JÄRN (ELEMENT): EGENSKAPER, KEMISK STRUKTUR, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2025

Det järn är en övergångsmetall tillhörande grupp 8 eller VIIIB i det periodiska systemet och som representeras av den kemiska beteckningen Fe. Är en metall grått, segjärn, smidbart och hög hållfasthet, som används i en mängd applikationer som är användbara för människan och samhället.

Den utgör 5% av jordskorpan, och den är också den näst vanligaste metallen efter aluminium. Dessutom överskrids dess överflöd med syre och kisel. När det gäller jordens kärna består emellertid 35% av metalliskt och flytande järn.

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

Utanför jordens kärna är järn inte i metallform, eftersom det snabbt oxideras när det utsätts för fuktig luft. Det är beläget i basalt stenar, kolhaltiga sediment och meteoriter; vanligtvis legerat med nickel, som i mineralen kamacit.

De huvudsakliga järnmineral som används för gruvdrift är följande: hematit (ferrioxid, Fe ₂ O ₃ ), magnetit (ferrosomeric oxid, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hydratiserad ferrooxid-hydroxid,), och siderit (järnkarbonat, FeCO ₃ ).

I genomsnitt har människan ett innehåll av 4,5 g järn, varav 65% är i form av hemoglobin. Detta protein är involverat i transport av syre i blodet och i dess distribution till de olika vävnaderna för dess efterföljande upptag av myoglobin och neuroglobin.

Trots de många fördelarna med järn för människor kan överskottsmetall ha mycket allvarliga toxiska verkningar, särskilt på levern, hjärt-kärlsystemet och bukspottkörteln; sådant är fallet med den ärftliga sjukdomen hemokromatosia.

Järn är synonymt med konstruktion, styrka och krig. Å andra sidan, på grund av dess överflöd, är det alltid ett alternativ att tänka på när det gäller utveckling av nya material, katalysatorer, läkemedel eller polymerer; och trots den röda färgen på dess rost är det en miljövänlig metall.

Historia

antiken

Järn har bearbetats i årtusenden. Det är emellertid svårt att hitta järnföremål från sådana gamla tider på grund av deras mottaglighet för korrodering, vilket orsakar deras förstörelse. De äldsta kända järnföremålen gjordes av det som finns i meteoriter.

Sådant är fallet med ett slags pärlor som gjordes år 3500 f.Kr., hittade i Gerzah, Egypten och en dolk som finns i Tutankhamuns grav. Järnmeteoriter kännetecknas av ett högt nickelinnehåll, så att deras ursprung kunde identifieras i dessa föremål.

Bevis på gjutjärn hittades också i Asmar, Mesopotamia och Tail Chagar Bazaar, i Syrien, från 3000 till 2700 f.Kr. Trots att järngjutning började i bronsåldern tog det århundraden för att förskjuta brons.

Dessutom hittades artefakter av gjutjärn i Indien, 1800 till 1200 f.Kr., och i Levant, cirka 1500 f.Kr. Det tros att järnåldern började 1000 f.Kr., eftersom kostnaden för deras produktion minskades.

Det förekommer i Kina mellan 700 och 500 f.Kr., troligen transporterat genom Centralasien. De första järnföremålen hittades i Luhe Jiangsu, Kina.

Europa

Smidesjärn producerades i Europa genom användning av så kallade galamjärn. Processen krävde användning av kol som bränsle.

Medeltida masugnar var 3,0 m höga, gjorda av brandsäkra tegelstenar och luft tillfördes av manuella bälgar. År 1709 etablerade Abraham Darby en koksugn för att producera smält järn och ersatte kol.

Tillgången på billigt järn var en av de faktorer som ledde till den industriella revolutionen. Under denna period påbörjades raffinering av råjärn till smidesjärn, som användes för att bygga broar, fartyg, lager etc.

Stål

Stål använder en högre kolkoncentration än smidesjärn. Stål producerades i Luristan, Persien, år 1000 f.Kr. Nya metoder för att producera järnstänger utan kol utformades i den industriella revolutionen, som senare användes för att producera stål.

I slutet av 1850-talet tänkte Henry Bessemer blåsa luft i smält råjärn för att producera mjukt stål, vilket gjorde stålproduktionen mer ekonomisk. Detta resulterade i en minskning av produktionen av smidesjärn.

Egenskaper

Utseende

Metalliskt lyster med en grålig färg.

Atomvikt

55 845 u.

Atomnummer (Z)

26

Smältpunkt

1,533 ºC

Kokpunkt

2,862 ºC

Densitet

-Amientens temperatur: 7,874 g / ml.

-Smältpunkt (vätska): 6.980 g / ml.

Smältvärme

13,81 kJ / mol

Förångningsvärme

340 kJ / mol

Molär kalorikapacitet

25,10 J / (mol K)

Joniseringsenergi

-Första joniseringsnivå: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gasformig)

-Andra joniseringsnivå: 1 561 kJ / mol (Fe2 ⁺ gasformig)

- Tredje joniseringsnivå: 2 957, kJ / mol (Fe ³⁺ gasformig)

Elektronnegativitet

1.83 på Pauling-skalan

Atomradio

Empiriskt 126 pm

Värmeledningsförmåga

80,4 W / (mK)

Elektrisk resistans

96,1 Ω · m (vid 20 ºC)

Curie punkt

770 ° C, ungefär. Vid denna temperatur är järn inte längre ferromagnetiskt.

isotoper

Stabila isotoper: ⁵⁴ Fe, med ett överflöd på 5,85%; ⁵⁶ Fe, med ett överflöd på 91,75%; ⁵⁷ Fe, med ett överflöd på 2,12%; och ⁵⁷ Fe, med ett överflöd av 0,28%. Eftersom ⁵⁶ Fe är den mest stabila och rikligaste isotopen, är det inte förvånande att järnens atomvikt är mycket nära 56 u.

Medan de radioaktiva isotoperna är: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe och ⁶⁰ Fe.

Struktur och elektronisk konfiguration

-Allropes

Järn vid rumstemperatur kristalliseras i den kroppscentrerade kubiska strukturen (bcc), som också kallas α-Fe eller ferrit (inom metallurgisk jargon). Eftersom det kan anta olika kristallstrukturer som en funktion av temperatur och tryck, sägs järn vara en allotropisk metall.

Allotrope bcc är vanligt järn (ferromagnetiskt), det som folk känner så väl och lockas till magneter. När den värms upp över 771 ºC, blir den paramagnetisk, och även om dess kristall bara expanderar, ansågs denna "nya fas" tidigare ß-Fe. De andra allotroperna av järn är också paramagnetiska.

Mellan 910 ºC och 1 394 ºC finns järn som austenit eller γ-Fe-allotropen, vars struktur är ansiktscentrerad kubik, fcc. Omvandlingen mellan austenit och ferrit har en stor inverkan på stålframställning. eftersom kolatomer är mer lösliga i austenit än i ferrit.

Och sedan över 1394 ºC tills dess smältpunkt (1538 ºC) återvänder järnet för att anta bcc-strukturen, δ-Fe; men till skillnad från ferrit är denna allotrope paramagnetisk.

Epsilon järn

Genom att öka trycket till 10 GPa, vid en temperatur av några hundra grader celsius, utvecklas a- eller ferritallotroppen till ε-allotropen, epsilon, kännetecknad av kristallisering i en kompakt hexagonal struktur; det vill säga med de mest kompakta Fe-atomerna. Detta är den fjärde allotropa formen av järn.

Vissa studier teoretiserar om eventuell existens av andra järnotillstånd under sådana tryck, men vid ännu högre temperaturer.

-Metallänk

Oavsett järnallotropen och temperaturen som "skakar" sina Fe-atomer, eller trycket som kompakterar dem, interagerar de med varandra med samma valenselektroner; Dessa är de som visas i deras elektroniska konfiguration:

3d ⁶ 4s ²

Därför finns det åtta elektroner som deltar i den metalliska bindningen, oavsett om den försvagas eller förstärks under allotropa övergångar. På samma sätt är det dessa åtta elektroner som definierar egenskaperna hos järn, såsom dess termiska eller elektriska konduktivitet.

-Oxidationsnummer

De viktigaste (och vanliga) oxidationsnumren för järn är +2 (Fe ²⁺ ) och +3 (Fe ³⁺ ). I själva verket beaktar den konventionella nomenklaturen bara dessa två siffror eller tillstånd. Det finns emellertid föreningar där järn kan vinna eller förlora ett annat antal elektroner; det vill säga att andra katjoner förekommer.

Till exempel kan järn också ha oxidationsnummer på +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) och +7 (Fe ^{7) +} ). Den anjoniska ferratarten, FeO ₄ ^2- , har järn med ett oxidationsantal på +6, eftersom de fyra syreatomerna har oxiderat den i en sådan utsträckning.

På samma sätt kan järn ha negativa oxidationsnummer; såsom: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) och -1 (Fe ^- ). Föreningar med järncentra med dessa elektronförstärkningar är emellertid mycket sällsynta. Det är därför, även om det överträffar mangan i detta avseende, bildar de senare mycket mer stabila föreningar med sitt intervall av oxidationstillstånd.

Resultatet, för praktiska ändamål, räcker det att betrakta Fe ²⁺ eller Fe ³⁺ ; de andra katjonerna är reserverade för något specifika joner eller föreningar.

Hur erhålls det?

Stålornament, den viktigaste legeringen av järn. Källa: Pxhere.

Insamling av råvaror

Vi måste fortsätta till platsen för malmen för de mest lämpliga mineralerna för utvinning av järn. Mineraler som används mest för att erhålla det är följande: hematit (Fe ₂ O ₃ ), magnetit (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) och siderit (FeCO ₃ ).

Sedan är det första steget i extraktionen att samla stenar med järnmalm. Dessa stenar krossas för att dela dem i små bitar. Därefter finns det en fas för urval av bergens fragment med järnmalm.

Två strategier följs i urvalet: användning av magnetfält och sedimentation i vatten. Bergfragmenten utsätts för ett magnetfält och mineralfragmenten är orienterade i det och kan således separeras.

I den andra metoden dumpas de steniga fragmenten i vattnet och de som innehåller järn, eftersom de är tyngre, slår sig ner på vattnet och lämnar gången i den övre delen av vattnet eftersom det är lättare.

Smältugn

Masugn där stål produceras. Källa: Pixabay.

Järnmalmen transporteras till masugnar, där de dumpas tillsammans med koks, som har rollen som bränsle- och kolleverantör. Dessutom läggs kalksten eller kalksten, som uppfyller flödets funktion.

Masugnen, med den tidigare blandningen, injiceras varm luft vid en temperatur av 1 000 ºC. Järn smälts genom förbränning av kol som bringar temperaturen till 1 800 ºC. När det är flytande kallas det svinjärn som ackumuleras längst ner i ugnen.

Grisjärn avlägsnas från ugnen och hälls i behållare för att transporteras till ett nytt gjuteri; medan slaggen, en orenhet som ligger på ytan av råjärnet, kastas.

Grisjärn hälls genom användning av slevar i en omvandlingsugn, tillsammans med kalksten som flöde, och syre införs vid höga temperaturer. Sålunda reduceras kolhalten genom att raffinera järnet för att förvandla det till stål.

Därefter föres stålet genom elektriska ugnar för produktion av specialstål.

tillämpningar

-Metalljärn

Järnbro i England, en av de många konstruktioner som gjorts med järn eller dess legeringar. Källa: Ingen maskinläsbar författare tillhandahålls. Jasonjsmith antog (baserat på upphovsrättsanspråk).

Eftersom det är en billig, formbar, smidbar metall som har blivit korrosionsbeständig, har den blivit den mest användbara metallen för människan, under dess olika former: smidd, gjuten och stål av olika typer.

Järn används för konstruktion av:

-Broar

-Grundlag för byggnader

-Dörrar och fönster

-Båtskrov

- Olika verktyg

-Rörning för dricksvatten

-Rör för insamling av avloppsvatten

-Möbler för trädgårdarna

-Grill för hemsäkerhet

Det används också för tillverkning av hushållsredskap, som krukor, kokkärl, knivar, gafflar. Dessutom används det för tillverkning av kylskåp, spisar, tvättmaskiner, diskmaskiner, blandare, ugnar, brödrostar.

Kort sagt, järn finns i alla föremål som omger människan.

Nanopartiklar

Metalliskt järn framställs också som nanopartiklar, som är mycket reaktiva och bibehåller de makroskopiska fasta ämnets magnetiska egenskaper.

Dessa sfärer av Fe (och deras multipla ytterligare morfologier) används för att rena vatten av organiska klorföreningar och som läkemedelsbärare som levereras till utvalda områden i kroppen genom applicering av ett magnetfält.

De kan också tjäna som katalytiska bärare i reaktioner där kolbindningar, CC, bryts.

-Järnföreningar

oxider

Järnoxid, FeO, används som pigment för kristaller. Järnoxid Fe ₂ O ₃ , är basen för ett antal pigment som sträcker sig från gult till rött, känd som venetianska rött. Den röda formen, kallad rouge, används för att polera ädelmetaller och diamanter.

Ferro-ferrioxid, Fe ₃ O ₄ , används i ferriter, substanser med hög magnetisk tillgänglighet och elektrisk resistivitet, som kan användas i vissa datorminnen och i magnetband beläggning. Det har också använts som pigment och polermedel.

sulfater

Ferrosulfatheptahydrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, är den vanligaste formen av ferrosulfat, som kallas grön vitriol eller coppera. Det används som reduktionsmedel och vid tillverkning av bläck, gödselmedel och bekämpningsmedel. Den finner också användning vid galvanisering av järn.

Ferrisulfat, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , används för att erhålla järn alun och andra järnföreningar. Det tjänar som ett koaguleringsmedel vid rening av avloppsvatten och som en mordant vid färgning av textilier.

klorider

Ferroklorid, FeCl ₂ , används som ett betningsmedel och reduktionsmedel. Under tiden, ferriklorid, FeCl ₃ , används som ett kloreringsmedel för metaller (silver och koppar) och vissa organiska föreningar.

Behandling av Fe ³⁺ med hexocyanoferratjon ^-4 ger en blå fällning, kallad Preussian blue, som används i färger och lacker.

Järnmat

Musslor är en rik matkälla för järn. Källa: Pxhere.

I allmänhet rekommenderas ett järnintag på 18 mg / dag. Bland de livsmedel som tillhandahåller den i den dagliga kosten är följande:

Skaldjur tillhandahåller järn i hemform, så det finns ingen hämning i tarmabsorptionen av det. Musslan ger upp till 28 mg järn per 100 g av det; därför skulle denna mängd mussla vara tillräcklig för att tillgodose det dagliga behovet av järn.

Spenat innehåller 3,6 mg järn per 100 g. Nötköttorgan, till exempel kalvköttlever, innehåller 6,5 mg järn per 100 g. Blodkorvens bidrag kommer sannolikt att vara något högre. Blodkorven består av delar av tunntarmen, fyllda med nötköttblod.

Baljväxter, såsom linser, innehåller 6,6 mg järn per 198 g. Rött kött innehåller 2,7 mg järn per 100 g. Pumpafrön innehåller 4,2 mg per 28 g. Quinoa innehåller 2,8 mg järn per 185 g. Turkiets mörka kött innehåller 2,3 mg per 100 g. Broccoli innehåller 2,3 mg per 156 mg.

Tofu innehåller 3,6 mg per 126 g. Under tiden innehåller mörk choklad 3,3 mg per 28 g.

Biologisk roll

Funktionerna som järn uppfyller, speciellt i ryggradsdjur, är otaliga. Det uppskattas att mer än 300 enzymer kräver järn för sin funktion. Bland de enzymer och proteiner som använder det heter följande:

-Proteiner som har hemgruppen och som inte har enzymatisk aktivitet: hemoglobin, myoglobin och neuroglobin.

-Enzymer med hemgruppen involverad i elektrontransport: cytokrom a, b och f, och cytokromoxidas och / eller oxidasaktivitet; sulfitoxidas, cytokrom P450 oxidas, myeloperoxidas, peroxidas, katalas, etc.

-Proteiner innehållande järnsvavel, relaterade till oxyreduktasaktiviteter, involverade i energiproduktion: succinatdehydrogenas, isocitratdehydrogenas och akonitas, eller enzymer involverade i DNA-replikering och reparation: DNA-polymeras och DNA-heliklaser.

-Heme-enzymer som använder järn som en kofaktor för sin katalytiska aktivitet: fenylalaninhydrolas, tyrosinhydrolas, tryptofanhydrolas och lysinhydrolas.

-Hemproteiner som inte ansvarar för transport och lagring av järn: ferritin, transferrin, haptoglobin, etc.

risker

Giftighet

Risker vid exponering för överskott av järn kan vara akuta eller kroniska. En orsak till akut järnförgiftning kan vara överdrivet intag av järntabletter, i form av glukonat, fumarat, etc.

Järn kan orsaka irritation i tarmslemhinnan, vilket obehag manifesteras omedelbart efter intag och försvinner efter 6 till 12 timmar. Det absorberade järnet deponeras i olika organ. Denna ansamling kan orsaka metaboliska störningar.

Om mängden järn som intas är giftigt kan det orsaka tarmperforering med peritonit.

I det kardiovaskulära systemet producerar det hypovolemi som kan orsakas av gastrointestinal blödning och frigöring av järn av vasoaktiva ämnen, såsom serotonin och histamin. I slutändan kan massiv nekros i levern och leversvikt uppstå.

Hemochromatosia

Hemokromatosia är en ärftlig sjukdom som uppvisar en förändring i kroppens järnregleringsmekanism, vilket manifesteras i en ökning av blodkoncentrationen av järn och dess ansamling i olika organ; inklusive lever, hjärta och bukspottkörtel.

De initiala symtomen på sjukdomen är följande: ledvärk, buksmärta, trötthet och svaghet. Med följande symtom och efterföljande tecken på sjukdomen: diabetes, förlust av sexuell lust, impotens, hjärtsvikt och leversvikt.

hemosideros

Hemosideros kännetecknas, som namnet antyder, av ansamling av hemosiderin i vävnaderna. Detta orsakar inte vävnadsskada, men det kan utvecklas till skador som liknar den som ses vid hemokromatosia.

Hemosideros kan orsakas av följande orsaker: ökad absorption av järn från kosten, hemolytisk anemi som frigör järn från röda blodkroppar och överdriven blodtransfusioner.

Hemosideros och hemokromatosia kan bero på en otillräcklig funktion av hormonet hepcidin, ett hormon som utsöndras av levern som är involverat i regleringen av kroppsjärn.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes of Iron: Typer, densitet, användningar och fakta. Studie. Återställd från: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropy of Iron: Thermodynamics and Crystal Structures. Metallurgi. Återställd från: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Iron nano power. Återställd från: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Järn. Återställd från: en.wikipedia.org
6. Shropshire History. (Sf). Järnegenskaper. Återställd från: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Järnelement fakta. Återställd från: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 juli). 11 hälsosamma livsmedel som är rika på järn. Återställd från: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodiskt bord: Järn. Återställd från: lenntech.com
10. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (13 juni 2019). Järn. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com