Dzelzs ir labi zināms ķīmiskais elements. Tas pieder pie metāliem ar vidēju reaktivitāti. Šajā rakstā mēs apsvērsim dzelzs īpašības un lietojumu.
Izplatība dabā
Ir diezgan liels skaits minerālu, kas ietver dzelzi. Pirmkārt, tas ir magnetīts. Tas ir septiņdesmit divi procenti dzelzs. Tā ķīmiskā formula ir Fe3O4. Šo minerālu sauc arī par magnētisko dzelzsrūdu. Tam ir gaiši pelēka krāsa, dažreiz ar tumši pelēku, līdz pat melnai, ar metālisku spīdumu. Tās lielākā atradne starp NVS valstīm atrodas Urālos.
Nākamais minerāls ar augstu dzelzs saturu ir hematīts - tas septiņdesmit procentus sastāv no šī elementa. Tā ķīmiskā formula ir Fe2O3. To sauc arī par sarkano dzelzsrūdu. Tam ir krāsa no sarkanbrūnas līdz sarkani pelēkai. Lielākā atradne NVS valstu teritorijā atrodas Krivoy Rog.
Trešais minerāls pēc dzelzs satura ir limonīts. Šeit dzelzs ir sešdesmit procenti no kopējās masas. Tas ir kristālisks hidrāts, tas ir, ūdens molekulas ir ieaustas tā kristāla režģī,tā ķīmiskā formula ir Fe2O3•H2O. Kā norāda nosaukums, šim minerālam ir dzeltenbrūna krāsa, dažreiz brūna. Tā ir viena no galvenajām dabiskā okera sastāvdaļām un tiek izmantota kā pigments. To sauc arī par brūno dzelzs akmeni. Lielākie gadījumi ir Krimā, Urālos.
Siderītā, tā sauktajā dzelzs rūdā, četrdesmit astoņi procenti dzelzs. Tā ķīmiskā formula ir FeCO3. Tā struktūra ir neviendabīga un sastāv no dažādu krāsu kristāliem, kas savienoti kopā: pelēki, gaiši zaļi, pelēki dzelteni, brūni dzelteni utt.
Pēdējais dabā sastopamais minerāls ar augstu dzelzs saturu ir pirīts. Tam ir šāda ķīmiskā formula: FeS2. Dzelzs tajā ir četrdesmit seši procenti no kopējās masas. Sēra atomu dēļ šim minerālam ir zeltaini dzeltena krāsa.
Daudzi no aplūkotajiem minerāliem tiek izmantoti, lai iegūtu tīru dzelzi. Turklāt hematītu izmanto juvelierizstrādājumu ražošanā no dabīgiem akmeņiem. Pirīta ieslēgumi ir atrodami lapis lazuli rotaslietās. Turklāt dzelzs dabā ir atrodama dzīvo organismu sastāvā – tā ir viena no svarīgākajām šūnas sastāvdaļām. Šis mikroelements ir jāpiegādā cilvēka ķermenim pietiekamā daudzumā. Dzelzs ārstnieciskās īpašības lielā mērā ir saistītas ar to, ka šis ķīmiskais elements ir hemoglobīna pamatā. Tāpēc ferruma lietošana labi ietekmē asins stāvokli un līdz ar to arī visu organismu kopumā.
Dzelzs: fizikālās un ķīmiskās īpašības
Apskatīsim šīs divas lielās sadaļas secībā. Dzelzs fizikālās īpašības ir tās izskats, blīvums, kušanas temperatūra utt. Tas ir, visas vielas atšķirīgās iezīmes, kas ir saistītas ar fiziku. Dzelzs ķīmiskās īpašības ir tās spēja reaģēt ar citiem savienojumiem. Sāksim ar pirmo.
Dzelzs fizikālās īpašības
Tīrā veidā normālos apstākļos tā ir cieta viela. Tam ir sudrabaini pelēka krāsa un izteikts metālisks spīdums. Dzelzs mehāniskās īpašības ietver cietības līmeni pēc Mosa skalas. Tas ir vienāds ar četriem (vidējs). Dzelzs ir laba elektriskā un siltuma vadītspēja. Pēdējo pazīmi var sajust, aukstā telpā pieskaroties dzelzs priekšmetam. Tā kā šis materiāls ātri vada siltumu, tas īsā laikā absorbē lielāko daļu siltuma no jūsu ādas, liekot jums justies aukstiem.
Pieskaroties, piemēram, kokam, var atzīmēt, ka tā siltumvadītspēja ir daudz zemāka. Dzelzs fizikālās īpašības ir tā kušanas un viršanas temperatūra. Pirmais ir 1539 grādi pēc Celsija, otrais ir 2860 grādi pēc Celsija. Var secināt, ka dzelzs raksturīgās īpašības ir laba lokanība un kausējamība. Bet tas vēl nav viss.
Dzelzs fizikālās īpašības ietver arī tās feromagnētismu. Kas tas ir? Dzelzs, kura magnētiskās īpašības ikdienā varam novērot praktiskos piemēros, ir vienīgais metāls, kam tādas piemītunikāla atšķirības īpašība. Tas ir saistīts ar faktu, ka šis materiāls spēj magnetizēties magnētiskā lauka ietekmē. Un pēc pēdējās darbības pārtraukšanas dzelzs, kuras magnētiskās īpašības ir tikko izveidojušās, ilgu laiku paliek magnēts. Šo parādību var izskaidrot ar to, ka šī metāla struktūrā ir daudz brīvu elektronu, kas spēj kustēties.
No ķīmijas viedokļa
Šis elements pieder pie vidējas aktivitātes metāliem. Bet dzelzs ķīmiskās īpašības ir raksturīgas visiem citiem metāliem (izņemot tos, kas elektroķīmiskajā sērijā atrodas pa labi no ūdeņraža). Tas spēj reaģēt ar daudzām vielu klasēm.
Sāciet vienkārši
Dzelzs mijiedarbojas ar skābekli, slāpekli, halogēniem (jodu, bromu, hloru, fluoru), fosforu, oglekli. Pirmā lieta, kas jāņem vērā, ir reakcijas ar skābekli. Dzelzs sadedzinot, veidojas tā oksīdi. Atkarībā no reakcijas apstākļiem un proporcijām starp diviem dalībniekiem tās var būt dažādas. Kā šādas mijiedarbības piemērus var sniegt šādus reakciju vienādojumus: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. Un dzelzs oksīda īpašības (gan fizikālās, gan ķīmiskās) var atšķirties atkarībā no tā šķirnes. Šāda veida reakcijas notiek augstā temperatūrā.
Nākamais - mijiedarbība ar slāpekli. Tā arī var tikai notiktpakļauti apkurei. Ja mēs ņemam sešus molus dzelzs un vienu molu slāpekļa, mēs iegūstam divus molus dzelzs nitrīda. Reakcijas vienādojums izskatīsies šādi: 6Fe + N2=2Fe3N.
Mijiedarbojoties ar fosforu, veidojas fosfīds. Lai veiktu reakciju, ir nepieciešami šādi komponenti: trim moliem dzelzs - viens mols fosfora, kā rezultātā veidojas viens mols fosfīda. Vienādojumu var uzrakstīt šādi: 3Fe + P=Fe3P.
Turklāt starp reakcijām ar vienkāršām vielām var izdalīt arī mijiedarbību ar sēru. Šajā gadījumā var iegūt sulfīdu. Princips, pēc kura notiek šīs vielas veidošanās process, ir līdzīgs iepriekš aprakstītajam. Proti, notiek pievienošanās reakcija. Visām šāda veida ķīmiskajām mijiedarbībām ir nepieciešami īpaši apstākļi, galvenokārt augsta temperatūra, retāk katalizatori.
Reakcijas starp dzelzi un halogēniem ir izplatītas arī ķīmiskajā rūpniecībā. Tie ir hlorēšana, bromēšana, jodēšana, fluorēšana. Kā ir skaidrs no pašu reakciju nosaukumiem, tas ir process, kurā dzelzs atomiem pievieno hlora / broma / joda / fluora atomus, veidojot attiecīgi hlorīdu / bromīdu / jodīdu / fluoru. Šīs vielas plaši izmanto dažādās nozarēs. Turklāt dzelzs spēj apvienoties ar silīciju augstā temperatūrā. Tā daudzveidīgo ķīmisko īpašību dēļ dzelzi bieži izmanto ķīmiskajā rūpniecībā.
Dzelzs un kompleksās vielas
No vienkāršām vielām, pāriesim pie tām, kuru molekulas sastāv no divām vai vairākāmdažādi ķīmiskie elementi. Pirmā lieta, kas jāpiemin, ir dzelzs reakcija ar ūdeni. Šeit ir galvenās dzelzs īpašības. Sildot ūdeni kopā ar dzelzi, veidojas bāzisks oksīds (tā dēvēts, jo, mijiedarbojoties ar vienu un to pašu ūdeni, veidojas hidroksīds, citiem vārdiem sakot, bāze). Tātad, ja ņem vienu molu no abām sastāvdaļām, tādas vielas kā dzelzs dioksīds un ūdeņradis veidojas gāzes veidā ar asu smaku - arī molārās attiecībās viens pret vienu. Šāda veida reakcijas vienādojumu var uzrakstīt šādi: Fe + H2O=FeO + H2. Atkarībā no proporcijām, kādās šīs divas sastāvdaļas ir sajauktas, var iegūt dzelzs di- vai trioksīdu. Abas šīs vielas ir ļoti izplatītas ķīmiskajā rūpniecībā un tiek izmantotas arī daudzās citās nozarēs.
Ar skābēm un sāļiem
Tā kā metālu elektroķīmiskajā darbības virknē dzelzs atrodas pa kreisi no ūdeņraža, tas spēj izspiest šo elementu no savienojumiem. Piemērs tam ir aizvietošanas reakcija, ko var novērot, pievienojot dzelzi skābei. Piemēram, ja sajaucat dzelzi un vidējas koncentrācijas sulfātu (aka sērskābi) vienādās molārās attiecībās, rezultāts būs dzelzs sulfāts (II) un ūdeņradis tādās pašās molārās attiecībās. Šādas reakcijas vienādojums izskatītos šādi: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
Mijiedarbojoties ar sāļiem, parādās dzelzs reducējošās īpašības. Tas ir, ar tā palīdzību no sāls var izolēt mazāk aktīvu metālu. Piemēram, jaņem vienu molu vara sulfāta un tādu pašu daudzumu dzelzs, tad jūs varat iegūt dzelzs sulfātu (II) un tīru varu tādās pašās molārās attiecībās.
Vērtība ķermenim
Viens no visbiežāk sastopamajiem ķīmiskajiem elementiem zemes garozā ir dzelzs. Mēs jau esam apsvēruši matērijas īpašības, tagad pievērsīsimies tam no bioloģiskā viedokļa. Ferrum veic ļoti svarīgas funkcijas gan šūnu līmenī, gan visa organisma līmenī. Pirmkārt, dzelzs ir tāda proteīna kā hemoglobīna pamatā. Tas ir nepieciešams skābekļa transportēšanai caur asinīm no plaušām uz visiem audiem, orgāniem, uz katru ķermeņa šūnu, galvenokārt uz smadzeņu neironiem. Tāpēc dzelzs labvēlīgās īpašības nevar pārvērtēt.
Papildus tam, ka tas ietekmē asins veidošanos, ferrums ir svarīgs arī pilnvērtīgai vairogdziedzera darbībai (tam nepieciešams ne tikai jods, kā daži uzskata). Dzelzs piedalās arī intracelulārajā vielmaiņā, regulē imunitāti. Īpaši lielos daudzumos dzelzs ir atrodams arī aknu šūnās, jo tas palīdz neitralizēt kaitīgās vielas. Tā ir arī viena no galvenajām daudzu veidu enzīmu sastāvdaļām mūsu organismā. Cilvēka ikdienas uzturā vajadzētu būt no desmit līdz divdesmit miligramiem šī mikroelementa.
Ar dzelzi bagāti pārtikas produkti
To ir daudz. Tie ir gan augu, gan dzīvnieku izcelsmes. Pirmie ir graudaugi, pākšaugi, graudaugi (īpaši griķi), āboli, sēnes (porcini), žāvēti augļi, rožu gurni, bumbieri, persiki,avokado, ķirbis, mandeles, dateles, tomāti, brokoļi, kāposti, mellenes, kazenes, selerijas uc Otrais - aknas, gaļa. Grūtniecības laikā īpaši svarīgi ir lietot pārtiku ar augstu dzelzs saturu, jo augļa attīstībai nepieciešams liels daudzums šī mikroelementa pareizai augšanai un attīstībai.
Dzelzs deficīta pazīmes
Simptomi, ja organismā nonāk pārāk maz dzelzs, ir nogurums, pastāvīga roku un kāju salšana, depresija, trausli mati un nagi, samazināta intelektuālā aktivitāte, gremošanas traucējumi, zema veiktspēja un vairogdziedzera darbības traucējumi. Ja novērojat vairāk nekā vienu no šiem simptomiem, iespējams, vēlēsities palielināt ar dzelzi bagātu pārtikas produktu daudzumu uzturā vai iegādāties vitamīnus vai uztura bagātinātājus, kas satur dzelzi. Noteikti apmeklējiet ārstu arī tad, ja kāds no šiem simptomiem rodas pārāk spēcīgi.
Dzelzs izmantošana rūpniecībā
Dzelzs lietojumi un īpašības ir cieši saistīti. Feromagnētisma dēļ to izmanto magnētu izgatavošanai - gan vājākus sadzīves vajadzībām (suvenīru ledusskapja magnēti u.c.), gan stiprākus - rūpnieciskiem nolūkiem. Sakarā ar to, ka attiecīgajam metālam ir augsta izturība un cietība, tas kopš seniem laikiem ir izmantots ieroču, bruņu un citu militāro un sadzīves instrumentu ražošanā. Starp citu, pat Senajā Ēģiptē meteorīta dzelzs bija zināms, īpašībaskas ir pārāki par parastajiem metāliem. Tāpat šāds īpašs gludeklis tika izmantots senajā Romā. Viņi no tā izgatavoja elitārus ieročus. Tikai ļoti bagātam un cēlam cilvēkam var būt vairogs vai zobens no meteorīta metāla.
Kopumā metāls, par kuru mēs runājam šajā rakstā, ir visdaudzpusīgākais no visām šīs grupas vielām. Pirmkārt, no tā tiek izgatavots tērauds un čuguns, no kuriem tiek ražoti visa veida izstrādājumi, kas nepieciešami gan rūpniecībā, gan sadzīvē.
Čuguns ir dzelzs un oglekļa sakausējums, kurā otrā ir no 1,7 līdz 4,5 procentiem. Ja otrais ir mazāks par 1,7 procentiem, tad šāda veida sakausējumu sauc par tēraudu. Ja sastāvā ir aptuveni 0,02 procenti oglekļa, tad tas jau ir parasts tehniskais dzelzs. Oglekļa klātbūtne sakausējumā ir nepieciešama, lai piešķirtu tam lielāku izturību, karstumizturību un izturību pret rūsu.
Turklāt tērauds var saturēt daudzus citus ķīmiskos elementus kā piemaisījumus. Tas ir mangāns, fosfors un silīcijs. Arī šāda veida sakausējumam var pievienot hromu, niķeli, molibdēnu, volframu un daudzus citus ķīmiskos elementus, lai piešķirtu tam noteiktas īpašības. Tērauda veidus, kuros ir liels silīcija daudzums (apmēram četri procenti), izmanto kā transformatoru tēraudus. Tie, kas satur daudz mangāna (līdz divpadsmit vai četrpadsmit procentiem), tiek izmantoti detaļu ražošanādzelzceļi, dzirnavas, drupinātāji un citi instrumenti, kas ātri nodilst detaļas.
Molibdēns tiek ievadīts sakausējuma sastāvā, lai tas būtu termiski stabilāks – šādus tēraudus izmanto kā instrumentu tēraudus. Turklāt, lai iegūtu labi zināmus un plaši izmantotus nerūsējošos tēraudus nažu un citu sadzīves instrumentu veidā, sakausējumam nepieciešams pievienot hromu, niķeli un titānu. Un, lai iegūtu triecienizturīgu, augstas stiprības kaļamu tēraudu, pietiek ar vanādija pievienošanu. Ievadot niobija sastāvā, ir iespējams sasniegt augstu izturību pret koroziju un ķīmiski agresīvu vielu iedarbību.
Minerāls magnetīts, kas tika minēts raksta sākumā, ir nepieciešams cieto disku, atmiņas karšu un citu šāda veida ierīču ražošanai. Pateicoties tā magnētiskajām īpašībām, dzelzi var atrast transformatoru, motoru, elektronisko izstrādājumu uc konstrukcijās. Turklāt dzelzi var pievienot citiem metālu sakausējumiem, lai tiem piešķirtu lielāku izturību un mehānisko stabilitāti. Šī elementa sulfātu izmanto dārzkopībā kaitēkļu apkarošanai (kopā ar vara sulfātu).
Dzelzs hlorīdi ir neaizstājami ūdens attīrīšanai. Turklāt magnetīta pulveris tiek izmantots melnb altos printeros. Pirīta galvenais lietojums ir sērskābes iegūšana no tā. Šis process laboratorijā notiek trīs posmos. Pirmajā posmā dzelzs pirīts tiek sadedzināts, lai iegūtu dzelzs oksīdu un sēra dioksīdu. Otrais solis ir dioksīda pārvēršanasērs pārvērš tā trioksīdu ar skābekļa piedalīšanos. Un pēdējā posmā iegūtā viela tiek izlaista caur ūdens tvaikiem katalizatoru klātbūtnē, tādējādi iegūstot sērskābi.
Iegūt dzelzi
Šo metālu galvenokārt iegūst no diviem galvenajiem minerāliem: magnetīta un hematīta. To dara, reducējot dzelzi no tā savienojumiem ar oglekli koksa veidā. To dara domnās, kuru temperatūra sasniedz divus tūkstošus grādu pēc Celsija. Turklāt ir veids, kā samazināt dzelzi ar ūdeņradi. Tam nav nepieciešama domna. Lai īstenotu šo metodi, tiek ņemts īpašs māls, sajaukts ar sasmalcinātu rūdu un apstrādāts ar ūdeņradi šahtas krāsnī.
Secinājums
Dzelzs īpašības un lietojumi ir dažādi. Tas, iespējams, ir vissvarīgākais metāls mūsu dzīvē. Kļuvis pazīstams cilvēcei, viņš ieņēma bronzas vietu, kas tajā laikā bija galvenais materiāls visu instrumentu, kā arī ieroču izgatavošanai. Tērauds un čuguns daudzējādā ziņā ir pārāki par vara un alvas sakausējumu to fizikālo īpašību un izturības pret mehānisko spriegumu ziņā.
Turklāt dzelzs uz mūsu planētas ir biežāk sastopams nekā daudzi citi metāli. Tās masas daļa zemes garozā ir gandrīz pieci procenti. Tas ir ceturtais visbiežāk sastopamais ķīmiskais elements dabā. Arī šis ķīmiskais elements ir ļoti svarīgs normālai dzīvnieku un augu organisma funkcionēšanai, galvenokārt tāpēc, ka uz tā bāzes veidojas hemoglobīns. Dzelzs ir būtisks mikroelementskas ir svarīgi veselības uzturēšanai un normālai orgānu darbībai. Papildus iepriekšminētajam, tas ir vienīgais metāls, kam ir unikālas magnētiskās īpašības. Nav iespējams iedomāties savu dzīvi bez dzelzs.
