Elemente Chimice - Fierul[Fe]
Fierul este un metal de culoare gri-argintie, cu un punct de topire ridicat (1538oC), si o larga raspandire in natura, sub forma de combinatii chimice. Este ultimul element care poate fi produs prin fuziune nucleara in nucleele stelelor (dar doar in cele cu masa mai mare de 5 mase solare), si deci cel mai greu element a carui formare nu necesita un eveniment cataclismic de tipul unei supernove.
Primul tip de fier cunoscut si utilizat de oameni provenea din meteoriti. In Egipt si Mesopotamia s-au descoperit varfuri de sulita si obiecte decorative cu aceasta origine, datand din jurul anului 4000 i.Hr. 2000 de ani mai tarziu a aparut si fierul prelucrat din minereu (la inceput cel numit fier de mlastina - in engleza bog iron, sau limonit), folosit insa doar pentru obiecte de cult si considerat mai valoros decat aurul. Intre 1600 i.Hr. si 1200 i.Hr. a inceput obtinerea fierului in topitorii primitive, in Imperiul Hitit (Anatolia si Caucaz). Disparitia acestui imperiu a permis raspandirea cunostintelor despre prelucrarea fierului in toata regiunea, facilitand trecerea de la Epoca Bronzului la Epoca Fierului. In jurul anului 550 i Hr. in China a fost inventat furnalul si s-a obtinut prima fonta turnata.
Otelul, aliaj al fierului cu relativ putin carbon, a fost produs, se pare, pentru prima data in India, in secolul al III-lea. Un exemplu al maiestriei indiene in domeniul metalurgiei este si faimoasa coloana de fier din Delhi, care este constituita in proportie de 98% din fier forjat si a fost ridicata la sfarsitul secolului al IV-lea sau inceputul secolului al V-lea.
In Europa, primele sarje de fonta turnata au fost obtinute in Suedia, in secolul al XV-lea (Lapphyttan si Vinarhyttan). Ghiulele de tun din fonta au permis apoi raspandirea acestui material si a metodelor de obtinere in toata lumea. Combustibilul de baza pentru aceste procese era carbunele de lemn (mangalul).
Disparitia accentuata a padurilor din Marea Britanie a dus in secolul al XVIII-lea la inlocuirea mangalului cu cocsul, de catre Abraham Darby. Acest lucru, impreuna cu inventarea masinii cu abur, a dus la Revolutia industriala. La sfarsitul anilor 1850, Henry Bessemer a inventat un nou procedeu de fabricare a otelului cu continut foarte scazut de carbon, la care se sufla aer prin fonta bruta topita. Acest progres a dus la diminuarea treptata a productiei de fier forjat.
Ca abundenta, fierul este al zecelea element in univers si al 4-lea pe Pamant (al doilea metal, dupa aluminiu). Ca masa insa, fierul ocupa primul loc pe Pamant. In prezent se considera ca 80% din nucleul interior al Pamantului este format din fier. Sub forma de diverse combinatii, el formeaza 5% din scoarta terestra, insa in stare pura se gaseste doar accidental (in meteoriti). Se presupune de asemenea ca planeta Marte isi datoreaza culoarea rosiatica unui sol bogat in oxid de fier.
Fierul prezinta patru izotopi naturali. In ordinea abundentei relative, acestia sunt: 56Fe (91,7 %), 54Fe (5,8 %), 57Fe (2,2 %) si 58Fe (0,3 %). De asemenea, se cunosc alti 10 izotopi sintetici ai fierului. S-a demonstrat (prin corelatia existenta intre abundenta izotopului 60Ni, un produs de dezintegrare al 60Fe, si abundentele izotopilor stabili ai fierului in unii meteoriti) ca 60Fe a existat in stare naturala in perioada de formare a sistemului solar. In functie de domeniile de temperatura la care sunt stabile si de structura cristalina, este acceptata astazi existenta a 3 stari alotropice ale fierului solid:
Fierul α are o structura cristalina cubica cu volum centrat si este stabil de la temperatura ambianta pana la temperatura de 1185 K (912oC). Intre temperatura ambianta si temperatura de 1043 K (770oC) (punctul Curie), fierul α este feromagnetic, iar peste 1043 K devine paramagnetic. Din aceasta cauza, initial formei structurale de fier existente intre 1043 K si 1185 K i s-a dat denumirea de fier β. Ulterior s-a renuntat la aceasta denumire intrucat intre fierul α si fierul β nu exista alte diferente.
Primul tip de fier cunoscut si utilizat de oameni provenea din meteoriti. In Egipt si Mesopotamia s-au descoperit varfuri de sulita si obiecte decorative cu aceasta origine, datand din jurul anului 4000 i.Hr. 2000 de ani mai tarziu a aparut si fierul prelucrat din minereu (la inceput cel numit fier de mlastina - in engleza bog iron, sau limonit), folosit insa doar pentru obiecte de cult si considerat mai valoros decat aurul. Intre 1600 i.Hr. si 1200 i.Hr. a inceput obtinerea fierului in topitorii primitive, in Imperiul Hitit (Anatolia si Caucaz). Disparitia acestui imperiu a permis raspandirea cunostintelor despre prelucrarea fierului in toata regiunea, facilitand trecerea de la Epoca Bronzului la Epoca Fierului. In jurul anului 550 i Hr. in China a fost inventat furnalul si s-a obtinut prima fonta turnata.
Otelul, aliaj al fierului cu relativ putin carbon, a fost produs, se pare, pentru prima data in India, in secolul al III-lea. Un exemplu al maiestriei indiene in domeniul metalurgiei este si faimoasa coloana de fier din Delhi, care este constituita in proportie de 98% din fier forjat si a fost ridicata la sfarsitul secolului al IV-lea sau inceputul secolului al V-lea.
In Europa, primele sarje de fonta turnata au fost obtinute in Suedia, in secolul al XV-lea (Lapphyttan si Vinarhyttan). Ghiulele de tun din fonta au permis apoi raspandirea acestui material si a metodelor de obtinere in toata lumea. Combustibilul de baza pentru aceste procese era carbunele de lemn (mangalul).
Disparitia accentuata a padurilor din Marea Britanie a dus in secolul al XVIII-lea la inlocuirea mangalului cu cocsul, de catre Abraham Darby. Acest lucru, impreuna cu inventarea masinii cu abur, a dus la Revolutia industriala. La sfarsitul anilor 1850, Henry Bessemer a inventat un nou procedeu de fabricare a otelului cu continut foarte scazut de carbon, la care se sufla aer prin fonta bruta topita. Acest progres a dus la diminuarea treptata a productiei de fier forjat.
Ca abundenta, fierul este al zecelea element in univers si al 4-lea pe Pamant (al doilea metal, dupa aluminiu). Ca masa insa, fierul ocupa primul loc pe Pamant. In prezent se considera ca 80% din nucleul interior al Pamantului este format din fier. Sub forma de diverse combinatii, el formeaza 5% din scoarta terestra, insa in stare pura se gaseste doar accidental (in meteoriti). Se presupune de asemenea ca planeta Marte isi datoreaza culoarea rosiatica unui sol bogat in oxid de fier.
Fierul prezinta patru izotopi naturali. In ordinea abundentei relative, acestia sunt: 56Fe (91,7 %), 54Fe (5,8 %), 57Fe (2,2 %) si 58Fe (0,3 %). De asemenea, se cunosc alti 10 izotopi sintetici ai fierului. S-a demonstrat (prin corelatia existenta intre abundenta izotopului 60Ni, un produs de dezintegrare al 60Fe, si abundentele izotopilor stabili ai fierului in unii meteoriti) ca 60Fe a existat in stare naturala in perioada de formare a sistemului solar. In functie de domeniile de temperatura la care sunt stabile si de structura cristalina, este acceptata astazi existenta a 3 stari alotropice ale fierului solid:
Fierul α are o structura cristalina cubica cu volum centrat si este stabil de la temperatura ambianta pana la temperatura de 1185 K (912oC). Intre temperatura ambianta si temperatura de 1043 K (770oC) (punctul Curie), fierul α este feromagnetic, iar peste 1043 K devine paramagnetic. Din aceasta cauza, initial formei structurale de fier existente intre 1043 K si 1185 K i s-a dat denumirea de fier β. Ulterior s-a renuntat la aceasta denumire intrucat intre fierul α si fierul β nu exista alte diferente.
SURSA 02
Fierul (Fe) se gaseste in sistemul periodic in grupa VIII-B si in perioada a 3-a. Numarul atomic “ Z “ este 26, iar numarul de masa “ A “ este 56.
SCURT ISTORIC:
Fierul este cunoscut si folosit pentru scopuri ornamentale si pentru prelucrarea armelor inca din preistorie. Cel mai vechi obiect confectionat din fier il reprezinta cateva margele oxidate gasite in Egipt, care dateaza din anul 4000 i. Chr.
Termenul arheologic “ Epoca Fierului “ se aplica pentru perioada in care fierul era folosit exclusiv pentru ornamente si unelte.
Inceputurile prelucrarii moderne a fierului au avut loc in Europa centrala pe la mijlocul secolului 14 i. Chr.
RASPANDIRE IN NATURA:
Fierul este metalul cel mai raspandit pe Pamant si, in afara de aluminiu, este si metalul cel mai abundent din scoarta terestra. Aproape de suprafata terestra se gasesc zacaminte bogate de fier, astfel incat este relativ ieftin de produs.
In natura, fierul se gaseste sub forma de minereuri de fier. Cele mai raspandite minereuri de fier sunt:
Hematiul:
- oxid de fier (III): Fe2O3
- culoare rosie
- structura fibroasa
Oligistul:
- oxid de fier (III): Fe2O3
culoare rosie
- cristalizat
- amestecat cu argila se numeste ocru rosu.
Limonitul:
- oxihidroxid de fier: FeO(OH)
- amestecat cu argila formeaza ocrul galben
Magnetitul (magnetul natural):
_ oxid de fier (II) – fier (III): Fe3O4
- prezent sub forma de octaedre negre stralucitoare
Sideritul:
- carbonat de fier: FeCO3
- cristalizat in romboedre cenusii-brune
Pirita:
- sulfura de fier: FeS2
- apare sub forma de cristale galbene lucioase
- urma acestor cristale in roci ii face pe prospectori sa creada ca au gasit aur
- minereul este cunoscut sub numele de “aurul prostilor”
Compusi ai fierului se mai gasesc inca in diferite ape minerale, ape de rauri, chiar si apa marilor, cum si in unele celule vegetale. Si pentru corpul omenesc fierul are un rol important: este componentul necesar al hemoglobinei.
PREPARARE:
Obtinerea fierului chimic pur se face:
prin reducerea oxidului de fier (III) pur cu hidrogen
prin electroliza unei solutii apoase de sare de Fe, de exemplu FeCl2
prin descompunerea termica a pentacarboniului de fier, Fe(CO)5, in absenta de aer
Mult mai importanta , din punct de vedere economic, este obtinerea fierului tehnic, aliaj de fier cu o cantitate mica de carbon in diferite proportii: fonta si otelul.
Fierul (Fe) se gaseste in sistemul periodic in grupa VIII-B si in perioada a 3-a. Numarul atomic “ Z “ este 26, iar numarul de masa “ A “ este 56.
SCURT ISTORIC:
Fierul este cunoscut si folosit pentru scopuri ornamentale si pentru prelucrarea armelor inca din preistorie. Cel mai vechi obiect confectionat din fier il reprezinta cateva margele oxidate gasite in Egipt, care dateaza din anul 4000 i. Chr.
Termenul arheologic “ Epoca Fierului “ se aplica pentru perioada in care fierul era folosit exclusiv pentru ornamente si unelte.
Inceputurile prelucrarii moderne a fierului au avut loc in Europa centrala pe la mijlocul secolului 14 i. Chr.
RASPANDIRE IN NATURA:
Fierul este metalul cel mai raspandit pe Pamant si, in afara de aluminiu, este si metalul cel mai abundent din scoarta terestra. Aproape de suprafata terestra se gasesc zacaminte bogate de fier, astfel incat este relativ ieftin de produs.
In natura, fierul se gaseste sub forma de minereuri de fier. Cele mai raspandite minereuri de fier sunt:
Hematiul:
- oxid de fier (III): Fe2O3
- culoare rosie
- structura fibroasa
Oligistul:
- oxid de fier (III): Fe2O3
culoare rosie
- cristalizat
- amestecat cu argila se numeste ocru rosu.
Limonitul:
- oxihidroxid de fier: FeO(OH)
- amestecat cu argila formeaza ocrul galben
Magnetitul (magnetul natural):
_ oxid de fier (II) – fier (III): Fe3O4
- prezent sub forma de octaedre negre stralucitoare
Sideritul:
- carbonat de fier: FeCO3
- cristalizat in romboedre cenusii-brune
Pirita:
- sulfura de fier: FeS2
- apare sub forma de cristale galbene lucioase
- urma acestor cristale in roci ii face pe prospectori sa creada ca au gasit aur
- minereul este cunoscut sub numele de “aurul prostilor”
Compusi ai fierului se mai gasesc inca in diferite ape minerale, ape de rauri, chiar si apa marilor, cum si in unele celule vegetale. Si pentru corpul omenesc fierul are un rol important: este componentul necesar al hemoglobinei.
PREPARARE:
Obtinerea fierului chimic pur se face:
prin reducerea oxidului de fier (III) pur cu hidrogen
prin electroliza unei solutii apoase de sare de Fe, de exemplu FeCl2
prin descompunerea termica a pentacarboniului de fier, Fe(CO)5, in absenta de aer
Mult mai importanta , din punct de vedere economic, este obtinerea fierului tehnic, aliaj de fier cu o cantitate mica de carbon in diferite proportii: fonta si otelul.
SURSA 03
În funcţie de domeniile de temperatură la care sunt stabile şi de structura cristalină, este acceptată astăzi existenţa a 3 stări alotropice ale fierului solid:
* Fierul α are o structură cristalină cubică cu volum centrat şi este stabil de la temperatura ambiantă până la temperatura de 1185 K (912oC). Între temperatura ambiantă şi temperatura de 1043 K (770oC) (punctul Curie), fierul α este feromagnetic, iar peste 1043 K devine paramagnetic. Din această cauză, iniţial formei structurale de fier existente între 1043 K şi 1185 K i s-a dat denumirea de fier β. Ulterior s-a renunţat la această denumire întrucât între fierul α şi fierul β nu există alte diferenţe.
* Fierul γ are o structură cristalină cubică cu feţe centrate şi este stabil între 1185 K (912oC) şi 1667 K (1394oC).
* Fierul δ are o structură cristalină cubică cu volum centrat şi este stabil între 1667 K (1394oC).şi temperatura de topire, 1811 K (1538oC).
Notă: La nivel mondial nu s-a ajuns încă la un acord complet în privinţa poziţiei exacte a diferitelor puncte caracteristice ale fierului (şi nici a punctelor caracteristice din diagrama de echilibru fier-carbon). Valorile indicate aici pentru temperaturi sunt cele întâlnite în monografiile de specialitate uzuale din România.
Obţinere
Minereuri
Datorită reactivităţii sale mari, în natură fierul se găseşte în stare pură doar în cazuri foarte rare, de obicei în meteoriţii feroşi.
Cele mai des utilizate minereuri de fier sunt hematitul, magnetitul, ilmenitul (FeTiO3), sideritul (FeCO3), limonitul (amestec de goethit - α-FeO(OH) - şi lepidocrocit - γ-Fe3+O(OH)) şi pirita (FeS2).
Cele mai mari zăcăminte de minereu de fier sunt asociate cu aşa-numitele formaţiuni feroase în benzi (în engleză: Banded Iron Formations).
Minereurile de fier se exploatează atât în exploatări de suprafaţă, cât şi în mine. Cele mai importante exploatări de suprafaţă se găsesc în America de Sud (în special în Bolivia şi Brazilia), în vestul Australiei, în China, în Ucraina şi Canada. În ultimii ani, aceste ţări au înlocuit treptat ţările cu tradiţie în extragerea minereului de fier din mine, cum ar fi Franţa, Suedia sau Germania. Cel mai important zăcământ de fier se află la El Mutùn în Bolivia, unde se estimează că există cca. 40 miliarde tone de minereu cu un conţinut de fier de peste 50 %.
După extragere, minereul se mărunţeşte şi se macină, după care granulele de minereu se sortează după mărime şi se sinterizează. Aceasta înseamnă că, sub influenţa unei călduri foarte mari şi cu adaosuri de materiale calcaroase, granulele mici se unesc în bulgări mai mari, poroşi. Acest lucru este esenţial pentru că, ulterior, granulele fine ar împiedica trecerea normală a curentului de aer prin furnal.
Producători de fier
În anul 2000, la nivel mondial au fost produse aproximativ 1 miliard de tone de minereu de fier, valorând cca. 25 miliarde euro. Din această cantitate de minereu s-au obţinut aproximativ 572 milioane tone de fontă brută.
Minereurile de fier sunt exploatate în prezent în 48 de ţări, primii cinci producători: China, Brazilia, Australia, Rusia şi India asigurând 70% din producţia mondială totală.
Modalităţi de obţinere
La scară industrială, fierul este produs pornind de la minereu printr-o reacţie de reducere directă cu carbon, la temperaturi de cca. 2000°C, în furnale (cuptoare înalte). Aceasta permite înlăturarea sub influenţa temperaturilor înalte a componenţilor neferoşi sau pământoşi din minereu. În partea superioară a furnalului se introduce minereu de fier, carbon sub formă de cocs şi un flux de genul carbonatului de calciu sau a dolomitului, în timp ce prin partea de jos este insuflat un curent de aer cald. Cocsul reacţionează cu oxigenul din curentul de aer, formând monoxid de carbon:
6 C + 3 O2 → 6 CO
Monoxidul de carbon reduce minereul de fier (în cazul de jos, hematit), transformându-l în fier topit şi devenind bioxid de carbon:
6 CO + 2 Fe2O3 → 4 Fe + 6 CO2
Fluxul ajută la topirea impurităţilor din minereu, în special a bioxidului de siliciu şi a silicaţilor. Sub influenţa căldurii din furnal, carbonatul de calciu se descompune în oxid de calciu şi bioxid de carbon.:
CaCO3 → CaO + CO2
Oxidul de calciu se combină cu bioxidul de siliciu formând o zgură ce se topeşte la temperatura din furnal (ceea ce nu s-ar fi întâmplat cu bioxidul de siliciu în stare pură).
CaO + SiO2 → CaSiO3
Zgura topită pluteşte deasupra fierului topit, mai dens, şi aceste componente pot fi evacuate separat prin deschizături speciale în furnal.
Materialul util rezultat este de fapt fontă brută, cu un conţinut de cca. 4-5% carbon. Aceasta poate fi redusă în continuare pentru obţinerea oţelului sau a fierului tehnic pur, în alte cuptoare sau convertizoare.
Fierul chimic pur se poate prepara prin calcinarea precipitatului de hidroxid feric Fe(OH)3 sau a altor săruri de fier. iar la scară industrial prin calcinarea sărurilor de fier cu uşoara tendinţă de descompunere.
Utilizare
Fierul este în prezent cel mai utilizat metal, cuprinzând 95% din producţia mondială de metale, ca şi masă. Datorită combinării unei rezistenţe înalte cu un preţ redus, el se foloseşte în prezent mai ales în cadrul aliajelor, pentru realizarea de diverse piese şi structuri.
Alături de cobalt şi nichel, fierul este unul dintre cele trei materiale feromagnetice care fac posibilă aplicarea practică a electromagnetismului la generatoare electrice, transformatoare şi motoare electrice.
Aliajele fier-carbon sunt materialele cu cea mai largă răspândire în industrie. Ele se împart în oţeluri, cu un conţinut de carbon de până la 2,11 % şi fonte, cu un conţinut de carbon mai mare de 2,11 %.
Fierul forjat este un produs maleabil care conţine mai puţin de 0,2% carbon. Datorită modului de obţinere, piesele din fier forjat conţin mici urme, filamente de zgură. Fierul forjat rugineşte mai greu, însă a fost înlocuit în prezent în majoritatea aplicaţiilor de oţeluri cu conţinut scăzut de carbon, care sunt mai ieftine şi mai uşor de obţinut.
Oţelul nealiat conţine între 0,06% şi 2,11% carbon, cu mici cantităţi de mangan, sulf, fosfor şi siliciu.
Oţelurile aliate conţin diferite cantităţi de carbon, dar şi alte metale, cum ar fi cromul, vanadiul, molibdenul, nichelul, wolframul etc. Ele au de regulă domenii de utilizare bine precizate, deoarece conţinutul de elemente de aliere le creşte considerabil preţul. O varietate recentă de oţeluri aliate sunt aşa-numitele oţeluri microaliate ce conţin cantităţi mici de elemente de aliere, însă cu rezistenţe şi tenacităţi ridicate, la costuri minime. Oţelurile inoxidabile sunt oţeluri aliate care conţin cel puţin 12% crom.
Fonta brută conţine cca. 4-5% carbon şi diverse cantităţi de sulf, siliciu şi fosfor. Singura ei importanţă tehnică este ca pas intermediar de la minereul de fier la oţel şi fonta de turnată.
Fonta turnată conţine 2,11% – 6,67% carbon, 1% – 6% siliciu şi mici cantităţi de mangan. Proprietăţile sale mecanice variază considerabil în funcţie de forma sub care apare carbonul în aliaj. Fontele albe conţin carbonul sub formă de cementită, ceea ce le face dure, dar fragile. Suprafaţa de rupere a unei fonte albe prezintă numeroase faţete fine de carburi, de culoare foarte deschisă, argintie, care şi dau numele materialului. În fonta cenuşie, carbonul se găseşte sub formă liberă, de grafit, şi are de asemenea proprietăţi mecanice reduse (deşi mai bune decât ale fontelor albe). Variantele mai noi de fontă cenuşie, fonta maleabilă şi fonta modificată conţin grafitul sub formă de cristale foarte neregulate (grafit în cuiburi), respectiv sub formă sferoidală (grafit nodular), îmbunătăţind mult rezistenţa şi tenacitatea materialului.
Feroaliajele sunt aliaje ale fierului cu alte elemente chimice, acestea fiind prezente în procentaje ridicate. Exemple sunt ferosiliciul sau feromanganul; care se utilizează la elaborarea oţelurilor aliate sau a altor aliaje.
Alte aliaje importante sunt cele cu nichel, dintre care se remarcă invarul (36% Ni, rest fier), care caracterizează printr-un coeficient de dilatare termică foarte redus şi se utilizează în aplicaţii unde este nevoie de modificări dimensionale minime în raport cu temperatura.
Oxizii de fier sunt folosiţi la fabricarea de medii magnetice pentru stocarea informaţiilor. Deseori ei sunt amestecaţi cu alţi compuşi, dar îşi păstrează proprietăţile magnetice în soluţie.
În medicină se folosesc preparate pe bază de fier ca antianemice.
Importanţa în biologie şi medicină este un element esenţial pentru aproape toate organismele vii. El este inclus, de regulă în formă stabilă, în metaloproteine, deoarece în formă liberă sau expusă duce la producerea de radicali liberi care în general sunt toxici pentru celule. Fierul se poate combina cu orice tip de biomoleculă şi, ca atare, va adera la membrane, acizi nucleici, proteine etc.
Multe animale înglobează fierul în hemuri, o componentă esenţială a citocromilor, proteine implicate în reacţii redox (incluzând respiraţia celulară), şi a proteinelor purtătoare de oxigen hemoglobina şi mioglobina. Fierul anorganic implicat în reacţii redox se găseşte de asemenea în complexele fier-sulf din multe enzime, cum ar fi nitrogenaza şi hitrogenaza. Atunci când organismul se confruntă cu o infecţie bacteriană, fierul este "sechestrat" în interiorul celulelor (de obicei în molecula de depozitare feritină) astfel încât să nu poată fi folosit de către bacterii. Fierul absorbit din duoden este legat în transferină şi transportat prin sânge către diverse celule, unde este înglobat în proteine prin.mecanisme încă neidentificate.
Fierul în alimente
Cele mai bune surse de fier în alimente sunt carnea de porc, peştele, carnea de pui, lintea, fasolea, pătrunjelul, pâinea din făină integrală etc. În schimb, spanacul ca sursă principală de fier este un mit datorat unei greşeli de transcriere a cantităţii de fier.
Toxicitate
Fierul în cantităţi excesive este toxic pentru oameni, deoarece reacţionează cu peroxizii din corp, producând radicali liberi. Toxicitatea apare atunci când cantitea de fier o depăşeşte pe cea de transferină necesară pentru legarea fierului liber. O cantitate prea mare de fier ingerată poate leza direct celulele din tractul gastro-intestinal şi poate intra în sânge, distrugând celulele care altfel ar restricţiona intrarea sa. Odată ajuns în sânge, fierul în exces poate afecta celulele din inimă, ficat (unde poate duce la sideroză) etc., putând duce la deteriorarea organelor respective pe termen lung sau chiar la moarte. De aceea, preparatele pe bază de fier sunt indicate doar în cazul unei deficienţe de fier.
Toxicitatea fierului se manifestă la valori de peste 20 mg de fier pentru fiecare kilogram de masă corporală, 60 mg/kg reprezentând o doză letală.
Tratarea medicală a problemelor cauzate de toxicitatea fierului este complexă. Un aspect în acest sens este folosirea deferoxaminei, care leagă şi elimină excesul de fier din organism.
Simbolistică
În Evul Mediu, fierul era asociat cu planeta Marte, cu masculinitatea şi cu soliditatea, rezistenţa. De altfel, în alchimie, simbolul fierului era identic cu cel folosit şi în prezent pentru a indica genul masculin şi cu cel pentru Marte în astrologie: ♂.
Termenul "de fier" a ajuns să fie folosit pentru a indica ceva de neclintit, de netrecut (de exemplu Cortina de fier), o încercare, provocare deosebită (de exemplu triatlonul "Ironman", om de fier desfăşurat în Hawaii) sau, în cazul unor persoane, o voinţă deosebită (persoane care conduceau "cu o mână de fier", sau "doamna de fier", supranumele fostului prim-ministru al Marii Britanii, Margaret Thatcher). "Fier" este şi denumirea celei de-a patra povestiri din volumul "Sistemul periodic" publicat în 1975 de Primo Levi.
În funcţie de domeniile de temperatură la care sunt stabile şi de structura cristalină, este acceptată astăzi existenţa a 3 stări alotropice ale fierului solid:
* Fierul α are o structură cristalină cubică cu volum centrat şi este stabil de la temperatura ambiantă până la temperatura de 1185 K (912oC). Între temperatura ambiantă şi temperatura de 1043 K (770oC) (punctul Curie), fierul α este feromagnetic, iar peste 1043 K devine paramagnetic. Din această cauză, iniţial formei structurale de fier existente între 1043 K şi 1185 K i s-a dat denumirea de fier β. Ulterior s-a renunţat la această denumire întrucât între fierul α şi fierul β nu există alte diferenţe.
* Fierul γ are o structură cristalină cubică cu feţe centrate şi este stabil între 1185 K (912oC) şi 1667 K (1394oC).
* Fierul δ are o structură cristalină cubică cu volum centrat şi este stabil între 1667 K (1394oC).şi temperatura de topire, 1811 K (1538oC).
Notă: La nivel mondial nu s-a ajuns încă la un acord complet în privinţa poziţiei exacte a diferitelor puncte caracteristice ale fierului (şi nici a punctelor caracteristice din diagrama de echilibru fier-carbon). Valorile indicate aici pentru temperaturi sunt cele întâlnite în monografiile de specialitate uzuale din România.
Obţinere
Minereuri
Datorită reactivităţii sale mari, în natură fierul se găseşte în stare pură doar în cazuri foarte rare, de obicei în meteoriţii feroşi.
Cele mai des utilizate minereuri de fier sunt hematitul, magnetitul, ilmenitul (FeTiO3), sideritul (FeCO3), limonitul (amestec de goethit - α-FeO(OH) - şi lepidocrocit - γ-Fe3+O(OH)) şi pirita (FeS2).
Cele mai mari zăcăminte de minereu de fier sunt asociate cu aşa-numitele formaţiuni feroase în benzi (în engleză: Banded Iron Formations).
Minereurile de fier se exploatează atât în exploatări de suprafaţă, cât şi în mine. Cele mai importante exploatări de suprafaţă se găsesc în America de Sud (în special în Bolivia şi Brazilia), în vestul Australiei, în China, în Ucraina şi Canada. În ultimii ani, aceste ţări au înlocuit treptat ţările cu tradiţie în extragerea minereului de fier din mine, cum ar fi Franţa, Suedia sau Germania. Cel mai important zăcământ de fier se află la El Mutùn în Bolivia, unde se estimează că există cca. 40 miliarde tone de minereu cu un conţinut de fier de peste 50 %.
După extragere, minereul se mărunţeşte şi se macină, după care granulele de minereu se sortează după mărime şi se sinterizează. Aceasta înseamnă că, sub influenţa unei călduri foarte mari şi cu adaosuri de materiale calcaroase, granulele mici se unesc în bulgări mai mari, poroşi. Acest lucru este esenţial pentru că, ulterior, granulele fine ar împiedica trecerea normală a curentului de aer prin furnal.
Producători de fier
În anul 2000, la nivel mondial au fost produse aproximativ 1 miliard de tone de minereu de fier, valorând cca. 25 miliarde euro. Din această cantitate de minereu s-au obţinut aproximativ 572 milioane tone de fontă brută.
Minereurile de fier sunt exploatate în prezent în 48 de ţări, primii cinci producători: China, Brazilia, Australia, Rusia şi India asigurând 70% din producţia mondială totală.
Modalităţi de obţinere
La scară industrială, fierul este produs pornind de la minereu printr-o reacţie de reducere directă cu carbon, la temperaturi de cca. 2000°C, în furnale (cuptoare înalte). Aceasta permite înlăturarea sub influenţa temperaturilor înalte a componenţilor neferoşi sau pământoşi din minereu. În partea superioară a furnalului se introduce minereu de fier, carbon sub formă de cocs şi un flux de genul carbonatului de calciu sau a dolomitului, în timp ce prin partea de jos este insuflat un curent de aer cald. Cocsul reacţionează cu oxigenul din curentul de aer, formând monoxid de carbon:
6 C + 3 O2 → 6 CO
Monoxidul de carbon reduce minereul de fier (în cazul de jos, hematit), transformându-l în fier topit şi devenind bioxid de carbon:
6 CO + 2 Fe2O3 → 4 Fe + 6 CO2
Fluxul ajută la topirea impurităţilor din minereu, în special a bioxidului de siliciu şi a silicaţilor. Sub influenţa căldurii din furnal, carbonatul de calciu se descompune în oxid de calciu şi bioxid de carbon.:
CaCO3 → CaO + CO2
Oxidul de calciu se combină cu bioxidul de siliciu formând o zgură ce se topeşte la temperatura din furnal (ceea ce nu s-ar fi întâmplat cu bioxidul de siliciu în stare pură).
CaO + SiO2 → CaSiO3
Zgura topită pluteşte deasupra fierului topit, mai dens, şi aceste componente pot fi evacuate separat prin deschizături speciale în furnal.
Materialul util rezultat este de fapt fontă brută, cu un conţinut de cca. 4-5% carbon. Aceasta poate fi redusă în continuare pentru obţinerea oţelului sau a fierului tehnic pur, în alte cuptoare sau convertizoare.
Fierul chimic pur se poate prepara prin calcinarea precipitatului de hidroxid feric Fe(OH)3 sau a altor săruri de fier. iar la scară industrial prin calcinarea sărurilor de fier cu uşoara tendinţă de descompunere.
Utilizare
Fierul este în prezent cel mai utilizat metal, cuprinzând 95% din producţia mondială de metale, ca şi masă. Datorită combinării unei rezistenţe înalte cu un preţ redus, el se foloseşte în prezent mai ales în cadrul aliajelor, pentru realizarea de diverse piese şi structuri.
Alături de cobalt şi nichel, fierul este unul dintre cele trei materiale feromagnetice care fac posibilă aplicarea practică a electromagnetismului la generatoare electrice, transformatoare şi motoare electrice.
Aliajele fier-carbon sunt materialele cu cea mai largă răspândire în industrie. Ele se împart în oţeluri, cu un conţinut de carbon de până la 2,11 % şi fonte, cu un conţinut de carbon mai mare de 2,11 %.
Fierul forjat este un produs maleabil care conţine mai puţin de 0,2% carbon. Datorită modului de obţinere, piesele din fier forjat conţin mici urme, filamente de zgură. Fierul forjat rugineşte mai greu, însă a fost înlocuit în prezent în majoritatea aplicaţiilor de oţeluri cu conţinut scăzut de carbon, care sunt mai ieftine şi mai uşor de obţinut.
Oţelul nealiat conţine între 0,06% şi 2,11% carbon, cu mici cantităţi de mangan, sulf, fosfor şi siliciu.
Oţelurile aliate conţin diferite cantităţi de carbon, dar şi alte metale, cum ar fi cromul, vanadiul, molibdenul, nichelul, wolframul etc. Ele au de regulă domenii de utilizare bine precizate, deoarece conţinutul de elemente de aliere le creşte considerabil preţul. O varietate recentă de oţeluri aliate sunt aşa-numitele oţeluri microaliate ce conţin cantităţi mici de elemente de aliere, însă cu rezistenţe şi tenacităţi ridicate, la costuri minime. Oţelurile inoxidabile sunt oţeluri aliate care conţin cel puţin 12% crom.
Fonta brută conţine cca. 4-5% carbon şi diverse cantităţi de sulf, siliciu şi fosfor. Singura ei importanţă tehnică este ca pas intermediar de la minereul de fier la oţel şi fonta de turnată.
Fonta turnată conţine 2,11% – 6,67% carbon, 1% – 6% siliciu şi mici cantităţi de mangan. Proprietăţile sale mecanice variază considerabil în funcţie de forma sub care apare carbonul în aliaj. Fontele albe conţin carbonul sub formă de cementită, ceea ce le face dure, dar fragile. Suprafaţa de rupere a unei fonte albe prezintă numeroase faţete fine de carburi, de culoare foarte deschisă, argintie, care şi dau numele materialului. În fonta cenuşie, carbonul se găseşte sub formă liberă, de grafit, şi are de asemenea proprietăţi mecanice reduse (deşi mai bune decât ale fontelor albe). Variantele mai noi de fontă cenuşie, fonta maleabilă şi fonta modificată conţin grafitul sub formă de cristale foarte neregulate (grafit în cuiburi), respectiv sub formă sferoidală (grafit nodular), îmbunătăţind mult rezistenţa şi tenacitatea materialului.
Feroaliajele sunt aliaje ale fierului cu alte elemente chimice, acestea fiind prezente în procentaje ridicate. Exemple sunt ferosiliciul sau feromanganul; care se utilizează la elaborarea oţelurilor aliate sau a altor aliaje.
Alte aliaje importante sunt cele cu nichel, dintre care se remarcă invarul (36% Ni, rest fier), care caracterizează printr-un coeficient de dilatare termică foarte redus şi se utilizează în aplicaţii unde este nevoie de modificări dimensionale minime în raport cu temperatura.
Oxizii de fier sunt folosiţi la fabricarea de medii magnetice pentru stocarea informaţiilor. Deseori ei sunt amestecaţi cu alţi compuşi, dar îşi păstrează proprietăţile magnetice în soluţie.
În medicină se folosesc preparate pe bază de fier ca antianemice.
Importanţa în biologie şi medicină este un element esenţial pentru aproape toate organismele vii. El este inclus, de regulă în formă stabilă, în metaloproteine, deoarece în formă liberă sau expusă duce la producerea de radicali liberi care în general sunt toxici pentru celule. Fierul se poate combina cu orice tip de biomoleculă şi, ca atare, va adera la membrane, acizi nucleici, proteine etc.
Multe animale înglobează fierul în hemuri, o componentă esenţială a citocromilor, proteine implicate în reacţii redox (incluzând respiraţia celulară), şi a proteinelor purtătoare de oxigen hemoglobina şi mioglobina. Fierul anorganic implicat în reacţii redox se găseşte de asemenea în complexele fier-sulf din multe enzime, cum ar fi nitrogenaza şi hitrogenaza. Atunci când organismul se confruntă cu o infecţie bacteriană, fierul este "sechestrat" în interiorul celulelor (de obicei în molecula de depozitare feritină) astfel încât să nu poată fi folosit de către bacterii. Fierul absorbit din duoden este legat în transferină şi transportat prin sânge către diverse celule, unde este înglobat în proteine prin.mecanisme încă neidentificate.
Fierul în alimente
Cele mai bune surse de fier în alimente sunt carnea de porc, peştele, carnea de pui, lintea, fasolea, pătrunjelul, pâinea din făină integrală etc. În schimb, spanacul ca sursă principală de fier este un mit datorat unei greşeli de transcriere a cantităţii de fier.
Toxicitate
Fierul în cantităţi excesive este toxic pentru oameni, deoarece reacţionează cu peroxizii din corp, producând radicali liberi. Toxicitatea apare atunci când cantitea de fier o depăşeşte pe cea de transferină necesară pentru legarea fierului liber. O cantitate prea mare de fier ingerată poate leza direct celulele din tractul gastro-intestinal şi poate intra în sânge, distrugând celulele care altfel ar restricţiona intrarea sa. Odată ajuns în sânge, fierul în exces poate afecta celulele din inimă, ficat (unde poate duce la sideroză) etc., putând duce la deteriorarea organelor respective pe termen lung sau chiar la moarte. De aceea, preparatele pe bază de fier sunt indicate doar în cazul unei deficienţe de fier.
Toxicitatea fierului se manifestă la valori de peste 20 mg de fier pentru fiecare kilogram de masă corporală, 60 mg/kg reprezentând o doză letală.
Tratarea medicală a problemelor cauzate de toxicitatea fierului este complexă. Un aspect în acest sens este folosirea deferoxaminei, care leagă şi elimină excesul de fier din organism.
Simbolistică
În Evul Mediu, fierul era asociat cu planeta Marte, cu masculinitatea şi cu soliditatea, rezistenţa. De altfel, în alchimie, simbolul fierului era identic cu cel folosit şi în prezent pentru a indica genul masculin şi cu cel pentru Marte în astrologie: ♂.
Termenul "de fier" a ajuns să fie folosit pentru a indica ceva de neclintit, de netrecut (de exemplu Cortina de fier), o încercare, provocare deosebită (de exemplu triatlonul "Ironman", om de fier desfăşurat în Hawaii) sau, în cazul unor persoane, o voinţă deosebită (persoane care conduceau "cu o mână de fier", sau "doamna de fier", supranumele fostului prim-ministru al Marii Britanii, Margaret Thatcher). "Fier" este şi denumirea celei de-a patra povestiri din volumul "Sistemul periodic" publicat în 1975 de Primo Levi.
sursa:ipedia.ro
0 comments: