ברזל (יסוד): מאפיינים, מבנה כימי, שימושים - כִּימִיָה - 2025

הברזל הוא מתכת מעבר השייכים הקבוצה 8 או VIIIB של הטבלה המחזורית ועל מיוצג על ידי הסמל הכימי פה. הוא אפור מתכת, רקיע, כוח נזיל גבוה, בשימוש ביישומים רבים שימושיים עבור גבר והחברה.

הוא מהווה 5% מקרום כדור הארץ, והוא גם המתכת השנייה בשופעה אחרי אלומיניום. כמו כן, חריגה וסיליקון חורגים בשפע שלה. עם זאת, ביחס לליבה של כדור הארץ, 35% ממנו מורכבים מברזל מתכתי ונוזל.

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

מחוץ לליבת כדור הארץ, ברזל לא נמצא בצורת מתכתי, מכיוון שהוא מתחמצן במהירות כאשר הוא חשוף לאוויר לח. הוא ממוקם בסלעי בזלת, משקעים פחמימניים ומטאוריטים; בדרך כלל סגסוגת בניקל, כמו בקמציט המינרלי.

מינרלי הברזל העיקריים המשמשים לכרייה הם הבאים: המטיט (תחמוצת הברזל, Fe ₂ O ₃ ), מגנטיט (תחמוצת פרוסומר, Fe ₃ O ₄ ), לימוניט (הידרוקסיד תחמוצת ברזלים,), וכן siderite (ברזל קרבונט, FeCO ₃ ).

בממוצע, לאדם יש תוכן של 4.5 גר 'ברזל, מתוכם 65% בצורה של המוגלובין. חלבון זה מעורב בהובלת חמצן בדם ובהפצתו לרקמות השונות, לצורך ספיגתו לאחר מכן על ידי מיוגלובין ונוירוגלובין.

למרות היתרונות הרבים של ברזל לבני אדם, עודף מתכת יכול להיות בעל פעולות רעילות חמורות מאוד, בעיקר על הכבד, מערכת הלב וכלי הדם והלבלב; כזה הוא המקרה של המחלה התורשתית המוכרומטוזיה.

ברזל הוא שם נרדף לבנייה, כוח ומלחמות. מצד שני, בגלל השפע שלה, זו תמיד אלטרנטיבה שיש לקחת בחשבון כשמדובר בפיתוח חומרים חדשים, זרזים, תרופות או פולימרים; ולמרות הצבע האדום של חלודה, מדובר במתכת ירוקה לסביבה.

הִיסטוֹרִיָה

יָמֵי קֶדֶם

ברזל עבר עיבוד במשך אלפי שנים. עם זאת, קשה למצוא חפצי ברזל מתקופות כה קדומות בגלל רגישותם לשחיתות, הגורמת להשמדתם. חפצי הברזל העתיקים הידועים ביותר נוצרו מזה שנמצא בתוך מטאוריטים.

כזה הוא המקרה של סוג של חרוזים שיוצרו בשנת 3500 לפני הספירה, שנמצאו בגרצה שבמצרים ופגיון שנמצא בקבר תותחאמון. מטאוריטים מברזל מאופיינים בתכולת ניקל גבוהה, כך שניתן היה לזהות את מקורם באובייקטים אלה.

עדויות לברזל יצוק נמצאו גם באסמר, מסופוטמיה, וזנב צ'גאר בזאר שבסוריה, בין השנים 3000-2700 לפני הספירה. למרות שיציקת ברזל החלה בתקופת הברונזה, לקח לה מאות שנים עד לעקוף ברונזה.

בנוסף, נמצאו חפצי ברזל יצוק בהודו, 1800 עד 1200 לפנה"ס, ובלבנט, בערך 1500 לפני הספירה. מעריכים כי תקופת הברזל החלה בשנת 1000 לפנה"ס, עם עלות ייצורם.

הוא מופיע בסין בין 700 ל 500 לפני הספירה, מועבר ככל הנראה דרך מרכז אסיה. חפצי הברזל הראשונים נמצאו בלהה ג'יאנגסו, סין.

אֵירוֹפָּה

ברזל יצוק הופק באירופה באמצעות שימוש במכונות גאלה שנקראו. התהליך הצריך שימוש בפחם כדלק.

תנורי הפיצוץ מימי הביניים היו גובהם 3.0 מ ', עשויים לבנים חסינות אש ואוויר סופק על ידי מפוח ידני. בשנת 1709 הקים אברהם דארבי תנור פיצוץ קולה לייצור ברזל מותך, ובמקומו הוחלף פחם.

הזמינות של ברזל זול היה אחד הגורמים שהובילו למהפכה התעשייתית. בתקופה זו החל זיקוק ברזל חזיר לברזל יצוק אשר שימש לבניית גשרים, אוניות, מחסנים וכו '.

פְּלָדָה

פלדה משתמשת בריכוז פחמן גבוה יותר מברזל יצוק. המהפכה התוצרת בלוריסטן, פרס, בשנת 1000 לפני הספירה, תוכננו במהפכה התעשייתית שיטות חדשות לייצור מוטות ברזל ללא פחמן, אשר שימשו לימים לייצור פלדה.

בסוף שנות החמישים של המאה העשרים, הנרי בסמר המציא לנשוף אוויר לברזל חזיר מותך כדי לייצר פלדה קלה, מה שהפך את ייצור הפלדה לחסכוני יותר. זה הביא לירידה בייצור ברזל יצוק.

נכסים

מראה חיצוני

ברק מתכתי עם גוון אפרפר.

משקל אטומי

55,845 u.

מספר אטומי (Z)

26

נקודת המסה

1,533 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

2,862 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

-טמפרטורת הסביבה: 7.874 גרם / מ"ל.

נקודת התכה (נוזל): 6.980 גרם / מ"ל.

חום של היתוך

13.81 kJ / mol

חום האידוי

340 ק"ג / מול

יכולת קלורית מולקולרית

25.10 J / (mol K)

אנרגיית יינון

רמת יינון ראשונה: 762.5 kJ / mol (Fe ⁺ גזי)

רמת יינון שנייה: 1,561.9 kJ / mol (Fe ²⁺ גזי)

-שלב יינון שלישי: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ גזי)

אלקטרונגטיביות

1.83 בסולם פאולינג

רדיו אטומי

אמפירי 126 בערב

מוליכות תרמית

80.4 W / (mK)

התנגדות חשמלית

96.1 Ω · מ '(ב 20 ° C)

נקודת קארי

770 מעלות צלזיוס, בערך. בטמפרטורה זו, הברזל כבר אינו פרומגנטי.

איזוטופים

איזוטופים יציבים: ⁵⁴ Fe, עם שפע של 5.85%; ⁵⁶ Fe, עם שפע של 91.75%; ⁵⁷ Fe, עם שפע של 2.12%; ו- ⁵⁷ Fe, עם שפע של 0.28%. מכיוון ש ⁵⁶ Fe הוא האיזוטופ הכי יציב ושופע, אין זה מפתיע שהמשקל האטומי של הברזל קרוב מאוד ל -56 u.

בעוד האיזוטופים הרדיואקטיביים הם: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe ו- ⁶⁰ Fe.

מבנה ותצורה אלקטרונית

-אלרופים

ברזל בטמפרטורת החדר מתגבש במבנה המעוקב שבמרכזו גוף (bcc), המכונה גם α-Fe או פריט (בתוך הז'רגון המטלורגי). מכיוון שהוא יכול לאמץ מבני קריסטל שונים כפונקציה של טמפרטורה ולחץ, אומרים כי הברזל הוא מתכת אלוטרופית.

Bcc allotrope הוא ברזל נפוץ (פרומגנטי), זה שאנשים מכירים כל כך טוב ונמשך למגנטים. כשהוא מחומם מעל 771 מעלות צלזיוס הוא הופך לפרמגנטי, ולמרות שהגביש שלו רק מתרחב, "שלב חדש" זה נחשב בעבר ל- P-Fe. שאר האלקטרופי ברזל הם גם פרמגנטיים.

בין 910 מעלות צלזיוס ל -1,394 מעלות צלזיוס, ברזל נמצא כאלוסטרופ האוסטניט או ה- γ-Fe, אשר מבנהו מעוקב פנים מעוקב, fcc. ההמרה בין אוסטניט לפריט משפיעה באופן משמעותי על ייצור הפלדה; מכיוון שאטומי פחמן מסיסים יותר באוסטניט מאשר בפריט.

ואז, מעל 1394 מעלות צלזיוס עד נקודת ההתכה שלו (1538 מעלות צלזיוס), הברזל חוזר לאמץ את מבנה bcc, δ-Fe; אך בניגוד לפריט, האלוטרופ הזה פרמגנטי.

ברזל אפסילון

על ידי הגדלת הלחץ ל 10 GPa, בטמפרטורה של כמה מאות מעלות צלזיוס, האוטומט α או פריט מתפתח לאלוטרופ ε, האפילסון, המאופיין בהתגבשות במבנה משושה קומפקטי; כלומר עם אטומי ה- Fe הקומפקטיים ביותר. זוהי צורת האלוטרופיה הרביעית של ברזל.

יש מחקרים העוסקים בתיאוריה על קיומם האפשרי של אלוטרופים אחרים של ברזל בלחצים כאלה, אך בטמפרטורות גבוהות אף יותר.

קישור קישור

בלי קשר לאלוטרופ הברזל והטמפרטורה ש"מרעידה "את אטומי ה- Fe שלו, או הלחץ הדוחס אותם, הם מתקשרים זה עם זה עם אותם אלקטרונים ערכיים; אלה הם אלה המוצגים בתצורה האלקטרונית שלהם:

3d ⁶ 4s ²

לכן ישנם שמונה אלקטרונים המשתתפים בקשר המתכתי, בין אם הוא נחלש או מתחזק במהלך מעברים אלוטרופיים. כמו כן שמונה האלקטרונים הללו הם המגדירים את תכונות הברזל כמו המוליכות התרמית או החשמלית שלו.

מספרי חמצון

מספרי החמצון החשובים (והנפוצים ביותר) עבור ברזל הם +2 (Fe ²⁺ ) ו- +3 (Fe ³⁺ ). למעשה, המינוח הקונבנציונאלי מתחשב רק בשני המספרים או המצבים הללו. עם זאת, ישנם תרכובות בהן ברזל יכול להשיג או לאבד מספר נוסף של אלקטרונים; כלומר, מניחים קיומם של קטיונים אחרים.

לדוגמה, לברזל יכולים להיות גם מספרי חמצון של +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) ו- +7 (Fe ^{7) +} ). למין החמוס האוניוני, FeO ₄ ^2- , יש ברזל עם מספר חמצון של +6, מכיוון שארבעת אטומי החמצן חמצנו אותו במידה כזו.

באופן דומה, לברזל יכולים להיות מספרי חמצון שליליים; כגון: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) ו- -1 (Fe ^- ). עם זאת, תרכובות עם מרכזי ברזל עם עליות אלקטרונים אלה נדירות ביותר. זו הסיבה, למרות שהיא עולה על מנגן מהבחינה הזו, האחרונים יוצרים תרכובות יציבות הרבה יותר עם טווח מצבי החמצון שלה.

התוצאה, למטרות מעשיות, מספיק לשקול את Fe ²⁺ או Fe ³⁺ ; הקטיונים האחרים שמורים ליונים או לתרכובות ספציפיות למדי.

איך היא מתקבלת?

קישוטים מפלדה, הסגסוגת החשובה ביותר של ברזל. מקור: Pxhere.

אוסף חומרי גלם

עלינו להמשיך למיקום העפרות של המינרלים המתאימים ביותר לכריית ברזל. המינרלים המשמשים ביותר להשגתו הם הבאים: המטיט (Fe ₂ O ₃ ), מגנטיט (Fe ₃ O ₄ ), לימוניט (FeO · OH · nH ₂ O) וסיידיט (FeCO ₃ ).

ואז השלב הראשון במיצוי הוא איסוף הסלעים עם עפרות הברזל. הסלעים הללו נמעכים בכדי לפרק אותם לחתיכות קטנות. לאחר מכן, יש שלב של בחירה של שברי הסלעים עם עפרות ברזל.

בוחרים שתי אסטרטגיות בבחירה: שימוש בשדה מגנטי ומשקעים במים. שברי הסלע נתונים לשדה מגנטי ורסיסי המינרלים מכוונים בו וכך הם יכולים להיות מופרדים.

בשיטה השנייה השברים הסלעיים נזרקים למים ואלה המכילים ברזל, מכיוון שהם כבדים יותר, מתיישבים בתחתית המים ומשאירים את הגנגוע בחלקו העליון של המים מכיוון שהוא קל יותר.

תנור פיצוץ

תנור פיצוץ בו מיוצרת פלדה. מקור: Pixabay.

עפרות הברזל מועברות לתנורי פיצוץ, שם הם מושלכים יחד עם פחם קוקאקי, שיש לו תפקיד של ספק דלק וספק פחמן. בנוסף, מתווספים אבן גיר או אבן גיר הממלאות את תפקוד השטף.

תנור הפיצוץ, עם התערובת הקודמת, מוזרק אוויר חם בטמפרטורה של 1,000 מעלות צלזיוס. ברזל נמס על ידי בעירה של פחם שמביא את הטמפרטורה ל -1,800 מעלות צלזיוס. ברגע שהוא נוזלי, זה נקרא ברזל חזיר, המצטבר בתחתית התנור.

ברזל חזיר מוציא מהתנור ונשפך למכולות שיועברו לבית יציקה חדש; ואילו הסיגים, טומאה הנמצאת על פני ברזל החזיר, מושלכים.

ברזל חזיר מוזג באמצעות מצקות לתנור הממיר, יחד עם אבן גיר כשטף, והחמצן מוחדר בטמפרטורות גבוהות. לפיכך, תכולת הפחמן מופחתת, ומזקקת את ברזל החזיר להפוך אותו לפלדה.

בהמשך מועברת הפלדה דרך תנורים חשמליים לייצור פלדות מיוחדות.

יישומים

-ברזל מתכתי

גשר ברזל באנגליה, אחד מהבניינים הרבים שנעשו עם ברזל או מסגסוגותיו. מקור: לא סופק מחבר קריא במכונה. Jasonjsmith הניח (בהתבסס על טענות בזכויות יוצרים).

מכיוון שמדובר במתכת רקומית בעלות נמוכה, ניתנת לטיפול, שהפכה עמידה בפני קורוזיה, היא הפכה למתכת השימושית ביותר לאדם, על צורותיה השונות: מזויפים, יצוקים ופלדה מסוגים שונים.

ברזל משמש לבניית:

-גשרים

-בסיס לבניינים

-דלתות וחלונות

-ספינות סירה

-כלים שונים

-צנרת לשתיית מים

צינורות לאיסוף שפכים

ריהוט לגנים

גריל לאבטחת בית

הוא משמש גם בייצור כלי בית, כמו סירים, מחבתות, סכינים, מזלגות. בנוסף, הוא משמש בייצור מקררים, תנורים, מכונות כביסה, מדיחי כלים, בלנדרים, תנורים, טוסטרים.

בקיצור, ברזל קיים בכל החפצים המקיפים את האדם.

חלקיקים ננו

ברזל מתכתי מוכן גם כחלקיקים חלקיקים, שהם תגובתי מאוד ושומרים על התכונות המגנטיות של המוצק המקרוסקופי.

תחומי Fe אלה (והמורפולוגיות הנוספות הרבות שלהם) משמשים לטיהור מים של תרכובות אורגנוכלוריות, וכנשאי תרופות המועברים לאזורים נבחרים בגוף באמצעות יישום שדה מגנטי.

הם יכולים לשמש גם כתומכים קטליטים בתגובות בהן קשורים קשרי פחמן, CC.

תרכובות אירון

תחמוצות

תחמוצת הברזל, FeO, משמשת כפיגמנט לגבישים. תחמוצת הברזל, Fe ₂ O ₃ , היא הבסיס למספר פיגמנטים הנעים בין צהוב לאדום, המכונה אדום ונציאני. הצורה האדומה, הנקראת סומק, משמשת לליטוש מתכות יקרות ויהלומים.

תחמוצת Ferro-Ferric, Fe ₃ O ₄ , משמשת בפרסים, חומרים עם נגישות מגנטית גבוהה ועמידות חשמלית, שמישים בזיכרונות מחשב מסוימים ובציפוי קלטות מגנטיות. הוא שימש גם כחומר פיגמנט והברקה.

סולפטים

הפטרהידראט גופרת ברזלי, FeSO ₄ · 7H ₂ O, הוא הצורה הנפוצה ביותר של סולפט ברזלי, המכונה ויטריול ירוק או קופרה. הוא משמש כחומר מקטין וייצור דיו, דשנים וחומרי הדברה. זה גם מוצא שימוש בחיפוי הברזל.

ברזל גופרתי, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , משמש להשגת אלום ברזל ותרכובות ברזליות אחרות. היא משמשת כקרישה במערכת הטיהור של שפכים, וכמצב צביעה של טקסטיל.

כלורידים

כלוריד ברזלי, FeCl ₂ , משמש כחומר מצמצם. בינתיים, כלוריד ברזלי, FeCl ₃ , משמש כחומר הכלרה למתכות (כסף ונחושת) וכמה תרכובות אורגניות.

טיפול ב- Fe ³⁺ בעזרת היון-הקסוציאנופררט יון ^-4 מייצר משקע כחול, הנקרא כחול פרוסי, המשמש בצבעים ולכות.

מזונות מברזל

צדפות הן מקור מזון עשיר לברזל. מקור: Pxhere.

באופן כללי, צריכת ברזל של 18 מ"ג ליום מומלצת. בין המזונות המספקים אותו בתזונה היומית הם הבאים:

רכיכה מספקים ברזל בצורה מעשית, כך שאין שום עכבה בספיגת המעי שלו. הצדפה מספקת עד 28 מ"ג ברזל לכל 100 גרם ממנו; לפיכך, כמות צדפה זו תספיק בכדי לספק את הדרישה היומית של ברזל.

תרד מכיל 3.6 מ"ג ברזל ל 100 גרם. בשר איברים בקר, למשל כבד עגל, מכיל 6.5 מ"ג ברזל ל 100 גרם. ככל הנראה התרומה של נקניקיית הדם תהיה גבוהה מעט יותר. נקניקיית דם מורכבת מחלקים מהמעי הדק, ממולאים בדם בקר.

קטניות, כמו עדשים, מכילות 6.6 מ"ג ברזל לכל 198 גרם. בשר אדום מכיל 2.7 מ"ג ברזל ל 100 גרם. זרעי דלעת מכילים 4.2 מ"ג לכל 28 גרם. הקינואה מכילה 2.8 מ"ג ברזל לכל 185 גרם. הבשר הכהה של הודו מכיל 2.3 מ"ג ל 100 גרם. ברוקולי מכיל 2.3 מ"ג לכל 156 מ"ג.

הטופו מכיל 3.6 מ"ג לכל 126 גרם. בינתיים, שוקולד מריר מכיל 3.3 מ"ג לכל 28 גרם.

תפקיד ביולוגי

הפונקציות שברזל ממלאת, בייחוד בייצורים חיים בעלי חוליות, אין ספור. ההערכה היא כי למעלה מ- 300 אנזימים דורשים ברזל לצורך תפקודם. בין האנזימים והחלבונים המשתמשים בו נקראים הבאים:

חלבונים שיש להם קבוצת ההם ואינם בעלי פעילות אנזימטית: המוגלובין, מיוגלובין ונוירוגלובין.

-אנזימים בקבוצת ההם המעורבים בהובלת אלקטרונים: ציטוכרומים a, b ו- f, ו- ציטוכרום אוקסידאזים ו / או פעילות אוקסידאזית; sulfite oxidase, cytochrome P450 oxidase, myeloperoxidase, peroxidase, catalase וכו '.

-פרוטאינים המכילים ברזל-גופרית, הקשורים לפעילות אוקסירדוקטאז, המעורבים בייצור אנרגיה: סוקינאט דה-הידרוגנאז, איזוציטרט דה-הידרוגנאז ואקוניטאז, או אנזימים המעורבים בשכפול ותיקון DNA: DNA-polymerase ו- DNA-heliclases.

אנזימים ללא-heme שמשתמשים בברזל כקופקטור לפעילותם הקטליטית: פנילאלנין הידרולאז, טירוזין הידרולאז, טריפטופן הידרולאז וליזין הידרולאז.

חלבונים ללא-heme האחראים להובלה ואחסון של ברזל: פריטין, טרנספרין, הפטוגלובין וכו '.

סיכונים

רַעֲלָנוּת

סיכונים מחשיפה לעודף ברזל יכולים להיות חריפים או כרוניים. גורם אחד להרעלת ברזל חריפה יכול להיות צריכה מופרזת של טבליות ברזל, בצורה של גלוקונאט, פומראט וכו '.

ברזל יכול לגרום לגירוי ברירית המעי, אשר אי הנוחות שבה מתבטאת מיד לאחר הבליעה ונעלמת לאחר 6 עד 12 שעות. הברזל הספוג מופקד באיברים שונים. הצטברות זו יכולה לגרום להפרעות מטבוליות.

אם כמות הברזל שנבלע הוא רעיל, זה יכול לגרום לניקוב מעיים עם דלקת הצפק.

במערכת הלב וכלי הדם היא מייצרת היפובולמיה שיכולה להיגרם כתוצאה מדימום במערכת העיכול, ושחרור באמצעות ברזל של חומרים vasoactive, כמו סרוטונין והיסטמין. בסופו של דבר עלולה להופיע נמק מאסיבי של הכבד ואי ספיקת כבד.

המוכרומטוזיה

המוכרומטוזיה היא מחלה תורשתית המציגה שינוי במנגנון ויסות הברזל בגוף המתבטא בעלייה בריכוז הדם של הברזל והצטברותו באיברים שונים; כולל הכבד, הלב והלבלב.

התסמינים הראשוניים של המחלה הם הבאים: כאבי פרקים, כאבי בטן, עייפות וחולשה. עם הסימפטומים הבאים וסימני המחלה הבאים: סוכרת, אובדן חשק מיני, אימפוטנציה, אי ספיקת לב ואי ספיקת כבד.

המוזידרוזיס

המוזידרוזיס מאופיינת, כשמו כן הוא, על ידי הצטברות ההמוסידרין ברקמות. זה לא גורם לנזק לרקמות, אבל זה יכול להתפתח לנזק דומה לזה שנראה בהמוכרומטוזיה.

המוזידרוזיס יכול להיגרם מהגורמים הבאים: ספיגה מוגברת של ברזל מהתזונה, אנמיה המוליטית שמשחררת ברזל מכדוריות דם אדומות ועירופי דם מופרזים.

המוזידרוזיס והמוכרומטוזיה עשויים להיות כתוצאה מתפקוד לקוי של ההורמון הפפסידין, הורמון המופרש על ידי הכבד המעורב בוויסות ברזל הגוף.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. Foist L. (2019). אלוטרופים מברזל: סוגים, צפיפות, שימושים ועובדות. לימוד. התאושש מ: study.com
3. ג'יינטי ס '(נ'). אלוטרופיה של ברזל: תרמודינמיקה ומבני קריסטל. מֵטַלוּרגִיָה. התאושש מ: engineeringenotes.com
4. ננושל. (2018). כוח ננו ברזל. התאושש מ: nanoshel.com
5. ויקיפדיה. (2019). בַּרזֶל. התאושש מ: en.wikipedia.org
6. היסטוריה של שרופשייר. (sf). תכונות ברזל. התאושש מ: shropshirehistory.com
7. ד"ר בצק סטיוארט. (2019). עובדות על אלמנטים מברזל. התאושש מ: chemicool.com
8. פרנציסקה שפריצלר. (2018, 18 ביולי). 11 מזונות בריאים עשירים בברזל. התאושש מ: healthline.com
9. Lenntech. (2019). טבלה תקופתית: ברזל. התאושש מ: lenntech.com
10. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (13 ביוני, 2019). בַּרזֶל. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com