Jern

Mangan ←  Jern → Kobolt
 
 
26
Tro
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Komplett tabell • Utvidet tabell
Generell informasjon
navn , symbol , nummer Jern, Fe, 26
kjemisk serie overgangsmetaller
gruppe , punktum , blokk 8 , 4 , d
Atommasse 55 847u  _
Elektronisk konfigurasjon [ Ar ] 3d64s2 _ _ _ _
Mohs hardhet 5.0
elektroner per nivå 2, 8, 14, 2 ( bilde )
Utseende Skinnende metallic med en grå undertone
Atomiske egenskaper
middels radius 140  p.m.
elektronegativitet 1,83 ( Pauling-skala )
Atomradius (kalk) 155.8  pm ( Bohr radius )
kovalent radius 126  p.m.
van der Waals radiusingen pm -data 
Oksidasjonstilstand(er) 2, 3
Oksyd amfoterisk
1. ioniseringsenergi 762,5 kJ  /mol
2. ioniseringsenergi 1561,9 kJ/mol
3. ioniseringsenergi 2957kJ/mol
4. ioniseringsenergi 5290 kJ/mol
Spektrallinjer
fysiske egenskaper
vanlig stat Fast ( ferromagnetisk )
Tetthet 7874 kg  / m3
Smeltepunkt 1808K (1535°C)
Kokepunkt 3023K (2750 °C)
fordampningsentalpi 349,6 kJ  /mol
fusjonsentalpi 13,8 kJ  /mol
Damptrykk 7,05 Pa ved 1808K
Kritisk punkt 204K (−69°C )
50Pa 
molar volum 17m3  / mol _
Flere
krystallstruktur kroppssentrert kubikk
Spesifikk varme 440  J / ( K kg )
Elektrisk ledningsevne 9,93 10 6  S / m
Termisk ledningsevne 80,2W  /(Km)
maksimal motstand 540 MPa
Elastisk modul 200GPa
skjærmodul 73GPa
Lydens hastighet 4910m  /s ved 293,15K  (20  ° C )
mer stabile isotoper
Hovedartikkel: Isotoper av jern
iso AN Periode MD Ed P.S.
MeV
54 Tro5,845 %stabil med 28 nøytroner
55 TroSyntetisk2,73 tilε0,23155 min _
56 Tro93,72 %stabil med 30 nøytroner
57 Tro2,119 %Stabil med 31 nøytroner
58 Tro0,282 %stabil med 32 nøytroner
59 troSyntetisk44 503 dβ1.56559Co _
60 TroSyntetisk1,5 10 6 tilβ- _3.97860 Co
Verdier i SI og normale forhold for trykk og temperatur , med mindre annet er angitt.

Jern [ 1 ] [ 2 ] er et kjemisk grunnstoff med atomnummer 26 plassert i gruppe 8 , periode 4 i grunnstoffenes periodiske system . Symbolet er Fe (fra latin fĕrrum ) [ 1 ] og det har en atommasse på 55.847  u . [ 3 ]​ [ 4 ]

Dette overgangsmetallet er det fjerde mest tallrike grunnstoffet i jordskorpen , [ 5 ] som representerer 5 %, og blant metallene er det bare aluminium som er mer tallrike, [ 6 ] og det er det første vanligste i planetmassen, fordi planeten, i sin kjerne, konsentrerer den største massen av naturlig jern, tilsvarende 70%. Jordens kjerne består hovedsakelig av jern og nikkel i metallisk form, og genererer et magnetfelt mens den beveger seg . Det har vært historisk svært viktig, og en periode i historien kalles jernalderen . I kosmologi er det et veldig spesielt metall, siden det er det tyngste metallet som kan produseres ved fusjon i kjernen av massive stjerner ; grunnstoffer tyngre enn jern kan bare lages i supernovaer .

Hovedtrekk

Det er et formbart metall, sølvgrå i fargen, og har magnetiske egenskaper (det er ferromagnetisk ved romtemperatur og atmosfærisk trykk). Det er ekstremt hardt og tett.

Det finnes i naturen som en del av mange mineraler, inkludert mange oksider, og er sjelden funnet fri. For å oppnå jern i elementær tilstand, reduseres oksidene med karbon og deretter blir det utsatt for en raffineringsprosess for å eliminere urenhetene som er tilstede.

Det er det tyngste grunnstoffet som produseres eksotermt ved fusjon, og det letteste som produseres gjennom fisjon, fordi kjernen har den høyeste bindingsenergien per nukleon (energi som trengs for å skille et nøytron eller en nukleon fra kjernen). proton); derfor er den mest stabile kjernen den til jern-56 (med 30 nøytroner).

Den presenterer forskjellige strukturelle former avhengig av temperatur og trykk. Ved atmosfærisk trykk:

Applikasjoner

Jern er det mest brukte hardmetallet, og står for 95 vektprosent av verdens metallproduksjon. Rent jern (renhet fra 99,5%) har ikke mange bruksområder, bortsett fra unntak for å bruke det magnetiske potensialet. Jern har sin store anvendelse til å danne jern- og stålprodukter , ved å bruke det som et matriseelement for å huse andre legeringselementer, både metalliske og ikke-metalliske, som gir materialet forskjellige egenskaper. En legering av jern anses å være stål hvis den inneholder mindre enn 2,1 % karbon ; hvis prosentandelen er høyere, kalles det et støperi .

Stål er uunnværlig på grunn av sin lave pris og seighet, spesielt i biler, skip og strukturelle komponenter i bygninger.

Jernlegeringer har et bredt utvalg av mekaniske egenskaper avhengig av sammensetningen eller behandlingen som er utført.

Steels

Stålene er jernholdige legeringer med et maksimalt karboninnhold på 2 %, som kan være som en innføringslegering i ferritten og austenitten og danner jernkarbid . Noen legeringer er ikke ferromagnetiske . Dette kan ha andre legeringer og urenheter .

Avhengig av karboninnholdet er de klassifisert i følgende typer:

Den mest tekniske og korrekte klassifiseringen for karbonstål (ulegert) i henhold til deres karboninnhold:

Rustfritt stål : en av ulempene med jern er at det lett ruster. Tilsetning av 12 % krom anses som rustfritt stål , fordi denne legeringen skaper et overflatekromoksidlag som beskytter stålet mot korrosjon eller dannelse av jernoksider. Den kan også ha andre typer legeringer som nikkel for å forhindre dannelse av kromkarbider, som gir skjørhet og forbedrer intergranulær oksidasjon.

Den mest omfattende bruken av jern er å skaffe konstruksjonsstål; Det produseres også store mengder støpejern og smijern . Blant annen bruk av jern og dets forbindelser er fremstilling av magneter, fargestoffer (blekk, blåkopipapir, poleringspigmenter) og slipemidler (colcótar).

Jern oppnås i masovnen ved å omdanne mineraler til flytende jern , gjennom dets reduksjon med koks ; uønskede komponenter som fosfor , svovel og mangan separeres med kalkstein .

Masovnsgasser er viktige kilder til partikler og inneholder karbonmonoksid . Masovnslagg dannes ved å reagere kalkstein med de andre komponentene og silikatholdige mineraler.

Slaggen avkjøles i vann, og dette kan produsere karbonmonoksid og hydrogensulfid . Flytende avfall fra jernproduksjon stammer fra vask av avgasser og avkjøling av slagget. Disse avløpsvannene har ofte høye konsentrasjoner av suspenderte stoffer og kan inneholde et bredt spekter av organiske forbindelser ( fenoler og kresoler ), ammoniakk , arsenforbindelser og sulfider .

Støperier

Når karboninnholdet er større enn 1,73 vekt%, kalles legeringen støpejern . Dette karbonet kan finnes oppløst, danner sementitt eller i fri form. De er veldig harde og sprø. Det finnes forskjellige typer støperier:

Dens egenskaper varierer fra en type til en annen; Avhengig av type, brukes de til forskjellige bruksområder: i motorer , ventiler , gir , etc.

På den annen side har jernoksider ulike bruksområder: i maling, skaffe jern, magnetitt (Fe 3 O 4 ) og jernoksid (III) (Fe 2 O 3 ) i magnetiske applikasjoner, etc. Jern(III)hydroksid (Fe(OH) 3 ) brukes i radiokjemi for å konsentrere aktinider ved samtidig utfelling.

Historie

Det er indikasjoner på bruk av jern fra det fjerde årtusen før Kristus, av sumererne og egypterne.

I det andre og tredje årtusen f.Kr. dukker det opp flere og flere gjenstander laget av jern (skilles fra jern fra meteoritter ved fravær av nikkel) i Mesopotamia , Anatolia og Egypt . Imidlertid ser bruken ut til å være seremoniell, og er et veldig dyrt metall, mer enn gull. Noen kilder antyder at det kanskje ble oppnådd som et biprodukt av å skaffe kobber .

Mellom 1600 e.Kr. C. og 1200 e.Kr. C. bruken øker i Midtøsten , men den erstatter ikke den dominerende bruken av bronse .

Mellom det tolvte århundre  a. C. og X  a. C. det er en rask overgang i Midtøsten fra bronse- til jernvåpen. Denne raske overgangen skyldtes kanskje mangel på tinn , snarere enn en forbedring av jernbearbeidingsteknologien. Denne perioden, som skjedde på forskjellige datoer avhengig av stedet, kalles jernalderen , og erstatter bronsealderen . I Hellas begynte den å bli brukt rundt år 1000 f.Kr. C. og nådde ikke Vest- Europa før på 700 -tallet  f.Kr. C. Erstatningen av bronse med jern var gradvis, siden det var vanskelig å produsere jernstykker: lokaliser malmen, smelt den deretter ved høye temperaturer for til slutt å smi den.

I Sentral-Europa dukket det opp på 900 -tallet  f.Kr. C. Hallstatt-kulturen (erstatter urnefeltkulturen , som kalles "den første jernalder", siden den faller sammen med introduksjonen av dette metallet).

Rundt 450 f.Kr C. utviklet La Tène-kulturen , også kalt "andre jernalder". Jern brukes i verktøy, våpen og smykker, selv om bronsegjenstander fortsatt finnes.

Sammen med denne overgangen fra bronse til jern ble prosessen med "karburering" oppdaget, som er å legge karbon til jern. Jern ble oppnådd som en blanding av jern og slagg, med noe karbon eller karbider, og ble smidt ved å fjerne slagget og oksidere karbonet, og dermed skape produktet allerede i form. Dette smijernet hadde et veldig lavt karboninnhold og kunne ikke lett herdes ved avkjøling i vann. Det ble funnet at et mye hardere produkt kunne oppnås ved å varme smijernsstykket i en seng av trekull , og deretter dyppe det i vann eller olje. Det resulterende produktet, som hadde en ståloverflate, var hardere og mindre sprø enn bronse, som det begynte å erstatte.

I Kina kom det første jernet som ble brukt også fra meteoritter, smijernsgjenstander som ble funnet i nordvest, nær Xinjiang, fra 800 -tallet  f.Kr. C. Fremgangsmåten var den samme som ble brukt i Midtøsten og Europa. I de siste årene av Zhou-dynastiet (550 f.Kr.) er det mulig å få tak i støpejern (produkt fra sammensmeltingen av råjern ). Mineralet som finnes der har et høyt fosforinnhold, som smelter ved lavere temperaturer enn i Europa og andre steder. Men i ganske lang tid, frem til Qing-dynastiet (rundt 221 f.Kr.), hadde det ingen stor innvirkning.

Støpejern tok lengre tid i Europa, fordi det ikke fikk nok temperatur. Noen av de tidligste prøvene av støpejern er funnet i Sverige , ved Lapphyttan og Vinarhyttan, fra 1150 til 1350.

I middelalderen , og fram til slutten av 1800 -tallet , brukte mange europeiske land den katalanske smia som stålfremstillingsmetode . Jern og lavkarbonstål ble laget ved bruk av trekull og jernmalm. Dette systemet ble allerede implementert i det femtende århundre , og de klarte å nå opp til 1200 °C. Denne prosedyren ble erstattet av den som ble brukt i masovner.

Kull ble opprinnelig brukt for å oppnå jern som varmekilde og som reduksjonsmiddel. På 1700 -tallet , i England , ble trekull knappere og dyrere, og dette førte til bruk av koks , et fossilt brensel, som et alternativ. Den ble først brukt av Abraham Darby på begynnelsen av 1700- tallet , som bygde en " masovn " ved Coalbrookdale . På samme måte ble koks brukt som en energikilde i den industrielle revolusjonen . I denne perioden økte etterspørselen etter jern, for eksempel for bruk i jernbaner .

Masovnen har utviklet seg gjennom årene. Henry Cort , i 1784, brukte nye teknikker som forbedret produksjonen. I 1826 bygde tyskeren Friedrich Harkot en masovn uten murverk for røyk.

Mot slutten av 1700 -tallet og begynnelsen av 1800 -tallet begynte jern å bli mye brukt som et konstruksjonselement (i broer , bygninger osv.). Mellom 1776 og 1779 ble den første støpejernsbroen bygget, bygget av John Wilkinson og Abraham Darby. I England ble det brukt for første gang i byggingen av bygninger, av Mathew Boulton og James Watt, på begynnelsen av 1800 -tallet . Andre verk fra det århundret er også kjent, for eksempel Crystal Palace bygget for den universelle utstillingen i 1851 i London, av arkitekten Joseph Paxton, som har en jernramme, eller Eiffeltårnet , i Paris, bygget i 1889 for Universal Utstilling, hvor tusenvis av tonn jern ble brukt.

Overflod og innhenting

Jern er det mest utbredte overgangsmetallet i jordskorpen, og det fjerde av alle grunnstoffer. Den eksisterer også i universet , og meteoritter som inneholder den er funnet. Det er hovedmetallet som utgjør jordens kjerne med opptil 70 %. Det finnes som en del av en rekke mineraler, blant annet hematitt (Fe 2 O 3 ), magnetitt (Fe 3 O 4 ), limonitt (FeO (OH)), sideritt (FeCO 3 ), pyritt (FeS 2 ), ilmenitt (FeTiO ) 3 ), og så videre.

Jern kan fås fra oksider med mer eller mindre urenheter. Mange av jernmalmene er oksider, og de som ikke er det kan oksideres for å oppnå tilsvarende oksider.

Reduksjonen av oksidene for å oppnå jern utføres i en ovn som vanligvis kalles en masovn . Jernmineraler tilsettes i nærvær av koks og kalsiumkarbonat , CaCO 3 , som fungerer som slaggmiddel.

Gasser gjennomgår en rekke reaksjoner; karbon kan reagere med oksygen for å danne karbondioksid :

I sin tur kan karbondioksid reduseres til karbonmonoksid:

Selv om den motsatte prosessen også kan oppstå når monoksidet oksideres med oksygen for å gå tilbake til karbondioksid:

Prosessen med å oksidere koks med oksygen frigjør energi og brukes til oppvarming (opptil ca. 1900°C i bunnen av ovnen).

For det første kan jernoksider reduseres, delvis eller helt, med karbonmonoksid, CO; for eksempel:

Senere, når den senkes i ovnen og temperaturen øker, reagerer de med koksen ( for det meste karbon ), og reduserer oksidene. For eksempel:

Kalsiumkarbonat ( kalkstein ) brytes ned:

Og karbondioksidet reduseres med koksen til karbonmonoksid som sett før.

Lenger ned finner karbureringsprosesser sted:

Til slutt skjer forbrenning og avsvovling (fjerning av svovel ) gjennom inntrengning av luft. Og til slutt skilles to fraksjoner: slagg og råjern : støpejern, som er råstoffet som da brukes i industrien.

Råjern inneholder vanligvis ganske mange uønskede urenheter, og det er nødvendig å utsette det for en raffineringsprosess i ovner som kalles "omformere".

I 2000 var de fem største produsentene av jernmalm Kina , Brasil , Australia , Russland og India , med 70 % av verdensproduksjonen. For tiden er den største jernforekomsten i verden i El Mutún- regionen , i departementet Santa Cruz , Bolivia ; Denne forekomsten har mellom 40.000 og 42.000 millioner tonn ca. (40 % av verdensreserven) å utnytte. [ referanse nødvendig ]

Verdensproduksjon

Tilgjengelige data for verdensproduksjonen av jernmalm i 2019, i millioner tonn per år: [ 7 ]

Stilling Land Millioner av tonn
1  Australia 919
to  Brasil 405
3  Kina 351
4  India 238
5  Russland 97
6  Sør-Afrika 72
7  Ukraina 63
8  Canada 58
9  USA 46
10  Sverige 35
andre 67

Forbindelser

Se også: Kategori:Jernforbindelser

Jernmetabolisme

Selv om det bare finnes i små mengder i levende vesener, har jern inntatt en viktig rolle i deres vekst og overlevelse og er nødvendig ikke bare for å oppnå tilstrekkelig oksygenering av vev, men også for metabolismen til de fleste cellene .

For tiden, med en økning i atmosfærisk oksygen , finnes jern i miljøet nesten utelukkende i oksidert form (eller jern-Fe 3+ ), og i denne formen er det knapt brukbart.

Hos friske voksne er totalt jern i kroppen omtrent 2 til 4 gram (2,5 gram i 71 kg vekt hos kvinner eller 35 mg/kg) (til 4 gram hos 80 kg eller 50 mg/kg hos menn). Den er distribuert i to former:

70 % som funksjonelt jern (2,8 av 4 gram):

Dette er essensielle enzymer for funksjonen til mitokondriene og som kontrollerer intracellulær oksidasjon (cytokromer, cytokromoksidaser, katalaser, peroksidaser).

Transferrin (0,1%), som normalt er 1/3 mettet med jern.

Mest oppmerksomhet angående denne typen jern har vært fokusert på erythron, siden dets jernstatus lett kan måles og det utgjør hovedfraksjonen av kroppens jern.

30 % som depotjern (1 g):

Nyere studier av tilgjengelig jern i kosten har vist at hemjern absorberes godt, men ikke-hemjern absorberes generelt svært dårlig, og ikke-hemjern er det dominerende jernet i kostholdet til et stort antall mennesker i verden. [ 8 ]

Hem: Som hemoglobin og myoglobin, finnes hovedsakelig i kjøtt og derivater.

Ingen hem.

Hemejernabsorpsjon påvirkes ikke av noen faktor; verken diett eller gastrointestinal sekresjon. Det absorberes som det er i porfyrinringen. Jern frigjøres til slimhinnecellene av HEM oksygenase, et enzym som er rikelig i tarmcellene i tolvfingertarmen.

Absorpsjonen av «ikke-hem»-jern påvirkes derimot av et stort antall diett- og gastrointestinale sekresjonsfaktorer som vil bli analysert senere.

Jern fra kosten, spesielt "non-heme", er jernholdig jern og må omdannes til jernholdig jern på magenivå før absorpsjonen skjer i denne formen (jernholdig jern) hovedsakelig på tolvfingertarmen.

Andre faktorer, uavhengig av kosthold, som kan påvirke jernabsorpsjonen er:

Absorpsjonen av jern i jernholdig form finner sted i tolvfingertarmen og øvre jejunum , og krever en aktiv mekanisme som krever energi. Jern binder seg til overflateglykoproteiner (eller spesifikke tarmslimhinnereseptorer for jern), lokalisert på børstekanten til tarmceller. Det går deretter til det grove endoplasmatiske retikulum og frie ribosomer (hvor det danner ferritin) og deretter til lamina propria-karene.

Som man kan utlede, reguleres jernabsorpsjonen av tarmslimhinnen, noe som hindrer overdreven jernlagre i å samle seg. Jernabsorpsjon avhenger også av mengden av dette proteinet.

Jern finnes i praktisk talt alt levende og fyller mange og varierte funksjoner.


Eksempel på en kjerne av et Fe/S-protein ( ferredoksin )

Dyr bruker proteiner kalt transferriner for å transportere jern i kroppen . For å lagre det bruker de ferritin og hemosiderin . Jern kommer inn i kroppen ved å bli absorbert i tynntarmen og transporteres eller lagres av disse proteinene. Det meste av jernet gjenbrukes og svært lite skilles ut.

Både overskudd og mangel på jern kan gi problemer i kroppen. Jernforgiftning oppstår på grunn av overdreven inntak av jern (som et supplement i behandlingen av anemi ).

Hemokromatose tilsvarer en sykdom av genetisk opprinnelse, der en overdreven absorpsjon av jern oppstår, som avsettes i leveren , forårsaker leverdysfunksjon og til slutt fører til levercirrhose .

Ved blodoverføringer brukes ligander som danner svært stabile komplekser med jern for å hindre at for mye fritt jern blir igjen.

Disse liganden er kjent som sideroforer . Mange mikroorganismer bruker disse sideroforene for å fange opp jernet de trenger. De kan også brukes som antibiotika, siden de ikke etterlater ledig jern.

Jern har fire naturlig forekommende stabile isotoper :  54 Fe,  56 Fe,  57 Fe og 58 Fe. De relative mengdene som finnes i naturen er omtrent: 54 Fe (5,85 %),  56 Fe (91,75 %),  57 Fe (2,12 %) og 58 Fe (0,28%). [ 9 ]

Forholdsregler

Siderose er avleiring av jern i vev. Overflødig jern er giftig. Jern reagerer med peroksid og produserer frie radikaler ; Den viktigste reaksjonen er:

Når jern er innenfor normale nivåer, kan kroppens antioksidantmekanismer kontrollere denne prosessen.

Den dødelige dosen av jern hos et to år gammelt barn er omtrent 3,1 g og kan forårsake betydelig forgiftning. Overflødig jern akkumuleres i leveren og forårsaker skade på dette organet.

Jern er også gunstig da det er umulig for menneskekroppen å lage.

Se også

Referanser

  1. a b Joan Corominas : Kort etymologisk ordbok for det kastilianske språket . 3. utgave, 1987. Utg. Gredos, Madrid .
  2. Royal Spanish Academy and Association of Academy of the Spanish Language (2005). «jern» . Panhispansk tvilsordbok . Madrid: Santillana. ISBN  978-8-429-40623-8 . Hentet 26. april 2016 . 
  3. ^ Garritz, Andoni (1998). Kjemi . PearsonEducation. s. 856. ISBN  978-9-68444-318-1 . 
  4. ^ Parry, Robert W. (1973). Kjemi: Eksperimentelle grunnlag . omvendt. s. 703. ISBN  978-8-42917-466-3 . 
  5. ^ Frey, Perry A.; Reed, George H. (21. september 2012). "Jernets allestedsnærvære" . ACS Chemical Biology 7 (9):1477-1481. ISSN  1554-8929 . doi : 10.1021/cb300323q . Hentet 12. juli 2021 . 
  6. Ramírez Ortega, Antonio; San Jose Arango, Carmen (2001). "Jern i naturen" . Annals of the Royal Academy of Doctors . 
  7. ^ "Jernmalmstatistikk og informasjon" . US Geological Survey . 
  8. González Urrutia, Rocío (2005-05). "Biotilgjengelighet av jern" . Costa Rica Journal of Public Health 14 (26). ISSN  1409-1429 . Hentet 30. september 2022 . 
  9. ^ "Atomvekter og isotopiske komposisjoner med relative atommasser" . 

Eksterne lenker