ŽELEZO (PRVOK): VLASTNOSTI, CHEMICKÁ ŠTRUKTÚRA, POUŽITIA - CHÉMIA - 2026

Železo je prechodový kov patriaci do skupiny 8 alebo VIII B periodickej tabuľky a predstavovanom chemickým symbolom Fe. Je kovový šedý, ťažný, poddajný a vysoká pevnosť, použité v rade aplikácií užitočných pre človeka a spoločnosť.

Predstavuje 5% zemskej kôry a je tiež druhým najrozšírenejším kovom po hliníku. Jeho množstvo je tiež prekročené kyslíkom a kremíkom. Pokiaľ však ide o jadro Zeme, 35% z toho pozostáva z kovového a tekutého železa.

Alchymista-hp (diskusia) (www.pse-mendelejew.de)

Mimo zemského jadra sa železo nenachádza v kovovej forme, pretože pri vystavení vlhkému vzduchu sa rýchlo oxiduje. Nachádza sa v čadičových horninách, karbónových sedimentoch a meteoritoch; obvykle legované niklom, napríklad v minerálnom kamakite.

Hlavné železa minerálnych látok používaných na ťažbu, sú nasledujúce: hematit (oxid železitý, Fe ₂ O ₃ ), magnetit (oxid ferrosomeric, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hydroxid železnatý oxid), a siderit (karbonát železa, Fečo ₃ ).

V priemere má človek obsah 4,5 g železa, z čoho 65% je vo forme hemoglobínu. Tento proteín sa podieľa na prenose kyslíka v krvi a jeho distribúcii do rôznych tkanív, na jeho následné vychytávanie myoglobínom a neuroglobínom.

Napriek mnohým výhodám železa pre ľudí môže mať nadbytočný kov veľmi vážne toxické účinky, najmä na pečeň, kardiovaskulárny systém a pankreas; to je prípad hemochromatózie vrodených chorôb.

Železo je synonymom stavby, sily a vojen. Na druhej strane, vzhľadom na svoje množstvo je vždy alternatívou zvážiť vývoj nových materiálov, katalyzátorov, liekov alebo polymérov; a napriek červenej farbe hrdze je to environmentálne zelený kov.

histórie

starovek

Železo sa spracováva už tisícročia. Je však ťažké nájsť železné predmety takého staroveku kvôli ich náchylnosti ku korózii, ktorá spôsobuje ich ničenie. Najstaršie známe železné predmety boli vyrobené z objektov nájdených v meteoritoch.

To je prípad druhu korálikov vyrobených v roku 3500 pred Kristom, ktoré sa našli v egyptskej Gerze, a dýky nájdenej v hrobke Tutanchamona. Železné meteority sa vyznačujú vysokým obsahom niklu, takže v týchto objektoch bolo možné zistiť ich pôvod.

Dôkazy o liatine sa našli aj v Asmare, Mezopotámii a Tail Chagar Bazaar, v Sýrii, v období medzi 3 000 - 2700 pred Kr. Hoci sa odlievanie železa začalo v dobe bronzovej, trvalo niekoľko storočia, kým sa bronz vytlačil.

Okrem toho sa našli artefakty z liatiny v Indii od roku 1800 do roku 1200 pred naším letopočtom av Levante okolo roku 1 500 pred naším letopočtom. Predpokladá sa, že doba železná začala v roku 1 000 pred Kr., Pretože sa znížili náklady na ich výrobu.

Vyskytuje sa v Číne v rokoch 700 až 500 pred Kristom, pravdepodobne prepravovaný cez Strednú Áziu. Prvé železné predmety boli nájdené v čínskej Luhe Jiangsu.

Európa

Kované železo sa v Európe vyrábalo pomocou tzv. Gala kovární. Tento proces si vyžadoval použitie uhlia ako paliva.

Stredoveké vysoké pece boli vysoké 3,0 m, vyrobené z ohňovzdorných tehál a vzduch bol dodávaný manuálnymi vlnovcami. V roku 1709 Abraham Darby založil vysokopecný koks na výrobu roztaveného železa, ktorý nahradil drevené uhlie.

Dostupnosť lacného železa bola jedným z faktorov, ktoré viedli k priemyselnej revolúcii. V tomto období sa začalo s rafináciou surového železa na kované železo, ktoré sa používalo na stavbu mostov, lodí, skladov atď.

oceľ

Ocel používa vyššiu koncentráciu uhlíka ako kované železo. Ocel sa vyrábala v Luristane v Perzii v roku 1 000 pnl. V priemyselnej revolúcii sa navrhli nové spôsoby výroby železných tyčí bez uhlíka, ktoré sa neskôr použili na výrobu ocele.

Koncom päťdesiatych rokov 20. storočia vymyslel Henry Bessemer fúkanie vzduchu do roztaveného surového železa na výrobu mäkkej ocele, čo zvýšilo hospodárnosť výroby ocele. To malo za následok zníženie výroby kujného železa.

vlastnosti

vzhľad

Kovový lesk so sivastým nádychom.

Atómová hmotnosť

55,845 u.

Atómové číslo (Z)

26

Bod topenia

1 533 ° C

Bod varu

2 862 ° C

Hustota

Teplota pacienta: 7,874 g / ml.

Teplota topenia (kvapalina): 6,980 g / ml.

Teplo fúzie

13,81 kJ / mol

Odparovacie teplo

340 kJ / mol

Molárna kalorická kapacita

25,10 J / (mol K)

Ionizačná energia

- Prvá úroveň ionizácie: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ plynná)

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

- iná úroveň ionizácie: 2,957, kJ / mol ( plynný Fe ³⁺ )

electronegativity

1,83 v Paulingovej stupnici

Atómové rádio

Empirické 126 hodín

Tepelná vodivosť

80,4 W / (mK)

Elektrický odpor

96,1 Ω · m (pri 20 ° C)

Curieov bod

770 ° C, približne. Pri tejto teplote už železo už nie je feromagnetické.

izotopy

Stabilné izotopy: ⁵⁴ Fe, s množstvom 5,85%; ⁵⁶ Fe, s množstvom 91,75%; ⁵⁷ Fe, s množstvom 2,12%; a ⁵⁷ Fe, s množstvom 0,28%. Pretože ⁵⁶ Fe je najstabilnejší a najhojnejší izotop, nie je prekvapujúce, že atómová hmotnosť železa je veľmi blízka 56 u.

Kým rádioaktívne izotopy sú: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe a ⁶⁰ Fe.

Štruktúra a elektronická konfigurácia

-Allropes

Železo pri izbovej teplote kryštalizuje v kubickej štruktúre sústredenej na telo (bcc), ktorá je známa aj ako α-Fe alebo ferit (v hutníckom žargóne). Pretože v závislosti od teploty a tlaku môže prijať rôzne kryštálové štruktúry, hovorí sa, že železo je allotropický kov.

Allotrope bcc je obyčajné železo (feromagnetické), ktoré ľudia dobre poznajú a priťahujú magnety. Po zahriatí nad 771 ° C sa stáva paramagnetickým a hoci sa jeho kryštál iba rozširuje, táto „nová fáza“ sa predtým považovala za β-Fe. Ostatné alotrópy železa sú tiež paramagnetické.

Medzi 910 ° C a 1 394 ° C sa železo nachádza ako austenit alebo y-Fe allotrope, ktorého štruktúra je kubická, centrovaná na tvár, fcc. Premena medzi austenitom a feritom má zásadný vplyv na výrobu ocele; pretože atómy uhlíka sú rozpustnejšie v austenite ako vo ferite.

A potom, nad 1394 ° C až do bodu topenia (1538 ° C), sa železo vráti, aby prijalo štruktúru bcc, 5-Fe; ale na rozdiel od feritu je tento alotróp paramagnetický.

Epsilon železo

Zvýšením tlaku na 10 GPa pri teplote niekoľko sto stupňov Celzia sa allotrop a alebo ferit vyvíja na ee allotrope epsilon charakterizovaný kryštalizáciou v kompaktnej hexagonálnej štruktúre; to znamená s najkompaktnejšími atómami Fe. Toto je štvrtá alotrópna forma železa.

Niektoré štúdie teoretizujú možnú existenciu iných alotrópov železa pri takýchto tlakoch, ale pri ešte vyšších teplotách.

-Kovové spojenie

Bez ohľadu na alotróp železa a teplotu, ktorá „triasa“ jeho atómami Fe alebo tlak, ktorý ich zhutňuje, interagujú spolu navzájom s rovnakými valenčnými elektrónmi; Sú to tie, ktoré sú uvedené v ich elektronickej konfigurácii:

3d ⁶ 4s ²

Preto sa na kovovej väzbe zúčastňuje osem elektrónov, či je počas alotrópnych prechodov oslabená alebo zosilnená. Podobne práve týchto osem elektrónov definuje vlastnosti železa, ako je jeho tepelná alebo elektrická vodivosť.

-Oxidačné čísla

Najdôležitejšie (a najbežnejšie) oxidačné čísla pre železo sú +2 (Fe ²⁺ ) a +3 (Fe ³⁺ ). V skutočnosti sa v konvenčnej nomenklatúre zohľadňujú iba tieto dve čísla alebo štáty. Existujú však zlúčeniny, kde železo môže získať alebo stratiť iný počet elektrónov; to znamená, že sa predpokladá existencia iných katiónov.

Napríklad železo môže mať aj oxidačné čísla +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) a +7 (Fe ^{7) +} ). Aniónové feraty druhy, FeO ₄ ^2- , má železo s oxidačného množstvo +6, pretože štyri atómy kyslíka sa oxiduje to v takom rozsahu.

Podobne môže mať železo záporné oxidačné čísla; ako je napríklad: -4 (Fe ⁴ ) -2 (Fe ² ) a 1 (Fe ^- ). Zlúčeniny s centrami železa s týmito elektrónovými prírastkami sú však veľmi zriedkavé. Preto, aj keď v tomto ohľade prevyšuje mangán, tento tvorí oveľa stabilnejšie zlúčeniny s rozsahom oxidačných stavov.

Výsledok na praktické účely stačí zvážiť Fe ²⁺ alebo Fe ³⁺ ; ostatné katióny sú vyhradené pre trochu špecifické ióny alebo zlúčeniny.

Ako sa získa?

Oceľové ozdoby, najdôležitejšia zliatina železa. Zdroj: Pxhere.

Zber surovín

Musíme pristúpiť k lokalizácii rúd najvhodnejších minerálov na ťažbu železa. Tieto minerály najviac používané k jeho získaniu, sú nasledujúce: hematit (Fe ₂ O ₃ ), magnetit (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) a siderit (Fečo ₃ ).

Prvým krokom pri extrakcii je zozbieranie hornín železnými rudami. Tieto horniny sú drvené, aby ich rozdelili na malé kúsky. Následne nasleduje fáza selekcie fragmentov hornín so železnou rudou.

Pri výbere sa dodržiavajú dve stratégie: využitie magnetického poľa a sedimentácia vo vode. Fragmenty hornín sú vystavené magnetickému poľu a minerálne fragmenty sú v ňom orientované, takže sa dajú separovať.

Pri druhej metóde sú skalné úlomky ukladané do vody a tie, ktoré obsahujú železo, pretože sú ťažšie, usadia sa na dne vody a zanechávajú gangu v hornej časti vody, pretože je ľahší.

Vysoká pec

Vysoká pec, v ktorej sa vyrába oceľ. Zdroj: Pixabay.

Železné rudy sa prepravujú do vysokých pecí, kde sa ukladajú spolu s koksovateľným uhlím, ktoré má úlohu dodávateľa paliva a uhlíka. Ďalej sa pridáva vápenec alebo vápenec, ktorý plní funkciu toku.

Do vysokej pece sa s predchádzajúcou zmesou vstrekuje horúci vzduch pri teplote 1 000 ° C. Železo sa taví spaľovaním uhlia, ktoré zvyšuje teplotu na 1800 ° C. Akonáhle je tekutina, nazýva sa surové železo, ktoré sa hromadí na dne rúry.

Surové železo sa vyberie z pece a naleje do nádob na prepravu do novej zlievárne; zatiaľ čo troska, nečistota umiestnená na povrchu surového železa, sa zahodí.

Surové železo sa nalieva pomocou lejacích panví do konvertorovej pece spolu s vápencom ako tavivom a kyslík sa zavádza pri vysokých teplotách. Takto sa zníži obsah uhlíka, čím sa surové železo rafinuje na oceľ.

Následne sa oceľ vedie cez elektrické pece na výrobu špeciálnych ocelí.

aplikácia

-Kovové železo

Železný most v Anglicku, jedna z mnohých stavieb vyrobených zo železa alebo jeho zliatin. Zdroj: Nebol poskytnutý žiadny strojom čitateľný autor. Predpokladaný Jasonjsmith (na základe nárokov na autorské práva).

Pretože je to lacný, kujný, tvárný kov, ktorý sa stal odolným voči korózii, stal sa pre človeka najužitočnejším kovom v rôznych formách: kovaný, liaty a oceľ rôznych typov.

Železo sa používa na stavbu:

-Bridges

- Základy pre budovy

- Dvere a okná

- Plavákové trupy

-Rôzne nástroje

- Potrubie na pitnú vodu

- Rúry na zber odpadovej vody

-Nábytok pre záhrady

- Mriežka na zabezpečenie domácnosti

Používa sa tiež pri výrobe domácich potrieb, ako sú hrnce, panvice, nože, vidličky. Okrem toho sa používa pri výrobe chladničiek, sporákov, práčok, umývačiek riadu, mixérov, pecí, hriankovačov.

Stručne povedané, železo je prítomné vo všetkých objektoch, ktoré obklopujú človeka.

nanočastice

Kovové železo sa tiež pripravuje ako nanočastice, ktoré sú vysoko reaktívne a zachovávajú si magnetické vlastnosti makroskopickej pevnej látky.

Tieto sféry Fe (a ich viacnásobné ďalšie morfológie) sa používajú na čistenie vôd organochlórových zlúčenín a ako nosiče liečiv dodávané do vybraných oblastí tela pomocou magnetického poľa.

Môžu tiež slúžiť ako katalytické nosiče pri reakciách, pri ktorých dochádza k prerušeniu uhlíkových väzieb, CC.

-Iné zlúčeniny

oxidy

Oxid železitý, FeO, sa používa ako pigment pre kryštály. Oxid železitý, Fe ₂ O ₃ , je základom pre rad pigmentov od žltej na červenú, známy ako benátskej červeno. Červený tvar, nazývaný rouge, sa používa na leštenie drahých kovov a diamantov.

Oxid železitý, Fe ₃ O ₄ , sa používa vo feritoch, látkach s vysokou magnetickou prístupnosťou a elektrickým odporom, použiteľných v určitých počítačových pamätiach a pri poťahovaní magnetických pások. Používa sa tiež ako pigment a leštidlo.

sulfáty

Heptahydrát síranu železnatého, FeSO ₄ · 7H ₂ O, je najbežnejšou forma síranu železnatého, známy ako zelená skalice alebo Copper. Používa sa ako redukčné činidlo a pri výrobe tlačových farieb, hnojív a pesticídov. Používa sa aj pri galvanizácii železa.

Síranu železitého, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , sa používa na získanie železa kamenec a ďalšie železité zlúčeniny. Slúži ako koagulant pri čistení odpadových vôd a ako moridlo pri farbení textílií.

chloridy

Chlorid železnatý, FeCl ₂ , sa používa ako moridlo a redukčného činidla. Medzitým, chlorid železitý, FeCl ₃ , sa používa ako chloračního činidlá pre kovy (striebro a meď) a niektorých organických zlúčenín.

Ošetrenie Fe ³⁺ hexyanoferrátovým iónom ^-4 vedie k vytvoreniu modrej zrazeniny nazývanej pruská modrá, ktorá sa používa vo farbách a lakoch.

Potraviny železa

Škeble sú bohatým zdrojom železa. Zdroj: Pxhere.

Všeobecne sa odporúča príjem železa 18 mg / deň. Medzi potraviny, ktoré ju poskytujú v dennej strave, patria:

Kôrovce dodávajú železo vo forme hemu, takže v črevnej absorpcii nie je inhibovaná. Prípravok obsahuje až 28 mg železa na 100 g; preto by toto množstvo mušle postačovalo na zabezpečenie dennej potreby železa.

Špenát obsahuje 3,6 mg železa na 100 g. Mäso z hovädzích orgánov, napríklad teľacie pečene, obsahuje 6,5 mg železa na 100 g. Príspevok klobás v krvi bude pravdepodobne o niečo vyšší. Krvná klobása sa skladá z častí tenkého čreva, plnených hovädzou krvou.

Strukoviny, ako je šošovica, obsahujú 6,6 mg železa na 198 g. Červené mäso obsahuje 2,7 mg železa na 100 g. Tekvicové semená obsahujú 4,2 mg na 28 g. Quinoa obsahuje 2,8 mg železa na 185 g. Tmavé mäso z moriaka obsahuje 2,3 mg na 100 g. Brokolica obsahuje 2,3 mg na 156 mg.

Tofu obsahuje 3,6 mg na 126 g. Medzitým horká čokoláda obsahuje 3,3 mg na 28 g.

Biologická úloha

Funkcie, ktoré železo plní, najmä u stavovcov, sú nespočetné. Odhaduje sa, že viac ako 300 enzýmov vyžaduje pre svoju funkciu železo. Medzi enzýmy a proteíny, ktoré ho používajú, sú pomenované:

-Proteíny, ktoré majú hemovú skupinu a nemajú enzymatickú aktivitu: hemoglobín, myoglobín a neuroglobín.

- enzýmy so skupinou hémov zapojených do transportu elektrónov: cytochrómy a, b a f a cytochróm oxidázy a / alebo oxidázová aktivita; sulfit oxidáza, cytochróm P450 oxidáza, myeloperoxidáza, peroxidáza, kataláza atď.

-Proteíny obsahujúce železo-síru, súvisiace s aktivitami oxyreduktázy, zapojené do výroby energie: sukcinátdehydrogenáza, izocitrátdehydrogenáza a akonitáza alebo enzýmy zapojené do replikácie a opravy DNA: DNA-polymeráza a DNA-heliklázy.

Neuremové enzýmy, ktoré používajú železo ako kofaktor pre svoju katalytickú aktivitu: fenylalanín hydroláza, tyrozín hydroláza, tryptofán hydroláza a lyzín hydroláza.

-Nemové proteíny zodpovedné za transport a skladovanie železa: feritín, transferín, haptoglobín atď.

riziká

toxicita

Riziká z vystavenia nadmernému množstvu železa môžu byť akútne alebo chronické. Jednou z príčin akútnej otravy železom môže byť nadmerný príjem železných tabliet vo forme glukonátu, fumarátu atď.

Železo môže spôsobiť podráždenie črevnej sliznice, ktorej nepohodlie sa prejaví okamžite po požití a zmizne po 6 až 12 hodinách. Absorbované železo je uložené v rôznych orgánoch. Táto akumulácia môže spôsobiť metabolické poruchy.

Ak je požité množstvo železa toxické, môže spôsobiť perforáciu čreva s peritonitídou.

V kardiovaskulárnom systéme spôsobuje hypovolémiu, ktorá môže byť spôsobená gastrointestinálnym krvácaním a uvoľňovaním vazoaktívnych látok, napríklad serotonínu a histamínu, železom. Nakoniec sa môže vyskytnúť masívna nekróza pečene a zlyhanie pečene.

Hemochromatosia

Hemochromatóza je dedičné ochorenie, ktoré predstavuje zmenu v regulačnom mechanizme železa v tele, čo sa prejavuje zvýšením koncentrácie železa v krvi a jeho akumuláciou v rôznych orgánoch; vrátane pečene, srdca a pankreasu.

Počiatočné príznaky choroby sú nasledujúce: bolesť kĺbov, bolesť brucha, únava a slabosť. S nasledujúcimi príznakmi a následnými príznakmi choroby: cukrovka, strata sexuálnej túžby, impotencia, zlyhanie srdca a zlyhanie pečene.

hemosideróza

Hemosideróza je charakterizovaná, ako naznačuje jej názov, akumuláciou hemosiderínu v tkanivách. To nespôsobuje poškodenie tkaniva, ale môže sa vyvinúť do poškodenia podobného poškodeniu, ktoré sa pozorovalo pri hemochromatóze.

Hemosideróza môže byť spôsobená nasledujúcimi príčinami: zvýšená absorpcia železa z potravy, hemolytická anémia, ktorá uvoľňuje železo z červených krviniek, a nadmerná krvná transfúzia.

Hemosideróza a hemochromatóza môžu byť spôsobené neadekvátnym fungovaním hormónu hepcidín, hormónu vylučovaného pečeňou, ktorý sa podieľa na regulácii železa v tele.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes of Iron: Druhy, hustota, použitia a fakty. Štúdia. Obnovené z: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropia železa: termodynamika a kryštálové štruktúry. Hutníctvo. Získané z: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Železná nano sila. Získané z: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Železo. Obnovené z: en.wikipedia.org
6. História Shropshire. (SF). Vlastnosti železa. Získané z: shropshirehistory.com
7. Dough Stewart. (2019). Fakty o železných prvkoch. Získané z: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18. júla). 11 zdravých potravín bohatých na železo. Získané z: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodická tabuľka: Iron. Obnovené z: lenntech.com
10. Editori encyklopédie Britannica. (13. júna 2019). Železo. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com