DEMIR (ELEMENT): ÖZELLIKLER, KIMYASAL YAPI, KULLANIMLAR - KIMYA - 2025

Demir kimyasal bir sembol ile temsil edilen bir geçiş Grup 8 ya da periyodik tablonun VIIIB ait olan metal ve bir Fe. İnsan için yararlı olan çeşitli uygulamalarda kullanılan bir metal gri, sünek, yumuşak ve yüksek mukavemetli, mi ve toplum.

Yerkabuğunun% 5'ini oluşturur ve aynı zamanda alüminyumdan sonra en çok bulunan ikinci metaldir. Ayrıca bolluğu oksijen ve silikon tarafından aşılır. Ancak yerkürenin çekirdeğine göre% 35'i metal ve sıvı demirden oluşmaktadır.

Alchemist-hp (konuşma) (www.pse-mendelejew.de)

Nemli havaya maruz kaldığında hızla oksitlendiği için, yerkürenin çekirdeğinin dışında demir metalik formda değildir. Bazalt kayalarda, karbonlu çökeltilerde ve meteorlarda bulunur; mineral kamasitte olduğu gibi genellikle nikel ile alaşımlıdır.

Madenciliği için kullanılan ana demir mineralleri şunlardır: hematit (ferrik oksit, Fe ₂ O ₃ ), manyetit (ferrosomeric oksit, Fe ₃ O ₄ ), limonit (hidratlı demir oksit hidroksit) ve siderit (demir karbonat, FeCO ₃ ).

Ortalama olarak, insan 4.5 g demir içeriğine sahiptir, bunun% 65'i hemoglobin formundadır. Bu protein, oksijenin kandaki taşınmasında ve daha sonra miyoglobin ve nöroglobin tarafından alınması için farklı dokulara dağıtımında rol oynar.

Demirin insanlar için pek çok faydasına rağmen, fazla metal, özellikle karaciğer, kardiyovasküler sistem ve pankreas üzerinde çok ciddi toksik etkilere sahip olabilir; kalıtsal hastalık hemokromatozisi de böyledir.

Demir; inşaat, güç ve savaşlarla eş anlamlıdır. Öte yandan, bolluğu nedeniyle, yeni malzemelerin, katalizörlerin, ilaçların veya polimerlerin geliştirilmesi söz konusu olduğunda her zaman dikkate alınması gereken bir alternatiftir; paslarının kırmızı rengine rağmen çevreye duyarlı yeşil bir metaldir.

Tarih

Antik dönem

Demir bin yıldır işleniyor. Ancak, bu kadar eski çağlara ait demir nesnelerin paslanmaya yatkınlıkları nedeniyle bulmak zordur, bu da onların yok olmasına neden olur. Bilinen en eski demir nesneler göktaşlarının içinde bulunanlardan yapılmıştır.

Mısır'ın Gerzah kentinde bulunan MÖ 3500 yılında yapılmış bir tür boncuk ve Tutankhamun'un mezarında bulunan bir hançerin durumu böyledir. Demir göktaşları, yüksek nikel içeriği ile karakterize edilir, bu nedenle bu nesnelerde kökenleri belirlenebilir.

Suriye'de Asmar, Mezopotamya ve Kuyruk Chagar Çarşısı'nda da M.Ö.3000-2700 yılları arasında dökme demire ait kanıtlara rastlandı.Tron Çağı'nda demir dökümüne başlanmasına rağmen bronzun yerini alması yüzyıllar aldı.

Ayrıca MÖ 1800-1200 Hindistan'da ve Doğu Akdeniz'de yaklaşık MÖ 1500'de dökme demir eserler bulunmuştur.MÖ 1000'de üretim maliyetlerinin düşmesiyle Demir Çağı'nın başladığı düşünülmektedir.

Çin'de muhtemelen Orta Asya üzerinden taşınan MÖ 700 ila 500 yılları arasında görülüyor. İlk demir nesneler Çin'in Luhe Jiangsu kentinde bulundu.

Avrupa

Ferforje, Avrupa'da sözde gala ocakları kullanılarak üretildi. Süreç, yakıt olarak kömürün kullanılmasını gerektiriyordu.

Ortaçağ yüksek fırınları 3.0 m yüksekliğindeydi, yanmaz tuğlalardan yapılmıştı ve hava manuel körüklerle sağlanıyordu. 1709'da Abraham Darby, odun kömürünün yerine erimiş demir üretmek için bir kok yüksek fırını kurdu.

Ucuz demirin mevcudiyeti, Sanayi Devrimi'ne yol açan faktörlerden biriydi. Bu dönemde, pik demirin, köprüler, gemiler, ambarlar vb. İnşa etmek için kullanılan ferforje olarak rafine edilmesine başlandı.

Çelik

Çelik, ferforje göre daha yüksek karbon konsantrasyonu kullanır. M.Ö. 1000 yılında İran, Luristan'da çelik üretildi Sanayi Devrimi'nde karbon içermeyen demir çubukların üretilmesi için yeni yöntemler geliştirildi ve bunlar daha sonra çelik üretiminde kullanıldı.

1850'lerin sonlarında Henry Bessemer, yumuşak çelik üretmek için erimiş pik demire hava üflemeyi tasarladı ve bu da çelik üretimini daha ekonomik hale getirdi. Bu, ferforje üretiminde düşüşe neden oldu.

Özellikleri

Görünüm

Grimsi bir belirti ile metalik parlaklık.

Atom ağırlığı

55,845 u.

Atom numarası (Z)

26

Erime noktası

1.533ºC

Kaynama noktası

2.862ºC

Yoğunluk

-Ortam sıcaklığı: 7.874 g / mL.

Erime noktası (sıvı): 6.980 g / mL.

Füzyon ısısı

13,81 kJ / mol

Buharlaşma ısısı

340 kJ / mol

Molar kalori kapasitesi

25.10 J / (mol K)

İyonlaşma enerjisi

İlk iyonlaşma seviyesi: 762,5 kJ / mol (Fe ⁺ gaz)

İkinci iyonlaşma seviyesi: 1.561.9 kJ / mol (Fe ²⁺ gaz)

-Üçüncü iyonlaşma seviyesi: 2.957, kJ / mol (Fe ³⁺ gaz)

Elektronegativite

Pauling ölçeğinde 1.83

Atomik radyo

Ampirik 126 pm

Termal iletkenlik

80,4 W / (mK)

Elektriksel direnç

96.1 Ω · m (20 20C'de)

Curie noktası

Yaklaşık 770 ° C. Bu sıcaklıkta demir artık ferromanyetik değildir.

İzotoplar

Kararlı izotoplar: % 5.85 bolluk ile ⁵⁴ Fe; % 91.75 bolluk ile ⁵⁶ Fe; % 2.12 bolluk ile ⁵⁷ Fe; ve % 0.28 bollukta ⁵⁷ Fe. Gibi ⁵⁶ Fe en istikrarlı ve bol izotop, demirin atom ağırlığı çok yakın 56 u olduğunu şaşırtıcı değildir.

Radyoaktif izotoplar ise: ⁵⁵ Fe, ⁵⁹ Fe ve ⁶⁰ Fe.

Yapı ve elektronik konfigürasyon

-Allropes

Oda sıcaklığında demir, aynı zamanda α-Fe veya ferrit olarak da bilinen (metalurjik jargon dahilinde) vücut merkezli kübik yapıda (bcc) kristalleşir. Sıcaklık ve basıncın bir fonksiyonu olarak farklı kristal yapıları benimseyebildiğinden, demirin allotropik bir metal olduğu söylenir.

Allotrop bcc, insanların çok iyi bildiği ve mıknatısların ilgisini çeken ortak demirdir (ferromanyetik). 771 ºC'nin üzerine ısıtıldığında, paramanyetik hale gelir ve kristali yalnızca genişlemesine rağmen, bu "yeni faz" daha önce β-Fe olarak kabul edildi. Diğer demir allotropları da paramanyetiktir.

910ºC ile 1,394ºC arasında, yapısı yüz merkezli kübik, fcc olan ostenit veya γ-Fe alotropu olarak demir bulunur. Östenit ve ferrit arasındaki dönüşümün çelik üretimi üzerinde büyük bir etkisi vardır; çünkü karbon atomları ostenit içinde ferritten daha fazla çözünür.

Ve sonra, 1394 ºC'nin üzerinde, erime noktasına (1538 ºC) kadar, demir bcc yapısını, δ-Fe'yi benimsemek için geri döner; ancak ferritin aksine, bu allotrop paramanyetiktir.

Epsilon demir

Basıncın birkaç yüz santigrat derece sıcaklıkta 10 GPa'ya çıkarılmasıyla, α veya ferrit alotrop, kompakt bir altıgen yapıda kristalleşmeyle karakterize edilen ε alotrop epsilon'a dönüşür; yani en kompakt Fe atomları ile. Bu, dördüncü allotropik demirin şeklidir.

Bazı çalışmalar, bu tür basınçlar altında, ancak daha yüksek sıcaklıklarda diğer demir allotroplarının olası varlığı hakkında teori üretmektedir.

-Metal bağlantı

Demir allotropu ve Fe atomlarını "sallayan" sıcaklıktan veya onları sıkıştıran basınçtan bağımsız olarak, birbirleriyle aynı değerlik elektronları ile etkileşirler; Bunlar, elektronik konfigürasyonlarında gösterilenlerdir:

3d ⁶ 4s ²

Bu nedenle, allotropik geçişler sırasında zayıflatılmış veya güçlendirilmiş olsun, metalik bağa katılan sekiz elektron vardır. Aynı şekilde, demirin termal veya elektriksel iletkenliği gibi özelliklerini tanımlayan da bu sekiz elektrondur.

-Oksidasyon numaraları

Demir için en önemli (ve yaygın) oksidasyon sayıları +2 (Fe ²⁺ ) ve +3 (Fe ³⁺ ) 'dir. Aslında, geleneksel isimlendirme yalnızca bu iki sayıyı veya durumu dikkate alır. Bununla birlikte, demirin başka sayıda elektron kazanabileceği veya kaybedebileceği bileşikler vardır; yani diğer katyonların varlığı varsayılır.

Örneğin, demirin oksidasyon sayıları +1 (Fe ⁺ ), +4 (Fe ⁴⁺ ), +5 (Fe ⁵⁺ ), +6 (Fe ⁶⁺ ) ve +7 (Fe ^{7) olabilir. +} ). Anyonik ferrat türleri FeO ₄ ^2- , oksidasyon sayısı +6 olan demire sahiptir, çünkü dört oksijen atomu onu bu kadar oksitlemiştir.

Aynı şekilde, demir negatif oksidasyon sayılarına sahip olabilir; örneğin: -4 (Fe ^4- ), -2 (Fe ^2- ) ve -1 (Fe ^- ). Bununla birlikte, bu elektron kazanımlarına sahip demir merkezli bileşikler çok nadirdir. Bu bakımdan manganezi geçmesine rağmen, manganezin oksidasyon durumları aralığıyla çok daha kararlı bileşikler oluşturmasının nedeni budur.

Sonuç, pratik amaçlar için Fe ²⁺ veya Fe ³⁺ olarak düşünmek yeterlidir ; diğer katyonlar, biraz spesifik iyonlar veya bileşikler için ayrılmıştır.

Nasıl elde edilir?

Çelik süsler, demirin en önemli alaşımıdır. Kaynak: Pxhere.

Hammaddelerin toplanması

Demir madenciliği için en uygun maden cevherlerinin bulunduğu yere gitmeliyiz. Bunu elde etmek için en çok kullanılan mineraller şunlardır: hematit (Fe ₂ O ₃ ), manyetit (Fe ₃ O ₄ ), limonit (FeO · OH · nH ₂ O) ve siderit (FeCO ₃ ).

Daha sonra ekstraksiyonun ilk adımı, kayaları demir cevheri cevheri ile toplamaktır. Bu kayalar ezilerek küçük parçalara ayrılıyor. Akabinde, demir cevheri içeren kayaların parçalarının seçilmesi aşaması vardır.

Seçimde iki strateji izlenir: manyetik alan kullanımı ve suda çökelme. Kaya parçaları bir manyetik alana tabi tutulur ve mineral parçaları buna yönlendirilir, böylece ayrılabilir.

İkinci yöntemde ise kayalık parçalar suya atılır ve demir içerenler daha ağır oldukları için suyun dibine yerleşir ve daha hafif olduğu için suyun üst kısmında gang bırakılır.

Yüksek fırın

Çeliğin üretildiği yüksek fırın. Kaynak: Pixabay.

Demir cevherleri, yakıt ve karbon tedarikçisi rolüne sahip olan koklaşabilir taş kömürü ile birlikte boşaltıldıkları yüksek fırınlara taşınır. Ek olarak, akı işlevini yerine getiren kireçtaşı veya kireçtaşı eklenir.

Yüksek fırın, önceki karışımla birlikte 1.000 ºC sıcaklıkta sıcak hava enjekte edilir. Kömürün yanmasıyla demir erir ve sıcaklığı 1.800 ºC'ye çıkarır. Bir kez sıvılaştıktan sonra, fırının dibinde biriken pik demir olarak adlandırılır.

Pik demir fırından çıkarılır ve yeni bir dökümhaneye taşınmak üzere kaplara dökülür; pik demirin yüzeyinde bulunan bir safsızlık olan cüruf atılır.

Pik demir, potaların kullanılmasıyla bir konvertör fırınına, akı olarak kireçtaşıyla birlikte dökülür ve oksijen, yüksek sıcaklıklarda verilir. Böylece, karbon içeriği azaltılır ve pik demiri çeliğe dönüştürmek için rafine edilir.

Daha sonra çelik, özel çeliklerin üretimi için elektrikli fırınlardan geçirilir.

Uygulamalar

-Metal demir

İngiltere'deki demir köprü, demir veya alaşımları ile yapılan birçok yapıdan biridir. Kaynak: Makine tarafından okunabilen yazar sağlanmadı. Jasonjsmith varsayıldı (telif hakkı iddialarına dayanarak).

Korozyona dirençli hale gelen düşük maliyetli, dövülebilir, sünek bir metal olduğu için, farklı formları altında insanlar için en kullanışlı metal haline gelmiştir: dövme, döküm ve farklı tiplerde çelik.

Demir aşağıdakilerin yapımı için kullanılır:

-Köprüler

Binalar için temeller

-Kapılar ve pencereler

Tekne gövdeleri

-Farklı araçlar

-İçme suyu borusu

-Atık su toplama boruları

-Bahçe mobilyaları

-Ev güvenliği için ızgara

Ayrıca tencere, tava, bıçak, çatal gibi ev eşyalarının yapımında da kullanılır. Ayrıca buzdolabı, soba, çamaşır makinesi, bulaşık makinesi, blender, fırın, tost makinesi imalatında kullanılmaktadır.

Kısaca demir, insanı çevreleyen tüm nesnelerde mevcuttur.

Nanopartiküller

Metalik demir ayrıca yüksek derecede reaktif olan ve makroskopik katının manyetik özelliklerini koruyan nanopartiküller olarak hazırlanır.

Bu Fe küreleri (ve bunların çoklu ek morfolojileri), organoklor bileşiklerinin sularını saflaştırmak için ve bir manyetik alan uygulamasıyla vücudun belirli bölgelerine gönderilen ilaç taşıyıcıları olarak kullanılır.

Ayrıca karbon bağlarının (CC) kırıldığı reaksiyonlarda katalitik destek görevi görebilirler.

Demir bileşikleri

Oksitler

Demir oksit, FeO, kristaller için bir pigment olarak kullanılır. Demir oksit, Fe ₂ O ₃ , kırmızı rengi sarıdan Venetian'daki olarak bilinen kırmızı kadar pigmentler bir dizi için bir temel oluşturur. Allık adı verilen kırmızı şekil, değerli metalleri ve elmasları cilalamak için kullanılır.

Ferro-ferrik oksit, Fe ₃ O ₄ , belirli bilgisayar belleklerinde ve manyetik bantların kaplamasında kullanılabilen ferritlerde, manyetik erişilebilirliği ve elektrik direnci yüksek maddelerde kullanılır. Aynı zamanda bir pigment ve parlatıcı olarak da kullanılmıştır.

Sülfatlar

Demir sülfat heptahidrat, FeSO ₄ · 7H ₂ O, yeşil vitriol veya bakıra olarak bilinen en yaygın demir sülfat şeklidir. İndirgeyici ajan olarak ve mürekkep, gübre ve pestisit üretiminde kullanılır. Ayrıca demir elektrokaplamasında da kullanım alanı bulur.

Demir sülfat, Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ , demir şap ve diğer demir bileşikleri elde etmek için kullanılır. Atık suların arıtılmasında pıhtılaştırıcı ve tekstillerin boyanmasında mordan olarak görev yapar.

Klorürler

Demirli klorür, FeCl ₂ , mordan ve indirgeme ajanı olarak kullanılır. Bu arada demir klorür, FeCl ₃ , metaller (gümüş ve bakır) ve bazı organik bileşikler için bir klorlama maddesi olarak kullanılır.

Fe ^{3 + '} nın hekzosiyanoferrat iyonu ^-4 ile muamelesi , boya ve cilalarda kullanılan Prusya mavisi denilen mavi bir çökelti üretir.

Demir gıdalar

İstiridye, zengin bir demir kaynağıdır. Kaynak: Pxhere.

Genel olarak 18 mg / gün demir alımı önerilir. Günlük beslenmede onu sağlayan besinler arasında şunlar yer almaktadır:

Kabuklu deniz hayvanları demiri hem formunda sağlar, bu nedenle bağırsaktan emiliminde herhangi bir inhibisyon yoktur. İstiridye, her 100 gramı için 28 mg'a kadar demir sağlar; bu nedenle, bu miktarda istiridye günlük demir ihtiyacını karşılamak için yeterli olacaktır.

Ispanak 100 g'da 3.6 mg demir içerir. Sığır organ eti, örneğin dana karaciğeri, 100 g'da 6,5 ​​mg demir içerir. Kan sosisinin katkısı muhtemelen biraz daha yüksek olacaktır. Kan sosisi, sığır kanı ile doldurulmuş ince bağırsak kısımlarından oluşur.

Mercimek gibi baklagiller 198 g'da 6,6 mg demir içerir. Kırmızı et, 100 g'da 2,7 mg demir içerir. Kabak çekirdeği 28 g'da 4,2 mg içerir. Kinoa, 185 g'da 2.8 mg demir içerir. Hindinin kara eti 100 g'da 2.3 mg içerir. Brokoli, 156 mg'da 2.3 mg içerir.

Tofu, 126 g başına 3.6 mg içerir. Bu arada bitter çikolata 28 g'da 3.3 mg içerir.

Biyolojik rol

Demirin özellikle omurgalı canlılarda yerine getirdiği işlevler sayısızdır. 300'den fazla enzimin işlevleri için demire ihtiyaç duyduğu tahmin edilmektedir. Onu kullanan enzimler ve proteinler arasında şunlar isimlendirilir:

Hem grubuna sahip olan ve enzimatik aktiviteye sahip olmayan proteinler: hemoglobin, miyoglobin ve nöroglobin.

-Elektron taşınmasında rol oynayan hem grubuna sahip enzimler: sitokromlar a, b ve f ve sitokrom oksidazlar ve / veya oksidaz aktivitesi; sülfit oksidaz, sitokrom P450 oksidaz, miyeloperoksidaz, peroksidaz, katalaz vb.

-Oxyredüktaz aktiviteleri ile ilgili demir-kükürt içeren proteinler, enerji üretimiyle ilgilidir: süksinat dehidrojenaz, izositrat dehidrojenaz ve akonitaz veya DNA replikasyonu ve onarımı ile ilgili enzimler: DNA-polimeraz ve DNA-heliklazlar.

-Katalitik aktiviteleri için kofaktör olarak demiri kullanan hem olmayan enzimler: fenilalanin hidrolaz, tirozin hidrolaz, triptofan hidrolaz ve lizin hidrolaz.

-Demirin taşınmasından ve depolanmasından sorumlu olan hem olmayan proteinler: ferritin, transferrin, haptoglobin, vb.

Riskler

Toksisite

Aşırı demire maruz kalmanın riskleri akut veya kronik olabilir. Akut demir zehirlenmesinin bir nedeni, glukonat, fumarat, vb. Şeklinde aşırı demir tabletleri alımı olabilir.

Demir, rahatsızlığı yutulduktan hemen sonra ortaya çıkan ve 6 ila 12 saat sonra kaybolan bağırsak mukozasında tahrişe neden olabilir. Emilen demir, farklı organlarda birikir. Bu birikim metabolik rahatsızlıklara neden olabilir.

Alınan demir miktarı toksik ise peritonit ile bağırsak delinmesine neden olabilir.

Kardiyovasküler sistemde, gastrointestinal kanamadan kaynaklanabilen hipovolemi ve serotonin ve histamin gibi vazoaktif maddelerin demiri tarafından salınmasına neden olabilir. Sonuçta, karaciğerde büyük nekroz ve karaciğer yetmezliği meydana gelebilir.

Hemokromatoz

Hemokromatoz, vücudun demir düzenleme mekanizmasında değişiklik gösteren, kandaki demir konsantrasyonundaki artış ve farklı organlarda birikmesi ile kendini gösteren kalıtsal bir hastalıktır; karaciğer, kalp ve pankreas dahil.

Hastalığın ilk belirtileri şunlardır: eklem ağrısı, karın ağrısı, yorgunluk ve halsizlik. Aşağıdaki semptomlar ve ardından hastalığın belirtileri: diyabet, cinsel istek kaybı, iktidarsızlık, kalp yetmezliği ve karaciğer yetmezliği.

Hemosideroz

Hemosideroz, adından da anlaşılacağı gibi dokularda hemosiderin birikimi ile karakterize edilir. Bu, doku hasarına neden olmaz, ancak hemokromatozide görülene benzer hasara dönüşebilir.

Hemosideroz aşağıdaki nedenlerden kaynaklanabilir: diyetten demir emiliminin artması, kırmızı kan hücrelerinden demiri serbest bırakan hemolitik anemi ve aşırı kan transfüzyonları.

Hemosideroz ve hemokromatoz, karaciğer tarafından salgılanan ve vücut demirinin düzenlenmesinde rol alan bir hormon olan hepsidin hormonunun yetersiz çalışmasından kaynaklanıyor olabilir.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya . (Dördüncü baskı). Mc Graw Hill.
2. Foist L. (2019). Demir Allotropları: Türleri, Yoğunluğu, Kullanım Alanları ve Gerçekler. Ders çalışma. Study.com'dan kurtarıldı
3. Jayanti S. (nd). Demirin Alotropisi: Termodinamik ve Kristal Yapılar. Metalurji. Engineeringenotes.com adresinden kurtarıldı
4. Nanoshel. (2018). Demir nano gücü. Nanoshel.com'dan kurtarıldı
5. Vikipedi. (2019). Demir. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
6. Shropshire Tarihi. (Sf). Demir özellikleri. Kurtarıldı: shropshirehistory.com
7. Dough Stewart. (2019). Demir elementi gerçekleri. Chemicool.com'dan kurtarıldı
8. Franziska Spritzler. (2018, 18 Temmuz). Demir yönünden zengin 11 sağlıklı besin. Healthline.com'dan kurtarıldı
9. Lenntech. (2019). Periyodik tablo: Demir. Kurtarıldı: lenntech.com
10. Encyclopaedia Britannica'nın Editörleri. (13 Haziran 2019). Demir. Encyclopædia Britannica. Britannica.com'dan kurtarıldı