ŽELEZO (PRVEK): VLASTNOSTI, CHEMICKÁ STRUKTURA, POUŽITÍ - CHEMIE - 2025

Železo je přechodový kov náležející do skupiny 8 nebo VIIIB periodické tabulky a představovaném chemickým symbolem Fe. Je kovový šedý, tažný, poddajný a vysoká pevnost, použity v řadě aplikací užitečných pro člověka a společnost.

Představuje 5% zemské kůry a je také druhým nejhojnějším kovem po hliníku. Jeho četnost je také překročena kyslíkem a křemíkem. Avšak s ohledem na jádro Země je 35% tvořeno kovovým a tekutým železem.

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

Mimo zemské jádro se železo nenachází v kovové formě, protože je rychle vystaveno působení vlhkého vzduchu. Nachází se v čedičových horninách, karbonských sedimentech a meteoritech; obvykle legované s niklem, jako v minerálním kamakitu.

Hlavní železa minerálních látek používaných k těžbě, jsou následující: hematit (oxid železitý, Fe ₂ O ₃), magnetit (oxid ferrosomeric, Fe ₃ O ₄), limonit (hydratovaný hydroxid železnatý oxidu), a siderit (uhličitan železa, FeCO ₃).

V průměru má člověk obsah 4,5 g železa, z čehož 65% je ve formě hemoglobinu. Tento protein se podílí na transportu kyslíku v krvi a jeho distribuci do různých tkání, pro jeho následné vychytávání myoglobinem a neuroglobinem.

Přes mnoho výhod železa pro člověka, přebytek kovu může mít velmi závažné toxické účinky, obzvláště na játra, kardiovaskulární systém a pankreas; takový je případ dědičné choroby hemochromatosia.

Železo je synonymem konstrukce, síly a válek. Na druhou stranu je vzhledem k jeho hojnosti vždy alternativou uvažovat o vývoji nových materiálů, katalyzátorů, léčiv nebo polymerů; a navzdory červené barvě jejích rezů je to ekologicky zelený kov.

Dějiny

Starověk

Železo bylo zpracováno po tisíciletí. Je však obtížné najít železné předměty takového starověku kvůli jejich náchylnosti ke korozi, což způsobuje jejich zničení. Nejstarší známé železné předměty byly vyrobeny z těch nalezených v meteoritech.

Tak tomu je v případě druhu korálků vyrobených v roce 3500 před naším letopočtem, nalezených v egyptské Gerze, a dýky nalezené v hrobce Tutanchamona. Železné meteority se vyznačují vysokým obsahem niklu, takže v těchto objektech lze určit jejich původ.

Důkazy o litině byly také nalezeny v Asmaru, Mezopotámii a Tail Chagar Bazaar, v Sýrii, mezi 3 000 - 2700 př.nl. Přestože lití železa začalo v době bronzové, trvalo několik století, než se bronz vytlačil.

Kromě toho byly artefakty z litiny nalezeny v Indii od roku 1800 do roku 1200 před naším letopočtem av Levantu kolem roku 1500 před naším letopočtem. Předpokládá se, že doba železná začala v roce 1000 před naším letopočtem, protože náklady na jejich výrobu byly sníženy.

Vyskytuje se v Číně v letech 700 až 500 př.nl, pravděpodobně přepravován přes Střední Asii. První železné předměty byly nalezeny v Luhe Jiangsu v Číně.

Evropa

Kované železo bylo v Evropě vyráběno pomocí takzvaných gala výkovků. Proces vyžadoval použití uhlí jako paliva.

Středověké vysoké pece byly vysoké 3,0 m, vyrobené z ohnivzdorných cihel a vzduch byl dodáván ručně měchy. V roce 1709 Abraham Darby založil vysokopecní koks na výrobu roztaveného železa, který nahradil uhlí.

Dostupnost levného železa byla jedním z faktorů, které vedly k průmyslové revoluci. V tomto období začala rafinace surového železa na tepané železo, které bylo používáno k stavbě mostů, lodí, skladů atd.

Ocel

Ocel používá vyšší koncentraci uhlíku než kované železo. Ocel byla vyráběna v Luristanu v Persii v roce 1000 př. Nl V průmyslové revoluci byly vyvinuty nové způsoby výroby železných tyčí bez uhlíku, které byly později použity k výrobě oceli.

V pozdních padesátých létech, Henry Bessemer vymyslel foukání vzduchu do roztaveného surového železa k výrobě měkké oceli, který dělal výrobu oceli ekonomičtější. To vedlo ke snížení výroby kovaného železa.

Vlastnosti

Vzhled

Kovový lesk se šedivým nádechem.

Atomová hmotnost

55 845 u.

Atomové číslo (Z)

26

Bod tání

1 533 ° C

Bod varu

2 862 ° C

Hustota

- Teplota pacienta: 7,874 g / ml.

Teplota tání (kapalina): 6,980 g / ml.

Teplo fúze

13,81 kJ / mol

Odpařovací teplo

340 kJ / mol

Molární kalorická kapacita

25,10 J / (mol K)

Ionizační energie

- První úroveň ionizace: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ plynná)

- Stupeň sekundární ionizace: 1 561,9 kJ / mol (plynný Fe ²⁺)

- Třetí úroveň ionizace: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ plynná)

Elektronegativita

1,83 na Paulingově stupnici

Atomové rádio

Empirické 126 hodin

Tepelná vodivost

80,4 W / (mK)

Elektrický odpor

96,1 Ω · m (při 20 ° C)

Curie point

770 ° C, přibližně. Při této teplotě již železo již není feromagnetické.

Izotopy

Stabilní izotopy: ⁵⁴ Fe, s hojností 5,85%; ⁵⁶ Fe, s hojností 91,75%; ⁵⁷ Fe, s hojností 2,12%; a ⁵⁷ Fe, s hojností 0,28%. Protože ⁵⁶ Fe je nejstabilnější a nejhojnější izotop, není překvapivé, že atomová hmotnost železa je velmi blízká 56 u.

Zatímco radioaktivní izotopy jsou: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe a ⁶⁰ Fe.

Struktura a elektronická konfigurace

- Alropes

Železo při pokojové teplotě krystalizuje v kubické struktuře zaměřené na tělo (bcc), která je známá také jako α-Fe nebo ferit (v metalurgickém žargonu). Protože to může přijmout různé krystalové struktury v závislosti na teplotě a tlaku, železo je řekl, aby byl allotropic kov.

Allotrope bcc je obyčejné železo (feromagnetické), které lidé tak dobře znají a přitahují magnety. Když se zahřeje nad 771 ° C, stane se paramagnetickým, a ačkoli se jeho krystal pouze rozšiřuje, tato „nová fáze“ byla dříve považována za β-Fe. Ostatní allotropy železa jsou také paramagnetické.

Mezi 910 ° C a 1 394 ° C se železo nachází jako austenit nebo y-Fe allotrope, jehož struktura je krychlová, centrovaná na tvář, fcc. Konverze mezi austenitem a feritem má hlavní dopad na výrobu oceli; protože atomy uhlíku jsou rozpustnější v austenitu než ve feritu.

A potom, nad 1394 ° C, dokud nedosáhne jeho teploty tání (1538 ° C), se železo vrací, aby převzalo strukturu bcc, 5-Fe; ale na rozdíl od feritu je tento allotrope paramagnetický.

Epsilon železo

Zvýšením tlaku na 10 GPa, při teplotě několika stovek stupňů Celsia, se allotrop a nebo ferit vyvíjí na e allotrope, epsilon, charakterizovaný krystalizací v kompaktní hexagonální struktuře; to znamená s nejkompaktnějšími atomy Fe. Toto je čtvrtá allotropická forma železa.

Některé studie teoretizují možnou existenci dalších allotropů železa při takových tlacích, ale při ještě vyšších teplotách.

-Kovové spojení

Bez ohledu na allotrope železa a teplotu, která „třese“ jeho atomy Fe nebo tlak, který je zhutňuje, vzájemně interagují se stejnými valenčními elektrony; Jedná se o ty, které jsou uvedeny v jejich elektronické konfiguraci:

3d ⁶ 4s ²

Proto existuje osm elektronů, které se podílejí na kovové vazbě, ať už je během allotropních přechodů zeslabena nebo zesílena. Podobně je to těchto osm elektronů, které definují vlastnosti železa, jako je jeho tepelná nebo elektrická vodivost.

-Oxidační čísla

Nejdůležitější (a běžná) oxidační čísla pro železo jsou +2 (Fe ²⁺) a +3 (Fe ³⁺). Ve skutečnosti se konvenční nomenklatura týká pouze těchto dvou čísel nebo států. Existují však sloučeniny, kde železo může získat nebo ztratit další počet elektronů; to znamená, že se předpokládá existence dalších kationtů.

Například železo může mít také oxidační čísla +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), +6 (Fe ⁶⁺) a +7 (Fe ^{7) +}). Aniontové ferát druhy, FeO ₄ ^2-, má železo s oxidačního množství +6, protože čtyři atomy kyslíku se oxiduje to v takovém rozsahu.

Podobně může mít železo záporná oxidační čísla; jako je například: -4 (Fe ⁴) -2 (Fe ²) a 1 (Fe ^-). Sloučeniny s centry železa s těmito elektronovými zisky jsou však velmi vzácné. Proto, ačkoli v tomto ohledu překonává mangan, tvoří s jeho rozsahem oxidačních stavů mnohem stabilnější sloučeniny.

Výsledek pro praktické účely stačí zvážit Fe ²⁺ nebo Fe ³⁺; ostatní kationty jsou vyhrazeny pro poněkud specifické ionty nebo sloučeniny.

Jak se získá?

Ocelové ozdoby, nejdůležitější slitina železa. Zdroj: Pxhere.

Sběr surovin

Musíme přistoupit k umístění rud nejvhodnějších minerálů pro těžbu železa. Tyto minerály nejvíce používané k jeho získání, jsou následující: hematit (Fe ₂ O ₃), magnetit (Fe ₃ O ₄), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) a siderit (FeCO ₃).

Prvním krokem při extrakci je sbírání hornin železnými rudami. Tyto skály jsou rozdrteny, aby je rozbily na malé kousky. Následně je fáze selekce fragmentů hornin železnou rudou.

Při výběru jsou dodržovány dvě strategie: využití magnetického pole a sedimentace ve vodě. Fragmenty hornin jsou vystaveny magnetickému poli a minerální fragmenty jsou v něm orientovány, takže je lze oddělit.

Ve druhé metodě jsou skalní úlomky ukládány do vody a ty, které obsahují železo, protože jsou těžší, se usazují na dně vody a zanechávají gangu v horní části vody, protože je lehčí.

Vysoká pec

Vysoká pec, kde se vyrábí ocel. Zdroj: Pixabay.

Železné rudy jsou transportovány do vysokých pecí, kde jsou ukládány společně s koksovatelným uhlím, které má roli dodavatele paliva a uhlíku. Kromě toho se přidává vápenec nebo vápenec, který plní funkci toku.

Do vysoké pece se s předchozí směsí vstřikuje horký vzduch při teplotě 1 000 ° C. Železo se taví spalováním uhlí, které zvyšuje teplotu na 1800 ° C. Jakmile je tekutina, nazývá se surové železo, které se hromadí ve spodní části pece.

Surové železo se vyjme z pece a nalije do kontejnerů, které se přepraví do nové slévárny; zatímco struska, nečistota umístěná na povrchu surového železa, je odstraněna.

Surové železo se nalije pomocí licích pánví do konvertorové pece, spolu s vápencem jako tavidlem, a kyslík se zavádí při vysokých teplotách. Tím se sníží obsah uhlíku, čímž se surové železo rafinuje na ocel.

Následně prochází ocel elektrickými pecemi pro výrobu speciálních ocelí.

Aplikace

-Kovové železo

Železný most v Anglii, jedna z mnoha konstrukcí vyrobených ze železa nebo jeho slitin. Zdroj: Nebyl poskytnut žádný strojově čitelný autor. Jasonjsmith předpokládal (na základě nároků na autorská práva).

Protože se jedná o levný, tvárný, tažný kov, který se stal odolným vůči korozi, stal se pro člověka nejužitečnějším kovem v různých formách: kované, lité a ocel různých typů.

Železo se používá pro konstrukci:

-Bridges

-Základy pro budovy

- Dveře a okna

- Lodní trupy

-Různé nástroje

- Potrubí na pitnou vodu

- Trubky pro sběr odpadních vod

-Nábytek pro zahrady

- Grille pro zabezpečení domácnosti

Používá se také při výrobě domácích potřeb, jako jsou hrnce, pánve, nože, vidličky. Kromě toho se používá při výrobě chladniček, sporáků, praček, myček nádobí, mixérů, pecí, toustovačů.

Stručně řečeno, železo je přítomno ve všech objektech, které obklopují člověka.

Nanočástice

Kovové železo se také připravuje jako nanočástice, které jsou vysoce reaktivní a zachovávají si magnetické vlastnosti makroskopické pevné látky.

Tyto sféry Fe (a jejich vícenásobné další morfologie) se používají k čištění vod organochlorových sloučenin a jako nosiče léčiv dodávané do vybraných oblastí těla pomocí magnetického pole.

Mohou také sloužit jako katalytické nosiče při reakcích, kdy dochází k porušení uhlíkových vazeb, CC.

-Ironové sloučeniny

Oxidy

Oxid železitý, FeO, se používá jako pigment pro krystaly. Oxid železitý, Fe ₂ O ₃, je základem pro řadu pigmentů od žluté na červenou, známý jako benátské červeně. Červený tvar, zvaný rouge, se používá k leštění drahých kovů a diamantů.

Oxid železitý, Fe ₃ O ₄, se používá ve feritech, látkách s vysokou magnetickou přístupností a elektrickým odporem, použitelných v určitých počítačových pamětí a při povlékání magnetických pásek. Používá se také jako pigment a leštidlo.

Sírany

Heptahydrát síranu železnatého, FeSO ₄ · 7H ₂ O, je nejběžnější forma síranu železnatého, známý jako zelená skalice nebo coppera. Používá se jako redukční činidlo a při výrobě inkoustů, hnojiv a pesticidů. Využívá také při galvanizaci železa.

Síranu železitého, Fe ₂ (SO ₄) ₃, se používá k získání železa kamenec a další železité sloučeniny. Slouží jako koagulant při čištění odpadních vod a jako mořidlo při barvení textilií.

Chloridy

Chlorid železnatý, FeCl ₂, se používá jako mořidlo a redukčního činidla. Mezitím, chlorid železitý, FeCl ₃, se používá jako chloračního činidla pro kovy (stříbro a měď) a některých organických sloučenin.

Ošetřením Fe ³⁺ hexagonanoferrátovým iontem ^{-4 se} získá modrá sraženina zvaná pruská modrá, která se používá v barvách a lacích.

Železná jídla

Škeble jsou bohatým zdrojem potravy železa. Zdroj: Pxhere.

Obecně se doporučuje příjem železa 18 mg / den. Mezi potraviny, které ji poskytují v každodenní stravě, patří:

Měkkýši poskytují železo ve formě hemu, takže ve střevní absorpci není inhibována. Jíl poskytuje až 28 mg železa na 100 g; proto by toto množství škeble stačilo k zásobování denního požadavku na železo.

Špenát obsahuje 3,6 mg železa na 100 g. Hovězí orgánové maso, například telecí játra, obsahuje 6,5 mg železa na 100 g. Příspěvek krevní klobásy bude pravděpodobně o něco vyšší. Krevní klobása se skládá z částí tenkého střeva, plněných hovězí krví.

Luštěniny, jako je čočka, obsahují 6,6 mg železa na 198 g. Červené maso obsahuje 2,7 mg železa na 100 g. Dýňová semínka obsahují 4,2 mg na 28 g. Quinoa obsahuje 2,8 mg železa na 185 g. Tmavé maso krůty obsahuje 2,3 mg na 100 g. Brokolice obsahuje 2,3 mg na 156 mg.

Tofu obsahuje 3,6 mg na 126 g. Mezitím hořká čokoláda obsahuje 3,3 mg na 28 g.

Biologická role

Funkce, které železo plní, zejména u živých bytostí obratlovců, jsou nespočetné. Odhaduje se, že více než 300 enzymů vyžaduje pro svou funkci železo. Mezi enzymy a proteiny, které jej používají, jsou jmenovány následující:

-Proteiny, které mají hemovou skupinu a nemají enzymatickou aktivitu: hemoglobin, myoglobin a neuroglobin.

- Enzymy se skupinou hem zapojenou do transportu elektronů: cytochromy a, b a f a cytochrom oxidázy a / nebo oxidázová aktivita; sulfit oxidáza, cytochrom P450 oxidáza, myeloperoxidáza, peroxidáza, kataláza atd.

-Proteiny obsahující železo-síru, související s činnostmi oxyreduktázy, podílející se na produkci energie: sukcinát dehydrogenáza, isocitrate dehydrogenáza a akonitáza nebo enzymy zapojené do replikace a opravy DNA: DNA-polymeráza a DNA-heliklázy.

Nehémové enzymy, které používají železo jako kofaktor pro svou katalytickou aktivitu: fenylalanin hydroláza, tyrosin hydroláza, tryptofan hydroláza a lysin hydroláza.

-Nhemové proteiny odpovědné za transport a skladování železa: feritin, transferrin, haptoglobin atd.

Rizika

Toxicita

Rizika z expozice nadbytku železa mohou být akutní nebo chronická. Jednou z příčin akutní otravy železem může být nadměrný příjem železných tablet ve formě glukonátu, fumarátu atd.

Železo může způsobit podráždění střevní sliznice, jejíž nepohodlí se projeví okamžitě po požití a zmizí po 6 až 12 hodinách. Absorbované železo je uloženo v různých orgánech. Tato akumulace může způsobit metabolické poruchy.

Pokud je přijaté množství železa toxické, může způsobit perforaci střeva s peritonitidou.

V kardiovaskulárním systému způsobuje hypovolémii, která může být způsobena gastrointestinálním krvácením a uvolněním vazoaktivních látek, jako je serotonin a histamin, železem. Nakonec může dojít k masivní nekróze jater a selhání jater.

Hemochromatosia

Hemochromatosia je dědičné onemocnění, které představuje změnu v regulačním mechanismu železa v těle, což se projevuje zvýšením koncentrace železa v krvi a jeho akumulací v různých orgánech; včetně jater, srdce a slinivky břišní.

Počáteční příznaky onemocnění jsou následující: bolest kloubů, bolest břicha, únava a slabost. S následujícími příznaky a následnými příznaky onemocnění: cukrovka, ztráta sexuální touhy, impotence, srdeční selhání a selhání jater.

Hemosideróza

Hemosideróza je charakterizována, jak název napovídá, akumulací hemosiderinu v tkáních. To nezpůsobuje poškození tkáně, ale může se vyvinout k poškození podobnému tomu, které bylo pozorováno při hemochromatosii.

Hemosideróza může být způsobena následujícími příčinami: zvýšená absorpce železa z potravy, hemolytická anémie, která uvolňuje železo z červených krvinek, a nadměrná krevní transfúze.

Hemosideróza a hemochromatosie mohou být způsobeny nedostatečným fungováním hormonu hepcidin, hormonu vylučovaného játry, který se podílí na regulaci tělesného železa.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganická chemie. (Čtvrté vydání). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes of Iron: Druhy, hustota, použití a fakta. Studie. Obnoveno z: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropy železa: termodynamika a krystalové struktury. Hutnictví. Obnoveno z: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Železná nano energie. Obnoveno z: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Žehlička. Obnoveno z: en.wikipedia.org
6. Shropshire History. (sf). Vlastnosti železa. Obnoveno z: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Fakta o železných prvcích. Obnoveno z: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18. července). 11 zdravých potravin bohatých na železo. Obnoveno z: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodická tabulka: Iron. Obnoveno z: lenntech.com
10. Editors of Encyclopaedia Britannica. (13. června 2019). Žehlička. Encyclopædia Britannica. Obnoveno z: britannica.com