JERN (ELEMENT): EGENSKABER, KEMISK STRUKTUR, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den jern er et overgangsmetal, der tilhører gruppe 8 eller VIIIB i det periodiske system og repræsenteret ved den kemiske symbol Fe. Er en metal grå, duktilt, plastisk og høj styrke, der anvendes i talrige anvendelser nyttige til mand og samfundet.

Det udgør 5% af jordskorpen, og det er også det næststørste metal efter aluminium. Desuden overskrides dens overflod med ilt og silicium. Med hensyn til jordens kerne består 35% af den imidlertid af metallisk og flydende jern.

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

Uden for jordens kerne findes jern ikke i metallisk form, da det hurtigt oxideres, når det udsættes for fugtig luft. Det er placeret i basalt klipper, kulstofholdige sedimenter og meteoritter; generelt legeret med nikkel, som i mineralen kamacit.

De vigtigste jern mineraler, der anvendes til minedrift er følgende: hæmatit (ferrioxid, Fe ₂ O ₃), magnetit (ferrosomeric oxid, Fe ₃ O ₄), limonit (hydratiseret jernoxid-hydroxid), og siderit (jerncarbonat, FeCO ₃).

I gennemsnit har mennesket et indhold på 4,5 g jern, hvoraf 65% er i form af hæmoglobin. Dette protein er involveret i transporten af ​​ilt i blodet og i dets distribution til de forskellige væv til dets efterfølgende optagelse af myoglobin og neuroglobin.

På trods af de mange fordele ved jern for mennesker, kan overskydende metal have meget alvorlige toksiske handlinger, især på leveren, det kardiovaskulære system og bugspytkirtlen; sådan er tilfældet med den arvelige sygdom hæmochromatosia.

Jern er synonymt med konstruktion, styrke og krige. På den anden side er det på grund af dets overflod altid et alternativ at overveje, når det kommer til udvikling af nye materialer, katalysatorer, medikamenter eller polymerer; og på trods af den røde farve på dets rust, er det et miljøvenligt metal.

Historie

antikken

Jern er blevet forarbejdet i årtusinder. Det er imidlertid vanskeligt at finde jerngenstande fra sådanne gamle tider på grund af deres modtagelighed for korrodering, hvilket forårsager deres ødelæggelse. De ældste kendte jerngenstande blev lavet af det, der findes i meteoritter.

Dette er tilfældet med en slags perler fremstillet i 3500 f.Kr. fundet i Gerzah, Egypten og en dolk fundet i Tutankhamuns grav. Jernmeteoritter er kendetegnet ved et højt nikkelindhold, så deres oprindelse kunne identificeres i disse genstande.

Bevis for støbejern blev også fundet i Asmar, Mesopotamia og Tail Chagar Bazaar i Syrien fra 3000 til 2700 f.Kr. Selvom jernstøbning begyndte i bronzealderen, tog det århundreder for det at fortrænge bronze.

Derudover blev der fundet støbejernsgjenstander i Indien fra 1800 til 1200 f.Kr. og i Levant omkring 1500 f.Kr. Det menes, at jernalderen begyndte i 1000 f.Kr., da omkostningerne til deres produktion blev reduceret.

Det forekommer i Kina mellem 700 og 500 f.Kr., sandsynligvis transporteret gennem Centralasien. De første jerngenstande blev fundet i Luhe Jiangsu, Kina.

Europa

Smedejern blev produceret i Europa ved hjælp af såkaldte gallesmede. Processen krævede brug af kul som brændstof.

Middelalderens højovne var 3,0 m høje, lavet af brandsikre mursten, og luft blev leveret af manuelle bælge. I 1709 oprettede Abraham Darby en koksovnsovn til fremstilling af smeltet jern og erstattede kul.

Tilgængeligheden af ​​billigt jern var en af ​​de faktorer, der førte til den industrielle revolution. I denne periode begyndte raffinering af svinejern til smedejern, der blev brugt til at bygge broer, skibe, lagre osv.

Stål

Stål bruger en højere kulstofkoncentration end smedejern. Stål blev produceret i Luristan, Persien, i 1000 f.Kr. Nye metoder til produktion af jernstænger uden kul blev udtænkt i den industrielle revolution, som senere blev brugt til at fremstille stål.

I slutningen af ​​1850'erne udtænkte Henry Bessemer blæser luft i smeltet svinejern for at fremstille mildt stål, hvilket gjorde stålproduktionen mere økonomisk. Dette resulterede i et fald i produktionen af ​​smedejern.

Ejendomme

Udseende

Metallisk glans med en grålig skær.

Atomvægt

55.845 u.

Atomnummer (Z)

26

Smeltepunkt

1.533 ºC

Kogepunkt

2.862 ºC

Massefylde

-Amient temperatur: 7.874 g / ml.

-Smeltepunkt (væske): 6.980 g / ml.

Fusionsvarme

13,81 kJ / mol

Fordampningsvarme

340 kJ / mol

Molær kalorikapacitet

25,10 J / (mol K)

Ioniseringsenergi

-Frste ioniseringsniveau: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gasformigt)

-Andre ioniseringsniveau: 1.561,9 kJ / mol (Fe2 ⁺ luftformigt)

-Tredde ioniseringsniveau: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ luftformigt)

elektronegativitet

1.83 på Pauling-skalaen

Atomradio

Empirisk 126 pm

Varmeledningsevne

80,4 W / (mK)

Elektrisk modstand

96,1 Ω · m (ved 20 ºC)

Curie point

770 ° C, ca. Ved denne temperatur er jern ikke længere ferromagnetisk.

isotoper

Stabile isotoper: ⁵⁴ Fe, med en overflod på 5,85%; ⁵⁶ Fe, med en overflod på 91,75%; ⁵⁷ Fe, med en overflod på 2,12%; og ⁵⁷ Fe med en overflod på 0,28%. Da ⁵⁶ Fe er den mest stabile og rigelige isotop, er det ikke overraskende, at atomvægten af ​​jern er meget tæt på 56 u.

Mens de radioaktive isotoper er: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe og ⁶⁰ Fe.

Struktur og elektronisk konfiguration

-Allropes

Jern ved stuetemperatur krystalliserer i den kropscentrerede kubiske struktur (bcc), der også er kendt som α-Fe eller ferrit (inden for metallurgisk jargon). Da det kan adoptere forskellige krystalkonstruktioner som en funktion af temperatur og tryk, siges jern at være et allotropisk metal.

Allotrope bcc er almindeligt jern (ferromagnetisk), det folk kender så godt og tiltrækkes af magneter. Når den opvarmes over 771 ºC, bliver den paramagnetisk, og selvom dens krystal kun udvides, blev denne "nye fase" tidligere betragtet som β-Fe. De andre allotrope jern er også paramagnetiske.

Mellem 910 ºC og 1.394 ºC findes jern som austenit eller γ-Fe-allotrope, hvis struktur er ansigtcentreret kubik, fcc. Omdannelsen mellem austenit og ferrit har stor indflydelse på stålfremstilling; da carbonatomer er mere opløselige i austenit end i ferrit.

Og derefter, over 1394 ºC, indtil dets smeltepunkt (1538 ºC), vender jernet tilbage til at indtage bcc-strukturen, δ-Fe; men i modsætning til ferrit er denne allotrope paramagnetisk.

Epsilon-jern

Ved at øge trykket til 10 GPa ved en temperatur på nogle få hundrede grader celsius udvikler a- eller ferritallotroppen sig til ε-allotropen, epsilon, kendetegnet ved krystallisering i en kompakt hexagonal struktur; det vil sige med de mest kompakte Fe-atomer. Dette er den fjerde allotrope form af jern.

Nogle studier teoretiserer om den mulige eksistens af andre allotrope jern under sådanne tryk, men ved endnu højere temperaturer.

-Metalt link

Uanset jernallotroppen og temperaturen, der "ryster" dens Fe-atomer, eller trykket, der komprimerer dem, interagerer de med hinanden med de samme valenselektroner; Disse er dem, der er vist i deres elektroniske konfiguration:

3d ⁶ 4s ²

Derfor er der otte elektroner, der deltager i den metalliske binding, uanset om den er svækket eller styrket under allotropiske overgange. Ligeledes er det disse otte elektroner, der definerer egenskaber ved jern, såsom dets termiske eller elektriske ledningsevne.

-Oxidationsnumre

De vigtigste (og almindelige) oxidationsnumre for jern er +2 (Fe ²⁺) og +3 (Fe ³⁺). Faktisk betragter den konventionelle nomenklatur kun disse to tal eller tilstande. Der er imidlertid forbindelser, hvor jern kan vinde eller miste et andet antal elektroner; det vil sige, antages eksistensen af ​​andre kationer.

For eksempel kan jern også have oxidationstal på +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), +6 (Fe ⁶⁺) og +7 (Fe ^{7) +}). Den anioniske ferratart, FeO ₄ ^2-, har jern med et oxidationsnummer på +6, da de fire oxygenatomer har oxideret det i en sådan grad.

På samme måde kan jern have negative oxidationsnumre; såsom: -4 (Fe ^4-), -2 (Fe ^2-) og -1 (Fe ^-). Forbindelser med jerncentre med disse elektrongevinster er imidlertid meget sjældne. Derfor skaber sidstnævnte meget mere stabile forbindelser med sit interval af oxidationstilstande, selv om det overgår mangan i denne henseende.

Resultatet af praktiske formål er det nok at overveje Fe ²⁺ eller Fe ³⁺; de andre kationer er forbeholdt noget specifikke ioner eller forbindelser.

Hvordan opnås det?

Stålpynt, den vigtigste legering af jern. Kilde: Pxhere.

Indsamling af råvarer

Vi skal gå videre til placeringen af ​​malmene for de mest passende mineraler til minedrift af jern. Mineralerne mest anvendt til at opnå det er følgende: hæmatit (Fe ₂ O ₃), magnetit (Fe ₃ O ₄), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) og siderit (FeCO ₃).

Så er det første trin i ekstraktionen at opsamle klipperne med jernmalm. Disse klipper knuses for at opdele dem i små stykker. Efterfølgende er der en fase med udvælgelse af fragmenterne af klipperne med jernmalm.

To strategier følges i udvælgelsen: brug af magnetfelt og sedimentation i vand. Bergfragmenterne udsættes for et magnetfelt, og mineralfragmenterne er orienteret i det, således at de kan adskilles.

I den anden metode bliver de stenede fragmenter dumpet i vandet, og de, der indeholder jern, fordi de er tungere, sætter sig ved bunden af ​​vandet, hvilket efterlader ganguen i den øverste del af vandet, fordi det er lettere.

Højovn

Højovn, hvor stål produceres. Kilde: Pixabay.

Jernmalmene transporteres til højovne, hvor de dumpes sammen med kokskul, der har rollen som brændstof- og kulstofleverandør. Derudover tilføjes kalksten eller kalksten, der udfører fluxens funktion.

Højovnen, med den foregående blanding, indsprøjtes varm luft ved en temperatur på 1.000 ºC. Jern smeltes ved forbrænding af kul, der bringer temperaturen til 1.800 ºC. Når den først er flydende, kaldes det svinejern, der ophobes i bunden af ​​ovnen.

Svinejern fjernes fra ovnen og hældes i containere, der skal transporteres til en ny støberi; mens slaggen, en urenhed, der er placeret på overfladen af ​​råjernet, kasseres.

Svinejern hældes ved hjælp af øser i en konverterovn sammen med kalksten som flux, og ilt introduceres ved høje temperaturer. Kulstofindholdet reduceres således ved at raffinere svinejernet og omdanne det til stål.

Derefter føres stålet gennem elektriske ovne til produktion af specialstål.

Applikationer

-Metaljern

Jernbro i England, en af ​​de mange konstruktioner, der er lavet med jern eller dets legeringer. Kilde: Ingen maskinlæsbar forfatter leveret. Jasonjsmith antog (baseret på ophavsretskrav).

Fordi det er et billigt, formbart, duktilt metal, der er blevet modstandsdygtigt over for korrosion, er det blevet det mest nyttige metal for mennesker, under dets forskellige former: smedt, støbt og stål af forskellige typer.

Jern bruges til konstruktion af:

-Bridges

-Grundlag til bygninger

-Døre og vinduer

-Bådskrog

- Forskellige værktøjer

-Rør til drikkevand

-Rør til opsamling af spildevand

-Møbler til haven

-Grille til sikkerhed i hjemmet

Det bruges også til produktion af husholdningsredskaber, såsom gryder, pander, knive, gafler. Derudover bruges det til fremstilling af køleskabe, komfurer, vaskemaskiner, opvaskemaskiner, blendere, ovne, brødristere.

Kort sagt, jern er til stede i alle genstande, der omgiver mennesket.

Nanopartikler

Metallisk jern fremstilles også som nanopartikler, som er stærkt reaktive og bevarer de magnetiske egenskaber af det makroskopiske faste stof.

Disse sfærer af Fe (og deres flere yderligere morfologier) bruges til at rense vand af organochlorforbindelser og som medikamentbærere leveret til udvalgte områder af kroppen gennem anvendelse af et magnetfelt.

De kan også tjene som katalytiske bærere i reaktioner, hvor carbonbindinger, CC, er brudt.

-Jernforbindelser

Oxider

Jernoxid, FeO, bruges som pigment til krystaller. Ferrioxid, Fe ₂ O ₃, er grundlaget for en række pigmenter spænder fra gul til rød, kendt som venetiansk rød. Den røde form, kaldet rouge, bruges til polering af ædelmetaller og diamanter.

Ferro-ferrioxid, Fe ₃ O ₄, anvendes i ferritter, stoffer med høj magnetisk tilgængelighed og elektrisk resistivitet, anvendelige i visse computerhukommelser og i overtrækket på magnetbånd. Det er også blevet brugt som pigment og poleringsmiddel.

sulfater

Ferrosulfatheptahydrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, er den mest almindelige form for ferrosulfat, kendt som grøn vitriol eller coppera. Det bruges som reduktionsmiddel og til fremstilling af trykfarver, gødning og pesticider. Det finder også anvendelse i galvanisering af jern.

Ferrisulfat, Fe ₂ (SO ₄) ₃, anvendes til opnåelse af jern alun og andre ferriforbindelser. Det tjener som en koagulant til rensning af spildevand og som en mordant ved farvning af tekstiler.

Chlorider

Ferrochlorid, FeCl ₂, anvendes som bejdsemiddel og reduktionsmiddel. I mellemtiden, ferrichlorid, FeCl ₃, anvendes som et chloreringsmiddel til metaller (sølv og kobber) og nogle organiske forbindelser.

Behandling af Fe ³⁺ med hexocyanoferration ^-4 producerer et blåt bundfald, kaldet Preussisk blåt, brugt i maling og lakker.

Jern mad

Muslinger er en rig fødekilde af jern. Kilde: Pxhere.

Generelt anbefales et jernindtag på 18 mg / dag. Blandt de fødevarer, der leverer det i den daglige diæt, er følgende:

Skaldyr giver jern i hæmeform, så der er ingen hæmning i tarmabsorptionen af ​​det. Muslingen leverer op til 28 mg jern pr. 100 g af det; derfor ville denne mængde musling være nok til at levere det daglige behov for jern.

Spinat indeholder 3,6 mg jern pr. 100 g. Oksekød, f.eks. Kalvekød lever, indeholder 6,5 mg jern pr. 100 g. Bidraget med blodpølse vil sandsynligvis være noget højere. Blodpølse består af dele af tyndtarmen, fyldt med okseblod.

Bælgfrugter, såsom linser, indeholder 6,6 mg jern pr. 198 g. Rødt kød indeholder 2,7 mg jern pr. 100 g. Græskarfrø indeholder 4,2 mg pr. 28 g. Quinoa indeholder 2,8 mg jern pr. 185 g. Det mørke kød af kalkun indeholder 2,3 mg pr. 100 g. Broccoli indeholder 2,3 mg pr. 156 mg.

Tofu indeholder 3,6 mg pr. 126 g. I mellemtiden indeholder mørk chokolade 3,3 mg pr. 28 g.

Biologisk rolle

De funktioner, som jern udfører, især i levende hvirveldyr, er utallige. Det estimeres, at mere end 300 enzymer kræver jern til deres funktion. Blandt de enzymer og proteiner, der bruger det, kaldes følgende:

-Proteiner, der har hemmegruppen og ikke har enzymatisk aktivitet: hæmoglobin, myoglobin og neuroglobin.

-Enzymer med den hemmegruppe, der er involveret i elektrontransport: cytokromer a, b og f, og cytochromoxidaser og / eller oxidaseaktivitet; sulfitoxidase, cytochrome P450 oxidase, myeloperoxidase, peroxidase, katalase osv.

-Proteiner, der indeholder jern-svovl, relateret til oxyreductase-aktiviteter, der er involveret i energiproduktion: succinat-dehydrogenase, isocitrat-dehydrogenase og aconitase, eller enzymer involveret i DNA-replikation og -reparation: DNA-polymerase og DNA-heliklaser.

-No-heme-enzymer, der bruger jern som en cofaktor til deres katalytiske aktivitet: phenylalaninhydrolase, tyrosin hydrolase, tryptophan hydrolase og lysin hydrolase.

-Hemmeproteiner, der er ansvarlige for transport og opbevaring af jern: ferritin, transferrin, haptoglobin osv.

Risici

Toksicitet

Risici ved udsættelse for overskydende jern kan være akutte eller kroniske. En af årsagerne til akut jernforgiftning kan være overdreven indtagelse af jerntabletter i form af gluconat, fumarat osv.

Jern kan forårsage irritation i tarmslimhinden, hvilket ubehag manifesteres umiddelbart efter indtagelse og forsvinder efter 6 til 12 timer. Det absorberede jern afsættes i forskellige organer. Denne ophobning kan forårsage metaboliske forstyrrelser.

Hvis mængden af ​​indtaget jern er giftig, kan det forårsage tarmperforering med peritonitis.

I det kardiovaskulære system producerer det hypovolæmi, der kan være forårsaget af gastrointestinal blødning, og frigivelse af jern af vasoaktive stoffer, såsom serotonin og histamin. I sidste ende kan massiv nekrose i leveren og leversvigt forekomme.

Hemochromatosia

Hemochromatosia er en arvelig sygdom, der udgør en ændring i kroppens jernreguleringsmekanisme, som manifesteres i en stigning i blodkoncentrationen af ​​jern og dets akkumulering i forskellige organer; inklusive leveren, hjertet og bugspytkirtlen.

De første symptomer på sygdommen er følgende: ledsmerten, mavesmerter, træthed og svaghed. Med følgende symptomer og efterfølgende tegn på sygdommen: diabetes, tab af seksuel lyst, impotens, hjertesvigt og leversvigt.

hemosiderosis

Hæmosiderose er, som navnet antyder, kendetegnet ved ophobning af hæmosiderin i vævene. Dette forårsager ikke vævsskade, men det kan udvikle sig til skader svarende til det, der ses ved hæmochromatosia.

Hæmosiderose kan være forårsaget af følgende årsager: øget absorption af jern fra kosten, hæmolytisk anæmi, der frigiver jern fra røde blodlegemer, og overdreven blodtransfusioner.

Hæmosiderose og hæmochromatosia kan skyldes en utilstrækkelig funktion af hormonet hepcidin, et hormon, der udskilles af leveren, der er involveret i reguleringen af ​​kropsjern.

Referencer

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kemi. (Fjerde udgave). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes af jern: Typer, densitet, anvendelser og fakta. Undersøgelse. Gendannes fra: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropi af jern: termodynamik og krystalkonstruktioner. Metallurgi. Gendannes fra: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Jern nano magt. Gendannes fra: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Jern. Gendannet fra: en.wikipedia.org
6. Shropshire historie. (Sf). Jernegenskaber. Gendannes fra: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Jernelement fakta. Gendannes fra: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18. juli). 11 sunde fødevarer rige på jern. Gendannes fra: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodisk tabel: Jern. Gendannes fra: lenntech.com
10. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (13. juni 2019). Jern. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com