Gvožđe je dobro poznati hemijski element. Spada u metale sa prosečnom reaktivnošću. U ovom članku ćemo razmotriti svojstva i upotrebu željeza.
Prevalencija u prirodi
Postoji prilično veliki broj minerala koji uključuju željezo. Prije svega, to je magnetit. To je sedamdeset dva posto gvožđa. Njegova hemijska formula je Fe3O4. Ovaj mineral se još naziva i magnetna željezna ruda. Ima svijetlo sive boje, ponekad sa tamno sivom, do crne, sa metalnim sjajem. Njegovo najveće ležište među zemljama ZND nalazi se na Uralu.
Sljedeći mineral sa visokim sadržajem željeza je hematit - sedamdeset posto se sastoji od ovog elementa. Njegova hemijska formula je Fe2O3. Naziva se i crvena željezna ruda. Ima boju od crveno-braon do crveno-sive. Najveći depozit na teritoriji zemalja ZND nalazi se u Krivoj Rogu.
Treći mineral po sadržaju željeza je limonit. Ovdje je željezo šezdeset posto ukupne mase. To je kristalni hidrat, odnosno molekuli vode su utkani u njegovu kristalnu rešetku,njegova hemijska formula je Fe2O3•H2O. Kao što naziv govori, ovaj mineral ima žuto-smeđu boju, povremeno smeđu. Jedan je od glavnih sastojaka prirodnog okera i koristi se kao pigment. Naziva se i smeđi željezni kamen. Najveće pojave su Krim, Ural.
U sideritu, takozvanoj šparovoj rudi željeza, četrdeset osam posto željeza. Njegova hemijska formula je FeCO3. Njegova struktura je heterogena i sastoji se od kristala različitih boja povezanih zajedno: sive, blijedozelene, sivo-žute, smeđe-žute, itd.
Posljednji prirodni mineral sa visokim sadržajem željeza je pirit. Ima sledeću hemijsku formulu: FeS2. Gvožđe u njemu čini četrdeset šest posto ukupne mase. Zbog atoma sumpora, ovaj mineral ima zlatno žutu boju.
Mnogi od razmatranih minerala se koriste za dobijanje čistog gvožđa. Osim toga, hematit se koristi u proizvodnji nakita od prirodnog kamenja. Inkluzije pirita mogu se naći u nakitu od lapis lazulija. Osim toga, željezo se u prirodi nalazi u sastavu živih organizama – ono je jedna od najvažnijih komponenti ćelije. Ovaj element u tragovima mora biti dostavljen ljudskom tijelu u dovoljnim količinama. Ljekovita svojstva gvožđa u velikoj mjeri su posljedica činjenice da je ovaj hemijski element osnova hemoglobina. Stoga upotreba feruma dobro utiče na stanje krvi, a samim tim i cijelog organizma u cjelini.
Gvožđe: fizička i hemijska svojstva
Razmotrimo ova dva velika dijela po redu. Fizička svojstva gvožđa su njegov izgled, gustina, tačka topljenja, itd. To jest, sve karakteristike supstance koje su povezane sa fizikom. Hemijska svojstva gvožđa su njegova sposobnost da reaguje sa drugim jedinjenjima. Počnimo s prvim.
Fizička svojstva gvožđa
U svom čistom obliku pod normalnim uslovima, to je čvrsta materija. Srebrno-sive je boje i izraženog metalnog sjaja. Mehanička svojstva gvožđa uključuju nivo tvrdoće po Mohsovoj skali. Jednako je sa četiri (srednja). Gvožđe ima dobru električnu i toplotnu provodljivost. Posljednju osobinu možete osjetiti dodirivanjem željeznog predmeta u hladnoj prostoriji. Budući da ovaj materijal brzo provodi toplinu, apsorbira većinu topline iz vaše kože za kratko vrijeme, čineći da se osjećate hladno.
Dodirujući, na primjer, drvo, može se primijetiti da je njegova toplotna provodljivost mnogo niža. Fizička svojstva gvožđa su njegove tačke topljenja i ključanja. Prva je 1539 stepeni Celzijusa, druga 2860 stepeni Celzijusa. Može se zaključiti da su karakteristična svojstva željeza dobra duktilnost i taljivost. Ali to nije sve.
Takođe, fizička svojstva gvožđa uključuju njegov feromagnetizam. Šta je to? Gvožđe, čija magnetna svojstva svakodnevno možemo posmatrati na praktičnim primerima, jedini je metal koji to imajedinstvena prepoznatljiva karakteristika. To je zbog činjenice da se ovaj materijal može magnetizirati pod utjecajem magnetskog polja. I nakon prestanka djelovanja potonjeg, željezo, čija su magnetska svojstva upravo formirana, ostaje magnet dugo vremena. Ovaj fenomen se može objasniti činjenicom da u strukturi ovog metala postoji mnogo slobodnih elektrona koji se mogu kretati.
Sa stanovišta hemije
Ovaj element spada u metale srednje aktivnosti. Ali hemijska svojstva gvožđa su tipična za sve druge metale (osim onih koji su desno od vodonika u elektrohemijskom nizu). Sposoban je da reaguje sa mnogim klasama supstanci.
Počni jednostavno
Ferrum reaguje sa kiseonikom, azotom, halogenima (jod, brom, hlor, fluor), fosforom, ugljenikom. Prva stvar koju treba uzeti u obzir su reakcije s kisikom. Kada se željezo sagorijeva, nastaju njegovi oksidi. U zavisnosti od uslova reakcije i proporcija između dva učesnika, one se mogu menjati. Kao primjer takvih interakcija, mogu se dati sljedeće jednačine reakcije: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. I svojstva željeznog oksida (i fizička i kemijska) mogu varirati, ovisno o njegovoj raznolikosti. Ovakve reakcije se javljaju na visokim temperaturama.
Sljedeće - interakcija sa dušikom. To se takođe može dogoditi samopodložan grijanju. Ako uzmemo šest molova željeza i jedan mol dušika, dobićemo dva mola željeznog nitrida. Jednačina reakcije će izgledati ovako: 6Fe + N2=2Fe3N.
Prilikom interakcije sa fosforom, formira se fosfid. Za izvođenje reakcije potrebne su sljedeće komponente: za tri mola željeza - jedan mol fosfora, kao rezultat toga, formira se jedan mol fosfida. Jednačina se može napisati na sljedeći način: 3Fe + P=Fe3P.
Pored toga, među reakcijama sa jednostavnim supstancama može se razlikovati i interakcija sa sumporom. U ovom slučaju se može dobiti sulfid. Princip po kojem se odvija proces formiranja ove tvari sličan je gore opisanim. Naime, dolazi do reakcije adicije. Sve hemijske interakcije ove vrste zahtevaju posebne uslove, uglavnom visoke temperature, rjeđe katalizatore.
Reakcije između gvožđa i halogena su takođe česte u hemijskoj industriji. To su hloriranje, bromiranje, jodiranje, fluoriranje. Kao što je jasno iz naziva samih reakcija, ovo je proces dodavanja atoma hlora / broma / joda / fluora atomima gvožđa da bi se formirao hlorid / bromid / jodid / fluor. Ove supstance se široko koriste u raznim industrijama. Osim toga, ferum se može kombinirati sa silicijumom na visokim temperaturama. Zbog svojih raznovrsnih hemijskih svojstava, gvožđe se često koristi u hemijskoj industriji.
ferum i složene supstance
Od jednostavnih supstanci, pređimo na one čiji se molekuli sastoje od dva ili višeraznih hemijskih elemenata. Prva stvar koju treba spomenuti je reakcija feruma sa vodom. Evo glavnih svojstava gvožđa. Kada se voda zagrije zajedno sa željezom, nastaje bazični oksid (naziva se tako jer pri interakciji s istom vodom stvara hidroksid, drugim riječima, bazu). Dakle, ako uzmete jedan mol obje komponente, tvari kao što su željezov dioksid i vodik nastaju u obliku plina oštrog mirisa - također u molarnim omjerima jedan prema jedan. Jednačina za ovu vrstu reakcije može se napisati na sljedeći način: Fe + H2O=FeO + H2. U zavisnosti od omjera u kojima su ove dvije komponente pomiješane, može se dobiti željezni di- ili trioksid. Obje ove supstance su vrlo česte u hemijskoj industriji, a koriste se i u mnogim drugim industrijama.
Sa kiselinama i solima
Pošto se ferum nalazi lijevo od vodonika u elektrohemijskom nizu aktivnosti metala, on je u stanju da istisne ovaj element iz jedinjenja. Primjer za to je reakcija supstitucije koja se može uočiti kada se željezo doda kiselini. Na primjer, ako pomiješate željezo i sulfatnu kiselinu (aka sumporna kiselina) srednje koncentracije u istim molarnim omjerima, rezultat će biti željezni sulfat (II) i vodik u istim molarnim omjerima. Jednačina za takvu reakciju bi izgledala ovako: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
Prilikom interakcije sa solima, pojavljuju se redukciona svojstva gvožđa. Odnosno, uz pomoć nje, iz soli se može izolirati manje aktivan metal. Na primjer, akouzmite jedan mol bakar sulfata i istu količinu feruma, onda možete dobiti željezni sulfat (II) i čisti bakar u istim molarnim omjerima.
Vrijednost za tijelo
Jedan od najčešćih hemijskih elemenata u zemljinoj kori je gvožđe. Već smo razmotrili svojstva materije, sada ćemo joj pristupiti sa biološke tačke gledišta. Ferrum obavlja veoma važne funkcije kako na nivou ćelije tako i na nivou celog organizma. Prije svega, željezo je osnova takvog proteina kao što je hemoglobin. Neophodan je za transport kiseonika kroz krv od pluća do svih tkiva, organa, do svake ćelije u telu, prvenstveno do neurona mozga. Stoga se korisna svojstva gvožđa ne mogu precijeniti.
Pored činjenice da utiče na stvaranje krvi, ferum je važan i za puno funkcionisanje štitne žlezde (za to nije potreban samo jod, kako neki veruju). Gvožđe takođe učestvuje u unutarćelijskom metabolizmu, reguliše imunitet. Ferrum se također nalazi u posebno velikim količinama u stanicama jetre, jer pomaže u neutralizaciji štetnih tvari. Takođe je jedna od glavnih komponenti mnogih vrsta enzima u našem tijelu. Dnevna ishrana osobe treba da sadrži od deset do dvadeset miligrama ovog elementa u tragovima.
Hrana bogata gvožđem
Ima ih mnogo. Oni su i biljnog i životinjskog porijekla. Prvi su žitarice, mahunarke, žitarice (posebno heljda), jabuke, pečurke (vrganji), sušeno voće, šipak, kruške, breskve,avokado, bundeva, bademi, urme, paradajz, brokoli, kupus, borovnice, kupine, celer itd. Drugo - džigerica, meso. Upotreba hrane bogate gvožđem posebno je važna tokom trudnoće, jer telo fetusa u razvoju zahteva veliku količinu ovog elementa u tragovima za pravilan rast i razvoj.
Znakovi nedostatka gvožđa
Simptomi premalo feruma ulaska u organizam su umor, stalno smrzavanje ruku i stopala, depresija, lomljiva kosa i nokti, smanjena intelektualna aktivnost, probavni poremećaji, slab rad i poremećaji štitne žlijezde. Ako primijetite više od jednog od ovih simptoma, možda biste željeli povećati količinu hrane bogate željezom u svojoj prehrani ili kupiti vitamine ili suplemente koji sadrže željezo. Također, svakako posjetite ljekara ako osjetite bilo koji od ovih simptoma prejako.
Upotreba feruma u industriji
Upotrebe i svojstva gvožđa su usko povezani. Zbog svog feromagnetizma koristi se za izradu magneta - kako slabih za kućne potrebe (magneti za suvenire i sl.), tako i jačih - za industrijske potrebe. Zbog činjenice da je dotični metal visoke čvrstoće i tvrdoće, od davnina se koristio za izradu oružja, oklopa i drugih vojnih i kućnih alata. Inače, još u starom Egiptu, meteoritno željezo je bilo poznato, svojstvakoji su bolji od onih od običnog metala. Također, takvo posebno željezo korišteno je u starom Rimu. Od njega su pravili elitno oružje. Samo veoma bogata i plemenita osoba može imati štit ili mač napravljen od metala meteorita.
Generalno, metal koji razmatramo u ovom članku je najsvestraniji u upotrebi među svim supstancama ove grupe. Pre svega, od njega se izrađuju čelik i liveno gvožđe koji se koriste za proizvodnju svih vrsta proizvoda neophodnih kako u industriji tako iu svakodnevnom životu.
Liveno gvožđe je legura gvožđa i ugljenika, u kojoj je drugi prisutan od 1,7 do 4,5 odsto. Ako je drugi manji od 1,7 posto, onda se ova vrsta legure naziva čelik. Ako u sastavu ima oko 0,02 posto ugljika, onda je to već obično tehničko željezo. Prisustvo ugljika u leguri je neophodno da bi joj se dala veća čvrstoća, otpornost na toplotu i otpornost na rđu.
Pored toga, čelik može sadržavati mnoge druge hemijske elemente kao nečistoće. Ovo je i mangan, i fosfor i silicijum. Takođe, ovoj vrsti legure mogu se dodati hrom, nikl, molibden, volfram i mnogi drugi hemijski elementi koji joj daju određene kvalitete. Kao transformatorski čelici koriste se vrste čelika u kojima je prisutna velika količina silicija (oko četiri posto). Oni koji sadrže mnogo mangana (do dvanaest ili četrnaest posto) nalaze svoju primenu u proizvodnji delovapruge, mlinovi, drobilice i drugi alati koji brzo troše dijelove.
Molibden se uvodi u sastav legure kako bi bila termički stabilnija - takvi čelici se koriste kao alatni čelici. Osim toga, za dobivanje poznatih i često korištenih nehrđajućih čelika u obliku noževa i drugih kućnih alata, potrebno je leguri dodati krom, nikl i titan. A da bi se dobio otporan na udarce, visoke čvrstoće, duktilni čelik, dovoljno mu je dodati vanadij. Kada se unese u sastav niobija, moguće je postići visoku otpornost na koroziju i dejstvo hemijski agresivnih materija.
Mineral magnetit, koji je spomenut na početku članka, potreban je za proizvodnju tvrdih diskova, memorijskih kartica i drugih uređaja ovog tipa. Zbog svojih magnetnih svojstava, gvožđe se može naći u konstrukciji transformatora, motora, elektronskih proizvoda itd. Osim toga, ferum se može dodati drugim metalnim legurama da bi im dao veću čvrstoću i mehaničku stabilnost. Sulfat ovog elementa se koristi u hortikulturi za kontrolu štetočina (zajedno sa bakar sulfatom).
Gvozdeni hloridi su neophodni za prečišćavanje vode. Osim toga, prah magnetita se koristi u crno-bijelim štampačima. Glavna upotreba pirita je dobivanje sumporne kiseline iz njega. Ovaj proces se odvija u laboratoriji u tri faze. U prvoj fazi, ferum pirit se spaljuje kako bi se dobio željezni oksid i sumpor dioksid. Drugi korak je konverzija dioksidasumpora u svoj trioksid uz sudjelovanje kisika. I u završnoj fazi, nastala supstanca se propušta kroz vodenu paru u prisustvu katalizatora, čime se dobija sumporna kiselina.
Dobijanje željeza
Ovaj metal se uglavnom dobija iz dva glavna minerala: magnetita i hematita. To se postiže redukcijom željeza iz njegovih spojeva ugljikom u obliku koksa. To se radi u visokim pećima, temperatura u kojima dostiže dvije hiljade stepeni Celzijusa. Osim toga, postoji način da se ferum reducira vodonikom. Za to nije potrebna visoka peć. Za implementaciju ove metode uzima se specijalna glina, koja se pomeša sa usitnjenom rudom i tretira sa vodonikom u peći.
Zaključak
Svojstva i upotreba gvožđa su različiti. Ovo je možda najvažniji metal u našim životima. Pošto je postao poznat čovječanstvu, zauzeo je mjesto bronce, koja je u to vrijeme bila glavni materijal za izradu svih alata, kao i oružja. Čelik i liveno gvožđe su na mnogo načina superiorniji od legure bakra i kositra u pogledu svojih fizičkih svojstava, otpornosti na mehanička opterećenja.
Pored toga, gvožđe je češće na našoj planeti od mnogih drugih metala. Njegov maseni udio u zemljinoj kori je skoro pet posto. To je četvrti najzastupljeniji hemijski element u prirodi. Takođe, ovaj hemijski element je veoma važan za normalno funkcionisanje organizma životinja i biljaka, pre svega zato što se na njegovoj osnovi gradi hemoglobin. Gvožđe je esencijalni mikronutrijentšto je važno za održavanje zdravlja i normalno funkcionisanje organa. Pored navedenog, to je jedini metal koji ima jedinstvena magnetna svojstva. Nemoguće je zamisliti naš život bez feruma.
