Jern | ||||
---|---|---|---|---|
← Mangan | Kobolt → | ||||
| ||||
Udseende af et simpelt stof | ||||
Ultrarent jern | ||||
Atom egenskaber | ||||
Navn, symbol, nummer | Jern / Ferrum (Fe), 26 | |||
Gruppe , punktum , blok |
8 (forældet 8), 4, d-element |
|||
Atommasse ( molær masse ) |
55.845(2) [1] a. e. m. ( g / mol ) | |||
Elektronisk konfiguration |
[ Ar ] 3d 6 4s 2 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 6 4s 2 |
|||
Atomradius | 126 kl | |||
Kemiske egenskaber | ||||
kovalent radius | 117 kl | |||
Ion radius | (+3e) 64 (+2e) 74 kl | |||
Elektronegativitet | 1,83 (Pauling-skala) | |||
Elektrodepotentiale |
Fe←Fe 3+ -0,04 V Fe←Fe 2+ -0,44 V |
|||
Oxidationstilstande | -2; -en; 0; +1; +2; +3; +4; +5; +6 | |||
Ioniseringsenergi (første elektron) |
759,1 (7,87) kJ / mol ( eV ) | |||
Termodynamiske egenskaber af et simpelt stof | ||||
Tæthed ( i.a. ) | 7,874 g/cm³ | |||
Smeltetemperatur | 1812K (1538,85°C) | |||
Kogetemperatur | 3134K (2861°C) | |||
Oud. fusionsvarme | 247,1 kJ/kg 13,8 kJ/mol | |||
Oud. fordampningsvarme | ~6088 kJ/kg ~340 kJ/mol | |||
Molær varmekapacitet | 25,14 [2] J/(K mol) | |||
Molært volumen | 7,1 cm³ / mol | |||
Krystalgitteret af et simpelt stof | ||||
Gitterstruktur | Kubisk krop centreret | |||
Gitterparametre | 2.866Å _ | |||
Debye temperatur | 460K _ | |||
Andre egenskaber | ||||
Varmeledningsevne | (300 K) 80,4 W/(m K) | |||
CAS nummer | 7439-89-6 | |||
Emissionsspektrum | ||||
26 | Jern |
Fe55.845 | |
3d 6 4s 2 |
Jern ( kemisk symbol - Fe , fra lat. Ferrum ) er et kemisk grundstof af den 8. gruppe (ifølge den forældede klassifikation - en sideundergruppe af den ottende gruppe, VIIIB) i den fjerde periode af det periodiske system af kemiske grundstoffer af D. I. Mendeleev med atomnummer 26.
Det simple stof jern er et formbart , sølvhvidt overgangsmetal med høj kemisk reaktivitet: jern korroderer hurtigt i luft ved høje temperaturer eller høj luftfugtighed . I ren ilt brænder jern , og i en fint spredt tilstand antændes det spontant i luft.
Et af de mest almindelige metaller i jordskorpen: næst efter aluminium .
Faktisk kaldes jern normalt dets legeringer med et lavt indhold af urenheder (op til 0,8%), som bevarer blødheden og duktiliteten af rent metal. Men i praksis bruges legeringer af jern med kulstof oftere : stål (op til 2,14 vægtprocent kulstof) og støbejern (mere end 2,14 vægtprocent kulstof ) samt rustfrit (legeret) stål med tilsætning af legering metaller ( chrom , mangan , nikkel osv.). Kombinationen af de specifikke egenskaber af jern og dets legeringer gør det "metal nr. 1" i betydning for mennesker.
I naturen findes jern sjældent i sin rene form, oftest i sammensætningen af jern-nikkel-meteoritter. Forekomsten af jern i jordskorpen er 4,65 % (4. pladsen efter O , Si , Al [3] ). Det menes også, at jern udgør det meste af jordens kerne .
Jern som værktøjsmateriale har været kendt siden oldtiden. De ældste jernprodukter fundet under arkæologiske udgravninger går tilbage til det 4. årtusinde f.Kr. e. og tilhører de gamle sumeriske og gamle egyptiske civilisationer. Disse er lavet af meteorisk jern, det vil sige en legering af jern og nikkel (indholdet af sidstnævnte varierer fra 5 til 30%), smykker fra egyptiske grave (ca. 3800 f.Kr.) [4] [5] og en dolk fra Sumerisk by Ur (omkring 3100 f.Kr.). [6]
De første til at mestre metoden til at smelte jern var Hattaerne . Dette indikeres af den ældste (2. årtusinde f.Kr.) omtale af jern i hetitternes tekster , som grundlagde deres imperium på Hattianernes territorium (det moderne Anatolien i Tyrkiet) [7] .
I oldtiden blev Khalibs [8] betragtet som mestre af jernprodukter .
I den dybeste oldtid blev jern værdsat mere end guld, og ifølge beskrivelsen af Strabo gav afrikanske stammer 10 pund guld for 1 pund jern, og ifølge historikeren G. Areshyans undersøgelser, prisen på kobber , sølv , guld og jern blandt de gamle hetitter var i forholdet 1: 160 : 1280 : 6400. [9] I de dage blev jern brugt som smykkemetal, der blev fremstillet troner og andre kongemagts regalier: f.eks. , i den bibelske bog i Femte Mosebog , er "lejet af jern" af Refaim-kongen Og beskrevet [10] .
Ifølge Homers beskrivelser, selvom våben under den trojanske krig (ca. 1250 f.Kr.) for det meste var lavet af kobber og bronze, var jern allerede velkendt og efterspurgt, dog mere som et ædelmetal [11] .
Den bibelske bog Josua 17:16 (jf. Dommer 14:4) beskriver, at filisterne (bibelske "PILISTIM", og disse var proto-græske stammer i familie med de senere hellenere, hovedsageligt pelasgiere ) havde mange jernvogne, dvs. på det tidspunkt er jern allerede blevet meget brugt i store mængder.
Senere lært[ hvem? ] at lave mere effektive ovne (i russisk - højovn , domnitsa) til stålproduktion, og pelse blev brugt til at tilføre luft til ovnen. Romerne vidste allerede, hvordan man bringer temperaturen i ovnen til smeltning af stål (ca. 1400 ° C, og rent jern smelter ved 1535 ° C). I dette tilfælde dannes støbejern med et smeltepunkt på 1100-1200 ° C, som er meget skørt i fast tilstand (ikke engang modtagelig for smedning) og ikke har stålets elasticitet. [12] I første omgang blev han overvejet[ hvem? ] et skadeligt biprodukt ( eng. råjern , på russisk, råjern, barrer, hvor i virkeligheden ordet råjern kommer fra), men så blev det opdaget[ af hvem? ] at når det omsmeltes i en ovn med øget luft, der blæser igennem det, bliver støbejern til stål af god kvalitet, da overskydende kulstof brænder ud. En sådan to-trins proces til fremstilling af stål fra støbejern viste sig at være enklere og mere rentabel end blomstrende, og dette princip er blevet brugt uden nogen ændringer i mange århundreder, forbliver den dag i dag den vigtigste metode til fremstilling af jern materialer [13] .
Protoslavisk *želězo ( hviderussisk zhaleza , ukrainsk zalіzo , gammelslavisk zhelѣzo , bulgarsk zhelyazo , serbo- chorvisk zhežezo , polsk żelazo , tjekkisk železo , slovensk železo ) har littiske klare sproglige paralleller i det . baltiske sprogžzelis ( , laztv ) . Ordet er en beslægtethed af ordene " jern " og " knude "; og har betydningen af "en afrundet sten, pellet, blamba" [14] .
Der er flere versioner af den videre etymologi af dette balto-slaviske ord.
En af dem forbinder praslav. *želězo med det græske ord χαλκός , som betød jern og kobber, ifølge en anden version *želězo er beslægtet med ordene *žely " skildpadde " og *glazъ "klippe", med den almindelige seme " sten " [15] [16] . Den tredje version foreslår et gammelt lån fra et ukendt sprog [17] .
De romanske sprog ( italiensk ferro , fransk fer , spansk hierro , Port ferro , Rum fier ) fortsætter lat. ferrum . Det latinske ferrum (< *ferzom ) kan være lånt fra et eller andet orientalsk sprog, højst sandsynligt fønikisk. ons hebraisk barzel , sumerisk. barzal , assyrisk parzilla [18] . Derfor sandsynligvis den baskiske burdina .
De germanske sprog lånte navnet på jern ( gotisk eisarn , engelsk jern , tysk Eisen , hollandsk ijzer , dansk jern , svensk jern ) fra keltisk [19] .
Det pro-keltiske ord *isarno- (> OE iarn, OE Bret. hoiarn) går sandsynligvis tilbage til Proto-IE. *h 1 esh 2 r-no- "blodig" med semantisk udvikling "blodig" > "rød" > "jern". Ifølge en anden hypotese går dette ord tilbage til pra-dvs. *(H)ish 2 ro- "stærk, hellig, i besiddelse af overnaturlig kraft" [20] .
Det oldgræske ord σίδηρος kan være lånt fra samme kilde som de slaviske, germanske og baltiske ord for sølv [21] .
Navnet på naturligt jerncarbonat (siderit) kommer fra lat. sidereus - stjernernes; ja, det første jern, der faldt i hænderne på mennesker, var af meteorisk oprindelse. Måske er denne tilfældighed ikke tilfældig. Især det oldgræske ord sideros (σίδηρος) for jern og det latinske sidus , der betyder "stjerne", er sandsynligvis af en fælles oprindelse.
Naturligt jern består af fire stabile isotoper : 54 Fe ( isotopisk overflod 5,845%), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) og 58 Fe (0,282%). Der kendes også mere end 20 ustabile jernisotoper med massetal fra 45 til 72, hvoraf de mest stabile er 60 Fe ( halveringstiden , ifølge data opdateret i 2009, er 2,6 millioner år [22] ), 55 Fe ( 2.737 år), 59 Fe (44.495 dage) og 52 Fe (8.275 timer); de resterende isotoper har en halveringstid på mindre end 10 minutter [23] .
Jernisotopen 56 Fe er blandt de mest stabile kerner: alle følgende grundstoffer kan øge bindingsenergien pr. nukleon ved henfald, og alle de foregående grundstoffer kunne i princippet øge bindingsenergien pr. nukleon på grund af fusion. Det menes, at en række syntese af grundstoffer i kernerne af normale stjerner ender med jern (se Jernstjerne ), og alle efterfølgende grundstoffer kan kun dannes som et resultat af supernovaeksplosioner [24] .
Jern er et af de mest almindelige grundstoffer i solsystemet, især på de terrestriske planeter, især på Jorden. En væsentlig del af jordplaneternes jern befinder sig i planeternes kerner , hvor dets indhold skønnes at være omkring 90 %. Indholdet af jern i jordskorpen er 5 %, og i kappen omkring 12 %. Af metaller er jern kun næst efter aluminium med hensyn til overflod i skorpen . Samtidig er omkring 86 % af alt jern i kernen og 14 % i kappen. Jernindholdet stiger betydeligt i mafiske magmatiske bjergarter, hvor det er forbundet med pyroxen , amfibol , olivin og biotit . I industrielle koncentrationer ophobes jern under næsten alle eksogene og endogene processer, der forekommer i jordskorpen. Havvand indeholder jern i meget små mængder på 0,002-0,02 mg/l. I flodvand er dens koncentration meget højere - 2 mg / l.
Det vigtigste geokemiske træk ved jern er, at det har flere oxidationstilstande. Jern i neutral form - metallisk - udgør Jordens kerne, muligvis til stede i kappen og meget sjældent fundet i jordskorpen. Jernholdigt jern FeO er hovedformen for jern i kappen og jordskorpen. Oxidjern Fe 2 O 3 er karakteristisk for de øverste, mest oxiderede dele af jordskorpen, især sedimentære bjergarter .
Med hensyn til krystalkemiske egenskaber er Fe 2+ ionen tæt på Mg 2+ og Ca 2+ ionerne , andre hovedelementer, der udgør en betydelig del af alle terrestriske bjergarter. På grund af deres krystalkemiske lighed erstatter jern magnesium og til dels calcium i mange silikater. Indholdet af jern i mineraler af variabel sammensætning stiger normalt med faldende temperatur.
I jordskorpen er jern vidt udbredt - det tegner sig for omkring 4,1% af massen af jordskorpen (4. plads blandt alle grundstoffer, 2. blandt metaller). I kappen og jordskorpen er jern hovedsageligt koncentreret i silikater, mens dets indhold er betydeligt i basiske og ultrabasiske bjergarter og lavt i sure og mellemliggende bjergarter .
Der kendes et stort antal malme og mineraler indeholdende jern. Af den største praktiske betydning er rød jernmalm ( hæmatit , Fe 2 O 3 ; indeholder op til 70 % Fe), magnetisk jernmalm ( magnetit , FeO Fe 2 O 3 eller Fe 3 O 4 ; indeholder 72,4 % Fe), brunt jern malm eller limonit ( goethit og hydrogoethit, henholdsvis FeOOH og FeOOH nH 2 O). Goethite og hydrogoethite findes oftest i forvitringsskorper , der danner de såkaldte "jernhatte", hvis tykkelse når flere hundrede meter. De kan også være af sedimentær oprindelse og falde ud af kolloide opløsninger i søer eller kystområder i havene. I dette tilfælde dannes oolitiske eller bælgfrugter jernmalme. Vivianite Fe 3 (PO 4 ) 2 8H 2 O findes ofte i dem og danner sorte aflange krystaller og radialt strålende aggregater .
Jernsulfider er også udbredt i naturen - pyrit FeS 2 (svovl- eller jernkis) og pyrrhotit . De er ikke jernmalm - pyrit bruges til at fremstille svovlsyre, og pyrrhotit indeholder ofte nikkel og kobolt.
Rusland rangerer først i verden med hensyn til jernmalmreserver .
Indholdet af jern i havvand er 1⋅10 −5 -1⋅10 −8 %.
Andre almindelige jernmineraler [25] :
Ud over de ovenfor beskrevne jernmineraler er der f.eks.
|
|
|
Ifølge US Geological Survey (estimat fra 2011) er verdens påviste reserver af jernmalm omkring 178 milliarder tons [26] . De vigtigste jernforekomster er i Brasilien (1. plads), Australien, USA, Canada, Sverige, Tyskland, Venezuela, Liberia, Ukraine, Polen, Sydafrika, Japan, Kina, Bulgarien, Mongoliet, Frankrig, Indien.
I 2019 blev der udvundet 2,896 milliarder tons jernmalm med en samlet værdi på cirka 366 milliarder amerikanske dollars [27] . Prisen på jernmalm er $126,35/ton [28] .
Jern er et typisk metal , i fri tilstand er det sølvhvidt i farven med en grålig nuance. Rent metal er sejt , forskellige urenheder (især kulstof ) øger dets hårdhed og skørhed . Det har udtalte magnetiske egenskaber. Den såkaldte " jerntriade " skelnes ofte - en gruppe af tre metaller (jern Fe, kobolt Co, nikkel Ni), der har lignende fysiske egenskaber , atomradius og elektronegativitetsværdier .
Jern er karakteriseret ved polymorfi , det har fire krystallinske modifikationer:
Metalvidenskaben udpeger ikke β-Fe som en separat fase [29] , og betragter det som en slags α-Fe. Når jern eller stål opvarmes over Curie-punktet (769 ° C ≈ 1043 K ), forstyrrer den termiske bevægelse af ioner orienteringen af elektronernes spin- magnetiske momenter , ferromagneten bliver en paramagnet - en andenordens faseovergang sker , men en førsteordens faseovergang sker ikke med en ændring i de grundlæggende fysiske parametre for krystaller.
For rent jern ved normalt tryk, fra et metallurgisynspunkt , er der følgende stabile modifikationer:
Tilstedeværelsen af kulstof og legeringselementer i stål ændrer temperaturerne for faseovergange betydeligt (se jern-kulstof fasediagram ). En fast opløsning af kulstof i α- og δ-jern kaldes ferrit . Nogle gange skelnes der mellem højtemperatur δ-ferrit og lavtemperatur α-ferrit (eller blot ferrit), selvom deres atomare strukturer er de samme. En fast opløsning af kulstof i γ-jern kaldes austenit .
Fænomenet polymorfi er ekstremt vigtigt for stålmetallurgi. Det er takket være α-γ-overgangene i krystalgitteret, at varmebehandlingen af stål finder sted . Uden dette fænomen ville jern som basis for stål ikke have fået så udbredt brug.
Jern tilhører moderat ildfaste metaller . I en række standardelektrodepotentialer står jern foran brint og reagerer let med fortyndede syrer. Jern tilhører således metallerne med middel aktivitet.
Smeltepunktet for jern er 1539 °C, kogepunktet er 2862 °C.
Oxidationstilstand | Oxid | Hydroxid | Karakter | Noter |
---|---|---|---|---|
+2 | FeO | Fe(OH) 2 | Svagt grundlæggende | Svagt reduktionsmiddel |
+3 | Fe2O3 _ _ _ | Fe(OH) 3 | Meget svag base, nogle gange amfoterisk | Svagt oxidationsmiddel |
+6 | Ikke modtaget | <H 2 FeO 4 > * | Syre | Stærkt oxidationsmiddel |
* Syre findes ikke i fri form - kun dens salte er opnået.
Jerns kemiske aktivitet afhænger af graden af dets renhed, dispersion , tilstedeværelsen af fugt og ilt.
For jern er de mest karakteristiske oxidationstilstande +2 og +3.
Oxidationstilstanden +2 svarer til sort oxid FeO og grøn hydroxid Fe(OH) 2 . De er grundlæggende. I salte er Fe(+2) til stede som en kation. Fe(+2) er et svagt reduktionsmiddel.
+3 oxidationstilstande svarer til rødbrunt Fe 2 O 3 oxid og brunt Fe(OH) 3 hydroxid . De er amfotere af natur, selvom deres sure og basiske egenskaber er svagt udtrykt. Således hydrolyseres Fe 3+ -ioner fuldstændigt selv i et surt miljø. Fe (OH) 3 opløses (og selv da ikke fuldstændigt), kun i koncentrerede alkalier. Fe 2 O 3 reagerer kun med alkalier, når de er smeltet, hvilket giver ferriter (formelle salte af syren HFeO 2 , der ikke findes i fri form ):
Jern (+3) udviser oftest svage oxiderende egenskaber.
Oxidationstilstandene +2 og +3 skifter let til hinanden, når redoxpotentialerne ændres.
Derudover er der Fe 3 O 4 oxid , hvor den formelle oxidationstilstand for jern er +8/3. Dette oxid kan dog også betragtes som jern(II)ferrit Fe +2 (Fe +3 O 2 ) 2 .
Der er også en oxidationstilstand på +6. Det tilsvarende oxid og hydroxid findes ikke i fri form, men der er opnået salte - ferrater (f.eks. K 2 FeO 4 ). Jern (+6) er i dem i form af en anion. Ferrater er stærke oxidationsmidler.
Oxidationstilstandene er også kendt: −2 ( natriumtetracarbonylferrat ), −1, 0 ( jernpentacarbonyl ), +1, +4, +5.
Når det opbevares i luft ved temperaturer op til 200 ° C, dækkes jern gradvist med en tæt film af oxid , som forhindrer yderligere oxidation af metallet. I fugtig luft er jern dækket af et løst lag rust , som ikke forhindrer adgangen af ilt og fugt til metallet og dets ødelæggelse. Rust har ikke en konstant kemisk sammensætning; omtrent dens kemiske formel kan skrives som Fe 2 O 3 xH 2 O.
Reagerer med syrer .
Ved forhøjet tryk reagerer metallisk jern med kulilte (II) CO , og flydende, under normale forhold, dannes let flygtigt jernpentacarbonyl Fe (CO) 5 . Jerncarbonyler med sammensætningerne Fe2 ( CO) 9 og Fe3 (CO) 12 er også kendte . Jerncarbonyler tjener som udgangsmaterialer i syntesen af organiske jernforbindelser, herunder ferrocen i sammensætningen (η 5 - C 5 H 5 ) 2 Fe.
Rent metallisk jern er stabilt i vand og i fortyndede alkaliske opløsninger . Jern opløses ikke i kolde koncentrerede svovl- og salpetersyrer på grund af passiveringen af metaloverfladen med en stærk oxidfilm. Varm koncentreret svovlsyre, som er et stærkere oxidationsmiddel, interagerer med jern.
Jernoxid (II) FeO har grundlæggende egenskaber, det svarer til basen Fe (OH) 2 . Salte af jern (II) har en lysegrøn farve. Når de opbevares, især i fugtig luft, bliver de brune på grund af oxidation til jern (III). Den samme proces finder sted under opbevaring af vandige opløsninger af jern(II)salte:
Af salte af jern (II) i vandige opløsninger er Mohrs salt stabilt - dobbelt ammoniumsulfat og jern (II) (NH 4 ) 2 Fe (SO 4 ) 2 6H 2 O.
Kaliumhexacyanoferrat (III) K 3 [Fe(CN) 6 ] (rødt blodsalt) kan tjene som reagens for Fe 2+ ioner i opløsning. Når Fe 2+ og [Fe(CN) 6 ] 3− ioner interagerer , udfælder kalium-jern (II) hexacyanoferrat (III) (Turnbull blue):
,som omarrangeres intramolekylært til kaliumjern(III)hexacyanoferrat(II) ( preussisk blå ):
Til den kvantitative bestemmelse af jern (II) i opløsning anvendes phenanthrolin Phen, som danner et rødt FePhen 3 -kompleks med jern (II) (maksimal lysabsorption er 520 nm) i et bredt pH-område (4-9) [35] .
Jernoxid (III) Fe 2 O 3 er svagt amfotert , det svarer til en endnu svagere end Fe (OH) 2 , Fe (OH) 3 base , som reagerer med syrer:
Fe 3+ salte har tendens til at danne krystallinske hydrater. I dem er Fe 3+ ionen normalt omgivet af seks vandmolekyler. Disse salte er lyserøde eller lilla i farven.
Fe 3+ ionen er fuldstændig hydrolyseret selv i et surt miljø. Ved pH>4 udfældes denne ion næsten fuldstændigt som Fe(OH) 3 [36] :
Ved delvis hydrolyse af Fe 3+ ionen dannes polynukleære oxo- og hydroxokationer, på grund af hvilke opløsningerne bliver brune.
De sure egenskaber af jern(III)hydroxid Fe (OH) 3 er meget svagt udtrykt. Det er kun i stand til at reagere med koncentrerede alkaliopløsninger:
De resulterende jern(III)-hydroxokomplekser er kun stabile i stærkt alkaliske opløsninger. Når opløsninger fortyndes med vand, ødelægges de, og Fe (OH) 3 udfældes .
Ved sammensmeltning med alkalier og oxider af andre metaller danner Fe 2 O 3 en række ferriter :
Jern(III)-forbindelser i opløsninger reduceres med metallisk jern:
Jern (III) er i stand til at danne dobbeltsulfater med enkeltladede alun - type kationer , for eksempel KFe (SO 4 ) 2 - kaliumjernalun, (NH 4 ) Fe (SO 4 ) 2 - jernammoniumalun osv.
Til kvalitativ påvisning af jern(III)-forbindelser i opløsning anvendes den kvalitative reaktion af Fe 3+ ioner med uorganiske thiocyanater SCN − . I dette tilfælde dannes en blanding af knaldrøde jernthiocyanatkomplekser [Fe(SCN)] 2+ , [Fe(SCN) 2 ] + , Fe(SCN) 3 , [Fe(SCN) 4 ] − [37] . Sammensætningen af blandingen (og dermed intensiteten af dens farve) afhænger af forskellige faktorer, så denne metode er ikke anvendelig til nøjagtig kvalitativ bestemmelse af jern.
Et andet højkvalitetsreagens til Fe 3+ ioner er kaliumhexacyanoferrat (II) K 4 [Fe (CN) 6 ] (gult blodsalt). Når Fe 3+ og [Fe(CN) 6 ] 4− ioner interagerer, udfældes et klart blåt bundfald af kalium-jern (III) hexacyanoferrat (II) (preussisk blå):
Kvantitativt bestemmes Fe 3+ -ioner ved dannelsen af røde (i et let surt medium) eller gule (i et let alkalisk medium) komplekser med sulfosalicylsyre . Denne reaktion kræver et kompetent udvalg af buffere, da nogle anioner (især acetat) danner blandede komplekser med jern og sulfosalicylsyre med deres egne optiske egenskaber.
Ferrater er salte af jernsyre H 2 FeO 4 , som ikke findes i fri form . Disse er violetfarvede forbindelser, der minder om permanganater i oxiderende egenskaber og sulfater i opløselighed. Ferrater opnås ved indvirkning af gasformig klor eller ozon på en suspension af Fe (OH) 3 i alkali [38] :
Ferrater kan også opnås ved elektrolyse af en 30% alkaliopløsning på en jernanode:
Ferrater er stærke oxidationsmidler. I et surt miljø nedbrydes de med frigivelse af ilt [39] :
De oxiderende egenskaber af ferrater bruges til at desinficere vand .
Oxidationstilstanden VII i [FeO 4 ] − [40] anionen er kendt .
Der er rapporter om den elektrokemiske fremstilling af jern (VIII) forbindelser [41] [42] [43] , men der er ingen uafhængige værker, der bekræfter disse resultater.
I industrien udvindes jern fra jernmalm , hovedsageligt fra hæmatit (Fe 2 O 3 ) og magnetit (FeO·Fe 2 O 3 ).
Der er forskellige måder at udvinde jern fra malme på. Den mest almindelige er domæneprocessen.
Det første produktionstrin er reduktion af jern med kulstof i en højovn ved en temperatur på 2000 ° C. I en højovn tilføres kulstof i form af koks , jernmalm i form af sinter eller pellets og flusmiddel (såsom kalksten ) fra oven og mødes af en strøm af indsprøjtet varm luft nedefra.
I ovnen oxideres kulstof i form af koks til kulilte . Dette oxid dannes under forbrænding i mangel på ilt :
Til gengæld genvinder kulilte jern fra malmen. For at få denne reaktion til at gå hurtigere, ledes opvarmet kulilte gennem jern(III)oxid :
Flux tilsættes for at slippe af med uønskede urenheder (primært silikater ; såsom kvarts ) i malmen, der udvindes. Et typisk flusmiddel indeholder kalksten ( calciumkarbonat ) og dolomit ( magnesiumkarbonat ). Andre flusmidler bruges til at fjerne andre urenheder.
Effekten af fluxen (i dette tilfælde calciumcarbonat ) er, at når den opvarmes, nedbrydes den til sit oxid :
Calciumoxid kombineres med siliciumdioxid og danner slagge - calciummetasilikat :
Slaggen, i modsætning til silica , smeltes i en ovn. Lettere end jern, slagger flyder på overfladen - denne egenskab giver dig mulighed for at adskille slaggen fra metallet. Slaggen kan så bruges i byggeri og landbrug. Jernsmelte fremstillet i en højovn indeholder ret meget kulstof ( støbejern ). Bortset fra i sådanne tilfælde, når støbejern anvendes direkte, kræver det yderligere forarbejdning.
Overskydende kulstof og andre urenheder ( svovl , fosfor ) fjernes fra støbejern ved oxidation i åben ildovne eller omformere. Elektriske ovne bruges også til smeltning af legeret stål.
Ud over højovnsprocessen er processen med direkte produktion af jern almindelig. I dette tilfælde blandes forknust malm med speciel ler for at danne pellets. Pellets ristes og behandles i en skaktovn med varme metanomdannelsesprodukter , der indeholder brint . Brint reducerer let jern:
,det forurener ikke jernet med urenheder som svovl og fosfor, som er almindelige urenheder i kul . Jern opnås i fast form og smeltes derefter ned i elektriske ovne.
Kemisk rent jern opnås ved elektrolyse af opløsninger af dets salte .
Jern er et af de mest brugte metaller , der tegner sig for op til 95% af verdens metallurgiske produktion.
I levende organismer er jern et væsentligt sporstof, der katalyserer iltudvekslingsprocesserne (respiration). Det vigtigste intracellulære depot af jern er et kugleformet proteinkompleks - ferritin . Jernmangel viser sig som en sygdom i kroppen: klorose hos planter og anæmi hos dyr.
Normalt kommer jern ind i enzymer som et kompleks kaldet hæm . Især er dette kompleks til stede i hæmoglobin , det vigtigste protein, der sikrer transport af ilt med blod til alle organer hos mennesker og dyr. Det er ham, der farver blodet rødt.
Andre jernkomplekser end hæm findes for eksempel i enzymet methanmonooxygenase, som oxiderer methan til methanol , i det vigtige enzym ribonukleotidreduktase, som er involveret i DNA- syntese . Uorganiske jernforbindelser findes i nogle bakterier og bruges nogle gange af dem til at binde atmosfærisk nitrogen .
En voksens krop indeholder omkring 3-4 gram jern [45] (ca. 0,005%), hvoraf kun omkring 3,5 mg er i blodplasmaet. Hæmoglobin indeholder cirka 68% af det samlede jern i kroppen, ferritin - 27%, myoglobin - 4%, transferrin - 0,1%. Kilderne til jern i biosyntesen af jernholdige proteiner er jern fra fødevarer og jern, der frigives under det konstante henfald af erytrocytter i hepatocytter (leverceller) og miltceller [46] .
Det daglige menneskelige behov for jern er ifølge russiske data som følger [47] : børn - fra 4 til 18 mg, voksne mænd - 10 mg, voksne kvinder - 18 mg, gravide kvinder i anden halvdel af graviditeten - 33 mg .
Hos kvinder i den fødedygtige alder er behovet for jern højere på grund af regelmæssigt blodtab under menstruation [48] [49] .
National Academy of Medicine skelner mellem det gennemsnitlige jernbehov og det anbefalede jernindtag, hvor sidstnævnte er designet til at give et gennemsnitligt behov for mindst 97 % af hver befolkning. Beregningen af det gennemsnitlige jernbehov afhænger af optagelsen af jern, nedenstående tabel er baseret på antagelsen om 10% jern fra animalske produkter (gennemsnitsoptagelse 25%) og 90% jern fra vegetabilske fødevarer (gennemsnitlig optagelse 16,8%), for en samlet absorption på 18 %. Da kosten for børn under et år er meget forskellig fra en voksens, er normen for dem baseret på en estimeret fordøjelighed på 10 % [50] .
Etage | Alder | Anbefalet daglig tilførsel for jern ( National Academy of Medicine ) [ 50 ] , mg / dag |
---|---|---|
babyer | op til 6 måneder | 0,27 |
babyer | 7-12 måneder | elleve |
Børn | 1-3 år | 7 |
Børn | 4-8 år | ti |
Teenagere | 9-13 år gammel | otte |
Unge | 14-18 år | elleve |
Piger | 14-18 år | femten |
Mænd | 19 år og ældre | otte |
Kvinder | 19-50 år gammel | atten |
Kvinder | 50 år og ældre | otte |
Jern kommer ind i kroppen af dyr og mennesker med mad. Lever og kød er rigest på dem , i mindre grad æg , bælgfrugter ( linser , bønner ), græskar- og sesamfrø , fuldkornskorn ( boghvede ) , samt nogle typer grønt - timian , persille , marksalat [51] . I lang tid blev listen over jernholdige fødevarer ledet af spinat , fejlagtigt indtastet på grund af en tastefejl i analyseresultaterne (nul efter decimalpunktet var tabt).
Jern i kosten er opdelt i hæm eller ædelsten (fra kød og andre animalske kilder) og ikke-hæm (fra vegetabilske fødevarer). I hæm-holdige proteiner findes jern i hæmen . I ikke-hæm-jernholdige proteiner binder jern sig direkte til proteinet. Disse proteiner omfatter transferrin , ferritin , oxidative enzymer ribonukleotidreduktase og xanthinoxidase , jernflavoproteiner NADH dehydrogenase og succinatdehydrogenase [46] . De beskrevne proteiner, der indeholder ikke-hæmjern, tilhører klassen af ferredoxiner , hvoraf de mest undersøgte findes i kloroplasterne i grønne planter og oxideres under elektronoverførsel under fotosyntesen, såvel som bakterielle ferredoxiner (f.eks. den anaerobe bakterie Clostridium ). pasteurianum ) involveret i aerob eller anaerob elektronoverførsel. Humant ferredoxin-1 er involveret i hydroxylering og nedbrydning af steroidhormoner og kolesterol i systemet af mikrosomale (endoplasmatiske retikulum af hepatocytter) cytochrom P450-enzymer , såvel som i syntesen af skjoldbruskkirtelhormoner. Kernen af ferredoxin består af molekyler af di- eller tetravalent svovl og tetravalent jern og har en generel formel af formen (for eksempel ), den er forbundet til proteinrygrad gennem aminosyren cystein [52] [53] . Heme jern absorberes mest effektivt (fra 15 til 35%). Adskillige faktorer påvirker absorptionen af ikke-hæmjern (selv i dyrefoder er det omkring 60 % [54] ) [55] . Ascorbinsyre eller kødprotein indtaget sammen med mad forbedrer absorptionen af jern væsentligt [56] . Æg , calcium forstyrrer absorptionen af jern , men primært anti-næringsstoffer - fytinsyre , oxalater , tanniner og koffein [57] .
For eksempel, på grund af det høje niveau af fytiske forbindelser, er absorptionen af jern fra bælgfrugter i området 0,84-0,91% [50] . Ifølge en amerikansk undersøgelse reducerer forbruget af tanninrig te med jernholdig mad absorptionen af sporstof med 62 %, kaffe med 35 %, og forbruget af appelsinjuice (højt indhold af ascorbinsyre) øger det med 85 % [58] . Samtidig tyder data fra Kina på, at selv meget højt teindtag generelt ikke påvirker blodets jernniveau [59] .
JernmangelMed en afbalanceret kost er jern fra mad normalt tilstrækkeligt. I kroppen genoprettes let balancen mellem indtagelse og udskillelse af jern, og dens midlertidige mangel genoprettes let på bekostning af tilgængelige reserver. Og alligevel er jernmangel almindelig i udviklingslande med begrænset tilgængelighed af kødprodukter. Det er den mest almindelige spiseforstyrrelse på Jorden , der påvirker op til 2 milliarder mennesker verden over [60] .
I nogle specielle tilfælde ( anæmi , samt bloddonation ) er det nødvendigt at bruge jernholdige præparater og kosttilskud ( Hematogen , Ferroplex ). Behovet for jern stiger markant ved anæmi forårsaget af for eksempel parasitære invasioner som malaria og hageorm , som er meget udbredt i tropiske lande.
Vegetarer rådes til at tage omkring 1,8 gange mere jern end ikke-vegetarer [61] . I vestlige lande er veganermålrettede fødevarer ofte beriget med jern, selvom optagelsen af jernsalte (jernholdige præparater) ofte er problematisk, og fordelen ved at tage sådanne kosttilskud hos raske mennesker er ikke blevet bevist [62] . Det er kendt, at vegetarernes krop tilpasser sig kosten og bevarer de tilgængelige jernlagre mere effektivt [63] .
Ifølge resultaterne af en række undersøgelser stiger jernindholdet i mad under tilberedning i jern- og støbejernsredskaber fra 1,2 til 21 gange [64] [65] [66] . Jernindholdet stiger dog mere i saucer eller fødevarer tilberedt i sauce (for eksempel chili). De, der mangler jern, bliver endda tilbudt at putte specielle figurer af støbejern i de retter, hvor maden tilberedes .
Mens nogle forskere mener, at amning fører til jernmangel, er der mange undersøgelser, der viser, at dette ikke er tilfældet, og ammede babyer optager jern meget bedre.
For meget jernOverskydende jern kan trænge ind i en bybos krop sammen med rustent postevand (gennem støbejernsrør). Også brugen af jern- og støbejernsredskaber i madlavningen øger jernindholdet i det [64] .
Indholdet af jern i vand, der overstiger 1-2 mg/l, forringer dets organoleptiske egenskaber betydeligt, hvilket giver det en ubehagelig astringerende smag, og gør vand uegnet til brug, forårsager allergiske reaktioner hos mennesker. kan forårsage blod- og leversygdom - hæmokromatose . Maksimal koncentrationsgrænse for jern i vand er 0,3 mg/l.
Overdreven ophobning af jern i kroppen har en giftig effekt. En overdosis af jern stimulerer produktionen af frie radikaler , hæmmer kroppens antioxidantsystem og bidrager sandsynligvis til udviklingen af åreforkalkning [67] , så jerntilskud anbefales ikke til raske mennesker.
Ordbøger og encyklopædier |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Periodisk system af kemiske elementer af D. I. Mendeleev | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
Elektrokemisk aktivitet serie af metaller | |
---|---|
Eu , Sm , Li , Cs , Rb , K , Ra , Ba , Sr , Ca , Na , Ac , La , Ce , Pr , Nd , Pm , Gd , Tb , Mg , Y , Dy , Am , Ho , Er , Tm , Lu , Sc , Pu , |
møntmetaller | |
---|---|
Metaller | |
Legeringer |
|
Møntgrupper | |
Metal grupper | |
se også |
|