Железо

Aлотропи

Најмалку четири алотропи од железо (различни атомски аранжмани во цврстата состојба) се познати, конвенционално означени со α, γ, δ и ε.

Првите три форми се забележани при обични притисоци. Како што стопеното железо се лади минатото на точката на замрзнување од 1538 °C, кристализира во δ алотропијата, која има кристална структура кутричка (bcc) во средиштето на телото. Бидејќи се лади понатаму на 1394 °C, се менува во неговата гала-атотропа, кристална структура на централната кула (fcc), или аустенит. На 912 °C и подолу, кристалната структура повторно станува bcc α-железна алторопа [11].

Физичките својства на железото при многу високи притисоци и температури, исто така, се проучуваат опширно, поради нивната важност за теориите за јадрата на Земјата и другите планети. Над приближно 10 GPa и температури од неколку стотици келвини или помалку, α-железо се менува во друга шестаголна тесна структура (hcp), која е исто така позната како ε-железо. Γ-фазата со повисока температура исто така се менува во ε-железо, но тоа го прави при повисок притисок.

Некои контроверзни експериментални докази постојат за стабилна β фаза при притисоци над 50 GPa и температури од најмалку 1500 K. Таа треба да има ортоормбинска или двојна hcp структура. [12] (Збунувачки, поимот "β-железо" понекогаш се користи и за да се однесува на α-железо над точката на Кјури, кога се менува од феромагнетно до парамагнетно, иако нејзината кристална структура не е променета [11].

Внатрешното јадро на Земјата генерално се претпоставува дека се состои од легура на железо-никел со ε (или β) структура.^[8]

[13]

Топење и точки на вриење

Точките на топење и вриење на железо, заедно со неговата енталпија на атомизација, се пониски од оние на претходните 3d елементи од скандиум на хром, покажувајќи го намалениот придонес на 3d електроните во металното поврзување, бидејќи тие сè повеќе и повеќе се привлекуваат во инертниот дел на јадрото,^[9] [14] меѓутоа, тие се повисоки од вредностите за претходниот елемент манган, бидејќи тој елемент има полупополнет 3d подслој и следствено, неговите d-електрони не се лесно далокализирани. Овој тренд се појавува и за рутениум, но не и за осмиум.^[10]

[15]

Точката на топење на железо е експериментално добро дефинирана за притисоците помали од 50 GPa. За поголеми притисоци, објавените податоци (од 2007 година) сè уште варираат со десетици гигапаскали и преку илјада келвини. [16]

Магнетни својства

Под точката на Кири од 770 °C, α-железото се менува од парамагнетно до феромагнетно: спиновите на двата неспарени електрони во секој атом генерално се усогласуваат со врти на соседите, создавајќи целокупно магнетно поле.</ref>]]Below its Curie point of 770 °C, α-iron changes from paramagnetic to ferromagnetic: the spins of the two unpaired electrons in each atom generally align with the spins of its neighbors, creating an overall magnetic field.^[11][18] Ова се случува бидејќи орбиталите на овие два електрони (dz2 и dx2-y2) не упатуваат кон соседните атоми во решетката и затоа не се вклучени во металното поврзување.^[12] [11]

Во отсуство на надворешен извор на магнетно поле, атомите се спонтано поделени во магнетни домени, околу 10 микрони,^[13] [19] така што атомите во секој домен имаат паралелни вртења, но различни домени имаат други ориентации. Така, макроскопското парче железо ќе има речиси целото јадрено магнетно поле.

Примена на надворешно магнетно поле ги предизвикува домените што се магнетизираат во истата генерална насока да растат на сметка на соседните оние што се насочени во други насоки, зајакнувајќи го надворешното поле. Овој ефект се експлоатира во уреди кои треба да ги канализираат магнетните полиња, како што се електричните трансформатори, магнетните снимања за глава и електричните мотори. Нечистотиите, дефектите на решетките или границите на жито и честички можат да ги "закачат" домените на новите позиции, така што ефектот ќе продолжи и по отстранувањето на надворешното поле - со што го претвора железен објект во (постојан) магнет.^[11][18]

Сличното однесување е изложено и од некои соединенија на железо, како што се феритите и минералниот магнетит, кристална форма на мешан железен (II, III) оксид Fe3О4 (иако механизмот на атомска скала, ферримагнетизмот, е малку поинаков). Парчиња на магнетит со природна постојана магнетизација (ложат)) обезбедија најрани компаси за навигација. Честички на магнетитот беа широко користени во магнетни медиуми за снимање, како што се основни спомени, магнетни ленти, floppies и дискови, сè додека не беа заменети со материјали засновани на кобалт.

Изотопи

Изотопите од железо (чии атоми имаат 26 електрони и 26 протони, но различен број на неутрони во јадрото) вклучуваат четири стабилни: 54Fe (5.845% од природно железо), 56Fe (91.754%), 57Fe (2.119%) и 58Fe (0,282%). Исто така, се создадени неколку десетици вештачки изотопи.

Од овие стабилни изотопи само 57Fe има јадрен спин (- 1/2). Нуклидот 54Fe теоретски може да претрпи двојно зафаќање на електронот до 54Cr, но процесот никогаш не бил забележан и е утврдена само ниска граница на полуживот од 3.1 × 1022 години.. Од овие стабилни изотопи, само 57Fe има јадрен спин (- 1/2). Нуклид 54Fe теоретски може да претрпи двојно зафаќање на електрони до 54Cr, но процесот никогаш не бил забележан и е утврдена само ниска граица на полуживот од 3.1 × 1022 години.^[14][22]

60Fe е изумрен радионуклид на долг полуживот (2,6 милиони години). [23] Не се наоѓа на Земјата, но нејзиниот краен производ на распаѓање е нејзината внука, стабилниот нуклид 60Ni. [22] Голем дел од минатото работење на изотопскиот состав на железо се фокусираше на нуклеосинтезата на 60Fe преку студии на метеорити и формирање на руда. Во последната деценија, напредокот во масовната спектрометрија овозможи откривање и квантификација на минутни, природни варијации во стапките на стабилните изотопи на железо. Голем дел од оваа работа е управувана од Земјата и планетарните научни заедници, иако се појавуваат апликации за биолошки и индустриски системи.^[15]

[24]

Во фазите на метеоритите Семаркона и Червони Кут, корелацијата помеѓу концентрацијата на 60Ni, внуката од 60Fe и изобилството на стабилни изотопи на железо, доведоа до постоење на 60Fe во времето на формирањето на Сончевиот Систем. Можно е дека енергијата ослободена од распаѓањето на 60Fe, заедно со онаа ослободена од ²⁶Al, придонесе за преплавување и диференцијација на астероиди по нивното формирање пред 4,6 милијарди години. Изобилството на 60Ni присутно во вонземски материјал може да донесе понатамошен увид во потеклото и раната историја на Сончевиот Систем.^[16][25]

Најзастапен железен изотоп 56Fe е од особен интерес за јадрените научници, бидејќи тој претставува најчеста крајна точка на нуклеосинтезата ^[17] [26]. Бидејќи 56Ni (14 алфа-честички) лесно се произведува од полесни јадра во алфа-процесот во јадрените реакции во супернови (види го процесот на согорување на силициум), тоа е крајна точка на синџири на соединување во екстремно масивни ѕвезди, бидејќи додавање на друга алфа-честица, што резултира со 60Zn, бара многу повеќе енергија. Овој 56Ni, кој има полуживот од околу 6 дена, е создаден во квантитет во овие ѕвезди, но наскоро се распаѓа со две последователни емисии на позитрон во производите на распаѓање на супернова во облакот за гасови од супернова, најпрво до радиоактивен 56Co, а потоа до стабилен 56Фе. Како таков, железото е најзастапен елемент во јадрото на црвените гиганти, и е најзастапен метал во металните метали и во густите метални јадра на планети како Земјата.^[18] It is also very common in the universe, relative to other stable metals of approximately the same atomic weight.^[18][19] [27] Исто така е многу честа во универзумот, во однос на другите стабилни метали со приближно иста атомска тежина [27] [28] Железото е шестиот најзастапен елемент во Универзумот, и најчест огноотпорен елемент ^[20][29].

Иако дополнителната мала енергетска добивка може да се извлече со синтетизирање на ⁶²Ni, која има маргинално повисока енергичност на врската од 56Fe, условите во ѕвездите се несоодветни за овој процес. Производството на елементите во супернови и дистрибуцијата на Земјата во голема мера го загадуваат железото над никелот, и во секој случај, 56Fe сè уште има помала маса по нуклон од 62Ni поради нејзиниот поголем дел од полесни протони. [30] Оттука, елементите потешки од железо бараат супернова за нивно формирање, вклучувајќи и брзо заробување на неутроните со почеток на 56Fe јадра.^[18][27]

Во далечната иднина на универзумот, претпоставувајќи дека не се случи распаѓање на протонот, ладно соединување која се случува преку квантната тунелирање, ќе предизвика јадрото на светлината во обична материја да се спои во јадрата на 56Fe. Потоа, емисијата на цепење и алфа-честички ќе направи тешки јадра да се распаѓаат во железо, преобразувајќи ги сите објекти на ѕвездената маса во студени сфери од чисто железо.^[21][31]

Потекло и појава во природата

Космогенеза

Изобилството на железото во карпести планети како Земјата се должи на неговото богато производство со соединување во висока масoвни ѕвезди , каде што е последниот елемент што треба да се произведува со ослободување на енергија пред насилниот колапс на супернова, која го расфрла железото во вселената.

Метално железо

Металното или мајчинското железо ретко се наоѓа на површината на Земјата, бидејќи има тенденција да оксидира. Сепак, и внатрешното и надворешното јадро на Земјата, кои сочинуваат 35% од масата на целата Земја, се верува дека се состојат од железна легура, најверојатно со никел. Се верува дека електричните струи во течното надворешно јадро се потекло од магнетното поле на Земјата. Другите земни планети (Меркур, Венера и Марс), како и Месечината и се верува дека имаат метално јадро составено главно од железо. Исто така се верува дека астероидите од M-тип се делумно или главно направени од метална железна легура.

Ретките железни метеорити се главната форма на природно метално железо на површината на Земјата. Предмети направени од ладно работел метеоритско железо се пронајдени во разни археолошки локации кои датираат од времето кога топењето на железо сè уште не било развиено; и Инуитите во Гренланд се пријавени да го користат железото од метеоритот на Кејп Јорк за алати и ловечко оружје.^[22][30] Околу 1 од 20 метеорити се состојат од уникатни железни никлени минерали таенит (35-80% железо) и камацит (90-95% железо).^[23] [31]

Мантил минерали

Феропериклаза (Mg, Fe) O, цврст раствор на периклаза (MgO) и wüstite (FeO), сочинува околу 20% од волуменот на долниот плашт на Земјата, што ја прави втората најзастапна минерална фаза во тој регион после силикат перовскит (Mg, Fe) SiO3; исто така е главен домаќин за железо во долниот мантил.^[24] [32] На дното на транзиционата зона на плаштот, реакцијата γ- (Mg, Fe) 2 [SiO4] ↔ (Mg, Fe) [SiO3] + (Mg, Fe) O го трансформира γ-оливин во мешавина на силикат перовскит и феропериклаза и обратно. Во литературата, оваа минерална фаза на долниот мантил често се нарекува и магнезијоустит.^[25] [33] Силикат перовскит може да формира до 93% од долниот мантил, а формата на железо од магнезиум, (Mg, Fe) SiO3, се смета за најзастапен минерал на Земјата, што претставува 38% од нејзиниот волумен ^[26][ 35]

Земјината кора

Додека железо е најзастапен елемент на Земјата, тој опфаќа само 5% од Земјината кора; со што е само четвртиот најзастапен елемент, по кислород, силициум и алуминиум.^[27] [36]

Поголемиот дел од железото во кората се комбинира со разни други елементи за да формираат многу различни. Важна класа се минералите на железо оксид, како што се хематит (Fe2O3), магнетит (Fe3O4) и сидерит (FeCO3), кои се главни руди на железо. Многу поројни карпи исто така ги содржат сулфидните минерали пиротрити и пентандити.</ref>^[28] [37] [38] За време на атмосферското дејство, железото има тенденција да ја исцеди сулфидните депозити како сулфат и од силикатни депозити како бикарбонати. Двете од нив се оксидираат во воден раствор и се таложат во дури благо покачен pH како железо (III) оксид.^[29][39]

Големи депозити на железо се врзани со железни формации, тип на карпа која се состои од повторени тенки слоеви на железни оксиди наизменични со ленти од шкрилци и црни сиромашни со железо. Обврзуваните железни форми беа поставени во времето пред 3,700 милиони години и пред 1.800 милиони години.^[30][31][40] [41]

Материјалите кои содржат фино мелени железо (III) оксиди или оксидни хидроксиди, како што се окер, се користат како жолти, црвени и кафеави пигменти од предисториски времиња. Тие придонесуваат и за бојата на разни карпи и глини, вклучувајќи ги и целите геолошки формации како што се Шарена Хилс во Орегон и Бунтсштајнн ("обоени песочник", британски Бантер).^[32] [42] Преку Ајзенсенштајн (јурасичен "железен песочник", на пример, од Донзддорф) во Германија ^[33][43] и камен од камења во Велика Британија, соединенијата на железо се одговорни за жолтеникава боја на многу историски градби и скулптури.^[34] [44] Посмртната црвена боја на површината на Марс произлегува од реголит богат со железо оксид.^[35]

[45]

Значителни количини на железо се случуваат во железен сулфид минерален пирит (FeS2), но тешко е да се извлече железо од него и затоа не се експлоатира. Всушност, железото е толку вообичаено што производството главно се фокусира само на руди со многу големи количини.

Според извештајот на Меѓународниот ресурсен панел за метални резерви во општеството, глобалниот удел на железо што се користи во општеството е 2200 кг по глава на жител. Поразвиени земји се разликуваат во овој поглед од помалку развиените земји (7000-14000 до 2000 кг по глава на жител).^[36][46]

26-те електрони на железо се наредени во конфигурацијата [Ar] 3d64s2, со орбитали од 3d и 4s кои имаат многу слични енергетски нивоа. Од таа причина, може да изгуби променлив број на електрони со малку зголемување на енергијата.^[10] [15] Така, како и другите транзициски метали, железо може да постои во неколку последователни состојби на оксидација. Железото понекогаш се смета за прототип за целиот блок на транзициони метали, поради неговото изобилство и технолошко значење.^[37][47]

Железото, исто така, се јавува во повисоки оксидациски состојби, на пр. пурпурниот калиум ферат (K2FeO4), кој содржи железо во неговата оксидациона држава +6. Иако се тврди дека железо (VIII) оксид (FeO4), извештајот не може да се репродуцира и дека таквиот вид (барем со железо во неговата оксидациска состојба +8) е неверојатно пресметан.^[38] [48] Сепак, една форма на анјонски [FeO4] - со железо во неговата +7 оксидациона состојба, заедно со железо (V) -пероксо изомер, е детектирана со инфрацрвена спектроскопија на 4 K по кокондензација на атоми на Fe со абс ласер со мешавина на O2 / Ar.^[39][49] Железото (IV) е вообичаен интермедијар во многу реакции на биохемиска оксидација.^[40][41][50] [51] Бројни органоиронски соединенија содржат формални состојби на оксидација од +1, 0, -1 или дури -2. Оксидационите состојби и други сврзувачки својства често се проценуваат со користење на техника на Месбауер спектроскопија.^[42] [52] Многу мешани валентни состојки ги содржат и железо (II) и железо (III) центри, како што се магнетит и пруско сино (Fe4 (Fe [CN] 6) 3).^[41] The latter is used as the traditional "blue" in blueprints.^[43][47]

Бинарни соедниненија

Оксиди и хидроксиди

Железо формира различни соединенија на оксид и хидроксид; Најчести се железо (II, III) оксид (Fe3O4) и железен (III) оксид (Fe2O3). Железен (II) оксид исто така постои, иако е нестабилен на собна температура. И покрај нивните имиња, тие се всушност сите нестехиометриски соединенија чии композиции можат да варираат.^[44] [54] Овие оксиди се главни руди за производство на железо (видете го колострумот и печката). Тие исто така се користат во производството на феррити, корисни магнетни медиуми за чување во компјутери и пигменти. Најпознатиот сулфид е железен пирит (FeS2), кој исто така е познат како злато на злато заради златниот сјај.^[41] [51] Тоа не е железо (IV) соединение, туку всушност е железен (II) полисулфид кој содржи Fe2 + и S2-2 јони во деформирана структура на натриум хлорид^[44] [54].

Халиди

Бинарните железни и ферични халиди се добро познати. Халуидните халогени обично произлегуваат од третирање на железо метал со соодветната хидрогенална киселина за да се добијат соодветните хидрирани соли[51]

Fe + 2 HX → FeX₂ + H₂ (X = F, Cl, Br, I)

Железото реагира со флуор, хлор и бром за да ги даде соодветните железни халиди, најчест е железен хлорид. [58]

2 Fe + 3 X₂ → 2 FeX₃ (X = F, Cl, Br)

Железен јодид е исклучок, термодинамички нестабилен поради оксидирачката моќ на Fe3 + и високата редуктивна моќност на I [58]

2 I− + 2 Fe3+ → I2 + 2 Fe2+ (E0 = +0.23 V)

Сепак, милиграмните количини на железен јодид, црна цврста материја, сè уште може да се подготват преку реакцијата на железен пентакарбонил со јод и јаглерод моноксид во присуство на хексан и светлина на температура од -20 ° C, осигурувајќи дека системот е добро запечатена од воздух и вода. [58]

Хемиско решение

Стандардните редукциони потенцијали во киселиот воден раствор за некои заеднички железни јони се дадени подолу:^[12][11]

Fe2+ + 2 e−         ⇌ Fe      E0 = −0.447 V

Fe3+ + 3 e−         ⇌ Fe      E0 = −0.037 V

FeO2−4 + 8 H+ + 3 e−     ⇌ Fe3+ + 4 H2O                E0 = +2.20 V

Црвено-пурпурниот тетраедарски ферат (VI) анјон е толку силно оксидирачко средство што го оксилизира азот и амонијак на собна температура, па дури и вода во кисели или неутрални раствори:^[45] [55]

4 FeO2−4 + 10 H2O → 4 Fe3+ + 20 OH− + 3 O₂

Јонот Fe3 + има голема едноставна катјонска хемија, иако бледо-виолетов хексако јон [Fe (H2O) 6] 3+ е многу лесно хидролизиран кога pH се зголемува над 0 на следниов начин:^[46] [56]

[Fe(H2O)6]3+    ⇌ [Fe(H2O)5(OH)]2+ + H+           K = 10−3.05 mol dm−3

[Fe(H2O)5(OH)]2+           ⇌ [Fe(H2O)4(OH)2]+ + H+           K = 10−3.26 mol dm−3

2 [Fe(H2O)6]3+ ⇌ [Fe(H2O)4(OH)]4+ 2 + 2 H+ + 2 H2O    K = 10−2.91 mol dm−3

Со оглед на тоа што рН се зголемува над 0 од горните жолти хидролизирани видови и кога се издига над 2-3, црвеникаво-кафеав хидроен железен (III) оксид преципитира надвор од растворот. Иако Fe3 + има конфигурација d5, нејзиниот спектар на апсорпција не е како оној на Mn2 + со неговите слаби, спин-забранети d-d-бендови, бидејќи Fe3 + има повисок позитивен полнеж и е поларизиран, намалувајќи ја енергијата на неговиот лигандно-метален полнеж трансфер апсорпции. Така, сите горенаведени комплекси се прилично силно обоени, со единствениот исклучок на хексакво јон - па дури и дека има спектар во кој доминираат трансфер на полнеж во близина на ултравиолетовата област. [56] Од друга страна, бледо зеленото железо (II) hexaquo ion [Fe (H2O) 6] 2+ не се подложува на значителна хидролиза. Јаглерод диоксидот не е еволуиран кога се додаваат карбонатни анјони, што наместо тоа резултира со појава на бел железен (II) карбонат. Во износ на јаглерод диоксид, ова го формира малку растворливиот бикарбонат, кој обично се јавува во подземните води, но брзо се оксидира во воздухот за да се формира железен (III) оксид, кој ги зема предвид кафените наслаги присутни во голем број струи.^[47][57]

Координативни соединенија

Поради својата електронска структура, железото има многу голема координација и органометална хемија.

Многу координатни соединенија на железо се познати. Типичен шест-координатен анјон е хексахлорферат (III), [FeCl6] 3-, кој се наоѓа во мешавината на солта тетракис (метиламониум) хексахлорферат (III) хлорид.^[48][49] [58] [59] Комплексите со повеќе бидентирани лиганди имаат геометриски изомери. На пример, транс-хлорохидридобисот (бис-1,2- (дифенилфосфино) етан) железо (II) комплекс се користи како почетна материјал за соединенија со дел од Fe (dppe) 2.^[50][51] [60] [61] Ферриоксалатниот јон со три оксалатни лиганди (прикажан десно) прикажува спирална хиралност со две не-суперпозитивни геометри означени со Λ (ламбда) за левата завртка и Δ (делта) за десната завртка на завртката, во согласност со IUPAC конвенции. [56] Калиум фериоксалат се користи во хемиска актинометрија и заедно со натриумовата сол се подложува на фоторедукција применета во фотографски процеси во стари стилови. Дихидрат на железо (II) оксалат има полимерна структура со ко-планарни оксалатни јони кои премостуваат помеѓу центрите на железо со вода од кристализација која се наоѓа во форма на капи од секој октаедар, како што е илустрирано подолу.^[52] [62]

Пруски сина, Fe4 [Fe (CN) 6] 3, е најпозната од цијанидните комплекси на железо. Нејзиното формирање може да се користи како едноставен влажен хемиски тест за да се направи разлика помеѓу водниот раствор на Fe2 + и Fe3 +, бидејќи тие реагираат (соодветно) со калиум феррицијанид и калиум фероцианд за да формираат пруско сино. [53]

Компонентите на железо (III) се доста слични на оние на хром (III), со исклучок на претпочитањето на железо (III) за О-дарител наместо N-дарителните лиганди. Последните имаат тенденција да бидат прилично понестабилни од комплексите на железо (II) и често се дисоцираат во вода. Многу Fe-O комплекси покажуваат интензивни бои и се користат како тестови за феноли или еноли. На пример, во тестот за железен хлорид, кој се користи за одредување на присуството на феноли, железо (III) хлорид реагира со фенол за да формира длабок виолеточен комплекс:^[46] [56]

3 ArOH + FeCl₃ → Fe(OAr)₃ + 3 HCl (Ar = aryl)

Меѓу комплексите на халид и псевдохалид, флуоро комплексите на железо (III) се најстабилни, со безбојниот [FeF5 (H2O)] 2- кој е најстабилен во воден раствор. Компонентите на хлоро се помалку стабилни и корист тетраедрична координација како кај [FeCl4] -; [FeBr4] - и [FeI4] - лесно се намалуваат на железо (II). Тиоцијанат е чест тест за присуството на железо (III), бидејќи го формира црвено-црвениот [Fe (SCN) (H2O) 5] 2+. Како манган (II), повеќето железо (III) комплекси се високовртења, исклучоци се оние со лиганди кои се високи во спектрохемиските серии како што е цијанид. Пример за нисковртат железо (III) комплекс е [Fe (CN) 6] 3-. Цијанидните лиганди лесно можат да се одвојат во [Fe (CN) 6] 3-, а со тоа и овој комплекс е отровен, за разлика од железо (II) комплексот [Fe (CN) 6] 4- пронајден во пруско сино,^[46][56] не ослободува водороден цијанид, освен кога се додаваат разредени киселини.^[47] [57] Железото покажува голема разновидност на електронски спин-состојби, вклучувајќи ги и сите можни спин квантни вредности за елемент d-блок од 0 (дијамагнетен) до 5/2 (5 непарни електрони). Оваа вредност е секогаш половина од бројот на неспарени електрони. Комплексите со нула до две неспарени електрони се сметаат за ниски вртења, а оние со четири или пет се сметаат за вртежи.^[44] [54]

Железовите (II) комплекси се помалку стабилни од комплексите на железо (III), но претпочитањето на O-дарителните лиганди е помалку означено, така што на пример [Fe (NH3) 6] 2+ е познато додека [Fe (NH3) 6] 3 + не е. Тие имаат тенденција да бидат оксидирани до железо (III), но ова може да се модерира со ниска вредност на pH и специфични лиганди.^[47][57]

Органометални соединенија

Органоиронска хемија е проучување на органометални соединенија од железо, каде што јаглеродните атоми се ковалентно врзани за металниот атом. Тие се многубројни и разновидни, вклучувајќи ги и цијанидските комплекси, карбонилните комплекси, сендвич и полусендвич соединенија.

Пруски сина или железен фероцијанид, Fe4 [Fe (CN) 6] 3, е стар и добро познат комплекс на железо-цијанид, кој се користи како пигмент и во неколку други апликации. Нејзиното формирање може да се користи како едноставен влажен хемиски тест за да се направи разлика помеѓу водни раствори на Fe2 + и Fe3 +, кога тие реагираат (соодветно) со калиум феррицијанид и калиум фероцианд за да формираат пруско сино.^[41][51]
Друг стар пример на органоирон соединение е железен пентакарбонил, Fe (CO) 5, во кој неутралниот атом на железо е врзан за јаглеродните атоми од пет молекули на јаглерод моноксид. Соединението може да се користи за правење карбонилно железо во прав, високо реактивна форма на метално железо. Термолиза на железен пентакарбонил дава триирон додекакарбонил, Fe3 (CO)12, а со кластер од три атоми на железо во неговото јадро. Реагенсот на Колман, динатриум тетракарбонилферат, е корисен реагенс за органска хемија; содржи железо во -2 оксидација. Циклопентадиенилирон дикарбонил димер содржи железо во ретката +1 оксидациона состојба.^[53][63]

Обележје во ова поле беше откритието во 1951 година на извонредно стабилното сендвичско соединение на фероцен Fe (C5H5)2, од] Полсон и Кили ^[54][64] и независно од Милер и други,^[55] [65] чија изненадувачка молекуларна структура била утврдена само една година подоцна од Вудворд и Вилкинсон ^[56] [66] и Фишер ^[57]F[67] Ferrocene е сè уште една од најважните алатки и модели во оваа класа.</ref> [68]

Органометални видови во центарот на железо се користат како катализатори. Комплетот Knölker, на пример, е катализатор за хидрогенизација на трансфер на кетони. ^[58][69]

Индустриско користење

Железовите соединенија произведени во најголем обем во индустријата се железо (II) сулфат (FeSO4 · 7H2O) и железо (III) хлорид (FeCl3). Првиот е еден од најлесно достапните извори на железо (II), но е помалку стабилен на воздушната оксидација од сол на Мор ((NH4) 2Fe (SO4) 2 · 6H2O). Железото (II) соединенијата имаат тенденција да се оксидираат во железо (III) соединенија во воздухот.^[41][51]

Хемиски својства

За разлика од многу други метали, железото не формира амалгами со жива. Како резултат на тоа, живата се продава во стандардизирани колба од 76 фунти (34 кг) направени од железо.^[59][70]

Железото е далеку најреактивен елемент во својата група; тоа е пирофорен кога ситно се поделени и лесно се раствора во разредена киселина, давајќи Fe2 +. Сепак, не реагира со концентрирана азотна киселина и други оксидирачки киселини поради формирање на отпорен оксиден слој, кој сепак може да реагира со хлороводородна киселина.^[12][11]

Бидејќи железото е користено толку долго, има многу различни имиња на различни јазици. Изворот на хемискиот симбол Fe е латинскиот збор ferrum, а неговите потомци се имињата на елементите на романските јазици (на пример, француски fer, шпански hierro и италијански и португалски ferro).^[60] [71] Зборот ferrum веројатно доаѓа од семитските јазици, преку етрурски, од коренот кој исто така доведе до "староанглиски" браш " ^[61][72] Англискиот збор "железо" потекнува од прот-германскиот * isarnan, кој исто така е извор на германското име Eisen. Најверојатно се позајмени од Селтик * Исарн, кој на крајот доаѓа од праиндоевропски * е- (е) ​​ро- "моќен, свето" и конечно "е" силен ", нарекувајќи ја силата на железо како метал.^[62][73] Клеве го поврзува * Изарн со Илирик и Латинска ира, 'гнев'). Балто-словенските имиња за железо (на пример, руски железо [јелезо], полски желаса, литвански geležis) се единствените што доаѓаат директно од праиндоевропски * ghelgh- "железо".^[63] [74] На многу од овие јазици, зборот за железо може исто така да се користи за означување на други предмети направени од железо или челик или фигуративно поради цврстината и цврстината на метал.^[64] [75] Кинескиот тит произлегува од прасинобитеското * hliek,^[65] [76] и беше позајмен во јапонски како Τecuu, кој исто така има мајчин читање kurogane "црн метал" (сличен на тоа како се користи железо во англискиот збор Ковач).^[66][77]

Развој на железна металургија

Железото е еден од елементите кои несомнено се познати на античкиот свет.^[67] [78] Тоа е работено, или ковано, со милениуми. Сепак, железни објекти од голема возраст се многу поретки од предмети направени од злато или сребро поради леснотијата со која железото кородира. ^[68][79] Технологијата се развива бавно, па дури и по откривањето на топењето потребни се многу векови за железо да ја замени бронзата како метал на избор за алат и оружје.

Мониста направена од метеорско железо во 3500 п.н.е. или порано биле пронајдени во Герза, Египет од страна на Г.А. Wainwright. ^[69][80] Монистата содржи 7,5% никел, што е потпис на метеорско потекло, бидејќи железото пронајдено во Земјината кора генерално има само мала нечистотија на никел.

Метеоричното железо беше високо ценето поради неговото потекло на небото и често се користело за создавање на оружје и алатки.^[69] [80] На пример, во гробот на Тутанкамон бил пронајден нож од метеорското ​​железо,со слични пропорции на железо,кобалт и никел на метеорит откриен во областа, депониран од антички метеорски туш ^[70][71][72][81] [82] [83 ] Предмети кои веројатно биле направени од железо од страна на Египќаните датираат од 3000 до 2500 п.н.е. ^[68][79] Метеоритното железо е споредливо меко и еластично и лесно ладено фалсификувано,но може да биде кршливо кога се загрева поради содржината на никел.^[73][84]

Ковано железо

Првото производство на железо започнало во Средното бронзено време, но потребни се неколку векови пред железно раселенета бронза. Примероци од топено железо од Асмар, Месопотамија и Талин чагар чаршија во северна Сирија беа направени некаде помеѓу 3000 и 2700 п.н.е. .^[74][85] Хетејците основале империја во северно-централна Анадолија околу 1600 п.н.е. Тие се чини дека се првите кои го разбираат производството на железо од своите руди и го сметаат за високо во нивното општество.A&C Black.</ref> [86] Хетејците почнале да го топат железото помеѓу 1500 и 1200 година п.н.е., а праксата се проширила и на остатокот од Блискиот Исток, откако нивната империја паднала во 1180 п.н.е. ^[74][85] Следниот период се нарекува железното време.

Артефакти од топено железо се наоѓаат во Индија од 1800 до 1200 п.н.е.,^[75][87] и во Левант од околу 1500 п.н.е. (што укажува на топење во Анадолија или Кавказ).^[76][77] [88] [89] Наводните наводи (споредете ја историјата на металургијата во Јужна Азија) со железо во индиските Веди се користат за тврдењата за многу рано користење на железо во Индија, соодветно, за да ги дадат текстовите како такви. Ограничениот термин ајас (метал) веројатно се однесува на бакар и бронза, додека железото или шима ајасот, буквално "црн метал", прво се споменува во пост-ригрестичната Атарваведа.^[78][90]

Некои археолошки докази сугерираат дека железото е потопено во Зимбабве и југоисточна Африка уште во осмиот век п.н.е.^[79] [91] Работењето со железо беше воведено во Грција кон крајот на 11 век п.н.е., од кое брзо се прошири низ цела Европа ^[80] [92].

Ширењето на железото во Централна и Западна Европа е поврзано со келтската експанзија. Според Плиниј Старецот, употребата на железо била вообичаена во римската ера. ^[69] [80] Годишното железно производство на Римското Царство е проценето на 84750 т,^[81] [93] додека слично населената и современата Хан Кина произведува околу 5000 т. 5000 t.Грешка во наводот: На ознаката </ref> ѝ недостасува ознака за затворање <ref>. [95] Топењето на железо може да се воведе во Кина низ Средна Азија.^[82] [96] Најраните докази за употребата на високи печки во Кина датираат од 1 век од н.е.,</ref>[97] и купола печки биле користени уште во периодот на завојуваните држави (403-221 п.н.е.). p. 191.</ref>[98] Употребата на експлозијата и куполата печка остана широко распространета за време на династиите Песна и Танг.^[83]

[99]

За време на Индустриската револуција во Велика Британија, Хенри Корт почнал да го рафинира железото од сурово железо на ковано железо (или бар железо) користејќи иновативни системи за производство. Во 1783 година тој го патентирал процесот на puddling за рафинирање на железна руда. Подоцна подоцна беше подобрена од другите, вклучувајќи го и Џозеф Хол.^[84]

[100]

Леано железо

Леано железо за првпат беше произведено во Кина во текот на 5 век п.н.е.^[85] [101], но беше тешко во Европа до средновековниот период ^[86][87] [102]. [103] Најраните артефакти од леано железо биле откриени од страна на археолозите во денешна модерна округот Луе, Џиангсу во Кина. Леарното железо се користело во античка Кина за војна, земјоделство и архитектура.^[88][104] За време на средновековниот период, во Европа се пронајдени средства за производство на ковано железо од леано железо (во овој контекст познато како сурово железо) со користење на финични кованици. За сите овие процеси, потребен е јаглен како гориво.^[89] [105]

Средновековните високи печки се високи околу 3,0 метри и се направени од огноотпорни тули; Принудниот воздух обично се обезбедува од страна на механизираните мелови.^[87][103] Модерните високи печки пораснаа многу поголеми, со огништа од четиринаесет метри во пречник, што им овозможи да произведуваат илјадници тони железо секој ден, но во суштина работат на ист начин како и во средновековните времиња.^[89][105]

Во 1709 година, Абрахам Дарби, основал печка за кокс, за производство на леано железо, заменувајќи ја јаглен, иако продолжи да користи високи печки. Следливото достапно евтин железо беше еден од факторите што доведоа до Индустриска револуција. Кон крајот на 18 век, леано железо почна да го замени ковано железо за одредени намени, бидејќи беше поевтино. Содржината на јаглерод во железо не била вмешана како причина за разликите во својствата на ковано железо, леано железо и челик до 18 век.^[74] [85]

Со оглед на тоа што железото станува поевтино и пошироко, тој стана и голем структурен материјал по изградбата на иновативниот прв железен мост во 1778 година. Овој мост сè уште денес стои како споменик на улогата на железото што се игра во Индустриската револуција. По ова, железото се користело во шини, чамци, бродови, аквадукти и згради, како и во железни цилиндри во парните машини.^[89][105] Железниците се централни за формирање на модерност и идеи за напредок [106] и различни јазици (на пример, француски, шпански, италијански и германски) се однесуваат на железницата како железница.

Челик

Челикот (со помали содржини на јаглерод од сурово железо, но повеќе од ковано железо) прво се произведува во антиката со користење на цврстина. Ковачите во Луристан во западна Персија правеле добар челик до 1000 п.н.е. ^[74][85] Потоа, подобрените верзии, челикот Wootz од Индија и челикот Дамаск беа развиени околу 300 п.н.е. и АД 500, соодветно. Овие методи биле специјализирани, па затоа челикот не станал голема стока до 1850-тите.^[90][107]

Новите методи на производство на карболизирани железни решетки во процесот на цементирање беа измислени во 17 век. Во Индустриската револуција беа измислени нови методи за производство на железна железо без јаглен и подоцна беа применети за производство на челик. Во доцните 1850-ти, Хенри Бесемер измислил нов процес за производство на челик, кој вклучувал воздух низ стопено сурово железо, за да произведе благ челик. Ова го направи челик многу поекономично, а со тоа водеше кон ковано железо повеќе да не се произведува во големи количини.^[91][108]

Основи на модерната хемија

Во 1774 година, Антоан Лавоазие ја користел реакцијата на водена пареа со метално железо во железната цевка за да создаде водород во неговите експерименти што воделе кон демонстрација на зачувувањето на масата, што било корисно за промена на хемијата од квалитативна наука до квантитативна.^[92] [109]

Железото игра одредена улога во митологијата и пронашло разновидна употреба како метафора и во фолклорот. Грчките поети Хесиодовите дела и денови (линии 109-201) наведуваат различни возрасти на човекот именувани по метали како злато, сребро, бронза и железо за да се сметаат за сукцесивно време на човештвото. .^[93] [110] Железното време било тесно поврзано со Рим и во Метаморфозите на Овидиј.

Доблестите, во очај, излегоа од земјата; и изопаченоста на човекот станува универзална и целосна. Тогаш успеало тврд челик.

- Овидиј, Метаморфози, Книга I, Железната ера, линија 160,

Пример за важноста на симболичката улога на железо може да се најде во германската кампања од 1813 година. Фридрих Вилијам III го нарачал првиот железен крст како воена декорација. Берлинскиот железен накит го достигна своето врвно производство помеѓу 1813 и 1815 година, кога пруското кралско семејство ги повика граѓаните да донираат златен и сребрен накит за воено финансирање. На натписот "Голд габ ich für Eisen" (јас дадов злато за железо) се користеше и во подоцнежните воени напори.^[94] [111]

Лабораториски правци

За неколку ограничени намени кога е потребно, чисто железо се произведува во лабораторија во мали количини со намалување на чистиот оксид или хидроксид со водород или формирање на железен пентакарбонил и загревање на 250 °C така што се разградува за да се формира чист железен прав ^[29][39] Друг метод е електролиза на железен хлорид на железна катода.^[95][112]

Главна индустриска рута

Денес, индустриското производство на железо или челик се состои од две главни фази. Во првата фаза, железната руда се намалува со кокс во високи печки, а стопениот метал е одвоен од големи нечистотии како силикатни минерали. Оваа фаза дава легура на чугун - кој содржи релативно големи количини на јаглерод. Во втората фаза, количината на јаглерод во суровото железо се намалува со оксидација за да се добие ковано железо, челик или леано железо.^[96] [114] Во оваа фаза може да се додадат и други метали за да се формираат легирани челици.

Обработка на високи печки

Високата печка е натоварена со железни руди, обично хематит Fe2О3 или магнетит Fe3О4, заедно со кокс (јагле) кој е одделно печен за отстранување на испарливи компоненти). Воздухот претходно загреан до 900 °C се разнесува преку мешавината, во доволна количина за да се претвори јаглеродот во јаглерод моноксид:^[96] [114]

2 C + O₂ → 2 CO

Оваа реакција ја зголемува температурата на околу 2000 °C Јаглерод моноксидот ја намалува железната руда на метално железо ^[96][114]

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Некое железо во понискиот регион на печката со висока температура реагира директно со коксот:^[96][114]

2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

Флукс како варовник (калциум карбонат) или доломит (калциум-магнезиум карбонат) исто така се додава на оптоварувањето на печката. Нејзината цел е да се отстранат силикатни минерали во рудата, кои инаку ќе ја заглават печката. Топлината на печката го распаѓаат карбонатите на калциум оксид, кој реагира со било кој вишок на силика за да формира згура составен од калциум силикат CaSiO3 или други производи. На температурата на печката, металот и згура се истури. Тие се собираат на дното како два непропирливи течни слоеви (со згура на врвот), кои потоа лесно се одвојуваат.^[96][114] Згурата може да се користи како материјал за изградба на патишта или да се подобрат минерални сиромашни почви за земјоделството ^[87][103].

Индустриски рути

Производството на железо или челик е процес кој се состои од две главни фази. Во првата фаза чугун се произведува во висока печка. Алтернативно, тоа може да биде директно намалено. Во втората фаза, суровото железо се претвора во ковано железо, челик или леано железо. [125]

За неколку ограничени намени кога тоа е потребно, чисто железо се произведува во лабораторија во мали количини со намалување на чистиот оксид или хидроксид со водород или формирање на железен пентакарбонил и загревање до 250 °C така што се разградува за да се формира чист железен прав . [45] Друг метод е електролиза на црни хлориди врз железна катода. [126]

Обработка на високи печки

Индустриското производство на железо започнува со железни руди, главно хематит, кој има номинална формула Fe2O3 и магнетит, со формулата Fe3O4. Овие руди се сведени на метал во карботермична реакција, односно со третман со јаглерод. Претворањето обично се изведува во високи печки на температура од околу 2000 °C. Јаглеродот е обезбеден во форма на кокс. Процесот, исто така, содржи флукс како што е варовник, кој се користи за отстранување на силикатни минерали во рудата, кои инаку ќе ја заглават печката. Коксот и варовникот се хранат во врвот на печката, додека масивна експлозија на воздух загреана до 900 °C, околу 4 тони по тон железо, [116] е принудена во печката на дното. [125]

Во печката коксот реагира со кислород во експлозијата за воздух за да произведе јаглерод моноксид: [125]

2 C + O₂ → 2 CO

Јаглеродмоноксидот ја намалува железна руда (во хемиската равенка подолу, хематит) во стопено железо, станувајќи јаглерод диоксид во процесот: [125]

Fe₂O₃ + 3 CO → 2 Fe + 3 CO₂

Некои железо во понискиот регион на печката со висока температура реагира директно со коксот: [125]

2 Fe₂O₃ + 3 C → 4 Fe + 3 CO₂

Флуксот што е присутен за топење на нечистотиите во рудата е главно варовник (калциум карбонат) и доломит (калциум-магнезиум карбонат). Други специјализирани флукс се користат во зависност од деталите на рудата. Во топлината на печката флуксот од варовник се распаѓа на калциум оксид (исто така познат како брза лим): [125]

CaCO₃ → CaO + CO₂

Потоа калциум оксидот се комбинира со силициум диоксид за да се формира течна згура. [125]

CaO + SiO2 → CaSiO3

Згурата се топи во топлината на печката. На дното на печката, стопената згура лебди на врвот на погустото стопено железо, а отворите на страната на печката се отвораат за да се истепаат железото и згурата одделно. Железото кое некогаш се лади се нарекува сурово железо, додека згура може да се користи како материјал при изградба на патишта или да се подобрат минерални сиромашни почви за земјоделството. [116]

Челични конструкции

Во суштина, суровото железо произведено од пепел процесот содржи до 4-5% јаглерод, со мали количини на други нечистотии како сулфур, магнезиум, фосфор и манган. Високото ниво на јаглерод го прави релативно слаб и кршлив. Намалувањето на количеството на јаглерод до 0,002-2,1% по маса произведува челик, што може да биде и до 1000 пати потешко од чистото железо. Оттука, отстранувањето на другите нечистотии резултира со леано железо, кое се користи за фрлање предмети во леарници; на пример, печки, цевки, радијатори, светилки и шини.^[96] [114]

Челичните производи често се подложени на разни топлински третмани откако ќе бидат фалсификувани за да се обликува. Жарењето се состои од нивно загревање до 700-800 °C неколку часа, а потоа постепено ладење. Тоа го прави челичниот мек и попрактичен.^[97] [116]

Директна редукција на железо

Поради загриженоста за животната средина, развиени се алтернативни методи за обработка на железо. "Директно намалување на железото" ја намалува железната руда на цврста грутка наречена "сунѓер" железо или "директно" железо кое е погодно за производство на челик.^[87][103] Две главни реакции го сочинуваат процесот на директна редукција:

Природниот гас е делумно оксидиран (со топлина и катализатор):^[87][103]

2 CH₄ + O₂ → 2 CO + 4 H₂

Железна руда потоа се третира со овие гасови во печка, произведувајќи цврсто сунѓерно железо:^[87] [103]

Fe₂O₃ + CO + 2 H₂ → 2 Fe + CO₂ + 2 H₂O

Силика се отстранува со додавање на флукс од варовник како што е опишано погоре.^[87] [103]

Термитен процес

Палење на мешавина од алуминиумски прав и железен оксид дава метално железо преку термитна реакција:

Железото е спореден производ на горење на мешавина од алуминиумски прав и 'рѓа во прав.

Fe2O3 + 2 Al → 2 Fe + Al2O3

Алтернативно, суровото железо може да се направи во челик (со до околу 2% јаглерод) или ковано железо (комерцијално чисто железо). За ова се користени различни процеси, вклучувајќи пепелни ковани, печки за пеглање, претворачи Бессемер, печки за отворено огниште, основни кислородни печки и електрични лачни печки. Во сите случаи, целта е да се оксидира дел или целиот јаглерод, заедно со други нечистотии. Од друга страна, може да се додадат други метали за да се направат легирани челици.^[89]

Како структурен материјал

Железото е најраспространето од сите метали, со повеќе од 90% од светското производство на метал. Нејзината ниска цена и висока јачина често го прават материјалот од избор на материјал за да го издржат стресот или да пренесуваат сили, како што се изградба на машини и машински алати, шини, автомобили, бродови, бетонски армирани шипки и рамка за носење на објекти . Бидејќи чистото железо е прилично меко, најчесто се комбинира со легирање елементи за да се направи челик.^[98] [117]

Механички својства на железо и неговите легури се исклучително релевантни за нивните структурни примени. Оние сопственици можат да се оценуваат на различни начини, вклучувајќи го и тестот Бринел, тест Роквел и тест за цврстина на Викерс.

Одликите на чистото железо често се користат за калибрирање на мерењата или за споредба на тестовите.^[99][100] [119] [120] Сепак, механичките својства на железото се значително засегнати од чистотата на примерокот: чисти, монокристали од железо всушност се помеки од алуминиум ^[101][118], а најчистото индустриско произведено железо (99,99%) има цврстина од 20-30 Brinell.^[102] [ 121]

Зголемувањето на содржината на јаглерод ќе предизвика значително зголемување на цврстината и цврстината на истегнување на железото. Максималната цврстина од 65 Rc се постигнува со содржина на јаглерод од 0,6%, иако легура има ниска цврстина на истегнување.^[103] [122] Поради мекоста на железото, многу е полесно да се работи со неговите потешки сродници рутениум и осмиум.^[10]

[15]

Понатамошни процеси

Суровото железо не е чисто железо, но има 4-5% јаглерод растворен во него со мали количини на други нечистотии како сулфур, магнезиум, фосфор и манган. Бидејќи јаглеродот е главната нечистотија, железото (суровото железо) станува кршливо и тешко. [125] Отстранувањето на другите нечистотии резултира со леано железо, кое се користи за фрлање предмети во леарници како што се печки, цевки, радијатори, светилки и шини. [125]

Алтернативно, суровото железо може да се направи во челик (со до околу 2% јаглерод) или ковано железо (комерцијално чисто железо). За тоа се користат разни процеси, вклучувајќи пепелни ковани, педијални печки, претворачи Бесемер, отворени огништа, основни кислородни печки и електрични лачни печки. Во сите случаи, целта е да се оксидира дел или целиот јаглерод, заедно со други нечистотии. Од друга страна, може да се додадат други метали за да се направат легирани челици. [118]

Анкетата вклучува загревање на парче челик на 700-800 °C неколку часа, а потоа постепено ладење. Тоа го прави челичниот мек и попрактичен. [127]

Металуршки апликации

Железото е најраспространето од сите метали, со повеќе од 90% од светското производство на метал. Нејзините ниски трошоци и висока јачина го прават неопходен во инженерските апликации како што се изградба на машини и машински алати, автомобили, трупови на големи бродови и структурни компоненти за згради. Бидејќи чистото железо е прилично меко, најчесто се комбинира со легирање елементи за да се направи челик ^[98]=[117].

Механички својства на железо и неговите легури се исклучително релевантни за нивните структурни примени. Оние сопственици можат да се оценуваат на различни начини, вклучувајќи го и тестот Бринел, тест Роквел и тест за цврстина на Викерс.

Одликите на чистото железо често се користат за калибрирање на мерењата или за споредба на тестовите.^[99][100] [119] [120] Сепак, механичките својства на железото се значително засегнати од чистотата на примерокот: чисти, монокристали од железо всушност се помеки од алуминиум ^[101][118], а најчистото индустриско произведено железо (99,99%) има цврстина од 20-30 Brinell.^[102] [ 121]

Зголемувањето на содржината на јаглерод ќе предизвика значително зголемување на цврстината и цврстината на истегнување на железото. Максималната цврстина од 65 Rc се постигнува со содржина на јаглерод од 0,6%, иако легура има ниска цврстина на истегнување.^[103][122] Поради мекоста на железото, многу е полесно да се работи со неговите потешки сродници рутениум и осмиум.^[10]

[15]

Видови на челици и легури

α-Iron е прилично мек метал кој може да раствори само мала концентрација на јаглерод (не повеќе од 0,021% по маса на 910 °C).^[104] [123] Аустенит (γ-железо) е слично мек и метален, но може да раствори значително повеќе јаглерод (колку што е 2.04% по маса на 1146 °C). Оваа форма на железо се користи во вид на не’рѓосувачки челик што се користи за правење прибор за јадење, како и опрема за болнички и прехранбени услуги.^[13][19]

Комерцијално достапното железо е класифицирано врз основа на чистотата и изобилството на адитиви. Суровото железо има 3.5-4.5% јаглерод ^[105][124] и содржи различни количини на загадувачи како сулфур, силициум и фосфор. Суровото железо не е производ што може да се продава, туку преоден чекор во производството на леано железо и челик. Редукцијата на загадувачите во суровото железо што негативно влијаат на материјалните својства, како што се сулфур и фосфор, дава лиено железо што содржи 2-4% јаглерод, 1-6% силициум и мали количини манган.^[96] [114] Суровото железо има точка на топење во опсегот од 1420-1470 К, што е пониско од било која од неговите две главни компоненти и го прави првиот производ да се стопи кога јаглеродот и железото се загреваат заедно. .^[12][11] Неговите механички својства се разликуваат во голема мера и зависат од формата на јаглеродот во легура.^[10][15]

"Белите" леани желези содржат јаглерод во форма на цементит или железен карбид (Fe3C).^[10] [15] Ова тешко, кршливо соединение доминира во механичките својства на бели фрлани пегли, што ги прави тешко, но непоколебливи за шок. Скршената површина на бело леано железо е полна со прекрасни аспекти на скршениот железен карбид, многу бледо, сребрено, сјајно материјал, па оттука и ознаката. Ладењето на мешавина од железо со 0,8% јаглерод полека под 723 °C до собна температура резултира со одделни, наизменични слоеви на цементит и α-железо, кое е меко и ковчесто и се нарекува перлит за неговиот изглед. Брзото ладење, од друга страна, не дозволува време за оваа поделба и создава тврд и кршлив мартензит. Челикот потоа може да се зацврсти со загревање на температура помеѓу нив, менување на пропорциите на перлит и мартензит. Крајниот производ под 0,8% содржина на јаглерод е мешавина од перлит-αFe и дека над 0,8% содржина на јаглерод е мешавина од перлит-цементит.^[10] [15]

Во сивото железо јаглеродот постои како одделни, фини снегулки од графит, а исто така го прави материјалот кршлив поради остриот острички од графит кои создаваат места за концентрација на стрес во материјалот.^[106] [125] Понова верзија на сиво железо, наречена нодуларно железо, е специјално обработена со траги од магнезиум за да се смени обликот на графитот до сфероиди или нодули, со што се намалуваат концентрациите на стресот и значително ја зголемуваат цврстина и цврстина на материјалот.^[106][125]

Ковано железо содржи помалку од 0,25% јаглерод, но големи количини на згура што му даваат фиброзна одлика.^[105][124] Тоа е тежок, податлив производ, но не како леплив како сурово железо. Ако се исполира на работ, тоа го губи брзо. Ковано железо се одликува со присуство на фини влакна од згура заглавени во рамките на металот. Ковано железо е повеќе отпорно на корозија од челик. Тоа е речиси целосно заменето со лесен челик за традиционални производи од ковано железо и ковач.

Благиот челик кородира полесно отколку ковано железо, но е поевтин и пошироко достапен. Јаглеродниот челик содржи 2,0% јаглерод или помалку,^[107][126] со мали количества манган, сулфур, фосфор и силициум. Алуминиумските челици содржат различни количества на јаглерод, како и други метали, како што се хром, ванадиум, молибден, никел, волфрам итн. Нивната содржина на легури ја зголемува нивната цена и затоа тие обично се користат само за специјални намени. Еден заеднички легиран челик, сепак, е не’рѓосувачки челик. Неодамнешните достигнувања во црна металургија создадоа растечки опсег на микроалкилирани челици, исто така познати како HSLA или нисколегирани челици со висока јачина, кои содржат мали додатоци за производство на висока јачина и честопати спектакуларна цврстина со минимални трошоци.^{[107][108][109]} [126] [127] [ 128]

Покрај традиционалните апликации, железо се користи и за заштита од јонизирачко зрачење. Иако е полесен од друг традиционален заштитен материјал, олово, тоа е многу посилно механички. Слабеењето на зрачењето како функција на енергија е прикажано на графиконот ^[110][129].

Главниот недостаток на железо и челик е чисто железо, а повеќето од неговите легури страдаат од 'рѓа, ако не се заштитени на некој начин, чија цена изнесува над 1% од светската економија.^[111][130] Сликањето, галванизацијата, пасивацијата, пластичното обложување и болката се користат за заштита на железото од 'рѓа со исклучување вода и кислород или со катодна заштита. Механизмот на 'рѓосување на железо е како што следува:^[111] [130]

Катода: 3 О2 + 6 H2O + 12 е- → 12 OH-

Анода: 4 Fe → 4 Fe2 + + 8 e-; 4 Fe2 + → 4 Fe3 + 4 e-

Вкупно: 4 Fe + 3 O2 + 6 H2O → 4 Fe3 + + 12 OH- → 4 Fe (OH) 3 или 4 FeO (OH) + 4 H2O

Електролитот обично е железо (II) сулфат во урбаните области (формиран кога атмосферскиот сулфур диоксид го напаѓа железото) и честичките на солта во атмосферата во приморските области.^[111][130]

Биолошка и патолошка улога

Железото е потребно за живот.^{[6][112][113]}[9] [135] [136] Кластерите на железо-сулфур се распространети и вклучуваат нитрогеназа, ензими одговорни за биолошка фиксација на азот. Белодробните белковини учествуваат во транспортот, складирањето и употребата на кислород ^[6][9]. Железни белковини се вклучени во трансферот на електрони.^[114]

[137]

Примери на белковини кои содржат железо во повисоки организми вклучуваат хемоглобин, цитохром (види високо валентно железо) и каталаза.^[6][115][9] [138] Просечниот возрасен човек содржи околу 0.005% телесна тежина на железо, или околу четири грама, од кои три четвртини се во хемоглобин - ниво кое останува константно, и покрај тоа што само еден милиграм на железо се апсорбира секој ден,^[114] [137] затоа што човечкото тело го рециклира својот хемоглобин за содржината на железо.^[116][139]

Биохемија

Стекнувањето на железо претставува проблем за аеробните организми, бидејќи железото од железо е слабо растворливо во близина на неутралната pH вредност. Така, овие организми имаат развиено средства за апсорбирање на железо како комплекси, понекогаш земајќи железо железо пред оксидирање на железо во железо.^[6][9] Особено, бактериите имаат развиено многу високо афинитетни секвестриски агенси наречени сидерофори.^{[117][118][119]} [140] [141] [142]

По преземањето во човечки клетки, складирањето на железо е прецизно регулирано..^[6][120] [9] [143] Главна компонента на оваа регулација е белковинскиот трансферин, кој ги врзува железоните јони апсорбирани од дванаесетпалечното црево и го носи во крвта во клетките.^[6][121] [9] [144] Трансферин содржи Fe3 + во средината на искривениот октаед, поврзан со еден азот, три оксигени и хелатниот карбонат-анјон кој го заробува јон Fe3 +: има толку висока константа на стабилност што е многу ефикасна при земањето на Fe3 + јони, дури и од најмногу стабилни комплекси. Во коскената срцевина, трансферин се намалува од Fe3 + и Fe2 + и се складира како феритин за да се инкорпорира во хемоглобинот.^[114] [137]

Најчесто познати и проучени биооргански соединенија на железо (биолошки молекули на железо) се хемо белковините: примери се хемоглобин, миоглобин и цитохром Р450 ^[6][9]. Овие соединенија учествуваат во транспорт на гасови, градење на ензими и пренесување на електрони.^[114] [137] Металобелковините се група на белковини со метални јонски кофактори. Некои примери на железо металобелковини се феритин и рустредокрин.^[114] [137] Многу ензими од витално значење за живот содржат железо, како каталаза,^[122] [137] липоксигенази,^[123] [146] и IRE-BP. ^[124]

Хемоглобинот е кислороден носач кој се јавува во црвените крвни клетки и ја придонесува нивната боја, транспортира кислород во артериите од белите дробови до мускулите каде што се пренесува во миоглобин, кој го складира додека не биде потребен за метаболичка оксидација на гликоза, генерирање на енергија ^[6][9] Тука хемоглобинот се врзува за јаглерод диоксид, произведен кога гликозата се оксидира, која се транспортира преку вените со хемоглобин (претежно како бикарбонатни анјони) назад во белите дробови каде што се издишува.^[114] [137] Во хемоглобинот, железото е во една од четирите хеми групи и има шест можни координатни места; четирите се окупирани од атоми на азот во порфирински прстен, петтиот од имидазолниот азот во хистидинскиот остаток од еден од белковинските синџири прикачени на хем групата, а шестиот е резервиран за молекулата на кислород што може да се сврти со реверзибилно ^[114] [137 ] Кога хемоглобинот не е поврзан со кислородот (а потоа се нарекува дезоксихемоглобин), јон Fe2 + во центарот на хем групата (во внатрешноста на хидрофобната белковина) е во високоспин конфигурација. Поради тоа, е премногу голем за да се вклопи внатре во порфиринскиот прстен, кој наместо тоа се свиткува во купола со јон Fe2 + околу 55 пикометри над неа. Во оваа конфигурација, шестата координативна локација резервирана за кислородот е блокирана од друг хистидински остаток.^[114]

Кога деоксигемоглобинот зема молекула на кислород, овој остаток од хистидин се оддалечува и се враќа откако кислородот е безбедно прицврстен за да формира водородна врскасо неа. Ова резултира со префрлање на јон Fe2 + во конфигурација со низок вртеж, што резултира со намалување на јонскиот полупречник од 20%, така што сега може да се вклопи во порфиринскиот прстен, кој станува рамничен.^[114][137] (Покрај тоа, ова водородско поврзување резултира со наклонување на молекулата на кислород, што резултира со агол на поврзување на Fe-O-O околу 120 ° што го избегнува формирањето на мостовите Fe-O-Fe или Fe-O2-Fe кои ќе доведат до пренос на електрони, оксидација на Fe2 + до Fe3 + и уништување на хемоглобинот.) Ова резултира со движење на сите белковински синџири што води кон другите подединици на облик на промена на хемоглобинот во форма со поголема афинитет на кислород. Така, кога деоксигемоглобинот зазема кислород, неговиот афинитет за повеќе кислород се зголемува, и обратно.^[114] [137] Миоглобинот, од друга страна, содржи само една Хем група и оттука и овој кооперативен ефект не може да се случи. Така, додека хемоглобинот е речиси заситен со кислородот во високите парцијални притисоци на кислородот во белите дробови, неговиот афинитет за кислород е многу помал од оној на миоглобинот, кој оксигенира дури и при ниски парцијални притисоци на кислород што се наоѓа во мускулното ткиво.^[114] Како што е опишано со Боровиот ефект (именуван по Кристијан Бор, таткото на Нилс Бор), афинитетот на кислородот од хемоглобинот се намалува во присуство на јаглерод диоксид.^[114]

Јаглерод моноксид и фосфорниот трифлуорид се отровни за луѓето бидејќи се врзуваат за хемоглобинот слично на кислородот, но со многу поголема сила, така што кислородот повеќе не може да се транспортира низ телото. Хемоглобинот врзан за јаглерод моноксид е познат како карбоксихемоглобин. Овој ефект, исто така, игра помала улога во токсичноста на цијанид, но таму главниот ефект е далеку од неговата мешање со правилното функционирање на цитохромот на електронската транспортна белковина.^[114] [137] Цитохромовите белковини, исто така, вклучуваат хемо групи и се вклучени во метаболичката оксидација на гликоза преку кислород. Шестата координативна локација потоа е окупирана од друг имидазолски азот или метионин сулфур, така што овие белковини во голема мера се инертни на кислородот - со исклучок на цитохром а, којшто се врзува директно со кислородот и затоа е многу лесно отруен од цијанид.^[114][137 ] Еве, преносот на електрони се одвива кога железото останува во низок вртежен момент, но се менува помеѓу оксидационите состојби на +2 и +3. Бидејќи потенцијалот за редукција на секој чекор е малку поголем од претходниот, енергијата се ослободува чекор-по-чекор и на тој начин може да се складира во аденозин трифосфат. Цитохромот a е малку различен, како што се јавува кај митохондриската мембрана, се врзува директно на кислородот и транспортира протони, како и електрони, и тоа:^[114]

4 Cytc²⁺ + O₂ + 8H+ внатре → 4 Cytc³⁺ + 2 H₂O + 4H+надвор

Иако хеме белковините се најважната класа на белковини кои содржат железо, исто така се многу важни белковините на железо-сулфур, кои се вклучени во електронски трансфер, што е можно бидејќи железото може да постои стабилно во двете оксидациски состојби на +2 или +3. Тие имаат еден, два, четири или осум железни атоми кои се приближно тетрахедски координирани до четири атоми на сулфур; поради оваа тетраедарска координација, тие секогаш имаат високовртено железо. Наједноставните од овие соединенија е рустредоксин, кој има само еден атом на железо кој е координиран со четири атоми на сулфур од цистеинските остатоци во околните пептидни синџири. Друга важна класа на железо-сулфур белковини е фередоксините, кои имаат повеќе атоми на железо. Трансферин не припаѓа на ниедна од овие класи.^[114][137]

Способноста на морските школки да го одржат своето зафаќање на карпите во океанот е олеснета со нивната употреба на органометални железни врски во нивните кутикули богати со белковини. Врз основа на синтетички реплики, присуството на железо во овие структури го зголеми еластичниот модул 770 пати, цврстината на истегнување 58 пати и цврстината 92 пати. Количината на стрес што е потребна за трајно оштетување на нив се зголеми 76 пати.^[126]

Здравје и исхрана

Железото е распространето, но особено богатите извори на прехранбено железо вклучуваат црвено месо, остриги, леќа, грав, живина, риба, лист зеленчук, крес, тофу, наут, црни очи и меласа. Лебот и житарките понекогаш се конкретно збогатени со железо.^[6] Bread and breakfast cereals are sometimes specifically fortified with iron.^[6][127][9] [150]

Железо обезбедено со додатоци во исхраната често се наоѓа како железо (II) фумарат, иако железо (II) сулфат е поевтино и се апсорбира подеднакво добро ^[128] [133] Елементното железо или редуцираното железо, и покрај тоа што се апсорбира на само една третина до две третини, ефикасноста (во однос на железен сулфат),^[129] [151] често се додава во храната, како што се житарките за појадок или збогатеното пченично брашно. Железото е најмногу достапно за телото кога се хелатува со аминокиселини ^[130] [152] и е исто така достапно за употреба како заеднички додаток за железо. Глицин, најевтина аминокиселина, најчесто се користи за производство на додатоци на железо-глицинат.^[131]

Диететски препораки

Американскиот институт за медицина (ИОМ) ги ажурираше Проценетите просечни барања (ЕАР) и препорачаните диетални додатоци (РДА) за железо во 2001 година.^[6][9] Тековниот ЕАР за железо за жени на возраст од 14-18 години е 7,9 мг / ден, 8,1 за возраст од 19-50 и 5,0 потоа (пост менопауза). За мажи ЕАР е 6.0 mg / ден со возраст од 19 години и повеќе. РДА е 15,0 мг / ден за жени на возраст од 15-18, 18,0 за 19-50 и 8,0 потоа. За мажи, 8,0 mg / ден на возраст од 19 и нагоре. RDAs се повисоки од EARs, со цел да се идентификуваат износи кои ќе ги опфатат луѓето со повисоки барања од просекот. РДА за бременост е 27 mg / ден, а за лактација 9 mg / ден.^[6][6][9] За деца на возраст од 1-3 години 7 mg / ден, 10 на возраст од 4-8 и 8 години на возраст од 9-13 години. Што се однесува до безбедноста, ИОМ, исто така, поставува толерантни нивоа на голови (ULs) за витамини и минерали кога доволно докази. Во случај на железо, UL е поставен на 45 mg / ден. Колективно, EARs, RDAs и ULs се нарекуваат диететски референтни вредности.^[132]

Европскиот орган за безбедност на храната (EFSA) се однесува на колективниот сет на информации како референтни вредности за исхраната, со референтниот внес на население (PRI) наместо RDA, и просечниот услов, наместо EAR. АИ и UL дефинирани како и во САД. За жени, PRI е 13 mg / ден на возраст од 15-17 години, 16 mg / ден за жени на возраст од 18 години, а кои се пред менопауза и 11 mg / ден постменопаузални. За бременост и лактација, 16 mg / ден. За мажите, ЈРИ е 11 mg / ден на возраст од 15 и повеќе години. За деца на возраст од 1 до 14 години, PRI се зголемува од 7 до 11 mg / ден. PRIs се повисоки од американските RDAs, со исклучок на бременоста ^[133][155]. ЕФСА го разгледа истото прашање за безбедноста не воспостави ОЛ.^[134][156]

Доенчињата може да бараат дополнување на железо ако се хранат со кравјо млеко.^[135][157] Честите крводарители се изложени на ризик од ниски нивоа на железо и често се советуваат да го дополнат внесот на железо.^[136] [158]

За целите на обележување на храна и додаток во исхраната во САД, износот во една услуга е изразен како процент од дневна вредност (% DV). За целите на етикетирање на железо 100% од дневната вредност беше 18 mg, а од 27 мај 2016 година остана непроменета до 18 mg.^[137][159] Табела од сите стари и нови возрасни дневни вредности е дадена на референтниот дневен внес. Оригиналниот рок за кој треба да се почитува беше 28 јули 2018 година, но на 29 септември 2017 година, американската администрација за храна и лекови го објави предложеното правило кое го продолжи крајниот рок до 1 јануари 2020 година за големите компании и 1 јануари 2021 година за мали компании.^[138] [160]

Недостаток

Недостатокот од железо е најчест недостаток во исхраната во светот.^{[6][139][140][141]}[8] [161] [162] [173] Кога загубата на железо не е соодветно компензирана со соодветен диететски внес на железо, се јавува состојба на латентен дефицит на железо, што со текот на времето доведува до анемија со дефицит на железо ако не се лекува, што се одликува со недоволен број црвени крвни клетки и недоволна количина на хемоглобин ^[142][164] Децата, пред-менопаузалните жени (жени на возраст на носење на деца) и лицата со слаба исхрана најмногу се подложни на болеста. Повеќето случаи на анемија со дефицит на железо се благи, но ако не се третираат, може да предизвикаат проблеми како брзо или нередовно отчукување на срцето, компликации за време на бременоста и одложен раст кај доенчиња и деца.^[143] [165]

Вишок

Употребата на железо е строго регулирана од страна на човечкото тело, кое нема регулирани физиолошки средства за излачување на железо. Само мали количини на железо се губат секојдневно поради мукозни и лигави на кожата на епителните клетки, така што контролата на нивото на железо првенствено се постигнува со регулирање на навлегувањето.^[144] [166] Регулирање на навлегувањето на железо е оштетено кај некои луѓе како резултат на генетски дефект кој се мапира во ХХ-Х генскиот регион на хромозомот 6 и води до абнормално ниски нивоа на хепцидин, клучен регулатор на влез на железо во циркулаторниот систем кај цицачи.^[145] [167] Кај овие луѓе, прекумерното внесување на железо може да резултира со нарушувања на преоптоварување на железо, познато медицински како хемохроматоза ^[6] [9]. Многу луѓе имаат недијагностицирана генетска подложност на преоптоварување со железо и не се свесни за семејна историја на проблемот. Поради оваа причина, луѓето не треба да земаат додатоци на железо освен ако не страдаат од дефицит на железо и се консултираат со лекар. Се проценува дека хемохроматозата е причина за 0,3 до 0,8% од сите метаболни заболувања кај кавказите.^[146] МРС покажале дека железото се насобира во хипокампусот на болните од Алцхајмерова болест или пак во супстанција нигра н оние заболени од Паркинсова болест.^[147]

Предозирањето на ингестираното железо може да предизвика прекумерно ниво на слободно железо во крвта. Високите нивоа на крв во слободното железо со железо реагираат со пероксиди за да произведат високо реактивни слободни радикали кои можат да ја оштетат ДНК, белковините, липидите и другите клеточни компоненти. Токсичноста на железта се јавува кога клетката содржи слободно железо, што обично се случува кога нивото на железо ја надминува достапноста на трансферин за да се поврзе со железото. Оштетувањето на клетките на гастроинтестиналниот тракт, исто така, може да ги спречи да ја регулираат апсорпцијата на железо, што доведува до понатамошно зголемување на нивото на крв. Железото обично ги оштетува клетките во срцето, црниот дроб и на други места, предизвикувајќи негативни ефекти кои вклучуваат кома, метаболна ацидоза, шок, откажување на црниот дроб, коагулопатија, синдром на респираторен дистрес кај возрасни, долгорочно оштетување на органите, па дури и смрт.^[148] [169] Луѓето искусуваат токсичност на железо кога железото надминува 20 милиграми за секој килограм телесна маса; 60 милиграми за килограм се смета за смртоносна доза.^[149] [170] Преголемата потрошувачка на железо, често е резултат на тоа што децата јадат големи количини таблети со црни сулфати наменети за консумирање на возрасни, е една од најчестите токсиколошки причини за смрт кај деца под шест години.^[149][170] Употребата на рецепт за исхрана (DRI) го поставува нивото на толерантниот горен внес (UL) за возрасни на 45 mg / ден. За деца под четиринаесет години UL е 40 mg / ден.^[150]

Медицинскиот третман на токсичноста на железо е комплициран и може да вклучи употреба на специфичен хелатски агенс наречен дефероксамин за да се врзува и да го избрка вишокот железо од телото.^{[148][151][152]}

Рак

Улогата на железото во одбраната на ракот може да се опише како "меч со две острици" поради неговото распространето присуство во непатолошки процеси^[153]. Луѓето што имаат хемотерапија може да развијат дефицит на железо и анемија, за што се користи интравенска терапија со железо за да се обноват нивоата на железо.^[154] [175] Преоптовареноста на железо, која може да се појави од високата потрошувачка на црвено месо,^[6] [9] може да иницира растење на туморот и да ја зголеми подложноста на појава на рак,^[154] [175] особено за колоректален карцином.^[6]

Биоремедитација

Бактерии кои се хранат со железо живеат во потонатите бродови како што е на пример Титаник.^[155]

Железото се јавува како тема во делата од уметноста и популарната култура, како:

• „Железо и злато“ (Гвожђе и злато) - песна на српскиот поет Јован Јовановиќ - Змај.^[156]
• „Земја и железо“ - песна на рускиот поет Николај Кљуев од 1916 година.^[157]
• „Железна завеса“ (Гвоздена завеса) - збирка раскази на српскиот писател Милорад Павиќ од 1973 година.^[158]