ЗАЛІЗО (ЕЛЕМЕНТ): ХАРАКТЕРИСТИКИ, ХІМІЧНА СТРУКТУРА, ВИКОРИСТАННЯ - ХІМІЯ - 2025

Заліза являє собою перехідний метал , належить до групи 8 або VIIIB періодичної таблиці і представлена хімічним символом Fe. Являє собою металевий сірий, ковкий, податлива і високої міцності, використовуються в численних застосуваннях , корисних для людини і суспільство.

Він становить 5% земної кори, а також є другим за поширеністю метал після алюмінію. Також його достаток перевищується киснем і кремнієм. Однак щодо земного ядра 35% його складається з металевого та рідкого заліза.

Алхімік-HP (розмова) (www.pse-mendelejew.de)

Поза земним ядром залізо не має металевої форми, оскільки воно швидко окислюється при впливі вологого повітря. Розташований у базальтових породах, карбонових відкладах і метеоритах; як правило, легують нікелем, як у мінеральному камациті.

Основними мінералами заліза, які використовуються для видобутку, є: гематит (оксид заліза, Fe ₂ O ₃ ), магнетит (феросомерний оксид, Fe ₃ O ₄ ), лімоніт (гідратний гідроксид закису заліза) та сидерит (карбонат заліза, FeCO ₃ ).

У середньому у людини вміст 4,5 г заліза, з яких 65% у формі гемоглобіну. Цей білок бере участь у транспортуванні кисню в крові та в його розподілі по різних тканинах для подальшого його поглинання міоглобіном та нейроглобіном.

Незважаючи на безліч переваг заліза для людини, надлишок металу може мати дуже серйозні токсичні дії, особливо на печінку, серцево-судинну систему та підшлункову залозу; такий випадок спадкової хвороби гемохроматозії.

Залізо є синонімом будівництва, сили та воєн. З іншого боку, через велику кількість, це завжди альтернатива, яку слід розглядати, коли мова йде про розробку нових матеріалів, каталізаторів, лікарських засобів або полімерів; і незважаючи на червоний колір його іржі, це екологічно зелений метал.

Історія

Античність

Залізо перероблялося тисячоліттями. Однак важко знайти залізні предмети таких давніх віків через їх схильності до корозії, що спричиняє їх руйнування. Найдавніші відомі залізні предмети були зроблені з того, що виявлено в метеоритах.

Такий випадок з бісеру, виготовленого в 3500 р. До н.е., знайденого в Герзі, Єгипет, і кинджала, знайденого в гробниці Тутанхамона. Метеорити заліза характеризуються високим вмістом нікелю, тому їх походження може бути визначене в цих об'єктах.

Докази чавуну були також знайдені в Асмарі, Месопотамії та Базарі Чагар-Чагар, в Сирії, з 3000 по 2700 р. До н.

Крім того, артефакти з чавуну були знайдені в Індії, 1800 - 1200 рр. До н.е., та в Леванті, приблизно в 1500 р. До н. Е. Вважається, що залізний вік почався в 1000 р. До н.

Він з'являється в Китаї між 700 і 500 рр. До н.е., ймовірно, транспортується через Центральну Азію. Перші залізні предмети були знайдені в Лухе Цзянсу, Китай.

Європа

Коване залізо вироблялося в Європі за допомогою використання так званих гала-кувань. Процес вимагав використання вугілля як палива.

Середньовічні доменні печі були висотою 3,0 м, виготовлені з вогнетривкої цегли, а повітря постачали ручним сильфоном. У 1709 році Авраам Дарбі створив коксову доменну піч для отримання розплавленого заліза, замінивши вугілля.

Наявність дешевого заліза було одним із факторів, що призвели до промислової революції. У цей період почалося переробка чавуну в коване залізо, яке використовувалося для будівництва мостів, кораблів, складів тощо.

Сталь

Сталь використовує більш високу концентрацію вуглецю, ніж коване залізо. Сталь вироблялася в Лурістані, Персія, в 1000 р. До н.е. У промисловій революції були розроблені нові способи виробництва залізних прутів без вуглецю, які згодом були використані для виробництва сталі.

В кінці 1850-х років Генрі Бессемер розробив видування повітря в розплавлений чавун для отримання м'якої сталі, що зробило виробництво сталі більш економічним. Це призвело до зменшення виробництва кованого заліза.

Властивості

Зовнішній вигляд

Металевий блиск із сіруватим відтінком.

Атомна вага

55 845 u.

Атомне число (Z)

26

Точка плавлення

1,533 ºC

Точка кипіння

2862 ºC

Щільність

-Температура навколишнього середовища: 7,874 г / мл

- Температура плавлення (рідка): 6,980 г / мл

Тепло синтезу

13,81 кДж / моль

Тепло випаровування

340 кДж / моль

Молярна калорійність

25,10 Дж / (моль К)

Енергія іонізації

-Перший рівень іонізації: 762,5 кДж / моль (Fe ⁺ газоподібний)

-Другий рівень іонізації: 1,561,9 кДж / моль (Fe ²⁺ газоподібний)

-Третий рівень іонізації: 2,957, кДж / моль (Fe ³⁺ газоподібний)

Електронегативність

1,83 за шкалою Полінга

Атомне радіо

Емпіричні 126 вечора

Теплопровідність

80,4 Вт / (мК)

Електричний опір

96,1 Ом · м (при 20 ºC)

Точка Кюрі

770 ° C, приблизно. При цій температурі залізо вже не феромагнітне.

Ізотопи

Стабільні ізотопи: ⁵⁴ Fe, з великою кількістю 5,85%; ⁵⁶ Fe, з величиною 91,75%; ⁵⁷ Fe, з великою кількістю 2,12%; і ⁵⁷ Fe, з величиною 0,28%. Оскільки ⁵⁶ Fe є найбільш стійким і найпоширенішим ізотопом, то не дивно, що атомна маса заліза дуже близька до 56 u.

Тоді як радіоактивними ізотопами є: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe і ⁶⁰ Fe.

Структура та електронна конфігурація

-Allropes

Залізо при кімнатній температурі кристалізується в зосередженій на тілі кубічній структурі (ОЦК), яка також відома як α-Fe або ферит (у металургійному жаргоні). Оскільки він може сприймати різні кристалічні структури як залежність від температури і тиску, залізо, як кажуть, є алотропним металом.

Алотропний ОЦК - це звичайне залізо (феромагнітне), те, яке люди так добре знають і притягується до магнітів. При нагріванні вище 771 ºC він стає парамагнітним, і хоча його кристал лише розширюється, ця "нова фаза" раніше вважалася β-Fe. Інші алотропи заліза також є парамагнітними.

Між 910ºC і 1394ºC залізо зустрічається як аустеніт або γ-Fe-алотроп, структура якого є облицьованим кубічним, Fcc. Перетворення аустеніту та фериту має великий вплив на виробництво сталі; оскільки атоми вуглецю більше розчинні в аустеніті, ніж у фериті.

А потім, вище 1394 ºC до температури плавлення (1538 ºC), залізо повертається, щоб прийняти структуру ОЦК, δ-Fe; але на відміну від фериту, цей аллотроп є парамагнітним.

Епсилон залізо

Підвищуючи тиск до 10 ГПа, при температурі декількох сотень градусів Цельсія, α або феритовий алотроп еволюціонує до алотропу ε епсилон, що характеризується кристалізацією в компактній шестикутній структурі; тобто з найбільш компактними атомами Fe. Це четверта алотропна форма заліза.

Деякі дослідження теоретизують можливе існування інших алотропів заліза під таким тиском, але при ще більш високих температурах.

-Метальне посилання

Незалежно від алотропу заліза і температури, яка "струшує" його атоми Fe, або тиску, який їх ущільнює, вони взаємодіють один з одним з тими ж валентними електронами; Це ті, які показані в їх електронній конфігурації:

3d ⁶ 4s ²

Тому в металевому зв’язку бере участь вісім електронів, ослаблений він або посилений під час алотропних переходів. Так само саме ці вісім електронів визначають такі властивості заліза, як його тепло- чи електрична провідність.

-Числа окислення

Найважливіші (і поширені) окислювальні показники заліза - +2 (Fe ²⁺ ) і +3 (Fe ³⁺ ). Насправді, звичайна номенклатура розглядає лише ці два числа або стани. Однак є сполуки, де залізо може набрати або втратити іншу кількість електронів; тобто передбачається існування інших катіонів.

Наприклад, залізо також може мати числа окислення +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) і +7 (Fe ^{7 +} ). Аніонний фератний вид, FeO ₄ ^2- , має залізо з окислювальним числом +6, оскільки чотири атоми кисню окислили його до такої міри.

Так само залізо може мати негативні числа окислення; такі як: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) і -1 (Fe ^- ). Однак сполуки з центрами заліза з цими посиленнями електронів дуже рідкісні. Ось чому, хоча він перевершує в цьому відношенні марганець, останній утворює набагато стійкіші сполуки зі своїм спектром окислювальних станів.

В результаті для практичних цілей достатньо врахувати Fe ²⁺ або Fe ³⁺ ; інші катіони зарезервовані для дещо специфічних іонів або сполук.

Як його отримують?

Сталеві прикраси, найважливіший сплав заліза. Джерело: Pxhere.

Збір сировини

Треба переходити до розташування руд найбільш відповідних корисних копалин для видобутку заліза. Для його одержання найчастіше використовуються такі мінерали: гематит (Fe ₂ O ₃ ), магнетит (Fe ₃ O ₄ ), лімоніт (FeO · OH · nH ₂ O) та сидерит (FeCO ₃ ).

Тоді першим етапом видобутку є збір гірських порід із залізними рудними рудами. Ці породи дроблені, щоб розбити їх на невеликі шматочки. Згодом відбувається фаза відбору уламків гірських порід залізною рудою.

У підборі дотримуються дві стратегії: використання магнітного поля та осідання у воді. Уламки гірської породи піддаються магнітному полю, а мінеральні фрагменти орієнтовані в ньому, таким чином, їх можна розділити.

У другому способі кам’янисті уламки скидають у воду, а ті, що містять залізо, оскільки вони важчі, осідають на дні води, залишаючи ганг у верхній частині води, оскільки вона легша.

Доменна піч

Доменна піч, де виробляється сталь. Джерело: Pixabay.

Залізні руди транспортуються в доменні печі, де їх скидають разом з коксівним вугіллям, яке виконує роль постачальника палива та вуглецю. Крім того, додається вапняк або вапняк, який виконує функцію флюсу.

Доменну піч із попередньою сумішшю впорскують гаряче повітря при температурі 1000 ºC. Залізо плавиться при спалюванні вугілля, що приводить температуру до 1800 ºC. Колись рідкий, його називають чавуном, який накопичується на дні духовки.

Чавун виймають із печі та розливають у контейнери для транспортування до нового ливарного заводу; при цьому шлак, домішка, розташована на поверхні чавуну, викидається.

Чавун виливають за допомогою використання ковшів у конвертерну піч разом з вапняком як флюсом, а кисень вводиться при високих температурах. Таким чином, зменшується вміст вуглецю, переробляючи чавун, щоб перетворити його на сталь.

Згодом сталь пропускають через електричні печі для виробництва спеціальних сталей.

Програми

-Метальне залізо

Залізний міст в Англії, одна з багатьох конструкцій, виготовлених із заліза або його сплавів. Джерело: Не надано машиночитаного автора. Jasonjsmith припускав (ґрунтуючись на претензіях на авторське право).

Оскільки це недорогий, ковкий, пластичний метал, який став стійким до корозії, він став найбільш корисним для людини металом у різних його формах: ковані, литі та сталь різних типів.

Залізо використовується для будівництва:

-Бриджі

-Основи для будівель

-Двері та вікна

-Кожухи човнів

-Різні інструменти

-Струбочки для питної води

-Тюби для збору стічних вод

-Меблі для садів

-Решітка для домашньої безпеки

Його також використовують у виробництві домашнього посуду, наприклад, горщиків, каструль, ножів, виделок. Крім того, його використовують у виробництві холодильників, плит, пральних машин, посудомийних машин, блендерів, духовок, тостерів.

Словом, залізо присутнє у всіх предметах, які оточують людину.

Наночастинки

Металеве залізо також готується як наночастинки, які відрізняються високою реакційною здатністю і зберігають магнітні властивості макроскопічного твердого тіла.

Ці сфери Fe (та їх багаторазові додаткові морфології) використовуються для очищення вод хлорорганічних сполук і як носіїв наркотиків, що доставляються для відбору ділянок тіла за допомогою застосування магнітного поля.

Вони також можуть слугувати каталітичними опорами в реакціях, коли вуглецеві зв'язки, КС, розриваються.

-З'єднання ірону

Оксиди

Окис заліза, FeO, використовується як пігмент для кристалів. Оксид заліза, Fe ₂ O ₃ , є основою для ряду пігментів, починаючи від жовтого до червоного, відомого як венеціанський червоний. Червона форма, що називається руж, використовується для шліфування дорогоцінних металів та алмазів.

Оксид залізного заліза, Fe ₃ O ₄ , застосовують у феритах, речовинах з високою магнітною доступністю та електричним опором, які можна використовувати в певних комп'ютерних пам'ятках та в покритті магнітних стрічок. Він також використовувався як пігмент і поліруючий засіб.

Сульфати

Гептагідрат сульфату заліза, FeSO ₄ · 7H ₂ O, є найпоширенішою формою сульфату заліза, відомий як зелений вітріол або коппера. Застосовується як відновник і при виготовленні фарб, добрив та пестицидів. Він також знаходить застосування при гальваніці чавуну.

Сульфат заліза, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , використовується для отримання глинозему та інших сполук заліза. Він служить як коагулянт при очищенні стічних вод, так і як морильник при фарбуванні текстилю.

Хлориди

Хлорид заліза, FeCl ₂ , застосовується як збудник і відновник. Тим часом хлорид заліза, FeCl ₃ , використовується як хлоруючий засіб для металів (срібла та міді) та деяких органічних сполук.

Обробка Fe ³⁺ іоном гексоціаноферрату ^-4 утворює синій осад, який називається прусським синім, який використовується в фарбах та лаках.

Залізна їжа

Молюски - це багате харчове джерело заліза. Джерело: Pxhere.

Загалом рекомендується прийом заліза 18 мг / добу. Серед продуктів, які його забезпечують у щоденному раціоні, можна назвати наступними:

Молюски надають залізо в гемовій формі, тому не відбувається гальмування всмоктування його кишечником. На молюск забезпечує до 28 мг заліза на 100 г його; отже, цієї кількості молюсків вистачить для забезпечення щоденної потреби в залізі.

Шпинат містить 3,6 мг заліза на 100 г. М’ясо яловичих органів, наприклад, теляча печінка, містить 6,5 мг заліза на 100 г. Внесок ковбаси з крові, ймовірно, буде дещо більшим. Кров'яна ковбаса складається з порцій тонкого кишечника, наповнених яловичою кров’ю.

Бобові культури, такі як сочевиця, містять 6,6 мг заліза на 198 г. Червоне м’ясо містить 2,7 мг заліза на 100 г. У насінні гарбуза міститься 4,2 мг на 28 г. Кіноа містить 2,8 мг заліза на 185 г. Темне м’ясо індички містить 2,3 мг на 100 г. Брокколі містить 2,3 мг на 156 мг.

Тофу містить 3,6 мг на 126 г. Тим часом у темному шоколаді міститься 3,3 мг на 28 г.

Біологічна роль

Функцій, які залізо виконує, особливо у хребетних живих істот, незліченна. Підраховано, що понад 300 ферментів потребують заліза для своєї функції. Серед ферментів та білків, які його використовують, названі:

-Протеїни, які мають гемогрупу і не мають ферментативної активності: гемоглобін, міоглобін та нейроглобін.

-Ензими з гемовою групою, що беруть участь у транспорті електронів: цитохроми a, b і f, цитохромні оксидази та / або активність оксидази; сульфітна оксидаза, цитохром Р450 оксидаза, мієлопероксидаза, пероксидаза, каталаза тощо.

-Протеїни, що містять залізо-сірку, пов'язані з діяльністю оксиредуктази, що беруть участь у виробництві енергії: сукцинатдегідрогеназа, ізоцитратдегідрогеназа та аконітаза, або ферменти, що беруть участь у реплікації та відновленні ДНК: ДНК-полімераза та ДНК-геліклази.

-Негемові ферменти, що використовують залізо як кофактор для своєї каталітичної активності: фенілаланін гідролаза, тирозин гідролаза, триптофан гідролаза та лізин гідролаза.

-Негемові білки, відповідальні за транспортування та зберігання заліза: феритин, трансферин, гаптоглобін тощо.

Ризики

Токсичність

Ризики від впливу надлишку заліза можуть бути гострими або хронічними. Однією з причин гострого отруєння залізом може бути надмірне споживання залізних таблеток у вигляді глюконату, фумарату тощо.

Залізо може викликати подразнення слизової оболонки кишечника, дискомфорт якого проявляється відразу після прийому всередину і зникає через 6-12 годин. Поглинене залізо відкладається в різних органах. Це скупчення може спричинити порушення обміну речовин.

Якщо кількість вживаного заліза токсична, це може спричинити перфорацію кишечника при перитоніті.

У серцево-судинній системі він виробляє гіповолемію, яка може бути викликана шлунково-кишковою кровотечею та виділенням залізом вазоактивних речовин, таких як серотонін та гістамін. В кінцевому підсумку може статися масивний некроз печінки і печінкова недостатність.

Гемохроматозія

Гемохроматозія - це спадкове захворювання, яке представляє собою зміну механізму регуляції заліза в організмі, що виявляється у підвищенні концентрації заліза в крові та накопиченні його в різних органах; включаючи печінку, серце та підшлункову залозу.

Початкові симптоми захворювання такі: біль у суглобах, біль у животі, швидка стомлюваність та слабкість. При таких симптомах та наступних ознаках захворювання: діабет, втрата сексуального потягу, імпотенція, серцева недостатність та печінкова недостатність.

Гемосидероз

Гемосидероз характеризується, як випливає з його назви, накопиченням гемосидерину в тканинах. Це не спричинює пошкодження тканин, але може перерости у пошкодження, подібні до того, що спостерігається при гемохроматозі.

Гемосидероз може бути викликаний такими причинами: підвищене всмоктування заліза з раціону, гемолітична анемія, яка звільняє залізо з еритроцитів, і надмірне переливання крові.

Гемосидероз і гемохроматозія можуть бути наслідком недостатнього функціонування гормону гепцидину, гормону, секретируемого печінкою, який бере участь у регуляції заліза в організмі.

Список літератури

1. Шивер і Аткінс. (2008). Неорганічна хімія. (Четверте видання). Mc Graw Hill.
2. Фост Л. (2019). Алотропи заліза: типи, щільність, використання та факти. Вивчення. Відновлено з: study.com
3. Джаянті С. (другий). Алотропія заліза: термодинаміка та кристалічні структури. Металургія. Відновлено з: engineeringenotes.com
4. Наношель. (2018). Залізна нано-сила. Відновлено з: nanoshel.com
5. Вікіпедія. (2019). Залізо. Відновлено з: en.wikipedia.org
6. Історія Шропшира. (sf). Властивості заліза. Відновлено з: shropshirehistory.com
7. Доктор Тісто Стюарт. (2019). Факти залізного елемента. Відновлено з: chemicool.com
8. Франциска Шприцлер. (2018 р., 18 липня). 11 здорових продуктів, багатих залізом. Відновлено: Healthline.com
9. Лентех. (2019). Періодична таблиця: Залізо. Відновлено з: lenntech.com
10. Редактори Encyclopeedia Britannica. (13 червня 2019 р.). Залізо. Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com