RAUTA (ELEMENTTI): OMINAISUUDET, KEMIALLINEN RAKENNE, KÄYTÖT - KEMIA - 2026

Rauta on alkuaineiden jaksollisen järjestelmän ryhmän 8 tai VIIIB jaksollisen ja jota edustaa kemiallinen merkki Fe. On metalli harmaa, sitkeitä, muokattavaksi ja korkea lujuus, käytetään lukuisissa sovelluksissa käyttökelpoisia mies ja yhteiskunta.

Se muodostaa 5% maankuoresta, ja se on myös toiseksi yleisin metalli alumiinin jälkeen. Myös happea ja pii ylittävät sen runsauden. Maan ytimen suhteen 35% siitä muodostuu kuitenkin metallisesta ja nestemäisestä raudasta.

Alkemistinen-hp (keskustelu) (www.pse-mendelejew.de)

Maan ytimen ulkopuolella rautaa ei löydy metallisessa muodossa, koska se hapettuu nopeasti kostealle ilmalle altistuneena. Se sijaitsee basalttikiveissä, hiilipitoisissa sedimenteissä ja meteoriiteissa; yleensä seostetaan nikkelillä, kuten mineraalikamamatiitissa.

Tärkeimmät kaivostoiminnassa käytetyt rauta mineraalit ovat seuraavat: hematiitti (rautaoksidi, Fe ₂ O ₃), magnetiitti (ferrosomeerinen oksidi, Fe ₃ O ₄), limoniitti (hydratoitu rauta (oksidin) hydroksidi) ja sideriitti (rautakarbonaatti, FeCO ₃).

Ihmisellä on keskimäärin 4,5 g rautaa, josta 65% on hemoglobiinin muodossa. Tämä proteiini osallistuu hapen kuljettamiseen veressä ja sen jakautumiseen eri kudoksiin sitä myöhemmin imeväksi myoglobiinista ja neuroglobiinista.

Huolimatta raudan monista eduista ihmisille, ylimääräisellä metallilla voi olla erittäin vakavia myrkyllisiä vaikutuksia, etenkin maksassa, sydän- ja verisuonisysteemissä ja haimassa; tällainen tapaus on perinnöllinen sairauden hemokromatosia.

Rauta on synonyymi rakennukselle, vahvuudelle ja sodille. Toisaalta sen runsauden vuoksi se on aina vaihtoehto harkita uusien materiaalien, katalysaattoreiden, lääkkeiden tai polymeerien kehittämisessä; ja huolimatta ruosteidensa punaisesta väristä, se on ympäristöystävällinen metalli.

Historia

antiquity

Rautaa on käsitelty vuosituhansien ajan. Tällaisten muinaisten aikojen rautaesineitä on kuitenkin vaikea löytää, koska ne ovat alttiita syövyttämiselle, mikä aiheuttaa niiden tuhoamisen. Vanhimmat tunnetut rautaesineet tehtiin meteoriiteista löytyneistä esineistä.

Tällainen tapaus on eräänlainen vuonna 3500 eKr. Tehty helmi, jota löydettiin Gerzasta, Egyptistä, ja tikari, joka löytyi Tutankhamunin haudasta. Raudan meteoriiteille on ominaista korkea nikkelipitoisuus, joten niiden lähde voidaan tunnistaa näissä kohteissa.

Valuraudan todisteita löytyi myös Asmarista, Mesopotamiasta ja Tail Chagar basaarista, Syyriasta, vuosina 3000–2700 eKr. Vaikka raudan valu alkoi pronssikaudella, pronssin syrjäyttäminen kesti vuosisatoja.

Lisäksi valurauta esineitä löytyi Intiasta, 1800 - 1200 eKr. Ja Levant, noin 1500 eKr. Arvellaan, että rautakausi alkoi vuonna 1000 eKr., Koska niiden valmistuskustannukset laskivat.

Se esiintyy Kiinassa vuosina 700-500 eKr., Todennäköisesti kuljetetaan Keski-Aasian kautta. Ensimmäiset rautaesineet löydettiin Luhe Jiangsusta, Kiinasta.

Eurooppa

Takorauta valmistettiin Euroopassa ns. Gala-takojen avulla. Prosessi vaati hiilen käyttöä polttoaineena.

Keskiaikaiset masuunit olivat 3,0 m korkeita, paloturvallisista tiileistä ja ilmaa syötettiin manuaalisella palkeilla. Vuonna 1709 Abraham Darby perusti koksin masuunin tuottamaan sulaa rautaa korvaavan hiilen.

Halvan raudan saatavuus oli yksi tekijöistä, jotka johtivat teolliseen vallankumoukseen. Tänä aikana alkoi raudan jalostaminen takorautaksi, jota käytettiin siltojen, alusten, varastojen jne. Rakentamiseen.

Teräs

Teräksessä käytetään korkeampaa hiilipitoisuutta kuin takorautaa. Terästä valmistettiin Luristanissa, Persiassa, vuonna 1000 eKr. Teollisuusvallankumouksessa kehitettiin uusia menetelmiä rautapatujen tuottamiseksi ilman hiiltä, ​​joita käytettiin myöhemmin teräksen valmistukseen.

1850-luvun lopulla Henry Bessemer suunnitteli puhallettavan ilman sulaan rautaan miedon teräksen tuottamiseksi, mikä teki teräksen tuotannosta taloudellisempaa. Tämä johti takoraudan tuotannon vähenemiseen.

ominaisuudet

Ulkomuoto

Metallinen kiilto harmahtava sävyllä.

Atomipaino

55 845 u.

Atominumero (Z)

26

Sulamispiste

1 533 ° C

Kiehumispiste

2862 ° C

Tiheys

- Ympäristön lämpötila: 7,884 g / ml.

-Sulamispiste (nestemäinen): 6,980 g / ml.

Fuusion lämpö

13,81 kJ / mol

Höyrystymislämpö

340 kJ / mol

Kaloriarvo

25,10 J / (mol K)

Ionisointienergia

- Ensimmäinen ionisaatiotaso: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ kaasumainen)

-Toinen ionisaatiotaso: 1561,9 kJ / mol (Fe ²⁺ kaasumainen)

-Kolmas ionisaatiotaso: 2,957, kJ / mol (Fe ³⁺ kaasumainen)

elektronegatiivisuus

1,83 Paulingin asteikolla

Atomiradio

Empiirinen 126 pm

Lämmönjohtokyky

80,4 W / (mK)

Sähkövastus

96,1 Ω · m (20 ºC: ssa)

Curie-piste

770 ° C, suunnilleen. Tässä lämpötilassa rauta ei ole enää ferromagneettinen.

isotoopit

Vakaat isotoopit: ⁵⁴ Fe, runsaasti 5,85%; ⁵⁶ Fe, runsaasti 91,75%; ⁵⁷ Fe, runsaasti 2,12%; ja ⁵⁷ Fe, runsaasti 0,28%. Koska ⁵⁶ Fe on vakain ja runsas isotooppi, ei ole yllättävää, että raudan atomipaino on hyvin lähellä 56 u.

Vaikka radioaktiiviset isotoopit ovat: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe ja ⁶⁰ Fe.

Rakenne ja elektroninen kokoonpano

-Allropes

Rauta huoneenlämpötilassa kiteytyy kehon keskittyneessä kuutiorakenteessa (bcc), joka tunnetaan myös nimellä α-Fe tai ferriitti (metallurgisen žargonin sisällä). Koska se voi omaksua erilaisia ​​kiderakenteita lämpötilan ja paineen funktiona, sanotaan, että rauta on allotrooppinen metalli.

Allotrope bcc on tavallinen rauta (ferromagneettinen), se, jonka ihmiset tuntevat niin hyvin ja jota houkuttelevat magneetit. Kuumennettaessa yli 771 ºC, siitä tulee paramagneettinen, ja vaikka sen kide vain laajenee, tätä ”uutta vaihetta” pidettiin aikaisemmin β-Fe: nä. Muut raudan allotroopit ovat myös paramagneettisia.

Välillä 910–1 394 ºC rautaa löydetään austeniitti- tai γ-Fe-allotrooppina, jonka rakenne on kasvikeskeinen kuutio, fcc. Muutoksella austeniitin ja ferriitin välillä on suuri vaikutus teräksen valmistukseen; koska hiiliatomit liukenevat paremmin austeniittiin kuin ferriittiin.

Ja sitten, yli 1394 ° C: seen, kunnes sulamispisteensä (1538 ° C), rauta palaa omaksumaan bcc-rakenteen, δ-Fe; mutta toisin kuin ferriitti, tämä allotrooppi on paramagneettinen.

Epsilon-rauta

Nostamalla paine 10 GPa: seen lämpötilassa, joka on muutama sata celsiusastetta, a- tai ferriittimotrooppi kehittyy e-allotroopiksi, epsiloniksi, jolle on tunnusomaista kiteytyminen kompakteissa kuusikulmaisissa rakenteissa; eli kompaktiimmilla Fe-atomeilla. Tämä on raudan neljäs allotrooppinen muoto.

Jotkut tutkimukset teorioivat muiden raudan allotrooppien mahdollisesta esiintymisestä sellaisissa paineissa, mutta vielä korkeammissa lämpötiloissa.

-Metalinkki

Riippumatta raudan allotrooppista ja lämpötilasta, joka "ravistaa" sen Fe-atomeja, tai paineesta, joka niitä tiivistää, ne ovat vuorovaikutuksessa keskenään samojen valenssielektronien kanssa; Nämä ovat elektronisessa kokoonpanossa esitetyt:

3d ⁶ 4s ²

Siksi metallisessa sidoksessa on kahdeksan elektronia, riippumatta siitä, heikentyvätkö tai vahvistuvatko alotrooppiset muutokset. Samoin nämä kahdeksan elektronia määrittelevät raudan ominaisuudet, kuten sen lämmön- tai sähkönjohtavuus.

- Hapetusnumerot

Raudan tärkeimmät (ja yleisimmät) hapettumislukut ovat +2 (Fe ²⁺) ja +3 (Fe ³⁺). Itse asiassa perinteisessä nimikkeistössä otetaan huomioon vain nämä kaksi numeroa tai tilaa. On kuitenkin yhdisteitä, joissa rauta voi saada tai menettää toisen määrän elektroneja; ts. muiden kationien olemassaolon oletetaan olevan.

Raudalla voi esimerkiksi olla myös hapettumislukuja +1 (Fe ⁺), +4 (Fe ⁴⁺), +5 (Fe ⁵⁺), +6 (Fe ⁶⁺) ja +7 (Fe ^{7). +}). Anioniset ferrate laji, FeO ₄ ^2-, on rautaa, jonka hapetusaste määrä +6, koska neljä happiatomia hapettuneen se siinä määrin.

Samoin raudalla voi olla negatiivisia hapettumislukuja; kuten: -4 (Fe ^4-), -2 (Fe ²) ja 1 (Fe ^-). Yhdisteet, joissa on rautakeskuksia, joissa nämä elektronivahvistukset ovat, ovat kuitenkin hyvin harvinaisia. Tästä syystä, vaikka se ylittää tässä suhteessa mangaanin, se muodostaa paljon vakaampia yhdisteitä hapetustilojensa kanssa.

Tulos käytännössä riittää, kun otetaan huomioon Fe ²⁺ tai Fe ³⁺; muut kationit on varattu joillekin tietyille ioneille tai yhdisteille.

Kuinka se saadaan?

Teräskoristeet, tärkein raudan seos. Lähde: Pxhere.

Raaka-aineiden keruu

Meidän on edettävä rautamaivokseen sopivimpien mineraalien malmien sijaintiin. Mineraalit, joita käytetään eniten sen saamiseksi, ovat seuraavat: hematiitti (Fe ₂ O ₃), magnetiitti (Fe ₃ O ₄), limoniitti (FeO · OH · nH ₂ O) ja sideriitti (FeCO ₃).

Sitten louhinnan ensimmäinen askel on kivien kerääminen rautamalmimalmeilla. Nämä kivet murskataan hajottamaan ne pieniksi paloiksi. Myöhemmin on rautamalmilla olevien kivihiilikappaleiden valintavaihe.

Valinnassa noudatetaan kahta strategiaa: magneettikentän käyttö ja sedimentaatio vedessä. Kallifragmentit altistetaan magneettikentälle ja mineraalifragmentit orientoituvat siihen, jolloin ne voidaan erottaa.

Toisessa menetelmässä kiviset fragmentit heitetään veteen ja rautaa sisältävät fragmentit laskeutuvat veden pohjaan, koska ne ovat raskaampia, jättäen varteen veden yläosaan, koska se on kevyempi.

Masuuni

Masuuni, jossa tuotetaan terästä. Lähde: Pixabay.

Rautamalmit kuljetetaan masuuneihin, joissa ne viedään yhdessä koksihiilen kanssa, jolla on polttoaineen ja hiilen toimittaja. Lisäksi lisätään kalkkikiveä tai kalkkikiveä, joka täyttää vuon tehtävän.

Masuuniin, edellisen seoksen kanssa, ruiskutetaan kuumaa ilmaa lämpötilassa 1 000 ºC. Rauta sulaa polttamalla hiiltä, ​​joka saa lämpötilan 1800 ºC: seen. Kun neste on nestettä, sitä kutsutaan harkkoraudeksi, joka kerääntyy uunin pohjalle.

Harkkorauta poistetaan uunista ja kaadetaan säiliöihin kuljetettavaksi uuteen valimoon; kun taas kuona, epäpuhtaus, joka sijaitsee harkkoraudan pinnalla, heitetään pois.

Harkkorauta kaadetaan kauttakärkien avulla muuntamisuuniin kalkkikiven kanssa vuona ja happea johdetaan korkeissa lämpötiloissa. Siten hiilipitoisuus vähenee, puhdistamalla harkkorautaa sen muuttamiseksi teräkseksi.

Myöhemmin teräs johdetaan sähköuunien läpi erikoisterästen tuottamiseksi.

Sovellukset

- metallirautaa

Rautasilta Englannissa, yksi monista rakenteista, jotka on valmistettu raudalla tai sen seoksilla. Lähde: Koneella luettavaa kirjailijaa ei toimitettu. Jasonjsmith oletti (perustuu tekijänoikeusvaatimuksiin).

Koska se on edullinen, muovattava, muovautuva metalli, josta on tullut korroosionkestävää, siitä on tullut ihmiselle hyödyllisin metalli sen eri muodoissa: taottu, valettu ja erityyppinen teräs.

Rautaa käytetään rakentamaan:

-Bridges

- Rakennusten perusteet

-Ovet ja ikkunat

- Veneen rungot

-Eri työkalut

- juomaveden putket

-Putket jäteveden keräämiseen

-Kalusteet puutarhoihin

-Grille kodin turvallisuuteen

Sitä käytetään myös kotitalousvälineiden, kuten kattiloiden, kattiloiden, veitsien, haarukoiden, valmistuksessa. Lisäksi sitä käytetään jääkaappien, uunien, pesukoneiden, astianpesukoneiden, sekoittimien, uunien, leivänpaahtimien valmistukseen.

Lyhyesti sanottuna, rautaa on läsnä kaikissa esineissä, jotka ympäröivät ihmistä.

nanopartikkelit

Metallinen rauta valmistetaan myös nanohiukkasina, jotka ovat erittäin reaktiivisia ja pitävät makroskooppisen kiinteän aineen magneettiset ominaisuudet.

Näitä Fe-palloja (ja niiden useita ylimääräisiä morfologioita) käytetään kloorivetyyhdisteiden vesien puhdistamiseen ja lääkeaineiden kantajina, jotka toimitetaan kehon valittuihin alueisiin magneettikentän avulla.

Ne voivat toimia myös katalyyttisinä tukiaineina reaktioissa, joissa hiilisidokset, CC, rikkoutuvat.

-Ironiyhdisteet

oksidit

Rautaoksidia, FeO, käytetään kiteiden pigmenttinä. Rautaoksidi, Fe ₂ O ₃, on perusta useille pigmenteille, jotka vaihtelevat keltaisesta punaiseen, joka tunnetaan nimellä Venetsian punainen. Punaista muotoa, nimeltään rouge, käytetään jalometallien ja timanttien kiillottamiseen.

Raudan rautaoksidia, Fe ₃ O ₄, käytetään ferriiteissä, aineissa, joilla on korkea magneettinen esteettömyys ja sähkövastus, joita voidaan käyttää tietyissä tietokonemuistoissa ja magneettinauhojen päällystämisessä. Sitä on käytetty myös pigmenttinä ja kiillotusaineena.

sulfaatteja

Rautasulfaattiheptahydraatti, FeSO ₄ · 7H ₂ O, on yleisin rautasulfaatin muoto, joka tunnetaan nimellä vihreä vitrioli tai koppera. Sitä käytetään pelkistysaineena sekä musteiden, lannoitteiden ja torjunta-aineiden valmistuksessa. Sitä löytyy myös raudan galvanoinnista.

Ferrisulfaatti, Fe ₂ (SO ₄) ₃, käytetään saada rauta alunan ja muita ferriyhdisteiden. Se toimii koagulanttina jäteveden puhdistuksessa ja peiteaineena tekstiilien värjäyksessä.

kloridit

Ferrokloridia, FeCI ₂, käytetään värjäyksellä ja pelkistintä. Samaan aikaan, ferrikloridi, FeCI ₃, käytetään kloorausaineen metallien (hopea ja kupari), ja joitakin orgaanisia yhdisteitä.

Fe ³⁺: n käsittely heksosyanoferraatti-ionilla ^-4 tuottaa sinisen saksan, nimeltään Preussin sininen, jota käytetään maaleissa ja lakoissa.

Rauta ruokia

Simpukat ovat rikkaiden ravinteiden lähteitä. Lähde: Pxhere.

Yleensä suositellaan 18 mg / vrk rautaa. Elintarvikkeista, jotka tarjoavat sen päivittäisessä ruokavaliossa, ovat seuraavat:

Simpukat tarjoavat rautaa hemen muodossa, joten sen imeytyminen suolistossa ei ole estettä. Simpukka tarjoaa jopa 28 mg rautaa 100 grammaa kohden; Siksi tämä simpukatyyppi olisi riittävä päivittäisen raudan tarpeen täyttämiseen.

Pinaatti sisältää 3,6 mg rautaa 100 grammaa kohti. Naudanlihanliha, esimerkiksi vasikan maksa, sisältää 6,5 mg rautaa 100 grammaa kohti. Verimakkaran osuus on todennäköisesti jonkin verran suurempi. Verimakkara koostuu osista ohutsuolesta, täynnä naudanlihan verta.

Palkokasvit, kuten linssit, sisältävät 6,6 mg rautaa 198 grammaa kohti. Punainen liha sisältää 2,7 mg rautaa 100 grammaa kohti. Kurpitsansiemenet sisältävät 4,2 mg / 28 g. Kinoa sisältää 2,8 mg rautaa 185 grammaa kohti. Kalkkunan tumma liha sisältää 2,3 mg / 100 g. Parsakaali sisältää 2,3 mg / 156 mg.

Tofu sisältää 3,6 mg / 126 g. Samaan aikaan tumma suklaa sisältää 3,3 mg / 28 g.

Biologinen rooli

Toiminnot, jotka rauta suorittaa, etenkin selkärankaisilla elävissä olennoissa, ovat lukemattomia. On arvioitu, että yli 300 entsyymiä tarvitsevat rauhaa toiminnaltaan. Sitä käyttävistä entsyymeistä ja proteiineista nimitetään seuraavat:

-Proteiinit, joilla on heemaryhmä ja joilla ei ole entsymaattista aktiivisuutta: hemoglobiini, myoglobiini ja neuroglobiini.

-Entsyymit, joissa hemiryhmä osallistuu elektronien kuljetukseen: sytokromit a, b ja f ja sytokromioksidaasit ja / tai oksidaasiaktiivisuus; sulfiittioksidaasi, sytokromi P450 -oksidaasi, myeloperoksidaasi, peroksidaasi, katalaasi jne.

-Proteiinit, jotka sisältävät raudan rikkiä ja liittyvät oksireduktaasiaktiivisuuteen ja osallistuvat energiantuotantoon: sukkinaattidehydrogenaasi, isositraattidehydrogenaasi ja aconitaasi tai entsyymit, jotka osallistuvat DNA: n replikaatioon ja korjaukseen: DNA-polymeraasi ja DNA-heliklaasit.

Ei-hemeenentsyymit, jotka käyttävät rautaa kofaktorina katalyyttiselle aktiivisuudelleen: fenyylialaniinihydrolaasi, tyrosiinihydrolaasi, tryptofaanihydrolaasi ja lysiinihydrolaasi.

- Ei-hemiproteiinit, jotka vastaavat raudan kuljettamisesta ja varastoinnista: ferritiini, transferriini, haptoglobiini jne.

riskit

Myrkyllisyys

Ylimääräiselle raudalle altistumisesta johtuvat riskit voivat olla akuutteja tai kroonisia. Yksi akuutin rautamyrkytyksen syy voi olla rautatablettien liiallinen saanti glukonaatin, fumaraatin jne. Muodossa.

Rauta voi aiheuttaa suoliston limakalvojen ärsytystä, jonka vaiva ilmenee heti nauttimisen jälkeen ja katoaa 6–12 tunnin kuluttua. Imeytynyt rauta on talletettu eri elimiin. Tämä kertyminen voi aiheuttaa metabolisia häiriöitä.

Jos nautittu raudan määrä on myrkyllistä, se voi aiheuttaa suoliston lävistystä ja peritoniittia.

Sydän- ja verisuonijärjestelmässä se tuottaa hypovolemiaa, jonka voi aiheuttaa maha-suolikanavan verenvuoto, ja raudan vapauttamia vasoaktiivisia aineita, kuten serotoniini ja histamiini. Viime kädessä voi tapahtua massiivinen maksan nekroosi ja maksan vajaatoiminta.

Hemochromatosia

Hemokromatosia on perinnöllinen sairaus, joka aiheuttaa muutoksen kehon raudan säätelymekanismissa, mikä ilmenee raudan pitoisuuden nousuna veressä ja sen kertymisessä eri elimiin; mukaan lukien maksa, sydän ja haima.

Taudin alkuperäiset oireet ovat seuraavat: nivelkipu, vatsakipu, väsymys ja heikkous. Seuraavat oireet ja myöhemmät taudin merkit: diabetes, seksuaalisen halun menetys, impotenssi, sydämen vajaatoiminta ja maksan vajaatoiminta.

Hemosiderosis

Hemosideroosille on tunnusomaista, kuten nimensä viittaa, hemosideriinin kerääntyminen kudoksiin. Tämä ei aiheuta kudosvaurioita, mutta voi kehittyä vaurioiksi, jotka ovat samanlaisia ​​kuin hemokromatosiassa.

Hemosideroosia voivat aiheuttaa seuraavat syyt: lisääntynyt raudan imeytyminen ruokavaliosta, hemolyyttinen anemia, joka vapauttaa rautaa punasoluista, ja liiallinen verensiirto.

Hemosideroosi ja hemokromatosia voivat johtua heptsidiinihormonin, maksan erittämän hormonin, riittämättömästä toiminnasta, joka osallistuu kehon raudan säätelyyn.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Raudan allotroopit: tyypit, tiheys, käytöt ja tosiasiat. Tutkimus. Palautettu osoitteesta study.com
3. Jayanti S. (toinen). Raudan allotropia: Termodynamiikka ja kiderakenteet. Metallurgia. Palautettu osoitteesta: engineeringenotes.com
4. Nanoshel. (2018). Rauta nanoteho. Palautettu osoitteesta: nanoshel.com
5. Wikipedia. (2019). Rauta. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
6. Shropshiren historia. (SF). Raudan ominaisuudet. Palautettu osoitteesta: shropshirehistory.com
7. Dr. Dough Stewart. (2019). Rautaelementti tosiasiat. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
8. Franziska Spritzler. (2018, 18. heinäkuuta). 11 terveellisiä ruokia, joissa on paljon rautaa. Palautettu sivustolta: healthline.com
9. Lenntech. (2019). Jaksollinen taulukko: Rauta. Palautettu sivustolta: lenntech.com
10. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (13. kesäkuuta 2019). Rauta. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com