GELEŽIS (ELEMENTAS): SAVYBĖS, CHEMINĖ STRUKTŪRA, PANAUDOJIMAS - CHEMIJA - 2025

Geležies yra pereinamųjų metalų, priklausančių 8 grupės ar VIIIb periodinėje lentelėje ir atstovauja cheminiu simboliu Fė. Yra metalo pilka, plastiškas, kaliojo ir didelio stiprumo, naudojami daugelyje taikomųjų programų naudingų žmogui ir visuomenė.

Tai sudaro 5% žemės plutos ir yra antras gausiausias metalas po aliuminio. Taip pat jo gausą viršija deguonis ir silicis. Tačiau 35% žemės šerdies sudaro metalinė ir skystoji geležis.

Alchemikas-hp (aptarimas) (www.pse-mendelejew.de)

Už žemės šerdies esanti geležis nėra metalo pavidalo, nes veikiama drėgno oro ji greitai oksiduojasi. Jis yra bazalto uolienose, anglies nuosėdose ir meteorituose; paprastai legiruojami nikeliu, kaip ir mineraliniame kamacite.

Pagrindiniai kasyboje naudojami geležies mineralai yra šie: hematitas (geležies oksidas, Fe ₂ O ₃ ), magnetitas (ferrosomerinis oksidas, Fe ₃ O ₄ ), limonitas (hidratuotas juodojo geležies oksido hidroksidas) ir sideritas (geležies karbonatas, FeCO ₃ ).

Vidutiniškai žmogus turi 4,5 g geležies, iš kurios 65% yra hemoglobino pavidalu. Šis baltymas dalyvauja deguonies pernešime į kraują ir jo pasiskirstyme į skirtingus audinius, kad vėliau jį pasisavintų mioglobinas ir neuroglobinas.

Nepaisant daugybės geležies pranašumų žmonėms, metalo perteklius gali sukelti labai rimtus toksiškus veiksmus, ypač kepenims, širdies ir kraujagyslių sistemai bei kasai; toks yra paveldimos ligos hemochromatosia atvejis.

Geležis yra statybos, stiprybės ir karų sinonimas. Kita vertus, dėl savo gausos visada reikia atsižvelgti į alternatyvą kuriant naujas medžiagas, katalizatorius, vaistus ar polimerus; nepaisant raudonos spalvos rūdžių, jis yra ekologiškas metalas.

Istorija

Antika

Geležis buvo perdirbta tūkstantmečius. Tačiau sunku rasti tokių senovės geležies objektų dėl jų jautrumo korozijai, dėl ko jie sunaikinami. Seniausi žinomi geležies objektai buvo pagaminti iš tų, kurie buvo rasti meteorituose.

Toks atvejis yra karoliukai, pagaminti 3500 m. Pr. Kr., Rasti Gerzoje, Egipte, ir durklas, rastas Tutanchamono kapavietėje. Geležies meteoritai pasižymi dideliu nikelio kiekiu, todėl šiuose objektuose buvo galima nustatyti jų kilmę.

Ketaus įrodymai taip pat buvo rasti Asmaro mieste, Mesopotamijos valstijoje ir Tailando Chagaro turguje Sirijoje, 3000–2700 m. Pr. Kr. Nors ketaus liejimas prasidėjo bronzos amžiuje, prireikė šimtmečių, kad jis išstumtų bronzą.

Be to, ketaus dirbinių buvo rasta Indijoje 1800–1200 m. Pr. Kr., O Levante - maždaug 1500 m. Pr. Kr. Manoma, kad geležies amžius prasidėjo 1000 m. Pr. Kr., Nes sumažėjo jų gamybos sąnaudos.

Jis pasirodo Kinijoje nuo 700 iki 500 m. Pr. Kr., Greičiausiai gabenamas per Vidurinę Aziją. Pirmieji geležies daiktai buvo rasti Luhe Jiangsu mieste Kinijoje.

Europa

Kalvystė Europoje buvo pagaminta naudojant vadinamuosius gala kaltus. Proceso metu reikėjo naudoti anglis kaip kurą.

Viduramžių aukštakrosnės buvo 3,0 m aukščio, pagamintos iš ugniai atsparių plytų, o orą tiekė rankinės dumplės. 1709 m. Abraomas Darby įkūrė kokso aukštakrosnę, norėdamas išlydyti geležį ir pakeisti anglis.

Pigios geležies prieinamumas buvo vienas iš veiksnių, paskatinusių pramonės revoliuciją. Šiuo laikotarpiu pradėtas ketaus ketaus perdirbimas į kalyklą, kuri buvo naudojama tiltams, laivams, sandėliams ir kt. Statyti.

Plienas

Plienui naudojama didesnė anglies koncentracija nei kaliojoje geležyje. Plienas buvo pagamintas Luristane, Persijoje, 1000 m. Pr. Kr. Pramonės revoliucijoje buvo sukurti nauji geležies strypų be anglies gamybos būdai, kurie vėliau buvo naudojami plienui gaminti.

1850 m. Pabaigoje Henris Bessemeras sugalvojo pūsti orą į išlydytą ketaus, kad gautų švelnų plieną, todėl plieno gamyba tapo ekonomiškesnė. Dėl to sumažėjo kaustytosios geležies gamyba.

Savybės

Išvaizda

Metalinis blizgesys pilkšvu atspalviu.

Atominis svoris

55 845 u.

Atominis skaičius (Z)

26

Lydymosi temperatūra

1,533 ºC

Virimo taškas

2862 ºC

Tankis

- Aplinkos temperatūra: 7,874 g / ml.

- Lydymosi temperatūra (skystas): 6,980 g / ml.

Lydymosi šiluma

13,81 kJ / mol

Garinimo šiluma

340 kJ / mol

Molinė kalorinė talpa

25.10 J / (mol K)

Jonizacijos energija

-Pirmasis jonizacijos lygis: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ dujinis)

- Antrojo jonizacijos lygis: 1561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ dujinis)

- Trečiasis jonizacijos lygis: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ dujinis)

Elektronegatyvumas

1,83 pagal Paulingo skalę

Atominis radijas

Empirinis 126 val

Šilumos laidumas

80,4 W / (mK)

Elektrinė varža

96,1 Ω · m (esant 20 ºC)

Curie taškas

Apytiksliai 770 ° C. Esant tokiai temperatūrai, geležis nebėra feromagnetinė.

Izotopai

Stabilūs izotopai: ⁵⁴ Fe, kuriuose gausu 5,85%; ⁵⁶ Fe, kurio gausa yra 91,75%; ⁵⁷ Fe, kurio gausu 2,12%; ir ⁵⁷ Fe, kurių gausa yra 0,28%. Kadangi ⁵⁶ Fe yra stabiliausias ir gausiausias izotopas, nenuostabu, kad geležies atominis svoris yra labai artimas 56 u.

Nors radioaktyvieji izotopai yra: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe ir ⁶⁰ Fe.

Struktūra ir elektroninė konfigūracija

-Alropinės

Kambario temperatūroje esanti geležis kristalizuojasi į kūną nukreiptoje kubinėje struktūroje (BCC), kuri dar vadinama α-Fe arba feritu (metalurgijos žargonu). Kadangi geležis gali turėti skirtingas kristalų struktūras kaip temperatūros ir slėgio funkciją, ji yra laikoma allotropiniu metalu.

Allotrope bcc yra įprasta geležis (feromagnetinė), ta, kurią žmonės taip gerai pažįsta ir traukia magnetai. Kai jis įkaista daugiau kaip 771 ºC, jis tampa paramagnetinis ir, nors jo kristalai tik plečiasi, ši „naujoji fazė“ anksčiau buvo laikoma β-Fe. Kiti geležies allotropai taip pat yra paramagnetiniai.

Nuo 910ºC iki 1394ºC geležies randama kaip austenito arba γ-Fe alotropė, kurios struktūra yra kubo formos, nukreipta į veidą, fcc. Konversija tarp austenito ir ferito daro didelę įtaką plieno gamyboje; nes anglies atomai geriau tirpsta austenite nei ferite.

Tada, esant aukštesnei nei 1394 ºC temperatūrai iki lydymosi temperatūros (1538 ºC), geležis vėl imasi BCC struktūros, δ-Fe; tačiau skirtingai nuo ferito, šis allotropas yra paramagnetinis.

Epsilono geležis

Padidinus slėgį iki 10 GPa, esant kelių šimtų laipsnių temperatūrai, α arba ferito alotropas virsta ε alotrope, epsilone, būdingas kristalizavimui kompaktiškoje šešiakampėje struktūroje; ty su kompaktiškiausiais Fe atomais. Tai yra ketvirtoji allotropinė geležies forma.

Kai kurie tyrimai teoruoja apie galimą kitų geležies alotropų egzistavimą esant tokiam slėgiui, tačiau dar aukštesnėje temperatūroje.

-Metalinis saitas

Nepriklausomai nuo geležies alotropo ir temperatūros, kuri „sukrėtė“ jo Fe atomus, arba nuo slėgio, kuris juos sutankina, jie sąveikauja tarpusavyje su tais pačiais valentiniais elektronais; Tai yra, parodyta jų elektroninėje konfigūracijoje:

3d ⁶ 4s ²

Todėl yra aštuoni elektronai, kurie dalyvauja metaliniame ryšyje, nesvarbu, ar jis susilpnėja, ar sustiprėja alotropinių perėjimų metu. Lygiai taip pat šie aštuoni elektronai apibūdina geležies savybes, tokias kaip jos šiluminis ar elektrinis laidumas.

-Oksidacijos numeriai

Svarbiausi (ir įprasti) geležies oksidacijos skaičiai yra +2 (Fe ²⁺ ) ir +3 (Fe ³⁺ ). Faktiškai įprastoje nomenklatūroje atsižvelgiama tik į šiuos du skaičius ar būsenas. Tačiau yra junginių, kuriuose geležis gali įgyti arba prarasti dar vieną elektronų skaičių; tai yra, manoma, kad egzistuoja kiti katijonai.

Pavyzdžiui, geležies oksidacijos skaičiai taip pat gali būti +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) ir +7 (Fe ^{7). +} ). Anijoninių ferratų rūšis FeO ₄ ^2- turi geležį, kurios oksidacijos skaičius yra +6, nes keturi deguonies atomai ją oksiduoja tokiu mastu.

Taip pat geležis gali turėti neigiamą oksidacijos skaičių; tokių kaip: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) ir -1 (Fe ^- ). Tačiau junginiai su geležies centrais, kuriuose yra šių elektronų padidėjimas, yra labai reti. Dėl šios priežasties, nors ir šiuo atžvilgiu jis pralenkia manganą, jis formuoja daug stabilesnius junginius su savo oksidacijos diapazonu.

Rezultato praktiniams tikslams pakanka atsižvelgti į Fe ²⁺ arba Fe ³⁺ ; kiti katijonai yra skirti tam tikriems jonams ar junginiams.

Kaip jis gaunamas?

Plieniniai ornamentai, svarbiausias geležies lydinys. Šaltinis: Pxhere.

Žaliavų rinkimas

Turime pereiti prie geležies kasymui tinkamiausių mineralų rūdų vietos. Mineralai, naudojami jam gauti, yra šie: hematitas (Fe ₂ O ₃ ), magnetitas (Fe ₃ O ₄ ), limonitas (FeO · OH · nH ₂ O) ir sideritas (FeCO ₃ ).

Tada pirmasis ekstrahavimo žingsnis yra akmenų surinkimas geležies rūdos rūda. Šios uolienos susmulkinamos, kad suskaidytų jas į mažus gabalėlius. Vėliau vyksta uolienų su geležies rūda fragmentų atrankos etapas.

Atrankoje laikomasi dviejų strategijų: magnetinio lauko naudojimas ir nusodinimas vandenyje. Uolienų fragmentai yra veikiami magnetinio lauko ir mineraliniai fragmentai yra orientuoti į jį, tokiu būdu juos galima atskirti.

Taikant antrąjį metodą, uolienų fragmentai įpilami į vandenį ir tie, kuriuose yra geležies, nes jie yra sunkesni, nusėda vandens dugne, paliekant žandikaulį viršutinėje vandens dalyje, nes jis yra lengvesnis.

Aukštakrosnė

Aukštakrosnė, kurioje gaminamas plienas. Šaltinis: „Pixabay“.

Geležies rūdos gabenamos į aukštakrosnes, kur jos išmetamos kartu su koksinėmis akmens anglimis, kurios atlieka kuro ir anglies tiekėjo vaidmenį. Be to, pridedamas kalkakmenis arba kalkakmenis, kuris atlieka srauto funkciją.

Aukštakrosnė kartu su ankstesniu mišiniu įleidžiama karšto oro, kurio temperatūra 1000 ºC. Geležis ištirpsta deginant anglį, kurios temperatūra iki 1800 ºC. Skystas jis vadinamas ketaus, kuris kaupiasi krosnies apačioje.

Ketaus geležis pašalinama iš krosnies ir supilama į konteinerius, kad būtų gabenama į naują liejyklą; o šlakas, priemaiša, esanti ketaus paviršiuje, yra pašalinamas.

Ketus ketaus liejamosiomis kopėčiomis pilamas į keitiklio krosnį kartu su kalkakmeniu kaip srautas, o deguonis patenka aukštoje temperatūroje. Taigi sumažinamas anglies kiekis, rafinuota ketaus paverčiant jį plienu.

Vėliau plienas perduodamas per elektrines krosnis, kad būtų galima gaminti specialų plieną.

Programos

-Metalo geležis

Geležinis tiltas Anglijoje, viena iš daugelio konstrukcijų, pagamintų iš geležies ar jos lydinių. Šaltinis: nepateiktas mašininio skaitymo autorius. Jasonjsmitas padarė prielaidą (remiantis autorių teisių pretenzijomis).

Kadangi tai yra nebrangus, kalusis, tąsusis metalas, kuris tapo atsparus korozijai, jis tapo naudingiausiu metalu žmogui, jo skirtingos formos: suklastotas, lietinis ir įvairių rūšių plienas.

Geležis naudojama statant:

-Bridžai

-Pastatų pagrindai

-Durys ir langai

-Valties korpusai

-Skirtingi įrankiai

-Vandentiekio vanduo

-Vamzdžiai nuotekoms surinkti

-Sodo baldai

-Grilis namų saugumui

Jis taip pat naudojamas gaminant buities rakandus, tokius kaip puodai, keptuvės, peiliai, šakutės. Be to, jis naudojamas šaldytuvų, viryklių, skalbimo mašinų, indaplovių, trintuvų, orkaitių, skrudintuvų gamyboje.

Trumpai tariant, geležies yra visuose objektuose, kurie supa žmogų.

Nanodalelės

Metalinė geležis taip pat ruošiama kaip nanodalelės, kurios yra labai reaktyvios ir išlaiko makroskopinės kietosios medžiagos magnetines savybes.

Šios Fe sferos (ir daugybė jų papildomų morfologijų) yra naudojamos valyti vandeninius organinio chloro junginių vandenis ir kaip narkotikų nešiotojai, tiekiami tam tikroms kūno vietoms, naudojant magnetinį lauką.

Jie taip pat gali tarnauti kaip katalizinės atramos reakcijose, kuriose nutrūksta anglies jungtys, CC.

-Ironų junginiai

Oksidai

Juodųjų metalų oksidas FeO naudojamas kaip kristalų pigmentas. Geležies oksidas Fe ₂ O ₃ yra pagrindas daugeliui pigmentų, pradedant nuo geltonos ir raudonos, vadinamu Venecijos raudonuoju. Tauriųjų metalų ir deimantų poliravimui naudojama raudona forma, vadinama rouge.

Geležies geležies oksidas, Fe ₃ O ₄ , naudojamas ferituose - medžiagose, turinčiose didelę magnetinę prieinamumą ir elektrinę varžą, naudojamose tam tikrose kompiuterio atmintyse ir dengiant magnetines juostas. Jis taip pat buvo naudojamas kaip pigmentas ir poliravimo priemonė.

Sulfatai

Juodųjų metalų sulfato heptahidratas, FeSO ₄ · 7H ₂ O, yra labiausiai paplitusi geležies sulfato forma, vadinama žaliu vitrioliu arba koppera. Jis naudojamas kaip reduktorius, gaminant rašalą, trąšas ir pesticidus. Jis taip pat naudojamas geležies galvanizavimui.

Geležies sulfatas Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ naudojamas geležies alumui ir kitiems geležies junginiams gauti. Jis naudojamas kaip koaguliantas valant nuotekas ir kaip dažiklis tekstilės gaminiams dažyti.

Chloridai

Spalvotųjų chloridas, FECL ₂ , yra naudojamas kaip kandiko ir redukuojančiu agentu. Tuo tarpu geležies chloridas FeCl ₃ naudojamas kaip metalų (sidabro ir vario) ir kai kurių organinių junginių chlorinimo agentas.

Apdorojant Fe ³⁺ heksocianoferrato jonu ^-4, gaunami mėlyni nuosėdos, vadinami Prūsų mėlynaisiais, naudojami dažuose ir lakuose.

Geležies maistas

Moliuskai yra turtingas geležies maisto šaltinis. Šaltinis: Pxhere.

Paprastai rekomenduojama vartoti 18 mg geležies per parą. Tarp maisto produktų, kurie jį teikia dienos racione, yra šie:

Korpusai suteikia geležies hemo pavidalu, todėl žarnyne jos absorbcija neslopinama. Moliuskas suteikia iki 28 mg geležies 100 g jo; todėl šio moliusko kiekio pakaktų patenkinti kasdienį geležies poreikį.

Špinatuose 100 g yra 3,6 mg geležies. Jautienos organų mėsoje, pavyzdžiui, veršienos kepenyse, 100 g yra 6,5 ​​mg geležies. Tikėtina, kad kraujo dešros indėlis bus šiek tiek didesnis. Kraujo dešrą sudaro plonosios žarnos dalys, įdarytos jautienos krauju.

Ankštiniuose, pavyzdžiui, lęšiuose, 198 g yra 6,6 mg geležies. Raudonojoje mėsoje 100 g yra 2,7 mg geležies. Moliūgų sėklose yra 4,2 mg 28 g. Kvinojoje yra 2,8 mg geležies 185 g. Tamsios kalakutienos mėsos 100 g yra 2,3 mg. Brokoliuose yra 2,3 mg per 156 mg.

Tofu 126 g yra 3,6 mg. Tuo tarpu 28 g juodojo šokolado yra 3,3 mg.

Biologinis vaidmuo

Funkcijų, kurias atlieka geležis, ypač gyvų stuburinių būtybių, yra nesuskaičiuojama daugybė. Manoma, kad daugiau nei 300 fermentų savo funkcijai reikia geležies. Tarp fermentų ir baltymų, kurie jį naudoja, yra įvardijami šie produktai:

- Baltymai, turintys hemo grupę ir neturintys fermentinio aktyvumo: hemoglobinas, mioglobinas ir neuroglobinas.

- Fermentai, kurių hemo grupė dalyvauja elektronų pernešime: a, b ir f citochromai ir citochromo oksidazės ir (arba) oksidazės aktyvumas; sulfito oksidazė, citochromo P450 oksidazė, mieloperoksidazė, peroksidazė, katalazė ir kt.

- Baltymai, turintys geležies sieros, susiję su oksireduktazės veikla, dalyvaujantys energijos gamyboje: sukcinato dehidrogenazė, izocitratinė dehidrogenazė ir akonitazė, arba fermentai, susiję su DNR replikacija ir taisymu: DNR polimerazė ir DNR heliklazės.

-Nemheeminiai fermentai, kurie kaip katalizinio aktyvumo kofaktorių naudoja geležį: fenilalanino hidrolazė, tirozino hidrolazė, triptofano hidrolazė ir lizino hidrolazė.

-Neeminiai baltymai, atsakingi už geležies transportavimą ir laikymą: feritinas, transferinas, haptoglobinas ir kt.

Pavojai

Toksiškumas

Geležies pertekliaus pavojus gali būti ūmus arba lėtinis. Viena ūmaus apsinuodijimo geležimi priežastis gali būti per didelis geležies tablečių vartojimas gliukonato, fumarato pavidalu ir kt.

Geležis gali sudirginti žarnyno gleivinę, kurios diskomfortas pasireiškia iškart nurijus ir išnyksta po 6–12 valandų. Absorbuota geležis nusėda skirtinguose organuose. Šis kaupimasis gali sukelti medžiagų apykaitos sutrikimus.

Jei nurytas geležies kiekis yra toksiškas, tai gali sukelti žarnyno perforaciją su peritonitu.

Širdies ir kraujagyslių sistemoje jis sukelia hipovolemiją, kurią gali sukelti kraujavimas iš virškinimo trakto ir geležies išskiriamos vazoaktyvios medžiagos, tokios kaip serotoninas ir histaminas. Galų gale gali atsirasti masinė kepenų nekrozė ir kepenų nepakankamumas.

Hemochromatozė

Hemochromatozė yra paveldima liga, pasireiškianti organizmo geležies reguliavimo mechanizmo pakitimu, pasireiškiančiu padidėjusia geležies koncentracija kraujyje ir jos kaupimuisi skirtinguose organuose; įskaitant kepenis, širdį ir kasą.

Pradiniai ligos simptomai yra šie: sąnarių skausmas, pilvo skausmas, nuovargis ir silpnumas. Su šiais simptomais ir vėlesniais ligos požymiais: diabetu, lytinio potraukio praradimu, impotencija, širdies ir kepenų nepakankamumu.

Hemosiderozė

Kaip rodo jo pavadinimas, hemosiderozei būdingas hemosiderino kaupimasis audiniuose. Tai nepažeidžia audinių, tačiau gali išsivystyti į pažeidimus, panašius į tuos, kurie pastebimi hemochromatozijoje.

Hemosiderozę gali sukelti šios priežastys: padidėjęs geležies pasisavinimas iš dietos, hemolizinė anemija, išskirianti geležį iš raudonųjų kraujo kūnelių, ir per didelis kraujo perpylimas.

Hemosiderozė ir hemochromatozė gali kilti dėl netinkamo hormono hepcidino, hormono, kurį išskiria kepenys, veikimo reguliuojant organizmo geležį, veikimo.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Visi geležies tipai: tipai, tankis, panaudojimas ir faktai. Tyrimas. Atgauta iš: study.com
3. Jayanti S. (antrasis). Geležies allotropija: Termodinamika ir kristalų struktūros. Metalurgija. Atkurta iš: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018 m.). Geležies nano galia. Atkurta iš: nanoshel.com
5. Vikipedija. (2019 m.). Geležies. Atkurta iš: en.wikipedia.org
6. Šropšyro istorija. (sf). Geležies savybės. Atkurta iš: shropshirehistory.com
7. Dr Dough Stewart. (2019 m.). Geležies elemento faktai. Atkurta iš: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018 m. Liepos 18 d.). 11 sveiko maisto, kuriame gausu geležies. Atgauta iš: healthline.com
9. Lenntech. (2019 m.). Periodinė lentelė: Geležis. Atkurta iš: lenntech.com
10. Enciklopedijos „Britannica“ redaktoriai. (2019 m. Birželio 13 d.). Geležies. „Encyclopædia Britannica“. Atkurta iš: britannica.com