ŽELJEZO (ELEMENT): KARAKTERISTIKE, KEMIJSKA STRUKTURA, UPORABE - KEMIJA - 2025

Željeza je prijelazni metal koji pripada grupi 8 ili VIIIb periodičkog sustava i predstavljen kemijskom simbol Fe. Je metalna siva, savitljiv, kovan i visoke čvrstoće, koji se koristi u brojnim aplikacijama koje su korisne za čovjeka i društvo.

Sastoji od 5% zemljine kore, a ujedno je i drugi najbrojniji metal nakon aluminija. Također, njegova brojnost premašuje se kisikom i silicijom. Međutim, u odnosu na zemljinu jezgru, 35% sastoji se od metalnog i tekućeg željeza.

Alkemičar-hp (razgovor) (www.pse-mendelejew.de)

Izvan zemljine jezgre željezo se ne nalazi u metalnom obliku, jer se brzo oksidira kada je izloženo vlažnom zraku. Nalazi se u bazaltnim stijenama, karbonatnim sedimentima i meteoritima; općenito legirana niklom, kao u mineralnom kamacitu.

Glavni minerali željeza koji se koriste za kopanje su: hematit (željezni oksid, Fe ₂ O ₃), magnetit (ferosomerni oksid, Fe ₃ O ₄), limonit (hidratizirani hidroksid željezovog oksida) i siderit (željezni karbonat, FeCO ₃).

U prosjeku, čovjek ima sadržaj 4,5 g željeza, od čega je 65% u obliku hemoglobina. Ovaj protein sudjeluje u transportu kisika u krvi i u njegovoj distribuciji u različita tkiva, radi njegovog daljnjeg unosa mioglobinom i neuroglobinom.

Unatoč mnogim blagodatima željeza za ljude, višak metala može imati vrlo ozbiljne toksične radnje, posebno na jetru, kardiovaskularni sustav i gušteraču; takav je slučaj hemohromatozije nasljedne bolesti.

Željezo je sinonim za izgradnju, snagu i ratove. S druge strane, zbog obilja, uvijek je alternativa koju treba razmotriti kada je u pitanju razvoj novih materijala, katalizatora, lijekova ili polimera; i usprkos crvenoj boji hrđe, metal je ekološki zeleni.

Povijest

antika

Željezo se prerađuje tisućljećima. Međutim, teško je pronaći željezne predmete takvih drevnih doba zbog njihove osjetljivosti na koroziju, što uzrokuje njihovo uništavanje. Najstariji poznati željezni predmeti izrađeni su od meteorita.

Takav je slučaj vrste perli izrađenih 3500. godine prije Krista, pronađene u Gerzi, u Egiptu, i bodež pronađen u grobnici Tutankamona. Željezni meteoriti karakteriziraju visoki udio nikla, pa se u tim objektima može utvrditi njihova porijeklo.

Dokazi o lijevanom gvožđu pronađeni su i u Asmaru, Mezopotamiji i bazaru Tail Chagar, u Siriji, između 3000-2700 pr.

Osim toga, artefakti od lijevanog željeza pronađeni su u Indiji, 1800. do 1200. godine prije Krista, i u Levantu, oko 1500. godine prije Krista. Smatra se da je željezno doba počelo 1000. godine prije Krista, jer su se smanjili troškovi njihove proizvodnje.

U Kini se pojavljuje između 700. i 500. godine prije Krista, vjerojatno se transportira kroz središnju Aziju. Prvi željezni predmeti pronađeni su u Luhe Jiangsu u Kini.

Europa

Kovano željezo proizvedeno je u Europi korištenjem takozvanih gala kova. Proces je zahtijevao uporabu ugljena kao goriva.

Srednjovjekovne visoke peći bile su visoke 3,0 m, izrađene su od vatrootpornih opeka, a zrak se dovodio ručnim zvonjavom. 1709. Abraham Darby osnovao je koksnu peć za proizvodnju rastaljenog željeza, zamijenivši drveni ugljen.

Dostupnost jeftinog željeza bio je jedan od faktora koji su doveli do industrijske revolucije. U ovom je razdoblju započelo rafiniranje sirovog željeza u kovano željezo koje je korišteno za izgradnju mostova, brodova, skladišta itd.

Željezo

Čelik koristi veću koncentraciju ugljika od kovanog željeza. Čelik je proizveden u Luristanu, Perzija, 1000. godine prije Krista. U industrijskoj revoluciji razvijeni su novi načini proizvodnje željeznih šipki bez ugljika, koje su kasnije korištene za proizvodnju čelika.

U kasnim 1850-ima, Henry Bessemer osmislio je puhanje zraka u rastaljeno sirovo željezo kako bi proizveo meki čelik, što je učinilo proizvodnju čelika ekonomičnijom. To je rezultiralo smanjenjem proizvodnje kovanog željeza.

Svojstva

Izgled

Metalni sjaj sa sivkastim nijansama.

Atomska težina

55.845 u.

Atomski broj (Z)

26

Talište

1.533 ºC

Vrelište

2.862 ºC

Gustoća

-Temperatura okoline: 7.874 g / mL.

-Točka taljenja (tekućina): 6,980 g / ml.

Toplina fuzije

13,81 kJ / mol

Toplina isparavanja

340 kJ / mol

Molarni kalorijski kapacitet

25,10 J / (mol K)

Energija ionizacije

-Prva razina ionizacije: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ plinoviti)

- Druga razina ionizacije: 1,561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ plinovitih)

-Treća razina ionizacije: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ plinoviti)

Elektronegativnost

1,83 na Pauling ljestvici

Atomski radio

Empirijski 126 sati

Toplinska vodljivost

80,4 W / (mK)

Električni otpor

96,1 Ω · m (pri 20 ºC)

Curie točka

770 ° C, otprilike. Pri ovoj temperaturi željezo više nije feromagnetsko.

izotopi

Stabilni izotopi: ⁵⁴ Fe, s obiljem 5,85%; ⁵⁶ Fe, s obiljem od 91,75%; ⁵⁷ Fe, s obiljem od 2,12%; i ⁵⁷ Fe, s obiljem od 0,28%. Kako je ⁵⁶ Fe najstabilniji i najobilniji izotop, nije čudno da je atomska težina željeza vrlo blizu 56 u.

Dok su radioaktivni izotopi: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe i ⁶⁰ Fe.

Struktura i elektronička konfiguracija

-Allropes

Željezo na sobnoj temperaturi kristalizira u tjelesnoj kubičnoj strukturi (bcc), koja je poznata i kao α-Fe ili ferit (unutar metalurškog žargona). Budući da može usvojiti različite kristalne strukture kao funkciju temperature i tlaka, željezo se kaže da je alotropni metal.

Alotropni bcc je uobičajeno željezo (feromagnetsko), ono koje ljudi tako dobro poznaju i privlače ga magneti. Kada se zagrijava iznad 771 ° C, on postaje paramagnetni, i iako se njegov kristal samo širi, ova „nova faza“ se ranije smatrala β-Fe. Ostali alotropi željeza također su paramagnetski.

Između 910ºC i 1394ºC, željezo se nalazi kao austenit ili γ-Fe alotrop, čija je struktura kubična, fcc. Pretvorba austenita i ferita ima veliki utjecaj na proizvodnju čelika; budući da su atomi ugljika topljiviji u austenitu nego u feritu.

A zatim, iznad 1394 ° C do točke taljenja (1538 ° C), željezo se vraća kako bi usvojilo bcc strukturu, δ-Fe; ali za razliku od ferita, ovaj je alotrop paramagnetni.

Željezo od epsilona

Povećavanjem tlaka na 10 GPa, pri temperaturi od nekoliko stotina stupnjeva Celzija, α ili feritni alotrop evoluira do alotropa, epsilona, ​​karakteriziranog kristalizacijom u kompaktnoj šesterokutnoj strukturi; to jest s najkompaktnijim Fe atomima. Ovo je četvrti alotropni oblik željeza.

Neke studije teoretiziraju o mogućem postojanju drugih alotropa željeza pod takvim pritiscima, ali na još višim temperaturama.

-Metalna veza

Bez obzira na alotrop željeza i temperaturu koja "trese" njegove atome Fe ili tlak koji ih sabija, oni međusobno djeluju s istim valentnim elektronima; To su oni koji su prikazani u njihovoj elektroničkoj konfiguraciji:

3d ⁶ 4s ²

Stoga postoji osam elektrona koji sudjeluju u metalnoj vezi, bilo da su oslabljeni ili ojačani tijekom alotropnih prijelaza. Isto tako, upravo tih osam elektrona definiraju svojstva željeza kao što su njegova toplinska ili električna vodljivost.

-Oksidacijski brojevi

Najvažniji (i uobičajeni) oksidacijski brojevi željeza su +2 (Fe ²⁺) i +3 (Fe ³⁺). U stvari, konvencionalna nomenklatura razmatra samo ova dva broja ili stanja. Međutim, postoje spojevi u kojima željezo može dobiti ili izgubiti drugi broj elektrona; to jest, pretpostavlja se postojanje drugih kationa.

Na primjer, željezo može imati i oksidacijske brojeve +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), +6 (Fe ⁶⁺) i +7 (Fe ^{7 +}). Anionska ferratna vrsta, FeO ₄ ^2-, ima željezo s oksidacijskim brojem +6, jer su ga četiri atoma kisika oksidirala u tolikoj mjeri.

Isto tako, željezo može imati negativne oksidacijske brojeve; kao što su: 4 (Fe ⁴) -2 (Fe ²) i 1 (Fe ^-). Međutim, spojevi sa željeznim centrima s tim dobitkom elektrona su vrlo rijetki. Zato, iako u tom pogledu nadmašuje mangan, ovaj potonji tvori mnogo stabilnije spojeve sa svojim rasponom oksidacijskih stanja.

Rezultat je, u praktične svrhe, dovoljno uzeti u obzir Fe ²⁺ ili Fe ³⁺; ostali su kationi rezervirani za pomalo specifične ione ili spojeve.

Kako se dobiva?

Čelični ukrasi, najvažnija legura željeza. Izvor: Pxhere.

Zbirka sirovina

Moramo nastaviti do pronalaska ruda najprikladnijih minerala za vađenje željeza. Najviše korišteni minerali jesu: hematit (Fe ₂ O ₃), magnetit (Fe ₃ O ₄), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) i siderit (FeCO ₃).

Tada je prvi korak u vađenju skupljanje stijena željeznim rudama rude. Te su stijene drobljene da bi ih se slomile na male komade. Nakon toga slijedi faza izbora fragmenata stijena željeznom rudom.

U odabiru slijede dvije strategije: uporaba magnetskog polja i taloženje u vodi. Fragmenti stijene podvrgnuti su magnetskom polju, a mineralni fragmenti orijentirani su u njemu, čime se mogu razdvojiti.

U drugoj se metodi kameniti ulomci bacaju u vodu, a oni koji sadrže željezo, jer su teži, talože se na dnu vode, ostavljajući gangu u gornjem dijelu vode, jer je lakši.

Visoka peć

Visoke peći na kojima se proizvodi čelik. Izvor: Pixabay.

Željezne rude se prevoze u visoke peći, gdje se izbacuju zajedno s koksnim ugljenom, koji ima ulogu dobavljača goriva i ugljika. Uz to se dodaje vapnenac ili vapnenac koji ispunjava funkciju fluksa.

U visoke peći se, uz prethodnu smjesu, ubrizgava vrući zrak pri temperaturi od 1000 ºC. Željezo se topi izgaranjem ugljena koji temperaturu dovodi do 1800 ° C. Nakon što je tekućina, naziva se svinjsko željezo, koje se nakuplja na dnu pećnice.

Svinjsko željezo se uklanja iz peći i izlije u spremnike za prijevoz u novu ljevaonicu; dok se šljaka, nečistoća koja se nalazi na površini sirovog željeza, odbacuje.

Svinjsko gvožđe izlijeva se korištenjem lovaca u peć za konverziju, zajedno s vapnencem kao fluksom, a kisik se unosi pri visokim temperaturama. Dakle, sadržaj ugljika se smanjuje, rafinirajući sirovo željezo da ga pretvori u čelik.

Nakon toga, čelik se prolazi kroz električne peći za proizvodnju posebnih čelika.

Prijave

-Metalno željezo

Željezni most u Engleskoj, jedna od mnogih konstrukcija izrađenih željezom ili njegovim legurama. Izvor: Nije naveden autor čitljiv autor. Jasonjsmith pretpostavlja (na temelju tvrdnji o autorskim pravima).

Budući da je to jeftin, prosti, duktilni metal koji je otporan na koroziju, postao je najkorisniji metal za čovjeka, pod različitim njegovim oblicima: kovani, liveni i čelik različitih vrsta.

Željezo se koristi za izgradnju:

-Bridges

-Osnove za zgrade

Vrata i prozori

-Barovi trupa

-Razni alati

-Cijev za pitku vodu

-Cevi za prikupljanje otpadnih voda

-Nameštaj za vrtove

- Rešetka za sigurnost kuće

Također se koristi u proizvodnji kućnog pribora, kao što su lonci, tave, noževi, vilice. Osim toga, koristi se u proizvodnji hladnjaka, štednjaka, perilica rublja, perilica posuđa, blendera, pećnica, tostera.

Ukratko, željezo je prisutno u svim objektima koji okružuju čovjeka.

nanočestice

Metalno željezo se također priprema kao nanočestice, koje su vrlo reaktivne i zadržavaju magnetska svojstva makroskopske krute tvari.

Te sfere Fe (i njihove višestruke dodatne morfologije) koriste se za pročišćavanje voda od organoklornih spojeva i kao nosači lijekova koji se primjenjuju magnetsko polje da biraju regije tijela.

Oni također mogu poslužiti kao katalitički oslonac u reakcijama u kojima se prekidaju ugljične veze, CC.

-Ironi spojevi

oksidi

Željezni oksid, FeO, koristi se kao pigment za kristale. Željezni oksid, Fe ₂ O ₃, je osnova za broj pigmenata u rasponu od žute u crvenu, poznat kao Venecijanca crveno. Crveni oblik, nazvan rouge, koristi se za poliranje plemenitih metala i dijamanata.

Fero-željezni oksid, Fe ₃ O ₄, koristi se u feritima, tvarima velike magnetske dostupnosti i električnog otpora, korisnim u određenim računalnim memorijama i za oblaganje magnetskih vrpci. Također se koristi kao pigment i sredstvo za poliranje.

sulfate

Fero sulfat heptahidrata, FeSO ₄ · 7H ₂ O, je najčešći oblik željeznog sulfata, poznat i kao zeleni galicom ili coppera. Koristi se kao redukcijsko sredstvo i u proizvodnji mastila, gnojiva i pesticida. Nalazi i u galvanizaciji željeza.

Za dobivanje željeznog aluma i drugih željeznih spojeva koristi se željezni sulfat, Fe ₂ (SO ₄) ₃. Služi kao koagulans u pročišćavanju otpadnih voda i kao sredstvo za bojenje tekstila.

kloridi

Željezni klorid, FeCl ₂, koristi se kao sredstvo za lučenje i redukciju. U međuvremenu, željezni klorid, FeCl ₃, koristi se kao sredstvo za kloriranje metala (srebra i bakra) i nekih organskih spojeva.

Tretmanom Fe ³⁺ heksocijanoferratnim ionom ^-4 nastaje plavi talog, nazvan prusko plav, koji se koristi u bojama i lakovima.

Željeza hrana

Školjke su bogat izvor hrane željezom. Izvor: Pxhere.

Općenito, preporučuje se unos željeza od 18 mg / dan. Među namirnicama koje ga pružaju u svakodnevnoj prehrani sljedeće su:

Školjke pružaju željezo u heme obliku, tako da nema inhibicije crijevne apsorpcije istog. Glina pruža do 28 mg željeza na 100 g njega; prema tome, ova bi količina školjki bila dovoljna da zadovolji dnevnu potrebu za željezom.

Špinat sadrži 3,6 mg željeza na 100 g. Goveđe meso organa, na primjer teleća jetra, sadrži 6,5 mg željeza na 100 g. Doprinos krvne kobasice vjerojatno će biti nešto veći. Krvna kobasica sastoji se od dijelova tankog crijeva, napunjenih govedinom.

Mahunarke, poput leće, sadrže 6,6 mg željeza na 198 g. Crveno meso sadrži 2,7 mg željeza na 100 g. Sjemenke bundeve sadrže 4,2 mg na 28 g. Kvinoja sadrži 2,8 mg željeza na 185 g. Tamno meso puretine sadrži 2,3 mg na 100 g. Brokula sadrži 2,3 mg na 156 mg.

Tofu sadrži 3,6 mg na 126 g. U međuvremenu, tamna čokolada sadrži 3,3 mg po 28 g.

Biološka uloga

Funkcije koje željezo ispunjava, posebno kod kralježnjaka, su bezbrojne. Procjenjuje se da više od 300 enzima zahtijeva željezo za svoju funkciju. Među enzimima i proteinima koji ga koriste slijede:

-Proteini koji imaju skupinu hema i nemaju enzimsku aktivnost: hemoglobin, mioglobin i neuroglobin.

- Enzimi s grupom hema koja sudjeluje u transportu elektrona: citokromi a, b i f, i aktivnost citokrom oksidaza i / ili oksidaza; sulfit oksidaza, citokrom P450 oksidaza, mijeloperoksidaza, peroksidaza, katalaza, itd.

-Proteini koji sadrže željezo-sumpor, povezani s aktivnostima oksireduktaze, koji su uključeni u proizvodnju energije: sukcinat dehidrogenaza, izocitrat dehidrogenaza i akonitaza, ili enzimi uključeni u umnožavanje i popravljanje DNK: DNA-polimeraza i DNA-helikolaze.

-Ne-hem enzimi koji koriste željezo kao kofaktor za svoje katalitičko djelovanje: fenilalanin hidrolaze, tirozin hidrolaze, triptofan hidrolaze i lizin hidrolaze.

-Ne-hemski proteini odgovorni za transport i skladištenje željeza: feritin, transferrin, haptoglobin, itd.

rizici

Toksičnost

Rizici od izloženosti višku željeza mogu biti akutni ili kronični. Jedan od razloga akutnog trovanja željezom može biti pretjerani unos željeznih tableta, u obliku glukonata, fumarata, itd.

Željezo može izazvati iritaciju crijevne sluznice, čija se nelagoda očituje odmah nakon gutanja i nestaje nakon 6 do 12 sati. Apsorbirano željezo taloži se u različitim organima. To nakupljanje može uzrokovati poremećaje metabolizma.

Ako je količina unesenog željeza toksična, može prouzročiti crijevnu perforaciju s peritonitisom.

U kardiovaskularnom sustavu stvara hipovolemiju koja može biti uzrokovana krvarenjima u probavnom sustavu i oslobađanjem željeza od vazoaktivnih tvari, poput serotonina i histamina. U konačnici može doći do masovne nekroze jetre i zatajenja jetre.

Hemochromatosia

Hemokromatozija je nasljedna bolest koja predstavlja promjene u mehanizmu regulacije željeza u tijelu, što se očituje u povećanju koncentracije željeza u krvi i njegovom nakupljanju u različitim organima; uključujući jetru, srce i gušteraču.

Početni simptomi bolesti su sljedeći: bolovi u zglobovima, bol u trbuhu, umor i slabost. Sa sljedećim simptomima i naknadnim znakovima bolesti: dijabetes, gubitak seksualne želje, impotencija, zatajenje srca i zatajenje jetre.

Hemosiderosis

Hemosiderozu karakterizira, kao što i samo ime govori, nakupljanjem hemosiderina u tkivima. To ne uzrokuje oštećenje tkiva, ali može evoluirati do oštećenja sličnih onome koje se vidi kod hemokromatozije.

Hemosiderozu mogu uzrokovati sljedeći uzroci: povećana apsorpcija željeza iz prehrane, hemolitička anemija koja oslobađa željezo iz crvenih krvnih stanica i prekomjerna transfuzija krvi.

Hemosideroza i hemokromatozija mogu nastati zbog neadekvatnog funkcioniranja hormona hepcidina, hormona kojeg luči jetra koji sudjeluje u regulaciji tjelesnog željeza.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Alotropi željeza: vrste, gustoća, upotreba i činjenice. Studija. Oporavilo od: study.com
3. Jayanti S. (drugi). Alotropija željeza: termodinamika i kristalne strukture. Metalurgija. Oporavilo od: Engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018.). Željezna nano snaga. Oporavilo od: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Željezo. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
6. Shropshire History. (SF). Svojstva željeza. Oporavilo od: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Činjenice o elementima željeza. Oporavilo od: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018., 18. srpnja). 11 zdravih namirnica bogatih željezom. Oporavilo od: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodna tablica: Željezo. Oporavilo od: lenntech.com
10. Urednici Encyclopaedia Britannica. (13. lipnja 2019.). Željezo. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com