ЖЕЛЯЗО (ЕЛЕМЕНТ): ХАРАКТЕРИСТИКИ, ХИМИЧЕСКА СТРУКТУРА, УПОТРЕБИ - ХИМИЯ - 2026

На желязото е преходен метал, принадлежащ към група 8 или VIIIB на периодичната таблица и представено с химически символ Fe. Е метална сиво, податлив на мека и висока якост, се използва в множество приложения, полезни за човека и обществото.

Той представлява 5% от земната кора и освен това е вторият най-разпространен метал след алуминия. Също така неговото изобилие се превишава от кислород и силиций. По отношение на земното ядро ​​обаче, 35% от него е съставено от метално и течно желязо.

Алхимик-к.с. (беседа) (www.pse-mendelejew.de)

Извън земното ядро ​​желязото не се намира в метална форма, тъй като бързо се окислява при излагане на влажен въздух. Намира се в базалтови скали, въглеродни утайки и метеорити; обикновено легирани с никел, както в минералния камацит.

Основните минерали на желязото, използвани за добив са: хематит (железен оксид, Fe ₂ O ₃), магнетит (ферозомерен оксид, Fe ₃ O ₄), лимонит (хидратиран хидроксид на железен оксид) и сидерит (железен карбонат, FeCO ₃).

Средно човекът има съдържание на 4,5 g желязо, от които 65% е под формата на хемоглобин. Този протеин участва в транспортирането на кислород в кръвта и в неговото разпределение в различните тъкани, за последващото му поемане от миоглобин и невроглобин.

Въпреки множеството ползи от желязо за хората, излишъкът от метал може да има много сериозни токсични действия, особено върху черния дроб, сърдечно-съдовата система и панкреаса; такъв е случаят с наследствената болест хемохроматозия.

Желязото е синоним на строителство, сила и войни. От друга страна, поради своето изобилие, винаги е алтернатива за разглеждане, когато става въпрос за разработването на нови материали, катализатори, лекарства или полимери; и въпреки червения цвят на ръждата си, той е екологично зелен метал.

история

античност

Желязото се обработва от хилядолетия. Въпреки това е трудно да се намерят железни предмети от такива древни векове поради тяхната податливост на корозия, което причинява тяхното унищожаване. Най-старите известни железни предмети са направени от този, открит в метеорити.

Такъв е случаят с един вид мъниста, направен през 3500 г. пр.н.е., намерен в Герза, Египет, и кама, намерена в гробницата на Тутанкамон. Железните метеорити се характеризират с високо съдържание на никел, така че тяхното поведение може да бъде идентифицирано в тези обекти.

Доказателства за чугун са открити и в Асмар, Месопотамия и Базар на опашките чагари в Сирия между 3000-2700 г. пр. Н. Е. Въпреки че леенето на желязо започнало в бронзовата епоха, били нужни векове, за да измести бронза.

Освен това артефактите от чугун са открити в Индия от 1800 до 1200 г. пр. Н. Е. И в Леван, около 1500 г. пр. Н. Е. Смята се, че желязната епоха започва през 1000 г. пр. Н. Е., Тъй като разходите за тяхното производство са намалени.

Появява се в Китай между 700 и 500 г. пр. Н. Е., Вероятно се пренася през Централна Азия. Първите железни предмети са открити в Лухе Джансу, Китай.

Европа

Ковано желязо се е произвеждало в Европа чрез използването на така наречените гала куници. Процесът изисква използването на въглища като гориво.

Средновековните доменни пещи бяха високи 3,0 м, изработени от огнеупорни тухли, а въздухът се подаваше от ръчен духалник. През 1709 г. Ейбрахам Дарби създава коксова доменна пещ за производство на разтопено желязо, заменяйки въглен.

Наличието на евтино желязо беше един от факторите, довели до индустриалната революция. В този период започва пречистването на чугун в ковано желязо, което се използва за изграждане на мостове, кораби, складове и др.

стомана

Стоманата използва по-висока концентрация на въглерод от ковано желязо. Стоманата е произведена в Луристан, Персия, през 1000 г. пр. Н. Е. В Индустриалната революция са измислени нови методи за производство на железни пръчки без въглерод, които по-късно се използват за производство на стомана.

В края на 1850 г. Хенри Бесемер създава вдух на въздух в разтопен чугун, за да произведе мека стомана, което направи производството на стомана по-икономично. Това доведе до намаляване на производството на ковано желязо.

Имоти

Външен вид

Метален блясък със сивкав оттенък.

Атомно тегло

55 845 ф.

Атомно число (Z)

26

Точка на топене

1,533 ºC

Точка на кипене

2862 ºC

плътност

-Температура на околната среда: 7,874 g / mL.

-Точка на топене (течност): 6.980 g / mL.

Топлина от синтез

13,81 kJ / mol

Топлина от изпаряване

340 kJ / mol

Моларен калоричен капацитет

25.10 Дж / (мол К)

Йонизационна енергия

-Първо йонизиращо ниво: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ газообразен)

-Второ ниво на йонизация: 1,561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ газообразни)

-Трето ниво на йонизация: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ газообразен)

Електроотрицателност

1,83 по скалата на Полинг

Атомно радио

Емпиричен 126 ч

Топлопроводимост

80,4 W / (mK)

Електрическо съпротивление

96,1 Ω · m (при 20 ºC)

Кюри точка

770 ° C, приблизително. При тази температура желязото вече не е феромагнитно.

Изотопи

Стабилни изотопи: ⁵⁴ Fe, с изобилие от 5,85%; ⁵⁶ Fe, с изобилие от 91,75%; ⁵⁷ Fe, с изобилие от 2,12%; и ⁵⁷ Fe, с изобилие от 0,28%. Тъй като ⁵⁶ Fe е най-стабилният и изобилен изотоп, не е изненадващо, че атомното тегло на желязото е много близо до 56 u.

Докато радиоактивните изотопи са: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe и ⁶⁰ Fe.

Структура и електронна конфигурация

-Allropes

Желязото при стайна температура кристализира в центрираната в тялото кубична структура (bcc), която е известна още като α-Fe или ферит (в металургичния жаргон). Тъй като може да възприеме различни кристални структури като функция на температурата и налягането, за желязо се казва, че алотропният метал.

Алотропният bcc е обикновено желязо (феромагнитно), това, което хората познават толкова добре и е привлечен от магнити. Когато се нагрява над 771 ° С, той става парамагнитен и въпреки че кристалът му само се разширява, тази "нова фаза" по-рано се е считала за β-Fe. Другите алотропи на желязото също са парамагнитни.

Между 910ºC и 1394ºC желязото се намира като аустенит или γ-Fe алотроп, чиято структура е насочена към лицето на кубика, fcc. Преобразуването между аустенит и ферит има голямо влияние върху производството на стомана; тъй като въглеродните атоми са по-разтворими в аустенита, отколкото във ферита.

И след това, над 1394 ºC до точката на топене (1538 ºC), желязото се връща, за да приеме структурата на bcc, δ-Fe; но за разлика от ферита, този алотроп е парамагнитен.

Епсилон желязо

Чрез повишаване на налягането до 10 GPa, при температура от няколко стотин градуса по Целзий, α или феритен алотроп се развива до ε алотроп, епсилон, характеризиращ се с кристализация в компактна шестоъгълна структура; тоест с най-компактните Fe атоми. Това е четвъртата алотропна форма на желязото.

Някои изследвания теоретизират за възможното съществуване на други алотропи на желязото при такива налягания, но при още по-високи температури.

-Метална връзка

Независимо от железния алотроп и температурата, която "разклаща" своите Fe атоми, или налягането, което ги уплътнява, те си взаимодействат помежду си със същите валентни електрони; Това са тези, показани в тяхната електронна конфигурация:

3d ⁶ 4s ²

Следователно има осем електрона, които участват в металната връзка, независимо дали тя е отслабена или засилена по време на алотропни преходи. По същия начин именно тези осем електрона определят свойствата на желязото, като неговата топло- или електрическа проводимост.

-Окислителни числа

Най-важните (и често срещаните) окислителни числа за желязото са +2 (Fe ²⁺) и +3 (Fe ³⁺). Всъщност конвенционалната номенклатура разглежда само тези две числа или състояния. Съществуват обаче съединения, при които желязото може да спечели или загуби друг брой електрони; т. е. предполага се съществуването на други катиони.

Например желязото може също да има окислителни числа +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), +6 (Fe ⁶⁺) и +7 (Fe ^{7 +}). Анионният фератен вид, FeO ₄ ^2-, има желязо с окислително число +6, тъй като четирите кислородни атома са го окислили до такава степен.

По същия начин желязото може да има отрицателни окислителни числа; такива като: -4 (Fe ^4-), -2 (Fe ^2-) и -1 (Fe ^-). Съединенията с железни центрове с тези печалби на електрон са много редки. Ето защо, макар и да надминава мангана в това отношение, последният образува много по-стабилни съединения с обхвата си на окислителни състояния.

Резултатът, за практически цели, е достатъчно да се вземе предвид Fe ²⁺ или Fe ³⁺; другите катиони са запазени за донякъде специфични йони или съединения.

Как се получава?

Стоманени орнаменти, най-важната сплав на желязото. Източник: Pxhere.

Събиране на суровини

Трябва да преминем към местоположението на рудите на най-подходящите минерали за добив на желязо. Най-използваните за получаването му минерали са следните: хематит (Fe ₂ O ₃), магнетит (Fe ₃ O ₄), лимонит (FeO · OH · nH ₂ O) и сидерит (FeCO ₃).

Тогава първата стъпка в добива е събирането на скалите с желязната руда. Тези скали са натрошени, за да ги начупят на малки парченца. Впоследствие има фаза на селекция на фрагментите на скалите с желязна руда.

Следват две стратегии при подбора: използване на магнитно поле и утаяване във вода. Скалните фрагменти са подложени на магнитно поле и минералните фрагменти са ориентирани в него, като по този начин могат да бъдат разделени.

При втория метод скалните фрагменти се изхвърлят във водата, а тези, които съдържат желязо, тъй като са по-тежки, се заселват на дъното на водата, оставяйки ганга в горната част на водата, защото е по-лека.

Доменна пещ

Доменна пещ, където се произвежда стомана. Източник: Pixabay

Железните руди се транспортират до доменните пещи, където се изхвърлят заедно с коксуващите въглища, които имат ролята на доставчик на гориво и въглерод. Освен това се добавя варовик или варовик, който изпълнява функцията на флюс.

В доменната пещ с предишната смес се впръсква горещ въздух при температура от 1000 ºC. Желязото се стопява при изгарянето на въглища, което довежда температурата до 1800 ° C. Веднъж течна, тя се нарича чугун, който се натрупва в дъното на фурната.

Чугунът се изважда от пещта и се изсипва в контейнери, за да се транспортира до нова леярна; докато шлаката, примес, разположен на повърхността на чугуна, се изхвърля.

Чугунът се излива чрез използването на черпаци в пещ за преобразуване, заедно с варовик като поток, и кислородът се въвежда при високи температури. По този начин съдържанието на въглерод се намалява, пречиствайки чугуна, за да го превърне в стомана.

Впоследствие стоманата се прекарва през електрически пещи за производство на специални стомани.

Приложения

-Метално желязо

Железен мост в Англия, една от многото конструкции, направени с желязо или неговите сплави. Източник: Не е предоставен машинно четим автор. Jasonjsmith прие (въз основа на претенции за авторски права).

Тъй като това е евтин, ковък, пластичен метал, който е станал устойчив на корозия, той се е превърнал в най-полезния метал за човека, под различните му форми: кована, чугун и стомана от различни видове.

Желязото се използва за изграждането на:

-Bridges

-Основи за сгради

-Врати и прозорци

-Клубове на лодки

-Различни инструменти

-Тръбопроводи за питейна вода

-Тръби за събиране на отпадни води

-Мебели за градините

-Решетка за домашна сигурност

Използва се и при производството на домакински прибори, като тенджери, тигани, ножове, вилици. В допълнение, той се използва при производството на хладилници, печки, перални, съдомиялни машини, смесители, фурни, тостери.

Накратко, желязото присъства във всички предмети, които заобикалят човека.

Наночастиците

Металното желязо се приготвя също като наночастици, които са силно реактивни и запазват магнитните свойства на макроскопското твърдо вещество.

Тези сфери на Fe (и техните множество допълнителни морфологии) се използват за пречистване на води от хлорорганични съединения и като носители на лекарства, доставени за избор на участъци от тялото чрез прилагане на магнитно поле.

Те могат да служат и като каталитични опори при реакции, при които въглеродните връзки, СС, са разрушени.

-Иронови съединения

оксиди

Железният оксид, FeO, се използва като пигмент за кристали. Железният оксид, Fe ₂ O ₃, е основата за редица пигменти, вариращи от жълто до червено, известни като венецианско червено. Червената форма, наречена руж, се използва за полиране на благородни метали и диаманти.

Фероксидният оксид, Fe ₃ O ₄, се използва във ферити, вещества с висока магнитна достъпност и електрическо съпротивление, използваеми в определени компютърни памет и в покритието на магнитни ленти. Използва се и като пигмент и полиращ агент.

Сулфати

Хептахидратът на железен сулфат, FeSO ₄ · 7H ₂ O, е най-често срещаната форма на железен сулфат, известна като зелена витриола или coppera. Използва се като редуциращ агент и при производството на мастила, торове и пестициди. Намира приложение и при галванопластика на желязо.

Железният сулфат Fe ₂ (SO ₄) ₃ се използва за получаване на железен стипца и други железни съединения. Той служи като коагулант при пречистването на отпадъчните води и като мочалка при боядисването на текстил.

Хлориди

Железният хлорид, FeCl ₂, се използва като разтворител и редуциращ агент. Междувременно железният хлорид FeCl ₃ се използва като хлориращо средство за метали (сребро и мед) и някои органични съединения.

Третирането на Fe ³⁺ с хексоцианоферрат йон ^-4 произвежда синя утайка, наречена пруско синьо, използвана в бои и лакове.

Желязо храни

Мидите са богат хранителен източник на желязо. Източник: Pxhere.

Като цяло се препоръчва прием на желязо от 18 mg / ден. Сред храните, които го осигуряват в ежедневната диета са следните:

Мидите осигуряват желязо под формата на хема, така че няма инхибиране на чревната абсорбция на него. Мидата осигурява до 28 mg желязо на 100 g от него; следователно, това количество мида би било достатъчно, за да осигури дневната нужда от желязо.

Спанакът съдържа 3,6 mg желязо на 100 g. Месото от телешки органи, например телешки черен дроб, съдържа 6,5 mg желязо на 100 g. Приносът на кренвиршите вероятно е малко по-висок. Кръвният наденица се състои от части от тънките черва, пълнени с телешка кръв.

Бобовите растения, като лещата, съдържат 6,6 mg желязо на 198 g. Червеното месо съдържа 2,7 mg желязо на 100 g. Тиквените семки съдържат 4,2 mg на 28 g. Киноа съдържа 2,8 mg желязо на 185 g. Тъмното месо от пуйка съдържа 2,3 mg на 100 g. Броколи съдържа 2,3 mg на 156 mg.

Тофу съдържа 3,6 mg на 126 g. Междувременно тъмният шоколад съдържа 3,3 mg на 28 g.

Биологична роля

Функциите, които желязото изпълнява, особено при гръбначните живи същества, са безброй. Изчислено е, че повече от 300 ензими се нуждаят от желязо за своята функция. Сред ензимите и протеините, които го използват, са посочени следните:

-Протеини, които имат хема групата и нямат ензимна активност: хемоглобин, миоглобин и невроглобин.

-Ензими с групата на хема, участваща в транспорта на електрон: цитохроми a, b и f и цитохром оксидази и / или активност на оксидаза; сулфитна оксидаза, цитохром Р450 оксидаза, миелопероксидаза, пероксидаза, каталаза и др.

-Протеини, съдържащи желязо-сяра, свързани с оксиредуктазна дейност, участващи в производството на енергия: сукцинат дехидрогеназа, изоцитратдехидрогеназа и аконитаза, или ензими, участващи в репликацията и възстановяването на ДНК: ДНК-полимераза и ДНК-хеликлази.

-Нехемни ензими, които използват желязото като кофактор за своята каталитична активност: фенилаланин хидролаза, тирозин хидролаза, триптофан хидролаза и лизин хидролаза.

-Нехемни протеини, отговорни за транспортирането и съхранението на желязо: феритин, трансферин, хаптоглобин и др.

Рискове

токсичност

Рисковете от излагане на излишно желязо могат да бъдат остри или хронични. Една от причините за остро отравяне с желязо може да бъде прекомерен прием на желязо таблетки, под формата на глюконат, фумарат и др.

Желязото може да причини дразнене на чревната лигавица, дискомфортът от който се проявява веднага след поглъщане и изчезва след 6 до 12 часа. Погълнатото желязо се отлага в различни органи. Това натрупване може да причини метаболитни нарушения.

Ако количеството на погълнатото желязо е токсично, това може да причини чревна перфорация с перитонит.

В сърдечно-съдовата система той произвежда хиповолемия, която може да бъде причинена от стомашно-чревно кървене и освобождаване от желязо на вазоактивни вещества, като серотонин и хистамин. В крайна сметка може да се появи масивна некроза на черния дроб и чернодробна недостатъчност.

Hemochromatosia

Хемохроматозията е наследствено заболяване, което представлява промяна в механизма за регулиране на желязото в организма, което се проявява в повишаване на концентрацията на желязо в кръвта и натрупването му в различни органи; включително черния дроб, сърцето и панкреаса.

Първоначалните симптоми на заболяването са следните: болки в ставите, болки в корема, умора и слабост. Със следните симптоми и последващи признаци на заболяването: диабет, загуба на сексуално желание, импотентност, сърдечна недостатъчност и чернодробна недостатъчност.

мосидероза

Хемосидерозата се характеризира, както подсказва името й, чрез натрупване на хемосидерин в тъканите. Това не причинява увреждане на тъканите, но може да се развие до увреждане, подобно на това, което се наблюдава при хемохроматозията.

Хемосидерозата може да бъде причинена от следните причини: повишена абсорбция на желязо от диетата, хемолитична анемия, която освобождава желязо от червените кръвни клетки, и прекомерно кръвопреливане.

Хемосидерозата и хемохроматозията могат да се дължат на недостатъчно функциониране на хормона хепцидин - хормон, секретиран от черния дроб, който участва в регулирането на телесното желязо.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Алотропи на желязо: видове, плътност, употреби и факти. Изследване. Възстановено от: study.com
3. Джаянти С. (второ). Алотропия на желязо: термодинамика и кристални структури. Металургия. Възстановена от: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Желязна нано мощност. Възстановено от: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Желязо. Възстановено от: en.wikipedia.org
6. История на Шропшир. (SF). Свойства на желязото. Възстановено от: shropshirehistory.com
7. Д-р Тесто Стюарт. (2019). Факти за железни елементи. Възстановено от: chemicool.com
8. Франциска Шприцлер. (2018 г., 18 юли). 11 здравословни храни, богати на желязо. Възстановени от: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Периодична таблица: Желязо. Възстановена от: lenntech.com
10. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (13 юни 2019 г.). Желязо. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com