ЖЕЛЕЗО (ЭЛЕМЕНТ): ХАРАКТЕРИСТИКИ, ХИМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2024

Железа представляет собой переходный металл , принадлежащий к группе 8 или VIIIB периодической таблицы и представлена химическим символом Fe. Представляет собой металлический серый, ковкий, податлива и высокой прочности, используются в многочисленных применениях , полезных для человека и общество.

Он составляет 5% земной коры и является вторым по содержанию металлом после алюминия. Кроме того, его содержание превышают кислород и кремний. Однако что касается ядра Земли, то оно на 35% состоит из металлического и жидкого железа.

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

Вне ядра Земли железо не находится в металлической форме, так как оно быстро окисляется при воздействии влажного воздуха. Он расположен в базальтовых породах, углеродистых отложениях и метеоритах; обычно легированы никелем, как в минерале камасит.

Основными минералами железа, используемыми для добычи, являются следующие: гематит (оксид железа, Fe ₂ O ₃ ), магнетит (оксид железа, Fe ₃ O ₄ ), лимонит (гидратированный гидроксид закиси железа) и сидерит (карбонат железа, FeCO ₃ ).

В среднем у человека содержится 4,5 г железа, из которых 65% находится в форме гемоглобина. Этот белок участвует в транспортировке кислорода в крови и в его распределении по различным тканям для его последующего поглощения миоглобином и нейроглобином.

Несмотря на многочисленные преимущества железа для человека, избыток металла может оказывать очень серьезное токсическое действие, особенно на печень, сердечно-сосудистую систему и поджелудочную железу; Так обстоит дело с наследственным заболеванием гемохроматозом.

Железо - синоним строительства, силы и войн. С другой стороны, из-за его изобилия, это всегда альтернатива, которую следует учитывать, когда дело доходит до разработки новых материалов, катализаторов, лекарств или полимеров; и, несмотря на красный цвет ржавчины, это экологически зеленый металл.

История

Античность

Железо обрабатывали тысячелетиями. Однако трудно найти железные предметы столь древнего возраста из-за их подверженности коррозии, которая вызывает их разрушение. Самые старые известные железные предметы были сделаны из метеоритов.

Так обстоит дело с бусами, изготовленными в 3500 г. до н.э., найденными в Герце, Египет, и кинжалом, найденным в гробнице Тутанхамона. Железные метеориты характеризуются высоким содержанием никеля, поэтому их происхождение можно идентифицировать в этих объектах.

Доказательства наличия чугуна также были обнаружены в Асмаре, Месопотамии, и на базаре Хвост-Чагар в Сирии, с 3000 по 2700 г. до н.э. Хотя литье чугуна началось в бронзовом веке, потребовались столетия, чтобы вытеснить бронзу.

Кроме того, чугунные артефакты были найдены в Индии в 1800–1200 годах до нашей эры и в Леванте примерно в 1500 году до нашей эры. Считается, что железный век начался в 1000 году до нашей эры, поскольку стоимость их производства снизилась.

Он появился в Китае между 700 и 500 годами до нашей эры, вероятно, через Среднюю Азию. Первые железные предметы были найдены в Лухэ Цзянсу, Китай.

Европа

Кованое железо производилось в Европе с помощью так называемых кузнечных изделий. Процесс требовал использования угля в качестве топлива.

Средневековые доменные печи были высотой 3,0 м, из огнеупорных кирпичей, воздух подавался с помощью ручных сильфонов. В 1709 году Авраам Дарби установил коксовую доменную печь для производства расплавленного железа, заменившего древесный уголь.

Доступность дешевого железа была одним из факторов, приведших к промышленной революции. В этот период началось переработка чугуна в кованое железо, которое использовалось для строительства мостов, кораблей, складов и т. Д.

Стали

В стали используется более высокая концентрация углерода, чем в кованом. Сталь производили в Луристане, Персия, в 1000 году до нашей эры. Во время промышленной революции были изобретены новые методы производства железных прутков без углерода, которые позже использовались для производства стали.

В конце 1850-х годов Генри Бессемер изобрел продувку расплавленного чугуна воздухом для производства мягкой стали, что сделало производство стали более экономичным. Это привело к снижению производства кованого железа.

Свойства

Внешность

Металлический блеск с сероватым оттенком.

Атомный вес

55,845 шт.

Атомный номер (Z)

26

Температура плавления

1,533 ºC

Точка кипения

2,862 ºC

плотность

-Температура окружающей среды: 7,874 г / мл.

-Точка плавления (жидкость): 6,980 г / мл.

Теплота плавления

13,81 кДж / моль

Теплота испарения

340 кДж / моль

Молярная калорийность

25,10 Дж / (моль К)

Энергия ионизации

-Первый уровень ионизации: 762,5 кДж / моль (Fe ⁺ газообразный)

-Второй уровень ионизации: 1561,9 кДж / моль (Fe ^{2+ в} газообразном состоянии)

-Третий уровень ионизации: 2,957, кДж / моль (Fe ^{3+ в} газообразном состоянии)

Электроотрицательность

1,83 по шкале Полинга

Атомное радио

Эмпирический 126 вечера

Теплопроводность

80,4 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

96,1 Ом · м (при 20 ºC)

Точка Кюри

770 ° C, приблизительно. При этой температуре железо перестает быть ферромагнитным.

Изотопы

Стабильные изотопы: ⁵⁴ Fe с содержанием 5,85%; ⁵⁶ Fe с содержанием 91,75%; ⁵⁷ Fe с содержанием 2,12%; и ⁵⁷ Fe с содержанием 0,28%. Поскольку ⁵⁶ Fe является наиболее стабильным и распространенным изотопом, неудивительно, что атомный вес железа очень близок к 56 ед.

В то время как радиоактивные изотопы: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe и ⁶⁰ Fe.

Структура и электронная конфигурация

-Allropes

Железо при комнатной температуре кристаллизуется в объемноцентрированной кубической структуре (ОЦК), которая также известна как α-Fe или феррит (на металлургическом жаргоне). Поскольку железо может принимать различные кристаллические структуры в зависимости от температуры и давления, железо считается аллотропным металлом.

Аллотроп ОЦК - это обычное железо (ферромагнетик), которое люди так хорошо знают и привлекают магниты. При нагревании выше 771 ºC он становится парамагнитным, и хотя его кристалл только расширяется, эта «новая фаза» ранее считалась β-Fe. Другие аллотропы железа также парамагнитны.

Между 910 ° C и 1394 ° C железо встречается в виде аустенита или аллотропа γ-Fe, структура которого кубическая гранецентрированная, ГЦК. Преобразование аустенита в феррит оказывает большое влияние на производство стали; поскольку атомы углерода более растворимы в аустените, чем в феррите.

А затем, при температуре выше 1394 ºC до точки плавления (1538 ºC), железо возвращается к структуре bcc, δ-Fe; но в отличие от феррита этот аллотроп парамагнитен.

Эпсилон железо

При увеличении давления до 10 ГПа при температуре в несколько сотен градусов по Цельсию α-аллотроп или феррит превращается в ε-аллотроп, эпсилон, характеризующийся кристаллизацией в компактную гексагональную структуру; то есть с наиболее компактными атомами Fe. Это четвертая аллотропная форма железа.

Некоторые исследования выдвигают гипотезу о возможном существовании других аллотропов железа при таком давлении, но при еще более высоких температурах.

-Металлическая ссылка

Независимо от аллотропа железа и температуры, которая «встряхивает» его атомы Fe, или давления, которое их уплотняет, они взаимодействуют друг с другом с помощью одних и тех же валентных электронов; Это те, которые показаны в их электронной конфигурации:

3д ⁶ 4с ²

Следовательно, в металлической связи участвуют восемь электронов, независимо от того, ослаблена она или усиливается во время аллотропных переходов. Точно так же эти восемь электронов определяют такие свойства железа, как его теплопроводность или электрическая проводимость.

-Оксидационные числа

Наиболее важные (и распространенные) степени окисления для железа - +2 (Fe ²⁺ ) и +3 (Fe ³⁺ ). Фактически, обычная номенклатура рассматривает только эти два числа или состояния. Однако есть соединения, в которых железо может получать или терять другое количество электронов; то есть предполагается существование других катионов.

Например, железо также может иметь степени окисления +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) и +7 (Fe ^{7 +} ). Анионный феррат FeO ₄ ^2- содержит железо со степенью окисления +6, поскольку четыре атома кислорода окислили его до такой степени.

Точно так же железо может иметь отрицательную степень окисления; такие как: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) и -1 (Fe ^- ). Однако соединения с центрами железа с таким усилением электронов очень редки. Вот почему, хотя он превосходит марганец в этом отношении, последний образует гораздо более стабильные соединения со своим диапазоном степеней окисления.

В результате для практических целей достаточно рассмотреть Fe ²⁺ или Fe ³⁺ ; другие катионы зарезервированы для определенных ионов или соединений.

Как это получается?

Стальные украшения, важнейший сплав железа. Источник: Pxhere.

Сбор сырья

Мы должны приступить к расположению руд наиболее подходящих полезных ископаемых для добычи железа. Для его получения чаще всего используются следующие минералы: гематит (Fe ₂ O ₃ ), магнетит (Fe ₃ O ₄ ), лимонит (FeO · OH · nH ₂ O) и сидерит (FeCO ₃ ).

Тогда первый шаг в добыче - собрать камни с железной рудой. Эти камни дробятся, чтобы разбить их на мелкие кусочки. Далее идет этап выделения обломков горных пород с железной рудой.

При отборе используются две стратегии: использование магнитного поля и осаждение в воде. Фрагменты горных пород подвергаются воздействию магнитного поля, и фрагменты минералов ориентируются в нем, таким образом, они могут быть разделены.

Во втором методе скальные фрагменты сбрасываются в воду, а те, которые содержат железо, поскольку они тяжелее, оседают на дне воды, оставляя пустую породу в верхней части воды, потому что она легче.

Доменная печь

Доменная печь, в которой производится сталь. Источник: Pixabay.

Железная руда транспортируется в доменные печи, где сбрасывается вместе с коксующимся углем, который играет роль поставщика топлива и углерода. Кроме того, добавляется известняк или известняк, выполняющий функцию флюса.

В доменную печь с предыдущей смесью нагнетается горячий воздух с температурой 1000 ºC. Железо плавится при сжигании угля, при котором температура достигает 1800 ºC. Когда-то жидкий, он называется чугун, который скапливается на дне духовки.

Чугун вынимают из печи и разливают в емкости для транспортировки на новый литейный цех; а шлак, примесь, находящаяся на поверхности чугуна, удаляется.

Чугун заливается ковшами в конвертерную печь вместе с известняком в качестве флюса, а кислород вводится при высоких температурах. Таким образом, содержание углерода уменьшается, а чугун очищается до стали.

Затем сталь пропускают через электрические печи для производства специальных сталей.

Приложения

-Металлическое железо

Железный мост в Англии, одна из многих конструкций, сделанных из железа или его сплавов. Источник: Машиночитаемый автор не предоставлен. Предположил Джейсонджсмит (на основании заявлений об авторских правах).

Поскольку это дешевый, ковкий, пластичный металл, который стал устойчивым к коррозии, он стал самым полезным металлом для человека в различных формах: кованые, литые и стальные различных типов.

Железо используется для строительства:

-Мосты

-Основы для построек

-Двери и окна

-Корпуса лодок

-Различные инструменты

-Трубопровод для питьевой воды

-Трубки для сбора сточных вод

-Мебель для сада

-Решетка для домашней безопасности

Его также используют при производстве домашней утвари, например, кастрюль, сковородок, ножей, вилок. Кроме того, он используется при изготовлении холодильников, плит, стиральных, посудомоечных машин, блендеров, духовок, тостеров.

Короче говоря, железо присутствует во всех объектах, окружающих человека.

Наночастицы

Металлическое железо также получают в виде наночастиц, которые обладают высокой реакционной способностью и сохраняют магнитные свойства макроскопического твердого тела.

Эти сферы Fe (и их многочисленные дополнительные морфологии) используются для очистки воды от хлорорганических соединений и в качестве носителей лекарств, доставляемых в определенные области тела посредством приложения магнитного поля.

Они также могут служить в качестве каталитических носителей в реакциях, в которых разрываются углеродные связи CC.

-Соединения железа

Оксиды

Закись железа FeO используется как пигмент для кристаллов. Оксид железа, Fe ₂ O ₃ , является основой для ряда пигментов от желтого до красного, известных как венецианский красный. Красная форма, называемая румянцем, используется для полировки драгоценных металлов и бриллиантов.

Оксид железа и железа, Fe ₃ O ₄ , используется в ферритах, веществах с высокой магнитной доступностью и электрическим сопротивлением, которые можно использовать в определенных компьютерных запоминающих устройствах и в покрытии магнитных лент. Он также использовался в качестве пигмента и полирующего агента.

Сульфаты

Гептагидрат сульфата железа, FeSO ₄ · 7H ₂ O, является наиболее распространенной формой сульфата железа, известной как зеленый купорос или медь. Он используется в качестве восстановителя и при производстве красок, удобрений и пестицидов. Он также находит применение в гальванике железа.

Сульфат железа Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ используется для получения квасцов железа и других соединений трехвалентного железа. Он служит коагулянтом при очистке сточных вод и протравой при крашении тканей.

Хлориды

Хлорид железа, FeCl ₂ , используется как протрава и восстановитель. Между тем, хлорид железа, FeCl ₃ , используется в качестве хлорирующего агента для металлов (серебра и меди) и некоторых органических соединений.

Обработка Fe ³⁺ гексоцианоферрат-ионом ^-4 дает синий осадок, называемый берлинской лазурью , который используется в красках и лаках.

Железные продукты

Моллюски - богатый источник железа. Источник: Pxhere.

В целом рекомендуется потребление железа 18 мг / день. Среди продуктов, которые обеспечивают его ежедневный рацион, следующие:

Моллюски содержат железо в форме гема, поэтому его всасывание в кишечнике не подавляется. Моллюск обеспечивает до 28 мг железа на 100 г; следовательно, этого количества моллюсков будет достаточно для удовлетворения суточной потребности в железе.

В шпинате содержится 3,6 мг железа на 100 г. Мясо говяжьего органа, например телячья печень, содержит 6,5 мг железа на 100 г. Доля кровяной колбасы, вероятно, будет несколько выше. Кровяная колбаса состоит из частей тонкой кишки, начиненных говяжьей кровью.

Бобовые, например чечевица, содержат 6,6 мг железа на 198 г. В красном мясе содержится 2,7 мг железа на 100 г. В семенах тыквы содержится 4,2 мг на 28 г. В киноа содержится 2,8 мг железа на 185 г. В темном мясе индейки содержится 2,3 мг на 100 г. Брокколи содержит 2,3 мг на 156 мг.

Тофу содержит 3,6 мг на 126 г. Между тем, темный шоколад содержит 3,3 мг на 28 г.

Биологическая роль

Функции, которые выполняет железо, особенно у позвоночных, бесчисленны. Подсчитано, что более 300 ферментов нуждаются в железе для своей работы. Среди ферментов и белков, которые его используют, названы следующие:

-Протеины, имеющие гемовую группу и не обладающие ферментативной активностью: гемоглобин, миоглобин и нейроглобин.

-Ферменты с гемовой группой, участвующие в переносе электронов: цитохромы a, b и f, а также активность цитохромоксидазы и / или оксидазы; сульфитоксидаза, цитохром Р450 оксидаза, миелопероксидаза, пероксидаза, каталаза и др.

-Протеины, содержащие железо-серу, связанные с активностью оксиредуктазы, участвующие в производстве энергии: сукцинатдегидрогеназа, изоцитратдегидрогеназа и аконитаза, или ферменты, участвующие в репликации и репарации ДНК: ДНК-полимераза и ДНК-гелилазы.

-Негемовые ферменты, которые используют железо в качестве кофактора для своей каталитической активности: фенилаланингидролаза, тирозингидролаза, триптофангидролаза и лизингидролаза.

-Негемовые белки, отвечающие за транспортировку и хранение железа: ферритин, трансферрин, гаптоглобин и т. Д.

риски

Токсичность

Риски от воздействия избыточного железа могут быть острыми или хроническими. Одной из причин острого отравления железом может быть чрезмерное потребление таблеток железа в форме глюконата, фумарата и т. Д.

Железо может вызывать раздражение слизистой оболочки кишечника, дискомфорт которого проявляется сразу после приема внутрь и исчезает через 6–12 часов. Поглощенное железо откладывается в разных органах. Это скопление может вызвать нарушение обмена веществ.

Если количество проглоченного железа токсично, это может вызвать перфорацию кишечника с перитонитом.

В сердечно-сосудистой системе он вызывает гиповолемию, которая может быть вызвана желудочно-кишечным кровотечением, а также высвобождение железом вазоактивных веществ, таких как серотонин и гистамин. В конечном итоге может возникнуть массивный некроз печени и печеночная недостаточность.

Гемохроматозия

Гемохроматозия - это наследственное заболевание, которое представляет собой изменение механизма регуляции железа в организме, которое проявляется в повышении концентрации железа в крови и его накоплении в различных органах; включая печень, сердце и поджелудочную железу.

Первоначальные симптомы болезни: боли в суставах, животе, утомляемость и слабость. При следующих симптомах и последующих признаках заболевания: сахарный диабет, потеря полового влечения, импотенция, сердечная недостаточность и печеночная недостаточность.

Гемосидероз

Гемосидероз, как следует из названия, характеризуется накоплением гемосидерина в тканях. Это не вызывает повреждения тканей, но может развиться до повреждения, аналогичного тому, которое наблюдается при гемохроматозии.

Гемосидероз может быть вызван следующими причинами: повышенное всасывание железа из рациона, гемолитическая анемия, которая высвобождает железо из красных кровяных телец, и чрезмерное переливание крови.

Гемосидероз и гемохроматоз могут возникать из-за неадекватного функционирования гормона гепсидина, гормона, секретируемого печенью, который участвует в регуляции железа в организме.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Фойст Л. (2019). Аллотропы железа: типы, плотность, использование и факты. Учиться. Получено с: study.com
3. Джаянти С. (nd). Аллотропия железа: термодинамика и кристаллические структуры. Металлургия. Получено с: engineeringenotes.com
4. Наношель. (2018). Железная нано-сила. Получено с: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Железо. Получено с: en.wikipedia.org
6. История Шропшира. (SF). Свойства железа. Получено с: shropshirehistory.com
7. Доктор Доф Стюарт. (2019). Факты о железном элементе. Получено с: chemicool.com
8. Франциска Шприцлер. (2018, 18 июля). 11 полезных продуктов, богатых железом. Получено с: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Таблица Менделеева: Железо. Получено с: lenntech.com
10. Редакторы энциклопедии Британника. (13 июня 2019 г.). Железо. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com