SẮT (NGUYÊN TỐ): ĐẶC ĐIỂM, CẤU TẠO HÓA HỌC, CÔNG DỤNG - HÓA HỌC - 2025

Các chất sắt là một kim loại chuyển tiếp thuộc Nhóm 8 hoặc VIIIB của bảng tuần hoàn và thể hiện bằng ký hiệu hóa học Fe. Là một màu xám kim loại, dễ uốn, độ bền dẻo và cao, được sử dụng trong nhiều ứng dụng hữu ích cho con người và xã hội.

Nó chiếm 5% vỏ trái đất, và nó cũng là kim loại phong phú thứ hai sau nhôm. Ngoài ra, sự phong phú của nó bị vượt quá bởi oxy và silicon. Tuy nhiên, đối với lõi trái đất, 35% của nó được cấu tạo từ kim loại và sắt lỏng.

Alchemist-hp (nói chuyện) (www.pse-mendelejew.de)

Bên ngoài lõi trái đất, sắt không được tìm thấy ở dạng kim loại, vì nó bị oxy hóa nhanh chóng khi tiếp xúc với không khí ẩm. Nó nằm trong đá bazan, trầm tích cacbon và thiên thạch; thường hợp kim với niken, như trong khoáng vật kamacit.

Các khoáng chất sắt chính được sử dụng để khai thác là sau: hematit (oxit sắt, Fe ₂ O ₃ ), magnetit (oxit sắt, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hydroxit oxit sắt ngậm nước), và siderit (sắt cacbonat, FeCO ₃ ).

Trung bình, con người có hàm lượng 4,5 g sắt, trong đó 65% ở dạng hemoglobin. Protein này tham gia vào quá trình vận chuyển oxy trong máu và phân phối đến các mô khác nhau, để được myoglobin và neuroglobin hấp thụ sau đó.

Mặc dù có nhiều lợi ích của sắt đối với con người, nhưng kim loại dư thừa có thể gây độc rất nghiêm trọng, đặc biệt là đối với gan, hệ tim mạch và tuyến tụy; đó là trường hợp của bệnh di truyền hemochromatosia.

Sắt đồng nghĩa với xây dựng, sức mạnh và chiến tranh. Mặt khác, do sự phong phú của nó, nó luôn là một lựa chọn thay thế để xem xét khi phát triển các vật liệu, chất xúc tác, thuốc hoặc polyme mới; và mặc dù có màu đỏ của rỉ sét, nó là một kim loại xanh với môi trường.

Lịch sử

cổ xưa

Sắt đã được xử lý trong nhiều thiên niên kỷ. Tuy nhiên, rất khó để tìm thấy những đồ vật bằng sắt có niên đại cổ xưa như vậy do chúng dễ bị ăn mòn, nguyên nhân gây ra sự phá hủy chúng. Các đồ vật bằng sắt lâu đời nhất được biết đến được làm từ vật liệu được tìm thấy trong các thiên thạch.

Đó là trường hợp của một loại hạt được làm vào năm 3500 trước Công nguyên, được tìm thấy ở Gerzah, Ai Cập, và một con dao găm được tìm thấy trong lăng mộ của Tutankhamun. Các thiên thạch sắt được đặc trưng bởi hàm lượng niken cao, vì vậy nguồn gốc của chúng có thể được xác định trong những vật thể này.

Bằng chứng về gang cũng được tìm thấy ở Asmar, Mesopotamia và Tail Chagar Bazaar, ở Syria, trong khoảng từ 3000-2700 trước Công nguyên. Mặc dù nghề đúc sắt bắt đầu từ thời kỳ đồ đồng, nhưng phải mất hàng thế kỷ mới có thể thay thế đồ đồng.

Ngoài ra, các đồ tạo tác bằng gang được tìm thấy ở Ấn Độ, 1800 đến 1200 trước Công nguyên, và ở Levant, khoảng 1500 trước Công nguyên. Người ta cho rằng Thời đại đồ sắt bắt đầu vào năm 1000 trước Công nguyên, do chi phí sản xuất chúng giảm xuống.

Nó xuất hiện ở Trung Quốc từ năm 700 đến 500 trước Công nguyên, có lẽ được vận chuyển qua Trung Á. Những đồ vật bằng sắt đầu tiên được tìm thấy ở Luhe Jiangsu, Trung Quốc.

Châu Âu

Sắt rèn được sản xuất ở châu Âu thông qua việc sử dụng cái gọi là lò rèn gala. Quá trình này yêu cầu sử dụng than làm nhiên liệu.

Lò cao thời Trung cổ cao 3,0 m, làm bằng gạch chống cháy và không khí được cung cấp bằng ống thổi thủ công. Năm 1709, Abraham Darby thành lập một lò luyện than cốc để sản xuất sắt nóng chảy, thay thế than củi.

Sự sẵn có của sắt giá rẻ là một trong những yếu tố dẫn đến cuộc Cách mạng Công nghiệp. Thời kỳ này bắt đầu luyện gang thành gang rèn, được dùng để xây cầu, tàu, kho xưởng, v.v.

Thép

Thép sử dụng nồng độ cacbon cao hơn sắt rèn. Thép được sản xuất ở Luristan, Ba Tư, vào năm 1000 trước Công nguyên Các phương pháp sản xuất thanh sắt không có carbon mới được đưa ra trong cuộc Cách mạng Công nghiệp, sau đó được sử dụng để sản xuất thép.

Vào cuối những năm 1850, Henry Bessemer đã nghĩ ra cách thổi không khí vào gang nóng chảy để sản xuất thép nhẹ, giúp sản xuất thép kinh tế hơn. Điều này dẫn đến việc giảm sản xuất sắt rèn.

Tính chất

Xuất hiện

Ánh kim loại với một chút xám.

Trọng lượng nguyên tử

55,845 u.

Số nguyên tử (Z)

26

Độ nóng chảy

1.533 ºC

Điểm sôi

2.862 ºC

Tỉ trọng

-Nhiệt độ môi trường: 7.874 g / mL.

-Điểm kết dính (chất lỏng): 6.980 g / mL.

Nhiệt của nhiệt hạch

13,81 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

340 kJ / mol

Công suất nhiệt lượng mol

25,10 J / (mol K)

Năng lượng ion hóa

- Mức độ ion hóa đầu tiên: 762,5 kJ / mol (Fe ^{+ ở thể} khí)

- Mức ion hóa thứ hai: 1.561,9 kJ / mol (Fe ^{2+ ở thể} khí)

- Mức độ ion hóa thứ ba: 2,957, kJ / mol (Fe ^{3+ ở thể} khí)

Độ âm điện

1,83 trên thang điểm Pauling

Đài nguyên tử

126 giờ chiều theo kinh nghiệm

Dẫn nhiệt

80,4 W / (mK)

Điện trở suất

96,1 Ω · m (ở 20 ºC)

Điểm Curie

770 ° C, xấp xỉ. Ở nhiệt độ này, sắt không còn là sắt từ.

Đồng vị

Đồng vị bền: ⁵⁴ Fe, với hàm lượng 5,85%; ⁵⁶ Fe, với lượng dư 91,75%; ⁵⁷ Fe, với lượng dư 2,12%; và ⁵⁷ Fe, với lượng dư 0,28%. Vì ⁵⁶ Fe là đồng vị bền nhất và phong phú nhất, nên không có gì ngạc nhiên khi trọng lượng nguyên tử của sắt rất gần với 56 u.

Trong khi các đồng vị phóng xạ là: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe và ⁶⁰ Fe.

Cấu trúc và cấu hình điện tử

- Tất cả các loại

Sắt ở nhiệt độ phòng kết tinh theo cấu trúc lập phương tâm khối (bcc), còn được gọi là α-Fe hoặc ferit (trong thuật ngữ luyện kim). Vì nó có thể áp dụng các cấu trúc tinh thể khác nhau như một hàm của nhiệt độ và áp suất, nên sắt được cho là một kim loại dị hướng.

Bcc có dạng allotrope là sắt thông thường (sắt từ), một chất mà mọi người đã biết rất rõ và bị nam châm hút. Khi bị nung nóng trên 771 ºC, nó trở nên thuận từ, và mặc dù tinh thể của nó chỉ nở ra, “pha mới” này trước đây được coi là β-Fe. Các dạng thù hình khác của sắt cũng thuận từ.

Trong khoảng từ 910ºC đến 1.394ºC, sắt được tìm thấy dưới dạng hợp kim Austenit hoặc γ-Fe, có cấu trúc là lập phương tâm mặt, fcc. Sự chuyển đổi giữa Austenit và Ferit có tác động lớn đến quá trình luyện thép; vì các nguyên tử cacbon dễ hòa tan trong austenit hơn trong ferit.

Và sau đó, trên 1394 ºC cho đến điểm nóng chảy của nó (1538 ºC), sắt trở lại áp dụng cấu trúc bcc, δ-Fe; nhưng không giống như ferit, allotrope này là thuận từ.

Sắt Epsilon

Bằng cách tăng áp suất lên 10 GPa, ở nhiệt độ vài trăm độ C., allotrope α hoặc ferrite phát triển thành allotrope, epsilon, được đặc trưng bởi kết tinh trong một cấu trúc lục giác chặt chẽ; nghĩa là với các nguyên tử Fe nhỏ gọn nhất. Đây là dạng sắt dị hướng thứ tư.

Một số nghiên cứu đưa ra giả thuyết về sự tồn tại có thể có của các dạng thù hình khác của sắt dưới áp suất như vậy, nhưng ở nhiệt độ cao hơn.

-Liên kết kim loại

Bất kể dạng thù hình của sắt và nhiệt độ làm "rung chuyển" các nguyên tử Fe của nó, hoặc áp suất nén chặt chúng, chúng tương tác với nhau bằng các electron hóa trị như nhau; Đây là, những thứ được hiển thị trong cấu hình điện tử của chúng:

3d ⁶ 4s ²

Do đó, có tám electron tham gia vào liên kết kim loại, cho dù nó bị yếu đi hay tăng cường trong quá trình chuyển đổi dị hướng. Tương tự như vậy, chính tám electron này xác định các tính chất của sắt như tính dẫn nhiệt hoặc dẫn điện của nó.

-Số oxi hóa

Số oxi hóa quan trọng (và phổ biến) nhất của sắt là +2 (Fe ²⁺ ) và +3 (Fe ³⁺ ). Trên thực tế, danh pháp thông thường chỉ xem xét hai con số hoặc trạng thái này. Tuy nhiên, có những hợp chất mà sắt có thể thu được hoặc mất đi một số electron khác; nghĩa là, sự tồn tại của các cation khác được giả định.

Ví dụ, sắt cũng có thể có các số oxi hóa +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) và +7 (Fe ^{7 +} ). Loại anion lên men, FeO ₄ ^2- , có sắt với số oxi hóa +6, vì bốn nguyên tử oxi đã oxi hóa nó đến mức độ như vậy.

Tương tự như vậy, sắt có thể có số oxi hóa âm; chẳng hạn như: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) và -1 (Fe ^- ). Tuy nhiên, các hợp chất có tâm sắt với sự tăng electron này là rất hiếm. Đó là lý do tại sao, mặc dù nó vượt trội hơn mangan về mặt này, nhưng sau này tạo thành các hợp chất ổn định hơn nhiều với phạm vi trạng thái oxy hóa của nó.

Kết quả, đối với các mục đích thực tế, chỉ cần xem xét Fe ²⁺ hoặc Fe ³⁺ là đủ ; các cation khác được dành cho các ion hoặc hợp chất hơi cụ thể.

Làm thế nào nó được thu được?

Đồ trang trí bằng thép, hợp kim quan trọng nhất của sắt. Nguồn: Pxhere.

Thu thập nguyên liệu thô

Nó là cần thiết để tiến hành các vị trí của quặng của các khoáng sản thích hợp nhất cho việc khai thác sắt. Các khoáng chất được sử dụng nhiều nhất để thu được nó là: hematit (Fe ₂ O ₃ ), magnetit (Fe ₃ O ₄ ), limonite (FeO · OH · nH ₂ O) và siderit (FeCO ₃ ).

Sau đó, bước đầu tiên của quá trình khai thác là thu thập đá với quặng sắt. Những tảng đá này được nghiền nát để phá vỡ chúng thành những mảnh nhỏ. Sau đó, có một giai đoạn lựa chọn các mảnh vỡ của đá với quặng sắt.

Hai chiến lược được tuân theo trong việc lựa chọn: sử dụng từ trường và lắng trong nước. Các mảnh đá chịu tác động của từ trường và các mảnh khoáng chất được định hướng trong nó, do đó có thể tách ra.

Trong phương pháp thứ hai, các mảnh đá được đổ vào nước và những mảnh đá có chứa sắt, vì chúng nặng hơn, lắng xuống dưới đáy nước, để lại các hạt ở phần trên của nước vì nó nhẹ hơn.

Lò luyện sắt

Lò cao nơi sản xuất thép. Nguồn: Pixabay.

Quặng sắt được vận chuyển đến các lò cao, nơi chúng được đổ cùng với than cốc, có vai trò cung cấp nhiên liệu và carbon. Ngoài ra, đá vôi hoặc đá vôi được thêm vào, thực hiện chức năng của chất trợ dung.

Lò cao, với hỗn hợp trước đó, được đưa vào không khí nóng ở nhiệt độ 1.000 ºC. Sắt được nấu chảy bằng cách đốt cháy than đá đưa nhiệt độ lên 1.800 ºC. Một khi ở dạng lỏng, nó được gọi là gang, tích tụ ở đáy lò.

Gang được lấy ra khỏi lò và đổ vào các thùng chứa để vận chuyển đến xưởng đúc mới; trong khi xỉ, một tạp chất nằm trên bề mặt của gang, được loại bỏ.

Gang được đổ bằng cách sử dụng gáo vào lò nung chuyển đổi, cùng với đá vôi làm chất trợ dung, và oxy được đưa vào ở nhiệt độ cao. Do đó, hàm lượng cacbon giảm xuống, luyện gang để biến nó thành thép.

Sau đó, thép được đưa qua các lò điện để sản xuất các loại thép đặc biệt.

Các ứng dụng

- Sắt kim loại

Cầu sắt ở Anh, một trong những công trình được xây dựng bằng sắt hoặc hợp kim của nó. Nguồn: Không cung cấp tác giả có thể đọc bằng máy. Jasonjsmith giả định (dựa trên yêu cầu bản quyền).

Vì là kim loại có giá thành rẻ, dễ uốn, dễ uốn, có khả năng chống ăn mòn, nên nó đã trở thành kim loại hữu ích nhất cho con người, dưới các dạng khác nhau: rèn, đúc và thép các loại.

Sắt được sử dụng để xây dựng:

-Cầu

-Cơ bản cho các tòa nhà

-Cửa và cửa sổ

- Vỏ tàu

-Các công cụ khác nhau

- Đường ống nước uống

- Ống thu gom nước thải

- Đồ nội thất cho khu vườn

-Grille cho an ninh gia đình

Nó cũng được sử dụng trong sản xuất đồ dùng gia đình, chẳng hạn như nồi, chảo, dao, nĩa. Ngoài ra, nó còn được sử dụng trong sản xuất tủ lạnh, bếp, máy giặt, máy rửa bát, máy xay sinh tố, lò nướng, máy nướng bánh mì.

Nói tóm lại, sắt có mặt trong mọi đồ vật bao quanh con người.

Hạt nano

Sắt kim loại cũng được điều chế dưới dạng các hạt nano, có tính phản ứng cao và giữ nguyên các tính chất từ ​​tính của chất rắn vĩ mô.

Những quả cầu Fe này (và nhiều hình thái bổ sung của chúng) được sử dụng để làm sạch nước của các hợp chất clo hữu cơ, và làm chất vận chuyển thuốc được đưa đến các vùng chọn lọc của cơ thể thông qua ứng dụng của từ trường.

Chúng cũng có thể đóng vai trò là chất hỗ trợ xúc tác trong các phản ứng mà liên kết cacbon, CC, bị phá vỡ.

-Hợp chất sắt

Ôxít

Oxit sắt, FeO, được sử dụng làm chất màu cho tinh thể. Oxit sắt, Fe ₂ O ₃ , là cơ sở cho một số sắc tố từ vàng đến đỏ, được gọi là đỏ Venice. Hình dạng màu đỏ, được gọi là rouge, dùng để đánh bóng kim loại quý và kim cương.

Ferro-ferric oxide, Fe ₃ O ₄ , được sử dụng trong sắt, chất có khả năng tiếp cận từ tính và điện trở suất cao, có thể sử dụng trong một số bộ nhớ máy tính và trong lớp phủ của băng từ. Nó cũng đã được sử dụng như một chất màu và chất đánh bóng.

Sunfat

Ferrous sulfate heptahydrate, FeSO ₄ · 7H ₂ O, là dạng phổ biến nhất của sắt sulfate, được gọi là vitriol xanh hoặc coppera. Nó được sử dụng như một chất khử và trong sản xuất mực, phân bón và thuốc trừ sâu. Nó cũng được sử dụng trong quá trình mạ điện của sắt.

Sắt sunfat Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ được dùng để thu được phèn sắt và các hợp chất sắt khác. Nó phục vụ như một chất đông tụ trong quá trình lọc nước thải và như một chất kết dính trong quá trình nhuộm vải dệt.

Clorua

Clorua sắt, FeCl ₂ , được sử dụng làm chất kết dính và chất khử. Trong khi đó, clorua sắt, FeCl ₃ , được sử dụng làm chất khử clo cho kim loại (bạc và đồng) và một số hợp chất hữu cơ.

Xử lý Fe ³⁺ bằng ion hexocyanoferrat ^-4 tạo ra kết tủa màu xanh lam, gọi là màu xanh Prussian, được sử dụng trong sơn và sơn mài.

Thực phẩm sắt

Ngao là một nguồn thực phẩm giàu chất sắt. Nguồn: Pxhere.

Nói chung, lượng sắt là 18 mg / ngày được khuyến khích. Trong số các loại thực phẩm cung cấp nó trong chế độ ăn uống hàng ngày là:

Động vật có vỏ cung cấp chất sắt ở dạng heme, vì vậy không có sự ức chế trong quá trình hấp thụ chất này ở ruột. Ngao cung cấp tới 28 mg sắt trên 100 g; do đó, lượng ngao này sẽ đủ cung cấp nhu cầu sắt hàng ngày.

Rau bina chứa 3,6 mg sắt trên 100 g. Thịt nội tạng bò, ví dụ như gan bê, chứa 6,5 ​​mg sắt trên 100 g. Đóng góp của xúc xích huyết có thể cao hơn một chút. Giò huyết bao gồm phần ruột non, được nhồi bằng huyết bò.

Các loại đậu, chẳng hạn như đậu lăng, chứa 6,6 mg sắt trên 198 g. Thịt đỏ chứa 2,7 mg sắt trên 100 g. Hạt bí ngô chứa 4,2 mg trên 28 g. Hạt diêm mạch chứa 2,8 mg sắt trên 185 g. Thịt gà tây có màu sẫm chứa 2,3 mg trên 100 g. Bông cải xanh chứa 2,3 mg mỗi 156 mg.

Đậu phụ chứa 3,6 mg trên 126 g. Trong khi đó, sô cô la đen chứa 3,3 mg trên 28 g.

Vai trò sinh học

Các chức năng mà sắt thực hiện, đặc biệt là ở các sinh vật có xương sống, là vô số. Người ta ước tính rằng hơn 300 enzym cần sắt cho chức năng của chúng. Trong số các enzym và protein sử dụng nó, những loại sau được đặt tên:

- Protein có nhóm heme và không có hoạt tính enzym: hemoglobin, myoglobin và neuroglobin.

-Enzyme có nhóm heme tham gia vào quá trình vận chuyển điện tử: cytochromes a, b, và f, và hoạt động cytochrome oxidase và / hoặc oxidase; sulfite oxidase, cytochrome P450 oxidase, myeloperoxidase, peroxidase, catalase, v.v.

-Protein chứa sắt-lưu huỳnh, liên quan đến các hoạt động của oxyreductase, tham gia vào quá trình sản xuất năng lượng: succinate dehydrogenase, isocitrate dehydrogenase và aconitase, hoặc các enzym liên quan đến quá trình sao chép và sửa chữa DNA: DNA-polymerase và DNA-heliclases.

-Những enzym không heme sử dụng sắt làm đồng yếu tố cho hoạt động xúc tác của chúng: phenylalanin hydrolase, tyrosine hydrolase, tryptophan hydrolase và lysine hydrolase.

-Các protein không heme chịu trách nhiệm vận chuyển và lưu trữ sắt: ferritin, transferrin, haptoglobin, v.v.

Rủi ro

Độc tính

Rủi ro do tiếp xúc với lượng sắt dư thừa có thể là cấp tính hoặc mãn tính. Một nguyên nhân gây ngộ độc sắt cấp tính có thể là do uống quá nhiều viên sắt, ở dạng gluconat, fumarate, v.v.

Sắt có thể gây kích ứng niêm mạc ruột, cảm giác khó chịu biểu hiện ngay sau khi uống và biến mất sau 6 đến 12 giờ. Sắt được hấp thụ sẽ lắng đọng trong các cơ quan khác nhau. Sự tích tụ này có thể gây ra rối loạn trao đổi chất.

Nếu lượng sắt ăn vào sẽ gây độc có thể gây thủng ruột kèm theo viêm phúc mạc.

Trong hệ thống tim mạch, nó tạo ra tình trạng giảm thể tích tuần hoàn có thể do chảy máu đường tiêu hóa và sự giải phóng sắt của các chất hoạt tính, chẳng hạn như serotonin và histamine. Cuối cùng, hoại tử lớn của gan và suy gan có thể xảy ra.

Hemochromatosia

Hemochromatosia là một bệnh di truyền có sự thay đổi trong cơ chế điều hòa sắt của cơ thể, biểu hiện là sự gia tăng nồng độ sắt trong máu và sự tích tụ của nó trong các cơ quan khác nhau; bao gồm gan, tim và tuyến tụy.

Các triệu chứng ban đầu của bệnh là: đau khớp, đau bụng, mệt mỏi và suy nhược. Với những triệu chứng và dấu hiệu tiếp theo của bệnh: tiểu đường, mất ham muốn tình dục, liệt dương, suy tim và suy gan.

Hemosiderosis

Hemosiderosis được đặc trưng, ​​như tên gọi của nó, bởi sự tích tụ của hemosiderin trong các mô. Điều này không gây tổn thương mô, nhưng nó có thể tiến triển thành tổn thương tương tự như tổn thương ở bệnh huyết sắc tố.

Hemosiderosis có thể do các nguyên nhân sau: tăng hấp thu sắt từ chế độ ăn, thiếu máu huyết tán giải phóng sắt từ hồng cầu, truyền máu quá nhiều.

Hemosiderosis và hemochromatosia có thể là do sự hoạt động không đầy đủ của hormone hepcidin, một loại hormone do gan tiết ra có liên quan đến việc điều hòa sắt trong cơ thể.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ . (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Foist L. (2019). Các dạng sắt: Loại, Mật độ, Công dụng & Sự kiện. Học. Phục hồi từ: study.com
3. Jayanti S. (nd). Allotropy of Iron: Thermodynamics and Crystal Structures. Luyện kim. Khôi phục từ: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Điện nano sắt. Phục hồi từ: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Bàn là. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
6. Lịch sử Shropshire. (sf). Tính chất sắt. Phục hồi từ: shropshirehistory.com
7. Tiến sĩ Dough Stewart. (2019). Sự thật về nguyên tố sắt. Phục hồi từ: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, ngày 18 tháng 7). 11 loại thực phẩm lành mạnh giàu chất sắt. Phục hồi từ: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Bảng tuần hoàn: Bàn là. Khôi phục từ: lenntech.com
10. Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (Ngày 13 tháng 6 năm 2019). Bàn là. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com