Jern -
Iron

Fra Wikipedia, den gratis encyklopædi

Ren jernflis med en jernterning af høj renhed
Jern
Udseende skinnende metallic med et gråligt skær
55.845 (2)
Jern i det periodiske system
manganjernkobolt
Brint
Helium
Litium
Beryllium
Bor
Kulstof
Kvælstof
Ilt
Fluor
Neon
Natrium
Magnesium
Aluminium
Silicium
Fosfor
Svovl
Klor
Argon
Kalium
Kalk
Scandium
Titanium
Vanadium
Krom
Mangan
Jern
Kobolt
Nikkel
Kobber
Zink
Gallium
Germanium
Arsen
Selen
Brom
Krypton
Rubidium
Strontium
Yttrium
Zirkonium
Niobium
Molybdæn
Technetium
Ruthenium
Rhodium
Palladium
Sølv
Cadmium
Indium
Tin
Antimon
Tellurium
Jod
Xenon
Cæsium
Barium
Lanthanum
Cerium
Praseodym
Neodym
Promethium
Samarium
Europium
Gadolinium
Terbium
Dysprosium
Holmium
Erbium
Thulium
Ytterbium
Lutetium
Hafnium
Tantal
Wolfram
Rhenium
Osmium
Iridium
Platin
Guld
Kviksølv (element)
Thallium
At føre
Bismut
Polonium
Astatin
Radon
Francium
Radium
Actinium
Thorium
Protactinium
Uran
Neptunium
Plutonium
Americium
Curium
Berkelium
Californium
Einsteinium
Fermium
Mendelevium
Nobel
Lawrencium
Rutherfordium
Dubnium
Seaborgium
Bohrium
Hassium
Meitnerium
Darmstadtium
Roentgenium
Copernicium
Nihonium
Flerovium
Moscovium
Livermorium
Tennessine
Oganesson
26
Gruppe
Periode periode 4
Blok
 
d-blok
Elektronkonfiguration [ Ar ] 3d 6 4s 2
Elektroner pr. Skal 2, 8, 14, 2
Fysiske egenskaber
Fase
ved 
solid
Smeltepunkt 1811  K (1538 ° C, 2800 ° F)
Kogepunkt 3134 K (2862 ° C, 5182 ° F)
7,874 g / cm 3
6,98 g / cm 3
Fusionsvarme 13,81  kJ/mol
Fordampningsvarme 340 kJ/mol
Molar varmekapacitet 25,10 J/(mol · K)
Damptryk
1 10 100 1 k 10 k 100 k
1728 1890 2091 2346 2679 3132
Atomiske egenskaber Oxidationstilstande Elektronegativitet Pauling skala: 1,83 Ioniseringsenergier
  • 1.: 762,5 kJ/mol
  • 2.: 1561,9 kJ/mol
  • 3.: 2957 kJ/mol
  • ( mere )
Atomisk radius empirisk: 126  pm Kovalent radius Lav centrifugering: 132 ± 3 pm
Høj centrifugering: 152 ± 6 pm Van der Waals radius 194 [1]  pm
Farvelinjer i et spektralområde
Spektrale linjer af jern Andre ejendomme Naturlig forekomst ur Krystalstruktur
a = 286,65 pm Krystalstruktur
mellem 1185–1667 K; a = 364.680 pm 5120 m/s (ved  rt ) (elektrolytisk) Varmeudvidelse 11,8 µm/(m⋅K) (ved 25 ° C) Varmeledningsevne 80,4 W/(m⋅K) Elektrisk modstand 96,1 nΩ⋅m (ved 20 ° C) Curie -punkt 1043 K Magnetisk bestilling ferromagnetisk Youngs modul 211 GPa Forskydningsmodul 82 GPa Bulk modul 170 GPa Poisson -forhold 0,29 Mohs hårdhed 4 Vickers hårdhed 608 MPa Brinell hårdhed 200–1180 MPa CAS -nummer 7439-89-6 Historie Opdagelse Symbol "Fe": fra latinsk ferrum De vigtigste isotoper af jern
Isotop Overflod Halveringstid
( t 1/2 )
Forfaldstilstand Produkt
54 Fe 5,85% stabil
55 Fe syn 2,73 år ε 55 mio
56 Fe 91,75% stabil
57 Fe 2,12% stabil
58 Fe 0,28% stabil
59 Fe syn 44,6 d β - 59 Co
60 Fe spor 2,6 × 10 6  år β - 60 Co
| referencer .

I sin metalliske tilstand er jern sjældent i jordskorpen , hovedsageligt begrænset til aflejring af meteoritter . Jernmalm er derimod blandt de mest udbredte i jordskorpen, selvom udvinding af brugbart metal fra dem kræver ovne eller ovne, der kan nå 1.500 ° C (2.730 ° F) eller højere, cirka 500 ° C (900 ° F) højere end det, der kræves for at smelte kobber . Mennesker begyndte at mestre denne proces i Eurasien med omkring 2000 fvt, og brugen af jern værktøjer og våben begyndte at fortrænge kobberlegeringer , i nogle regioner, kun omkring 1200 fvt. Denne begivenhed betragtes som overgangen fra bronzealderen til jernalderen . I den moderne verden er jernlegeringer, såsom stål , rustfrit stål , støbejern og specialstål langt de mest almindelige industrimetaller på grund af deres mekaniske egenskaber og lave omkostninger.

Uberørte og glatte rene jernoverflader er spejllignende sølvgrå. Jern reagerer imidlertid let med ilt og vand for at give brune til sorte hydratiserede jernoxider , almindeligvis kendt som rust . I modsætning til oxiderne af nogle andre metaller, der danner passiverende lag, optager rust mere volumen end metallet og flager dermed af og udsætter friske overflader for korrosion. Selvom jern let reagerer, har jern med høj renhed, kaldet elektrolytisk jern , bedre korrosionsbestandighed.

Kroppen af ​​et voksen menneske indeholder omkring 4 gram (0,005% kropsvægt) jern, mest i hæmoglobin og myoglobin . Disse to proteiner spiller vigtige roller i hvirveldyr stofskifte henholdsvis oxygen transport af blod og ilt lagring i muskler . For at opretholde de nødvendige niveauer kræver menneskelig jernmetabolisme et minimum af jern i kosten. Jern er også metallet på det aktive sted i mange vigtige redox -enzymer , der beskæftiger sig med cellulær respiration og oxidation og reduktion i planter og dyr.

Kemisk set er de mest almindelige oxidationstilstande af jern jern (II) og jern (III) . Jern deler mange egenskaber ved andre overgangsmetaller , herunder de andre gruppe 8 -elementer , ruthenium og osmium . Jern danner forbindelser i en lang række oxidationstilstande , -2 til +7. Jern danner også mange koordineringsforbindelser ; nogle af dem, såsom ferrocen , ferrioxalat og preussisk blå , har betydelige industrielle, medicinske eller forskningsmæssige anvendelser.

Egenskaber

Allotroper

Molær volumen vs. tryk for α jern ved stuetemperatur

Mindst fire allotroper af jern (forskellige atomarrangementer i det faste stof) kendes, traditionelt betegnet α, γ, δ og ε.

Lavtryks- fasediagram af rent jern

De tre første former observeres ved almindeligt tryk. Når smeltet jern afkøler forbi dets frysepunkt på 1538 ° C, krystalliserer det sig til sin δ allotrop, som har en kropscentreret kubisk (bcc) krystalstruktur . Når den afkøles yderligere til 1394 ° C, ændres den til sin y-jern-allotrop, en ansigtscentreret kubisk (fcc) krystalstruktur eller austenit . Ved 912 ° C og derunder bliver krystalstrukturen igen bcc α-jern-allotropen.

Jernets fysiske egenskaber ved meget høje tryk og temperaturer er også blevet undersøgt grundigt på grund af deres relevans for teorier om Jordens kerner og andre planeter. Over cirka 10 GPa og temperaturer på et par hundrede kelvin eller mindre ændrer α-jern sig til en anden sekskantet tætpakket (hcp) struktur, som også er kendt som ε-jern . Y-fasen med højere temperatur ændres også til ε-jern, men gør det ved højere tryk.

Der findes nogle kontroversielle eksperimentelle beviser for en stabil β -fase ved tryk over 50 GPa og temperaturer på mindst 1500 K. Det formodes at have en orthorhombisk eller en dobbelt hcp -struktur. (Forvirrende nok bruges udtrykket "β-jern" undertiden også til at henvise til α-jern over dets Curie-punkt, når det skifter fra at være ferromagnetisk til paramagnetisk, selvom dets krystalstruktur ikke har ændret sig.)

Den indre kerne af Jorden er generelt formodes at bestå af en jern- nikkel legering med ε (eller β) struktur.

Smelte- og kogepunkter

fordi elementet har en halvfyldt 3d sub-shell, og dets d-elektroner derfor ikke let delokaliseres. Den samme tendens forekommer for ruthenium, men ikke for osmium.

Jernets smeltepunkt er eksperimentelt veldefineret til tryk under 50 GPa. For større pres varierer offentliggjorte data (fra 2007) stadig med titalls gigapascal og over tusinde kelvin.

Magnetiske egenskaber

Magnetiseringskurver af 9 ferromagnetiske materialer, der viser mætning. 1.
 
Stålplade, 2.
 
Siliciumstål, 3.
 
Støbt stål, 4.
 
Wolframstål, 5.
 
Magnetstål, 6.
 
Støbejern, 7.
 
Nikkel, 8.
 
Kobolt, 9.
 
Magnetit

Under Curie-punktet på 770 ° C ændrer α-jern sig fra paramagnetisk til ferromagnetisk : centrifugeringen af de to uparrede elektroner i hvert atom stemmer generelt overens med naboernes spins og skaber et samlet magnetfelt . Dette sker, fordi orbitalerne for de to elektroner (d z 2 og d x 2 - y 2 ) ikke peger mod nærliggende atomer i gitteret og derfor ikke er involveret i metallisk binding.

I mangel af en ekstern kilde til magnetfelt opdeles atomerne spontant i magnetiske domæner , cirka 10 mikrometer på tværs, således at atomerne i hvert domæne har parallelle spins, men nogle domæner har andre orienteringer. Således vil et makroskopisk stykke jern have et samlet magnetfelt på næsten nul.

Anvendelse af et eksternt magnetfelt får domæner, der er magnetiseret i samme generelle retning til at vokse på bekostning af tilstødende, der peger i andre retninger, hvilket forstærker det ydre felt. Denne effekt udnyttes i enheder, der skal kanalisere magnetfelter, såsom elektriske transformere , magnetiske optagelseshoveder og elektriske motorer . Urenheder, gitterdefekter eller korn- og partikelgrænser kan "stifte" domænerne i de nye positioner, så effekten vedvarer, selv efter at det ydre felt er fjernet - og dermed gør jernobjektet til en (permanent) magnet .

materialer.

Isotoper

år er blevet etableret.

60 Fe er et uddød radionuklid med lang halveringstid (2,6 millioner år). Det findes ikke på Jorden, men dets ultimative henfaldsprodukt er dets barnebarn, det stabile nuklid 60 Ni . Meget af det tidligere arbejde med isotopisk sammensætning af jern har fokuseret på nukleosyntesen af 60 Fe gennem undersøgelser af meteoritter og malmdannelse. I det sidste årti har fremskridt inden for massespektrometri gjort det muligt at detektere og kvantificere små, naturligt forekommende variationer i forholdet mellem de stabile isotoper af jern. Meget af dette arbejde er drevet af jorden og planetariske videnskabssamfund , selvom applikationer til biologiske og industrielle systemer er ved at dukke op.

I faser af meteoritterne Semarkona og Chervony Kut gav en sammenhæng mellem koncentrationen af 60 Ni, barnebarnet60 Fe og overfladen af ​​de stabile jernisotoper bevis for eksistensen af 60 Fe på tidspunktet for dannelsen af ​​solsystemet . Muligvis bidrog energien frigivet ved henfaldet på 60 Fe sammen med den, der frigives af 26 Al , til omsmeltning og differentiering af asteroider efter deres dannelse for 4,6 milliarder år siden. Overfloden af 60 Ni til stede i udenjordisk materiale kan bringe yderligere indsigt i solsystemets oprindelse og tidlige historie .

Den mest forekommende jernisotop 56 Fe er af særlig interesse for atomforskere, fordi den repræsenterer det mest almindelige slutpunkt for nukleosyntese . Da 56 Ni (14 alfa -partikler ) let fremstilles fra lettere kerner i alfa -processen i nukleare reaktioner i supernovaer (se siliciumforbrændingsproces ), er det slutpunktet for fusionskæder inde i ekstremt massive stjerner , da tilføjelse af en anden alfa -partikel resulterer i 60 Zn, kræver meget mere energi. Denne 56 Ni, der har en halveringstid på cirka 6 dage, skabes i mængde i disse stjerner, men falder hurtigt af to på hinanden følgende positronemissioner i supernova-henfaldsprodukter i supernova- restgasskyen, først til radioaktive 56 Co, og derefter til stabil 56 Fe. Som sådan er jern det mest udbredte element i kernen af røde giganter og er det mest forekommende metal i jernmeteoritter og i de tætte metalkerner på planeter som Jorden . Det er også meget almindeligt i universet i forhold til andre stabile metaller med omtrent samme atomvægt . Jern er det sjette mest forekommende element i universet og det mest almindelige ildfaste element.

Selvom en yderligere lille energitilvækst kunne ekstraheres ved at syntetisere 62 Ni , som har en marginalt højere bindingsenergi end 56 Fe, er forholdene i stjerner uegnede til denne proces. Elementproduktion i supernovaer og distribution på Jorden favoriserer i høj grad jern frem for nikkel, og under alle omstændigheder har 56 Fe stadig en lavere masse pr. Nukleon end 62 Ni på grund af dens højere andel af lettere protoner. Derfor kræver elementer, der er tungere end jern, en supernova for deres dannelse, der involverer hurtig neutronopsamling ved at starte 56 Fe -kerner.

I universets fjerneste fremtid , forudsat at protonforfald ikke forekommer, vil kold fusion, der sker via kvantetunnel , få lyskernerne i almindeligt stof til at smelte sammen til 56 Fe -kerner. Fission og alfa-partikelemission ville derefter få tunge kerner til at forfalde til jern og omdanne alle stjernemasseobjekter til kolde kugler af rent jern.

Oprindelse og forekomst i naturen

Kosmogenese

Jernens overflod på stenede planeter som Jorden skyldes dens rigelige produktion under den flugtende fusion og eksplosion af type Ia -supernovaer , som spreder jernet ud i rummet.

Metallisk jern

Et poleret og kemisk ætset stykke af en jernmeteorit, der formodes at ligne jordens metalliske kerne, og som viser individuelle krystaller af jern-nikkel-legeringen ( Widmanstatten-mønster )

Metallisk eller naturligt jern findes sjældent på jordens overflade, fordi det har en tendens til at oxidere. Men både Jordens indre og ydre kerne , der tegner sig for 35% af hele Jordens masse, menes hovedsageligt at bestå af en jernlegering, muligvis med nikkel . Elektriske strømme i den flydende ydre kerne menes at være oprindelsen til Jordens magnetfelt . De andre terrestriske planeter ( Merkur , Venus og Mars ) samt Månen menes at have en metallisk kerne, der hovedsagelig består af jern. De M-type asteroider menes også at være delvis eller overvejende fremstillet af metallisk jern legering.

De sjældne jernmeteoritter er hovedformen af ​​naturligt metallisk jern på Jordens overflade. Der er fundet genstande fremstillet af koldbearbejdet meteoritisk jern på forskellige arkæologiske steder fra en tid, hvor der endnu ikke var udviklet jernsmeltning; og inuitterne i Grønland er blevet rapporteret at bruge jern fra Cape York -meteoritten til værktøjer og jagtvåben. Omkring 1 ud af 20 meteoritter består af de unikke jern-nikkelmineraler taenit (35-80% jern) og kamacit (90-95% jern). Indfødt jern findes også sjældent i basalter, der er dannet fra magmaer, der er kommet i kontakt med kulstofrige sedimentære bjergarter, som har reduceret iltfugtigheden tilstrækkeligt til, at jern kan krystallisere. Dette er kendt som Telluric jern og er beskrevet fra et par lokaliteter, såsom Disko Island i Vestgrønland, Yakutia i Rusland og Bühl i Tyskland.

Kappe mineraler

på Jorden, der udgør 38% af dets volumen.

Jordskorpe

Okersti i Roussillon .

Mens jern er det mest rigelige element på Jorden, er det meste af dette jern koncentreret i de indre og ydre kerner. Den brøkdel af jern, der er i jordskorpen , udgør kun ca. 5% af skorpenes samlede masse og er dermed kun det fjerde mest udbredte element i det lag (efter ilt , silicium og aluminium ).

Det meste af jernet i skorpen kombineres med forskellige andre elementer for at danne mange jernmineraler . En vigtig klasse er jernoxidmineraler som hæmatit (Fe 2 O 3 ), magnetit (Fe 3 O 4 ) og siderit (FeCO 3 ), som er de største malme af jern . Mange vulkanske klipper indeholder også sulfidmineralerne pyrrhotit og pentlandit . Under forvitring har jern en tendens til at udvaskes fra sulfidaflejringer som sulfatet og fra silikataflejringer som bikarbonat. Begge disse oxideres i vandig opløsning og udfældes i endda let forhøjet pH som jern (III) oxid .

Banded jern formation i McKinley Park, Minnesota.
.

Materialer, der indeholder fintmalet jern (III) oxider eller oxid-hydroxider, såsom okker , har været brugt som gule, røde og brune pigmenter siden forhistorisk tid. De bidrager også til farven på forskellige sten og lerarter , herunder hele geologiske formationer som Painted Hills i Oregon og Buntsandstein ("farvet sandsten", British Bunter ). Gennem Eisensandstein (en jurassic 'jern sandsten', fx fra Donzdorf i Tyskland) og bad sten i Storbritannien, jernforbindelser er ansvarlige for gullig farve af mange historiske bygninger og skulpturer. Den ordsprogede røde farve på Mars overflade stammer fra en jernoxidrig regolit .

Der forekommer betydelige mængder jern i jernsulfidmineralet pyrit (FeS 2 ), men det er svært at udvinde jern fra det, og det udnyttes derfor ikke. Faktisk er jern så almindeligt, at produktionen generelt kun fokuserer på malme med meget store mængder af det.

Ifølge rapporten fra International Resource Panel 's Metal Stocks in Society er den globale jernlager i brug i samfundet 2.200 kg pr. Indbygger. Mere udviklede lande adskiller sig i denne henseende fra mindre udviklede lande (7.000–14.000 vs 2.000 kg pr. Indbygger).

Oceaner

Havvidenskab demonstrerede jernets rolle i de gamle have i både havbiota og klima.

Kemi og forbindelser

Oxidation
tilstand
Repræsentant sammensætning
−2 (d 10 ) Dinatriumtetracarbonylferrat (Collmans reagens)
−1 (d 9 )
0 (d 8 ) Jernpentacarbonyl
1 (d 7 ) Cyclopentadienyliron dicarbonyl dimer ("Fp 2 ")
2 (d 6 ) Ferrosulfat , ferrocen
3 (d 5 ) Ferrichlorid , ferroceniumtetrafluorborat
4 (d 4 )
5 (d 3 )
6 (d 2 ) Kaliumferrat
7 (d 1 ) [FeO 4 ] - (matrixisolering, 4K)

Jern viser de karakteristiske kemiske egenskaber ved overgangsmetallerne , nemlig evnen til at danne variable oxidationstilstande, der adskiller sig ved trin i en og en meget stor koordination og organometallisk kemi: det var faktisk opdagelsen af ​​en jernforbindelse, ferrocen , der revolutionerede sidstnævnte mark i 1950'erne. Jern betragtes undertiden som en prototype for hele blokken af ​​overgangsmetaller på grund af dets overflod og den enorme rolle, det har spillet i menneskehedens teknologiske fremskridt. Dens 26 elektroner er arrangeret i konfigurationen [Ar] 3d 6 4s 2 , hvoraf 3d- og 4s -elektronerne er relativt energienære, og dermed kan det miste et variabelt antal elektroner, og der er ikke noget klart punkt, hvor yderligere ionisering bliver ulønnsom .

.

Jern er det første af overgangsmetallerne, der ikke kan nå gruppens oxidationstilstand på +8, selvom dets tungere kongenere ruthenium og osmium kan, idet ruthenium har vanskeligere end osmium. Ruthenium udviser en vandig kationisk kemi i dets lave oxidationstilstande, der ligner jern, men osmium foretrækker ikke høje oxidationstilstande, hvor det danner anioniske komplekser. I anden halvdel af 3d -overgangsserien konkurrerer lodrette ligheder ned ad grupperne med jernets vandrette ligheder med sine naboer kobolt og nikkel i det periodiske system, som også er ferromagnetiske ved stuetemperatur og deler lignende kemi. Som sådan er jern, kobolt og nikkel undertiden grupperet som jerntriaden .

I modsætning til mange andre metaller danner jern ikke amalgamer med kviksølv . Som følge heraf handles kviksølv i standardiserede 76 pund kolber (34 kg) fremstillet af jern.

Jern er langt det mest reaktive element i sin gruppe; det er pyroforisk, når det opdeles fint og opløses let i fortyndede syrer, hvilket giver Fe 2+ . Den reagerer imidlertid ikke med koncentreret salpetersyre og andre oxiderende syrer på grund af dannelsen af ​​et uigennemtrængeligt oxidlag, som ikke desto mindre kan reagere med saltsyre . Jern af høj renhed, kaldet elektrolytisk jern , anses for at være rustbestandigt på grund af dets oxidlag.

Binære forbindelser

Oxider og hydroxider

Jern- eller jern (II) oxid,
FeO
.

Pourbaix diagram over jern

Halider

Nogle kanarigule pulver sidder, hovedsageligt i klumper, på et laboratorieurglas.
Hydreret jern (III) chlorid (ferrichlorid)

De binære jern- og jernholdige halogenider er velkendte. Jernholdige halogenider stammer typisk fra behandling af jernmetal med den tilsvarende hydrohalinsyre for at give de tilsvarende hydratiserede salte.

Fe + 2 HX → FeX 2 + H 2 (X = F, Cl, Br, I)

Jern reagerer med fluor, chlor og brom for at give de tilsvarende ferrihalogenider, idet ferrichlorid er det mest almindelige.

2 Fe + 3 X 2 → 2 FeX 3 (X = F, Cl, Br)

Ferroliodid er en undtagelse, idet den er termodynamisk ustabil på grund af oxidationsevnen af ​​Fe 3+ og den høje reducerende effekt af I - :

2 I - + 2 Fe 3+ → I 2 + 2 Fe 2+ (E 0 = +0,23 V)

Ferric iodid, et sort fast stof, er ikke stabilt under normale forhold, men kan fremstilles ved reaktion mellem jernpentacarbonyl med jod og carbonmonoxid i nærvær af hexan og lys ved en temperatur på -20 ° C, med oxygen og vand udelukket . Komplekser af ferric iodid med nogle bløde baser vides at være stabile forbindelser.

Løsningskemi

Sammenligning af farver i opløsninger af ferrat (venstre) og permanganat (højre)

De faste reduktionspotentialer i sur vandig opløsning for nogle almindelige jernioner er angivet nedenfor:

Fe 2+ + 2 e - Fe E 0 = -0,477 V
Fe 3+ + 3 e - Fe E 0 = -0,037 V
⇌ Fe 3+ + 4 H 2 O E 0 = +2,20 V

Den rødlilla tetrahedrale ferrat (VI) anion er et så stærkt oxidationsmiddel, at det oxiderer nitrogen og ammoniak ved stuetemperatur og endda vander sig selv i sure eller neutrale opløsninger:

hydrolyseres let, når pH stiger over 0 som følger:

K = 10 −3,05 mol dm −3
K = 10 −3,26 mol dm −3
K = 10 −2,91 mol dm −3
Blågrønt jern (II) sulfat heptahydrat
der tegner sig for de brune aflejringer, der findes i et betydeligt antal vandløb.

Koordinationsforbindelser

På grund af sin elektroniske struktur har jern en meget stor koordination og organometallisk kemi.

De to enantiomorfer af ferrioxalationen
struktur med koplanare oxalationer brodannelse mellem jern centre med krystalvand placeret danner hætterne af hver oktaeder, som illustreret nedenfor.

Krystalstruktur af jern (II) oxalatdihydrat, der viser jern (grå), ilt (rød), kulstof (sort) og hydrogen (hvid) atomer.
Blodrød positiv thiocyanat-test for jern (III)

Jern (III) -komplekser ligner ganske dem i chrom (III) med undtagelse af jern (III )'s præference for O -donor i stedet for N -donorligander. Sidstnævnte har en tendens til at være mere ustabil end jern (II) komplekser og dissocierer ofte i vand. Mange Fe – O -komplekser viser intense farver og bruges som test for phenoler eller enoler . For eksempel i jernchloridtesten , der bruges til at bestemme tilstedeværelsen af ​​phenoler, reagerer jern (III) chlorid med en phenol for at danne et dybt violet kompleks:

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

Blandt halogenid og pseudohalogenid komplekser, fluor komplekser af jern (III) er den mest stabile, med den farveløse [FeF 5 (H 2 O)] 2- er den mest stabile i vandig opløsning. Chlorkomplekser er mindre stabile og begunstige tetraedrisk koordination som i [FeCl 4 ] - ; [FeBr 4 ] - og [FeI 4 ] - reduceres let til jern (II). Thiocyanat er en almindelig test for tilstedeværelsen af jern (III) som det danner blod-rød [Fe (SCN) (H 2 O) 5 ] 2+ . Ligesom mangan (II) er de fleste jern (III) -komplekser high-spin, undtagelserne er dem med ligander, der er høje i de spektrokemiske serier, såsom cyanid . Et eksempel på et lav-spin jern (III) kompleks er [Fe (CN) 6 ] 3− . Cyanidliganderne kan let løsnes i [Fe (CN) 6 ] 3− , og derfor er dette kompleks giftigt, i modsætning til jern (II) -komplekset [Fe (CN) 6 ] 4−, der findes i preussisk blå, som ikke frigives hydrogencyanid undtagen når fortyndede syrer tilsættes. Jern viser et stort udvalg af elektroniske spintilstande , herunder alle mulige spin-kvantetal værdi for en d-blok element fra 0 (diamagnetisk) til

5
/
2
(5 uparrede elektroner). Denne værdi er altid halvdelen af ​​antallet af uparrede elektroner. Komplekser med nul til to uparede elektroner betragtes som lav-spin, og dem med fire eller fem betragtes som høj-spin.

er ikke. De har en tendens til at blive oxideret til jern (III), men dette kan modereres af lav pH og de specifikke anvendte ligander.

Organiske metaller

Jernpenta-
carbonyl

Organoiron -kemi er undersøgelsen af organometalliske forbindelser af jern, hvor kulstofatomer er kovalent bundet til metalatomet. De er mange og varierede, herunder cyanidkomplekser , carbonylkomplekser , sandwich og halv-sandwich-forbindelser .

Preussisk blå

Preussisk blå eller "ferric ferrocyanid", Fe 4 [Fe (CN) 6 ] 3 , er et gammelt og velkendt jern-cyanidkompleks, der i vid udstrækning anvendes som pigment og i flere andre anvendelser. Dens dannelse kan bruges som en simpel vådkemitest for at skelne mellem vandige opløsninger af Fe 2+ og Fe 3+, når de reagerer (henholdsvis) med kaliumferricyanid og kaliumferrocyanid til dannelse af preussisk blå.

indeholder jern i den sjældne +1 oxidationstilstand.

Strukturformel af ferrocen og en pulveriseret prøve
. Ferrocene er stadig et af de vigtigste værktøjer og modeller i denne klasse.

Jerncentrerede organometalliske arter anvendes som katalysatorer . Den Knölker kompleks , for eksempel, er en overførselshydrogenering katalysator for ketoner .

Industrielle anvendelser

). Jern (II) forbindelser har en tendens til at blive oxideret til jern (III) forbindelser i luften.

Etymologi

"iren", et gammelt engelsk ord for 'jern'

Da jern har været i brug i så lang tid, har det mange navne. Kilden til dets kemiske symbol Fe er det latinske ord ferrum , og dets efterkommere er elementernes navne på de romanske sprog (f.eks. Fransk fer , spansk hierro og italiensk og portugisisk ferro ). Ordet Ferrum selv muligvis kommer fra de semitiske sprog , via etruskiske , fra en rod, der også gav anledning til Old English Braes " messing ". Det engelske ord jern stammer i sidste ende fra Proto-germansk * isarnan , som også er kilden til det tyske navn Eisen og hollandske Ijzeren . Det var sandsynligvis lånt fra Celtic * isarnon , som i sidste ende kommer fra proto-indo-europæisk * er- (e) ro- "kraftfuld, hellig" og endelig * eis "stærk", der refererer til jernets styrke som et metal. Kluge forholder *isarnon til illyrisk og latinsk ira , 'vrede'). De Balto-slaviske navne for jern (f.eks russisk железо [ zhelezo ], polsk Żelazo , litauiske geležis ) er de eneste, der kommer direkte fra Proto-Indo-europæisk * g h elg h - "jern". I mange af disse sprog kan ordet for jern også bruges til at betegne andre genstande fremstillet af jern eller stål eller billedligt på grund af metalets hårdhed og styrke. Den kinesiske tiě ( traditionel鐵; forenklet铁) stammer fra proto-kinesisk-tibetansk *hliek og blev lånt til japansk som 鉄tetsu , som også har den indfødte læsning kurogane "black metal" (svarende til hvordan jern refereres til på engelsk ordet smed ).

Historie

Udvikling af jernmetallurgi

Jern er et af de elementer, der utvivlsomt er kendt for den antikke verden. Det er blevet bearbejdet eller udført i årtusinder. Jernobjekter af stor alder er imidlertid meget sjældnere end genstande fremstillet af guld eller sølv på grund af den lethed, hvormed jern korroderer. Teknologien udviklede sig langsomt, og selv efter opdagelsen af ​​smeltning tog det mange århundreder for jern at udskifte bronze som det foretrukne metal til værktøjer og våben.

Meteoritisk jern

Jernharpunhoved fra Grønland . Jernkanten dækker en narwhal tusk harpun ved hjælp af meteoritjern fra Cape York meteoritten , en af ​​de største jernmeteoritter, man kender.

Perler fremstillet af meteorisk jern i 3500 f.Kr. eller tidligere blev fundet i Gerzah, Egypten af ​​GA Wainwright. Perlerne indeholder 7,5% nikkel, hvilket er en signatur af meteorisk oprindelse, da jern fundet i jordskorpen generelt kun har små nikkelforureninger.

Meteorisk jern blev højt anset på grund af dets oprindelse i himlen og blev ofte brugt til at smede våben og værktøjer. For eksempel blev der fundet en dolk fremstillet af meteorisk jern i Tutankhamuns grav , der indeholdt lignende mængder jern, kobolt og nikkel til en meteorit, der blev opdaget i området, deponeret af en gammel meteorregn. Emner, der sandsynligvis var fremstillet af jern af egyptere, stammer fra 3000 til 2500 f.Kr.

Meteoritisk jern er sammenligneligt blødt og sejt og let koldsmedet, men kan blive skørt ved opvarmning på grund af nikkelindholdet .

Smedejern

En cirkel med en kort, enkel pileform, der strækker sig diagonalt opad og mod højre fra kanten
Symbolet for Mars er siden antikken blevet brugt til at repræsentere jern.
En søjle, lidt riflet, med en smule dekoration øverst.  Den er sort, let forvitret til en mørk brun nær bunden.  Det er omkring 7 meter (23 fod) højt.  Det står på en hævet cirkulær bund af sten og er omgivet af et kort, firkantet hegn.
Det jern søjle i Delhi er et eksempel på de jern udvinding og forarbejdningsmetoder af tidlig Indien.

Den første jernproduktion startede i middel bronzealder , men det tog flere århundreder, før jern fortrængte bronze. Prøver af smeltet jern fra Asmar , Mesopotamien og Tall Chagar Bazaar i det nordlige Syrien blev foretaget engang mellem 3000 og 2700 f.Kr. De hittitterne etableret et imperium i nord-centrale Anatolien omkring 1600 f.Kr.. De ser ud til at være de første til at forstå produktionen af ​​jern fra dets malme og anse det højt i deres samfund. De hittitterne begyndte at smelt jern mellem 1500 og 1200 f.Kr., og den praksis spredes til resten af i Mellemøsten efter deres imperium faldt i 1180 f.Kr.. Den efterfølgende periode kaldes jernalderen .

Artefakter af smeltet jern findes i Indien fra 1800 til 1200 f.Kr., og i Levanten fra omkring 1500 f.Kr. (hvilket tyder på smeltning i Anatolien eller Kaukasus ). Påståede referencer (sammenlign metallurgiens historie i Sydasien ) til jern i de indiske vedaer er blevet brugt til påstande om en meget tidlig brug af jern i henholdsvis Indien til dato for teksterne som sådan. De Rigvedaen sigt ayas (metal) henviser til kobber, mens jern, som kaldes som Syama ayas , bogstaveligt "sort kobber", først nævnes i post-rigvedic Atharvaveda .

Nogle arkæologiske beviser tyder på, at jern blev smeltet i Zimbabwe og sydøstlige Afrika allerede i det ottende århundrede f.Kr. Jernarbejde blev introduceret til Grækenland i slutningen af ​​det 11. århundrede f.Kr., hvorfra det spredte sig hurtigt i hele Europa.

Jernsegl fra det antikke Grækenland.

Spredningen af ​​jernarbejde i Central- og Vesteuropa er forbundet med keltisk ekspansion. Ifølge Plinius den Ældre var jernbrug almindelig i romertiden . I landene i det, der nu betragtes som Kina, forekommer jern cirka 700-500 f.Kr. Jernsmeltning kan have været indført i Kina gennem Centralasien. Det tidligste bevis på brugen af ​​en højovn i Kina stammer fra det 1. århundrede e.Kr., og kupolovne blev brugt allerede i de stridende stater (403-221 f.Kr.). Anvendelse af højovnen og kuppelovnen forblev udbredt under Song- og Tang -dynastierne .

Under den industrielle revolution i Storbritannien begyndte Henry Cort at forfine jern fra råjern til smedejern (eller jern) ved hjælp af innovative produktionssystemer. I 1783 patenterede han pølsprocessen til raffinering af jernmalm. Det blev senere forbedret af andre, herunder Joseph Hall .

Støbejern

Støbejern blev først produceret i Kina i løbet af det 5. århundrede f.Kr., men var næppe i Europa før middelalderen. De tidligste støbejernsartefakter blev opdaget af arkæologer i det, der nu er moderne Luhe County , Jiangsu i Kina. Støbejern blev brugt i det gamle Kina til krigsførelse, landbrug og arkitektur. I middelalderen blev der fundet midler i Europa til fremstilling af smedejern af støbejern (i denne sammenhæng kendt som råjern ) ved hjælp af smede . Til alle disse processer var kul påkrævet som brændstof.

Coalbrookdale by Night , 1801. Højovne tænder den jernfremstillingsby Coalbrookdale .

Middelalderens højovne var cirka 3,0 m høje og lavet af ildfast mursten; tvungen luft blev normalt leveret af håndbetjente bælge. Moderne højovne er vokset meget større med ildsteder fjorten meter i diameter, der tillader dem at producere tusindvis af tons jern hver dag, men fungerer i det væsentlige på samme måde som de gjorde i middelalderen.

I 1709 etablerede Abraham Darby I en koksbrændt højovn til fremstilling af støbejern, der erstattede kul, selvom han fortsat brugte højovne. Den efterfølgende tilgængelighed af billigt jern var en af ​​de faktorer, der førte til den industrielle revolution . Mod slutningen af ​​1700 -tallet begyndte støbejern at erstatte smedejern til visse formål, fordi det var billigere. Kulstofindhold i jern var først impliceret som årsagen til forskellene i egenskaber ved smedejern, støbejern og stål indtil det 18. århundrede.

Da jern blev billigere og mere rigeligt, blev det også et vigtigt konstruktionsmateriale efter bygningen af ​​den innovative jernbro i 1778. Denne bro står stadig i dag som et monument over den rolle, jern spillede i den industrielle revolution. Efter dette blev jern brugt i skinner, både, skibe, akvædukter og bygninger samt i jerncylindre i dampmaskiner . Jernbaner har været centrale for dannelsen af ​​modernitet og ideer om fremskridt og forskellige sprog (f.eks. Fransk, spansk, italiensk og tysk) omtaler jernbaner som jernvej .

Stål

udviklet henholdsvis omkring 300 f.Kr. og 500 e.Kr. Disse metoder var specialiserede, og derfor blev stål ikke en stor vare før i 1850'erne.

Nye metoder til fremstilling af det ved at karburere jernstænger i cementeringsprocessen blev udtænkt i det 17. århundrede. I den industrielle revolution blev nye metoder til fremstilling af stangjern uden kul udtænkt, og disse blev senere anvendt til fremstilling af stål. I slutningen af ​​1850'erne opfandt Henry Bessemer en ny stålfremstillingsproces, der involverede blæsning af luft gennem smeltet råjern, for at producere blødt stål. Dette gjorde stål meget mere økonomisk, hvilket førte til, at smedejern ikke længere blev produceret i store mængder.

Grundlaget for moderne kemi

I 1774 brugte Antoine Lavoisier reaktionen af ​​vanddamp med metallisk jern inde i et glødende jernrør til at producere brint i sine eksperimenter, der førte til demonstration af bevarelsen af ​​masse , som var medvirkende til at ændre kemi fra en kvalitativ videnskab til en kvantitativ.

Symbolsk rolle

" Gold gab ich für Eisen " - "Jeg gav guld til jern". Tysk-amerikansk broche fra WWI.

Jern spiller en bestemt rolle i mytologi og har fundet forskellig brug som metafor og i folklore . Den græske digter Hesiod 's værker og dage (linje 109-201) lister forskellige aldre af manden opkaldt efter metaller som guld, sølv, bronze og jern til grund for efterfølgende aldersgrupper af menneskeheden. Jernalderen var nært beslægtet med Rom og i Ovids Metamorfoser

Dyderne forlod fortvivlet jorden; og menneskets fordærv bliver universel og fuldstændig. Hårdt stål lykkedes dengang.

-  Ovid, Metamorfoser , Bog I, Jernalder, linje 160 ff

Et eksempel på betydningen af ​​jerns symbolske rolle kan findes i den tyske kampagne fra 1813 . Frederik William III bestilte dengang det første jernkors som militær dekoration. Berlins jernsmykker nåede sin højeste produktion mellem 1813 og 1815, da den preussiske kongefamilie opfordrede borgerne til at donere guld- og sølvsmykker til militær finansiering. Indskriften Gold gab ich für Eisen (jeg gav guld til jern) blev også brugt i senere krigsindsatser.

Produktion af metallisk jern

Jernovn i Columbus, Ohio, 1922

Laboratorieruter

Til få begrænsede formål, når det er nødvendigt, produceres rent jern i laboratoriet i små mængder ved at reducere det rene oxid eller hydroxid med hydrogen eller danne jernpentacarbonyl og opvarme det til 250 ° C, så det nedbrydes for at danne rent jernpulver . En anden metode er elektrolyse af jernchlorid på en jernkatode.

Hovedindustrirute

Jernproduktion 2009 (millioner tons )
Land Jernmalm Grise jern Direkte jern Stål
 
Kina
1.114,9 549,4 573,6
 
Australien
393,9 4.4 5.2
 
Brasilien
305,0 25.1 0,011 26.5
 
Japan
66,9 87,5
 
Indien
257,4 38.2 23.4 63,5
 
Rusland
92,1 43,9 4.7 60,0
 
Ukraine
65,8 25.7 29.9
 
Sydkorea
0,1 27.3 48,6
 
Tyskland
0,4 20.1 0,38 32.7
Verden 1.594,9 914,0 64,5 1.232,4

I dag består den industrielle produktion af jern eller stål af to hovedtrin. I det første trin reduceres jernmalm med koks i en højovn , og det smeltede metal separeres fra grove urenheder, såsom silikatmineraler . Denne fase giver en legering - råjern - der indeholder relativt store mængder kulstof. I det andet trin sænkes mængden af ​​kulstof i råjernet ved oxidation for at give smedejern, stål eller støbejern. Andre metaller kan tilføjes på dette trin til dannelse af legeret stål .

1600 -tals kinesisk illustration af arbejdere ved en højovn, der laver smedejern af råjern
Hvordan jern blev udvundet i det 19. århundrede

Højovnsbehandling

:

2 C + O 2 → 2 CO

Denne reaktion hæver temperaturen til ca. 2000 ° C. Kulilte reducerer jernmalmen til metallisk jern

Fe 2 O 3 + 3 CO → 2 Fe + 3 CO 2

Noget jern i den lave temperatur ved ovnen i ovnen reagerer direkte med koks:

2 Fe 2 O 3 + 3 C → 4 Fe + 3 CO 2
.

Denne bunke jernmalmpiller vil blive brugt i stålproduktionen.

Stålfremstilling

En gryde med smeltet jern, der bruges til at lave stål

Generelt indeholder råjernet, der fremstilles ved højovnsprocessen, op til 4-5% kulstof, med små mængder andre urenheder som svovl, magnesium, fosfor og mangan. Det høje kulstofindhold gør det relativt svagt og skørt. Ved at reducere mængden af ​​kulstof til 0,002–2,1 vægtprocent produceres stål , som kan være op til 1000 gange hårdere end rent jern. En lang række forskellige stålartikler kan derefter laves ved koldbearbejdning , varmvalsning , smedning , bearbejdning osv. Fjernelse af de andre urenheder resulterer i stedet i støbejern, som bruges til at støbe artikler i støberier ; for eksempel komfurer, rør, radiatorer, lygtepæle og skinner.

Stålprodukter gennemgår ofte forskellige varmebehandlinger, efter at de er smedet til form. Glødning består i at opvarme dem til 700–800 ° C i flere timer og derefter gradvis afkøling. Det gør stålet blødere og mere brugbart.

Direkte jernreduktion

På grund af miljøhensyn er der udviklet alternative metoder til bearbejdning af jern. " Direkte jernreduktion " reducerer jernmalm til en jernholdig klump kaldet "svamp" jern eller "direkte" jern, der er egnet til stålfremstilling. To hovedreaktioner omfatter processen med direkte reduktion:

Naturgas oxideres delvist (med varme og en katalysator):

2 CH 4 + O 2 → 2 CO + 4 H 2

Jernmalm behandles derefter med disse gasser i en ovn og producerer fast svampejern:

Fe 2 O 3 + CO + 2 H 2 → 2 Fe + CO 2 + 2 H 2 O

Silica fjernes ved tilsætning af en kalkstrøm som beskrevet ovenfor.

Thermite proces

Antændelse af en blanding af aluminiumspulver og jernoxid giver metallisk jern via termitreaktionen :

Fe 2 O 3 + 2 Al → 2 Fe + Al 2 O 3

Alternativt kan råjern laves til stål (med op til ca. 2% kulstof) eller smedejern (kommercielt rent jern). Forskellige processer er blevet brugt til dette, herunder smedjerier , vandpølseovne , Bessemer -omformere , åbne ovne , basiske iltovne og lysbueovne . I alle tilfælde er målet at oxidere noget af eller hele kulstoffet sammen med andre urenheder. På den anden side kan der tilsættes andre metaller til fremstilling af legerede stål.

Ansøgninger

Som konstruktionsmateriale

Jern er det mest udbredte af alle metaller og tegner sig for over 90% af den globale metalproduktion. Dens lave omkostninger og høje styrke gør det ofte til materialet af det valgte materiale til at modstå belastning eller overføre kræfter, såsom konstruktion af maskiner og værktøjsmaskiner , skinner , biler , skibsskrog , armeringsjern i beton og bygnings bærende rammer . Da rent jern er ret blødt, kombineres det oftest med legeringselementer til fremstilling af stål.

Mekaniske egenskaber

Karakteristiske værdier for trækstyrke (TS) og Brinell -hårdhed (BH) for forskellige former for jern.
Materiale TS
(MPa)
BH
( Brinell )
Jernhårde 11000
Udformet (hærdet)
stål
2930 850–1200
Martensitisk stål 2070 600
Bainitisk stål 1380 400
Perlitisk stål 1200 350
Koldbearbejdet jern 690 200
Småkornet jern 340 100
Kulstofholdigt jern 140 40
Ren, krystaljern 10 3

De mekaniske egenskaber ved jern og dets legeringer er yderst relevante for deres strukturelle anvendelser. Disse egenskaber kan evalueres på forskellige måder, herunder Brinell -testen , Rockwell -testen og Vickers -hårdhedstesten .

Egenskaber for rent jern bruges ofte til at kalibrere målinger eller sammenligne test. Imidlertid påvirkes jernets mekaniske egenskaber betydeligt af prøvens renhed: rene, enkelte krystaller af jern er faktisk blødere end aluminium, og det reneste industrielt producerede jern (99,99%) har en hårdhed på 20-30 Brinell. Det rene jern (99,9 %~ 99,999 %), især kaldet elektrolytisk jern , fremstilles industrielt ved elektrolytisk raffinering .

En stigning i kulstofindholdet vil medføre en betydelig stigning i jernets hårdhed og trækstyrke. Maksimal hårdhed på 65 R c opnås med et 0,6% kulstofindhold, selvom legeringen har lav trækstyrke. På grund af jernets blødhed er det meget lettere at arbejde med end dets tungere kongenere ruthenium og osmium .

Jern-kulstof fasediagram

Typer af stål og legeringer

α-jern er et ret blødt metal, der kun kan opløse en lille koncentration af kulstof (højst 0,021 vægtprocent ved 910 ° C). Austenit (γ-jern) er ligeledes blødt og metallisk, men kan opløse betydeligt mere kulstof (så meget som 2,04 vægtprocent ved 1146 ° C). Denne form for jern bruges i den type rustfrit stål, der bruges til fremstilling af bestik og hospitaler og madudstyr.

Kommercielt tilgængeligt jern er klassificeret ud fra renhed og overflod af tilsætningsstoffer. Grisejern har 3,5–4,5% kulstof og indeholder varierende mængder forurenende stoffer som svovl , silicium og fosfor . Grisejern er ikke et salgbart produkt, men derimod et mellemtrin i fremstillingen af ​​støbejern og stål. Reduktionen af ​​forurenende stoffer i råjern, der negativt påvirker materialegenskaber, såsom svovl og fosfor, giver støbejern, der indeholder 2-4% kulstof, 1-6% silicium og små mængder mangan . Grisejern har et smeltepunkt i intervallet 1420–1470 K, som er lavere end en af ​​de to hovedkomponenter, og gør det til det første produkt, der smeltes, når kulstof og jern opvarmes sammen. Dens mekaniske egenskaber varierer meget og afhænger af den form, kulstoffet har i legeringen.

"Hvide" støbejern indeholder deres kulstof i form af cementit eller jerncarbid (Fe 3 C). Denne hårde, sprøde forbindelse dominerer de mekaniske egenskaber ved hvide støbejern, hvilket gør dem hårde, men ikke modstandsdygtige over for stød. Den ødelagte overflade af et hvidt støbejern er fuld af fine facetter af det brudte jerncarbid, et meget blegt, sølvfarvet, skinnende materiale, deraf betegnelsen. Afkøling af en blanding af jern med 0,8% kulstof langsomt under 723 ° C til stuetemperatur resulterer i separate, vekslende lag af cementit og α-jern, som er blødt og formbart og kaldes perlit for dets udseende. Hurtig afkøling tillader derimod ikke tid til denne adskillelse og skaber hård og sprød martensit . Stålet kan derefter hærdes ved genopvarmning til en temperatur imellem, ændring af proportionerne af perlit og martensit. Slutproduktet under 0,8% carbonindhold er en pearlite-αFe-blanding, og at over 0,8% carbonindhold er en pearlite-cementitblanding.

I gråt jern eksisterer kulstoffet som separate, fine flager af grafit , og gør også materialet sprødt på grund af de skarpe kanter af grafit, der producerer spændingskoncentrationssteder i materialet. En nyere variant af gråt jern, benævnt duktilt jern , behandles specielt med spormængder af magnesium for at ændre grafitformen til sfæroider eller knuder, hvilket reducerer spændingskoncentrationerne og øger materialets sejhed og styrke markant.

Smedejern indeholder mindre end 0,25% kulstof, men store mængder slagge, der giver det en fibrøs egenskab. Det er et hårdt, formbart produkt, men ikke så smeltbart som råjern. Hvis honet til en kant, mister den det hurtigt. Smedejern er kendetegnet ved tilstedeværelsen af ​​fine slaggerfibre, der er fanget i metallet. Smedejern er mere korrosionsbestandigt end stål. Det er næsten fuldstændigt erstattet af blødt stål til traditionelle "smedejerns" produkter og smedning .

Blødt stål korroderer lettere end smedejern, men er billigere og mere bredt tilgængeligt. Kulstofstål indeholder 2,0% kulstof eller mindre med små mængder mangan , svovl , fosfor og silicium. Legeringsstål indeholder varierende mængder kulstof samt andre metaller, såsom chrom , vanadium , molybdæn , nikkel, wolfram osv. Deres legeringsindhold øger deres omkostninger, og derfor bruges de normalt kun til specialiseret brug. Et almindeligt legeret stål er dog rustfrit stål . Den seneste udvikling inden for jernmetallurgi har produceret et voksende udvalg af mikrolegerede stål, også kaldet ' HSLA ' eller højstyrke, lavlegeret stål, der indeholder små tilføjelser til at producere høje styrker og ofte spektakulær sejhed til minimale omkostninger.

Legeringer med elementære makeups med høj renhed (såsom legeringer af elektrolytisk jern ) har specifikt forbedrede egenskaber, såsom duktilitet , trækstyrke , sejhed , træthedsstyrke , varmebestandighed og korrosionsbestandighed.

Bortset fra traditionelle anvendelser bruges jern også til beskyttelse mod ioniserende stråling. Selvom det er lettere end et andet traditionelt beskyttelsesmateriale, bly , er det meget stærkere mekanisk. Dæmpningen af ​​stråling som funktion af energi er vist i grafen.

Den største ulempe ved jern og stål er, at rent jern og de fleste af dets legeringer lider hårdt af rust, hvis det ikke beskyttes på en eller anden måde, hvilket koster mere end 1% af verdens økonomi. Maling , galvanisering , passivering , plastbelægning og blåfarvning bruges alle til at beskytte jern mod rust ved at udelukke vand og ilt eller ved katodisk beskyttelse . Mekanismen til rustning af jern er som følger:

Katode: 3 O 2 + 6 H 2 O + 12 e - → 12 OH -
Anode: 4 Fe → 4 Fe 2+ + 8 e - ; 4 Fe 2+ → 4 Fe 3 ++ 4 e -
Samlet set: 4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O → 4 Fe 3+ + 12 OH - → 4 Fe (OH) 3 eller 4 FeO (OH) + 4 H 2 O

Elektrolytten er normalt jern (II) sulfat i byområder (dannet når atmosfærisk svovldioxid angriber jern) og saltpartikler i atmosfæren i havområder.

Jernforbindelser

Selvom den dominerende anvendelse af jern er inden for metallurgi, er jernforbindelser også udbredt i industrien. Jernkatalysatorer bruges traditionelt i Haber -Bosch -processen til produktion af ammoniak og Fischer -Tropsch -processen til omdannelse af kulilte til kulbrinter til brændstoffer og smøremidler. Pulveriseret jern i et surt opløsningsmiddel blev brugt i Bechamp -reduktionen til reduktion af nitrobenzen til anilin .

Jern (III) oxid blandet med aluminiumspulver kan antændes for at skabe en termitreaktion , der bruges til svejsning af store jerndele (som skinner ) og rensning af malm. Jern (III) oxid og oxyhidroxide anvendes som rødlig og okker pigmenter .

Jern (III) chlorid finder anvendelse i vandrensning og spildevandsbehandling , ved farvning af klud, som farvestof i maling, som tilsætningsstof i dyrefoder og som etser til kobber ved fremstilling af printkort . Det kan også opløses i alkohol for at danne tinktur af jern, som bruges som medicin til at stoppe blødning på kanariefugle .

Jern (II) sulfat bruges som en forløber for andre jernforbindelser. Det bruges også til at reducere chromat i cement. Det bruges til at forstærke fødevarer og behandle jernmangelanæmi . Jern (III) sulfat bruges til at bundfælde små spildevandspartikler i tankvand. Jern (II) chlorid bruges som et reducerende flokkuleringsmiddel, i dannelsen af ​​jernkomplekser og magnetiske jernoxider og som et reduktionsmiddel i organisk syntese.

Biologisk og patologisk rolle

Jern er påkrævet for livet. De jern-svovl klynger er alment, og indbefatter nitrogenase , de enzymer ansvarlige for biologisk nitrogenfiksering . Jernholdige proteiner deltager i transport, opbevaring og brug af ilt. Jernproteiner er involveret i elektronoverførsel .

Struktur af Heme b ; i proteinet vil yderligere ligand (er) blive knyttet til Fe.

Eksempler på jernholdige proteiner i højere organismer inkluderer hæmoglobin, cytochrom (se højtvalent jern ) og katalase . Det gennemsnitlige voksne menneske indeholder omkring 0,005% kropsvægt jern, eller omkring fire gram, hvoraf tre fjerdedele er i hæmoglobin - et niveau, der forbliver konstant på trods af, at kun cirka et milligram jern absorberes hver dag, fordi menneskekroppen genbruger sit hæmoglobin for jernindholdet.

Mikrobiel vækst kan hjælpes ved oxidation af jern (II) eller ved reduktion af jern (III).

Biokemi

Jernoptagelse udgør et problem for aerobe organismer, fordi jern jern er dårligt opløseligt nær neutral pH. Således har disse organismer udviklet midler til at optage jern som komplekser, nogle gange optager jernholdigt jern, før det oxideres tilbage til jern. Især har bakterier udviklet meget høj affinitet kompleksdannende midler kaldet sideroforer .

Efter optagelse i humane celler reguleres jernlageret præcist. En vigtig komponent i denne regulering er protein transferrin , som binder jernioner absorberet fra tolvfingertarmen og fører det i blodet til celler. Transferrin indeholder Fe 3+ i midten af ​​en forvrænget oktaeder, bundet til et nitrogen, tre iltstoffer og en kelaterende carbonatanion, der fælder Fe 3+ -ionen: den har en så høj stabilitetskonstant, at den er meget effektiv til at optage Fe 3 + ioner selv fra de mest stabile komplekser. Ved knoglemarven reduceres transferrin fra Fe 3+ og Fe 2+ og opbevares som ferritin for at blive inkorporeret i hæmoglobin.

De mest almindeligt kendte og studerede bioorganiske jernforbindelser (biologiske jernmolekyler) er hæmproteiner : eksempler er hæmoglobin , myoglobin og cytochrom P450 . Disse forbindelser deltager i transport af gasser, opbygning af enzymer og overførsel af elektroner . Metalloproteiner er en gruppe af proteiner med metal ion cofaktorer . Nogle eksempler på jernmetalloproteiner er ferritin og rubredoxin . Mange enzymer, der er livsvigtige, indeholder jern, såsom katalase , lipoxygenaser og IRE-BP .

Hæmoglobin er en iltbærer, der forekommer i røde blodlegemer og bidrager med deres farve, og transporterer ilt i arterierne fra lungerne til musklerne, hvor det overføres til myoglobin , som lagrer det, indtil det er nødvendigt for metabolisk oxidation af glukose og genererer energi . Her binder hæmoglobinet sig til kuldioxid , der dannes, når glucose oxideres, som transporteres gennem venerne af hæmoglobin (overvejende som bikarbonatanioner ) tilbage til lungerne, hvor det udånder. I hæmoglobin er jernet i en af ​​fire hæmgrupper og har seks mulige koordineringssteder; fire er optaget af nitrogenatomer i en porphyrinring , den femte af et imidazol -nitrogen i en histidinrest i en af ​​proteinkæderne, der er knyttet til hæm -gruppen, og den sjette er forbeholdt oxygenmolekylet, som den reversibelt kan binde til. Når hæmoglobin ikke er knyttet til ilt (og derefter kaldes deoxyhemoglobin), er Fe 2+ -ionen i midten af hæmgruppen (i det hydrofobe proteininteriør) i en høj-spin-konfiguration . Den er således for stor til at passe ind i porphyrinringen, som i stedet bøjer sig ind i en kuppel med Fe 2+ -ionen omkring 55 picometers over den. I denne konfiguration blokeres det sjette koordineringssted forbeholdt oxygenet af en anden histidinrest.

Når deoxyhemoglobin opfanger et iltmolekyle, bevæger denne histidinrest sig væk og vender tilbage, når iltet er sikkert forbundet til dannelse af en hydrogenbinding med det. Dette resulterer i, at Fe 2+ -ionen skifter til en konfiguration med lavt spin, hvilket resulterer i et fald på 20% i ionradius, så den nu kan passe ind i porphyrinringen, som bliver plan. (Derudover resulterer denne hydrogenbinding i iltmolekylets hældning, hvilket resulterer i en Fe – O – O bindingsvinkel på omkring 120 °, der undgår dannelse af Fe – O – Fe eller Fe – O 2 – Fe broer, der ville føre til elektronoverførsel, oxidationen af ​​Fe 2+ til Fe 3+ og ødelæggelsen af ​​hæmoglobin.) Dette resulterer i en bevægelse af alle proteinkæderne, der fører til, at de andre underenheder af hæmoglobin ændrer form til en form med større iltaffinitet. Når deoxyhemoglobin optager ilt, stiger dets affinitet for mere ilt og omvendt. Myoglobin indeholder på den anden side kun en hæmgruppe, og derfor kan denne kooperative virkning ikke forekomme. Selvom hæmoglobin er næsten mættet med ilt i de høje partialtryk af ilt, der findes i lungerne, er dets affinitet for ilt meget lavere end myoglobins, hvilket iltes selv ved lave partielle tryk af ilt, der findes i muskelvæv. Som beskrevet af Bohr -effekten (opkaldt efter Christian Bohr , far til Niels Bohr ), reduceres iltaffiniteten af ​​hæmoglobin i nærvær af kuldioxid.

En heme -enhed af humant carboxyhemoglobin , der viser carbonylliganden i den apikale position, trans til histidinresten

Kulilte og fosfortrifluorid er giftige for mennesker, fordi de binder sig til hæmoglobin på samme måde som ilt, men med meget mere styrke, så ilt ikke længere kan transporteres i hele kroppen. Hæmoglobin bundet til kulilte er kendt som carboxyhæmoglobin . Denne effekt spiller også en mindre rolle i toksiciteten af cyanid , men der den største virkning er langt de generer velfungerende elektrontransportsystemet proteinet cytochrom a. Cytokromproteinerne involverer også hæmgrupper og er involveret i metabolisk oxidation af glucose med oxygen. Det sjette koordineringssted optages derefter af enten et andet imidazol -nitrogen eller et methioninsvovl , så disse proteiner stort set er inaktive over for ilt - med undtagelse af cytochrom a, som bindes direkte til ilt og dermed meget let forgiftes af cyanid. Her finder elektronoverførslen sted, da jernet forbliver i lavt spin, men skifter mellem +2 og +3 oxidationstilstande. Da reduktionspotentialet for hvert trin er lidt større end det foregående, frigives energien trin for trin og kan dermed lagres i adenosintrifosfat . Cytokrom a er lidt tydeligt, da det forekommer ved mitokondriemembranen, binder direkte til ilt og transporterer protoner såvel som elektroner som følger:

Selvom hæmproteinerne er den vigtigste klasse af jernholdige proteiner, er jern-svovlproteinerne også meget vigtige, idet de er involveret i elektronoverførsel, hvilket er muligt, da jern kan eksistere stabilt i enten +2 eller +3 oxidationstilstande. Disse har et, to, fire eller otte jernatomer, der hver især er omtrent tetraedrisk koordineret til fire svovlatomer; på grund af denne tetraedrale koordinering har de altid jern med højt spin. Den enkleste af sådanne forbindelser er rubredoxin , som kun har et jernatom koordineret til fire svovlatomer fra cysteinrester i de omgivende peptidkæder. En anden vigtig klasse af jern-svovlproteiner er ferredoxinerne , som har flere jernatomer. Transferrin tilhører ikke nogen af ​​disse klasser.

Evnen af havet muslinger til at opretholde deres greb på klipper i havet lettes ved deres brug af organometalliske jern-baserede obligationer i deres proteinrige neglebånd . Baseret på syntetiske kopier øgede tilstedeværelsen af ​​jern i disse strukturer elastisk modul 770 gange, trækstyrke 58 gange og sejhed 92 gange. Mængden af ​​stress, der kræves for permanent skade dem, steg 76 gange.

Ernæring

Kost

Jern er udbredt, men særligt rige kilder til kostjern omfatter rødt kød , østers , linser , bønner , fjerkræ , fisk , bladgrøntsager , brøndkarse , tofu , kikærter , sorte øjne og melemasse . Brød og morgenmadsprodukter er undertiden specifikt beriget med jern.

Jern fra kosttilskud findes ofte som jern (II) fumarat , selvom jern (II) sulfat er billigere og absorberes lige så godt. Elementært jern eller reduceret jern, på trods af at det kun absorberes af en tredjedel til to tredjedele af effektiviteten (i forhold til jernsulfat), tilføjes ofte til fødevarer som morgenmadsprodukter eller beriget hvedemel. Jern er mest tilgængeligt for kroppen, når det kelateres til aminosyrer, og kan også bruges som et almindeligt jerntilskud . Glycin , den billigste aminosyre, bruges oftest til fremstilling af jernglycinattilskud.

Kostanbefalinger

Det amerikanske institut for medicin (IOM) opdaterede estimerede gennemsnitlige krav (EAR'er) og anbefalede kosttilskud (RDA'er) for jern i 2001. Det nuværende EAR for jern for kvinder i alderen 14-18 år er 7,9 mg/dag, 8,1 for alderen 19-50 og 5,0 derefter (efter overgangsalderen). For mænd er EAR 6,0 mg/dag i alderen 19 og derover. RDA er 15,0 mg/dag for kvinder i alderen 15–18 år, 18,0 for 19–50 og 8,0 derefter. For mænd, 8,0 mg/dag i alderen 19 og derover. RDA'er er højere end EAR'er for at identificere beløb, der dækker personer med krav over gennemsnittet. RDA for graviditet er 27 mg/dag og for amning 9 mg/dag. For børn i alderen 1-3 år 7 mg/dag, 10 i alderen 4-8 og 8 i alderen 9-13 år. Hvad angår sikkerhed, indstiller IOM også tolerable øvre indtagelsesniveauer (UL'er) for vitaminer og mineraler, når bevis er tilstrækkeligt. For jern er UL indstillet til 45 mg/dag. Kollektivt ørerne, ADT og ULS omtales som Dietary referencetilførslerne .

Den Europæiske Fødevaresikkerhedsautoritet (EFSA) omtaler det kollektive informationssæt som diætreferenceværdier med befolkningsreferenceindtag (PRI) i stedet for RDA og gennemsnitskrav i stedet for EAR. AI og UL definerede det samme som i USA. For kvinder er PRI 13 mg/dag i alderen 15-17 år, 16 mg/dag for kvinder i alderen 18 og derover, der er præmenopausale og 11 mg/dag postmenopausale. Ved graviditet og amning, 16 mg/dag. For mænd er PRI 11 mg/dag i alderen 15 og ældre. For børn i alderen 1 til 14 stiger PRI fra 7 til 11 mg/dag. PRI'erne er højere end de amerikanske RDA'er, med undtagelse af graviditet. EFSA gennemgik det samme sikkerhedsspørgsmål, der ikke oprettede en UL.

Spædbørn kan kræve jerntilskud, hvis de er komælk fra flasker. Hyppige bloddonorer har risiko for lave jernniveauer og rådes ofte til at supplere deres jernindtag.

For mærkning af fødevarer og kosttilskud i USA udtrykkes mængden i en portion som en procentdel af daglig værdi (%DV). Til jernmærkning var 100% af den daglige værdi 18 mg, og pr. 27. maj 2016 forblev uændret 18 mg. Overholdelse af opdaterede mærkningsregler var påkrævet inden 1. januar 2020 for producenter med US $ 10 millioner eller mere i årligt fødevarer salg, og den 1. januar 2021 for producenter med fødevarer salg lavere volumen. En tabel med de gamle og nye voksne daglige værdier findes på Reference Daily Intake .

Mangel

Jernmangel er den mest almindelige ernæringsmæssige mangel i verden. Når tab af jern ikke kompenseres tilstrækkeligt med tilstrækkeligt jernindtag i kosten, opstår der en latent jernmangel , som med tiden fører til jernmangelanæmi, hvis det ikke behandles, hvilket er karakteriseret ved et utilstrækkeligt antal røde blodlegemer og en utilstrækkelig mængde af hæmoglobin. Børn, præmenopausale kvinder (kvinder i den fødedygtige alder) og mennesker med dårlig kost er mest modtagelige for sygdommen. De fleste tilfælde af jernmangelanæmi er milde, men hvis de ikke behandles, kan det forårsage problemer som hurtig eller uregelmæssig hjerterytme, komplikationer under graviditeten og forsinket vækst hos spædbørn og børn.

Overskydende

Jernoptagelse er stramt reguleret af menneskekroppen, som ikke har nogen regulerede fysiologiske midler til udskillelse af jern. Kun små mængder jern går tabt dagligt på grund af slimhinde- og hudepitelcelle -sloughing, så kontrol af jernniveauer opnås primært ved at regulere optagelse. Regulering af jernoptagelse er svækket hos nogle mennesker som følge af en genetisk defekt, der går til HLA-H-genregionen på kromosom 6 og fører til unormalt lave niveauer af hepcidin , en central regulator for jernets indtræden i kredsløbssystemet i pattedyr. Hos disse mennesker kan overdreven jernindtag resultere i jernoverbelastningsforstyrrelser , kendt medicinsk som hæmokromatose . Mange mennesker har en udiagnosticeret genetisk modtagelighed for jernoverbelastning og er ikke klar over en familiehistorie af problemet. Af denne grund bør folk ikke tage jerntilskud, medmindre de lider af jernmangel og har konsulteret en læge. Hæmokromatose anslås at være årsag til 0,3 til 0,8% af alle metaboliske sygdomme hos kaukasiere.

Overdoser af indtaget jern kan forårsage overdrevne niveauer af frit jern i blodet. Høje blodniveauer af frit jernholdigt jern reagerer med peroxider for at producere meget reaktive frie radikaler, der kan skade DNA , proteiner , lipider og andre cellulære komponenter. Jernstoksicitet opstår, når cellen indeholder frit jern, hvilket normalt opstår, når jernniveauer overstiger tilgængeligheden af transferrin for at binde jernet. Skader på cellerne i mave -tarmkanalen kan også forhindre dem i at regulere jernabsorptionen, hvilket fører til yderligere stigninger i blodniveauer. Jern beskadiger typisk celler i hjerte , lever og andre steder og forårsager bivirkninger, der inkluderer koma , metabolisk acidose , chok , leversvigt , koagulopati , respiratorisk nødsyndrom hos voksne , langvarig organskade og endda død. Mennesker oplever jerntoksicitet, når jernet overstiger 20 milligram for hvert kilogram kropsmasse; 60 milligram pr. Kg betragtes som en dødelig dosis . Overforbrug af jern, ofte et resultat af børn, der spiser store mængder ferrosulfat -tabletter beregnet til voksen forbrug, er en af ​​de mest almindelige toksikologiske dødsårsager hos børn under seks år. The Dietary Referenceindtag (DRI) indstiller indtagelsesniveauer (UL) for voksne ved 45 mg / dag. For børn under fjorten år er UL 40 mg/dag.

Den medicinske håndtering af jerntoksicitet er kompliceret og kan omfatte brug af et specifikt chelateringsmiddel kaldet deferoxamin til at binde og udvise overskydende jern fra kroppen.

Kræft

Jernets rolle i kræftforsvaret kan beskrives som et "tveægget sværd" på grund af dets gennemgående tilstedeværelse i ikke-patologiske processer. Mennesker, der har kemoterapi, kan udvikle jernmangel og anæmi , hvortil intravenøs jernterapi bruges til at genoprette jernniveauet. Jernoverbelastning, som kan opstå ved et højt forbrug af rødt kød, kan starte tumorvækst og øge modtageligheden for kræft, især for tyktarmskræft .

Marine systemer

Jern spiller en væsentlig rolle i marine systemer og kan fungere som et begrænsende næringsstof til planktonisk aktivitet. På grund af dette kan for meget af et fald i jern føre til et fald i vækstrater i fytoplanktoniske organismer, såsom kiselalger. Jern kan også oxideres af marine mikrober under forhold, der er højt i jern og lavt i ilt.

Jern kan trænge ind i marine systemer gennem tilstødende floder og direkte fra atmosfæren. Når jern kommer ind i havet, kan det fordeles i vandsøjlen gennem blanding af havet og gennem genbrug på mobilniveau. I arktis spiller havis en stor rolle i lagringen og distributionen af ​​jern i havet, nedbryder oceanisk jern, da det fryser om vinteren og frigiver det tilbage i vandet, når optøning sker om sommeren. Jerncyklussen kan svinge formerne for jern fra vandige til partikelformer og ændre tilgængeligheden af ​​jern til primære producenter. Øget lys og varme øger mængden af ​​jern, der er i former, der kan bruges af primære producenter.

Se også

Referencer

Bibliografi

Yderligere læsning