे प्रचुर तत्व है। इसका व्यापक उपयोग, विशेष रूप से स्टील के रूप में, इसे आधुनिक बुनियादी ढांचे और प्रौद्योगिकी के लिए अपरिहार्य बनाता है। अपने औद्योगिक महत्व के अलावा, लोहा जैविक प्रणालियों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जो लगभग सभी जीवों में जीवन प्रक्रियाओं के लिए आवश्यक है।

CBSE/JEE त्वरित पुनरीक्षण नोट्स

प्रतीक: Fe
परमाणु संख्या (Z): 26
परमाणु द्रव्यमान: 55.845 g/mol (गणनाओं के लिए आमतौर पर 56 g/mol के रूप में अनुमानित)
समूह: 8
आवर्त: 4
ब्लॉक: d-ब्लॉक (संक्रमण धातु)
सामान्य ऑक्सीकरण अवस्थाएँ: +2 (फेरस) और +3 (फेरिक)। कम सामान्य अवस्थाओं में 0, +1, +4, +5, +6 शामिल हैं।
प्रकृति: फेरोमैग्नेटिक (मजबूत चुंबकीय गुण)।
गलनांक: 1538 °C
क्वथनांक: 2862 °C
घनत्व: 7.874 g/cm³
उपस्थिति: प्रकृति में शायद ही कभी मुक्त पाया जाता है; मुख्य रूप से हेमेटाइट (Fe₂O₃), मैग्नेटाइट (Fe₃O₄), लिमोनाइट (Fe₂O₃·nH₂O), सिडेराइट (FeCO₃), और आयरन पाइराइट्स (FeS₂) जैसे अयस्कों में पाया जाता है।

इलेक्ट्रॉनिक विन्यास और बंधन व्यवहार

इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: लोहे का मूल अवस्था इलेक्ट्रॉनिक विन्यास है: [Ar] 3d⁶ 4s²

आयनों का निर्माण: बंधन में 4s और 3d दोनों इलेक्ट्रॉनों की भागीदारी के कारण लोहा विभिन्न ऑक्सीकरण अवस्थाएँ प्रदर्शित करता है।

Fe²⁺ (फेरस आयन): दो 4s इलेक्ट्रॉन खोकर बनता है। Fe \rightarrow Fe²⁺ + 2e⁻ इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: [Ar] 3d⁶
Fe³⁺ (फेरिक आयन): दो 4s इलेक्ट्रॉन और एक 3d इलेक्ट्रॉन खोकर बनता है। यह विन्यास (3d⁵) अर्ध-भरे d-ऑर्बिटल के कारण असाधारण रूप से स्थिर होता है। Fe \rightarrow Fe³⁺ + 3e⁻ इलेक्ट्रॉनिक विन्यास: [Ar] 3d⁵

बंधन विशेषताएँ:

अत्यधिक विद्युत् ऋणात्मक तत्वों (जैसे, ऑक्सीजन, हैलोजन) के साथ मुख्य रूप से आयनिक यौगिक बनाता है।
रिक्त d-ऑर्बिटल की उपस्थिति के कारण कई उपसहसंयोजक यौगिक (संकुल) बनाता है, जो इसे लिगैंड से इलेक्ट्रॉन युग्म स्वीकार करने की अनुमति देता है। उदाहरणों में हेक्सासायनोफेरेट(II) आयन ([Fe(CN)₆]⁴⁻) और हेक्सासायनोफेरेट(III) आयन ([Fe(CN)₆]³⁻) शामिल हैं।

प्रमुख रासायनिक अभिक्रियाएँ

हवा/ऑक्सीजन के साथ अभिक्रिया (जंग लगना): लोहा ऑक्सीजन और नमी की उपस्थिति में संक्षारित होकर हाइड्रेटेड फेरिक ऑक्साइड बनाता है, जिसे आमतौर पर जंग के रूप में जाना जाता है। यह एक विद्युत रासायनिक प्रक्रिया है। 4Fe(s) + 3O₂(g) + 6H₂O(l) \rightarrow 4Fe(OH)₃(s) (मध्यवर्ती) 2Fe(OH)₃(s) \rightarrow Fe₂O₃·xH₂O(s) + (3-x)H₂O(l) (जंग)
तनु अम्लों के साथ अभिक्रिया: लोहा तनु अन-ऑक्सीकारक अम्लों के साथ अभिक्रिया करके हाइड्रोजन गैस मुक्त करता है और फेरस लवण बनाता है। Fe(s) + 2HCl(aq) \rightarrow FeCl₂(aq) + H₂(g) Fe(s) + H₂SO₄(dilute) \rightarrow FeSO₄(aq) + H₂(g)
भाप के साथ अभिक्रिया (उच्च तापमान पर, >500 °C): 3Fe(s) + 4H₂O(g) \rightarrow Fe₃O₄(s) + 4H₂(g) (Fe₃O₄ एक मिश्रित ऑक्साइड है, फेरस-फेरिक ऑक्साइड, FeO·Fe₂O₃)
सांद्र सल्फ्यूरिक अम्ल के साथ अभिक्रिया (गर्म): लोहा फेरिक अवस्था में ऑक्सीकृत हो जाता है, और सल्फर डाइऑक्साइड उत्पन्न होती है। 2Fe(s) + 6H₂SO₄(conc, hot) \rightarrow Fe₂(SO₄)₃(aq) + 3SO₂(g) + 6H₂O(l)
सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ अभिक्रिया (निष्क्रियता): सांद्र नाइट्रिक अम्ल के साथ उपचारित करने पर लोहा निष्क्रिय हो जाता है। यह इसकी सतह पर आयरन ऑक्साइड (Fe₃O₄ या Fe₂O₃) की एक बहुत पतली, गैर-छिद्रपूर्ण, सुरक्षात्मक परत के निर्माण के कारण होता है, जो आगे की अभिक्रिया को रोकता है। तब लोहा तनु अम्लों के साथ भी अभिक्रिया नहीं करता है।
थर्माइट अभिक्रिया: एक अत्यधिक ऊष्माक्षेपी रेडॉक्स अभिक्रिया, जिसका उपयोग बड़े लोहे के घटकों की वेल्डिंग के लिए और धातु विज्ञान में धातु ऑक्साइड को कम करने के लिए किया जाता है। Fe₂O₃(s) + 2Al(s) \rightarrow 2Fe(l) + Al₂O₃(s) + Heat
आयरन ऑक्साइड का अपचयन (ब्लास्ट फर्नेस - लौह निष्कर्षण के लिए):
- कार्बन मोनोऑक्साइड द्वारा प्राथमिक अपचयन: Fe₂O₃(s) + 3CO(g) \rightarrow 2Fe(l) + 3CO₂(g)
- कार्बन द्वारा सीधा अपचयन (बहुत उच्च तापमान पर): Fe₂O₃(s) + 3C(s) \rightarrow 2Fe(l) + 3CO(g)

औद्योगिक और जैविक महत्व

औद्योगिक महत्व

इस्पात उत्पादन: लोहा इस्पात का प्राथमिक घटक है, जो कार्बन और अन्य तत्वों के साथ एक मिश्र धातु है। इस्पात की उच्च तन्यता शक्ति, नमनीयता और सामर्थ्य इसे निर्माण, ऑटोमोटिव और विनिर्माण उद्योगों में सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली संरचनात्मक सामग्री बनाती है।
उत्प्रेरण: लोहा, अक्सर बारीक विभाजित रूप में या प्रमोटरों (जैसे, मोलिब्डेनम) के साथ मिश्रित, महत्वपूर्ण औद्योगिक प्रक्रियाओं में एक उत्प्रेरक के रूप में कार्य करता है:
- हैबर-बॉश प्रक्रिया: अमोनिया के संश्लेषण के लिए (N₂ + 3H₂ \rightleftharpoons 2NH₃)।
- फिशर-ट्रॉप्स संश्लेषण: संश्लेषण गैस (CO + H₂) को तरल हाइड्रोकार्बन में परिवर्तित करने के लिए।
रंगद्रव्य: विभिन्न आयरन ऑक्साइड का उपयोग रंगद्रव्य के रूप में किया जाता है, जो पेंट, सिरेमिक और सौंदर्य प्रसाधनों में पीले (लिमोनाइट), लाल (हेमेटाइट) से काले (मैग्नेटाइट) तक रंगों की एक श्रृंखला प्रदान करते हैं।
चुंबक: इसके फेरोमैग्नेटिक गुणों का उपयोग इलेक्ट्रोमैग्नेट, इलेक्ट्रिक मोटर, जनरेटर और विभिन्न चुंबकीय भंडारण उपकरणों में किया जाता है।

जैविक महत्व

ऑक्सीजन परिवहन: लोहा हीमोग्लोबिन का एक आवश्यक घटक है, जो लाल रक्त कोशिकाओं में पाया जाने वाला प्रोटीन है जो फेफड़ों से शरीर के ऊतकों तक ऑक्सीजन को बांधने और परिवहन करने के लिए जिम्मेदार है। प्रत्येक हीमोग्लोबिन अणु में चार हीम समूह होते हैं, जिनमें से प्रत्येक के केंद्र में एक आयरन आयन (Fe²⁺) होता है।
ऑक्सीजन भंडारण: मांसपेशियों की कोशिकाओं में, लोहा मायोग्लोबिन में पाया जाता है, एक प्रोटीन जो ऑक्सीजन को संग्रहीत करता है, मांसपेशियों की गतिविधि के लिए आवश्यक होने पर इसे छोड़ता है।
एंजाइमी गतिविधि: लोहा कई एंजाइमों के लिए एक महत्वपूर्ण सहकारक है जो महत्वपूर्ण उपापचयी प्रक्रियाओं में शामिल होते हैं:
- साइटोक्रोम: कोशिका श्वसन के दौरान इलेक्ट्रॉन परिवहन श्रृंखला में इलेक्ट्रॉन वाहक।
- कैटलेज और पेरोक्सीडेज: एंजाइम जो हाइड्रोजन पेरोक्साइड को तोड़कर कोशिकाओं को ऑक्सीडेटिव क्षति से बचाते हैं।
- नाइट्रोजिनेज: नाइट्रोजन-स्थिरीकरण बैक्टीरिया में पाया जाने वाला एक एंजाइम जिसमें लोहा होता है, जो वायुमंडलीय नाइट्रोजन को अमोनिया में परिवर्तित करने के लिए आवश्यक है।
क्लोरोफिल संश्लेषण: हालांकि क्लोरोफिल का स्वयं एक घटक नहीं है, पौधों में क्लोरोफिल के संश्लेषण के लिए लोहा आवश्यक है। पौधों में लोहे की कमी से क्लोरोसिस (पत्तियों का पीला पड़ना) होता है।