ГВОЖЂЕ (ЕЛЕМЕНТ): КАРАКТЕРИСТИКЕ, ХЕМИЈСКА СТРУКТУРА, УПОТРЕБЕ - ХЕМИЈА - 2026

Гвожђе је прелазни метал припада групи 8 или ВИИИБ периодног система и заступа хемијски симбол-Фе. Да ли је метал сива, дуктилно, ковано и високе чврстоће, користи у бројним апликацијама корисне за човека и друштво.

Он чини 5% земљине коре, а уједно је и други најбројнији метал после алуминијума. Такође, његова бројност је већа од кисеоника и силицијума. Међутим, у односу на земљино језгро, 35% га чини метално и течно гвожђе.

Алхемичар-хп (разговор) (ввв.псе-менделејев.де)

Изван земљиног језгра, гвожђе се не налази у металном облику, јер се брзо оксидује када је изложено влажном ваздуху. Налази се у базалтним стијенама, карбонатним седиментима и метеоритима; генерално легирано никлом, као у минералном камациту.

Главни минерали гвожђа који се користе за ископавање су следећи: хематит (железов оксид, Фе ₂ О ₃ ), магнетит (феросомерни оксид, Фе ₃ О ₄ ), лимонит (хидратизовани хидроксид црног оксида ) и сидерит (гвожђе карбонат, ФеЦО ₃ ).

У просеку, човек садржи 4,5 г гвожђа, од чега је 65% у облику хемоглобина. Овај протеин је укључен у транспорт кисеоника у крви и у његовој дистрибуцији у различита ткива, ради његовог накнадног уношења миоглобином и неуроглобином.

Упркос многим благодатима гвожђа за људе, вишак метала може да има врло озбиљне токсичне ефекте, посебно на јетру, кардиоваскуларни систем и панкреас; такав је случај хемохроматозије наследне болести.

Гвожђе је синоним за конструкцију, снагу и ратове. С друге стране, због свог обиља, увек је алтернатива коју треба размотрити када је реч о развоју нових материјала, катализатора, лекова или полимера; и упркос црвеној боји својих рђа, метал је еколошки зелене боје.

Историја

Антика

Гвожђе се прерађује хиљадама година. Међутим, тешко је пронаћи жељезне предмете таквих древних година због њихове подложности кородирању, што узрокује њихово уништавање. Најстарији познати жељезни предмети израђени су од метеорита.

Такав је случај врсте перли израђених 3500. године пре нове ере, које су пронађене у Герзи у Египту и бодеж пронађен у гробници Тутанкамона. За метеорите гвожђа карактеристичан је висок садржај никла, па се у тим објектима може препознати њихово порекло.

Докази о ливеном гвожђу такође су пронађени у Асмару, Мезопотамији и базару Таил Цхагар, у Сирији, од 3000. до 2700. године пре нове ере. Иако је ливење гвожђа почело у бронзаном добу, било је потребно вековима да би се изменила бронза.

Поред тога, артефакти од ливеног гвожђа пронађени су у Индији од 1800. до 1200. године пре нове ере и у Леванту, око 1500. године пре нове ере.

У Кини се појављује између 700. и 500. године пре нове ере, вероватно се транспортује кроз централну Азију. Први гвоздени предмети пронађени су у Лухе Јиангсу у Кини.

Европа

Ковано гвожђе произведено је у Европи употребом такозваних гала кова. Процес је захтијевао употребу угља као горива.

Средњовековне високе пећи биле су висине 3,0 м, израђене од ватроотпорних опека, а ваздух су доводили ручни мехови. 1709. Абрахам Дарби основао је коксну пећ за производњу истопљеног гвожђа, замењујући угаљ.

Доступност јефтиног гвожђа била је један од фактора који су довели до индустријске револуције. У овом периоду започело је пречишћавање сировог гвожђа у ковано гвожђе које је коришћено за изградњу мостова, бродова, складишта итд.

Челик

Челик користи већу концентрацију угљеника од кованог гвожђа. Челик је произведен у Луристану, Перзија, 1000. године пре нове ере. Нови индустријски начини производње гвоздених шипки без угљеника осмишљени су у индустријској револуцији, а који су касније коришћени за производњу челика.

Крајем 1850-их, Хенри Бессемер осмислио је пухање ваздуха у растаљено свињско гвожђе да би се произвео меки челик, што је учинило производњу челика економичнијом. То је резултирало смањењем производње кованог гвожђа.

Својства

Изглед

Метални сјај са сивкастим нијансама.

Атомска маса

55,845 у.

Атомски број (З)

26

Тачка топљења

1,533 ºЦ

Тачка кључања

2.862 ºЦ

Густина

-Температура околине: 7.874 г / мЛ.

-Талиште (течно): 6.980 г / мЛ.

Топлина фузије

13,81 кЈ / мол

Топлина испаравања

340 кЈ / мол

Моларни калоријски капацитет

25.10 Ј / (мол К)

Енергија јонизације

-Први ниво јонизације: 762,5 кЈ / мол (Фе ⁺ гасовити)

-Други ниво јонизације: 1,561,9 кЈ / мол (Фе ²⁺ гасовити)

-Трећи ниво јонизације: 2.957, кЈ / мол (Фе ³⁺ гасовити)

Електронегативност

1,83 по Паулинг скали

Атомски радио

Емпиријски 126 пм

Топлотна проводљивост

80.4 В / (мК)

Електрична отпорност

96,1 Ω · м (при 20 ºЦ)

Цурие поента

Приближно 770 ° Ц. На овој температури гвожђе више није феромагнетско.

Изотопи

Стабилни изотопи: ⁵⁴ Фе, са обиљем 5,85%; ⁵⁶ Фе, са обиљем од 91,75%; ⁵⁷ Фе, са обиљем од 2,12%; и ⁵⁷ Фе, са обиљем од 0,28%. Како је ⁵⁶ Фе најстабилнији и најобилнији изотоп, није изненађујуће да је атомска тежина гвожђа врло близу 56 у.

Док су радиоактивни изотопи: ⁵⁵ Фе, ⁵⁹ Фе и ⁶⁰ Фе.

Структура и електронска конфигурација

-Аллропес

Гвожђе на собној температури кристализира у телесној кубичној структури (бцц), која је позната и као α-Фе или ферит (унутар металуршког жаргона). Пошто може да прихвати различите кристалне структуре у зависности од температуре и притиска, за гвожђе се каже да је алотропни метал.

Алотропни бцц је уобичајено гвожђе (феромагнетно), оно које људи толико добро познају и привлаче га магнетима. Када се загрева изнад 771 ° Ц, постаје парамагнетни, и иако се његов кристал само шири, ова "нова фаза" се раније сматрала β-Фе. Остали алотропи гвожђа су такође парамагнетни.

Између 910ºЦ и 1.394ºЦ, гвожђе се налази као аустенит или γ-Фе алотроп, чија је структура кубична, фцц. Конверзија између аустенита и ферита има велики утицај на производњу челика; пошто су атоми угљеника растворљивији у аустениту него у фериту.

А онда, изнад 1394 ° Ц до тачке топљења (1538 ° Ц), гвожђе се враћа како би усвојило бцц структуру, δ-Фе; али за разлику од ферита, овај алотроп је парамагнетни.

Гвожђе од епсилона

Повећавањем притиска на 10 ГПа, при температури од неколико стотина степени целзијуса, α или феритни алотроп еволуира до алотропа епсилона, који се карактерише кристализацијом у компактној шестерокутној структури; то јест, са најкомпактнијим Фе атомима. Ово је четврти алотропни облик гвожђа.

Неке студије теоретизирају о могућем постојању других алотропа гвожђа под таквим притисцима, али на још вишим температурама.

-Метална веза

Без обзира на алотроп гвожђа и температуру која "тресе" његове атоме Фе или притисак који их сабија, они међусобно делују са истим валентним електронима; То су они који су приказани у њиховој електронској конфигурацији:

3д ⁶ 4с ²

Због тога постоји осам електрона који учествују у металној вези, било да су ослабљени или ојачани током алотропних транзиција. Исто тако, управо ових осам електрона дефинишу својства гвожђа као што су његова топлотна или електрична проводљивост.

-Оксидациони бројеви

Најважнији (и уобичајени) оксидациони бројеви гвожђа су +2 (Фе ²⁺ ) и +3 (Фе ³⁺ ). У ствари, конвенционална номенклатура разматра само ова два броја или стања. Међутим, постоје једињења где гвожђе може добити или изгубити други број електрона; то јест, претпоставља се постојање других катиона.

На пример, гвожђе такође може да има оксидационе бројеве +1 (Фе ⁺ ), +4 (Фе ⁴⁺ ), +5 (Фе ⁵⁺ ), +6 (Фе ⁶⁺ ) и +7 (Фе ^{7 +} ). Анионска ферратна врста, ФеО ₄ ^2- , има гвожђе са оксидационим бројем +6, јер су четири атома кисеоника оксидирала до те мере.

Исто тако, гвожђе може имати негативне оксидационе бројеве; као што су: -4 (Фе ^4- ), -2 (Фе ^2- ) и -1 (Фе ^- ). Међутим, једињења са центрима гвожђа са тим добитком електрона су веома ретка. Зато, иако у том погледу надмашује манган, последње ствара много стабилнија једињења са својим распоном оксидационих стања.

Резултат, у практичне сврхе, довољно је узети у обзир Фе ²⁺ или Фе ³⁺ ; остали катиони резервисани су за донекле специфичне јоне или једињења.

Како се добија?

Челични украси, најважнија легура гвожђа. Извор: Пкхере.

Сакупљање сировина

Морамо наставити ка локацији руда најприкладнијих минерала за вађење гвожђа. Минерали који се највише користе за добијање су следећи: хематит (Фе ₂ О ₃ ), магнетит (Фе ₃ О ₄ ), лимонит (ФеО · ОХ · нХ ₂ О) и сидерит (ФеЦО ₃ ).

Тада први корак у вађењу је прикупљање стена са рудама гвожђа. Ове стене се дробе да би их се разбиле на мале комаде. Након тога долази до фазе избора фрагмената стена жељезном рудом.

У избору се прате две стратегије: употреба магнетног поља и седиментација у води. Фрагменти стене су подвргнути магнетном пољу и у њему су оријентисани минерални фрагменти, тако да могу да се одвоје.

У другој методи, каменити фрагменти се бацају у воду, а они који садрже гвожђе, јер су теже, таложе се на дну воде, остављајући гангу у горњем делу воде, јер је лакши.

Висока пећ

Високе пећи на којима се производи челик. Извор: Пикабаи.

Жељезне руде се превозе у високе пећи, где се одбацују заједно са коксом, који има улогу снабдевача горивом и угљеником. Поред тога, додаје се кречњак или кречњак који испуњава функцију флукса.

У високу пећ се, уз претходну мешавину, убризгава врућ ваздух на температури од 1.000 ° Ц. Гвожђе се топи сагоревањем угља који температуру доводи до 1800 ° Ц. Једном течно, то се назива сирово гвожђе, које се накупља на дну рерне.

Свињско гвожђе се уклања из пећи и излива у контејнере да се транспортују у нову ливару; док се шљака, нечистоћа која се налази на површини гвожђа, одбацује.

Свињско гвожђе се излива употребом ловачких посуда у пећ за конверзију, заједно са кречњаком као флуксом, а кисеоник се уноси на високим температурама. Тако се смањује садржај угљеника, рафинирајући сирово гвожђе и претварајући га у челик.

Након тога челик се пролази кроз електричне пећи за производњу специјалних челика.

Апликације

-Метално гвожђе

Гвоздени мост у Енглеској, једна од многих конструкција направљених од гвожђа или његових легура. Извор: Није наведен аутор читљив аутор. Јасоњсмитх претпоставља (на основу тврдњи о ауторским правима).

Пошто је метал са ниском производном ценом, коси, дуктил и отпоран на корозију, постао је најкориснији метал за човека, под различитим облицима: ковани, ливени и челик различитих врста.

Гвожђе се користи за изградњу:

-Бриџеви

-Баске за зграде

Врата и прозори

-Барови трупа

-Разни алати

- Цеви за питку воду

-Цеви за прикупљање отпадних вода

-Намештај за баште

- Решетка за кућну сигурност

Такође се користи у производњи кућних потрепштина, као што су лонци, таве, ножеви, виљушке. Поред тога користи се у производњи фрижидера, шпорета, веш машина, машина за судове, блендера, рерни, тостера.

Укратко, гвожђе је присутно у свим предметима који окружују човека.

Наночестице

Метално гвожђе се такође припрема као наночестице, које су високо реактивне и задржавају магнетна својства макроскопске чврсте супстанце.

Ове сфере Фе (и њихове вишеструке додатне морфологије) користе се за прочишћавање воде органохлорних једињења и као носачи лекова који се примењују за магнетно поље да бирају области тела.

Такође могу служити као каталитички носачи у реакцијама где се угљене везе угљика, КЦ, прекидају.

-Изонска једињења

Оксиди

Чест оксид, ФеО, користи се као пигмент за кристале. Фери оксид, Фе ₂ О ₃ , је основа за велики број пигмената, од жуте до црвене, познат као Венетиан Ред. Црвени облик, назван руж, користи се за полирање племенитих метала и дијаманата.

Феро-железов оксид, Фе ₃ О ₄ , користи се у феритима, супстанцама високе магнетне доступности и електричног отпора, које се могу користити у одређеним рачунарским меморијама и за облагање магнетних трака. Такође се користи као пигмент и средство за полирање.

Сулфати

Ферроус сулфате хептахидрат, Фесо ₄ · 7Х ₂ О, је најчешћи облик феро-сулфата, познат као зелени јеткости или цоппера. Користи се као редукционо средство и у производњи мастила, ђубрива и пестицида. Такође има користи у галванизацији гвожђа.

Гвожђе сулфат, Фе ₂ (СО ₄ ) ₃ , се користи за добијање гвожђа Алум и друга фери једињења. Служи као коагулант у пречишћавању отпадних вода и као средство за бојење текстила.

Хлориди

Чест хлорид, ФеЦл ₂ , користи се као средство за лучење и редукцију. У међувремену, железни хлорид, ФеЦл ₃ , користи се као средство за хлорирање метала (сребра и бакра) и неких органских једињења.

Третманом Фе ³⁺ хексоцијаноферратним јоном ^-4 настаје плави талог, назван пруско плав, који се користи у бојама и лаковима.

Гвожђа храна

Шкољке су богат извор хране гвожђа. Извор: Пкхере.

Генерално, препоручује се унос гвожђа од 18 мг / дан. Међу намирницама које га пружају у свакодневној исхрани су и следеће:

Шкољке пружају гвожђе у хеме облику, тако да нема инхибиције у цревној апсорпцији истог. Шкољка обезбеђује до 28 мг гвожђа на 100 г њега; стога би ова количина шкољки била довољна да задовољи дневну потребу за гвожђем.

Спанаћ садржи 3,6 мг гвожђа на 100 г. Месо из говеђег органа, на пример телећа јетра, садржи 6,5 мг гвожђа на 100 г. Допринос крваве кобасице вероватно ће бити нешто већи. Крвна кобасица састоји се од делова танког црева, напуњених говедином.

Махунарке, попут леће, садрже 6,6 мг гвожђа по 198 г. Црвено месо садржи 2,7 мг гвожђа на 100 г. Сјеменке бундеве садрже 4,2 мг на 28 г. Квиноја садржи 2,8 мг гвожђа на 185 г. Тамно месо ћуретине садржи 2,3 мг на 100 г. Брокула садржи 2,3 мг на 156 мг.

Тофу садржи 3,6 мг на 126 г. У међувремену, тамна чоколада садржи 3,3 мг по 28 г.

Биолошка улога

Функције које гвожђе испуњава, посебно код краљежњака, су безбројне. Процјењује се да више од 300 ензима захтијева жељезо за своју функцију. Међу ензимима и протеинима који га користе следећи су:

-Протеини који имају хем групу и немају ензиматску активност: хемоглобин, миоглобин и неуроглобин.

- Ензими са хемском групом која учествује у транспорту електрона: цитокроми а, б и ф, и активност цитокром оксидаза и / или оксидаза; сулфит оксидаза, цитокром П450 оксидаза, мијелопероксидаза, пероксидаза, каталаза, итд.

-Протеини који садрже гвожђе-сумпор, који се односе на активности оксиредуктазе, који учествују у производњи енергије: сукцинат дехидрогеназа, изоцитрат дехидрогеназа и аконитаза, или ензими укључени у репликацију и поправку ДНК: ДНК-полимераза и ДНК-хеликолаза.

-Не-хем ензими који користе гвожђе као кофактор за своје каталитичко деловање: фенилаланин хидролазе, тирозин хидролазе, триптофан хидролазе и лизин хидролазе.

-Не-хемски протеини одговорни за транспорт и складиштење гвожђа: феритин, трансферрин, хаптоглобин, итд.

Ризици

Токсичност

Ризици од изложености вишку гвожђа могу бити акутни или хронични. Један од разлога акутног тровања гвожђем може бити прекомерни унос гвожђа у таблетама, у облику глуконата, фумарата, итд.

Гвожђе може изазвати иритацију цревне слузокоже, чија се непријатност манифестује одмах након гутања и нестаје након 6 до 12 сати. Апсорбовано гвожђе се таложи у различитим органима. Ова акумулација може изазвати поремећаје метаболизма.

Ако је количина унесеног гвожђа токсична, може проузроковати цревну перфорацију перитонитисом.

У кардиоваскуларном систему настаје хиповолемија која може бити узрокована гастроинтестиналним крварењем и ослобађањем жељеза вазоактивних супстанци, попут серотонина и хистамина. У коначници може доћи до масовне некрозе јетре и затајења јетре.

Хемохроматозија

Хемохроматозија је наследна болест која представља измену механизма за регулацију гвожђа у телу, што се манифестује повећањем концентрације гвожђа у крви и његовом накупљањем у различитим органима; укључујући јетру, срце и панкреас.

Почетни симптоми болести су следећи: болови у зглобовима, бол у трбуху, умор и слабост. Са следећим симптомима и следећим знаковима болести: дијабетес, губитак сексуалне жеље, импотенција, затајење срца и затајење јетре.

Хемосидероза

Хемосидероза се карактерише, као што само име говори, накупљањем хемосидерина у ткивима. Ово не узрокује оштећење ткива, али може еволуирати до оштећења сличног ономе које се види код хемохроматозије.

Хемосидерозу могу изазвати следећи узроци: повећана апсорпција гвожђа из исхране, хемолитичка анемија која ослобађа гвожђе из црвених крвних зрнаца и прекомерна трансфузија крви.

Хемосидероза и хемокроматозија могу бити последица неадекватног функционисања хормона хепцидина, хормона који лучи јетра и који судјелује у регулацији тјелесног гвожђа.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Фоист Л. (2019). Алотропи гвожђа: врсте, густина, употреба и чињенице. Студи. Опоравак од: студи.цом
3. Јаианти С. (друго). Алотропија гвожђа: термодинамика и кристалне структуре. Металургија. Опоравак од: Енгинеерингенотес.цом
4. Наносхел. (2018). Гвожђа нано моћ. Опоравак од: наносхел.цом
5. Википедиа. (2019). Гвожђе. Опоравак од: ен.википедиа.орг
6. Схропсхире Хистори. (сф) Својства гвожђа. Опоравак од: схропсхирехистори.цом
7. Др Доугх Стеварт. (2019). Чињенице о елементима гвожђа. Опоравак од: цхемицоол.цом
8. Франзиска Спритзлер. (2018, 18. јула). 11 здравих намирница богатих гвожђем. Опораван од: хеалтхлине.цом
9. Леннтецх. (2019). Периодна табела: Гвожђе. Опоравак од: леннтецх.цом
10. Уредници Енцицлопаедиа Британница. (13. јуна 2019). Гвожђе. Енцицлопӕдиа Британница. Опоравак од: британница.цом