IJZER (ELEMENT): KENMERKEN, CHEMISCHE STRUCTUUR, GEBRUIK - CHEMIE - 2026

Het ijzer is een overgangsmetaal dat behoort tot groep 8 of VIIIB van het periodiek systeem en wordt weergegeven door het chemische symbool Fe. Is een metaalgrijs, ductiel, smeedbaar en met een hoge sterkte, gebruikt in tal van toepassingen die nuttig zijn voor de mens en de samenleving.

Het vormt 5% van de aardkorst en is na aluminium ook het meest voorkomende metaal. Ook wordt zijn overvloed overschreden door zuurstof en silicium. Met betrekking tot de kern van de aarde bestaat 35% ervan uit metallisch en vloeibaar ijzer.

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

Buiten de kern van de aarde wordt ijzer niet in metaalvorm aangetroffen, omdat het snel wordt geoxideerd wanneer het wordt blootgesteld aan vochtige lucht. Het bevindt zich in basaltrotsen, sedimenten in het Carboon en meteorieten; over het algemeen gelegeerd met nikkel, zoals in het mineraal kamaciet.

De belangrijkste ijzermineralen die voor de mijnbouw worden gebruikt, zijn de volgende: hematiet (ijzeroxide, Fe ₂ O ₃ ), magnetiet (ferro-oxide, Fe ₃ O ₄ ), limoniet (gehydrateerd ijzeroxide-hydroxide) en sideriet (ijzercarbonaat, FeCO ₃ ).

De mens heeft gemiddeld 4,5 gram ijzer, waarvan 65% in de vorm van hemoglobine. Dit eiwit is betrokken bij het transport van zuurstof in het bloed en bij de distributie ervan naar de verschillende weefsels, voor de daaropvolgende opname door myoglobine en neuroglobine.

Ondanks de vele voordelen van ijzer voor mensen, kan overtollig metaal zeer ernstige toxische effecten hebben, vooral op de lever, het cardiovasculaire systeem en de alvleesklier; dat is het geval bij de erfelijke ziekte hemochromatosie.

IJzer staat synoniem voor constructie, kracht en oorlogen. Aan de andere kant is het, vanwege zijn overvloed, altijd een alternatief om te overwegen als het gaat om de ontwikkeling van nieuwe materialen, katalysatoren, medicijnen of polymeren; en ondanks de rode kleur van zijn roest, is het een milieuvriendelijk groen metaal.

Geschiedenis

Oudheid

IJzer wordt al millennia verwerkt. Het is echter moeilijk om ijzeren voorwerpen uit zulke oude tijden te vinden vanwege hun gevoeligheid voor corrosie, wat hun vernietiging veroorzaakt. De oudst bekende ijzeren voorwerpen zijn gemaakt van die gevonden in meteorieten.

Dat is het geval met een soort kralen gemaakt in 3500 voor Christus, gevonden in Gerzah, Egypte, en een dolk gevonden in het graf van Toetanchamon. IJzermeteorieten worden gekenmerkt door een hoog nikkelgehalte, zodat hun herkomst in deze objecten kan worden geïdentificeerd.

Bewijs van gietijzer werd ook gevonden in Asmar, Mesopotamië en Tail Chagar Bazaar, in Syrië, tussen 3000-2700 v.Chr. Hoewel het gieten van ijzer begon in de bronstijd, duurde het eeuwen voordat het brons verdrongen had.

Bovendien werden gietijzeren voorwerpen gevonden in India, 1800 tot 1200 v.Chr. En in de Levant, rond 1500 v.Chr. Er wordt aangenomen dat de ijzertijd begon in het jaar 1000 v.Chr., Aangezien de productiekosten ervan werden verlaagd.

Het verschijnt in China tussen 700 en 500 voor Christus, waarschijnlijk vervoerd door Centraal-Azië. De eerste ijzeren voorwerpen werden gevonden in Luhe Jiangsu, China.

Europa

Smeedijzer werd in Europa geproduceerd door middel van zogenaamde galasmederijen. Het proces vereiste het gebruik van steenkool als brandstof.

Middeleeuwse hoogovens waren 3,0 m hoog, gemaakt van vuurvaste stenen en lucht werd aangevoerd door handmatige balgen. In 1709 richtte Abraham Darby een cokeshoogoven op om gesmolten ijzer te produceren ter vervanging van houtskool.

De beschikbaarheid van goedkoop ijzer was een van de factoren die tot de industriële revolutie hebben geleid. In deze periode begon het raffineren van ruwijzer tot smeedijzer, dat werd gebruikt om bruggen, schepen, magazijnen enz. Te bouwen.

Staal

Staal gebruikt een hogere koolstofconcentratie dan smeedijzer. Staal werd geproduceerd in Luristan, Perzië, in 1000 voor Christus. Nieuwe methoden om ijzeren staven zonder koolstof te produceren werden bedacht tijdens de industriële revolutie, die later werden gebruikt om staal te produceren.

In de late jaren 1850 bedacht Henry Bessemer het blazen van lucht in gesmolten ruwijzer om zacht staal te produceren, waardoor de staalproductie economischer werd. Dit resulteerde in een afname van de productie van smeedijzer.

Eigendommen

Verschijning

Metaalglans met een grijsachtige tint.

Atoomgewicht

55.845 u.

Atoomnummer (Z)

26

Smeltpunt

1.533 ºC

Kookpunt

2.862 ºC

Dichtheid

-Omgevingstemperatuur: 7,874 g / ml.

-Smeltpunt (vloeistof): 6,980 g / ml.

Warmte van fusie

13,81 kJ / mol

Warmte van verdamping

340 kJ / mol

Molaire calorische capaciteit

25,10 J / (mol K)

Ionisatieenergie

- Eerste ionisatieniveau: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gasvormig)

-Tweede ionisatieniveau: 1.561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ gasvormig)

-Derde ionisatieniveau: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gasvormig)

Elektronegativiteit

1,83 op de schaal van Pauling

Atomaire radio

Empirisch 126 uur

Warmtegeleiding

80,4 W / (mK)

Elektrische weerstand

96,1 Ω · m (bij 20 ºC)

Curie punt

770 ° C, ongeveer. Bij deze temperatuur is ijzer niet langer ferromagnetisch.

Isotopen

Stabiele isotopen: ⁵⁴ Fe, met een overvloed van 5,85%; ⁵⁶ Fe, met een overvloed van 91,75%; ⁵⁷ Fe, met een overvloed van 2,12%; en ⁵⁷ Fe, met een overvloed van 0,28%. Aangezien ⁵⁶ Fe de meest stabiele en meest voorkomende isotoop is, is het niet verwonderlijk dat het atoomgewicht van ijzer zeer dicht bij 56 u ligt.

Terwijl de radioactieve isotopen zijn: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe en ⁶⁰ Fe.

Structuur en elektronische configuratie

-Allropen

IJzer kristalliseert bij kamertemperatuur in de lichaamsgerichte kubische structuur (bcc), die ook bekend staat als α-Fe of ferriet (binnen metallurgisch jargon). Omdat het verschillende kristalstructuren kan aannemen als functie van temperatuur en druk, wordt gezegd dat ijzer een allotroop metaal is.

De allotrope bcc is een gewoon ijzer (ferromagnetisch), degene die mensen zo goed kennen en die zich aangetrokken voelt tot magneten. Bij verhitting boven 771 ºC wordt het paramagnetisch, en hoewel het kristal alleen uitzet, werd deze "nieuwe fase" voorheen als β-Fe beschouwd. De andere allotropen ijzer zijn ook paramagnetisch.

Tussen 910 ºC en 1.394 ºC wordt ijzer gevonden als de austeniet- of γ-Fe-allotroop, waarvan de structuur vlakgecentreerd kubisch is, fcc. De omzetting tussen austeniet en ferriet heeft een grote impact op de staalproductie; omdat koolstofatomen beter oplosbaar zijn in austeniet dan in ferriet.

En dan, boven 1394 ºC tot het smeltpunt (1538 ºC), keert het ijzer terug om de bcc-structuur aan te nemen, δ-Fe; maar in tegenstelling tot ferriet is deze allotroop paramagnetisch.

Epsilon-ijzer

Door de druk te verhogen tot 10 GPa, bij een temperatuur van een paar honderd graden Celsius, evolueert de α- of ferrietallotroop naar de ε allotroop, epsilon, gekenmerkt door kristallisatie in een compacte hexagonale structuur; dat wil zeggen, met de meest compacte Fe-atomen. Dit is de vierde allotrope vorm van ijzer.

Sommige studies theoretiseren over het mogelijke bestaan ​​van andere allotropen ijzer onder dergelijke drukken, maar bij zelfs hogere temperaturen.

-Metalen schakel

Ongeacht de ijzeren allotroop en de temperatuur die de Fe-atomen "schudt", of de druk die ze verdicht, ze werken met elkaar in wisselwerking met dezelfde valentie-elektronen; Dit zijn de weergegeven in hun elektronische configuratie:

3d ⁶ 4s ²

Daarom zijn er acht elektronen die deelnemen aan de metaalbinding, of deze nu verzwakt of versterkt wordt tijdens allotrope overgangen. Evenzo zijn het deze acht elektronen die de eigenschappen van ijzer bepalen, zoals de thermische of elektrische geleidbaarheid.

-Oxidatie nummers

De belangrijkste (en meest voorkomende) oxidatiegetallen voor ijzer zijn +2 (Fe ²⁺ ) en +3 (Fe ³⁺ ). In feite beschouwt de conventionele nomenclatuur alleen deze twee getallen of staten. Er zijn echter verbindingen waar ijzer een ander aantal elektronen kan winnen of verliezen; dat wil zeggen, het bestaan ​​van andere kationen wordt aangenomen.

IJzer kan bijvoorbeeld ook oxidatiegetallen hebben van +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) en +7 (Fe ^{7 +} ). De anionische ferraatsoort, FeO ₄ ^2- , heeft ijzer met een oxidatiegetal van +6, aangezien de vier zuurstofatomen het in die mate hebben geoxideerd.

Evenzo kan ijzer negatieve oxidatiegetallen hebben; zoals: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) en -1 (Fe ^- ). Verbindingen met ijzercentra met deze elektronenversterking zijn echter zeer zeldzaam. Dat is de reden waarom, hoewel het mangaan in dit opzicht overtreft, het laatste veel stabielere verbindingen vormt met zijn reeks oxidatietoestanden.

Het resultaat is, voor praktische doeleinden, voldoende Fe ²⁺ of Fe ^{3+ te beschouwen} ; de andere kationen zijn gereserveerd voor enigszins specifieke ionen of verbindingen.

Hoe wordt het verkregen?

Stalen ornamenten, de belangrijkste legering van ijzer. Bron: Pxhere.

Inzameling van grondstoffen

We moeten doorgaan naar de locatie van de ertsen van de meest geschikte mineralen voor de winning van ijzer. De mineralen die het meest worden gebruikt om het te verkrijgen, zijn de volgende: hematiet (Fe ₂ O ₃ ), magnetiet (Fe ₃ O ₄ ), limoniet (FeO · OH · nH ₂ O) en sideriet (FeCO ₃ ).

Dan is de eerste stap bij de winning het verzamelen van de rotsen met de ijzerertsen. Deze rotsen worden verpletterd om ze in kleine stukjes te breken. Vervolgens is er een fase van selectie van de fragmenten van de rotsen met ijzererts.

Bij de selectie worden twee strategieën gevolgd: gebruik van een magnetisch veld en sedimentatie in water. De rotsfragmenten worden blootgesteld aan een magnetisch veld en de minerale fragmenten worden erin georiënteerd, waardoor ze kunnen worden gescheiden.

Bij de tweede methode worden de rotsachtige fragmenten in het water gedumpt en die die ijzer bevatten, omdat ze zwaarder zijn, bezinken op de bodem van het water, waardoor het ganggesteente in het bovenste deel van het water blijft omdat het lichter is.

Hoogoven

Hoogoven waar staal wordt geproduceerd. Bron: Pixabay.

De ijzerertsen worden naar hoogovens vervoerd, waar ze samen met cokeskolen worden gestort, die de rol van brandstof- en koolstofleverancier heeft. Daarnaast wordt kalksteen of kalksteen toegevoegd, die de functie van vloeimiddel vervult.

De hoogoven, met het vorige mengsel, wordt hete lucht geïnjecteerd met een temperatuur van 1.000 ºC. IJzer wordt gesmolten door de verbranding van steenkool waardoor de temperatuur op 1.800 ºC komt. Zodra het vloeibaar is, wordt het ruwijzer genoemd, dat zich ophoopt op de bodem van de oven.

Ruwijzer wordt uit de oven gehaald en in containers gegoten om naar een nieuwe gieterij te worden vervoerd; terwijl de slak, een onzuiverheid die zich op het oppervlak van het ruwijzer bevindt, wordt weggegooid.

Ruwijzer wordt met behulp van gietpannen in een convertoroven gegoten, samen met kalksteen als vloeimiddel, en zuurstof wordt bij hoge temperaturen ingebracht. Zo wordt het koolstofgehalte verlaagd, waardoor het ruwijzer wordt verfijnd om er staal van te maken.

Vervolgens wordt het staal door elektrische ovens geleid voor de productie van speciaal staal.

Toepassingen

-Metalen ijzer

IJzeren brug in Engeland, een van de vele constructies gemaakt met ijzer of zijn legeringen. Bron: geen machineleesbare auteur opgegeven. Jasonjsmith veronderstelde (op basis van auteursrechtclaims).

Omdat het een goedkoop, smeedbaar, taai metaal is dat bestand is tegen corrosie, is het het meest bruikbare metaal voor de mens geworden, onder zijn verschillende vormen: gesmeed, gegoten en staal van verschillende soorten.

IJzer wordt gebruikt voor de constructie van:

-Bruggen

-Basis voor gebouwen

-Deuren en ramen

-Bootrompen

-Verschillende tools

- Leidingen voor drinkwater

-Buizen voor het opvangen van afvalwater

-Meubilair voor de tuinen

-Grille voor huisbeveiliging

Het wordt ook gebruikt bij de productie van huishoudelijke artikelen, zoals potten, pannen, messen, vorken. Bovendien wordt het gebruikt bij de vervaardiging van koelkasten, fornuizen, wasmachines, vaatwassers, blenders, ovens, broodroosters.

Kortom, ijzer is aanwezig in alle objecten die de mens omringen.

Nanodeeltjes

Metallisch ijzer wordt ook bereid als nanodeeltjes, die zeer reactief zijn en de magnetische eigenschappen van de macroscopische vaste stof behouden.

Deze Fe-bolletjes (en hun meerdere aanvullende morfologieën) worden gebruikt om water van organochloorverbindingen te zuiveren en als dragers van geneesmiddelen die aan bepaalde delen van het lichaam worden afgegeven door toepassing van een magnetisch veld.

Ze kunnen ook dienen als katalytische dragers bij reacties waarbij koolstofbindingen, CC, worden verbroken.

-IJzeren verbindingen

Oxiden

IJzeroxide, FeO, wordt gebruikt als pigment voor kristallen. IJzeroxide, Fe ₂ O ₃ , is de basis voor een aantal pigmenten, variërend van geel tot rood, bekend als Venetiaans rood. De rode vorm, rouge genaamd, wordt gebruikt om edelmetalen en diamanten te polijsten.

Ferro-ferrioxide, Fe ₃ O ₄ , wordt gebruikt in ferrieten, stoffen met een hoge magnetische toegankelijkheid en elektrische weerstand, bruikbaar in bepaalde computergeheugens en in de coating van magnetische banden. Het is ook gebruikt als pigment- en polijstmiddel.

Sulfaten

IJzersulfaat-heptahydraat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, is de meest voorkomende vorm van ijzersulfaat, bekend als groene vitriool of coppera. Het wordt gebruikt als reductiemiddel en bij de vervaardiging van inkten, meststoffen en pesticiden. Het wordt ook gebruikt bij het galvaniseren van ijzer.

IJzersulfaat, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , wordt gebruikt om ijzeraluin en andere ijzerverbindingen te verkrijgen. Het dient als stollingsmiddel bij de zuivering van afvalwater en als bijtmiddel bij het verven van textiel.

Chloriden

Ferrochloride, FeCl ₂ , wordt gebruikt als beits- en reductiemiddel. Ondertussen wordt ferrichloride, FeCl ₃ , gebruikt als chloreringsmiddel voor metalen (zilver en koper) en sommige organische verbindingen.

Behandeling van Fe ³⁺ met het hexocyanoferraat-ion ^-4 produceert een blauw neerslag, Pruisisch blauw genaamd, dat wordt gebruikt in verven en lakken.

IJzer voedsel

Mosselen zijn een rijke voedselbron voor ijzer. Bron: Pxhere.

Over het algemeen wordt een ijzerinname van 18 mg / dag aanbevolen. Onder de voedingsmiddelen die het in de dagelijkse voeding leveren, zijn de volgende:

Schaaldieren leveren ijzer in heemvorm, dus er is geen remming van de opname door de darm. De clam levert tot 28 mg ijzer per 100 g ervan; daarom zou deze hoeveelheid mossel voldoende zijn om in de dagelijkse behoefte aan ijzer te voorzien.

Spinazie bevat 3,6 mg ijzer per 100 g. Rundvleesorgaanvlees, bijvoorbeeld kalfslever, bevat 6,5 mg ijzer per 100 g. De bijdrage van bloedworst is waarschijnlijk iets hoger. Bloedworst bestaat uit delen van de dunne darm, gevuld met runderbloed.

Peulvruchten, zoals linzen, bevatten 6,6 mg ijzer per 198 g. Rood vlees bevat 2,7 mg ijzer per 100 g. Pompoenpitten bevatten 4,2 mg per 28 g. Quinoa bevat 2,8 mg ijzer per 185 g. Het donkere vlees van kalkoen bevat 2,3 mg per 100 g. Broccoli bevat 2,3 mg per 156 mg.

Tofu bevat 3,6 mg per 126 g. Ondertussen bevat pure chocolade 3,3 mg per 28 g.

Biologische rol

De functies die ijzer vervult, vooral bij levende wezens van gewervelde dieren, zijn ontelbaar. Geschat wordt dat meer dan 300 enzymen ijzer nodig hebben voor hun functie. Onder de enzymen en eiwitten die het gebruiken, worden de volgende genoemd:

-Eiwitten die de heemgroep hebben en geen enzymatische activiteit hebben: hemoglobine, myoglobine en neuroglobine.

-Enzymen met de heemgroep die betrokken is bij elektronentransport: cytochromen a, b en f, en cytochroomoxidasen en / of oxidase-activiteit; sulfietoxidase, cytochroom P450-oxidase, myeloperoxidase, peroxidase, catalase, enz.

-Eiwitten die ijzer-zwavel bevatten, gerelateerd aan oxyreductase-activiteiten, betrokken bij energieproductie: succinaatdehydrogenase, isocitraat dehydrogenase en aconitase, of enzymen die betrokken zijn bij DNA-replicatie en -herstel: DNA-polymerase en DNA-heliclasen.

-Niet-heem-enzymen die ijzer gebruiken als cofactor voor hun katalytische activiteit: fenylalaninehydrolase, tyrosinehydrolase, tryptofaanhydrolase en lysinehydrolase.

-Niet-heem-eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het transport en de opslag van ijzer: ferritine, transferrine, haptoglobine, enz.

Risico's

Toxiciteit

Risico's van blootstelling aan overtollig ijzer kunnen acuut of chronisch zijn. Een oorzaak van acute ijzervergiftiging kan een overmatige inname van ijzertabletten zijn, in de vorm van gluconaat, fumaraat, enz.

IJzer kan irritatie van het darmslijmvlies veroorzaken, waarvan het ongemak zich onmiddellijk na inname manifesteert en na 6 tot 12 uur verdwijnt. Het geabsorbeerde ijzer wordt in verschillende organen afgezet. Deze ophoping kan stofwisselingsstoornissen veroorzaken.

Als de hoeveelheid ingenomen ijzer giftig is, kan dit darmperforatie met peritonitis veroorzaken.

In het cardiovasculaire systeem veroorzaakt het hypovolemie die kan worden veroorzaakt door gastro-intestinale bloeding en het vrijkomen door ijzer van vasoactieve stoffen, zoals serotonine en histamine. Uiteindelijk kan massale necrose van de lever en leverfalen optreden.

Hemochromatosie

Hemochromatosie is een erfelijke ziekte die een verandering in het ijzerregulatiemechanisme van het lichaam vertoont, wat tot uiting komt in een toename van de bloedconcentratie van ijzer en de ophoping ervan in verschillende organen; inclusief de lever, het hart en de alvleesklier.

De eerste symptomen van de ziekte zijn de volgende: gewrichtspijn, buikpijn, vermoeidheid en zwakte. Met de volgende symptomen en daaropvolgende tekenen van de ziekte: diabetes, verlies van seksueel verlangen, impotentie, hartfalen en leverfalen.

Hemosiderosis

Hemosiderosis wordt, zoals de naam al aangeeft, gekenmerkt door de ophoping van hemosiderine in de weefsels. Dit veroorzaakt geen weefselschade, maar het kan evolueren tot schade die vergelijkbaar is met die bij hemochromatosie.

Hemosiderosis kan worden veroorzaakt door de volgende oorzaken: verhoogde opname van ijzer uit de voeding, hemolytische anemie waarbij ijzer uit rode bloedcellen vrijkomt, en overmatige bloedtransfusies.

Hemosiderose en hemochromatosie kunnen het gevolg zijn van een ontoereikende werking van het hormoon hepcidine, een hormoon dat wordt uitgescheiden door de lever en betrokken is bij de regulering van lichaamsijzer.

Referenties

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganische scheikunde . (Vierde druk). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Allotropen van ijzer: soorten, dichtheid, gebruik en feiten. Studie. Hersteld van: study.com
3. Jayanti S. (zd). Allotropie van ijzer: thermodynamica en kristalstructuren. Metallurgie. Hersteld van: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). IJzer nano-kracht. Hersteld van: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Ijzer. Hersteld van: en.wikipedia.org
6. Shropshire geschiedenis. (sf). IJzer eigenschappen. Hersteld van: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Feiten over ijzerelementen. Hersteld van: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 juli). 11 gezonde en ijzerrijke voedingsmiddelen. Hersteld van: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Periodiek systeem: ijzer. Hersteld van: lenntech.com
10. De redactie van Encyclopaedia Britannica. (13 juni 2019). Ijzer. Encyclopædia Britannica. Hersteld van: britannica.com