Żelazo jest dobrze znanym pierwiastkiem chemicznym. Należy do metali o średniej reaktywności. W tym artykule rozważymy właściwości i zastosowanie żelaza.
Rozpowszechnienie w przyrodzie
Istnieje dość duża liczba minerałów zawierających żelazo. Przede wszystkim jest to magnetyt. To siedemdziesiąt dwa procent żelaza. Jego wzór chemiczny to Fe3O4. Ten minerał jest również nazywany magnetyczną rudą żelaza. Ma kolor jasnoszary, czasem ciemnoszary, aż do czarnego, z metalicznym połyskiem. Jego największe złoże wśród krajów WNP znajduje się na Uralu.
Następnym minerałem o wysokiej zawartości żelaza jest hematyt - składa się on w 70 procentach z tego pierwiastka. Jego wzór chemiczny to Fe2O3. Nazywana jest również czerwoną rudą żelaza. Ma kolor od czerwono-brązowego do czerwono-szarego. Największy depozyt na terytorium krajów WNP znajduje się w Krzywym Rogu.
Trzecim minerałem pod względem zawartości żelaza jest limonit. Tutaj żelazo stanowi sześćdziesiąt procent całkowitej masy. Jest to krystaliczny hydrat, czyli cząsteczki wody wplecione w jego sieć krystaliczną,jego wzór chemiczny to Fe2O3•H2O. Jak sama nazwa wskazuje, minerał ten ma barwę żółto-brązową, czasami brązową. Jest jednym z głównych składników naturalnej ochry i jest używany jako pigment. Nazywany jest również brązowym żelaznym kamieniem. Największe zdarzenia to Krym, Ural.
W syderycie, tak zwana ruda żelaza, czterdzieści osiem procent żelaza. Jego wzór chemiczny to FeCO3. Jego struktura jest niejednorodna i składa się z połączonych ze sobą kryształów o różnych kolorach: szarym, jasnozielonym, szaro-żółtym, brązowo-żółtym itp.
Ostatnim naturalnie występującym minerałem o wysokiej zawartości żelaza jest piryt. Ma następujący wzór chemiczny: FeS2. Żelazo w nim zawiera czterdzieści sześć procent całkowitej masy. Dzięki atomom siarki minerał ten ma złocistożółty kolor.
Wiele z rozważanych minerałów jest używanych do uzyskania czystego żelaza. Ponadto hematyt wykorzystywany jest do produkcji biżuterii z kamieni naturalnych. Inkluzje pirytu można znaleźć w biżuterii z lapis lazuli. Ponadto żelazo znajduje się w przyrodzie w składzie żywych organizmów – jest jednym z najważniejszych składników komórki. Ten pierwiastek śladowy musi być dostarczany organizmowi ludzkiemu w wystarczających ilościach. Lecznicze właściwości żelaza wynikają w dużej mierze z faktu, że ten pierwiastek chemiczny jest podstawą hemoglobiny. Dlatego stosowanie żelaza ma dobry wpływ na stan krwi, a co za tym idzie całego organizmu.
Żelazo: właściwości fizyczne i chemiczne
Rozważmy kolejno te dwie duże sekcje. Fizycznymi właściwościami żelaza są jego wygląd, gęstość, temperatura topnienia itp. To znaczy wszystkie cechy wyróżniające substancję, które są związane z fizyką. Właściwości chemiczne żelaza to jego zdolność do reagowania z innymi związkami. Zacznijmy od pierwszego.
Właściwości fizyczne żelaza
W swojej czystej postaci w normalnych warunkach jest ciałem stałym. Ma srebrzysto-szary kolor i wyraźny metaliczny połysk. Właściwości mechaniczne żelaza obejmują poziom twardości w skali Mohsa. Jest równy czterem (średnim). Żelazo ma dobrą przewodność elektryczną i cieplną. Ostatnią cechę można wyczuć dotykając żelaznego przedmiotu w chłodni. Ponieważ ten materiał szybko przewodzi ciepło, pochłania większość ciepła ze skóry w krótkim czasie, powodując uczucie zimna.
Dotykając np. drzewa, można zauważyć, że jego przewodność cieplna jest znacznie niższa. Właściwości fizyczne żelaza to jego temperatury topnienia i wrzenia. Pierwszy to 1539 stopni Celsjusza, drugi to 2860 stopni Celsjusza. Można stwierdzić, że charakterystycznymi właściwościami żelaza są dobra ciągliwość i topliwość. Ale to nie wszystko.
Ponadto właściwości fizyczne żelaza obejmują jego ferromagnetyzm. Co to jest? Żelazo, którego właściwości magnetyczne w praktycznych przykładach możemy zaobserwować na co dzień, jest jedynym metalem, który ma takie właściwościunikalna cecha wyróżniająca. Wynika to z faktu, że materiał ten można namagnesować pod wpływem pola magnetycznego. A po zakończeniu działania tego ostatniego żelazo, którego właściwości magnetyczne właśnie się uformowały, pozostaje magnesem przez długi czas. Zjawisko to można wytłumaczyć faktem, że w strukturze tego metalu znajduje się wiele wolnych elektronów, które mogą się poruszać.
Z punktu widzenia chemii
Ten pierwiastek należy do metali o średniej aktywności. Ale właściwości chemiczne żelaza są typowe dla wszystkich innych metali (z wyjątkiem tych, które znajdują się na prawo od wodoru w szeregu elektrochemicznym). Jest zdolny do reagowania z wieloma klasami substancji.
Rozpocznij proste
Ferrum oddziałuje z tlenem, azotem, halogenami (jod, brom, chlor, fluor), fosforem, węglem. Pierwszą rzeczą do rozważenia są reakcje z tlenem. Podczas spalania żelaza powstają jego tlenki. W zależności od warunków reakcji i proporcji między dwoma uczestnikami można je zmieniać. Jako przykład takich oddziaływań można podać następujące równania reakcji: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. A właściwości tlenku żelaza (zarówno fizyczne, jak i chemiczne) mogą się zmieniać w zależności od jego odmiany. Tego rodzaju reakcje zachodzą w wysokich temperaturach.
Dalej - interakcja z azotem. Może się też zdarzyć tylkopodlega nagrzewaniu. Jeśli weźmiemy sześć moli żelaza i jeden mol azotu, otrzymamy dwa mole azotku żelaza. Równanie reakcji będzie wyglądać tak: 6Fe + N2=2Fe3N.
Podczas interakcji z fosforem powstaje fosforek. Do przeprowadzenia reakcji potrzebne są następujące składniki: dla trzech moli żelaza - jeden mol fosforu, w wyniku czego powstaje jeden mol fosforku. Równanie można zapisać w następujący sposób: 3Fe + P=Fe3P.
Ponadto wśród reakcji z prostymi substancjami można również wyróżnić oddziaływanie z siarką. W takim przypadku można otrzymać siarczek. Zasada, według której zachodzi proces powstawania tej substancji, jest podobna do opisanej powyżej. Mianowicie zachodzi reakcja addycji. Wszystkie tego rodzaju oddziaływania chemiczne wymagają specjalnych warunków, głównie wysokich temperatur, rzadziej katalizatorów.
Reakcje między żelazem a halogenami są również powszechne w przemyśle chemicznym. Są to chlorowanie, bromowanie, jodowanie, fluorowanie. Jak wynika z nazw samych reakcji, jest to proces dodawania atomów chloru / bromu / jodu / fluoru do atomów żelaza w celu utworzenia odpowiednio chlorku / bromku / jodku / fluorku. Substancje te znajdują szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Ponadto żelazo może łączyć się z krzemem w wysokich temperaturach. Ze względu na różnorodne właściwości chemiczne żelazo jest często wykorzystywane w przemyśle chemicznym.
Ferrum i substancje złożone
Od prostych substancji przejdźmy do tych, których cząsteczki składają się z dwóch lub więcejróżne pierwiastki chemiczne. Pierwszą rzeczą, o której należy wspomnieć, jest reakcja żelaza z wodą. Oto główne właściwości żelaza. Kiedy woda jest podgrzewana razem z żelazem, powstaje zasadowy tlenek (nazywa się to tak, ponieważ wchodząc w interakcje z tą samą wodą, tworzy wodorotlenek, innymi słowy zasadę). Tak więc, jeśli weźmiesz jeden mol obu składników, substancje takie jak dwutlenek żelaza i wodór tworzą się w postaci gazu o ostrym zapachu - również w proporcjach molowych jeden do jednego. Równanie tego rodzaju reakcji można zapisać w następujący sposób: Fe + H2O=FeO + H2. W zależności od proporcji, w jakich te dwa składniki są zmieszane, można otrzymać dwu- lub trójtlenek żelaza. Obie te substancje są bardzo powszechne w przemyśle chemicznym i są również stosowane w wielu innych gałęziach przemysłu.
Z kwasami i solami
Ponieważ żelazo znajduje się na lewo od wodoru w elektrochemicznej serii aktywności metali, jest w stanie wyprzeć ten pierwiastek ze związków. Przykładem tego jest reakcja podstawienia, którą można zaobserwować po dodaniu żelaza do kwasu. Na przykład, jeśli zmieszasz żelazo i kwas siarczanowy (inaczej kwas siarkowy) o średnim stężeniu w tych samych proporcjach molowych, wynikiem będzie siarczan żelazawy (II) i wodór w tych samych proporcjach molowych. Równanie dla takiej reakcji wyglądałoby tak: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
Podczas interakcji z solami pojawiają się redukujące właściwości żelaza. Oznacza to, że za jego pomocą można wyizolować mniej aktywny metal z soli. Na przykład, jeśliweź jeden mol siarczanu miedzi i taką samą ilość żelaza, wtedy możesz otrzymać siarczan żelaza (II) i czystą miedź w tych samych proporcjach molowych.
Wartość dla ciała
Jednym z najczęstszych pierwiastków chemicznych w skorupie ziemskiej jest żelazo. Rozważaliśmy już właściwości materii, teraz podejdziemy do tego z biologicznego punktu widzenia. Ferrum pełni bardzo ważne funkcje zarówno na poziomie komórkowym, jak i całego organizmu. Przede wszystkim żelazo jest podstawą takiego białka jak hemoglobina. Jest niezbędny do transportu tlenu przez krew z płuc do wszystkich tkanek, narządów, do każdej komórki ciała, przede wszystkim do neuronów mózgu. Dlatego też dobroczynne właściwości żelaza są nie do przecenienia.
Poza tym, że wpływa na tworzenie krwi, żelazo jest również ważne dla pełnego funkcjonowania tarczycy (wymaga to nie tylko jodu, jak sądzą niektórzy). Żelazo bierze również udział w metabolizmie wewnątrzkomórkowym, reguluje odporność. Ferrum występuje również w szczególnie dużych ilościach w komórkach wątroby, ponieważ pomaga neutralizować szkodliwe substancje. Jest także jednym z głównych składników wielu rodzajów enzymów w naszym organizmie. Codzienna dieta człowieka powinna zawierać od dziesięciu do dwudziestu miligramów tego pierwiastka śladowego.
Żywność bogata w żelazo
Jest ich wiele. Są pochodzenia zarówno roślinnego, jak i zwierzęcego. Pierwsze to zboża, rośliny strączkowe, zboża (zwłaszcza gryka), jabłka, grzyby (borowiki), suszone owoce, owoce dzikiej róży, gruszki, brzoskwinie,awokado, dynia, migdały, daktyle, pomidory, brokuły, kapusta, jagody, jeżyny, seler itp. Drugi - wątróbka, mięso. Stosowanie pokarmów bogatych w żelazo jest szczególnie ważne w czasie ciąży, ponieważ organizm rozwijającego się płodu wymaga dużej ilości tego pierwiastka śladowego do prawidłowego wzrostu i rozwoju.
Oznaki niedoboru żelaza
Objawy zbyt małej ilości żelaza dostającego się do organizmu to zmęczenie, ciągłe zamrażanie rąk i stóp, depresja, łamliwość włosów i paznokci, obniżona aktywność intelektualna, zaburzenia trawienia, niska wydajność i zaburzenia tarczycy. Jeśli zauważysz więcej niż jeden z tych objawów, możesz chcieć zwiększyć ilość pokarmów bogatych w żelazo w swojej diecie lub kupić witaminy lub suplementy zawierające żelazo. Pamiętaj również, aby skontaktować się z lekarzem, jeśli którykolwiek z tych objawów jest zbyt silny.
Wykorzystanie żelaza w przemyśle
Zastosowania i właściwości żelaza są ze sobą ściśle powiązane. Ze względu na swój ferromagnetyzm służy do wytwarzania magnesów - zarówno słabszych do celów domowych (pamiątkowe magnesy na lodówkę itp.), jak i mocniejszych - do celów przemysłowych. Ze względu na fakt, że przedmiotowy metal ma wysoką wytrzymałość i twardość, był używany od czasów starożytnych do produkcji broni, zbroi i innych narzędzi wojskowych i domowych. Nawiasem mówiąc, nawet w starożytnym Egipcie znane było żelazo meteorytowe o właściwościachktóre przewyższają te ze zwykłego metalu. Również takie specjalne żelazo było używane w starożytnym Rzymie. Zrobili z niego elitarną broń. Tylko bardzo bogata i szlachetna osoba mogła mieć tarczę lub miecz z meteorytu.
Ogólnie rzecz biorąc, metal, który rozważamy w tym artykule, jest najbardziej wszechstronnym spośród wszystkich substancji z tej grupy. Przede wszystkim produkuje się z niego stal i żeliwo, z których wytwarza się wszelkiego rodzaju produkty niezbędne zarówno w przemyśle, jak i w życiu codziennym.
Żeliwo to stop żelaza i węgla, w którym drugi występuje od 1,7 do 4,5 procent. Jeśli drugi jest mniejszy niż 1,7 procent, to ten rodzaj stopu nazywa się stalą. Jeśli w składzie jest około 0,02% węgla, to jest to już zwykłe techniczne żelazo. Obecność węgla w stopie jest konieczna, aby nadać mu większą wytrzymałość, odporność na ciepło i rdzę.
Ponadto stal może zawierać wiele innych pierwiastków chemicznych jako zanieczyszczenia. To mangan, fosfor i krzem. Ponadto do tego rodzaju stopu można dodać chrom, nikiel, molibden, wolfram i wiele innych pierwiastków chemicznych, aby nadać mu określone właściwości. Jako stale transformatorowe stosuje się rodzaje stali, w których występuje duża ilość krzemu (około 4 procent). Te zawierające dużo manganu (do dwunastu lub czternastu procent) znajdują zastosowanie w produkcji częścikoleje, młyny, kruszarki i inne narzędzia, które szybko zużywają się części.
Molibden jest wprowadzany do składu stopu, aby uczynić go bardziej stabilnym termicznie - takie stale są używane jako stale narzędziowe. Ponadto, aby uzyskać znane i powszechnie stosowane stale nierdzewne w postaci noży i innych narzędzi gospodarstwa domowego, konieczne jest dodanie do stopu chromu, niklu i tytanu. Aby uzyskać odporną na wstrząsy, wysokowytrzymałą, ciągliwą stal, wystarczy dodać do niej wanad. Po wprowadzeniu do składu niobu możliwe jest osiągnięcie wysokiej odporności na korozję i działanie chemicznie agresywnych substancji.
Mineralny magnetyt, o którym mowa na początku artykułu, jest potrzebny do produkcji dysków twardych, kart pamięci i innych tego typu urządzeń. Ze względu na swoje właściwości magnetyczne, żelazo można znaleźć w konstrukcji transformatorów, silników, produktów elektronicznych itp. Ponadto żelazo można dodawać do innych stopów metali, aby nadać im większą wytrzymałość i stabilność mechaniczną. Siarczan tego pierwiastka jest stosowany w ogrodnictwie do zwalczania szkodników (wraz z siarczanem miedzi).
Chlorki żelaza są niezbędne do oczyszczania wody. Ponadto proszek magnetytowy jest używany w drukarkach czarno-białych. Głównym zastosowaniem pirytu jest pozyskiwanie z niego kwasu siarkowego. Proces ten przebiega w laboratorium w trzech etapach. W pierwszym etapie piryt żelaza jest spalany w celu wytworzenia tlenku żelaza i dwutlenku siarki. Drugim krokiem jest konwersja dwutlenkusiarka do jej trójtlenku z udziałem tlenu. W końcowym etapie uzyskana substancja jest przepuszczana przez parę wodną w obecności katalizatorów, uzyskując w ten sposób kwas siarkowy.
Zdobywanie żelaza
Ten metal jest wydobywany głównie z dwóch głównych minerałów: magnetytu i hematytu. Odbywa się to poprzez redukcję żelaza z jego związków węglem w postaci koksu. Odbywa się to w wielkich piecach, których temperatura sięga dwóch tysięcy stopni Celsjusza. Ponadto istnieje sposób na redukcję żelaza za pomocą wodoru. Nie wymaga to wielkiego pieca. Aby wdrożyć tę metodę, pobierana jest specjalna glina, mieszana z pokruszoną rudą i poddawana obróbce wodorem w piecu szybowym.
Wniosek
Właściwości i zastosowania żelaza są zróżnicowane. To chyba najważniejszy metal w naszym życiu. Stając się znanym ludzkości, zajął miejsce brązu, który w tym czasie był głównym materiałem do produkcji wszystkich narzędzi, a także broni. Stal i żeliwo przewyższają pod wieloma względami stop miedzi i cyny pod względem właściwości fizycznych, odporności na naprężenia mechaniczne.
Ponadto żelazo jest bardziej powszechne na naszej planecie niż wiele innych metali. Jego udział masowy w skorupie ziemskiej wynosi prawie pięć procent. Jest czwartym najliczniejszym pierwiastkiem chemicznym w przyrodzie. Również ten pierwiastek chemiczny jest bardzo ważny dla prawidłowego funkcjonowania organizmu zwierząt i roślin, przede wszystkim dlatego, że na jego bazie zbudowana jest hemoglobina. Żelazo jest niezbędnym mikroelementemco jest ważne dla zachowania zdrowia i prawidłowego funkcjonowania narządów. Poza powyższym jest to jedyny metal, który posiada unikalne właściwości magnetyczne. Nie sposób wyobrazić sobie naszego życia bez ferrum.
