|
Article on other languages:
|
Fierul (din latină, ferrum; în franceză fer, în engleză iron, în germană Eisen, în maghiară vas ) este un element chimic cu simbolul Fe şi numărul atomic 26. În tabelul periodic al elementelor, fierul se găseşte în grupa a 8-a şi în perioada a 4-a.
PrezentareFierul este un metal de culoare gri-argintie, cu un punct de topire ridicat (1538°C) şi o largă răspândire în natură, sub formă de combinaţii chimice.[1] Este ultimul element care poate fi produs prin fuziune nucleară în nucleele stelelor (dar doar în cele cu masă mai mare de 5 mase solare), şi deci cel mai greu element a cărui formare nu necesită un eveniment cataclismic de tipul unei supernove. [2] IstoricPrimul tip de fier cunoscut şi utilizat de oameni provenea din meteoriţi. În Egipt şi Mesopotamia s-au descoperit vărfuri de suliţă şi obiecte decorative cu această origine, datând din jurul anului 4000 î.Hr. [3] 2000 de ani mai târziu a apărut şi fierul prelucrat din minereu (la început cel numit fier de mlaştină - în engleză bog iron, sau limonit), folosit însă doar pentru obiecte de cult şi considerat mai valoros decât aurul. Între 1600 î.Hr. şi 1200 î.Hr. a început obţinerea fierului în topitorii primitive, în Imperiul Hitit (Anatolia şi Caucaz). Dispariţia acestui imperiu a permis răspândirea cunoştinţelor despre prelucrarea fierului în toată regiunea, facilitând trecerea de la Epoca Bronzului la Epoca Fierului. În jurul anului 550 î Hr. în China a fost inventat furnalul şi s-a obţinut prima fontă turnată. Oţelul, aliaj al fierului cu relativ puţin carbon, a fost produs, se pare, pentru prima dată în India, în secolul al III-lea. Un exemplu al măiestriei indiene în domeniul metalurgiei este şi faimoasa coloană de fier din Delhi, care este constituită în proporţie de 98% din fier forjat şi a fost ridicată la sfârşitul secolului al IV-lea sau începutul secolului al V-lea[4]. În Europa, primele şarje de fontă turnată au fost obţinute în Suedia, în secolul al XV-lea (Lapphyttan şi Vinarhyttan). Ghiulele de tun din fontă au permis apoi răspândirea acestui material şi a metodelor de obţinere în toată lumea. Combustibilul de bază pentru aceste procese era cărbunele de lemn (mangalul). Dispariţia accentuată a pădurilor din Marea Britanie a dus în secolul al XVIII-lea la înlocuirea mangalului cu cocsul, de către Abraham Darby. Acest lucru, împreună cu inventarea maşinii cu abur, a dus la Revoluţia industrială[5]. La sfârşitul anilor 1850, Henry Bessemer a inventat un nou procedeu de fabricare a oţelului cu conţinut foarte scăzut de carbon, la care se sufla aer prin fonta brută topită. Acest progres a dus la diminuarea treptată a producţiei de fier forjat. Răspândire în naturăCa abundenţă, fierul este al zecelea element în univers şi al 4-lea pe Pământ (al doilea metal, după aluminiu). Ca masă însă, fierul ocupă primul loc pe Pământ. În prezent se consideră că 80% din nucleul interior al Pământului este format din fier. Sub formă de diverse combinaţii, el formează 5% din scoarţa terestră, însă în stare pură se găseşte doar accidental (în meteoriţi). Se presupune de asemenea că planeta Marte îşi datorează culoarea roşiatică unui sol bogat în oxid de fier.[6] IzotopiFierul prezintă patru izotopi naturali. În ordinea abundenţei relative, aceştia sunt: 56Fe (91,7 %), 54Fe (5,8 %), 57Fe (2,2 %) şi 58Fe (0,3 %). De asemenea, se cunosc alţi 10 izotopi sintetici ai fierului. S-a demonstrat (prin corelaţia existentă între abundenţa izotopului 60Ni, un produs de dezintegrare al 60Fe, şi abundenţele izotopilor stabili ai fierului în unii meteoriţi) că 60Fe a existat în stare naturală în perioada de formare a sistemului solar.[7] Forme alotropiceÎn funcţie de domeniile de temperatură la care sunt stabile şi de structura cristalină, este acceptată astăzi existenţa a 3 stări alotropice ale fierului solid:
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. Combinaţii chimiceFierul formează cu oxigenul combinaţii bivalente şi trivalente. Fenomenul de oxidare a fierului se mai numeşte ruginire. Oxidul feros, FeO (II), se obţine prin arderea directă a fierului. El este stabil doar la temperaturi de peste 833 K (560oC) şi este de culoare neagră. Oxidul feric, Fe2O3 (III), numit şi hematit, este un mineral de culoare maronie, obţinut prin oxidarea fierului în condiţiile existenţei unui surplus de oxigen. El reprezintă principala sursă de obţinere a fierului. Oxidul feric-feros, Fe3O4 (II,III), numit şi magnetit, este materialul natural cu cele mai bune proprietăţi magnetice. Deşi aceşti oxizi formează straturi protectoare la suprafaţa pieselor, porozitatea acestor straturi este atât de mare încât obiectele din fier expuse efectelor atmosferei ruginesc continuu până la distrugerea lor completă. Oxidul feric este opac la radiaţii ultraviolete şi infraroşii, proprietate ce îşi gaseşte aplicaţii la fabricarea geamurilor termoabsorbante. În combinaţie cu carbonul, fierul poate forma soluţii solide sau carbura de fier Fe3 (numită şi cementită). În funcţie de temperatură şi de conţinutul de carbon, soluţiile solide sunt ferita, austenita şi ferita δ. Pentacarbonilul de fier, Fe(CO)5 se obţine prin reacţia, sub presiune, a fierului cu monoxidul de carbon. Prin descompunerea sa se obţine fierul carbonil cu o puritate de 97,5 %. De asemenea, el se foloseşte pentru obţinerea a numeroşi compuşi ai fierului cu utilizare în sinteza organică. Tiocianatul de fier, Fe(SCN)3 are o culoare roşie caracteristică şi serveşte la punerea în evidenţă a ionilor Fe3+. ObţinereMinereuriDatorită 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 %.[9] 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 fierÎn 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.
Erzberg, Austria, cel mai mare zăcământ de siderit din lume
Pentru o listă mai detaliată a ţărilor producătoare, vezi Lista celor mai mari producători de fontă brută. Modalităţi de obţinereLa 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:
Furnal la Sestao, Spania
Monoxidul de carbon reduce minereul de fier (în cazul de jos, hematit), transformându-l în fier topit şi devenind bioxid de carbon:
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.:
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).
Zgura topită pluteşte deasupra fierului topit, mai dens, şi aceste componente pot fi evacuate separat prin deschizături speciale în furnal.[12] 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. UtilizareFierul 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 medicinăFierul 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 [13]. Vezi şi Metabolismul fierului în organismul uman. Fierul în alimenteCele 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 [14]. ToxicitateFierul 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.[15]. 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 [16]. 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. SimbolisticăÎn 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: ♂. Referinţe
Vezi şi
Legături externe
89 Ac, 13 Al, 95 Am, 47 Ag, 18 Ar, 33 As, 85 At, 79 Au, 7 N, 56 Ba, 4 Be, 97 Bk, 83 Bi, 107 Bh, 5 B, 35 Br, 48 Cd, 20 Ca, 98 Cf, 6 C, 58 Ce, 55 Cs, 17 Cl, 27 Co, 24 Cr, 29 Cu, 96 Cm, 110 Ds, 66 Dy, 105 Db, 99 Es, 68 Er, 63 Eu, 100 Fm, 26 Fe, 9 F, 15 P, 87 Fr, 64 Gd, 31 Ga, 32 Ge, 72 Hf, 108 Hs, 2 He, 1 H, 67 Ho, 49 In, 53 I, 77 Ir, 36 Kr, 57 La, 103 Lr, 3 Li, 71 Lu, 12 Mg, 25 Mn, 109 Mt, 101 Md, 80 Hg, 42 Mo, 11 Na, 60 Nd, 10 Ne, 93 Np, 28 Ni, 41 Nb, 102 No, 76 Os, 8 O, 46 Pd, 78 Pt, 82 Pb, 94 Pu, 84 Po, 19 K, 59 Pr, 61 Pm, 91 Pa, 88 Ra, 86 Rn, 75 Re, 45 Rh, 111 Rg, 37 Rb, 44 Ru, 104 Rf, 62 Sm, 21 Sc, 106 Sg, 34 Se, 14 Si, 50 Sn, 51 Sb, 38 Sr, 16 S, 81 Tl, 73 Ta, 43 Tc, 52 Te, 65 Tb, 22 Ti, 90 Th, 69 Tm, 112 Uub, 116 Uuh, 118 Uuo, 115 Uup, 114 Uuq, 117 Uus, 113 Uut, 92 U, 23 V, 74 W, 54 Xe, 39 Y, 70 Yb, 30 Zn, 40 Zr
Article keywords: bucuresti fier forjat, fier forjat gard, anton fier, garda de fier, fier beton, fier truck, fier forjat oferte servicii, fier vechi, albania fier, |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
This article is from Wikipedia. All text is available under the terms of the GNU Free Documentation License.