Желязо

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето
Желязо
Желязо – сребристо-сив метал
Сребристо-сив метал
Спектрални линии на желязо
МанганЖелязоКобалт


Fe

Ru
Периодична система
Общи данни
Име, символ, Z Желязо, Fe, 26
Група, период, блок 84d
Химическа серия преходен метал
Електронна конфигурация [Ar] 3d6 4s2
e- на енергийно ниво 2, 8, 14, 2
CAS номер 7439-89-6
Свойства на атома
Атомна маса 55,845 u
Атомен радиус (изч.) 140 (156) pm
Ковалентен радиус 1: 132±3 pm
2: 152±6 pm
Степен на окисление 7,[1] 6, 5,[2] 4, 3,
2, 1,[3] −1, −2, −4
Оксид F2O3 и FeO (амфотерни)
Електроотрицателност
(Скала на Полинг)
1,83
Йонизационна енергия I: 762,5 kJ/mol
II: 1561,9 kJ/mol
III: 2957 kJ/mol
IV: 5290 kJ/mol
(още)
Физични свойства
Агрегатно състояние твърдо вещество
Кристална структура (до 912; над 1394 °C) кубична обемноцентрирана
Кристална структура (912 – 1394 °C) кубична стенноцентрирана
Плътност 7874 kg/m3
Температура на топене 1811 K (1538 °C)
Температура на кипене 3134 K (2861 °C)
Специф. топлина на топене 13,81 kJ/mol
Специф. топлина на изпарение 340 kJ/mol
Налягане на парата
P (Pa) 1 10 102 103 104 105
T (K) 1728 1890 2091 2346 2679 3132
Скорост на звука 5120 m/s при 25 °C
Специф. ел. съпротивление 0,0961 Ω.mm2/m
Топлопроводимост 80,4 W/(m·K)
Магнетизъм феромагнитен
Модул на еластичност 211 GPa
Модул на срязване 82 GPa
Модул на свиваемост 170 GPa
Коефициент на Поасон 0,29
Твърдост по Моос 4
Твърдост по Викерс 608 MPa
Твърдост по Бринел 200 – 1180 MPa
История
Откритие (≈5000 г. пр.н.е.)
Най-дълготрайни изотопи
Изотоп ИР ПП ТР ПР
54Fe 5,85 % стабилен
55Fe синт. 2,73 г. ε 55Mn
56Fe 91,75 % стабилен
57Fe 2,12 % стабилен
58Fe 0,28 % стабилен
59Fe синт. 44,6 дни β- 59Co
60Fe синт. 2,6×106 г. β- 60Co

Желязото е химичен елемент, метал, с атомен номер 26 и символ Fe (на латински: ferrum). Той е част от група 8 и период 4 на периодичната система, поради което се класифицира като преходен метал. Желязото и неговите сплави, най-вече стоманата, са най-масово използваните метали и феромагнити в ежедневния живот.

Повърхността му е блестяща и сребристосива, но изложена на въздух оксидира и се покрива с червен или кафяв железен оксид (ръжда). Отделните кристали чисто желязо са меки (по-меки от алуминия), като добавянето на относително малки примеси значително увеличава твърдостта и якостта. Стоманата представлява сплав на желязото с малко количество въглерод и други метали и може да бъде 1000 пъти по-твърда от чистото желязо.

Желязо-56 е най-тежкият стабилен изотоп, образуван от алфа-процеса при звездния нуклеосинтез. За образуването на елементи, по-тежки от желязото и никела е необходима свръхнова. Желязото е най-изобилният елемент в ядрата на червените гиганти, най-изобилният метал в железните метеорити и в плътните метални планети, като Земята.

Откриване[редактиране | редактиране на кода]

Желязото е един от елементите, известни още от древността, за които няма автор на откритието им и човекът ги е използвал за различни цели в своето ежедневие. Било е достъпно и обработването му не е било особено трудно. Има доказателства, че метеоритите са били използвани като източник на желязо още през третото хилядолетие пр. Хр. и в тях почти винаги се съдържал никел. Историята на запознаване на човека с желязото най-често е свързана с неговото откриване.

Железни изделия от метеоритно желязо са намерени в Египет и Месопотамия, отнасящи се до много древни времена. „Железният век“ на човечеството е започнал в Египет едва през XII век пр. Хр. Желязната епоха е последният технологичен и културен стадий в развитието на човечеството в каменно-бронзово-желязната последователност. Данни за настъпването на „железния век“, в които металът напълно заменя бронза в инструментите и оръдията, варират географски, започвайки от Средния Изток. Между 1200 и 1000 г. пр. Хр. знанията за металургията на желязото и за използването му бързо се разпространяват.[4]

Произход на наименованието[редактиране | редактиране на кода]

Има няколко версии за произхода на славянската дума „желязо“ (на беларуски: жалеза; на руски: железо; на украински: залізо; на полски: Żelazo; на словенски: Železo). Една от тези версии свързва тази дума със санкритската „жалжа“, която означава „метал, руда“. Другата версия свързва с гръцката дума „χαλχοσ“, която означава желязо, мед.

При много народи, когато са се запознали с желязото като метал, той е паднал от небето, т.е. като метеоритно желязо. Народите на Египет го наричали „небесен метал“, в Месопотамия – „небесно желязо“, а древногръцкото название е свързано с нещо „звездно“. При откриването на Америка индианците и ескимосите от Северна Америка не са били запознати с методите за получаване на желязото от руди, но са умеели да обработват метеоритно желязо.[4]

Европейските „iron“ (англ.), „Eisen“ (нем.) произлизат от старонемското īsarn, вероятно от протоиндоевропейското или келтско *h₁ésh₂r̥ (кръв).[4] Латинското „ferrum“ вероятно има финикийски произход, но е възможно и да е възприето от римляните от санскритското, означаващо „твърдост“.[4]

Наличие в природата[редактиране | редактиране на кода]

Желязото е шестият най-разпространен химичен елемент във Вселената[5] и на четвръто място на Земята.[6] То се образува при последния екзотермичен етап на звездния нуклеосинтез, при процеса на силициево изгаряне в масивните звезди. То е най-тежкият устойчив елемент, който се образува по този начин.

Процесът започва с второто най-тежко устойчиво ядро, формирано при силициевото изгаряне, това на калция. Калциевото ядро се обединява с едно хелиево ядро, образувайки неустойчив титан. Преди да се разпадне, титанът може да се обедини с още едно хелиево ядро, образувайки неустойчив хром, който от своя страна може да погълне още едно хелиево ядро и да се превърне в неустойчиво желязо. Поглъщането на ново хелиево ядро довежда до образуването на нестабилен никел-56, който вече поглъща хелиеви ядра със загуба на енергия, поради което се разпада до неустойчив кобалт-56, а той от своя страна – до вече устойчивото желязо-56.

На желязото се падат около 5% от количеството вещество в земната кора, но за ядрото, което включва 35% от масата на планетата се смята, че е изградено предимно от сплав на желязо и никел. Така желязото е най-разпространеният елемент на Земята, но едва четвъртият в земната кора.[7][8]

Самородното желязо се среща рядко на повърхността на Земята, тъй като то лесно оксидира, но неговите оксиди са широко разпространени и формират основната част от железните руди. Под формата на сулфиди то се съдържа в повечето сулфидни минерали, а пиритът е широко разпространен. По-голямата част от желязото в земната кора е във вид на минерали на железния оксид и хидроксиди, като хематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4), лимонит (FeO(OH)). Те са се образували при ветреенето на сулфидни и силикатни минерали на желязото, при което се получават най-наперд FeSO4 и Fe(HCO3)2.[6] В разтвор тези съединения бързо се окисляват. Големи залежи от желязо има в геоложки формации, образувани от множество се тънки слоеве магнетит или хематит, редуващи се с пластове бедни на желязо седименти, които са образувани преди 3,7 до 1,8 милиарда години.[9][10]

Приблизително 1 от 20 метеорита е съставен от редките желязно-николево минерали тенит (35 – 80% желязо) и камасит (90 – 95% желязо). Макар и редки, железните метеорити са основната форма на естествено метално желязо на земната повърхност.[11] Чрез мьосбауерова спектроскопия е установено, че червеният цвят на повърхността на Марс се дължи на богатия на железни оксиди реголит.[12]

Физични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Механични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Железни стружки
Характеристични стойности на якостта на опън (TS) и твърдостта (BH) на различни форми и сплави на желязото[13][14]
Материал TS
(MPa)
BH
(по Бринел)
Монокристални мустаци 11000
Закалена стомана 2930 850 – 1200
Мартензитна стомана 2070 600
Бейнитна стомана 1380 400
Перлитна стомана 1200 350
Студенообработено желязо 690 200
Дребнозърнесто желязо 340 100
Въглеродосъдържащо желязо 140 40
Чист железен кристал 10 3

Желязото е типичен метал, в свободно състояние има блестящ сребристо-бял цвят със сивкав оттенък. Чистият метал е пластичен (ковък), различните примеси (в частност – въглеродът) повишават неговата твърдост и крехкост. Притежава ярко изразени магнитни свойства. Твърдостта на чистото желязо има толкова устойчиви стойности, че често се използва за калибриране на измервания или сравнение на изпитвания,[14][15] но механичните свойства на желязото се влияят силно от наличието на примеси. Чистите железни кристали са по-меки от алуминия,[13] а най-чистото произвеждано в промишлени условия желязо (99,99%) има твърдост по Бринел 20 – 30.[16] При увеличаване на съдържанието на въглерод първоначално се наблюдава значително нарастване на твърдостта и якостта на опън. Максимална твърдост се получава при съдържание на въглерод около 0,6%, но тази сплав има ниска якост на опън.[17] Модулът на срязване на желязото е 82 GPa. Има атомно тегло 55,846 и специфично тегло 7,875 g/cm3.

Алотропни форми[редактиране | редактиране на кода]

Желязото е метал, който проявява изявена алотропия. Съществуват поне четири алотропни форми на желязото, обозначавани като α, γ, δ и ε, като според някои спорни експериментални данни при много високо налягане и температура се образува и устойчива β форма.[18]

Фазова диаграма на чистото желязо при ниски налягания

Когато разтопеното желязо се охлажда, при 1538°C то кристализира в δ алотропна форма, която има обемноцентрирана кубична кристална решетка. При охлаждане до 1394°C кристалната решетка се изменя в стенноцентрирана и се получава γ-желязо или аустенит. При 912°C кристалната структура отново става обемноцентрирана и се формира α-желязо или ферит, а при 770°C (точка на Кюри) желязото става магнитно. При преминаването през точката на Кюри видът на кристалните решетки не се променя, а атомите се групират според своя електронен спин.[19]

При налягане над приблизително 10 GPa и температури до няколкостотин келвина, α-желязото се трансформира в шестоъгълна компактна структура, известна като ε-желязо. γ-желязото също може да се превърне в ε-желязо, но при по-високо налягане. β-желязото, ако съществува, би се формирало при налягане поне 50 GPa и температура над 1500 K, като се предполага, че би имало орторомбична или двойношестоъгълна компактна структура.[18] ε- и β-желязото могат да съществуват само при високо налягане, но играят важна роля в моделирането на твърдите части на планетните ядра – смята се, че ядрото на Земята е съставено основно от желязно-никелова сплав с ε (или β) структура.

Желязото има най-голямо значение за техниката във вид на сплави с други метали и с въглерод, така че да се получи стомана. Съществуват множество видове стомана с различни свойства, които до голяма степен зависят от алотропните форми на желязото. α-желязото (ферит) е най-устойчивата форма при нормални температури. То е относително мек метал, който може да разтваря ограничено количество въглерод (не повече от 0,021% по маса при 910°C).[20] Над 912°C феритът се трансформира в аустенит, който също е мек, но може да разтваря значително по-големи количества въглерод (до 2,04% по маса при 1146°C). Тази форма се използва широко и за съдържащите значителен процент легиращи материали неръждаеми стомани.[19]

Изотопи[редактиране | редактиране на кода]

Срещащото се в природата желязо се състои от смес от четири устойчиви изотопа, имащи съответното съотношение на Земята и процес на синтезиране в звездитеː желязо-54 – 5,854%, ядрено статично равновесие; желязо-56 – 91,754%, α-разпад, термоядрено горене на хелия; желязо-57 – 2,119%, ядрено статично равновесие; желязо-58 – 0,282%, ядрено статично равновесие.[4] От тях само 57Fe има ядрен спин (−1/2). Теоретично нуклидът 54Fe трябва да претърпява двоен бета-разпад, но този процес не е наблюдаван експериментално и е установена само долна граница за периода на полуразпад: t1/2>3,1×1022 години.

60Fe е изчезнал радиоактивен изотоп с голям период на полуразпад (2,6 милиона години).[21] Той не се среща на Земята, но в резултат на неговия разпад (до кобалт-60) е образуван устойчивият изотоп никел-60.

В миналото основните измервания на изотопния състав на желязото са насочени към определяне на вариациите в 60Fe, дължащи се на процесите, свързани с нуклеосинтез и образуване на руди. През последните години напредъкът в техниката на масспектрометрията дават възможност за откриване и измерване на съвсем малки естествени вариации в съотношението между устойчивите изотопи. Тези изследвания намират приложение главно в науките за Земята и планетологията, макар че се появяват и първи приложения в биологичните и промишлени системи.[22]

Най-често срещаният изотоп 56Fe представлява особен интерес, тъй като той е най-масовата крайна точка на нуклеосинтеза. Често е сочен неправилно за изотопа с най-голяма енергия на свързване, макар че в действителност такъв е никел-62.[23] 56Ni се образува лесно от по-леки ядра при алфа-процеса в свръхновите и представлява крайна точка на синтеза в крайно масивните звезди, тъй като добавянето на допълнителна алфа-частица би образувала цинк-60, което изисква много повече енергия. Така никел-56, който има период на полуразпад около 6 дни, се образува в големи количества в тези звезди, но бързо се разпада с две последователни излъчвания на позитрон, първо до радиоактивния кобалт-56, а след това до устойчивото желязо-56. По тази причина този изотоп се среща във Вселената много по-често от другите устойчиви метали с подобна атомна маса.

При изследвания на паднали на Земята метеорити е установена корелация между концентрациите на 60Ni, продукт на разпада на 60Fe, и изобилието от устойчиви железни изотопи, което свидетелства за наличието на 60Fe по времето, когато е образувана Слънчевата система. Възможно е енергията, отеделена при разпада на 60Fe, да е допринесла, наред с енергията от разпада на радиоактивния изотоп 26Al, за повторното разтопяване и диференциацията на астероидите след тяхното образуване преди 4,6 милиарда години. Изобилието от 60Ni в извънземен материал може да даде допълнителна информация за произхода на Слънчевата система и нейната ранна история.[24]

Химични свойства[редактиране | редактиране на кода]

Желязото е член на 8 (VIIIB) група, принадлежащ на преходните метали, с електронна структура 1s22s22p63s23p63d64s2.[4] Желязото образува химични съединения главно в степени на окисление +2 и +3, но са известни и +1, +6 и +8.[4] Такива са широко използваните в промишлеността железен(II) сулфат (FeSO4·7H2O) и железен(III) хлорид (FeCl3). Съединенията на желязо(II) са склонни да оксидират до съединения на желязо(III) при излагане на въздух.[25] Има и съединения със смесена валентност, които съдържат едновременно центрове на желязо(II) и желязо(III), например магнетитът (Fe3O4) или оцветителят пруско синьо (Fe4(Fe[CN]6)3).[25]

В компактно състояние много чистото желязо е устойчиво спрямо H2O, кислорода от въздуха и халогени.[6] Пирофорно е във финнодиспрегирано състояние.

Желязото може да се свързва и в по-високи степени на окисление, до +6, както в калиевия ферат (K2FeO4). Желязо(IV) е чест посредник в много биохимични оксидационни реакции.[26][25] В много металоорганични съединения желязото участва със степени на окисление +1, 0, -1 и дори -2. За определянето на тези степени често се използва техниката на мьосбауеровата спектроскопия.[27]

За разлика от повечето други метали желязото не образува амалгама с живака, поради което то често се използва за изработване на съдове за съхранение и транспорт на живак.[28]

При по-висока температура се покрива с тънка оксидна корица, която го предпазва. При още по-висока температура изгаря:

В среда с влажен въздух желязото бързо оксидира, като се образува ръжда. Тя представлява хидратирани железни оксиди – Fe2O•nH2O и няма защитен ефект, защото слоят не е плътен, а се рони. Този процес е известен като корозия, което е електрохимичен процес при който O2 приема електрони от Fe:

;

.

Феройоните Fe2+ мигрират и се получава Fe(OH)2, като се разкриват нови места за корозия. По-нататък Fe(OH)2 се окислява до Fe2O3:

.

При температура на червена жар желязото взаимодейства с всички неметали, като само халогените и някои от халкогените елементи дават съединения с опрделен състав:

;

.

С много от металите и въглерод желязото образува сплави. С бора, елементите от IVA и VA група, образува променливи фази с неметални или полуметални свойства.[6]

Желязото лесно се разтваря в минерални киселини, тъй като е преди водорода в РОАМ:

Концентрираните азотна киселина (HNO3) и сярна киселина (H2SO4) пасивират повърхността на желязото. То реагира само с концентрирани разтвори на алкални основи при висока температура, като се получава комплексно съединение:

Желязото взаимодейства с вода при нагряване:

– при температура по-ниска от 570 градуса

– при температура по-висока от 570°C

Взаимодейства и с разтвори на някои соли, които са съставени от метал, който се намира след желязото в реда на относителната активност:

Химични съединения[редактиране | редактиране на кода]

Степен на
окисление
Представително съединение
−2 динатриев тетракарбонилферат
−1
0 железен пентакарбонил
1 циклопентадиенилжелезен дикарбонил димер
2 железен сулфат, фероцен
3 железен хлорид, фероценов тетрафлуорборат
4 бариев ферат
5
6 калиев ферат

Желязото образува съединения в различна степен на оксиление. Съединенията на Fe2+, са известни като феросъединения, а съединенията на Fe3+ – ферисъединеня.

Феросъединения[редактиране | редактиране на кода]

Оксид и хидроксид[редактиране | редактиране на кода]

Железиният оксид (FeO) е черен и се получава при нагряване на FeC2O4•2H2O или FeCO3 във вакуум. Самозапалва се във въздуха и няма стехиометричен състав.[6] При нагряване над 500°С търпи диспропорциониране:

.

Този ксид е неразтворим във вода и затова Fe(OH)2 се получава при алкализиране на разтвори, съдържащи Fe2+. Железният дихидроксид е бяла утайка, която може да се получи в инертна атмосфера. Има основен характер и се разтваря в киселини. В силно алкални разтвори кристализира синьо-зеленият хидроксикомплекс, Na4[Fe(OH)6]. В присъствие на въздух хидроксидът лесно се окислява, а при нагряване постепенно се разлага:

,

.

Соли[редактиране | редактиране на кода]

Познати са феросоли с почти всички аниони.[6]

Безводни дихалогениди се получават при редукция на трихалогенидите. Изключение прави флуоридиът, който се получава от хлорида с флуор. Освен дифлуоридът, който е малкоразтворим, дихалогенидите могат да се получат и при разтваряне на металите, оксиди и карбонати в съответните халогеноводородни киселини. Дифлуоридът има структура тип рутил, докато останалите имат по-сложна ромбоедична решетка. При всички преобладава йонната връзка, за което засвидетелстват високите температури на топене и закономрното им понижаване от флуорида към йодида. Във водните разтвори на дихалогенидите катиони са хексааквакоординирани – [Fe(H2O)6]2+.[6]

Железният сулфат (FeSO4•7H2O) кристализира в моноклинна сингония. Използва се в селското стопанство под името зелен камък против вредители по растенията. Двойната сол (NH4)2SO4•FeSO4•6H2O, наречена Морова сол, не се променя на въздуха.

Влажна диспрегирана утайка на FeCO3 във въздушна среда се окислява, но в излишък на CO2 от нея се получава Fe(HCO3)3, който е малко по-разтворим от FeCO3.[6] Много подпочвени води съдържат карбоната, което им придава характерен „железен“ вкус.

Освен FeCO3, други малкоразтворими феросоли са FeS и Fe(CN)2. Железният сулфид е с нестехиометричен състав и има сив цвят. Той се окислява на въздуха и лесно се разтваря в киселини:

.

По-стабилен е дисулфидът FeS2 (минералът пирит), който се разлага само при оксилително пържене, при което се получават Fe2O3 и SO2. Известни са две полиморфни модификации – пирит, кубична сингония и марказит, ромбична сингония.[6] И двете форми са жълти с кафеникъв отенък и метълен блясък.

Всички феросоли се окислват лесно:

.[6]

Ферисъединения[редактиране | редактиране на кода]

Оксиди, хидроксид и техни соли[редактиране | редактиране на кода]

При нагряване на FeO и Fe(OH)2 се получава Fe3O4. Той е двоен оксид –FeO•Fe2O3, черен на цвят, неразтворим във вода и киселини. Има силно изразени магнитни свойства и порвежда електричен ток. Кристализира в кубична сингония, тип инверсна шпинелова структура.

Дижелезният триоксид (Fe2O3) е познат в няколко модификации, но най-известни са α- и γ-Fe2O3, които имат съответно структурите на α- и γ-Al2O3.[6] α-Fe2O3 е стабилната форма. Получава се при термична дисоцияция на Fe(OH)3 при около 200°С.Кристализира в хексагонална сингония и кристалити имат кървавочервен цвят. На прах е кафяво-черен и известен като минерална боя с различни наименования – железен миний, охра или мумия.[6] Използва се и като полиращо средство.

От чист Fe2O3 се получават смесени оксиди MO•Fe2O3 (M = Mn, Ni, Zn и др.), наречени ферити. Феритите са магнитни вещества с голямо електрично съпротивление. Получават се при стапяне на Fe2O3 с карбонатите на съответните метали. Някои от тях имат нормална, а други – инверсна шпинелова струтура. Вторият вид са особено ценни, защото се използват за направата на сърцевиината на високочестотни трансформатори и компютърните запаметяващи устройства. От много чист α-Fe2O3 с оксиди на редкоземни метали се получават други смесени оксиди от гранатов тип.

Втората форма (γ-Fe2O3) се получава при внимателно окисляване на Fe3O4, при което кубичната структура се запазва. Той е нестабилната форма, но преходът му в α-Fe2O3 става при нагряване. При обикновена температура γ-Fe2O3 широко се използва при производството на магнитни ленти. Превръщането на FeO в Fe3O4 и накрая в γ-Fe2O3 е възможно, защото всички имат кубична кристална структура.

Железният трихидроксид (Fe(OH)3) при условията на неговото получаване от Fe3+ и алкална основа се отделя като хидратиран оксид Fe2O3nH2O в аморфно състояние. Представлява червено-кафява утайка. Извести са няколко полиморфни модификации на този хидроксид, аналогично на кристлните форми на Al(OH)3.[6] Той е аморфен е аналогично на Al(OH)3 в кисела среда има хидратирани катиони [Fe(H2O)6]3+, а в алкална – хидроксидни аниони [Fe(OH)6]3-. Изолирани са Sr и Ba соли с тези аниони. Основната форма на Fe(OH)3 е FeO(OH), киселата форма – железиста киселина HFeO2.

Соли[редактиране | редактиране на кода]

От безводните ферихалогениди не може да се получи само FeI3 поради силно редукционните свойства на йодидните аниони, които го превръщат в FeI2:

.

Останалите халогениди се получават при пряка синтеза в излишък на халогенните производни.

Ферифлуоридът има рутилова структураи се топи над 1000°С, показващо до голяма степен йонна. FeBr3 и FeCl3 имат слоеста структура, като FeBr3 се разлага, а FeCl3 сублимира над 300°С. Това показва молекулен характер на връзките. В парите на FeCl3 се съдържат димери, както в парите на AlCl3 (Fe2Cl6). Всички ферихалогениди са силно хигроскопични. Могат да се получат като хидрати при окисляване на ферисоли от водни разтвори или при разтваряне на Fe в съответните киселини. Кристализират с голям брой молекули вода и имат различен цвят – FeF3•4,5H2O е бледорозов, FeCl3•6H2O – тъмнокафяв, а FeBr3•6H2O – тъмнозелен.

Други ферисоли са Fe(NO3)3•9H2O, Fe(ClO4)3•10H2O, Fe2(SO4)3•9H2O, железни стипци и др.Железните стипци се използват за предварителна обработка на материалите преди боядисване.

Съединения в по-висша степен на оксиление[редактиране | редактиране на кода]

Желязото образува координационни съединения, където е от по-висша степен на окисление. Познати са съединения на Fe6+, производни на желязната киселина (H2FeO4). Тази киселина и нейният анхидрид (FeO3) не са получени, защото при реакцията на ферати със сярна киселина се отделя O2 и желязото се редуцира отFe(VI) в Fe(III):

.

Алкалните ферати са разтворими. Техните разтвори имат моравочервен цвят и са относително стабилни в алкална среда. В кисела и неутрална среда фератният йон се разпада:

,

.

Фератите са изморфни на сулфатите и хроматите.[6]

История[редактиране | редактиране на кода]

Железен слитък от добиваното до 19 век желязо в с. Радуил

Желязото е известно на хората от древни времена.

Археологическите разкопки намират изделия от желязо, датирани около 4 хилядолетие пр.н.е. и се отнасят към древноегипетската и шумерската цивилизации. Предметите, правени от желязо от това време, включват накрайници за стрели и украшения. В тях се е използвало метеоритно желязо, по-точно сплав от желязо и никел, от която се състоят метеоритите. В много езици е останало споменаването за небесния произход на желязото.

Между 2 хилядолетие пр.н.е. и 3 хилядолетие пр.н.е. в Месопотамия и Древен Египет се появяват първите предмети, направени от топено желязо (определя се по отсъствието на никел в състава му). Независимо от това желязото се е използвало основно в култови предмети. Вероятно по това време то е било много скъпо.

Между 1600 и 1200 г. пр.н.е. производството на желязо се е развивало в Близкия изток, но все още значително е отстъпвало по разпространение на бронза.

В периода между 12 и 10 век пр.н.е. в Близкия изток станала рязка промяна в производството на инструменти и оръжия – от използването на бронз към желязо. Вероятно такъв бърз преход се е наложил не толкова заради прогреса в производството на желязо, колкото заради проблемите при доставката на калай – един от компонентите на бронза. Този исторически период някои автори наричат „Железен век“.

Добив[редактиране | редактиране на кода]

В промишлеността желязото се получава от желязна руда, най-често хематит (Fe2O3) и магнетит (Fe3O4). Най-много и най-богати на желязо хематитови руди има в Западна Австралия, където желязото достига до 70%.[6] Други железни руди са сидеритът (FeCO3) и вивианитът (Fe3(PO4)2•8H2O).

Желязото се получава в доменни пещи с формата на два пресечени конуса, свързани с основите си. Пещите са високи от 25 до 60м и с диаметър на огнището от 5 до 14м. Те са обшити отвън със стомана, а отвътре са облицовани с огнеуторни тухли. Зареждат се с оксидни железни руди, кокс и флюси. Ако рудата съдържа повече от 0,3-0,4% S, те не се използват за получаване на желязото в пещите. Когато железните руди имат кисел характер – съдържат пясък и каолин, за флйси се използват алкалнодействащи вещества – варовик, доломит; а ако рудите имат акален характер, за флюси се използват чакъл и гранит.[6] Шлаката и в двата случая е магнезиев и калциев алумосиликат.

Процесите, извършващи се в доменните пещи са сложни и не са добре изучени. В специални помещения близо до пещта – каупери, се стопля въздух или кислород до 800-900°С и се вдухва заедно с течно гориво през отвори (фурми) в долната част на пещта. Коксът се запалва и отделената топлина поддържа температерата в тази част около 2000°С. По височината на пещта температрата се понижава и най-горната част доменният газ напуска с температура около 200°С.

По продължение на цялата пещ се извършвват прощеси, водещи до редукция на рудата – получявят се стопени желязо и шлака (CaSiO3), плаваща над желязото. Двете стопилки се изземват през специални отвори в най-долната част на пещта, а отгоре тя се зарежда с нова смес, такаче процесът е непрекъснат в продължение на няколко години.[6] Газовете преминават пространството на пещта за около 10s, което не позволява да протече обратният прочцес между газовете и твърдата фаза. Редукцията на железните оксиди се извършва при 1000-1200°С, при която температура се получава и разтопена шлака от CaSiO3. При по-висока температура в доланата част на пещта се стапя и желязото и двете стопилки се движат заедно. В стопеното желязо се разтварят C, P и S. Сярата е силно нежелателна, която се чисти с Mn, като полученият MnS се разтваря в шлаката.

Първият етап от производството на желязото във високите доменни пещи е до получаването на чугун, съдържащ 93% Fe, 4-5% C и останалото е S, P, Mn и Si. Когато чугунътизстине много бързо, въглеродът се отделя във вид на цементит – Fe3C. Такъв чугун има бял лъчист лом и се нарича бял чугун. Той обикновено се преработва в стомана. Когато чугунът изстине бавно, цементитът се разлага и въглеродът се отделя във вид на графит. Тогава се получава сив чугун, кото е много твърд и се лее добре, но е крехък.[6] Употребява се за машинни части. Фосфорът и сярата са нежелани примеси на чугуна, защото го правят трошлив и при работа или загряване чугунът се пука.

Вторият етап от производството на желязото е преработка на чугуна до стомана – цели се да „изгори“ част от въглерода и да се отделят нежеланите примеси P и S. Внасят се легиращи елементи като Mn, Cr, Ni, W, в зависимост от видът стомана, който трбва да се получи.

Преработването става по два начина.

Първият метод е Бесемеровият, при който чугунът направо от доменната пещ се отнася в крушообразни конвертори, побиращи по 15t разтопен чугун. През тях се вдухва топъл въздух, при който въглеродът отчасти изгаля до CO2, сярата до SO2 и фосфорът до P2O5. За да може P2O5 да се използва, Томас е предложил конверторите да се облицоват отвътре с тухли, съдържащи CaO и MgO, с които реагира P2O5 до съответните на фосфати.Те понякога се изстъргват и се използват за фосфатен тор, наречен Томасово брашно.

Вторият метод за преработка на чугун е Сименс–Мартеновият метод. При него чугунът се стапя в големи мартенови пещи, като в стопилката се внася старо желязо или оксидна руда. При тези условия част от въглерода и примесите изгарят за сметка на кислорода от оксилението на старото желязо:

(получаване в горната част на пещта),

( получаване в долната част на пещта),

.[6]

Химически чисто желязо се получава с помощта на електролиза от разтвори на негови соли.

Приложение[редактиране | редактиране на кода]

Приложения на желязото

Желязото е най-употребяваният метал, като заема 95% от световния добив на метали. По количеството употребено желязо се съди за развитието на строителството и промишлеността в дадена страна. Най-често желязото се употребява във вид на стомата, легирана с други елементи.

  • Основен компонент на стоманата и чугуна – едни от най-важните строителни материали. Желязото се използва основно за строителни конструкции, а също и в машиностроенето. Бързорежещата стомана съдържа добавки от Cr, V, W. Тя запазва своята твърдост при температера на червена жар. Стоманата инвар съдържа добавки от никел и манган. Стоманата платинит има добавки от никел и въглерод.
  • Оксидите му са важен елемент в производствата на устройства за запис на данни: касети, дискети, твърди дискове.
  • Сулфатите на желязото в смес с меден сулфат се използват за борба с вредителите в селското стопанство.

Биологична роля[редактиране | редактиране на кода]

Желязото играе важна роля в живота на практически всички организми, с изключение на някои бактерии. То се съдържа в кръвта на всички животни, с изключение на нукои нисши организми.[6]

В организма на животните желязото влиза в състава на много ферменти и белтъчини (протеини), участващи в окислително-редукционните реакции, например в процеса на дишането, тъй като то влиза в състава на хемоглобина. Основното вътреклетъчно депо на желязо е кълбовиден протеинов комплекс – феритин. Тялото на възрастен човек съдържа около 3 – 4 грама желязо[29] (около 0,005 %), от които само около 3,5 mg е в кръвната плазма. Хемоглобинът съдържа около 68% от общото желязо в организма, феритин – 27%, миоглобин – 4%, трансферин – 0,1%. Източниците на желязо в биосинтеза на железосъдържащи протеини са желязото, доставено от храната и желязото, отделяно по време на постоянното разграждане на еритроцитите в хепатоцитите (чернодробните клетки) и клетките на далака.[30]

Обикновено желязото се включва в ензимите под формата на комплекс, наречен хем. По-специално, този комплекс присъства в хемоглобина – най-важният протеин, който осигурява пренасянето на кислород с кръвта до всички органи на хората и животните. Той е този, който оцветява кръвта в червено. В белтъчините, съдържащи хем, желязото се намира в състава на хема. В белтъчините, които не съдържат хем, желязото се свързва директно с протеина.

Комплекси желязо, различни от хем, се намират например в ензима метан-моноксигеназа, който окислява метана до метанол; във важния ензим, наречен рибонуклеотид-редуктаза, който участва в синтеза на ДНК. Неорганичните железни съединения се намират в някои бактерии и понякога се използват от тях за свързване на азота от въздуха.

Желязото, което се намира в хранителните продукти е разделено на два вида:[31]

  • Хематиново: среща се само в месото на животните – извлича се от хемоглобина, миоглобина и от тъканите на месото.
  • Нехематиново: съдържа се в растителните храни и млечните продукти, както и в яйцата.

Хематиновото желязо е с висока усвояемост (15 – 35 %), докато нехематиновото е по-слабо усвоимо. Всмукването на нехематиновото зависи от разтворимостта му в чревния тракт. Аскорбиновата киселина или месните протеини, консумирани с храна, значително подобряват усвояването на желязото.[32] На усвояването на желязото пречат яйцата и калцият, но най-вече анти-хранителните вещества – фитинова киселина, оксалати, танини и кофеин.[33] Честата консумация на кафе, чай и червено вино значително възпрепятства абсорбцията на желязо – средно с около 50 %. Например, поради високото ниво на фитинови съединения, усвояването на желязото от бобовите растения е в областта от 0,84 – 0,91 %.[34] Според едно американско проучване консумацията на богат на танин чай с храна, съдържаща желязо, намалява абсорбцията на микроелемента с 62 %, кафето – с 35 %, а консумацията на портокалов сок (с високо съдържание на аскорбинова киселина) го увеличава с 85 %.[35] В същото време данните от Китай показват, че дори много високата консумация на чай обикновено не влияе върху съдържанието на желязо в кръвта.[36]

Едва около 8 % от общия прием на желязо се абсорбират от организма и прониква в кръвния поток. Основно хемоглобинът е елементът, който изразходва по-голямата част от него. То е от особена важност за правилния метаболизъм на витамините от група B, което доказва неговото значение за здравето.[31]

Потребността на човек от желязо на 1 kg тегло е: деца – 0,6 mg, възрастни – 0,1 mg и бременни – 0,3 mg желязо на денонощие. По руски данни ежедневната нужда на хората от желязо е, както следва:[37] деца – от 4 до 18 mg, възрастни мъже – 10 mg, възрастни жени – 18 mg, бременни жени през втората половина на бременността – 33 mg. При жените в детеродна възраст нуждата от желязо е по-висока, поради редовната загуба на кръв по време на менструация.[38]

Американската национална медицинска академия прави разлика между средните нужди от желязо и препоръчителния прием на желязо, като последното е проектирано да отговори на средното изискване за поне 97 % във всяка група от населението. Изчисляването на средната потребност от желязо зависи от абсорбцията на желязо, таблицата по-долу се основава на предположението за прием на 10 % желязо от животински продукти (средно усвояване 25 %) и 90 % желязо от растителни продукти (средно усвояване 16,8 %), с общо усвояване 18 %. Тъй като диетата на деца под една година е много различна от тази на възрастен, нормата за тях се основава на приблизителна усвояемост от 10 %.[34]

Недостигът на желязо се проявява като болест на организма: хлороза при растенията и анемия при животните и хората. Като правило, желязото, което приемаме с храната, е напълно достатъчно, но в някои специални случаи (като анемия, донорство на кръв) е необходимо да се приемат желязосъдържащи хранителни добавки. Вегетарианците са по-предразположени към железен дефицит заради по-ограничения прием хранителни групи и по-ниската усвояемост на вида желязо, което те консумират (основно нехематиново). Гъбите шийттаке са добра алтернатива за хора, които не консумират месо. Поради високите си хранителни стойности, тази гъба получава названието „Еликсирът на живот“. Освен желязо, тази уникална по свойства гъба е богата на селен, протеини и витамин C. С достатъчно количество желязо могат да снабдят организма и храните: бъбреци, птиче месо (гъше, патешко, пилешко), сьомга, амарант.[31]

Легендата, че спанакът съдържа много желязо, се ражда след печатна грешка. При описване резултатите от направено през 1870 г. немско изследване на съдържанието на желязо в различни храни, десетичната запетая в стойността за спанака била отместена по грешка надясно, като в резултат била публикувана десет пъти по-висока стойност. Грешката била поправена през 1937 г., но чрез пресата и филмите за Попай Моряка (започнали през 1929 г.) в масовото съзнание вече се бил утвърдил митът за богатия на желязо спанак.[31][39]

Съдържание на желязо в 100 g от някои храни[31][40][41]
Храни Желязо [mg] Забележка
Гъши черен дроб 30,5
Миди, ракообразни до 28
Свински черен дроб 17,9 – 23
Куркума, къри 19,1
Водорасли 7 – 20 видове
Натурален шоколад 17
Риган, кимион 16,23
Тиквени семки 14,5
Кардамон 13,97
Индийско орехче 13,9
Мащерка, прясна мента 11,87
Пилешки черен дроб, сепия 11
Черен пипер 9,71
Октопод 9,5
Боб и леща 3,6 – 10
Канела 8
Чия 7,72
Яйчен жълтък 7,6
Говежди черен дроб 6,5
Сушени кайсии 6,31
Магданоз 6,2
Кашу 6
Нахут и бакла 6
Кедрови ядки 5,53
Овесени трици 5,41
Пшеница 5,37
Слънчоглед 5,25
Сирене пармезан 5
Червено месо 4,85 свинско и др.
Киноа 4,75
Спелта 4,44
Сушени праскови 4,06
Ориз 4
Телешко и агнешко месо 3,95 крехко, без тлъстини
Сушени ягоди 3,38
Спанак 2,71
Соя, соево сирене (тофу) 2,6
Лапад 2,4
Козе сирене 2
Коприва 1,64
Аспержи, брюкселско зеле 1,4
Целина, броколи 0,88
Портокали, лимони 0,6
Кашкавал 0,43
Киви, грейпфрут 0,41
Пол Възраст Препоръчителен прием на желязо
[mg/денонощие][34]
Бебета до 6 месеца 0,27
Бебета 7 – 12 месеца 11
Деца 1 – 3 години 7
Деца 4 – 8 години 10
Деца 9 – 13 години 8
Юноши 14 – 18 години 11
Девойки 14 – 18 години 15
Мъже 19 г. и повече 8
Жени 19 – 50 години 18
Жени 50 г. и повече 8

Бележки[редактиране | редактиране на кода]

  1. Lu 2016, с. 31125.
  2. Demazeau 1982, с. 60.
  3. Ram 2003, с. 261.
  4. а б в г д е ж Лефтеров, Димитър. Химичните елементи и техните изотопи. Издателство на БАН „Проф. Марин Дринов“, 2015. ISBN 978-954-322-831-7. с. 87 – 94.
  5. McDonald 2010, с. L92–L97.
  6. а б в г д е ж з и к л м н о п р с т у ф Киркова, Елена. Химия на елементите и техните съединения. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-3504-7. с. 545-574.
  7. WebElements 2010.
  8. Morgan 1980, с. 6973 – 6977.
  9. Reinhard 2009, с. 179 – 181.
  10. Cloud 1973, с. 1135 – 1143.
  11. Emiliani 1992, с. 152.
  12. Klingelhöfer 2007, с. 169 – 177.
  13. а б Kohl 1995, с. 164 – 167.
  14. а б Kuhn 2000, с. 275.
  15. Maryland Metrics 2010.
  16. Takaji 1964, с. 42 – 47.
  17. Raghavan 2004, с. 218.
  18. а б Boehler 2000, с. 221 – 245.
  19. а б Bramfitt 2002, с. 24 – 28.
  20. Martin 2007, с. 183.
  21. Rugel 2009.
  22. Dauphas 2006, с. 515 – 550.
  23. Fewell 1995, с. 653.
  24. Mostefaoui 2004, с. 155.
  25. а б в Holleman 1985, с. 1125 – 1146.
  26. Nam 2007, с. 522 – 531.
  27. Reiff 1984, с. 245 – 283.
  28. Gmelin 1852, с. 128 – 129.
  29. Iron, Nature's Universal Element: Why People Need Iron & Animals Make Magnets. ISBN 0-8135-2831-3. с. 100, 204.
  30. Биохимия. Учебник для ВУЗов. ISBN 5-9231-0254-4. с. 641, 779. Архив на оригинала от 2013-06-25 в Wayback Machine.
  31. а б в г д Кои са храните, богати на желязо?– Кристина Вълкова, 23 май 2016.
  32. Enhancers of iron absorption: ascorbic … [Int J Vitam Nutr Res. 2004] – PubMed – NCBI
  33. Meat and ascorbic acid can promote Fe avai… [J Agric Food Chem. 2005] – PubMed – NCBI
  34. а б в Gregory J. Anderson, Gordon D. McLaren. Iron Physiology and Pathophysiology in Humans. Springer, 2012. ISBN 1-60327-484-7. Pages 88 – 90.
  35. Effect of different drinks on the absorpt… [Hum Nutr Appl Nutr. 1982] – PubMed – NCBI
  36. Iron status of middle-aged women in five cou… [Eur J Clin Nutr. 1999] – PubMed – NCBI
  37. «Нормы физиологических потребностей в энергии и пищевых веществах для различных групп населения Российской Федерации» МР 2.3.1.2432 – 08
  38. Spotlight on… high-iron | BBC Good Food
  39. Sound Medicine 2004.
  40. Топ 8 храни, богати на желязо, повишаващи хемоглобина, Agrozona, 12.10.2018.
  41. Храни с най-високо съдържание на желязо, Аптека Оптима, 5 ноември 2013.
Цитирани източници

Външни препратки[редактиране | редактиране на кода]

Уикицитат
Уикицитат съдържа колекция от цитати от/за