ŽELEZO (ELEMENT): LASTNOSTI, KEMIJSKA ZGRADBA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Železo je prehodna kovina, ki spada v skupino 8 ali VIIIB periodnega sistema in kemijskim simbolom zastopa Fe. Kovina siva, gibkih, tempranih in visoke trdnosti, ki se uporabljajo v številnih aplikacijah uporabne za človeka in družbo.

Sestavlja 5% zemeljske skorje, po aluminiju pa je tudi druga najpogostejša kovina. Prav tako njegova številčnost presega kisik in silicij. Glede zemeljskega jedra pa je 35% sestavljeno iz kovinskega in tekočega železa.

Alkimist-hp (pogovor) (www.pse-mendelejew.de)

Zunaj zemeljskega jedra ne najdemo železa v kovinski obliki, saj se hitro oksidira, ko je izpostavljen vlažnemu zraku. Nahaja se v bazaltnih kamninah, ogljikovih sedimentih in meteoritih; na splošno zlitin z nikljem, kot v mineralnem kamacitu.

Glavni minerali železa, ki se uporabljajo za rudarjenje, so: hematit (železov oksid, Fe ₂ O ₃ ), magnetit (ferosomerni oksid, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hidrirani železov oksid hidroksid) in siderit (železov karbonat, FeCO ₃ ).

V povprečju ima človek 4,5 g železa, od tega 65% v obliki hemoglobina. Ta protein sodeluje pri transportu kisika v krvi in ​​pri njegovi distribuciji v različna tkiva, da bi ga pozneje zaužil mioglobin in nevroglobin.

Kljub številnim koristim železa za človeka ima lahko odvečna kovina zelo resne strupene učinke, zlasti na jetra, srčno-žilni sistem in trebušno slinavko; tak primer je dedna bolezen hemokromatozija.

Železo je sinonim za gradnjo, moč in vojne. Po drugi strani pa je zaradi svoje številčnosti vedno mogoče razmisliti o razvoju novih materialov, katalizatorjev, zdravil ali polimerov; in kljub rdeči barvi rja je okolju zelena kovina.

Zgodovina

Antika

Železo predelajo že tisočletja. Vendar pa je težko najti železne predmete tako starodavne dobe zaradi njihove dovzetnosti za korozijo, kar povzroči njihovo uničenje. Najstarejši znani železni predmeti so bili narejeni iz najdenih meteoritov.

Tak primer je vrsta kroglic, narejenih leta 3500 pred našim štetjem, ki so jih našli v Gerzah v Egiptu in bodala, najdena v grobnici Tutankamona. Za železove meteorite je značilna visoka vsebnost niklja, zato je bilo mogoče v teh predmetih ugotoviti njihovo poreklo.

Dokazi o litega železa so bili najdeni tudi v Asmarju, Mezopotamiji in Bazarju Tail Chagar, v Siriji, od leta 3000 do 2700 pr.n.št. Čeprav se je litje železa začelo v bronasti dobi, je trajalo stoletja, da je izpodrinelo bron.

Poleg tega so našli artefakte iz litega železa v Indiji, od 1800 do 1200 pred našim štetjem, in v Levantu, okoli leta 1500 pred našim štetjem. Domneva se, da se je železna doba začela leta 1000 pred našim štetjem, saj so se stroški njihove proizvodnje zmanjšali.

Na Kitajskem se pojavlja med letoma 700 in 500 pred našim štetjem, verjetno se prevaža skozi Srednjo Azijo. Prve železne predmete so našli v Luhe Jiangsu na Kitajskem.

Evropa

Kovano železo je bilo proizvedeno v Evropi z uporabo tako imenovanih gala kovačev. Proces je zahteval uporabo premoga kot goriva.

Srednjeveške plavže so bile visoke 3,0 m, izdelane so iz ognjevarnih opek, zrak pa so dovajali ročni mehi. Leta 1709 je Abraham Darby ustanovil kovinsko peč za proizvodnjo staljenega železa in nadomestil oglje.

Razpoložljivost poceni železa je bila eden od dejavnikov, ki so privedli do industrijske revolucije. V tem obdobju se je začelo prečiščevanje surovega železa v kovano železo, ki so ga uporabljali za gradnjo mostov, ladij, skladišč itd.

Jeklo

Jeklo uporablja večjo koncentracijo ogljika kot kovano železo. Jeklo je bilo proizvedeno v Luristanu v Perziji leta 1000 pred našim štetjem. V industrijski revoluciji so bili zasnovani novi načini za proizvodnjo železnih palic brez ogljika, ki so jih kasneje uporabili za proizvodnjo jekla.

V poznih 1850-ih je Henry Bessemer zasnoval vpihovanje zraka v staljeno surovo železo za proizvodnjo blagega jekla, kar je povečalo varčnost proizvodnje jekla. To je povzročilo zmanjšanje proizvodnje kovanega železa.

Lastnosti

Videz

Kovinski lesk s sivkastim odtenkom.

Atomska teža

55.845 u.

Atomska številka (Z)

26

Tališče

1.533 ºC

Vrelišče

2.862 ºC

Gostota

-Temperatura okolice: 7.874 g / ml.

-Tališče (tekočina): 6.980 g / ml.

Vročina fuzije

13,81 kJ / mol

Toplota izparevanja

340 kJ / mol

Molarna kalorična zmogljivost

25,10 J / (mol K)

Ionizacijska energija

-Prednja ionizacija: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ plinasti)

-Druga raven ionizacije: 1,561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ plinasti)

-Tretja raven ionizacije: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ plinasti)

Elektronegativnost

1,83 po Paulingovi lestvici

Atomski radio

Empirični 126.00

Toplotna prevodnost

80,4 W / (mK)

Električni upor

96,1 Ω · m (pri 20 ºC)

Točka curie

770 ° C, približno Pri tej temperaturi železo ni več feromagnetno.

Izotopi

Stabilni izotopi: ⁵⁴ Fe, z obiljem 5,85%; ⁵⁶ Fe, z obiljem 91,75%; ⁵⁷ Fe, z obilico 2,12%; in ⁵⁷ Fe, z obiljem 0,28%. Ker je ⁵⁶ Fe najbolj stabilen in najširši izotop, ni presenetljivo, da je atomska teža železa zelo blizu 56 u.

Medtem ko so radioaktivni izotopi: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe in ⁶⁰ Fe.

Struktura in elektronska konfiguracija

-Allropes

Železo pri sobni temperaturi kristalizira v telesno centrirani kubični strukturi (bcc), ki je znana tudi kot α-Fe ali ferit (znotraj metalurškega žargona). Ker lahko sprejme različne kristalne strukture kot funkcijo temperature in tlaka, naj bi bilo železo alotropna kovina.

Alotropni bcc je navadno železo (feromagnetno), tisto, ki ga ljudje tako dobro poznajo in ga privlačijo magneti. Ko se segreje nad 771 ° C, postane paramagnetna, in čeprav se njen kristal le širi, je bila ta "nova faza" prej obravnavana kot β-Fe. Drugi alotropi železa so prav tako paramagnetni.

Med 910 ° C in 1394 ° C je železo najdeno kot avstenit ali γ-Fe alotrop, katerega struktura je v središču kubična, fcc. Pretvorba avstenita in ferita ima velik vpliv na jeklo; ker so ogljikovi atomi bolj topni v avstenitu kot v feritu.

Nato se nad 1394 ° C do tališča (1538 ° C) železo vrne in prevzame strukturo skorje, δ-Fe; vendar je za razliko od ferita ta alotrop paramagnetni.

Epsilon likalnik

S povečanjem tlaka na 10 GPa se pri temperaturi nekaj sto stopinj Celzija α ali feritni alotrop razvije v alotrop ε epsilon, za katerega je značilno, da kristalizira v kompaktni šesterokotni strukturi; torej z najbolj kompaktnimi Fe atomi. To je četrta alotropna oblika železa.

Nekatere študije teoretizirajo o možnem obstoju drugih alotropov železa pod takšnimi pritiski, vendar pri še višjih temperaturah.

-Metalna povezava

Ne glede na železov alotrop in temperaturo, ki "trese" njegove atome Fe ali tlak, ki jih kompaktira, medsebojno delujejo z enakimi valenčnimi elektroni; To so tiste, ki so prikazane v njihovi elektronski konfiguraciji:

3d ⁶ 4s ²

Zato obstaja osem elektronov, ki sodelujejo v kovinski vezi, ne glede na to, ali je oslabljen ali okrepljen med alotropnimi prehodi. Prav tako teh osem elektronov določa lastnosti železa, kot so njegova toplotna ali električna prevodnost.

-Oksidacijske številke

Najpomembnejša (in pogosta) oksidacijska števila železa so +2 (Fe ²⁺ ) in +3 (Fe ³⁺ ). Pravzaprav konvencionalna nomenklatura upošteva samo ti dve številki ali stanji. Vendar obstajajo spojine, kjer železo lahko pridobi ali izgubi drugo število elektronov; torej se domneva obstoj drugih kationov.

Na primer, železo ima lahko tudi oksidacijske številke +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) in +7 (Fe ^{7 +} ). Anionska ferratna vrsta, FeO ₄ ^2- , ima železo z oksidacijskim številom +6, saj so ga štirje atomi kisika oksidirali do te mere.

Prav tako ima lahko železo negativne oksidacijske številke; kot so: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) in -1 (Fe ^- ). Vendar so spojine z železnimi centri s temi pridobitvami elektronov zelo redke. Zato slednji, čeprav v tem pogledu presega mangan, tvori veliko bolj stabilne spojine s svojim razponom oksidacijskih stanj.

Rezultat je za praktične namene dovolj upoštevati Fe ²⁺ ali Fe ³⁺ ; ostali kationi so rezervirani za nekoliko specifične ione ali spojine.

Kako se pridobi?

Jekleni okraski, najpomembnejša zlitina železa. Vir: Pxhere.

Zbiranje surovin

Nadaljevati moramo do rude najprimernejših mineralov za pridobivanje železa. Najpogosteje uporabljeni minerali so: hematit (Fe ₂ O ₃ ), magnetit (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) in siderit (FeCO ₃ ).

Potem je prvi korak pri pridobivanju kamnin z železnimi rudami. Te kamnine so zdrobljene, da jih razbijejo na majhne koščke. Nato sledi faza izbire drobcev kamnin z železno rudo.

Pri izbiri sta upoštevani dve strategiji: uporaba magnetnega polja in usedanje v vodi. Fragmenti kamnine so podvrženi magnetnemu polju in mineralni delci so v njej usmerjeni, tako da jih je mogoče ločiti.

Pri drugi metodi se skalnati drobci odvržejo v vodo in tisti, ki vsebujejo železo, ker so težji, se naselijo na dnu vode, ganga pa pusti v zgornjem delu vode, ker je lažja.

Plavž

Plavž, kjer se proizvaja jeklo. Vir: Pixabay.

Železove rude se prevažajo v plavžih, kjer se odlagajo skupaj s koksnim premogom, ki ima vlogo dobavitelja goriva in ogljika. Poleg tega se doda apnenec ali apnenec, ki izpolnjuje funkcijo fluksa.

V plavž se s predhodno mešanico vbrizga vroč zrak pri temperaturi 1.000 ° C. Železo se topi s zgorevanjem premoga, ki temperaturo doseže na 1800 ° C. Ko je tekoč, se imenuje surovo železo, ki se nabira na dnu pečice.

Svinjsko železo se odstrani iz peči in prelije v posode, ki jih je treba prevažati v novo livarno; medtem ko se žlindra, nečistoča, ki se nahaja na površini surovega železa, zavrže.

Surovo železo se z uporabo kovin vlije v pretvorniško peč, skupaj z apnencem kot fluksom, pri visokih temperaturah pa se vnese kisik. Tako se zmanjša vsebnost ogljika, ki prečisti surovo železo, da ga spremeni v jeklo.

Kasneje se jeklo prenese skozi električne peči za proizvodnjo posebnih jekel.

Prijave

-Metalno železo

Železni most v Angliji, ena od mnogih konstrukcij, narejenih z železom ali njegovimi zlitinami. Vir: Avtor ni na voljo za branje avtorja. Jasonjsmith domneval (temelji na trditvah o avtorskih pravicah).

Ker je nizkocenovna, kovinska, nodularna kovina, ki je postala odporna proti koroziji, je postala najbolj uporabna kovina za človeka v različnih oblikah: kovani, liti in jeklo različnih vrst.

Železo se uporablja za gradnjo:

-Bridži

-Osnove za zgradbe

-Vrata in okna

- Ladijski trupi

-Različna orodja

-Cep za pitno vodo

-Cevke za zbiranje odpadne vode

-Pohištvo za vrtove

-Rešetka za varnost doma

Uporablja se tudi pri proizvodnji gospodinjskih pripomočkov, kot so lonci, ponve, noži, vilice. Poleg tega se uporablja pri izdelavi hladilnikov, štedilnikov, pralnih strojev, pomivalnih strojev, mešalnikov, pečic, tosterjev.

Skratka, železo je prisotno v vseh predmetih, ki obkrožajo človeka.

Nanodelci

Kovinsko železo je pripravljeno tudi kot nanodelci, ki so visoko reaktivni in ohranjajo magnetne lastnosti makroskopske trdne snovi.

Te sfere Fe (in njihove številne dodatne morfologije) se uporabljajo za čiščenje voda organoklornih spojin in kot nosilci drog, ki se z uporabo magnetnega polja dovajajo v izbrana področja telesa.

Služijo lahko tudi kot katalitična podpora pri reakcijah, pri katerih se ogljikove vezi, CC, porušijo.

-Ironske spojine

Oksidi

Železov oksid FeO se uporablja kot pigment za kristale. Železov oksid, Fe ₂ O ₃ , je osnova za številne pigmente, ki segajo od rumene do rdeče, znane kot beneška rdeča. Rdeča oblika, imenovana rouge, se uporablja za poliranje plemenitih kovin in diamantov.

Fero-železov oksid, Fe ₃ O ₄ , se uporablja v feritih, snoveh z visoko magnetno dostopnostjo in električnim uporom, uporabnimi v nekaterih računalniških spominih in pri prevleki magnetnih trakov. Uporablja se tudi kot pigmentno in polirno sredstvo.

Sulfati

Železov sulfat heptahidrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, je najbolj običajna oblika železovega sulfata, znan kot zeleni vitriol ali coppera. Uporablja se kot reducent in pri proizvodnji črnil, gnojil in pesticidov. Uporabo najde tudi pri galvanizaciji železa.

Za pridobivanje železovega aluma in drugih železovih spojin se uporablja železov sulfat Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ . Služi kot koagulant pri čiščenju odpadnih voda in kot mordant pri barvanju tekstila.

Kloridi

Železov klorid, FeCl ₂ , se uporablja kot mordant in redukcijsko sredstvo. Medtem se železov klorid, FeCl ₃ , uporablja kot klorirajoče sredstvo za kovine (srebro in baker) in nekatere organske spojine.

Obdelava Fe ³⁺ s heksocijanoferratnim ionom ^-4 povzroči modro oborino, imenovano pruska modra, ki se uporablja v barvah in lakih.

Železna hrana

Školjke so bogat prehranski vir železa. Vir: Pxhere.

Na splošno je priporočljiv vnos železa 18 mg / dan. Med živili, ki jih zagotavljajo v vsakodnevni prehrani, so naslednja:

Školjke zagotavljajo železo v obliki heme, zato ni čutiti inhibicije črevesne absorpcije le-tega. Drobnica zagotavlja do 28 mg železa na 100 g le-tega; zato bi bila ta količina školjke dovolj za zadovoljevanje dnevnih potreb po železu.

Špinača vsebuje 3,6 mg železa na 100 g. Meso iz govejega organa, na primer telečje jetra, vsebuje 6,5 mg železa na 100 g. Prispevek krvave klobase bo verjetno nekoliko večji. Krvna klobasa je sestavljena iz porcije tankega črevesa, polnjene z govejo krvjo.

Stročnice, na primer leča, vsebujejo 6,6 mg železa na 198 g. Rdeče meso vsebuje 2,7 mg železa na 100 g. Bučna semena vsebujejo 4,2 mg na 28 g. Kvinoja vsebuje 2,8 mg železa na 185 g. Temno meso purana vsebuje 2,3 mg na 100 g. Brokoli vsebuje 2,3 mg na 156 mg.

Tofu vsebuje 3,6 mg na 126 g. Medtem temna čokolada vsebuje 3,3 mg na 28 g.

Biološka vloga

Funkcij, ki jih železo izpolnjuje, zlasti pri vretenčarskih živih bitjih, je nešteto. Ocenjujejo, da več kot 300 encimov za svoje delovanje potrebuje železo. Med encimi in proteini, ki ga uporabljajo, so navedeni:

-Proteini, ki imajo skupino hema in nimajo encimske aktivnosti: hemoglobin, mioglobin in nevroglobin.

- Encimi s skupino hema, ki sodelujejo pri transportu elektronov: citokromi a, b in f ter aktivnost citokrom oksidaz in / ali oksidaza; sulfit oksidaza, citokrom P450 oksidaza, mieloperoksidaza, peroksidaza, katalaza itd.

-Proteini, ki vsebujejo železo-žveplo, povezani z aktivnostmi oksireduktaze, ki sodelujejo pri proizvodnji energije: sukcinat dehidrogenaza, izokitrat dehidrogenaza in akonitaza ali encimi, ki sodelujejo pri podvajanju in obnavljanju DNK: DNA-polimeraza in DNA-helikolaze.

-Nehemski encimi, ki za svoje katalitično delovanje uporabljajo železo kot kofaktor: fenilalanin hidrolaze, tirozin hidrolaze, triptofan hidrolaze in lizin hidrolaze.

-Nehemski proteini, odgovorni za transport in skladiščenje železa: feritin, transferrin, haptoglobin itd.

Tveganja

Toksičnost

Tveganja zaradi izpostavljenosti presežku železa so lahko akutna ali kronična. Eden od vzrokov za akutno zastrupitev z železom je lahko prekomerni vnos železnih tablet v obliki glukonata, fumarata itd.

Železo lahko povzroči draženje črevesne sluznice, katere nelagodje se pokaže takoj po zaužitju in po 6 do 12 urah izgine. Absorbirano železo se odlaga v različne organe. To kopičenje lahko povzroči presnovne motnje.

Če je količina zaužitega železa strupena, lahko povzroči črevesno perforacijo s peritonitisom.

V srčno-žilnem sistemu nastane hipovolemija, ki jo lahko povzroči krvavitev iz prebavil, in sproščanje železa vazoaktivnih snovi, kot sta serotonin in histamin, železo. Na koncu lahko pride do masivne nekroze jeter in odpovedi jeter.

Hemokromatozija

Hemokromatozija je dedna bolezen, ki predstavlja spremembo mehanizma uravnavanja železa v telesu, ki se kaže v povečanju koncentracije železa v krvi in ​​njegovem kopičenju v različnih organih; vključno z jetri, srcem in trebušno slinavko.

Začetni simptomi bolezni so naslednji: bolečine v sklepih, bolečine v trebuhu, utrujenost in šibkost. Z naslednjimi simptomi in poznejšimi znaki bolezni: diabetes, izguba spolne želje, impotenca, srčno popuščanje in odpoved jeter.

Hemosideroza

Za ime hemosideroze je značilno kopičenje hemosiderina v tkivih. To ne povzroči poškodb tkiv, vendar se lahko razvije v škodo, podobno kot pri hemokromatoziji.

Hemosiderozo lahko povzročijo naslednji vzroki: povečana absorpcija železa iz prehrane, hemolitična anemija, ki sprošča železo iz rdečih krvnih celic, in prekomerne transfuzije krvi.

Hemosideroza in hemokromatozija sta lahko posledica neustreznega delovanja hormona hepcidina, hormona, ki ga izločajo jetra, ki sodeluje pri uravnavanju telesnega železa.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Alotropi železa: vrste, gostota, uporabe in dejstva. Študij. Pridobljeno: study.com
3. Jayanti S. (drugi). Alotropija železa: termodinamika in kristalne strukture. Metalurgija. Pridobljeno od: Engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Železna nano moč. Pridobljeno: nanoshel.com
5. Wikipedija. (2019). Železo. Pridobljeno: en.wikipedia.org
6. Shropshire Zgodovina. (sf). Lastnosti železa. Pridobljeno: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Dejstva o železnem elementu. Pridobljeno: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18. julij). 11 zdravih živil, bogatih z železom. Pridobljeno: zdravjeline.com
9. Lenntech. (2019). Periodična tabela: Železo. Pridobljeno: lenntech.com
10. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (13. junij 2019). Železo. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com