JERN (ELEMENT): EGENSKAPER, KJEMISK STRUKTUR, BRUK - KJEMI - 2025

Den jern er et overgangsmetall tilhørende gruppe 8 eller VIIIB i det periodiske system, og som representeres ved den kjemiske betegnelsen Fe. Er et metall grå, duktilt, smibart og høy styrke, brukt i et antall anvendelser som er nyttige for mennesket og samfunnet.

Det utgjør 5% av jordskorpen, og det er også det nest rikeste metallet etter aluminium. Dessuten overskrides overflod av oksygen og silisium. Imidlertid er 35% av jordens kjerne sammensatt av metallisk og flytende jern.

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

Utenfor jordens kjerne finnes ikke jern i metallisk form, da det raskt oksideres når det utsettes for fuktig luft. Den ligger i basaltbergarter, karbonholdige sedimenter og meteoritter; generelt legert med nikkel, som i mineral kamacitt.

De viktigste jernmineraler som anvendes for gruvedrift er følgende: hematitt (jernoksid, Fe ₂ O ₃ ), magnetitt (ferrosomeric oksid, Fe ₃ O ₄ ), limonitt (hydratisert jernoksyd-hydroksyd), og sideritt (jernkarbonat, FeCO ₃ ).

I gjennomsnitt har mennesket et innhold på 4,5 g jern, hvorav 65% er i form av hemoglobin. Dette proteinet er involvert i transport av oksygen i blodet og i dets distribusjon til de forskjellige vevene, for det påfølgende opptaket av myoglobin og neuroglobin.

Til tross for de mange fordelene med jern for mennesker, kan overflødig metall ha meget alvorlige giftige virkninger, spesielt på leveren, det kardiovaskulære systemet og bukspyttkjertelen; slik er tilfellet med den arvelige sykdommen hemochromatosia.

Jern er synonymt med konstruksjon, styrke og kriger. På grunn av dens overflod er det derimot alltid et alternativ å ta hensyn til når det gjelder utvikling av nye materialer, katalysatorer, medikamenter eller polymerer; og til tross for den røde fargen på ristene, er det et miljøvennlig metall.

Historie

antikken

Jern har blitt behandlet i årtusener. Imidlertid er det vanskelig å finne jerngjenstander i slike eldgamle tider på grunn av deres følsomhet for korrodering, noe som forårsaker ødeleggelse av dem. De eldste kjente jerngjenstandene ble laget av det som ble funnet i meteoritter.

Slik er tilfellet for en slags perler laget i 3500 f.Kr., funnet i Gerzah, Egypt, og en dolk funnet i graven til Tutankhamun. Jernmeteoritter er preget av et høyt nikkelinnhold, så deres herkomst kunne identifiseres i disse objektene.

Det ble også funnet bevis på støpejern i Asmar, Mesopotamia og Tail Chagar Bazaar, i Syria, mellom 3000-2700 f.Kr. Selv om jernstøping begynte i bronsealderen, tok det århundrer for den å fortrenge bronse.

I tillegg ble det funnet gjenstander av støpejern i India, 1800 til 1200 f.Kr., og i Levant, cirka 1500 f.Kr. Det antas at jernalderen begynte i 1000 f.Kr., ettersom kostnadene for deres produksjon ble redusert.

Det vises i Kina mellom 700 og 500 f.Kr., sannsynligvis fraktet gjennom Sentral-Asia. De første jernobjektene ble funnet i Luhe Jiangsu, Kina.

Europa

Smijern ble produsert i Europa ved bruk av såkalte gallesmier. Prosessen krevde bruk av kull som drivstoff.

Middelalderske masovner var 3,0 m høye, laget av brannsikre murstein og luft ble levert av manuelle belg. I 1709 etablerte Abraham Darby en koksovn for å produsere smeltet jern, og erstattet kull.

Tilgjengeligheten av billig jern var en av faktorene som førte til den industrielle revolusjonen. I denne perioden begynte raffinering av svinejern til smijern, som ble brukt til å bygge broer, skip, lager, etc.

Stål

Stål bruker en høyere karbonkonsentrasjon enn smijern. Stål ble produsert i Luristan, Persia, i 1000 f.Kr. Nye metoder for å produsere jernstenger uten karbon ble utviklet i den industrielle revolusjonen, som senere ble brukt til å produsere stål.

På slutten av 1850-årene tenkte Henry Bessemer å blåse luft i smeltet råjern for å produsere mildt stål, noe som gjorde stålproduksjonen mer økonomisk. Dette resulterte i en nedgang i produksjonen av smijern.

Egenskaper

Utseende

Metallisk glans med en gråaktig skjær.

Atomvekt

55.845 u.

Atomnummer (Z)

26

Smeltepunkt

1.533 ºC

Kokepunkt

2.862 ºC

tetthet

-Omgivelsestemperatur: 7.874 g / ml.

-Smeltepunkt (væske): 6.980 g / ml.

Fusjonsvarme

13,81 kJ / mol

Fordampingsvarme

340 kJ / mol

Molær kalorikapasitet

25,10 J / (mol K)

Ioniseringsenergi

-Første ioniseringsnivå: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gassformig)

- Andre ioniseringsnivå: 1 561 kJ / mol (Fe ²⁺ gassformig)

-Tredde ioniseringsnivå: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ gassformig)

elektro

1,83 på Pauling-skalaen

Atomradio

Empirisk 126 pm

Termisk ledningsevne

80,4 W / (mK)

Elektrisk resistivitet

96,1 Ω · m (ved 20 ºC)

Curie poeng

770 ° C, omtrent. Ved denne temperaturen er jern ikke lenger 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%. Ettersom ⁵⁶ Fe er den mest stabile og rikeligste isotopen, er det ikke overraskende at atomvekten til jern er veldig nær 56 o.

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

Struktur og elektronisk konfigurasjon

-Allropes

Jern ved romtemperatur krystalliserer seg i den kroppssentrerte kubiske strukturen (bcc), som også er kjent som α-Fe eller ferritt (innenfor metallurgisk sjargong). Siden det kan ta i bruk forskjellige krystallstrukturer som en funksjon av temperatur og trykk, sies jern å være et allotropisk metall.

Allotrope bcc er vanlig jern (ferromagnetisk), det som folk kjenner så godt og tiltrekkes av magneter. Når den varmes opp over 771 ºC, blir den paramagnetisk, og selv om krystallen bare utvides, ble denne "nye fasen" tidligere betraktet som ß-Fe. De andre allotropene av jern er også paramagnetiske.

Mellom 910 ºC og 1 394 ºC blir jern funnet som austenitt eller γ-Fe-allotropen, hvis struktur er ansiktssentrert kubikk, fcc. Konverteringen mellom austenitt og ferritt har stor innvirkning på stålproduksjon; siden karbonatomer er mer løselige i austenitt enn i ferritt.

Og så, over 1394 ºC til dets smeltepunkt (1538 ºC), kommer jernet tilbake for å ta i bruk bcc-strukturen, δ-Fe; men i motsetning til ferritt, er denne allotropen paramagnetisk.

Epsilon jern

Ved å øke trykket til 10 GPa, ved en temperatur på noen hundre grader celsius, utvikles a- eller ferrittallotroppen til ε-allotropen, epsilon, karakterisert ved krystallisering i en kompakt sekskantet struktur; det vil si med de mest kompakte Fe-atomer. Dette er den fjerde allotropiske jernformen.

Noen studier teoretiserer om mulig eksistens av andre allotropes av jern under slike trykk, men ved enda høyere temperaturer.

-Metal lenke

Uavhengig av jernallotroppen og temperaturen som "rister" sine Fe-atomer, eller trykket som komprimerer dem, samhandler de med hverandre med de samme valenselektronene; Dette er de som er vist i deres elektroniske konfigurasjon:

3d ⁶ 4s ²

Derfor er det åtte elektroner som deltar i den metalliske bindingen, enten den er svekket eller styrket under allotropiske overganger. På samme måte er det disse åtte elektronene som definerer egenskapene til jern, for eksempel dets termiske eller elektriske ledningsevne.

-Oksidasjonsnummer

De viktigste (og vanlige) oksidasjonstallene for jern er +2 (Fe ²⁺ ) og +3 (Fe ³⁺ ). Faktisk vurderer den konvensjonelle nomenklaturen bare disse to tallene eller tilstandene. Imidlertid er det forbindelser der jern kan få eller miste et annet antall elektroner; det vil si antakelsen av andre kationer.

For eksempel kan jern også ha oksidasjonsnummer på +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) og +7 (Fe ^{7) +} ). Den anioniske ferratarten, FeO ₄ ^2- , har jern med et oksidasjonsnummer på +6, siden de fire oksygenatomer har oksidert den i en slik grad.

På samme måte kan jern ha negative oksidasjonsnummer; slik som: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) og -1 (Fe ^- ). Forbindelser med jernsentre med disse elektrongevinstene er imidlertid svært sjeldne. Derfor, selv om den overgår mangan i så måte, danner sistnevnte mye mer stabile forbindelser med sitt område av oksidasjonstilstander.

Resultatet, for praktiske formål, er det nok å vurdere Fe ²⁺ eller Fe ³⁺ ; de andre kationene er forbeholdt noe spesifikke ioner eller forbindelser.

Hvordan oppnås det?

Stålpynt, den viktigste legeringen av jern. Kilde: Pxhere.

Innsamling av råvarer

Vi må gå til plasseringen av malm for de mest passende mineraler for utvinning av jern. Mineralene mest anvendes for å oppnå det er følgende: hematitt (Fe ₂ O ₃ ), magnetitt (Fe ₃ O ₄ ), limonitt (FeO · OH-nH ₂ O) og sideritt (FECO ₃ ).

Da er første trinn i utvinningen å samle bergartene med jernmalmene. Disse steinene knuses for å dele dem i små biter. Deretter er det en fase med utvelgelse av fragmentene av bergartene med jernmalm.

To strategier følges i utvalget: bruk av magnetfelt og sedimentasjon i vann. Bergensfragmentene er utsatt for et magnetfelt og mineralfragmentene er orientert i det, slik at de kan skilles fra hverandre.

I den andre metoden blir steinfragmentene dumpet i vannet, og de som inneholder jern, fordi de er tyngre, legger seg i bunnen av vannet, og lar ganguen stå i den øvre delen av vannet fordi det er lettere.

Sprengningsovn

Masovn der stål produseres. Kilde: Pixabay.

Jernmalmene blir transportert til masovner, hvor de blir dumpet sammen med kokskull, som har rollen som leverandør av drivstoff og karbon. I tillegg tilsettes kalkstein eller kalkstein, som oppfyller fluksens funksjon.

Mastovnen, med den forrige blanding, injiseres varm luft ved en temperatur på 1 000 ºC. Jern smeltes ved forbrenning av kull som bringer temperaturen til 1 800 ºC. Når den er flytende, kalles det svinejern, som akkumuleres i bunnen av ovnen.

Grisen jern fjernes fra ovnen og helles i containere som skal transporteres til et nytt støperi; mens slaggen, en urenhet som ligger på overflaten av råjernet, kastes.

Grisjern helles ved bruk av øser i en omformningsovn, sammen med kalkstein som fluks, og oksygen tilføres ved høye temperaturer. Dermed reduseres karboninnholdet, og raffinerer svinejernet for å gjøre det til stål.

Deretter føres stålet gjennom elektriske ovner for produksjon av spesialstål.

applikasjoner

-Metalljern

Jernbro i England, en av de mange konstruksjonene som er laget med jern eller dets legeringer. Kilde: Ingen maskinlesbar forfatter gitt. Jasonjsmith antok (basert på opphavsrettskrav).

Fordi det er et billig, formbart, duktilt metall som har blitt motstandsdyktig mot korrosjon, har det blitt det mest nyttige metallet for mennesker, under dets forskjellige former: smidd, støpt og stål av forskjellige typer.

Jern brukes til konstruksjon av:

-Bridges

-Basikk for bygninger

-Dører og vinduer

-Battskrog

- Ulike verktøy

-Rør for drikkevann

-Rør for innsamling av avløpsvann

-Møbler til hagene

-Grille for hjemmesikkerhet

Det brukes også til produksjon av husholdningsutstyr, for eksempel gryter, panner, kniver, gafler. I tillegg brukes det til fremstilling av kjøleskap, komfyrer, vaskemaskiner, oppvaskmaskiner, blendere, ovner, brødristere.

Kort sagt, jern er til stede i alle gjenstander som omgir mennesket.

Nanopartikler

Metallisk jern fremstilles også som nanopartikler, som er svært reaktive og har magnetiske egenskaper til det makroskopiske faste stoffet.

Disse sfærer av Fe (og deres flere tilleggsmorfologier) blir brukt til å rense vann av organoklorforbindelser, og som medikamentbærere som blir levert til utvalgte områder av kroppen gjennom påføring av et magnetfelt.

De kan også tjene som katalytiske bærere i reaksjoner der karbonbindinger, CC, er brutt.

-Jernforbindelser

oksider

Jernholdig oksyd, FeO, brukes som pigment for krystaller. Jernoksyd, Fe ₂ O ₃ , er grunnlaget for en rekke pigmenter som strekker seg fra gult til rødt, kjent som venetiansk rødt. Den røde formen, kalt rouge, brukes til å polere edelmetaller og diamanter.

Ferroferrikoksyd, Fe ₃ O ₄ , brukes i ferriter, stoffer med høy magnetisk tilgjengelighet og elektrisk resistivitet, som kan brukes i visse datamaskinminner og til belegg av magnetbånd. Det har også blitt brukt som pigment og poleringsmiddel.

sulfater

Ferrosulfat-heptahydrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, er den mest vanlige form av ferrosulfat, kjent som grønn vitriol eller coppera. Det brukes som reduksjonsmiddel og til fremstilling av blekk, gjødsel og sprøytemidler. Den finner også bruk i galvanisering av jern.

Jernsulfat, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , brukes til å oppnå jernalum og andre jernholdige forbindelser. Det fungerer som en koagulant i rensing av avløpsvann, og som en mordant i farging av tekstiler.

klorider

Ferroklorid, FeCl ₂ , blir brukt som et beisemiddel og reduksjonsmiddel. I mellomtiden brukes jernklorid, FeCl ₃ , som et kloreringsmiddel for metaller (sølv og kobber) og noen organiske forbindelser.

Behandling av Fe ³⁺ med heksocyanoferration ^-4 gir et blått bunnfall, kalt prøyssisk blått, brukt i maling og lakk.

Jernmat

Muslinger er en rik matkilde til jern. Kilde: Pxhere.

Generelt anbefales et jerninntak på 18 mg / dag. Følgende matvarer som gir det i det daglige kostholdet:

Skalldyr gir jern i hemmeform, så det er ingen hemning i tarmsabsorpsjonen av den. Muslingen gir opptil 28 mg jern per 100 g av den; derfor ville denne mengden musling være nok til å tilveiebringe det daglige behovet for jern.

Spinat inneholder 3,6 mg jern per 100 g. Oksekjøtt av kjøtt, for eksempel kalvekjøttelever, inneholder 6,5 mg jern per 100 g. Bidraget med blodpølse vil sannsynligvis være noe høyere. Blodpølse består av deler av tynntarmen, fylt med storfekjøttblod.

Belgfrukter, for eksempel linser, inneholder 6,6 mg jern per 198 g. Rødt kjøtt inneholder 2,7 mg jern per 100 g. Gresskarfrø inneholder 4,2 mg per 28 g. Quinoa inneholder 2,8 mg jern per 185 g. Det mørke kjøttet av kalkun inneholder 2,3 mg per 100 g. Brokkoli inneholder 2,3 mg per 156 mg.

Tofu inneholder 3,6 mg per 126 g. I mellomtiden inneholder mørk sjokolade 3,3 mg per 28 g.

Biologisk rolle

Funksjonene som jern utfører, spesielt i levende virveldyr, er utallige. Det anslås at mer enn 300 enzymer trenger jern for deres funksjon. Blant enzymene og proteiner som bruker det, heter følgende:

-Proteiner som har hemgruppen og ikke har enzymatisk aktivitet: hemoglobin, myoglobin og neuroglobin.

-Enzymer med hemgruppen som er involvert i elektrontransport: cytokrom a, b og f, og cytokrom oksidaser og / eller oksydaseaktivitet; sulfittoksydase, cytokrom P450 oksidase, myeloperoksidase, peroksidase, katalase, etc.

-Proteiner som inneholder jern-svovel, relatert til oksyreduktaseaktiviteter, involvert i energiproduksjon: suksinatdehydrogenase, isocitratdehydrogenase og aconitase, eller enzymer involvert i DNA-replikasjon og -reparasjon: DNA-polymerase og DNA-heliklaser.

-Heme-enzymer som bruker jern som en kofaktor for sin katalytiske aktivitet: fenylalaninhydrolase, tyrosinhydrolase, tryptophan hydrolase og lysine hydrolase.

-Hemmeproteiner som er ansvarlige for transport og lagring av jern: ferritin, transferrin, haptoglobin, etc.

risiko

toksisitet

Risiko ved eksponering for overflødig jern kan være akutt eller kronisk. En årsak til akutt jernforgiftning kan være overdreven inntak av jerntabletter, i form av glukonat, fumarat, etc.

Jern kan forårsake irritasjon i tarmslimhinnen, hvor ubehaget manifesteres umiddelbart etter inntak og forsvinner etter 6 til 12 timer. Det absorberte jernet blir avsatt i forskjellige organer. Denne akkumuleringen kan forårsake metabolske forstyrrelser.

Hvis mengden av inntatt jern er giftig, kan det føre til tarmperforering med peritonitt.

I det kardiovaskulære systemet produserer det hypovolemia som kan være forårsaket av gastrointestinal blødning, og frigjøring av jern av vasoaktive stoffer, som serotonin og histamin. Til syvende og sist kan massiv nekrose i leveren og leversvikt oppstå.

Hemochromatosia

Hemokromatosia er en arvelig sykdom som gir en endring i kroppens jernreguleringsmekanisme, som manifesteres i en økning i blodkonsentrasjonen av jern og dets akkumulering i forskjellige organer; inkludert leveren, hjertet og bukspyttkjertelen.

De første symptomene på sykdommen er følgende: leddsmerter, magesmerter, tretthet og svakhet. Med følgende symptomer og påfølgende tegn på sykdommen: diabetes, tap av seksuell lyst, impotens, hjertesvikt og leversvikt.

hemosiderosis

Hemosiderose er karakterisert, som navnet tilsier, av akkumulering av hemosiderin i vevene. Dette forårsaker ikke vevsskader, men det kan utvikle seg til skader som ligner på det som sees ved hemokromatosia.

Hemosiderose kan være forårsaket av følgende årsaker: økt absorpsjon av jern fra kostholdet, hemolytisk anemi som frigjør jern fra røde blodlegemer og overdreven blodoverføring.

Hemosiderose og hemokromatosia kan skyldes en mangelfull funksjon av hormonet hepcidin, et hormon som skilles ut av leveren som er involvert i reguleringen av kroppens jern.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropes of Iron: Typer, tetthet, bruk og fakta. Studere. Gjenopprettet fra: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropy of Iron: Thermodynamics and Crystal Structures. Metallurgi. Gjenopprettet fra: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Jern nano kraft. Gjenopprettet fra: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Jern. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
6. Shropshire History. (SF). Jernegenskaper. Gjenopprettet fra: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Fakta om jernelement. Gjenopprettet fra: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18. juli). 11 sunne matvarer rike på jern. Gjenopprettet fra: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodisk bord: Strykejern. Gjenopprettet fra: lenntech.com
10. Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (13. juni 2019). Jern. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com