FIER (ELEMENT): CARACTERISTICI, STRUCTURĂ CHIMICĂ, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Fierul este un metal de tranziție aparținând Grupului 8 sau VIIIb din tabelul periodic și reprezentat prin simbolul chimic Fe. Este un gri metalic, ductil, maleabil și rezistență ridicată, utilizate în numeroase aplicații utile pentru om și societatea.

Constituie 5% din scoarța terestră și este și al doilea cel mai abundent metal după aluminiu. De asemenea, abundența sa este depășită de oxigen și siliciu. Cu toate acestea, în ceea ce privește miezul pământului, 35% din acesta este compus din fier metalic și lichid.

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

În afara miezului pământului, fierul nu se găsește sub formă metalică, deoarece este oxidat rapid atunci când este expus la aerul umed. Este localizat în roci de bazalt, sedimente carbonifere și meteoriți; în general aliate cu nichel, ca în kamacitul mineral.

Principalele minerale de fier utilizate pentru minerit sunt următoarele: hematit (oxid feric, Fe ₂ O ₃ ), magnetită (oxid ferrosomeric, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hidroxid de fier feros hidratat) și siderit (carbonat de fier, FeCO ₃ ).

În medie, omul are un conținut de 4,5 g de fier, dintre care 65% este sub formă de hemoglobină. Această proteină este implicată în transportul oxigenului în sânge și în distribuția sa către diferitele țesuturi, pentru preluarea ulterioară a acesteia de către mioglobină și neuroglobină.

În ciuda numeroaselor beneficii ale fierului pentru oameni, excesul de metal poate avea acțiuni toxice foarte grave, în special asupra ficatului, sistemului cardiovascular și a pancreasului; acesta este cazul hemocromatoziei bolii ereditare.

Fierul este sinonim cu construcția, forța și războaiele. Pe de altă parte, datorită abundenței sale, este întotdeauna o alternativă de luat în considerare când vine vorba de dezvoltarea de noi materiale, catalizatori, medicamente sau polimeri; și în ciuda culorii roșii a ruginilor sale, este un metal ecologic.

Istorie

Antichitate

Fierul a fost prelucrat de milenii. Cu toate acestea, este dificil să găsești obiecte de fier din asemenea vârste străvechi, datorită susceptibilității lor de a coroda, ceea ce provoacă distrugerea lor. Cele mai vechi obiecte de fier cunoscute au fost realizate din cel găsit în meteoriți.

Acesta este cazul unui fel de margele confecționate în anul 3500 î.Hr., găsit la Gerzah, Egipt și un pumnal găsit în mormântul lui Tutankhamon. Meteoritele de fier sunt caracterizate printr-un conținut ridicat de nichel, astfel încât proveniența lor ar putea fi identificată în aceste obiecte.

Dovada fierului turnat a fost găsită și în Asmar, Mesopotamia și Tail Chagar Bazaar, în Siria, între 3000-2700 î.Hr. Deși turnarea fierului a început în epoca bronzului, a fost nevoie de secole pentru ca acesta să îndepărteze bronzul.

În plus, artefacte din fontă au fost găsite în India, 1800 - 1200 î.e.n., iar în Levant, aproximativ 1500 î.Hr. Se crede că epoca fierului a început în 1000 î.Hr., deoarece costul producției lor a fost redus.

Apare în China între 700 și 500 î.Hr., transportat probabil prin Asia Centrală. Primele obiecte de fier au fost găsite în Luhe Jiangsu, China.

Europa

Fierul forjat a fost produs în Europa prin utilizarea așa-numitelor forje de gala. Procesul necesita utilizarea cărbunelui ca combustibil.

Cuptoarele medievale au fost înalte de 3,0 m, confecționate din cărămizi ignifuge, iar aerul a fost furnizat de burduf manual. În 1709, Abraham Darby a înființat un cuptor cu suflu de cocs pentru a produce fier topit, înlocuind cărbunele.

Disponibilitatea fierului ieftin a fost unul dintre factorii care au dus la revoluția industrială. În această perioadă a început rafinarea fierului de porc la fier forjat, care a fost folosit pentru construirea de poduri, nave, depozite etc.

Oţel

Oțelul folosește o concentrație mai mare de carbon decât fierul forjat. Oțelul a fost produs în Luristan, Persia, în 1000 î.Hr. Au fost concepute noi metode de producere a barelor de fier fără carbon în Revoluția industrială, care ulterior au fost utilizate pentru producerea oțelului.

La sfârșitul anilor 1850, Henry Bessemer a conceput să sufle aer în fierul de porc topit pentru a produce oțel blând, ceea ce a făcut producția de oțel mai economică. Aceasta a dus la o scădere a producției de fier forjat.

Proprietăți

Aspect

Lustru metalic cu o tentă cenușie.

Greutate atomica

55.845 u.

Număr atomic (Z)

26

Punct de topire

1.533 ºC

Punct de fierbere

2,862 ºC

Densitate

-Temperatura ambientala: 7,874 g / ml.

-Punct de topire (lichid): 6.980 g / ml.

Căldură de fuziune

13,81 kJ / mol

Căldură de vaporizare

340 kJ / mol

Capacitate calorică molară

25,10 J / (mol K)

Energie de ionizare

-Primul nivel de ionizare: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gazos)

-Un nivel de ionizare secundar: 1.561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gazos)

-Tercul nivel de ionizare: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gazos)

electronegativitate

1.83 pe scara Pauling

Radio atomic

Empiric 126 pm

Conductivitate termică

80,4 W / (mK)

Rezistență electrică

96,1 Ω · m (la 20 ºC)

Punctul Curie

770 ° C, aproximativ. La această temperatură, fierul nu mai este feromagnetic.

izotopi

Izotopi stabili: ⁵⁴ Fe, cu o abundență de 5,85%; ⁵⁶ Fe, cu o abundență de 91,75%; ⁵⁷ Fe, cu o abundență de 2,12%; și ⁵⁷ Fe, cu o abundență de 0,28%. Deoarece ⁵⁶ Fe este cel mai stabil și mai izotop abundent, nu este surprinzător că greutatea atomică a fierului este foarte apropiată de 56 u.

În timp ce izotopii radioactivi sunt: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe și ⁶⁰ Fe.

Structura și configurația electronică

-Allropes

Fierul la temperatura camerei se cristalizează în structura cubică centrată pe corp (cc), care este, de asemenea, cunoscută sub numele de α-Fe sau ferită (în jargonul metalurgic). Deoarece poate adopta diferite structuri de cristal ca funcție de temperatură și presiune, se spune că fierul este un metal alotrop.

Allotrope bcc este fierul comun (ferromagnetic), cel pe care oamenii îl cunosc atât de bine și este atras de magneți. Când este încălzit peste 771 ºC, devine paramagnetic și, deși cristalul său se extinde doar, această „nouă fază” a fost considerată anterior β-Fe. Celelalte alotrope ale fierului sunt, de asemenea, paramagnetice.

Între 910ºC și 1394ºC, fierul se găsește sub forma austenitei sau alotropului γ-Fe, a cărui structură este cubică centrată pe față, fcc. Conversia între austenită și ferită are un impact major asupra producției de oțel; deoarece atomii de carbon sunt mai solubili în austenită decât în ​​ferită.

Și apoi, peste 1394 ºC până la punctul său de topire (1538 ºC), fierul revine să adopte structura cc, δ-Fe; dar spre deosebire de ferită, acest alotrop este paramagnetic.

Epsilon fier

Prin creșterea presiunii la 10 GPa, la o temperatură de câteva sute de grade centigrade, alotropul α sau ferită evoluează spre alotropul ε, epsilon, caracterizat prin cristalizarea într-o structură hexagonală compactă; adică cu cei mai compacti atomi de Fe. Aceasta este a patra formă alotropă de fier.

Unele studii teoretizează despre existența posibilă a altor alotrope de fier sub astfel de presiuni, dar la temperaturi chiar mai ridicate.

-Letă de legătură

Indiferent de alotropul de fier și de temperatura care îi „agită” atomii de Fe, sau de presiunea care îi compactează, interacționează între ei cu aceiași electroni de valență; Acestea sunt cele prezentate în configurația lor electronică:

3d ⁶ 4s ²

Prin urmare, există opt electroni care participă la legătura metalică, indiferent dacă este slăbit sau întărit în timpul tranzițiilor alotrope. De asemenea, acești opt electroni sunt cei care definesc proprietățile fierului, cum ar fi conductivitatea termică sau electrică.

-Numere de oxidare

Cele mai importante (și comune) numere de oxidare pentru fier sunt +2 (Fe ²⁺ ) și +3 (Fe ³⁺ ). De fapt, nomenclatura convențională are în vedere doar aceste două numere sau stări. Cu toate acestea, există compuși în care fierul poate câștiga sau pierde un alt număr de electroni; adică se presupune existența altor cationi.

De exemplu, fierul poate avea și numere de oxidare de +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) și +7 (Fe ^{7 +} ). Specia de feroni anionici, FeO ₄ ^2- , are fier cu un număr de oxidare de +6, deoarece cei patru atomi de oxigen l-au oxidat într-o asemenea măsură.

La fel, fierul poate avea numere de oxidare negative; cum ar fi: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) și -1 (Fe ^- ). Cu toate acestea, compușii cu centre de fier cu aceste câștiguri de electroni sunt foarte rare. De aceea, deși depășește manganul în această privință, acesta din urmă formează compuși mult mai stabili cu gama sa de stări de oxidare.

Rezultatul, în scopuri practice, este suficient să luăm în considerare Fe ²⁺ sau Fe ³⁺ ; ceilalți cationi sunt rezervați ionilor sau compușilor oarecum specifici.

Cum se obține?

Ornamente de oțel, cel mai important aliaj de fier. Sursa: Pxhere.

Colectarea materiilor prime

Trebuie să procedăm la localizarea minereurilor celor mai potrivite minerale pentru minarea fierului. Mineralele cele mai utilizate pentru obținerea acestuia sunt următoarele: hematită (Fe ₂ O ₃ ), magnetită (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) și siderit (FeCO ₃ ).

Apoi, primul pas în extracție este colectarea rocilor cu minereurile de fier. Aceste roci sunt zdrobite pentru a le sparge în bucăți mici. Ulterior, există o fază de selecție a fragmentelor rocilor cu minereu de fier.

În selecție sunt urmate două strategii: utilizarea unui câmp magnetic și sedimentarea în apă. Fragmentele de rocă sunt supuse unui câmp magnetic, iar fragmentele minerale sunt orientate în el, putând fi astfel separate.

În a doua metodă, fragmentele stâncoase sunt aruncate în apă și cele care conțin fier, pentru că sunt mai grele, se așează pe fundul apei, lăsând ganga în partea superioară a apei, deoarece este mai ușoară.

Furnal

Cuptor prin care se produce oțel. Sursa: Pixabay.

Minereurile de fier sunt transportate în furnale, unde sunt aruncate împreună cu cărbune de cocsare, care are rolul de furnizor de combustibil și carbon. În plus, se adaugă calcar sau calcar, care îndeplinește funcția de flux.

Cuptorul, cu amestecul anterior, este injectat cu aer cald la o temperatură de 1.000 ºC. Fierul este topit prin arderea cărbunelui care aduce temperatura la 1.800 ºC. Odată lichid, se numește fier de porc, care se acumulează în partea de jos a cuptorului.

Fierul de porc este scos din cuptor și turnat în containere pentru a fi transportat la o turnătorie nouă; în timp ce zgura, o impuritate localizată pe suprafața fierului de porc, este aruncată.

Fierul de porc se toarnă prin utilizarea burlelor de turnare într-un cuptor convertor, împreună cu calcarul ca flux, iar oxigenul este introdus la temperaturi ridicate. Astfel, conținutul de carbon este redus, rafinând fierul de porc pentru a-l transforma în oțel.

Ulterior, oțelul este trecut prin cuptoare electrice pentru producerea de oțeluri speciale.

Aplicații

-Fier metalic

Podul de fier din Anglia, una dintre numeroasele construcții realizate cu fier sau aliaje ale acestuia. Sursa: Nu este furnizat niciun autor care poate fi citit de mașină. Jasonjsmith și-a asumat (bazat pe revendicări de copyright).

Deoarece este un metal ductil maleabil, cu costuri reduse, care a devenit rezistent la coroziune, a devenit cel mai util metal pentru om, sub diferitele sale forme: forjat, turnat și oțel de diferite tipuri.

Fierul este utilizat pentru construcția:

-poduri

-Basics pentru clădiri

-Deporturi și ferestre

-Capele de barcă

-Unelte diferite

-Etupare pentru apa potabila

-Tuburi pentru colectarea apelor uzate

-Mobilizare pentru grădini

-Grilă pentru securitatea locuinței

De asemenea, este utilizat la producerea ustensilelor de uz casnic, cum ar fi vase, tigăi, cuțite, furci. În plus, este utilizat la fabricarea de frigidere, sobe, mașini de spălat, mașini de spălat vase, amestecătoare, cuptoare, prăjitoare.

Pe scurt, fierul este prezent în toate obiectele care înconjoară omul.

Nanoparticulele

Fierul metalic este de asemenea preparat sub formă de nanoparticule, care sunt foarte reactive și păstrează proprietățile magnetice ale solidului macroscopic.

Aceste sfere de Fe (și multiplele lor morfologii) sunt utilizate pentru a purifica apele compușilor organoclorurați și ca purtători de medicamente livrați în anumite regiuni ale corpului prin aplicarea unui câmp magnetic.

De asemenea, pot servi ca suport catalitic în reacțiile în care legăturile de carbon, CC, sunt rupte.

-Compuși cu iron

Oxizii

Oxidul feros, FeO, este utilizat ca un pigment pentru cristale. Oxidul feric, Fe ₂ O ₃ , este baza pentru o serie de pigmenți variind de la galben până la roșu, cunoscut sub numele de roșu venețian. Forma roșie, numită rouge, este folosită pentru a lustrui metalele prețioase și diamantele.

Oxidul ferro-feric, Fe ₃ O ₄ , este utilizat în ferit, substanțe cu accesibilitate magnetică ridicată și rezistivitate electrică, utilizabil în anumite memorii ale calculatorului și în acoperirea benzilor magnetice. De asemenea, a fost folosit ca un pigment și agent de lustruire.

Sulfate

Heptahidratul de sulfat feros, FeSO ₄ · 7H ₂ O, este cea mai frecventă formă de sulfat feros, cunoscut sub numele de vitriol verde sau coppera. Este utilizat ca agent de reducere și la fabricarea de cerneluri, îngrășăminte și pesticide. De asemenea, își găsește folosirea în electroplarea fierului.

Sulfatul feric, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , este utilizat pentru a obține aluminiul de fier și alți compuși ferici. Acesta servește ca coagulant la purificarea apelor uzate și ca mordant în vopsirea textilelor.

cloruri

Clorura feroasă, FeCl ₂ , este utilizată ca agent mordant și reducător. Între timp, clorura ferică, FeCl ₃ , este utilizată ca agent de clorinare pentru metale (argint și cupru) și pentru unii compuși organici.

Tratamentul Fe ³⁺ cu ionul hexocianoferrat ^-4 produce un precipitat albastru, numit albastru prusac, utilizat în vopsele și lacuri.

Alimente de fier

Scoicile sunt o sursă bogată de hrană de fier. Sursa: Pxhere.

În general, se recomandă un aport de fier de 18 mg / zi. Printre alimentele care îl furnizează în dieta zilnică se numără următoarele:

Peștele de coajă oferă fier sub formă de heme, astfel încât nu există nicio inhibiție în absorbția intestinală a acestuia. Scoica furnizează până la 28 mg de fier la 100 g din ea; prin urmare, această cantitate de scoică ar fi suficientă pentru a furniza necesarul zilnic de fier.

Spanacul conține 3,6 mg de fier la 100 g. Carnea de organ de vită, de exemplu ficatul de vițel, conține 6,5 mg de fier la 100 g. Contribuția mezelurilor este probabil să fie ceva mai mare. Carnatul de sange este format din portiuni ale intestinului subtire, umplute cu sange de vita.

Leguminoasele, cum ar fi lintea, conțin 6,6 mg de fier la 198 g. Carnea roșie conține 2,7 mg de fier la 100 g. Semințele de dovleac conțin 4,2 mg pe 28 g. Quinoa conține 2,8 mg de fier la 185 g. Carnea întunecată de curcan conține 2,3 mg la 100 g. Broccoli conține 2,3 mg pe 156 mg.

Tofu conține 3,6 mg pe 126 g. Între timp, ciocolata neagră conține 3,3 mg pe 28 g.

Rolul biologic

Funcțiile pe care fierul le îndeplinește, în special la ființele vii vertebrate, sunt nenumărate. Se estimează că peste 300 de enzime necesită fier pentru funcția lor. Dintre enzimele și proteinele care o folosesc, se numesc următoarele:

-Proteine ​​care au grupa hemo și nu au activitate enzimatică: hemoglobină, mioglobină și neuroglobină.

-Enzimele cu grupa heme implicate în transportul electronilor: citocromele a, b și f și citoxrome oxidase și / sau oxidază; sulfat oxidazic, citocrom P450 oxidază, mieloperoxidază, peroxidază, catalază etc.

-Proteine ​​care conțin sulf de fier, aferente activităților de oxidredază, implicate în producerea de energie: succinat dehidrogenază, izocitrat dehidrogenază și aconitază sau enzime implicate în replicarea și repararea ADN-ului: ADN-polimerază și ADN-elicaze.

-Enzime non-heme care folosesc fierul ca cofactor pentru activitatea lor catalitică: fenilalanină hidrolază, tirozină hidrolază, triptofan hidrolază și lizină hidrolază.

-Proteine ​​care nu sunt heme responsabile de transportul și depozitarea fierului: feritină, transferrină, haptoglobină etc.

riscuri

Toxicitate

Riscurile de expunere la excesul de fier pot fi acute sau cronice. O cauză pentru intoxicații acute cu fier poate fi aportul excesiv de tablete de fier, sub formă de gluconat, fumarat etc.

Fierul poate provoca iritarea mucoasei intestinale, al cărui disconfort se manifestă imediat după ingestie și dispare după 6 până la 12 ore. Fierul absorbit este depus în diferite organe. Această acumulare poate provoca tulburări metabolice.

Dacă cantitatea de fier ingerată este toxică, poate provoca perforație intestinală cu peritonită.

În sistemul cardiovascular, produce hipovolemie care poate fi cauzată de sângerare gastrointestinală și eliberarea prin fier de substanțe vasoactive, cum ar fi serotonina și histamina. În cele din urmă, poate apărea necroza masivă a ficatului și insuficiența hepatică.

Hemochromatosia

Hemocromatoza este o boală ereditară care prezintă o modificare a mecanismului de reglare a fierului organismului, care se manifestă printr-o creștere a concentrației de sânge a fierului și acumularea acestuia în diferite organe; inclusiv ficatul, inima și pancreasul.

Simptomele inițiale ale bolii sunt următoarele: dureri articulare, dureri abdominale, oboseală și slăbiciune. Cu următoarele simptome și semne ulterioare ale bolii: diabet, pierderea dorinței sexuale, impotență, insuficiență cardiacă și insuficiență hepatică.

hemosiderozei

Hemosideroza este caracterizată, după cum îi spune și numele, prin acumularea de hemosiderină în țesuturi. Acest lucru nu provoacă leziuni tisulare, dar poate evolua la o deteriorare similară cu cea observată în hemocromatoză.

Hemosideroza poate fi cauzată de următoarele cauze: absorbția crescută a fierului din dietă, anemia hemolitică care eliberează fierul din globulele roșii și transfuziile excesive de sânge.

Hemosideroza și hemochromatoza s-ar putea datora unei funcționări inadecvate a hormonului hepcidină, un hormon secretat de ficat care este implicat în reglarea fierului corporal.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Alotrope de fier: tipuri, densitate, utilizări și fapte. Studiu. Recuperat din: studiu.com
3. Jayanti S. (nd). Alotropia fierului: termodinamică și structuri de cristal. Metalurgie. Recuperat de la: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Putere nano fier. Recuperat de la: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Fier. Recuperat de la: en.wikipedia.org
6. Istoria Shropshire. (Sf). Proprietățile fierului. Recuperat de la: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Fapte cu element de fier. Recuperat de la: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 iulie). 11 alimente sănătoase bogate în fier. Recuperat de la: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Masa periodica: fier. Recuperat de la: lenntech.com
10. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (13 iunie 2019). Fier. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com