Железо -Iron

Железо,  26 Fe
Чистая железная стружка с железным кубиком высокой чистоты
Железо
Аллотропы см. Аллотропы железа
Появление блестящий металлик с сероватым оттенком
Стандартный атомный вес Ar °(Fe)
Железо в периодической таблице
Водород гелий
Литий Бериллий Бор Углерод Азот Кислород Фтор Неон
натрий Магний Алюминий Кремний Фосфор Сера хлор Аргон
Калий Кальций Скандий Титан Ванадий Хром Марганец Железо кобальт никель Медь Цинк Галлий Германий мышьяк Селен Бром Криптон
Рубидий Стронций Иттрий Цирконий ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий Серебро Кадмий Индий Банка Сурьма Теллур Йод ксенон
Цезий Барий Лантан Церий Празеодим неодим Прометий Самарий европий Гадолиний Тербий диспрозий гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина Золото Меркурий (элемент) Таллий Вести висмут Полоний Астатин Радон
Франций Радий Актиний Торий Протактиний Уран нептуний Плутоний Америций Куриум Берклиум Калифорния Эйнштейний Фермиум Менделевий Нобелий Лоуренсиум Резерфордиум Дубниум Сиборгиум борий Хассиум Мейтнериум Дармштадциум рентгений Коперниций Нихоний Флеровиум Московиум Ливермориум Теннесси Оганесон


Фе

Ру
марганецжелезокобальт
Атомный номер ( Z ) 26
Группа группа 8
Период период 4
Блокировать   d-блок
Электронная конфигурация [ Ар ] 3д 62
Электроны на оболочку 2, 8, 14, 2
Физические свойства
Фаза на  СТП твердый
Температура плавления 1811  К (1538 °С, 2800 °F)
Точка кипения 3134 К (2862 °С, 5182 °F)
Плотность (около  rt ) 7,874 г/см 3
в жидком состоянии (при  т.пл. ) 6,98 г/см 3
Теплота плавления 13,81  кДж/моль
Теплота парообразования 340 кДж/моль
Молярная теплоемкость 25,10 Дж/(моль·К)
Давление газа
Р  (Па) 1 10 100 1 тыс. 10 тыс. 100 тыс.
при  Т  (К) 1728 1890 г. 2091 2346 2679 3132
Атомные свойства
Степени окисления -4, -2, -1, 0, +1, +2 , +3 , +4, +5, +6, +7 (  амфотерный оксид)
электроотрицательность Шкала Полинга: 1,83
Энергии ионизации
Радиус атома эмпирический: 126  часов
Ковалентный радиус Низкий отжим: 132±3 часа
Высокий отжим: 152±6 часов
Радиус Ван-дер-Ваальса 194 [1]  пм
Цветовые линии в спектральном диапазоне
Спектральные линии железа
Другие свойства
Естественное явление изначальный
Кристальная структура объемно -центрированная кубическая (ОЦК)
Объемно-центрированная кубическая кристаллическая структура железа

а = 286,65 пм
Кристальная структура гранецентрированная кубическая (ГЦК)
Гранецентрированная кубическая кристаллическая структура железа

между 1185–1667 К; а = 364,680 пм
Скорость звука тонкий стержень 5120 м/с (при  комнатной температуре ) (электролитический)
Тепловое расширение 11,8 мкм/(м⋅K) (при 25 °C)
Теплопроводность 80,4 Вт/(м⋅К)
Удельное электрическое сопротивление 96,1 нОм⋅м (при 20 °C)
точка Кюри 1043 К
Магнитный порядок ферромагнитный
Модуль для младших 211 ГПа
Модуль сдвига 82 ГПа
Объемный модуль 170 ГПа
коэффициент Пуассона 0,29
Твердость по шкале Мооса 4
твердость по Виккерсу 608 МПа
твердость по Бринеллю 200–1180 МПа
Количество CAS 7439-89-6
История
Открытие до 5000 г. до н.э.
Символ «Fe»: от латинского ferrum
Основные изотопы железа
Изотоп Разлагаться
избыток период полувыведения ( t1 /2 ) режим продукт
54 Fe 5,85% стабильный
55 Fe син 2,73 года ε 55 Мн
56 Fe 91,75% стабильный
57 Fe 2,12% стабильный
58 Fe 0,28% стабильный
59 Fe син 44,6 д β - 59 Ко
60 Fe след 2,6 × 10 6  лет β - 60 Ко
 Категория: Железо
| Рекомендации

Железо ( / ˈ aɪ ə n / или / ˈ aɪ ər n / ) — химический элемент с символом Fe (от латинского : ferrum ) и атомным номером 26. Это металл , принадлежащий к первому переходному ряду и группе 8 периодическая таблица . По массе это самый распространенный элемент на Земле , опережающий кислород (32,1% и 30,1% соответственно), образующий большую часть внешнего и внутреннего ядра Земли . Это четвертый по распространенности элемент в земной коре , который в основном откладывается метеоритами в металлическом состоянии, а его руды также находят там.

Для извлечения пригодного для использования металла из железной руды требуются печи или печи , способные достигать 1500 ° C (2730 ° F) или выше, что примерно на 500 ° C (932 ° F) выше, чем требуется для плавки меди . Люди начали осваивать этот процесс в Евразии во 2- м тысячелетии до нашей эры , а использование железных инструментов и оружия начало вытеснять медные сплавы — в некоторых регионах только около 1200 года до нашей эры. Это событие считается переходом от бронзового века к железному . В современном мире сплавы железа, такие как сталь , нержавеющая сталь , чугун и специальные стали , на сегодняшний день являются наиболее распространенными промышленными металлами благодаря своим механическим свойствам и низкой стоимости. Таким образом, металлургическая промышленность очень важна с экономической точки зрения, а железо является самым дешевым металлом, цена которого составляет несколько долларов за килограмм или фунт.

Нетронутые и гладкие поверхности из чистого железа имеют зеркально-серебристо-серый цвет. Железо легко реагирует с кислородом и водой с образованием гидратированных оксидов железа от коричневого до черного цвета , широко известных как ржавчина . В отличие от оксидов некоторых других металлов, образующих пассивирующие слои, ржавчина занимает больший объем, чем металл, и поэтому отслаивается, обнажая больше свежих поверхностей для коррозии. Железо высокой чистоты (например , электролитическое железо ) более устойчиво к коррозии.

Тело взрослого человека содержит около 4 граммов (0,005% массы тела) железа, в основном в виде гемоглобина и миоглобина . Эти два белка играют существенную роль в метаболизме позвоночных , соответственно в транспорте кислорода кровью и запасании кислорода в мышцах . Для поддержания необходимого уровня метаболизма железа в организме человека требуется минимум железа в рационе. Железо также является металлом в активном центре многих важных окислительно -восстановительных ферментов , отвечающих за клеточное дыхание , окисление и восстановление в растениях и животных.

Химически наиболее распространенными степенями окисления железа являются железо (II) и железо (III) . Железо разделяет многие свойства других переходных металлов, в том числе других элементов группы 8 , рутения и осмия . Железо образует соединения в широком диапазоне степеней окисления от -2 до +7. Железо образует также много координационных соединений ; некоторые из них, такие как ферроцен , ферриоксалат и берлинская лазурь , имеют существенное промышленное, медицинское или исследовательское применение.

Характеристики

Аллотропы

Молярный объем против давления для α-железа при комнатной температуре

Известно по крайней мере четыре аллотропа железа (различное расположение атомов в твердом теле), условно обозначаемые α , γ , δ и ε .

Фазовая диаграмма низкого давления чистого железа

Первые три формы наблюдаются при обычных давлениях. Когда расплавленное железо охлаждается выше точки замерзания 1538 ° C, оно кристаллизуется в свой δ-аллотроп, который имеет объемно-центрированную кубическую (ОЦК) кристаллическую структуру . По мере дальнейшего охлаждения до 1394 ° C он превращается в аллотроп γ-железа, гранецентрированную кубическую (ГЦК) кристаллическую структуру или аустенит . При 912 °С и ниже кристаллическая структура снова становится ОЦК аллотропной α-железа.

Физические свойства железа при очень высоких давлениях и температурах также широко изучались из-за их отношения к теориям о ядрах Земли и других планет. При давлении выше примерно 10 ГПа и температуре в несколько сотен кельвинов или ниже α-железо превращается в другую гексагональную плотноупакованную (ГПУ) структуру, которая также известна как ε-железо . Более высокотемпературная γ-фаза также превращается в ε-железо, но при более высоком давлении.

Существуют некоторые противоречивые экспериментальные данные о стабильной β - фазе при давлениях выше 50 ГПа и температурах не менее 1500 К. Предполагается, что она имеет орторомбическую или двойную ГПУ-структуру. (Как ни странно, термин «β-железо» иногда также используется для обозначения α-железа выше его точки Кюри, когда оно переходит из ферромагнитного в парамагнитное, даже если его кристаллическая структура не изменилась.)

Обычно предполагается, что внутреннее ядро ​​Земли состоит из сплава железа и никеля с ε (или β) структурой.

Точки плавления и кипения

Температуры плавления и кипения железа вместе с его энтальпией атомизации ниже, чем у более ранних 3d-элементов от скандия до хрома , что свидетельствует о снижении вклада 3d-электронов в металлическую связь, поскольку они все больше и больше притягиваются в инертную среду. ядро ядром; однако они выше, чем значения для предыдущего элемента марганца , потому что этот элемент имеет наполовину заполненную 3d-подоболочку и, следовательно, его d-электроны нелегко делокализовать. Такая же тенденция наблюдается для рутения, но не для осмия.

Температура плавления железа экспериментально хорошо определена для давлений менее 50 ГПа. Для более высоких давлений опубликованные данные (по состоянию на 2007 г.) по-прежнему различаются на десятки гигапаскалей и более тысячи кельвинов.

Магнитные свойства

Кривые намагничивания 9 ферромагнитных материалов, показывающие насыщение. 1.  Листовая сталь, 2.  Кремнистая сталь, 3.  Литая сталь, 4.  Вольфрамовая сталь, 5.  Магнитная сталь, 6.  Чугун, 7.  Никель, 8.  Кобальт, 9.  Магнетит

Ниже точки Кюри 770 ° C (1420 ° F, 1040 K) α-железо превращается из парамагнитного в ферромагнитное : спины двух неспаренных электронов в каждом атоме обычно совпадают со спинами его соседей, создавая общее магнитное поле . . Это происходит потому, что орбитали этих двух электронов (d z 2 и d x 2 - y 2 ) не направлены к соседним атомам в решетке и, следовательно, не участвуют в металлической связи.

В отсутствие внешнего источника магнитного поля атомы спонтанно разделяются на магнитные домены диаметром около 10 микрометров, так что атомы в каждом домене имеют параллельные спины, но некоторые домены имеют другую ориентацию. Таким образом, макроскопический кусок железа будет иметь почти нулевое общее магнитное поле.

Приложение внешнего магнитного поля заставляет домены, намагниченные в одном общем направлении, расти за счет соседних доменов, которые указывают в других направлениях, усиливая внешнее поле. Этот эффект используется в устройствах, которым необходимо направлять магнитные поля для выполнения конструктивных функций, таких как электрические трансформаторы , магнитные записывающие головки и электродвигатели . Примеси, дефекты решетки или границы зерен и частиц могут «закрепить» домены в новых положениях, так что эффект сохраняется даже после снятия внешнего поля, превращая таким образом железный объект в (постоянный) магнит .

Аналогичное поведение демонстрируют некоторые соединения железа, такие как ферриты , включая минерал магнетит , кристаллическую форму смешанного оксида железа (II, III) Fe 3 O 4 (хотя механизм атомного масштаба, ферримагнетизм , несколько отличается). Кусочки магнетита с естественной постоянной намагниченностью ( магнитные камни ) служили самыми ранними компасами для навигации. Частицы магнетита широко использовались в магнитных носителях записи, таких как основные запоминающие устройства , магнитные ленты , дискеты и диски , пока они не были заменены материалами на основе кобальта .

Изотопы

Железо имеет четыре стабильных изотопа : 54 Fe (5,845% природного железа), 56 Fe (91,754%), 57 Fe (2,119%) и 58 Fe (0,282%). Также были созданы 24 искусственных изотопа. Из этих стабильных изотопов только 57 Fe имеют ядерный спин (- 12 ). Нуклид 54 Fe теоретически может подвергаться двойному захвату электронов в 54 Cr, но этот процесс никогда не наблюдался, и был установлен только нижний предел периода полураспада, равный 3,1×10 22 лет .

60 Fe — вымерший радионуклид с длительным периодом полураспада (2,6 млн лет). Он не встречается на Земле, но конечным продуктом его распада является его внучка, стабильный нуклид 60 Ni . Большая часть прошлых работ по изотопному составу железа была сосредоточена на нуклеосинтезе 60 Fe посредством изучения метеоритов и рудообразования. В последнее десятилетие достижения в области масс-спектрометрии позволили обнаружить и количественно оценить мельчайшие естественные вариации соотношений стабильных изотопов железа. Большая часть этой работы ведется сообществом ученых Земли и планет , хотя появляются приложения к биологическим и промышленным системам.

В фазах метеоритов Семаркона и Червоный Кут корреляция между концентрацией 60 Ni, внучки 60 Fe, и обилием стабильных изотопов железа свидетельствовала о существовании 60 Fe во время образования Солнечной системы. . Возможно, энергия, выделяемая при распаде 60 Fe, наряду с энергией, выделяемой 26 Al, способствовала переплавлению и дифференциации астероидов после их образования 4,6 млрд лет назад. Обилие никеля 60 , присутствующего во внеземном материале, может пролить свет на происхождение и раннюю историю Солнечной системы .

Наиболее распространенный изотоп железа 56 Fe представляет особый интерес для ученых-ядерщиков, поскольку он представляет собой наиболее распространенную конечную точку нуклеосинтеза . Поскольку 56 Ni (14 альфа-частиц ) легко образуется из более легких ядер в альфа-процессе в ядерных реакциях в сверхновых (см. процесс горения кремния ), он является конечной точкой цепочек синтеза внутри чрезвычайно массивных звезд , поскольку добавление еще одной альфа-частицы приводит к в 60 Zn требует гораздо больше энергии. Этот 56 Ni, период полураспада которого составляет около 6 дней, в больших количествах образуется в этих звездах, но вскоре распадается в результате двух последовательных эмиссий позитронов в продуктах распада сверхновой в газовом облаке остатков сверхновой, сначала до радиоактивного 56 Co, а затем до стабильного 56 Fe. Таким образом, железо является наиболее распространенным элементом в ядре красных гигантов , а также самым распространенным металлом в железных метеоритах и ​​в плотных металлических ядрах планет , таких как Земля . Он также очень распространен во Вселенной по сравнению с другими стабильными металлами примерно с таким же атомным весом . Железо является шестым по распространенности элементом во Вселенной и самым распространенным тугоплавким элементом.

Хотя дальнейший крошечный прирост энергии можно было бы извлечь путем синтеза 62 Ni , который имеет немного более высокую энергию связи, чем 56 Fe, условия в звездах не подходят для этого процесса. Производство элементов в сверхновых в значительной степени благоприятствует железу, а не никелю, и в любом случае 56 Fe по-прежнему имеет меньшую массу на нуклон, чем 62 Ni, из-за более высокой доли более легких протонов. Следовательно, элементы тяжелее железа требуют для своего образования сверхновой , включая быстрый захват нейтронов стартовыми ядрами 56 Fe.

В далеком будущем Вселенной, если предположить, что распада протона не происходит, холодный синтез , происходящий посредством квантового туннелирования , заставит легкие ядра в обычном веществе слиться в ядра 56 Fe. Затем деление и испускание альфа-частиц заставят тяжелые ядра распасться на железо, превратив все объекты звездной массы в холодные сферы из чистого железа.

Происхождение и распространение в природе

Космогенез

Изобилие железа на каменистых планетах , таких как Земля, связано с его обильным производством во время безудержного синтеза и взрыва сверхновых типа Ia , которые разбрасывают железо в космос.

Металлическое железо

Полированный и химически вытравленный кусок железного метеорита, который, как полагают, подобен по составу металлическому ядру Земли, с отдельными кристаллами железо-никелевого сплава ( рисунок Видманштеттена ) .

Металлическое или самородное железо редко встречается на поверхности Земли, потому что оно склонно к окислению. Однако считается, что как внутреннее , так и внешнее ядро ​​Земли , на которые приходится 35% массы всей Земли, состоят в основном из сплава железа, возможно, с никелем . Считается, что электрические токи в жидком внешнем ядре являются источником магнитного поля Земли . Считается, что другие планеты земной группы ( Меркурий , Венера и Марс ), а также Луна имеют металлическое ядро, состоящее в основном из железа. Также считается, что астероиды М-типа частично или в основном состоят из сплава металлического железа.

Редкие железные метеориты являются основной формой природного металлического железа на поверхности Земли. Изделия из нагартованного метеоритного железа были обнаружены в различных археологических памятниках, относящихся ко времени, когда еще не была развита выплавка железа; Сообщается, что инуиты в Гренландии использовали железо из метеорита Кейп-Йорк для инструментов и охотничьего оружия. Примерно 1 из 20 метеоритов состоит из уникальных железоникелевых минералов тэнита (35–80% железа) и камасита (90–95% железа). Самородное железо также редко встречается в базальтах, образовавшихся из магм, которые вступили в контакт с богатыми углеродом осадочными породами, которые достаточно снизили летучесть кислорода для кристаллизации железа. Это известно как теллурическое железо и описано в нескольких местах, таких как остров Диско в Западной Гренландии, Якутия в России и Бюль в Германии.

Минералы мантии

Ферропериклаз (Mg,Fe)O , твердый раствор периклаза (MgO) и вюстита (FeO), составляет около 20% объема нижней мантии Земли, что делает его второй наиболее распространенной минеральной фазой в этом регионе. после силиката перовскита (Mg,Fe)SiO 3 ; он также является основным хозяином железа в нижней мантии. На дне переходной зоны мантии реакция γ- (Mg,Fe) 2 [SiO4 ] ↔ (Mg,Fe)[SiO3 ] + (Mg,Fe)O превращает γ-оливин в смесь силикатный перовскит и ферропериклаз и наоборот. В литературе эту минеральную фазу нижней мантии также часто называют магнезиовюститом. Силикатный перовскит может составлять до 93% нижней мантии, а магниево-железная форма (Mg,Fe)SiO 3 считается самым распространенным минералом на Земле, составляя 38% ее объема.

земной коры

Охристая тропа в Руссильоне .

Хотя железо является самым распространенным элементом на Земле, большая часть этого железа сосредоточена во внутреннем и внешнем ядрах. Доля железа в земной коре составляет всего около 5% от общей массы земной коры и, таким образом, является лишь четвертым по распространенности элементом в этом слое (после кислорода , кремния и алюминия ).

Большая часть железа в земной коре соединяется с различными другими элементами, образуя множество минералов железа . Важным классом являются минералы оксида железа, такие как гематит (Fe 2 O 3 ), магнетит (Fe 3 O 4 ) и сидерит (FeCO 3 ), которые являются основными рудами железа . Многие магматические породы также содержат сульфидные минералы пирротин и пентландит . Во время выветривания железо выщелачивается из сульфидных отложений в виде сульфата и из силикатных отложений в виде бикарбоната. Оба они окисляются в водном растворе и осаждаются даже при слегка повышенном pH в виде оксида железа (III) .

Полосатая железная формация в парке Мак-Кинли, Миннесота.

Крупные месторождения железа представляют собой полосчатые образования железа , тип породы, состоящий из повторяющихся тонких слоев оксидов железа, чередующихся с полосами бедных железом сланцев и кремней . Полосчатые образования железа образовались в период между 3700  млн. лет назад и 1800  млн. лет назад .

Материалы, содержащие мелкоизмельченные оксиды или оксиды-гидроксиды железа (III), такие как охра , использовались в качестве желтых, красных и коричневых пигментов с доисторических времен. Они также вносят свой вклад в цвет различных горных пород и глин , включая целые геологические образования, такие как Пэйнтед-Хиллз в Орегоне и Бунтсандштейн («цветной песчаник», британский Бантер ). Через Эйзенсандштайн ( юрский «железный песчаник», например, из Донцдорфа в Германии) и камень для ванн в Великобритании соединения железа ответственны за желтоватый цвет многих исторических зданий и скульптур. Пресловутый красный цвет поверхности Марса происходит от богатого оксидом железа реголита .

Значительные количества железа содержатся в сульфидном железном пирите (FeS 2 ), но из него трудно извлечь железо, поэтому он не эксплуатируется. На самом деле железо настолько распространено, что производство обычно сосредоточено только на рудах с очень большим его содержанием.

Согласно отчету Международной ресурсной группы « Запасы металлов в обществе» , глобальные запасы железа, используемые в обществе, составляют 2200 кг на душу населения. В этом отношении более развитые страны отличаются от менее развитых стран (7 000–14 000 против 2 000 кг на душу населения).

океаны

Наука об океане продемонстрировала роль железа в древних морях как в морской биоте, так и в климате.

Химия и соединения


Степень окисления
Репрезентативное соединение
−2 (д 10 ) Тетракарбонилферрат динатрия (реактив Коллмана)
−1 (d 9 ) Fe
2
(СО)2−
8
0 (д 8 ) Пентакарбонил железа
1 (д 7 ) Димер дикарбонила циклопентадиенилирона («Fp 2 »)
2 (д 6 ) Сульфат железа , ферроцен
3 (д 5 ) Хлорид железа , тетрафторборат ферроцения
4 (д 4 ) Fe(диарс)
2
Кл2+
2
, Феррилтетрафторборат
5 (д 3 ) FeO3−
4
6 (д 2 ) феррат калия
7 (д 1 ) [FeO 4 ] (матричная изоляция, 4K)

Железо проявляет характерные химические свойства переходных металлов , а именно способность образовывать переменные степени окисления, отличающиеся одной ступенью и очень большой координационной и металлоорганической химией: действительно, именно открытие соединения железа, ферроцена , произвело революцию в последней поле в 1950-х годах. Железо иногда считают прототипом всего блока переходных металлов из-за его изобилия и огромной роли, которую оно сыграло в технологическом прогрессе человечества. Его 26 электронов расположены в конфигурации [Ar]3d 6 4s 2 , из которых 3d- и 4s-электроны относительно близки по энергии, и, таким образом, часть электронов может быть ионизирована.

Железо образует соединения в основном в степенях окисления +2 ( железо (II) , «железо») и +3 ( железо (III) , «железо»). Железо также встречается в более высоких степенях окисления , например, пурпурный феррат калия (K 2 FeO 4 ), который содержит железо в степени окисления +6. Анион [FeO 4 ] с железом в степени окисления +7, наряду с железом(V)-пероксоизомером, был обнаружен методом инфракрасной спектроскопии при 4 К после соконденсации атомов Fe, подвергнутых лазерной абляции, со смесью O 2 /Ар. Железо(IV) является распространенным промежуточным продуктом во многих реакциях биохимического окисления. Многочисленные железоорганические соединения имеют формальные степени окисления +1, 0, -1 или даже -2. Степени окисления и другие свойства связывания часто оценивают с помощью метода мессбауэровской спектроскопии . Многие соединения со смешанной валентностью содержат как центры железа (II), так и железа (III), такие как магнетит и берлинская лазурь ( Fe 4 (Fe[CN] 6 ) 3 ). Последний используется как традиционный «синий» в чертежах .

Железо является первым из переходных металлов, который не может достичь своей групповой степени окисления +8, хотя его более тяжелые родственники рутений и осмий могут, причем с рутением труднее, чем с осмием. Рутений демонстрирует водную катионную химию в своих низких степенях окисления, аналогичную химическому составу железа, но осмий этого не делает, благоприятствуя высоким степеням окисления, при которых он образует анионные комплексы. Во второй половине 3d-серии переходов вертикальное сходство вниз по группам конкурирует с горизонтальным сходством железа с его соседями кобальтом и никелем в периодической таблице, которые также являются ферромагнитными при комнатной температуре и имеют схожий химический состав. Таким образом, железо, кобальт и никель иногда объединяют в триаду железа .

В отличие от многих других металлов железо не образует амальгамы с ртутью . В результате ртуть продается в стандартных 76-фунтовых колбах (34 кг), сделанных из железа.

Железо, безусловно, является самым реакционноспособным элементом в своей группе; он пирофорен при тонком измельчении и легко растворяется в разбавленных кислотах, давая Fe 2+ . Однако не реагирует с концентрированной азотной кислотой и другими кислотами-окислителями из-за образования непроницаемого оксидного слоя, который тем не менее может реагировать с соляной кислотой . Железо высокой чистоты, называемое электролитическим железом , считается устойчивым к ржавчине благодаря своему оксидному слою.

Бинарные соединения

Оксиды и сульфиды

Оксид железа или железа (II), FeO
Оксид железа или железа(III) Fe 2 O 3
Оксид железа или железа(II,III) Fe 3 O 4

Железо образует различные оксидные и гидроксидные соединения ; наиболее распространены оксид железа (II, III) (Fe 3 O 4 ) и оксид железа (III) (Fe 2 O 3 ). Оксид железа (II) также существует, хотя он нестабилен при комнатной температуре. Несмотря на свои названия, на самом деле все они представляют собой нестехиометрические соединения , состав которых может варьироваться. Эти оксиды являются основными рудами для производства железа (см. плавильню и доменную печь). Они также используются в производстве ферритов , полезных магнитных носителей информации в компьютерах и пигментов. Наиболее известным сульфидом является пирит железа (FeS 2 ), также известный как золото дураков из-за его золотого блеска. Это не соединение железа (IV), а полисульфид железа (II) , содержащий Fe 2+ и S.2−
2
ионов в искаженной структуре хлорида натрия .

галогениды

Немного канареечно-желтого порошка оседает, в основном комками, на лабораторное часовое стекло.
Гидратированный хлорид железа (III) (хлорид железа)

Бинарные галогениды двухвалентного и трехвалентного железа хорошо известны. Галогениды двухвалентного железа обычно образуются при обработке металлического железа соответствующей галогеноводородной кислотой с получением соответствующих гидратированных солей.

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

Железо реагирует с фтором, хлором и бромом с образованием соответствующих галогенидов железа , наиболее распространенным из которых является хлорид железа.

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

Иодид железа является исключением, поскольку он термодинамически нестабилен из-за окислительной способности Fe 3+ и высокой восстановительной способности I - :

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

Иодид железа, твердое вещество черного цвета, нестабилен в обычных условиях, но может быть получен реакцией пентакарбонила железа с йодом и монооксидом углерода в присутствии гексана и света при температуре -20 ° C, без кислорода и воды. Известно, что комплексы йодистого железа с некоторыми мягкими основаниями являются стабильными соединениями.

Химия растворов

Сравнение цветов растворов феррата (слева) и перманганата (справа)

Стандартные потенциалы восстановления в кислом водном растворе для некоторых распространенных ионов железа приведены ниже:

[Fe(H 2 O) 6 ] 2+ + 2 е - ⇌ Фе Е 0 = -0,447 В
[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + е - ⇌ [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ Е 0 = +0,77 В
FeO2−
4
+ 8 Н 3 О + + 3 е -
⇌ [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + 6 H 2 O Е 0 = +2,20 В

Красно-фиолетовый тетраэдрический анион феррата (VI) является настолько сильным окислителем, что он окисляет аммиак до азота (N 2 ) и воду до кислорода .

4 FeO2−
4
+ 34 ч
2
О
→ 4 [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ + 20 ОН
+ 3 О 2

Бледно-фиолетовый гекса- аквокомплекс [Fe(H 2 O) 6 ] 3+ представляет собой кислоту, которая выше pH 0 полностью гидролизуется:

[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ [Fe(H 2 O) 5 (OH)] 2+ + H + K = 10 -3,05 моль дм -3
[Fe(H 2 O) 5 (ОН)] 2+ [Fe(H 2 O) 4 (OH) 2 ] + + H + K = 10 -3,26 моль дм -3
2[Fe(H 2 O) 6 ] 3+ [Fe(H 2 O) 4 (ОН)]4+2+ 2Н + + 2Н 2 О К = 10 -2,91 моль дм -3
Сине-зеленый гептагидрат сульфата железа (II)

При повышении рН выше 0 образуются указанные выше желтые гидролизованные частицы, а при повышении рН выше 2–3 из раствора выпадает красновато-коричневый водный оксид железа (III) . Хотя Fe 3+ имеет конфигурацию ad 5 , его спектр поглощения не похож на спектр поглощения Mn 2+ с его слабыми, запрещенными по спину полосами d–d, поскольку Fe 3+ имеет более высокий положительный заряд и является более поляризующим, что снижает энергию его поглощения. поглощения с переносом заряда лиганда на металл . Таким образом, все вышеперечисленные комплексы достаточно сильно окрашены, за единственным исключением гексакво-иона, и даже у которого в спектре преобладает перенос заряда в ближней ультрафиолетовой области. С другой стороны, бледно-зеленый гексаквоион железа(II) [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ не подвергается заметному гидролизу. Углекислый газ не выделяется при добавлении анионов карбоната , что вместо этого приводит к осаждению белого карбоната железа (II) . В избытке диоксида углерода он образует малорастворимый бикарбонат, который обычно встречается в грунтовых водах, но быстро окисляется на воздухе с образованием оксида железа (III), что объясняет появление бурых отложений в значительном количестве ручьев.

Координационные соединения

Благодаря своей электронной структуре железо имеет очень большой координационный и металлоорганический состав.

Два энантиоморфа ферриоксалат-иона

Известно много координационных соединений железа. Типичным шестикоординационным анионом является гексахлорферрат (III), [FeCl 6 ] 3- , обнаруженный в смешанной соли тетракис (метиламмоний) гексахлорферрат (III) хлорид . Комплексы с несколькими бидентатными лигандами имеют геометрические изомеры . Например, комплекс транс - хлоргидридобис(бис-1,2-(дифенилфосфино)этан)железа(II) используется в качестве исходного материала для соединений с фрагментом Fe( dppe ) 2 . Ион ферриоксалата с тремя оксалатными лигандами (показан справа) демонстрирует спиральную хиральность с двумя несовместимыми геометриями, обозначенными Λ (лямбда) для оси левого винта и Δ (дельта) для оси правого винта, в соответствии с конвенции ИЮПАК. Ферриоксалат калия используется в химической актинометрии и вместе с его натриевой солью подвергается фотовосстановлению, применяемому в фотографических процессах старого образца. Дигидрат оксалата железа (II) имеет полимерную структуру с компланарными ионами оксалата, образующими мостики между центрами железа, а кристаллизационная вода образует вершины каждого октаэдра, как показано ниже.

Кристаллическая структура дигидрата оксалата железа (II) с атомами железа (серый), кислорода (красный), углерода (черный) и водорода (белый).
Кроваво-красный положительный тиоцианатный тест на железо (III)

Комплексы железа (III) очень похожи на комплексы хрома (III), за исключением того, что железо (III) предпочитает O -донор вместо N - донорных лигандов. Последние, как правило, более нестабильны, чем комплексы железа(II), и часто диссоциируют в воде. Многие комплексы Fe-O демонстрируют интенсивные цвета и используются в качестве тестов на фенолы или енолы . Например, в тесте с хлоридом железа , используемом для определения присутствия фенолов, хлорид железа (III) реагирует с фенолом с образованием темно-фиолетового комплекса:

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

Среди галогенидных и псевдогалогенидных комплексов наиболее устойчивы фторсодержащие комплексы железа(III), причем бесцветный [FeF 5 (H 2 O)] 2– наиболее стабилен в водном растворе. Хлорокомплексы менее стабильны и склонны к тетраэдрической координации, как в [FeCl 4 ] - ; [FeBr 4 ] - и [FeI 4 ] - легко восстанавливаются до железа (II). Тиоцианат является обычным тестом на присутствие железа (III), так как он образует кроваво-красный [Fe(SCN)(H 2 O) 5 ] 2+ . Как и марганец (II), большинство комплексов железа (III) являются высокоспиновыми, за исключением тех, у которых лиганды занимают высокие позиции в спектрохимическом ряду , такие как цианид . Примером низкоспинового комплекса железа(III) является [Fe(CN) 6 ] 3- . Железо демонстрирует большое разнообразие состояний электронного спина , включая все возможные значения квантового числа спина для элемента d-блока от 0 (диамагнитный) до 52 (5 неспаренных электронов). Это значение всегда равно половине числа неспаренных электронов. Комплексы с нулевым или двумя неспаренными электронами считаются низкоспиновыми, а комплексы с четырьмя или пятью — высокоспиновыми.

Комплексы железа(II) менее стабильны, чем комплексы железа(III), но предпочтение О -донорных лигандов менее заметно, так что, например, известно [Fe(NH3 ) 6 ] 2+ , тогда как [ Fe( NH3 ) 6 ] 3+ нет. Они имеют тенденцию к окислению до железа (III), но это можно смягчить за счет низкого pH и использования специфических лигандов.

Металлоорганические соединения


Пентакарбонил железа

Железоорганическая химия - это изучение металлоорганических соединений железа, в которых атомы углерода ковалентно связаны с атомом металла. Они многочисленны и разнообразны, включая цианидные комплексы , карбонильные комплексы , сэндвичевые и полусэндвичевые соединения .

берлинская лазурь

Берлинская лазурь или «железо-ферроцианид», Fe 4 [Fe(CN) 6 ] 3 , представляет собой старый и хорошо известный комплекс железа и цианида, широко используемый в качестве пигмента и в ряде других применений. Его образование можно использовать в качестве простого теста влажной химии, чтобы различить водные растворы Fe 2+ и Fe 3+ , поскольку они реагируют (соответственно) с феррицианидом калия и ферроцианидом калия с образованием берлинской лазури.

Другим старым примером железоорганического соединения является пентакарбонил железа , Fe(CO) 5 , в котором нейтральный атом железа связан с атомами углерода пяти молекул монооксида углерода . Соединение можно использовать для получения порошка карбонильного железа , высокореактивной формы металлического железа. Термолиз пентакарбонила железа дает додекакарбонил трижелеза , Fe 3 (CO) 12 , комплекс с кластером из трех атомов железа в его ядре. Реактив Коллмана, тетракарбонилферрат динатрия , является полезным реагентом для органической химии; он содержит железо в степени окисления -2. Димер дикарбонила циклопентадиенилирона содержит железо в редкой степени окисления +1.

Структурная формула ферроцена и порошкообразного образца

Вехой в этой области стало открытие в 1951 году Паусоном и Кили и независимо друг от друга Миллером и его коллегами удивительно стабильного сэндвичевого соединения ферроцена Fe(C 5 H 5 ) 2 , чья удивительная молекулярная структура была определена лишь год спустя Вудвордом и Уилкинсон и Фишер . Ferrocene по-прежнему остается одним из самых важных инструментов и моделей в этом классе.

Металлоорганические частицы с центральным содержанием железа используются в качестве катализаторов . Комплекс Knölker , например, является катализатором переноса гидрирования кетонов .

Промышленное использование

Соединения железа, производимые в наибольшем масштабе в промышленности, представляют собой сульфат железа(II) (FeSO 4 · 7H 2 O ) и хлорид железа(III) (FeCl 3 ). Первая является одним из наиболее доступных источников железа(II), но менее устойчива к окислению воздухом, чем соль Мора ( (NH 4 ) 2 Fe(SO 4 ) 2 · 6H 2 O ). Соединения железа (II) имеют тенденцию окисляться на воздухе до соединений железа (III).

История

Развитие металлургии железа

Железо — один из элементов, несомненно известных древнему миру. Его обрабатывали или ковали на протяжении тысячелетий. Однако железные артефакты большого возраста встречаются гораздо реже, чем предметы из золота или серебра, из-за легкости коррозии железа. Технология развивалась медленно, и даже после открытия выплавки железа потребовалось много столетий, чтобы заменить бронзу в качестве предпочтительного металла для инструментов и оружия.

метеоритное железо

Железный наконечник гарпуна из Гренландии . Железный край покрывает гарпун из бивня нарвала с использованием метеоритного железа из метеорита Кейп-Йорк , одного из крупнейших известных железных метеоритов.

Бусины, сделанные из метеоритного железа в 3500 г. до н.э. или раньше, были найдены в Герзе , Египет Г.А. Уэйнрайтом. Бусины содержат 7,5% никеля, что является признаком метеоритного происхождения, поскольку железо, обнаруженное в земной коре, обычно имеет лишь незначительные примеси никеля.

Метеоритный металл высоко ценился из-за своего происхождения на небесах и часто использовался для ковки оружия и инструментов. Например, в гробнице Тутанхамона был найден кинжал из метеоритного железа , содержащий такие же пропорции железа, кобальта и никеля, как и обнаруженный в этом районе метеорит, отложенный древним метеоритным дождем. Предметы, которые, вероятно, были сделаны египтянами из железа, датируются периодом с 3000 по 2500 год до нашей эры.

Метеоритный чугун относительно мягкий и пластичный, легко поддается холодной ковке , но может стать хрупким при нагревании из-за содержания никеля .

Кованое железо

Круг с короткой простой стрелкой, идущей по диагонали вверх и вправо от края.
Символ Марса использовался с древних времен для обозначения железа.
Столб, слегка рифленый, с орнаментом наверху.  Он черный, слегка выветренный до темно-коричневого у основания.  Его высота составляет около 7 метров (23 фута).  Он стоит на приподнятом круглом каменном основании и окружен коротким квадратным забором.
Железный столб Дели является примером методологии добычи и обработки железа в ранней Индии .

Первое производство железа началось в эпоху средней бронзы , но прошло несколько столетий, прежде чем железо вытеснило бронзу. Образцы плавленого железа из Асмара , Месопотамии и базара Высокий Чагар в северной Сирии были сделаны где-то между 3000 и 2700 годами до нашей эры. Хетты основали империю в северо-центральной Анатолии около 1600 г. до н.э. Они, по-видимому, первыми поняли производство железа из его руд и высоко ценят его в своем обществе. Хетты начали плавить железо между 1500 и 1200 годами до нашей эры, и эта практика распространилась на остальную часть Ближнего Востока после того, как их империя пала в 1180 году до нашей эры . Последующий период называют железным веком .

Артефакты из плавленого железа были найдены в Индии с 1800 по 1200 г. до н.э. и в Леванте примерно с 1500 г. до н.э. (предполагая плавку в Анатолии или на Кавказе ). Предполагаемые ссылки (сравните историю металлургии в Южной Азии ) на железо в индийских Ведах использовались для утверждений об очень раннем использовании железа в Индии, соответственно, для датировки текстов как таковых. Термин айас (металл) в ригведе относится к меди, в то время как железо, которое называется шайама айас , буквально «черная медь», впервые упоминается в постригведической Атхарваведе .

Некоторые археологические данные свидетельствуют о том, что железо выплавляли в Зимбабве и Юго-Восточной Африке еще в восьмом веке до нашей эры. Обработка железа была завезена в Грецию в конце 11 века до нашей эры, откуда быстро распространилась по всей Европе.

Железный серп из Древней Греции.

Распространение обработки железа в Центральной и Западной Европе связано с кельтской экспансией. Согласно Плинию Старшему , использование железа было обычным явлением в римскую эпоху. На землях того, что сейчас считается Китаем, железо появляется примерно в 700–500 годах до н.э. Выплавка железа могла быть завезена в Китай через Среднюю Азию. Самые ранние свидетельства использования доменной печи в Китае относятся к I веку нашей эры, а вагранки использовались еще в период Сражающихся царств (403–221 до н.э.). Использование доменных и ваграночных печей оставалось широко распространенным во времена династий Тан и Сун .

Во время промышленной революции в Великобритании Генри Корт начал перерабатывать чугун из чугуна в кованое железо (или прутковый чугун), используя инновационные производственные системы. В 1783 году он запатентовал процесс рафинирования железной руды. Позже он был улучшен другими, в том числе Джозефом Холлом .

Чугун

Чугун был впервые произведен в Китае в 5 веке до нашей эры, но почти не был в Европе до средневековья. Самые ранние артефакты из чугуна были обнаружены археологами на территории современного округа Лухэ провинции Цзянсу в Китае. Чугун использовался в древнем Китае для войны, сельского хозяйства и архитектуры. В средневековый период в Европе были найдены средства производства кованого железа из чугуна (в данном контексте известного как чугун ) с использованием кузнечных мастерских . Для всех этих процессов в качестве топлива требовался древесный уголь .

Коулбрукдейл ночью , 1801 год. Доменные печи освещают город по производству чугуна Коулбрукдейл .

Средневековые доменные печи были около 10 футов (3,0 м) в высоту и сделаны из огнеупорного кирпича; нагнетание воздуха обычно обеспечивалось ручными мехами. Современные доменные печи стали намного больше, с очагами диаметром четырнадцать метров, которые позволяют им производить тысячи тонн железа каждый день, но в основном работают так же, как и в средневековые времена.

В 1709 году Авраам Дарби I установил коксовую доменную печь для производства чугуна, заменив древесный уголь, но продолжая использовать доменные печи. Последовавшая за этим доступность недорогого железа была одним из факторов, приведших к промышленной революции . К концу 18 века чугун стал заменять кованое железо для определенных целей, потому что он был дешевле. Содержание углерода в железе не считалось причиной различий в свойствах кованого железа, чугуна и стали до 18 века.

Поскольку железо дешевело и становилось все более доступным, оно также стало основным конструкционным материалом после строительства инновационного первого железного моста в 1778 году. Этот мост до сих пор стоит как памятник роли железа в промышленной революции. После этого железо использовалось в рельсах, лодках, кораблях, акведуках и зданиях, а также в железных цилиндрах паровых двигателей . Железные дороги сыграли центральную роль в формировании современности и идей прогресса, и в различных языках железные дороги называются железной дорогой (например, французский chemin de fer , немецкий Eisenbahn , турецкий demiryolu , русский железная дорога , китайский, японский и корейский鐵道, вьетнамский đường sắt ).

Сталь

Сталь (с меньшим содержанием углерода, чем в чугуне, но большим, чем в кованом железе) впервые была произведена в древности с использованием кримов . К 1000 г. до н.э. кузнецы в Луристане в западной Персии делали хорошую сталь. Затем были разработаны улучшенные версии, сталь Wootz из Индии и сталь Damascus около 300 г. до н.э. и 500 г. н.э. соответственно. Эти методы были специализированными, поэтому сталь не стала основным товаром до 1850-х годов.

В 17 веке были изобретены новые методы его получения путем науглероживания железных стержней в процессе цементации . Во время промышленной революции были разработаны новые методы производства пруткового железа без древесного угля, которые позже были применены для производства стали. В конце 1850-х годов Генри Бессемер изобрел новый процесс производства стали, включающий продувку расплавленного чугуна воздухом для производства мягкой стали. Это сделало сталь намного более экономичной, что привело к тому, что кованое железо больше не производилось в больших количествах.

Основы современной химии

В 1774 году Антуан Лавуазье использовал реакцию водяного пара с металлическим железом внутри раскаленной железной трубки для получения водорода в своих экспериментах, что привело к демонстрации сохранения массы , что сыграло важную роль в превращении химии из качественной науки в количественную.

Символическая роль

Gold gab ich für Eisen — «Я отдал золото за железо» . Немецко-американская брошь времен Первой мировой войны.

Железо играет определенную роль в мифологии и нашло различное использование в качестве метафоры и в фольклоре . Греческий поэт Гесиод « Труды и дни» (строки 109–201 ) перечисляет разные возрасты человека, названные в честь металлов, таких как золото, серебро, бронза и железо, для объяснения последовательных возрастов человечества. Железный век был тесно связан с Римом, и в « Метаморфозах» Овидия

Добродетели в отчаянии покидают землю; и испорченность человека становится всеобщей и полной. Тогда преуспела твердая сталь.

-  Овидий, Метаморфозы , Книга I, Железный век, строка 160 и далее.

Пример важности символической роли железа можно найти в германской кампании 1813 года . Фридрих Вильгельм III заказал тогда первый Железный крест в качестве военной награды. Пик производства берлинских железных украшений пришелся на период с 1813 по 1815 год, когда прусская королевская семья призвала граждан жертвовать золотые и серебряные украшения для финансирования военных нужд. Надпись Gold gab ich für Eisen («Я отдал золото за железо») использовалась и в более поздних военных действиях.

Производство металлического железа

Железная печь в Колумбусе, Огайо, 1922 год.

Лабораторные маршруты

Для некоторых ограниченных целей, когда это необходимо, чистое железо производится в лаборатории в небольших количествах путем восстановления чистого оксида или гидроксида водородом или образования пентакарбонила железа и нагревания его до 250 ° C, чтобы оно разлагалось с образованием порошка чистого железа. . Другой метод - электролиз хлорида железа на железном катоде.

Основной промышленный маршрут

Производство чугуна в 2009 г. (млн тонн )
Страна Железная руда Чугун Прямое железо Сталь
 Китай 1114,9 549,4 573,6
 Австралия 393,9 4.4 5.2
 Бразилия 305.0 25.1 0,011 26,5
 Япония 66,9 87,5
 Индия 257,4 38,2 23,4 63,5
 Россия 92,1 43,9 4.7 60,0
 Украина 65,8 25,7 29,9
 Южная Корея 0,1 27,3 48,6
 Германия 0,4 20.1 0,38 32,7
Мир 1594,9 914,0 64,5 1232,4

В настоящее время промышленное производство чугуна или стали состоит из двух основных этапов. На первом этапе железная руда восстанавливается коксом в доменной печи , а расплавленный металл отделяется от грубых примесей, таких как силикатные минералы . На этой стадии получается сплав — чугун , который содержит относительно большое количество углерода. На втором этапе количество углерода в чугуне снижается за счет окисления с получением кованого железа, стали или чугуна. На этой стадии могут быть добавлены другие металлы для получения легированных сталей .

Китайская иллюстрация 17 века, изображающая рабочих у доменной печи, производящих кованое железо из чугуна.
Как добывали железо в 19 веке

Доменная обработка

В доменную печь загружают железную руду, обычно гематит Fe 2 O 3 или магнетит Fe 3 O 4 , а также кокс ( уголь , который был отдельно обожжен для удаления летучих компонентов) и флюс ( известняк или доломит ). Через смесь продувают «взрывы» воздуха, предварительно нагретого до 900 ° C (иногда с обогащением кислородом), в количестве, достаточном для превращения углерода в монооксид углерода :

Эта реакция повышает температуру примерно до 2000°C. Угарный газ восстанавливает железную руду до металлического железа.

Некоторое количество железа в высокотемпературной нижней части печи непосредственно реагирует с коксом:

Флюс удаляет кремнистые минералы из руды, которые в противном случае засорили бы печь: тепло печи разлагает карбонаты на оксид кальция , который вступает в реакцию с избытком кремнезема с образованием шлака , состоящего из силиката кальция CaSiO 3 или других продуктов. При температуре печи металл и шлак находятся в расплавленном состоянии. Они собираются на дне в виде двух несмешивающихся жидких слоев (со шлаком сверху), которые затем легко разделяются. Шлак можно использовать в качестве материала при строительстве дорог или для улучшения бедных минералами почв в сельском хозяйстве .

Таким образом, производство стали остается одним из крупнейших промышленных источников выбросов CO 2 в мире.

Эта куча железорудных окатышей будет использоваться в производстве стали.

Сталеплавильное производство

Горшок с расплавленным железом используется для производства стали

Чугун, полученный доменным способом, содержит до 4–5% углерода (по массе) с небольшим количеством других примесей, таких как сера, магний, фосфор и марганец. Этот высокий уровень углерода делает его относительно слабым и хрупким. Уменьшение количества углерода до 0,002–2,1% дает сталь , которая может быть до 1000 раз тверже чистого железа. Затем путем холодной обработки , горячей прокатки , ковки , механической обработки и т. д. можно изготовить большое разнообразие стальных изделий . Удаление примесей из чугуна, но оставление 2–4% углерода приводит к получению чугуна , из которого в литейных цехах отливают изделия . такие как печи, трубы, радиаторы, фонарные столбы и рельсы.

Стальные изделия часто подвергаются различным термообработкам после ковки по заданной форме. Отжиг заключается в нагреве их до 700–800 °С в течение нескольких часов и последующем постепенном охлаждении. Это делает сталь более мягкой и удобной в обработке.

Прямое восстановление железа

Из-за экологических соображений были разработаны альтернативные методы обработки железа. « Прямое восстановление железа » восстанавливает железную руду до кускового железа, называемого «губчатым» железом или «прямым» железом, которое подходит для производства стали. Две основные реакции включают процесс прямого восстановления:

Природный газ частично окисляется (с помощью тепла и катализатора):

Затем железную руду обрабатывают этими газами в печи с получением твердого губчатого железа:

Кремнезем удаляют добавлением известнякового флюса, как описано выше.

Термитный процесс

Воспламенение смеси порошка алюминия и оксида железа дает металлическое железо в результате термитной реакции :

В качестве альтернативы чугун может быть переработан в сталь (с содержанием углерода примерно до 2%) или кованое железо (коммерчески чистое железо). Для этого использовались различные процессы, в том числе кузнечные горны , пудлинговые печи, бессемеровские конвертеры , мартеновские печи , кислородные печи и электродуговые печи . Во всех случаях целью является окисление части или всего углерода вместе с другими примесями. С другой стороны, другие металлы могут быть добавлены для изготовления легированных сталей.

Приложения

Как конструкционный материал

Железо является наиболее широко используемым из всех металлов, на его долю приходится более 90% мирового производства металлов. Его низкая стоимость и высокая прочность часто делают его предпочтительным материалом для противостояния нагрузкам или передачи усилий, таких как строительство машин и станков , рельсов , автомобилей , корпусов кораблей , бетонных арматурных стержней и несущих конструкций зданий. Поскольку чистое железо довольно мягкое, его чаще всего комбинируют с легирующими элементами для изготовления стали.

Механические свойства

Характерные значения предела прочности при растяжении (TS) и твердости по Бринеллю (BH) различных форм железа.
Материал ТС
(МПа)
BH
( Бринелл )
Железные усы 11000
Аусформированная (закаленная)
сталь
2930 850–1200
Мартенситная сталь 2070 600
Бейнитная сталь 1380 400
Перлитная сталь 1200 350
Холодное железо 690 200
Мелкозернистое железо 340 100
Углеродсодержащее железо 140 40
Чистое монокристаллическое железо 10 3

Механические свойства железа и его сплавов чрезвычайно важны для их конструкционных применений. Эти свойства можно оценить различными способами, включая тест Бринелля , тест Роквелла и тест на твердость по Виккерсу .

Свойства чистого железа часто используются для калибровки измерений или для сравнения тестов. Однако чистота образца существенно влияет на механические свойства железа: чистые монокристаллы железа на самом деле мягче алюминия, а самое чистое промышленное железо (99,99%) имеет твердость 20–30 по Бринеллю. Чистое железо (99,9%~99,999%), особенно называемое электролитическим железом , производится в промышленных масштабах путем электролитического рафинирования .

Увеличение содержания углерода вызовет значительное увеличение твердости и прочности железа на растяжение. Максимальная твердость 65 Rc достигается при содержании углерода 0,6 %, хотя сплав имеет низкую прочность на растяжение. Из-за мягкости железа с ним намного легче работать, чем с его более тяжелыми сородичами рутением и осмием .

Фазовая диаграмма железо-углерод

Типы сталей и сплавов

α-железо — достаточно мягкий металл, способный растворять лишь небольшую концентрацию углерода (не более 0,021 % по массе при 910 °С). Аустенит (γ-железо) также мягкий и металлический, но может растворять значительно больше углерода (до 2,04% по массе при 1146 ° C). Эта форма железа используется в нержавеющей стали , используемой для изготовления столовых приборов, оборудования для больниц и общественного питания.

Коммерчески доступное железо классифицируется на основе чистоты и обилия добавок. Чугун содержит 3,5–4,5% углерода и содержит различное количество загрязняющих веществ, таких как сера , кремний и фосфор . Чугун не товарный продукт, а промежуточный этап в производстве чугуна и стали. Снижение примесей в чугуне, отрицательно влияющих на свойства материала, таких как сера и фосфор, дает чугун, содержащий 2–4% углерода, 1–6% кремния и небольшое количество марганца . Чугун имеет температуру плавления в диапазоне 1420–1470 К, что ниже, чем у любого из двух его основных компонентов, и делает его первым продуктом, который плавится при совместном нагревании углерода и железа. Его механические свойства сильно различаются и зависят от формы, которую углерод принимает в сплаве.

«Белые» чугуны содержат углерод в виде цементита или карбида железа (Fe 3 C). Это твердое, хрупкое соединение доминирует над механическими свойствами белого чугуна, делая его твердым, но неустойчивым к ударам. Изломанная поверхность белого чугуна полна мелких граней сломанного карбида железа, очень бледного, серебристого, блестящего материала, отсюда и название. Медленное охлаждение смеси железа с 0,8% углерода ниже 723 ° C до комнатной температуры приводит к образованию отдельных чередующихся слоев цементита и α-железа, который является мягким и ковким и называется перлитом из- за его внешнего вида. С другой стороны, быстрое охлаждение не дает времени для этого разделения и создает твердый и хрупкий мартенсит . Затем сталь можно закалить путем повторного нагрева до промежуточной температуры, изменив пропорции перлита и мартенсита. Конечным продуктом с содержанием углерода ниже 0,8 % является смесь перлита и α-Fe, а с содержанием углерода выше 0,8 % — смесь перлита и цементита.

В сером чугуне углерод существует в виде отдельных мелких чешуек графита , а также делает материал хрупким из-за чешуек графита с острыми краями, которые создают места концентрации напряжений внутри материала. Более новый вариант серого чугуна, называемый ковким чугуном , специально обрабатывается следовыми количествами магния , чтобы изменить форму графита на сфероиды или узелки, уменьшая концентрацию напряжений и значительно увеличивая ударную вязкость и прочность материала.

Кованое железо содержит менее 0,25% углерода, но большое количество шлака, что придает ему волокнистую структуру. Это прочный, ковкий продукт, но не такой плавкий, как чугун. Если отточить до края, он быстро его теряет. Кованое железо характеризуется наличием тонких волокон шлака , захваченных металлом. Кованое железо более устойчиво к коррозии, чем сталь. Он был почти полностью заменен мягкой сталью для традиционных изделий из «кованого железа» и кузнечного дела .

Мягкая сталь подвержена коррозии быстрее, чем кованое железо, но она дешевле и более доступна. Углеродистая сталь содержит 2,0% углерода или менее, с небольшими количествами марганца , серы , фосфора и кремния. Легированные стали содержат различное количество углерода, а также других металлов, таких как хром , ванадий , молибден , никель, вольфрам и т. д. Содержание в них сплава повышает их стоимость, поэтому они обычно используются только для специальных целей. Однако одной из распространенных легированных сталей является нержавеющая сталь . Недавние разработки в области черной металлургии привели к производству растущего ассортимента микролегированных сталей, также называемых « HSLA » или высокопрочными низколегированными сталями, содержащими крошечные добавки для получения высокой прочности и часто впечатляющей ударной вязкости при минимальных затратах.

Сплавы с химическим составом высокой чистоты (например, сплавы электролитического железа ) обладают особыми улучшенными свойствами, такими как пластичность , предел прочности при растяжении , ударная вязкость , усталостная прочность , термостойкость и коррозионная стойкость.

Помимо традиционных применений, железо также используется для защиты от ионизирующего излучения. Хотя он легче другого традиционного защитного материала, свинца , он намного прочнее механически. Затухание излучения в зависимости от энергии показано на графике.

Основным недостатком железа и стали является то, что чистое железо и большинство его сплавов сильно страдают от ржавчины , если не защищены каким-либо образом, что составляет более 1% мировой экономики. Окраска , гальванизация , пассивация , пластиковое покрытие и воронение используются для защиты железа от ржавчины путем исключения воды и кислорода или путем катодной защиты . Механизм коррозии железа следующий:

Катод: 3 O 2 + 6 H 2 O + 12 e - → 12 OH -
Анод: 4 Fe → 4 Fe 2+ + 8 e - ; 4 Fe 2+ → 4 Fe 3+ + 4 e -
Всего: 4 Fe + 3 O 2 + 6 H 2 O → 4 Fe 3+ + 12 OH → 4 Fe(OH) 3 или 4 FeO(OH) + 4 H 2 O

Электролит обычно представляет собой сульфат железа (II) в городских районах (образующийся при воздействии атмосферного диоксида серы на железо) и частицы соли в атмосфере в приморских районах.

Катализаторы и реагенты

Поскольку железо недорогое и нетоксичное, много усилий было направлено на разработку катализаторов и реагентов на основе железа . Однако железо менее распространено в качестве катализатора в коммерческих процессах, чем более дорогие металлы. В биологии широко распространены Fe-содержащие ферменты.

Железные катализаторы традиционно используются в процессе Габера-Боша для производства аммиака и в процессе Фишера-Тропша для преобразования монооксида углерода в углеводороды для топлива и смазочных материалов. Порошок железа в кислой среде применяют при восстановлении по Бешану , превращении нитробензола в анилин .

Соединения железа

Оксид железа (III), смешанный с алюминиевым порошком, можно поджечь, чтобы создать термитную реакцию , используемую при сварке больших железных деталей (например, рельсов ) и очистке руд. Оксид и оксигидроксид железа (III) используются в качестве красноватых и охристых пигментов .

Хлорид железа (III) находит применение в очистке воды и очистке сточных вод , при окрашивании тканей, в качестве красителя в красках, в качестве добавки в корма для животных и в качестве травителя для меди при производстве печатных плат . Его также можно растворить в спирте, чтобы получить настойку железа, которая используется в качестве лекарства для остановки кровотечения у канареек .

Сульфат железа (II) используется в качестве предшественника других соединений железа. Он также используется для уменьшения содержания хромата в цементе. Он используется для обогащения пищевых продуктов и лечения железодефицитной анемии . Сульфат железа (III) используется для осаждения мельчайших частиц сточных вод в резервуарной воде. Хлорид железа (II) используется в качестве флокулянта-восстановителя, при образовании комплексов железа и магнитных оксидов железа, а также в качестве восстановителя в органическом синтезе.

Нитропруссид натриясосудорасширяющее средство . Он входит в Список основных лекарственных средств Всемирной организации здравоохранения .

Биологическая и патологическая роль

Железо необходимо для жизни. Кластеры железа и серы широко распространены и включают нитрогеназу , ферменты, ответственные за биологическую фиксацию азота . Железосодержащие белки участвуют в транспорте, хранении и использовании кислорода. Белки железа участвуют в переносе электронов .

Упрощенная структура Heme b ; в белке к Fe присоединен дополнительный лиганд (ы).

Примеры железосодержащих белков высших организмов включают гемоглобин, цитохром (см. высоковалентное железо ) и каталазу . Средний взрослый человек содержит около 0,005% веса тела, или около четырех граммов, из которых три четверти находятся в гемоглобине — уровень, который остается постоянным, несмотря на то, что каждый день усваивается всего около одного миллиграмма железа, потому что человеческий организм перерабатывает свой гемоглобин. на содержание железа.

Микробному росту может способствовать окисление железа (II) или восстановление железа (III).

Биохимия

Приобретение железа представляет проблему для аэробных организмов, потому что трехвалентное железо плохо растворяется вблизи нейтрального pH. Таким образом, эти организмы разработали средства для поглощения железа в виде комплексов, иногда поглощая двухвалентное железо, прежде чем окислять его обратно до трехвалентного железа. В частности, бактерии выработали секвестрирующие агенты с очень высоким сродством, называемые сидерофорами .

После поглощения клетками человека запасы железа точно регулируются. Основным компонентом этой регуляции является белок трансферрин , который связывает ионы железа, абсорбированные из двенадцатиперстной кишки , и переносит его с кровью к клеткам. Трансферрин содержит Fe 3+ в середине искаженного октаэдра, связанного с одним азотом, тремя атомами кислорода и хелатирующим анионом карбоната , который улавливает ион Fe 3+ : он имеет такую ​​высокую константу стабильности , что очень эффективно поглощает Fe 3 + ионы даже из самых устойчивых комплексов. В костном мозге трансферрин восстанавливается из Fe 3+ и Fe 2+ и сохраняется в виде ферритина для включения в гемоглобин.

Наиболее известными и изученными бионеорганическими соединениями железа (молекулами биологического железа) являются белки гема : примерами являются гемоглобин , миоглобин и цитохром Р450 . Эти соединения участвуют в транспортировке газов, построении ферментов и переносе электронов . Металлопротеины представляют собой группу белков с кофакторами ионов металлов . Некоторыми примерами металлопротеинов железа являются ферритин и рубредоксин . Многие ферменты, жизненно важные для жизни, содержат железо, например, каталаза , липоксигеназы и IRE-BP .

Гемоглобин является переносчиком кислорода, который содержится в красных кровяных тельцах и способствует их окраске, транспортируя кислород по артериям от легких к мышцам, где он передается миоглобину , который хранит его до тех пор, пока он не понадобится для метаболического окисления глюкозы , вырабатывая энергию . . Здесь гемоглобин связывается с углекислым газом , образующимся при окислении глюкозы, который транспортируется гемоглобином по венам (преимущественно в виде анионов бикарбоната ) обратно в легкие, где он выдыхается. В гемоглобине железо находится в одной из четырех гемовых групп и имеет шесть возможных координационных центров; четыре заняты атомами азота в порфириновом кольце, пятый - азотом имидазола в гистидиновом остатке одной из белковых цепей, присоединенных к группе гема, а шестой зарезервирован для молекулы кислорода, с которой он может обратимо связываться. Когда гемоглобин не связан с кислородом (и тогда он называется дезоксигемоглобином), ион Fe 2+ в центре гемовой группы (во внутренней части гидрофобного белка) находится в высокоспиновой конфигурации . Таким образом, он слишком велик, чтобы поместиться внутри порфиринового кольца, которое вместо этого изгибается в купол с ионом Fe 2+ примерно в 55 пикометрах над ним. В этой конфигурации шестой координационный центр, зарезервированный для кислорода, заблокирован другим остатком гистидина.

Когда дезоксигемоглобин захватывает молекулу кислорода, этот остаток гистидина удаляется и возвращается, как только кислород надежно присоединен, образуя с ним водородную связь . Это приводит к переключению иона Fe 2+ в низкоспиновую конфигурацию, что приводит к уменьшению ионного радиуса на 20%, так что теперь он может вписаться в порфириновое кольцо, которое становится плоским. (Кроме того, эта водородная связь приводит к наклону молекулы кислорода, в результате чего угол связи Fe-O-O составляет около 120°, что позволяет избежать образования мостиков Fe-O-Fe или Fe-O 2 -Fe, которые могли бы привести к переносу электронов, окислению Fe 2+ до Fe 3+ и разрушению гемоглобина.) Это приводит к перемещению всех белковых цепей, что приводит к изменению формы других субъединиц гемоглобина на форму с большим сродством к кислороду. Таким образом, когда дезоксигемоглобин поглощает кислород, его сродство к большему количеству кислорода увеличивается, и наоборот. Миоглобин, с другой стороны, содержит только одну группу гема, и, следовательно, этот кооперативный эффект невозможен. Таким образом, хотя гемоглобин почти насыщен кислородом при высоких парциальных давлениях кислорода в легких, его сродство к кислороду намного ниже, чем у миоглобина, который оксигенирует даже при низких парциальных давлениях кислорода, обнаруженных в мышечной ткани. Как описано в эффекте Бора (названном в честь Кристиана Бора , отца Нильса Бора ), сродство гемоглобина к кислороду уменьшается в присутствии углекислого газа.

Гемовая единица карбоксигемоглобина человека , показывающая карбонильный лиганд в апикальном положении, транс к остатку гистидина.

Угарный газ и трифторид фосфора ядовиты для человека, потому что они связываются с гемоглобином так же, как кислород, но с гораздо большей силой, так что кислород больше не может транспортироваться по всему телу. Гемоглобин, связанный с монооксидом углерода, известен как карбоксигемоглобин . Этот эффект также играет незначительную роль в токсичности цианида , но здесь основным эффектом является его вмешательство в правильное функционирование электрон-транспортного белка цитохрома а . Цитохромные белки также включают гемовые группы и участвуют в метаболическом окислении глюкозы кислородом. Затем шестой координационный центр занимает либо другой имидазольный азот, либо метиониновая сера, так что эти белки в значительной степени инертны по отношению к кислороду, за исключением цитохрома а, который напрямую связывается с кислородом и поэтому очень легко отравляется цианидом. Здесь происходит перенос электрона, поскольку железо остается с низким спином, но меняет состояния окисления между +2 и +3. Поскольку восстановительный потенциал каждого шага немного больше, чем предыдущего, энергия высвобождается шаг за шагом и, таким образом, может храниться в аденозинтрифосфате . Цитохром а немного отличается, так как он встречается на митохондриальной мембране, напрямую связывается с кислородом и переносит протоны, а также электроны следующим образом:

4 Cytc 2+ + O 2 + 8H+
внутри
→ 4 Cytc 3+ + 2 H 2 O + 4H+
снаружи

Хотя гемовые белки являются наиболее важным классом железосодержащих белков, железо-серные белки также очень важны, поскольку они участвуют в переносе электронов, что возможно, поскольку железо может стабильно существовать как в +2, так и в +3 состояниях окисления. Они имеют один, два, четыре или восемь атомов железа, каждый из которых примерно тетраэдрически координирован с четырьмя атомами серы; из-за этой тетраэдрической координации они всегда имеют высокоспиновое железо. Простейшим из таких соединений является рубредоксин , который имеет только один атом железа, координированный с четырьмя атомами серы из остатков цистеина в окружающих пептидных цепях. Еще одним важным классом железо-серных белков являются ферредоксины , которые имеют несколько атомов железа. Трансферрин не принадлежит ни к одному из этих классов.

Способность морских мидий удерживать камни в океане облегчается за счет использования ими металлоорганических связей на основе железа в их богатых белком кутикулах . Основываясь на синтетических репликах, присутствие железа в этих структурах увеличило модуль упругости в 770 раз, прочность на растяжение в 58 раз и ударную вязкость в 92 раза. Количество стресса, необходимого для их необратимого повреждения, увеличилось в 76 раз.

Питание

Диета

Железо широко распространено, но особенно богатыми источниками пищевого железа являются красное мясо , устрицы , бобы , птица , рыба , листовые овощи , кресс -салат , тофу и патока . Хлеб и сухие завтраки иногда специально обогащают железом.

Железо, содержащееся в пищевых добавках , часто встречается в виде фумарата железа (II) , хотя сульфат железа (II) дешевле и усваивается одинаково хорошо. Элементарное железо или восстановленное железо, несмотря на то, что оно усваивается с эффективностью от одной трети до двух третей (относительно сульфата железа), часто добавляют в такие продукты, как сухие завтраки или обогащенную пшеничную муку. Железо наиболее доступно для организма, когда оно хелатировано аминокислотами, а также доступно для использования в качестве обычной добавки железа . Глицин , наименее дорогая аминокислота, чаще всего используется для производства добавок глицината железа.

Диетические рекомендации

Институт медицины США (IOM) обновил оценочные средние потребности (EAR) и рекомендуемые пищевые нормы (RDA) железа в 2001 году. Текущий EAR для железа для женщин в возрасте 14–18 лет составляет 7,9 мг/день, 8,1 мг/день для возрастной группы 19–50 лет. и 5,0 после этого (постменопауза). Для мужчин EAR составляет 6,0 мг/день в возрасте 19 лет и старше. RDA составляет 15,0 мг / день для женщин в возрасте 15–18 лет, 18,0 мг для женщин в возрасте 19–50 лет и 8,0 мг в последующем. Для мужчин 8,0 мг/день в возрасте 19 лет и старше. RDA выше, чем EAR, чтобы определить суммы, которые покроют людей с потребностями выше среднего. Рекомендуемая суточная доза при беременности составляет 27 мг/сут, при лактации – 9 мг/сут. Для детей в возрасте 1-3 лет 7 мг/день, 10 мг в возрасте 4-8 лет и 8 лет в возрасте 9-13 лет. Что касается безопасности, IOM также устанавливает допустимые верхние уровни потребления (UL) для витаминов и минералов, когда доказательств достаточно. В случае железа UL устанавливается на уровне 45 мг/день. В совокупности EAR, RDA и UL называются эталонными нормами потребления с пищей .

Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов (EFSA) называет совокупный набор данных референтными значениями рациона питания, с эталонным потреблением для населения (PRI) вместо RDA и средней потребностью вместо EAR. AI и UL определены так же, как в США. Для женщин PRI составляет 13 мг/день в возрасте 15–17 лет, 16 мг/день для женщин в возрасте 18 лет и старше в пременопаузе и 11 мг/день в постменопаузе. При беременности и в период лактации 16 мг/сут. Для мужчин PRI составляет 11 мг/день в возрасте 15 лет и старше. Для детей в возрасте от 1 до 14 лет PRI увеличивается с 7 до 11 мг/сут. PRI выше, чем RDA США, за исключением беременности. EFSA рассмотрело тот же вопрос безопасности и не установило UL.

Младенцам могут потребоваться добавки железа, если они находятся на искусственном вскармливании коровьим молоком. Частые доноры крови подвержены риску низкого уровня железа, и им часто рекомендуется дополнять потребление железа.

Для целей маркировки пищевых продуктов и пищевых добавок в США количество в порции выражается в процентах от дневной нормы (%DV). Для целей маркировки железа 100% дневной нормы составляло 18 мг, и по состоянию на 27 мая 2016 г. оно оставалось неизменным на уровне 18 мг. Таблица старых и новых суточных значений для взрослых представлена ​​в разделе « Справочное суточное потребление» .

Дефицит

Дефицит железа является наиболее распространенным недостатком питания в мире. Когда потеря железа не компенсируется адекватным потреблением железа с пищей, возникает состояние латентного дефицита железа , которое со временем приводит к железодефицитной анемии , если ее не лечить, которая характеризуется недостаточным количеством эритроцитов и недостаточным количеством гемоглобина. Заболеванию наиболее подвержены дети, женщины в пременопаузе (женщины детородного возраста) и люди с неправильным питанием. Большинство случаев железодефицитной анемии протекают в легкой форме, но при отсутствии лечения могут вызвать такие проблемы, как учащенное или нерегулярное сердцебиение, осложнения во время беременности и задержку роста у младенцев и детей.

Избыток

Поглощение железа жестко регулируется человеческим организмом, у которого нет регулируемых физиологических способов выделения железа. Лишь небольшое количество железа теряется ежедневно из-за отторжения эпителиальных клеток слизистых оболочек и кожи, поэтому контроль уровня железа в первую очередь достигается путем регуляции поглощения. Регуляция усвоения железа нарушена у некоторых людей в результате генетического дефекта , который картируется в области гена HLA-H на хромосоме 6 и приводит к аномально низким уровням гепсидина , ключевого регулятора поступления железа в систему кровообращения у млекопитающие. У этих людей чрезмерное потребление железа может привести к нарушениям перегрузки железом , известным в медицине как гемохроматоз . Многие люди имеют невыявленную генетическую предрасположенность к перегрузке железом и не знают о семейной истории этой проблемы. По этой причине людям не следует принимать добавки железа, если они не страдают дефицитом железа и не проконсультировались с врачом. По оценкам, гемохроматоз является причиной от 0,3 до 0,8% всех метаболических заболеваний у европеоидов.

Передозировка принимаемого железа может вызвать чрезмерный уровень свободного железа в крови. Высокий уровень свободного двухвалентного железа в крови реагирует с пероксидами с образованием высокореактивных свободных радикалов , которые могут повредить ДНК , белки , липиды и другие клеточные компоненты. Токсичность железа возникает, когда клетка содержит свободное железо, что обычно происходит, когда уровни железа превышают доступность трансферрина для связывания железа. Повреждение клеток желудочно- кишечного тракта также может помешать им регулировать всасывание железа, что приведет к дальнейшему повышению его уровня в крови. Железо обычно повреждает клетки сердца , печени и других органов, вызывая побочные эффекты, включая кому , метаболический ацидоз , шок , печеночную недостаточность , коагулопатию , длительное повреждение органов и даже смерть. Люди испытывают токсичность железа, когда содержание железа превышает 20 миллиграммов на каждый килограмм массы тела; 60 миллиграммов на килограмм считается смертельной дозой . Чрезмерное потребление железа, часто возникающее в результате употребления детьми большого количества таблеток сульфата железа , предназначенных для потребления взрослыми, является одной из наиболее распространенных токсикологических причин смерти детей в возрасте до шести лет. Диетическое эталонное потребление (DRI) устанавливает допустимый верхний уровень потребления (UL) для взрослых на уровне 45 мг / день. Для детей младше четырнадцати лет UL составляет 40 мг/день.

Медикаментозное лечение токсичности железа сложно и может включать использование специального хелатирующего агента, называемого дефероксамином , для связывания и выведения избытка железа из организма.

СДВГ

Некоторые исследования показали, что низкий уровень таламического железа может играть роль в патофизиологии СДВГ . Некоторые исследователи обнаружили, что добавки железа могут быть эффективными, особенно при невнимательном подтипе расстройства. Одно исследование также показало, что железо может снижать риск сердечно-сосудистых событий во время лечения препаратами от СДВГ.

Некоторые исследователи в 2000-х годах предположили связь между низким уровнем железа в крови и СДВГ. Исследование 2012 года не обнаружило такой корреляции.

Рак

Роль железа в защите от рака можно охарактеризовать как «палку о двух концах» из-за его повсеместного присутствия в непатологических процессах. У людей, проходящих химиотерапию , может развиться дефицит железа и анемия , при которых для восстановления уровня железа используется внутривенная терапия препаратами железа. Перегрузка железом, которая может возникнуть при высоком потреблении красного мяса, может инициировать рост опухоли и повышать предрасположенность к возникновению рака, особенно колоректального рака .

Морские системы

Железо играет важную роль в морских системах и может выступать в качестве ограничивающего питательного вещества для планктонной активности. Из-за этого слишком большое снижение содержания железа может привести к снижению скорости роста фитопланктонных организмов, таких как диатомовые водоросли. Железо также может окисляться морскими микробами в условиях с высоким содержанием железа и низким содержанием кислорода.

Железо может попадать в морские системы через прилегающие реки и непосредственно из атмосферы. Как только железо попадает в океан, оно может распределяться по всей толще воды путем перемешивания в океане и рециркуляции на клеточном уровне. В Арктике морской лед играет важную роль в хранении и распределении железа в океане, истощая океаническое железо, когда оно замерзает зимой, и возвращая его обратно в воду, когда летом происходит таяние. Круговорот железа может колебать формы железа от водных до частиц, изменяя доступность железа для первичных производителей. Увеличение количества света и тепла увеличивает количество железа в формах, пригодных для использования первичными производителями.

Смотрите также

Рекомендации

Библиография

дальнейшее чтение

  • Х. Р. Шуберт, История британской черной металлургии ... до 1775 г. н.э. (Рутледж, Лондон, 1957 г.)
  • RF Tylecote, История металлургии (Институт материалов, Лондон, 1992).
  • RF Tylecote, «Железо в промышленной революции» в J. Day and RF Tylecote, Промышленная революция в металлах (Институт материалов, 1991), 200–60.

Внешние ссылки