DZELZS (ELEMENTS): ĪPAŠĪBAS, ĶĪMISKĀ STRUKTŪRA, LIETOJUMI - ĶĪMIJA - 2025

Dzelzs ir pārejas metāls, kas pieder 8 grupai vai VIIIb periodiskās tabulas un pārstāv ķīmisko simbolu Fe. Vai metāla pelēks, paklausīgs, kalšanai un augsta izturība, ko izmanto daudzos pielietojumos noderīgas cilvēkam un sabiedrība.

Tas veido 5% no zemes garozas, un tas ir arī otrs visbagātākais metāls pēc alumīnija. Arī tā bagātību pārsniedz skābeklis un silīcijs. Tomēr attiecībā uz zemes kodolu 35% no tā veido metālisks un šķidrs dzelzs.

Alķīmiķis-hp (saruna) (www.pse-mendelejew.de)

Ārpus zemes serdes dzelzs nav sastopams metāliskā formā, jo, nonākot mitrā gaisā, tas ātri oksidējas. Tas atrodas bazalta iežos, oglekļa nogulsnēs un meteorītos; parasti leģēti ar niķeli, tāpat kā minerālais kamacīts.

Galvenie ieguvei izmantotie dzelzs minerāli ir šādi: hematīts (dzelzs oksīds, Fe ₂ O ₃ ), magneīts (ferrosomēriskais oksīds, Fe ₃ O ₄ ), limonīts (hidratēts dzelzs oksīda hidroksīds) un siderīts (dzelzs karbonāts, FeCO ₃ ).

Cilvēkam vidēji ir 4,5 g dzelzs, no kura 65% ir hemoglobīna formā. Šis proteīns ir iesaistīts skābekļa pārvadāšanā asinīs un tā izplatīšanā dažādos audos, lai vēlāk to absorbētu mioglobīns un neiroglobīns.

Neskatoties uz daudzajiem dzelzs ieguvumiem cilvēkiem, metālu pārpalikumam var būt ļoti nopietna toksiska iedarbība, īpaši uz aknām, sirds un asinsvadu sistēmu un aizkuņģa dziedzeri; tāds ir iedzimtas slimības hemochromatosia gadījums.

Dzelzs ir sinonīms būvniecībai, spēkam un kariem. No otras puses, tā pārpilnības dēļ tā vienmēr ir alternatīva, kas jāapsver, izstrādājot jaunus materiālus, katalizatorus, narkotikas vai polimērus; un, neskatoties uz rūsu sarkano krāsu, tas ir videi zaļš metāls.

Vēsture

Senatne

Dzelzs ir pārstrādāts gadu tūkstošiem ilgi. Tomēr ir grūti atrast tik seno laikmetu dzelzs priekšmetus, jo tie ir pakļauti korozijai, kas izraisa to iznīcināšanu. Vecākie zināmie dzelzs priekšmeti tika izgatavoti no tiem, kas tika atrasti meteorītos.

Tas attiecas uz tāda veida pērlītēm, kas izgatavotas 3500. gadā pirms mūsu ēras, atrasta Gerzā, Ēģiptē, un dunci, kas atrasts Tutanhamona kapenē. Dzelzs meteorītiem ir raksturīgs augsts niķeļa saturs, tāpēc šajos objektos varēja noteikt to izcelsmi.

Čuguna pierādījumi tika atrasti arī Asmarā, Mezopotāmijas štatā un Tail Chagar bazārā Sīrijā laikposmā no 3000. līdz 2700. gadam pirms mūsu ēras. Lai arī dzelzs liešana sākās bronzas laikmetā, pagāja gadsimtiem ilgi, lai tā izspiestu bronzu.

Turklāt čuguna artefakti tika atrasti Indijā no 1800. līdz 1200. gadam pirms Kristus un Levantā, apmēram 1500. gadā pirms mūsu ēras. Tiek uzskatīts, ka dzelzs laikmets sākās 1000. gadā pirms mūsu ēras, jo tika samazinātas to ražošanas izmaksas.

Tas parādās Ķīnā no 700. līdz 500. gadam pirms mūsu ēras, iespējams, pārvadājams caur Vidusāziju. Pirmie dzelzs priekšmeti tika atrasti Luhe Jiangsu, Ķīnā.

Eiropa

Kalta dzelzs tika ražota Eiropā, izmantojot tā sauktos gala kalumus. Procesa laikā ogles bija jāizmanto kā degviela.

Viduslaiku domnas bija 3,0 m augstas, izgatavotas no ugunsdrošiem ķieģeļiem, un gaiss tika piegādāts ar manuālām plēšām. Abrahams Darbijs 1709. gadā nodibināja koksa domnu, lai iegūtu izkausētu dzelzi, aizstājot kokogles.

Lēta dzelzs pieejamība bija viens no faktoriem, kas noveda pie rūpnieciskās revolūcijas. Šajā periodā sākās čuguna pārstrāde kaltā dzelžā, ko izmantoja tiltu, kuģu, noliktavu celtniecībai utt.

Tērauds

Tēraudam ir augstāka oglekļa koncentrācija nekā kaltas dzelzs. Tērauds tika ražots Luristānā, Persijā, 1000. gadā pirms mūsu ēras. Rūpniecības revolūcijā tika izstrādātas jaunas dzelzs stieņu bez oglekļa iegūšanas metodes, kuras vēlāk tika izmantotas tērauda ražošanā.

1850. gadu beigās Henrijs Bessemers izdomāja pūst gaisu izkausētā čugunā, lai iegūtu maigu tēraudu, kas tērauda ražošanu padarīja ekonomiskāku. Tā rezultātā samazinājās kaltas dzelzs ražošana.

Īpašības

Izskats

Metālisks spīdums ar pelēcīgu nokrāsu.

Atomsvars

55 845 u.

Atomu skaitlis (Z)

26

Kušanas punkts

1,533 ºC

Vārīšanās punkts

2862 ºC

Blīvums

-Apkārtnes temperatūra: 7,874 g / ml.

-Kušanas temperatūra (šķidrums): 6,980 g / ml.

Saplūšanas karstums

13,81 kJ / mol

Iztvaikošanas siltums

340 kJ / mol

Molārā kaloritāte

25.10 J / (mol K)

Jonizācijas enerģija

-Pirmais jonizācijas līmenis: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gāzveida)

-Sekundākais jonizācijas līmenis: 1561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gāzveida)

- trešais jonizācijas līmenis: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ gāzveida)

Elektronegativitāte

1,83 pēc Pingainga skalas

Atomu radio

Empīriski 126 vakarā

Siltumvadītspēja

80,4 W / (mK)

Elektriskā pretestība

96,1 Ω · m (pie 20 ºC)

Kirija punkts

Aptuveni 770 ° C. Šajā temperatūrā dzelzs vairs nav feromagnētisks.

Izotopi

Stabili izotopi: ⁵⁴ Fe, ar pārpilnību 5,85%; ⁵⁶ Fe, ar pārpilnību 91,75%; ⁵⁷ Fe, ar pārpilnību 2,12%; un ⁵⁷ Fe, ar pārpilnību 0,28%. Tā kā ⁵⁶ Fe ir visstabilākais un bagātīgākais izotops, nav pārsteidzoši, ka dzelzs atomu svars ir ļoti tuvu 56 u.

Kamēr radioaktīvie izotopi ir: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe un ⁶⁰ Fe.

Struktūra un elektroniskā konfigurācija

-Allropes

Dzelzs istabas temperatūrā izkristalizējas uz ķermeni vērstajā kubiskajā struktūrā (bcc), ko sauc arī par α-Fe vai ferītu (metalurģijas žargonā). Tā kā dzelzs var izmantot dažādas kristāla struktūras kā temperatūras un spiediena funkciju, dzelzs tiek uzskatīts par allotropisku metālu.

Allotrope bcc ir parastais dzelzs (feromagnētiskais), tāds, kuru cilvēki tik labi zina un kuru piesaista magnēti. Sildot virs 771 ºC, tas kļūst paramagnētisks, un, kaut arī tā kristāls tikai izplešas, šī “jaunā fāze” iepriekš tika uzskatīta par β-Fe. Arī pārējie dzelzs alotropi ir paramagnētiski.

Starp 910 ºC un 1 394 ºC dzelzs ir austenīta vai γ-Fe alotropa viela, kuras struktūra ir uz seju vērsta kubiskā, fcc. Pārvēršana starp austenītu un ferītu lielā mērā ietekmē tērauda ražošanu; jo oglekļa atomi vairāk šķīst austenītā nekā ferītā.

Un pēc tam virs 1394 ºC līdz kušanas temperatūrai (1538 ºC) dzelzs atgriežas, lai pieņemtu bcc struktūru, δ-Fe; bet atšķirībā no ferīta, šī allotropa ir paramagnētiska.

Epsilona dzelzs

Palielinot spiedienu līdz 10 GPa, temperatūrā dažos simtos grādu pēc Celsija, α vai ferīta alotrops attīstās līdz ε alotroopam, epsilonam, ko raksturo kristalizācija kompaktā sešstūra struktūrā; tas ir, ar viskompaktākajiem Fe atomiem. Šī ir ceturtā allotropā dzelzs forma.

Daži pētījumi teorē par citu dzelzs alotropu iespējamo eksistenci zem šāda spiediena, bet vēl augstākā temperatūrā.

-Metāla saite

Neatkarīgi no dzelzs alotropa un temperatūras, kas "satricina" tā Fe atomus, vai spiediena, kas tos sablīvē, tie mijiedarbojas viens ar otru ar vienādiem valences elektroniem; Tie ir tie, kas parādīti to elektroniskajā konfigurācijā:

3d ⁶ 4s ²

Tāpēc ir astoņi elektroni, kas piedalās metāliskajā saitē neatkarīgi no tā, vai tā ir vājināta vai nostiprināta allotropisko pāreju laikā. Tāpat tieši šie astoņi elektroni nosaka dzelzs īpašības, piemēram, tā siltuma vai elektrisko vadītspēju.

-Oksidācijas numuri

Svarīgākie (un visizplatītākie) dzelzs oksidācijas skaitļi ir +2 (Fe ²⁺ ) un +3 (Fe ³⁺ ). Faktiski parastā nomenklatūra ņem vērā tikai šos divus skaitļus vai stāvokļus. Tomēr ir savienojumi, kuros dzelzs var iegūt vai zaudēt vēl vienu elektronu skaitu; tas ir, tiek pieņemts, ka pastāv citi katjoni.

Piemēram, dzelzs oksidācijas skaitļiem var būt arī +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) un +7 (Fe ^{7). +} ). Anjonu ferrātu sugām FeO ₄ ² ir dzelzs ar oksidācijas numuru +6, jo četri skābekļa atomi to ir oksidējuši.

Tāpat dzelzs oksidācijas skaitļi var būt negatīvi; piemēram: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) un -1 (Fe ^- ). Tomēr savienojumi ar dzelzs centriem ar šiem elektronu ieguvumiem ir ļoti reti. Tāpēc, kaut arī šajā ziņā tas pārspēj mangānu, tas ar savu oksidācijas stāvokļu diapazonu veido daudz stabilākus savienojumus.

Rezultāts praktiskiem nolūkiem ir pietiekams, lai ņemtu vērā Fe ²⁺ vai Fe ³⁺ ; pārējie katjoni ir rezervēti nedaudz specifiskiem joniem vai savienojumiem.

Kā to iegūst?

Tērauda rotājumi, vissvarīgākais dzelzs sakausējums. Avots: Pxhere.

Izejvielu savākšana

Mums jādodas uz dzelzs ieguvei vispiemērotāko minerālu rūdu atrašanās vietu. To iegūšanai visbiežāk izmantotie minerāli ir šādi: hematīts (Fe ₂ O ₃ ), magnetīts (Fe ₃ O ₄ ), limonīts (FeO · OH · nH ₂ O) un siderīts (FeCO ₃ ).

Tad pirmais ieguves solis ir iežu savākšana ar dzelzs rūdas rūdām. Šīs ieži tiek sasmalcināti, lai tos sadalītu mazos gabaliņos. Pēc tam notiek iežu fragmentu atlases posms ar dzelzs rūdu.

Atlasē tiek ievērotas divas stratēģijas: magnētiskā lauka izmantošana un sedimentācija ūdenī. Akmeņu fragmenti tiek pakļauti magnētiskajam laukam, un minerālu fragmenti ir orientēti tajā, tādējādi tos var atdalīt.

Otrajā metodē akmeņainos fragmentus iemet ūdenī un tos, kas satur dzelzi, jo tie ir smagāki, nogulsnējas ūdens apakšā, atstājot gangu ūdens augšējā daļā, jo tas ir vieglāks.

Domnu

Domna, kurā ražo tēraudu. Avots: Pixabay.

Dzelzsrūdas tiek transportētas uz domnām, kur tās tiek izgāztas kopā ar koksa oglēm, kurām ir kurināmā un oglekļa piegādātāja loma. Turklāt tiek pievienots kaļķakmens vai kaļķakmens, kas pilda plūsmas funkciju.

Domnu ar iepriekšējo maisījumu ievada karstu gaisu 1000 ºC temperatūrā. Dzelzs ir izkusis, sadedzinot ogles, kuru temperatūra sasniedz 1800 ºC. Kad šķidrums ir kļuvis šķidrs, to sauc par čugunu, kas uzkrājas krāsns apakšā.

Čugunu no krāsns izņem un ielej konteineros, lai pārvestu uz jaunu lietuvi; savukārt sārņus, piemaisījumus, kas atrodas uz čuguna virsmas, izmet.

Čugunu, izmantojot kausi, ielej pārveidotāja krāsnī kopā ar kaļķakmeni kā plūsmu, un augstā temperatūrā tiek ievadīts skābeklis. Tādējādi oglekļa saturs tiek samazināts, rafinējot čugunu, lai to pārvērstu par tēraudu.

Pēc tam tērauds tiek izvadīts caur elektriskajām krāsnīm īpašu tēraudu ražošanai.

Lietojumprogrammas

-Metāla dzelzs

Dzelzs tilts Anglijā, viena no daudzajām konstrukcijām, kas izgatavotas ar dzelzi vai tā sakausējumiem. Avots: nav sniegts mašīnlasāms autors. Jasonjsmith pieņēma (pamatojoties uz autortiesību pretenzijām).

Tā kā tas ir lēts, kaļams, kaļams metāls, kas kļuvis izturīgs pret koroziju, tas ir kļuvis par visnoderīgāko metālu cilvēkam, tā dažādajās formās: kalts, liets un dažāda veida tērauds.

Dzelzs tiek izmantots:

-Bridži

- Ēku pamati

-Durvis un logi

-Laivu korpusi

-Dažādi rīki

-Caurules dzeramajam ūdenim

-Caurules notekūdeņu savākšanai

-Mēbeļi dārziem

-Grille mājas drošībai

To izmanto arī mājsaimniecības piederumu, piemēram, katlu, pannu, nažu, dakšiņu, ražošanā. Turklāt to izmanto ledusskapju, plīts, veļas mazgājamo mašīnu, trauku mazgājamo mašīnu, blendera, cepeškrāsns, tosteru ražošanā.

Īsāk sakot, dzelzs ir klāt visos objektos, kas ieskauj cilvēku.

Nanodaļiņas

Metālisko dzelzi sagatavo arī kā nanodaļiņas, kas ir ļoti reaģējošas un saglabā makroskopiskās cietās vielas magnētiskās īpašības.

Šīs Fe sfēras (un to vairākkārtējās papildu morfoloģijas) tiek izmantotas, lai attīrītu hlororganisko savienojumu ūdeņus, un kā zāļu nesēji tiek piegādāti atsevišķiem ķermeņa reģioniem, izmantojot magnētisko lauku.

Tie var kalpot arī par katalītiskiem balstiem reakcijās, kurās oglekļa saites (CC) ir sabojātas.

-Ironu savienojumi

Oksīdi

Melno oksīdu, FeO, izmanto kā kristālu pigmentu. Dzelzs oksīds Fe ₂ O ₃ ir pamats daudziem pigmentiem, sākot no dzeltenas līdz sarkanai, kas pazīstams kā Venēcijas sarkanais. Sarkano formu, ko sauc par rouge, izmanto dārgmetālu un dimantu pulēšanai.

Dzelzs dzelzs oksīdu (Fe ₃ O ₄₎ izmanto ferītos, vielās ar augstu magnētisko pieejamību un elektrisko pretestību, kas izmantojamas dažās datora atmiņās un magnētisko lentu pārklājumos. To izmanto arī kā pigmentu un pulēšanas līdzekli.

Sulfāti

Melnā sulfāta heptahidrāts, FeSO ₄ · 7H ₂ O, ir visizplatītākais melnā sulfāta veids, kas pazīstams kā zaļais vitriols vai koppera. To izmanto kā reducētāju un tintes, mēslošanas līdzekļu un pesticīdu ražošanā. Tas tiek izmantots arī dzelzs galvanizācijā.

Dzelzs sulfātu, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , izmanto dzelzs alumīna un citu dzelzs savienojumu iegūšanai. Tas kalpo kā koagulants notekūdeņu attīrīšanā un kā kodinātājs tekstilizstrādājumu krāsošanā.

Hlorīdi

Ferrous hlorīds, FeCl ₂ , tiek izmantots kā kodinātāju un reducējošu reaģentu. Tikmēr dzelzs hlorīdu FeCl ₃ izmanto kā metālu (sudraba un vara) un dažu organisko savienojumu hlorēšanas līdzekli.

Fe ^{3+ apstrāde} ar heksocianoferrāta jonu ^-4 rada zilas nogulsnes, ko sauc par Prūsijas zilu, un tās izmanto krāsās un lakās.

Dzelzs ēdieni

Gliemenes ir bagāts pārtikas avots ar dzelzi. Avots: Pxhere.

Parasti ieteicams lietot 18 mg dzelzs dienā. Starp pārtikas produktiem, kas to nodrošina ikdienas uzturā, ir šādi:

Gliemenes nodrošina dzelzi hema formā, tāpēc netiek kavēta tā absorbcija zarnās. Gliemene nodrošina līdz 28 mg dzelzs uz 100 g tā; tāpēc ar šo gliemeņu daudzumu pietiktu, lai nodrošinātu ikdienas dzelzs daudzumu.

Spināti satur 3,6 mg dzelzs uz 100 g. Liellopu gaļas orgānu gaļa, piemēram, teļa aknas, satur 6,5 mg dzelzs uz 100 g. Asins asiņu devums, iespējams, būs nedaudz lielāks. Asins asinis veido tievās zarnas daļas, kas pildītas ar liellopa asinīm.

Pākšaugi, piemēram, lēcas, satur 6,6 mg dzelzs uz 198 g. Sarkanā gaļa satur 2,7 mg dzelzs uz 100 g. Ķirbju sēklas satur 4,2 mg uz 28 g. Kvinoja satur 2,8 mg dzelzs uz 185 g. Tītara tumšā gaļa satur 2,3 mg uz 100 g. Brokoļi satur 2,3 mg uz 156 mg.

Tofu satur 3,6 mg uz 126 g. Tikmēr tumšā šokolāde satur 3,3 mg uz 28 g.

Bioloģiskā loma

Funkcijas, kuras dzelzs pilda, īpaši mugurkaulnieku dzīvās būtnēs, ir neskaitāmas. Tiek lēsts, ka vairāk nekā 300 fermentu darbībai ir nepieciešams dzelzs. Starp fermentiem un olbaltumvielām, kas to izmanto, tiek nosaukti šādi:

-Proteīni, kuriem ir hema grupa un kuriem nav fermentatīvas aktivitātes: hemoglobīns, mioglobīns un neiroglobīns.

-Enzīmi ar hema grupu, kas iesaistīta elektronu transportēšanā: a, b un f citohromi un citohroma oksidāzes un / vai oksidāzes aktivitāte; sulfīta oksidāze, citohroma P450 oksidāze, mieloperoksidāze, peroksidāze, katalāze utt.

-Proteīni, kas satur dzelzs sēru un kas saistīti ar oksireduktāzes aktivitātēm un iesaistīti enerģijas ražošanā: sukcināta dehidrogenāze, izocitrāta dehidrogenāze un akonitāze, vai fermenti, kas iesaistīti DNS replikācijā un labošanā: DNS polimerāze un DNS helikāzes.

-Nemeijeri fermenti, kas izmanto katalizatoriskās aktivitātes kofaktoru dzelzi: fenilalanīna hidrolāze, tirozīna hidrolāze, triptofāna hidrolāze un lizīna hidrolāze.

-Nememiski proteīni, kas atbild par dzelzs transportēšanu un glabāšanu: feritīns, transferīns, haptoglobīns utt.

Riski

Toksicitāte

Pārmērīga dzelzs iedarbības risks var būt akūts vai hronisks. Viens no akūtas saindēšanās ar dzelzi cēloņiem var būt pārmērīga dzelzs tablešu uzņemšana glikonāta, fumarāta veidā utt.

Dzelzs var izraisīt zarnu gļotādas kairinājumu, kura diskomforts izpaužas tūlīt pēc norīšanas un izzūd pēc 6 līdz 12 stundām. Absorbētais dzelzs tiek nogulsnēts dažādos orgānos. Šī uzkrāšanās var izraisīt vielmaiņas traucējumus.

Ja uzņemtais dzelzs daudzums ir toksisks, tas var izraisīt zarnu perforāciju ar peritonītu.

Sirds un asinsvadu sistēmā tas rada hipovolemiju, ko var izraisīt asiņošana no kuņģa-zarnu trakta, kā arī vasoaktīvo vielu, piemēram, serotonīna un histamīna, izdalīšana ar dzelzi. Galu galā var rasties masīva aknu nekroze un aknu mazspēja.

Hemohromatozija

Hemohromatosija ir iedzimta slimība, kas rada izmaiņas ķermeņa dzelzs regulēšanas mehānismā, kas izpaužas kā dzelzs koncentrācijas palielināšanās asinīs un tās uzkrāšanās dažādos orgānos; ieskaitot aknas, sirdi un aizkuņģa dziedzeri.

Sākotnējie slimības simptomi ir šādi: locītavu sāpes, sāpes vēderā, nogurums un vājums. Ar šādiem simptomiem un sekojošām slimības pazīmēm: diabēts, seksuālās vēlmes zudums, impotence, sirds mazspēja un aknu mazspēja.

Hemosideroze

Hemosiderozi, kā norāda tās nosaukums, raksturo hemosiderīna uzkrāšanās audos. Tas neizraisa audu bojājumus, bet tas var attīstīties līdz bojājumam, kas līdzīgs tam, kas novērots hemochromatosia.

Hemosiderozi var izraisīt šādi cēloņi: pastiprināta dzelzs uzsūkšanās no uztura, hemolītiskā anēmija, kas atbrīvo dzelzi no sarkano asins šūnu, un pārmērīga asins pārliešana.

Hemosideroze un hemochromatosia varētu būt saistīta ar nepietiekamu hormona hepcidin darbību - aknu izdalītu hormonu, kas ir iesaistīts ķermeņa dzelzs regulēšanā.

Atsauces

1. Šiveris un Atkins. (2008). Neorganiskā ķīmija. (Ceturtais izdevums). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Dzelzs allotropi: veidi, blīvums, pielietojumi un fakti. Pētījums. Atgūts no: study.com
3. Džajanti S. (nd). Dzelzs alotropija: Termodinamika un kristāla struktūras. Metalurģija. Atgūts no: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Dzelzs nano jauda. Atgūts no: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019. gads). Dzelzs. Atgūts no: en.wikipedia.org
6. Šropšīras vēsture. (sf). Dzelzs īpašības. Atgūts no: shropshirehistory.com
7. Dr Dough Stewart. (2019. gads). Dzelzs elementa fakti. Atgūts no: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018. gads, 18. jūlijs). 11 veselīgi pārtikas produkti, kas bagāti ar dzelzi. Atgūts no: healthline.com
9. Lenntech. (2019. gads). Periodiskā tabula: Dzelzs. Atgūts no: lenntech.com
10. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2019. gada 13. jūnijs). Dzelzs. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com