ŻELAZO (PIERWIASTEK): CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA CHEMICZNA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Żelaza jest metal przejściowy należący do grupy 8 lub VIIIB Układu Okresowego i oznaczone symbolem chemicznej Fe, jest metalem szary, ciągliwa, ciągliwy i wysokiej wytrzymałości, używany w wielu zastosowaniach, użytecznych dla człowieka i społeczeństwo.

Stanowi 5% skorupy ziemskiej, a także jest drugim pod względem liczebności metalem po aluminium. Ponadto jego obfitość przewyższa tlen i krzem. Jednak w odniesieniu do jądra Ziemi 35% składa się z metalicznego i ciekłego żelaza.

Alchemist-hp (dyskusja) (www.pse-mendelejew.de)

Poza rdzeniem ziemi żelazo nie występuje w postaci metalicznej, ponieważ jest szybko utleniane pod wpływem wilgotnego powietrza. Znajduje się w skałach bazaltowych, osadach karbońskich i meteorytach; przeważnie stopowe z niklem, jak w kamacycie mineralnym.

Głównymi minerałami żelaza używanymi w górnictwie są: hematyt (tlenek żelaza, Fe ₂ O ₃ ), magnetyt (tlenek ferrosomeryczny, Fe ₃ O ₄ ), limonit (uwodniony tlenek żelaza) oraz syderyt (węglan żelaza, FeCO ₃ ).

Średnio człowiek zawiera 4,5 g żelaza, z czego 65% występuje w postaci hemoglobiny. Białko to bierze udział w transporcie tlenu we krwi i jego dystrybucji do różnych tkanek, a następnie jest wychwytywane przez mioglobinę i neuroglobinę.

Pomimo wielu zalet żelaza dla ludzi, nadmiar metalu może mieć bardzo poważne działanie toksyczne, zwłaszcza na wątrobę, układ sercowo-naczyniowy i trzustkę; tak jest w przypadku choroby dziedzicznej hemochromatozja.

Żelazo jest synonimem konstrukcji, siły i wojen. Z drugiej strony, ze względu na jego obfitość, zawsze stanowi alternatywę do rozważenia przy opracowywaniu nowych materiałów, katalizatorów, leków lub polimerów; i pomimo czerwonego koloru rdzy jest metalem ekologicznym.

Historia

Antyk

Żelazo było przetwarzane od tysiącleci. Jednak trudno jest znaleźć żelazne przedmioty z tak starożytnych epok ze względu na ich podatność na korozję, która powoduje ich zniszczenie. Najstarsze znane przedmioty żelazne zostały wykonane z tego znalezionego w meteorytach.

Tak jest w przypadku pewnego rodzaju koralików wykonanych w 3500 roku pne, znalezionych w Gerza w Egipcie oraz sztyletu znalezionego w grobowcu Tutanchamona. Meteoryty żelazne charakteryzują się wysoką zawartością niklu, więc w tych obiektach można było zidentyfikować ich pochodzenie.

Dowody na istnienie żeliwa znaleziono również w Asmarze, Mezopotamii i Tail Chagar Bazaar w Syrii od 3000 do 2700 pne Chociaż odlewanie żelaza rozpoczęto w epoce brązu, zajęło to wieki, zanim brąz zniknął.

Ponadto artefakty żeliwne znaleziono w Indiach w latach 1800–1200 pne oraz w Lewancie około 1500 rpne Uważa się, że epoka żelaza rozpoczęła się w roku 1000 pne, ponieważ koszty ich produkcji zostały obniżone.

Pojawia się w Chinach między 700 a 500 rokiem pne, prawdopodobnie przetransportowany przez Azję Środkową. Pierwsze żelazne przedmioty znaleziono w Luhe Jiangsu w Chinach.

Europa

Kute żelazo produkowano w Europie przy użyciu tzw. Kuźni galowych. Proces wymagał użycia węgla jako paliwa.

Średniowieczne wielkie piece miały 3,0 m wysokości, były wykonane z cegieł ogniotrwałych, a powietrze było dostarczane przez mieszki ręczne. W 1709 roku Abraham Darby założył wielki piec koksowniczy do produkcji stopionego żelaza, zastępując węgiel drzewny.

Dostępność taniego żelaza była jednym z czynników, które doprowadziły do ​​rewolucji przemysłowej. W tym okresie rozpoczęła się przeróbka surówki na kute, z której budowano mosty, statki, magazyny itp.

Stal

Stal wykorzystuje wyższe stężenie węgla niż żelazo kute. Stal została wyprodukowana w Luristanie w Persji w 1000 roku pne W czasie rewolucji przemysłowej opracowano nowe metody wytwarzania prętów żelaznych bez węgla, które później wykorzystano do produkcji stali.

Pod koniec lat pięćdziesiątych XIX wieku Henry Bessemer opracował wdmuchiwanie powietrza do stopionej surówki w celu wytworzenia miękkiej stali, dzięki czemu produkcja stali była bardziej ekonomiczna. Spowodowało to spadek produkcji kutego żelaza.

Nieruchomości

Wygląd

Metaliczny połysk z szarawym odcieniem.

Masa atomowa

55845 u.

Liczba atomowa (Z)

26

Temperatura topnienia

1533 ° C

Temperatura wrzenia

2862 ºC

Gęstość

-Temperatura otoczenia: 7,874 g / ml.

-Temperatura topnienia (ciecz): 6,980 g / ml.

Ciepło topnienia

13,81 kJ / mol

Ciepło parowania

340 kJ / mol

Molowa pojemność kaloryczna

25,10 J / (mol K)

Energia jonizacji

-Pierwszy poziom jonizacji: 762,5 kJ / mol (Fe ^{+ w stanie} gazowym)

-Drugi poziom jonizacji: 1561,9 kJ / mol (w postaci gazowej Fe ²⁺ )

-Trzeci poziom jonizacji: 2,957 kJ / mol ( gazowy Fe ³⁺ )

Elektroujemność

1,83 w skali Paulinga

Radio atomowe

Empiryczne 126 godz

Przewodność cieplna

80,4 W / (mK)

Rezystancja

96,1 Ω · m (przy 20 ºC)

Punkt Curie

Około 770 ° C. W tej temperaturze żelazo nie jest już ferromagnetyczne.

Izotopy

Stabilne izotopy: ⁵⁴ Fe, przy zawartości 5,85%; ⁵⁶ Fe, z zawartością 91,75%; ⁵⁷ Fe, z zawartością 2,12%; i ⁵⁷ Fe, z zawartością 0,28%. Ponieważ ⁵⁶ Fe jest najbardziej stabilnym i rozpowszechnionym izotopem, nie jest zaskakujące, że masa atomowa żelaza jest bardzo bliska 56 u.

Natomiast izotopy promieniotwórcze to: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe i ⁶⁰ Fe.

Struktura i konfiguracja elektroniczna

-Allropes

Żelazo w temperaturze pokojowej krystalizuje w sześciennej strukturze centralnej (bcc), która jest również znana jako α-Fe lub ferryt (w żargonie metalurgicznym). Ponieważ żelazo może przyjmować różne struktury krystaliczne w funkcji temperatury i ciśnienia, mówi się, że żelazo jest metalem alotropowym.

Alotrop bcc to zwykłe żelazo (ferromagnetyczne), które ludzie tak dobrze znają i przyciągają magnesy. Po podgrzaniu powyżej 771 ° C staje się paramagnetyczny i chociaż jego kryształ tylko się rozszerza, ta „nowa faza” była wcześniej uważana za β-Fe. Inne alotropy żelaza są również paramagnetyczne.

W przedziale od 910 ° C do 1394 ° C żelazo występuje jako austenit lub alotrop γ-Fe, którego struktura jest centrowana sześciennie, fcc. Konwersja między austenitem i ferrytem ma duży wpływ na produkcję stali; ponieważ atomy węgla są lepiej rozpuszczalne w austenicie niż w ferrycie.

Następnie, powyżej 1394 ºC, aż do jego temperatury topnienia (1538 ºC), żelazo powraca, przyjmując strukturę bcc, δ-Fe; ale w przeciwieństwie do ferrytu, ten alotrop jest paramagnetyczny.

Żelazo epsilon

Zwiększając ciśnienie do 10 GPa, w temperaturze kilkuset stopni Celsjusza, alotrop α lub ferrytowy ewoluuje do alotropu ε, epsilon, charakteryzującego się krystalizacją w zwartej strukturze heksagonalnej; to znaczy z najbardziej zwartymi atomami Fe. To czwarta alotropowa forma żelaza.

Niektóre badania teoretyzują o możliwym istnieniu innych alotropów żelaza pod takimi ciśnieniami, ale w jeszcze wyższych temperaturach.

-Metalowe łącze

Niezależnie od alotropu żelaza i temperatury, która „wstrząsa” jego atomami Fe, lub ciśnienia, które je zagęszcza, oddziałują one ze sobą tymi samymi elektronami walencyjnymi; Są to te pokazane w ich konfiguracji elektronicznej:

3d ⁶ 4s ²

Dlatego w wiązaniu metalicznym uczestniczy osiem elektronów, niezależnie od tego, czy jest osłabione, czy wzmocnione podczas przemian alotropowych. Podobnie, to właśnie te osiem elektronów definiuje właściwości żelaza, takie jak przewodnictwo cieplne lub elektryczne.

-Liczby utleniania

Najważniejsze (i powszechne) stopnie utlenienia żelaza to +2 (Fe ²⁺ ) i +3 (Fe ³⁺ ). W rzeczywistości konwencjonalna nomenklatura uwzględnia tylko te dwie liczby lub stany. Istnieją jednak związki, w których żelazo może zyskać lub stracić inną liczbę elektronów; to znaczy zakłada się istnienie innych kationów.

Na przykład żelazo może mieć stopnie utlenienia +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) i +7 (Fe ^{7 +} ). Anionowy żelazian, FeO ₄ ^2- , zawiera żelazo o stopniu utlenienia +6, ponieważ cztery atomy tlenu utleniały je w takim stopniu.

Podobnie żelazo może mieć ujemne stopnie utlenienia; takie jak: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) i -1 (Fe ^- ). Jednak związki z centrami żelaza z takimi wzmocnieniami elektronów są bardzo rzadkie. Dlatego, choć przewyższa pod tym względem mangan, tworzy on znacznie trwalsze związki ze swoim zakresem stopni utlenienia.

Wynik, ze względów praktycznych, wystarczy wziąć pod uwagę Fe ²⁺ lub Fe ³⁺ ; inne kationy są zarezerwowane dla nieco określonych jonów lub związków.

Jak to jest otrzymywane?

Stalowe ozdoby, najważniejszy stop żelaza. Źródło: Pxhere.

Zbieranie surowców

Musimy przystąpić do lokalizacji rud minerałów najbardziej odpowiednich do wydobycia żelaza. Najczęściej wykorzystywanymi minerałami do jego uzyskania są: hematyt (Fe ₂ O ₃ ), magnetyt (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) i syderyt (FeCO ₃ ).

Następnie pierwszym krokiem w wydobyciu jest zebranie skał z rudami żelaza. Te skały są kruszone, aby rozbić je na małe kawałki. Następnie następuje faza selekcji fragmentów skał z rudą żelaza.

Przy wyborze stosuje się dwie strategie: użycie pola magnetycznego i sedymentację w wodzie. Fragmenty skały poddawane są działaniu pola magnetycznego, a fragmenty minerałów są w nim zorientowane, dzięki czemu można je oddzielić.

W drugiej metodzie fragmenty skaliste są wrzucane do wody, a te, które zawierają żelazo, ponieważ są cięższe, osadzają się na dnie wody, pozostawiając skałę w górnej części wody, ponieważ jest lżejsza.

Wielki piec

Wielki piec, w którym produkowana jest stal. Źródło: Pixabay.

Rudy żelaza trafiają do wielkich pieców, gdzie są składowane razem z węglem koksującym, który pełni rolę dostawcy paliwa i węgla. Dodatkowo dodaje się wapień lub wapień, który spełnia funkcję topnika.

Do wielkiego pieca wtryskiwane jest gorące powietrze o temperaturze 1000 ºC wraz z wcześniejszą mieszaniną. Żelazo jest topione przez spalanie węgla, które podnosi temperaturę do 1800 ºC. W stanie płynnym nazywa się go surówką, która gromadzi się na dnie piekarnika.

Surówka jest wyjmowana z pieca i wlewana do pojemników, które mają być przetransportowane do nowej odlewni; podczas gdy żużel, zanieczyszczenie znajdujące się na powierzchni surówki, jest odrzucane.

Surówka jest wlewana za pomocą kadzi odlewniczych do pieca konwertorowego wraz z wapieniem jako topnikiem, a tlen jest wprowadzany w wysokich temperaturach. W ten sposób zmniejsza się zawartość węgla, rafinując surówkę, aby przekształcić ją w stal.

Następnie stal przechodzi przez piece elektryczne do produkcji stali specjalnych.

Aplikacje

-Żelazko metalowe

Żelazny most w Anglii, jedna z wielu konstrukcji wykonanych z żelaza lub jego stopów. Źródło: nie podano autora do odczytu maszynowego. Założono Jasonjsmith (na podstawie roszczeń dotyczących praw autorskich).

Ponieważ jest to tani, ciągliwy, ciągliwy metal, który stał się odporny na korozję, stał się najbardziej użytecznym metalem dla człowieka, pod różnymi postaciami: kuty, odlew i stal różnych typów.

Żelazo służy do budowy:

-Mostki

-Podstawy dla budynków

-Drzwi i okna

-Kadłuby łodzi

-Różne narzędzia

-Rurociągi do wody pitnej

-Rury do zbierania ścieków

-Meble do ogrodów

-Kratka dla bezpieczeństwa w domu

Znajduje również zastosowanie w produkcji artykułów gospodarstwa domowego, takich jak garnki, patelnie, noże, widelce. Ponadto znajduje zastosowanie w produkcji lodówek, pieców, pralek, zmywarek, blenderów, piekarników, tosterów.

Krótko mówiąc, żelazo jest obecne we wszystkich przedmiotach otaczających człowieka.

Nanocząsteczki

Żelazo metaliczne jest również przygotowywane w postaci nanocząstek, które są wysoce reaktywne i zachowują właściwości magnetyczne makroskopowego ciała stałego.

Te sfery Fe (i ich liczne dodatkowe morfologie) są wykorzystywane do oczyszczania wód ze związków chloroorganicznych oraz jako nośniki leków dostarczane do wybranych obszarów ciała poprzez zastosowanie pola magnetycznego.

Mogą również służyć jako nośniki katalityczne w reakcjach, w których pękają wiązania węglowe CC.

- Związki żelaza

Tlenki

Jako pigment do kryształów stosuje się tlenek żelaza, FeO. Tlenek żelaza, Fe ₂ O ₃ , jest bazą dla wielu pigmentów od żółtego do czerwonego, znanych jako czerwień wenecka. Czerwony kształt, zwany różem, służy do polerowania metali szlachetnych i diamentów.

Tlenek żelazowo-żelazowy, Fe ₃ O ₄ , jest stosowany w ferrytach, substancjach o wysokiej dostępności magnetycznej i oporności elektrycznej, nadających się do wykorzystania w niektórych pamięciach komputerów i do powlekania taśm magnetycznych. Był również używany jako pigment i środek polerujący.

Siarczany

Heptahydrat siarczanu żelazawego, FeSO ₄ · 7H ₂ O, jest najpowszechniejszą formą siarczanu żelazawego, znanego jako zielony witriol lub miedź. Stosowany jest jako środek redukujący oraz do produkcji tuszy, nawozów i pestycydów. Znajduje również zastosowanie w galwanizacji żelaza.

Siarczan żelazowy, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , służy do otrzymywania ałunu żelaza i innych związków żelaza. Służy jako koagulant przy oczyszczaniu ścieków oraz jako zaprawa przy barwieniu tekstyliów.

Chlorki

Jako zaprawa i reduktor stosuje się chlorek żelazawy FeCl ₂ . W międzyczasie chlorek żelazowy, FeCl ₃ , jest stosowany jako czynnik chlorujący metale (srebro i miedź) oraz niektóre związki organiczne.

Traktowanie Fe ³⁺ jonem heksocyjanożelazianowym ^-4 daje niebieski osad, zwany błękitem pruskim, używany w farbach i lakierach.

Żelazna żywność

Małże są bogatym źródłem żelaza. Źródło: Pxhere.

Ogólnie zaleca się spożycie żelaza w wysokości 18 mg / dobę. Wśród pokarmów, które dostarczają go w codziennej diecie, są:

Mięczaki dostarczają żelaza w postaci hemu, dzięki czemu nie ma zahamowania jego wchłaniania w jelitach. Małż dostarcza do 28 mg żelaza na 100 g; w związku z tym taka ilość małży wystarczyłaby do pokrycia dziennego zapotrzebowania na żelazo.

Szpinak zawiera 3,6 mg żelaza na 100 g. Mięso narządów wołowych, na przykład wątroba cielęca, zawiera 6,5 ​​mg żelaza na 100 g. Prawdopodobnie udział kaszanki będzie nieco wyższy. Kaszanka składa się z fragmentów jelita cienkiego nadziewanych krwią wołową.

Rośliny strączkowe, takie jak soczewica, zawierają 6,6 mg żelaza na 198 g. Czerwone mięso zawiera 2,7 mg żelaza na 100 g. Pestki dyni zawierają 4,2 mg na 28 g. Quinoa zawiera 2,8 mg żelaza na 185 g. Ciemne mięso indyka zawiera 2,3 mg na 100 g. Brokuły zawierają 2,3 mg na 156 mg.

Tofu zawiera 3,6 mg na 126 g. Tymczasem ciemna czekolada zawiera 3,3 mg na 28 g.

Rola biologiczna

Funkcje, które spełnia żelazo, zwłaszcza u istot żyjących na kręgowcach, są niezliczone. Szacuje się, że ponad 300 enzymów wymaga żelaza do swoich funkcji. Wśród enzymów i białek, które go wykorzystują, wymieniono:

-Białka, które mają grupę hemu i nie mają aktywności enzymatycznej: hemoglobina, mioglobina i neuroglobina.

- Enzymy z grupą hemową biorące udział w transporcie elektronów: cytochromy a, b i f oraz aktywność oksydazy i / lub oksydazy cytochromu; oksydaza siarczynowa, oksydaza cytochromu P450, mieloperoksydaza, peroksydaza, katalaza itp.

-Białka zawierające żelazo-siarkę, związane z aktywnością oksyreduktazy, biorące udział w produkcji energii: dehydrogenaza bursztynianowa, dehydrogenaza izocytrynianowa i akonitaza lub enzymy zaangażowane w replikację i naprawę DNA: polimeraza DNA i heliklazy DNA.

- Enzymy niehemowe, które wykorzystują żelazo jako kofaktor swojej aktywności katalitycznej: hydrolaza fenyloalaniny, hydrolaza tyrozynowa, hydrolaza tryptofanu i hydrolaza lizynowa.

-Białka niehemowe odpowiedzialne za transport i magazynowanie żelaza: ferrytyna, transferyna, haptoglobina itp.

Ryzyka

Toksyczność

Ryzyko związane z ekspozycją na nadmiar żelaza może być ostre lub przewlekłe. Jedną z przyczyn ostrego zatrucia żelazem może być nadmierne spożycie tabletek żelaza w postaci glukonianu, fumaranu itp.

Żelazo może powodować podrażnienia błony śluzowej jelit, których dyskomfort objawia się natychmiast po spożyciu i ustępuje po 6 do 12 godzinach. Wchłonięte żelazo odkłada się w różnych narządach. Ta kumulacja może powodować zaburzenia metaboliczne.

Jeśli ilość spożytego żelaza jest toksyczna, może powodować perforację jelit z zapaleniem otrzewnej.

W układzie sercowo-naczyniowym powoduje hipowolemię, która może być spowodowana krwawieniem z przewodu pokarmowego oraz uwalnianiem przez żelazo substancji wazoaktywnych, takich jak serotonina i histamina. Ostatecznie może wystąpić masywna martwica wątroby i niewydolność wątroby.

Hemochromatozja

Hemochromatozja jest chorobą dziedziczną, która objawia się zmianami w mechanizmie regulacji żelaza w organizmie, co objawia się wzrostem stężenia żelaza we krwi i jego gromadzeniem się w różnych narządach; w tym wątroba, serce i trzustka.

Początkowe objawy choroby to: bóle stawów, bóle brzucha, zmęczenie i osłabienie. Z następującymi objawami i następującymi objawami choroby: cukrzyca, utrata pożądania seksualnego, impotencja, niewydolność serca i niewydolność wątroby.

Hemosyderoza

Hemosyderoza charakteryzuje się, jak sama nazwa wskazuje, gromadzeniem się hemosyderyny w tkankach. Nie powoduje to uszkodzenia tkanki, ale może ewoluować do uszkodzeń podobnych do tych obserwowanych w hemochromatozji.

Hemosyderoza może być spowodowana następującymi przyczynami: zwiększone wchłanianie żelaza z pożywienia, niedokrwistość hemolityczna, która uwalnia żelazo z czerwonych krwinek oraz nadmierne transfuzje krwi.

Hemosyderoza i hemochromatozja mogą być spowodowane nieodpowiednim funkcjonowaniem hormonu hepcydyny, hormonu wydzielanego przez wątrobę, który bierze udział w regulacji poziomu żelaza w organizmie.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Alotropy żelaza: rodzaje, gęstość, zastosowania i fakty. Badanie. Odzyskany z: study.com
3. Jayanti S. (nd). Alotropia żelaza: termodynamika i struktury krystaliczne. Metalurgia. Odzyskany z: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Żelazna moc nano. Odzyskany z: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Żelazo. Odzyskane z: en.wikipedia.org
6. Historia Shropshire. (sf). Właściwości żelaza. Odzyskane z: shropshirehistory.com
7. Dr Dough Stewart. (2019). Fakty dotyczące pierwiastków żelaza. Źródło: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (18 lipca 2018). 11 zdrowych pokarmów bogatych w żelazo. Odzyskany z: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Układ okresowy: żelazo. Odzyskany z: lenntech.com
10. Redaktorzy Encyclopaedia Britannica. (13 czerwca 2019). Żelazo. Encyclopædia Britannica. Odzyskany z: britannica.com