Sắt- đặc điểm và ứng dụng pdf

Sắt và Niken Ni được biết là 2 nguyên tố cuối cùng có thể tạo thành qua tổng hợp ở nhân sao hình thành qua phản ứng hạt nhân ở tâm các vì sao mà không cần phải qua một vụ nổ siêu tân tin

Sắt

Sắt là tên một nguyên tố hóa học trong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Fe và số

hiệu nguyên tử bằng 26 Nằm ở phân nhóm VIIIB chu kỳ 4 Sắt và Niken (Ni) được biết

là 2 nguyên tố cuối cùng có thể tạo thành qua tổng hợp ở nhân sao (hình thành qua phản ứng hạt nhân ở tâm các vì sao) mà không cần phải qua một vụ nổ siêu tân tinh hay các biến động lớn khác Do đó sắt và Niken khá dồi dào trong các thiên thạch kim loại và các hành tinh lõi đá (như Trái Đất, Sao Hoả)

Thuộc tính

Một nguyên tử sắt điển hình có khối lượng gấp 56 lần khối lượng một nguyên

tử hiđrô điển hình Sắt là kim loại phổ biến nhất, và người ta cho rằng nó là nguyên

tố phổ biến thứ 10 trong vũ trụ Sắt cũng là nguyên tố phổ biến nhất (theo khối lượng, 34.6%) tạo ra Trái Đất; sự tập trung của sắt trong các lớp khác nhau của Trái Đất dao động từ rất cao ở lõi bên trong tới khoảng 5% ở lớp vỏ bên ngoài; có thể phần lõi của Trái Đất chứa các tinh thể sắt mặc dù nhiều khả năng là hỗn hợp của sắt và niken; một khối lượng lớn của sắt trong Trái Đất được coi là tạo ra từ trường của nó Ký hiệu của

sắt Felà từ viết tắt của ferrum, từ Latinh của sắt

Sắt là kim loại được tách ra từ các mỏ quặng sắt, và rất khó tìm thấy nó ở dạng tự do

Để thu được sắt tự do, các tạp chất phải được loại bỏ bằng phương pháp khử hóa học Sắt được sử dụng trong sản xuất gang và thép, đây là các hợp kim, là sự hòa tan của các kim loại khác (và một số á kim hay phi kim, đặc biệt là cacbon)

Hạt nhân của sắt có năng lượng liên kết cao nhất, vì thế nó là nguyên tố nặng nhất được sản xuất trong các phản ứng nhiệt hạch và là nhẹ nhất trong phản ứng phân rã hạt nhân Các ngôi sao có khối lượng lớn khi gần cháy hết nhiên liệu hiđrô, sẽ bắt đầu các chuỗi phản ứng hạt nhân tạo ra các chất có khối lượng nguyên tử tăng dần, bao gồm cả sắt, trước khi bùng nổ thành các siêu tân tinh

Các mô hình vũ trụ trong vũ trụ mở dự đoán rằng có một giai đoạn ở đó do kết quả của các phản ứng nhiệt hạch và phân hạch chậm lại, mọi thứ sẽ trở thành sắt

Lịch sử

Những dấu hiệu đầu tiên về việc sử dụng sắt là ở những người Sumeria và người Ai Cập vào khoảng 4000 năm TCN, các đồ vật nỏ như mũi giáo và đồ trang trí, đã được làm từ sắt lấy từ các thiên thạch Vì các thiên thạch rơi từ trên trời xuống nên một số

nhà ngôn ngữ học phỏng đoán rằng từ tiếng Anh iron, là từ có cùng nguồn gốc với

nhiều ngôn ngữ ở phía bắc và tây châu Âu, có xuất xứ từ tiếng Etruria aisar có nghĩa là

"trời"

Vào khoảng những năm 3000 đến 2000 Trước Công Nguyên (TCN), đã xuất hiện hàng loạt các đồ vật làm từ sắt nóng chảy (phân biệt rõ với sắt từ thiên thạch do thiếu niken trong sản phẩm) ở Lưỡng Hà, Anatolia và Ai Cập Tuy nhiên, việc sử dụng chúng có lẽ

là thuộc về hình thức trong tế lễ, và sắt đã là kim loại rất đắt, hơn cả vàng Trong Illiad, các vũ khí chủ yếu làm từ đồng thau, nhưng các thỏi sắt đã được sử dụng trong buôn

bán Một số nguồn (xem phần tham khảo Cái gì tạo ra thời đại đồ sắt? dưới đây) cho

rằng sắt được tạo ra khi đó như sản phẩm đi kèm của việc tinh chế đồng, như là những bọt sắt, và không được tái sản xuất bởi ngành luyện kim khi đó Vào khoảng năm 1600 đến 1200 TCN, sắt đã được sử dụng nhiều hơn ở Trung Cận Đông, nhưng vẫn chưa thay thế được sự thống trị của đồng thau

Trong thời kỳ từ thế kỷ 12 đến thế kỷ 10 TCN, đã có sự chuyển đổi nhanh chóng từ công cụ, vũ khí đồng thau sang sắt ở Trung Cận Đông Yếu tố quyết định của chuyển đổi này không phải là sự xuất hiện của các công nghệ luyện sắt cao cấp hơn mà là sự cạn kiệt của các nguồn cung cấp thiếc Thời kỳ chuyển đổi này diễn ra không đồng thời trên thế giới, là dấu hiệu cho thời kỳ văn minh mới được gọi là Thời đại đồ sắt

Cùng với việc chuyển đổi từ đồng thau sang sắt là việc phát hiện ra quy trình cacbua hóa, là quy trình bổ sung thêm cacbon vào sắt Sắt được thu lại như bọt sắt, là hỗn hợp

của sắt với xỉ với một ít cacbon và/hoặc cacbua, sau đó nó được rèn và tán phẳng để giải phóng sắt khỏi xỉ cũng như ôxi hóa bớt cacbon, để tạo ra sắt non Sắt non chứa rất

ít cacbon và không dễ làm cứng bằng cách làm nguội nhanh Người Trung Đông đã phát hiện ra là một số sản phẩm cứng hơn có thể được tạo ra bằng cách đốt nóng lâu sắt non với than củi trong lò, sau đó làm nguội nhanh bằng cách nhúng vào nước hay dầu Sản phẩm tạo thành có bề mặt của thép, là cứng hơn và ít gãy hơn đồng thau, là thứ đang bị thay thế dần

Ở Trung Quốc, những đồ vật bằng sắt đầu tiên được sử dụng cũng là sắt lấy từ thiên thạch, các chứng cứ khảo cổ học về các đồ vật làm từ sắt non xuất hiện ở miền tây bắc, gần Xinjiang trong thế kỷ 8 TCN Các đồ vật làm từ sắt non có cùng quy trình như sắt được làm ở Trung Đông và châu Âu, và vì thế người ta cho rằng chúg được nhập khẩu bởi những người không phải là người Trung Quốc

Trong những năm muộn hơn của nhà Chu (khoảng năm 550 TCN), khả năng sản xuất sắt mới đã bắt đầu vì phát triển cao của công nghệ lò nung Sản xuất theo phương pháp lò nung không khí nóng có thể tạo ra nhiệt độ trên 1300 K, người Trung Quốc bắt đầu sản xuất gang thô và gang đúc

Nếu quặng sắt được nung với cacbon tới 1420–1470 K, một chất lỏng nóng chảy được tạo ra, là hợp kim của khoảng 96,5% sắt và 3,5% cacbon Sản phẩm này cứng, có thể đúc thành các đồ phức tạp, nhưng dễ gãy, trừ khi nó được phi-cacbua hóa để loại bớt cacbon Phần chủ yếu của sản xuất sắt từ thời nhà Chu trở đi là gang đúc Sắt, tuy vậy vẫn là sản phẩm thông thường, được sử dụng bởi những người nông dân trong hàng trăm năm, và không có ảnh hưởng đáng kể đến diện mạo của Trung Quốc cho đến tận thời kỳ nhà Tần (khoảng năm 221 TCN)

Việc sản xuất gang đúc ở châu Âu bị chậm trễ do các lò nung chỉ có thể tạo ra nhiệt độ khoảng 1000 K Trong thời Trung cổ, ở Tây Âu sắt bắt đầu được làm từ bọt sắt để trở thành sắt non Gang đúc sớm nhất ở châu Âu tìm thấy ở Thụy Điển, trong hai khu vực

là Lapphyttan và Vinarhyttan, khoảng từ năm 1150 đến 1350 Có giả thuyết cho rằng việc sản xuất gang đúc là do người Mông Cổ thông qua nước Nga truyền đến các khu vực này, nhưng không có chứng cứ vững chắc cho giả thuyết này Trong bất kỳ trường hợp nào, vào cuối thế kỷ14 thì thị trường cho gang đúc bắt đầu được hình thành do nhu cầu cao về gang đúc cho các súng thần công

Việc nung chảy sắt thời kỳ đầu tiên bằng than củi như là nguồn nhiệt và chất khử Trong thế kỷ 18, ở Anh việc cung cấp gỗ bị giảm xuống và than cốc, một nhiên liệu hóa thạch, đã được sử dụng để thay thế Cải tiến của Abraham Darby đã cung cấp năng lượng cho cuộc cách mạng công nghiệp

Ứng dụng

Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổng khối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới Sự kết hợp của giá thành thấp và các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thể thay thế được, đặc biệt trong các ứng dụng như sản xuất ô tô, thân tàu thủy lớn, các bộ khung cho các công trình xây dựng Thép là hợp kim nổi tiếng nhất của sắt, ngoài ra còn có một số hình thức tồn tại khác của sắt như:

Gang thô (gang lợn) chứa 4% – 5% cacbon và chứa một loạt các chất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bước trung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng và gang xám)

Gang đúc chứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏ mangan Các chất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, như lưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được Nó có điểm nóng chảy trong khoảng 1420–1470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính của nó, làm cho nó

là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóng cùng nhau

Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chí khi nóng trắng,

nó có xu hướng phá vỡ hình dạng của vật

Thép carbon chứa từ 0,5% đến 1,5% cacbon, với một lượng nhỏ mangan, lưu

huỳnh, phốt pho và silic

Sắt non chứa ít hơn 0,5% cacbon Nó là sản phẩm dai, dễ uốn, không dễ nóng chảy như gang thô Nó có rất ít cacbon Nếu mài nó thành lưỡi sắc, nó đánh mất tính chất này rất nhanh

Các loại thép hợp kim chứa các lượng khác nhau của cacbon cũng như các kim loại khác, như crôm, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v

Ôxít sắt (III) được sử dụng để sản xuất các bộ lưu từ tính trong máy tính Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồn thuộc tính từ trong hỗn hợp này

Sản xuất

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên Trái Đất, chiếm khoảng 5% khối lượng vỏ Trái Đất Phần lớn sắt được tìm thấy trong các dạng ôxít sắt khác nhau,

chẳng hạn như khoáng chất hematit, magnetit, taconit Khoảng 5% các thiên

thạch chứa hỗn hợp sắt-niken Mặc dù hiếm, chúng là các dạng chính của sắt kim loại

tự nhiên trên bề mặt Trái Đất

Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng của nó, chủ yếu là từ hêmatit (Fe2O3) và magnêtit (Fe3O4) bằng cách khử với cacbon trong lò luyện kim sử dụng luồng không khí nóng ở nhiệt độ khoảng 2000 °C Trong lò luyện, quặng sắt, cacbon

trong dạng than cốc, và các chất tẩy tạp chất như đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từ phía dưới

Than cốc phản ứng với ôxy trong luồng không khí tạo ra mônôxít cacbon:

2 C + O2 → 2 CO

Cacbon mônôxít khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây là hêmatit) thành sắt nóng chảy, và nó trở thành điôxít cacbon:

3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2

Chất khử tạp chất được thêm vào để khử các tạp chất có trong quặng (chủ yếu là điôxít silic cát và các silicat khác) Các chất khử tạp chất chính là đá vôi (cacbonat canxi) và đôlômit (cacbonat magiê) Các chất khử tạp chất khác có thể cho vào tùy theo các tạp chất có trong quặng Trong sức nóng của lò luyện

đá vôi bị chuyển thành vôi sống (CaO):

CaCO3 → CaO + CO2

Sau đó ôxít canxi kết hợp với điôxít silic tạo ra xỉ

CaO + SiO2 → CaSiO3

Xỉ nóng chảy trong lò luyện (điôxít silic thì không) Ở phần dưới của lò luyện, xỉ nóng chảy do nhẹ hơn nên nổi lên phía trên sắt nóng chảy Các cửa lò có thể được mở để tháo xỉ hay sắt nóng chảy Sắt khi nguội đi, tạo ra gang thô, còn xỉ

có thể được sử dụng để làm đường hay để cải thiện các loại đất nông

nghiệp nghèo khoáng chất

Khoảng 1,1 tỷ tấn quặng sắt được sản xuất trên thế giới vào năm 2000, với tổng trị giá trên thị trường vào khoảng 25 tỷ đôla Mỹ Việc khai thác quặng sắt diễn ra trên 48 quốc gia, nhưng 5 nhà sản xuất lớn nhất là Trung

Quốc, Brasil, Úc, Nga và Ấn Độ, chiếm tới 70% lượng quặng khai thác trên thế giới 1,1 tỷ tấn quặng sắt này được sử dụng để sản xuất ra khoảng 572 triệu tấn sắt thô

Vai trò sinh học

Sắt có vai trò rất cần thiết đối với mọi cơ thể sống, ngoại trừ một số vi khuẩn Nó chủ yếu liên kết ổn định bên trong các prôtêin kim loại, vì trong dạng tự do nó sinh ra các gốc tự do nói chung là độc với các tế bào Nói rằng sắt tự do không

có nghĩa là nó tự do di chuyển trong các chất lỏng trong cơ thể Sắt liên kết chặt chẽ với mọi phân tử sinh học vì thế nó sẽ gắn với các màng tế bào, axít

nucleic, prôtêin v.v

Trong cơ thể động vật sắt liên kết trong các tổ hợp heme (là thành phần thiết yếu của cytochromes), là những prôtêin tham gia vào các phản ứng ôxi hóa-khử (bao gồm nhưng không giới hạn chỉ là quá trình hô hấp) và của các prôtêin chuyên chở ôxy như hêmôglôbin và myôglôbin

Sắt vụ cơ tham gia trong cỏc phản ứng ụxi húa-khử cũng được tỡm thấy trong cỏc cụm sắt-lưu huỳnh của nhiều enzym, chẳng hạn như cỏc

enzym nitrogenase (tham gia vào quỏ trỡnh tổng hợpamụniắc từ nitơ và hiđrụ)

và hydrogenase Tập hợp cỏc prụtờin sắt phi-heme cú trỏch nhiệm cho một dóy cỏc chức năng trong một số loại hỡnh cơ thể sống, chẳng hạn như cỏc

enzym mờtan mụnụụxygenase (ụxi húa mờtan thành mờtanol), ribonucleotide reductase (khử ribose thành deoxyribose; tổng hợp sinh

học DNA), hemerythrins (vận chuyển ụxy và ngưng kết trong cỏc động vật khụng xương sống ở biển) và axớt phosphatase tớa (thủy phõn cỏc este phốt phỏt) Khi

cơ thể chống lại sự nhiễm khuẩn, nú để riờng sắt trong prụtờin vận

chuyển transferrin vỡ thế vi khuẩn khụng thể sử dụng được sắt

Sự phõn phối sắt trong cơ thể được điều chỉnh trong cơ thể động vật cú vỳ Sắt được hấp thụ từ duodenum liờn kết với transferrin, và vận chuyển bởi mỏu đến cỏc tế bào khỏc nhau Vẫn chưa rừ cơ chế liờn kết của sắt với cỏc prụtờin [1] Cỏc nguồn thức ăn giàu sắt bao gồm: thịt, cỏ, thịt gia cầm, đậu lăng, cỏc

loại đậu, rau bina, tào phớ, đậu Thổ Nhĩ Kỳ, dõu tõy và mầm ngũ cốc

Sắt được bổ sung cho những người cần tăng cường chất này trong

dạng fumarat sắt (II) Tiờu chuẩn của RDA về sắt dao động dựa trờn tuổi tỏc, giới tớnh, và nguồn sắt ăn kiờng (sắt trờn cơ sở heme cú khả năng sinh học cao hơn) [2]

Cần lưu ý tới phần cảnh bỏo dưới đõy

[sửa]Tớnh chất húa học

1.Tỏc dụng với phi kim: Sắt tỏc dụng với hầu hết tất cả cỏc phi kim khi đun núng Với cỏc phi kim cú tớnh oxi húa mạnh như Oxi và Clo thỡ sẽ tạo thành những hợp chất trong đú sắt cú số oxi húa là +3

Vớ dụ : 2Fe +3Cl2 (k) > 2FeCl3(r) (to) 3Feđ + 2O2 ◊ Fe3O4 đơ Phản ứng phỏt nhiệt mạnh

Fe3O4 là một hợp chất ion, tinh thể được tạo nờn bởi cỏc ion O2- , ion Fe3+ và ion Fe2+ Trong quỏ trỡnh phản ứng , một phần sắt bị oxi húa thành Fe2+ , một phần bị oxi húa thành Fe3+ Trong chất rắn , trung bỡnh cứ cú 1 ion Fe2+ thỡ cú 2 ion Fe3+ và 4 ion O2-

Trong khụng khớ ẩm sắt dễ bị rỉ theo phản ứng: 4Fe + O2 +nH2O ◊

2Fe2O3.nH2O Đối với cỏc phi kim yếu hơn như lưu hựynh, tạo thành hợp chất trong đú sắt cú số oxi húa +2 Fe + S ◊ FeS (to)2.Tỏc dụng với cỏc hợp chất: Thế điện cực chuẩn của sắt là : Fe2+(aq) +2e > Fe Eo=-0.44V Qua đú ta thấy sắt cú tớnh khử trung bỡnh Sắt dễ tan trong dung dịch acid HCl và H2SO4 loóng Fe + 2HCl ◊ FeCl2 + H2 Fe + H2SO4 ◊ FeSO4 + H2 Hay Feđ + 2H+(aq) ◊ Fe+(aq) +H2 Đối với cỏc acid cú tớnh oxi húa mạnh như HNO3 hay H2SO4 đặc núng thỡ sản phẩm phản ứng sẽ là muối sắt với sắt cú số oxi húa +3 và cỏc sản phẩm khử của N :N2O , NO , NO2 hoặc của S : SO2 Ở nhiệt độ thường , trong acid nitric đặc và acid sulfuaric đặc , sắt tạo ra lớp oxid bảo vệ kim lọai trờ nờn “thụ

động” , không bị hòa tan Sắt đẩy các kim lọai yếu hơn ra khỏi dung dịch muối của chúng Fe® + Cu(NO3)2 (aq) ◊ Fe(NO3)2 (aq) + Cu®

[sửa]Hợp chất

Các trạng thái ôxi hóa chung của sắt bao gồm:

Trạng thái sắt(II), Fe2+, ferrous rất phổ biến

Trạng thái sắt(III), Fe3+, ferric, cũng rất phổ biến, ví dụ trong gỉ sắt

Trạng thái sắt(IV), Fe4+, ferryl, ổn định trong các enzym (ví dụ perôxidas)

Sắt(VI) cũng được biết tới, nó hiếm hơn, có trong ferrat kali

cacbua sắt Fe3C được biết đến như là cementit

Xem thêm: Ôxít sắt

[sửa]Đồng vị

Sắt có bốn đồng vị tự nhiên ổn định là Fe54, Fe56, Fe57 và Fe58 Sự phổ biến tương đối của các đồng vị sắt trong tự nhiên là: Fe54 (5,8%), Fe56 (91,7%),

Fe57 (2,2%) và Fe58 (0,3%)

Fe60 là đồng vị phóng xạ đã biến mất, nó có chu kỳ bán rã dài (1,5 triệu năm) Phần lớn các công việc trong quá khứ để đo thành phần đồng vị của sắt tập trung vào việc xác định các biến thể của Fe60 vì các quá trình kèm theo sự tổng hợp hạt nhân (ví dụ nghiên cứu thiên thạch) và sự hình thành khoáng sản Đồng

vị Fe56 cũng gây ra sự đặc biệt chú ý của các nhà khoa học vì nó có thể là hạt nhân ổn định nhất Không thể thực hiện các phản ứng phân hạch hay nhiệt hạch trên Fe56 mà có thể giải phóng năng lượng Điều này thì lại không đúng với các nguyên tố khác

Trong số các đồng vị ổn định, chỉ có Fe57 có spin −1/2 Vì lý do này, Fe57 có ứng dụng như là đồng vị spin trong hóa học và hóa sinh học

Trong các pha của các thiên thạch Semarkona và Chervony Kut mối tương quan

giữa mật độ của Ni60 (sản phẩm sinh ra của Fe60) và sự phổ biến của các đồng

vị ổn định của sắt có thể được tìm thấy, nó chứng tỏ sự tồn tại của Fe60 trong thời gian hình thành của hệ Mặt Trời Có khả năng là năng lượng giải phóng bởi

sự phân rã của Fe60 góp phần cùng với năng lượng giải phóng bởi sự phân rã của hạt nhân phóng xạ Al26, để nung chảy lại và làm phân biệt các tiểu hành tinh sau sự hình thành của chúng trước đây 4,6 tỷ năm Sự phổ biến của

Ni60 hiện diện trong các vật chất ngoài Trái Đất có thể cung cấp thông tin để nhìn sâu hơn nữa vào nguồn gốc của hệ Mặt Trời cũng như lịch sử sơ kỳ của nó [sửa]Cảnh báo

Việc hấp thụ quá nhiều sắt gây ngộ độc, vì các sắt II dư thừa sẽ phản ứng với các perôxít trong cơ thể để sản xuất ra các gốc tự do Khi sắt trong số lượng bình thường thì cơ thể có một cơ chếchống ôxi hóa để có thể kiểm soát quá trình này Khi dư thừa sắt thì những lượng dư thừa không thể kiểm soát của các gốc

tự do được sinh ra

Một lượng gây chết người của sắt đối với trẻ 2 tuổi là ba gam sắt Một gam có thể sinh ra sự ngộ độc nguy hiểm Danh mục của DRI về mức chấp nhận cao nhất về sắt đối với người lớn là 45 mg/ngày Đối với trẻ em dưới 14 tuổi mức cao nhất là 40 mg/ngày

Nếu sắt quá nhiều trong cơ thể (chưa đến mức gây chết người) thì một loạt các hội chứng rối loạn quá tải sắt có thể phát sinh, chẳng hạn như hemochromatosis

Vì lý do này, mọi người không nên sử dụng các loại hình sắt bổ sung trừ trường hợp thiếu sắt và phải có chỉ định của bác sĩ chuyên khoa

Việc hiến máu là đặc biệt nguy hiểm do có thể sinh ra chứng thiếu sắt và thông thường được chỉ định bổ sung thêm các biệt dược chứa sắt