Dzelzs: ķīmisks elements, īpašības, izmantošana un vēsture

Fizikālās īpašības

Dzelzs ir pelēks, sudrabains metāls. Tas ir magnētisks, lai gan dažādiem dzelzs alotropiem ir atšķirīgas magnētiskās īpašības. Dzelzs ir viegli atrodama, iegūstama un kausējama, tāpēc tā ir tik noderīga. Tīra dzelzs ir mīksta un ļoti plastiska.

Ķīmiskās īpašības

Dzelzs ir reaģētspējīga. Tas reaģē ar lielāko daļu skābju, piemēram, sērskābi. Reaģējot ar sērskābi, tas veido dzelzs sulfātu. Šo reakciju ar sērskābi izmanto metāla tīrīšanai.

Dzelzs reaģē ar gaisu un ūdeni, veidojot rūsu. Kad rūsas nolobās, atklājas vairāk dzelzs, kas ļauj rūsēt vēl vairāk dzelzs. Galu galā sarūsē viss dzelzs gabals. Citi metāli, piemēram, alumīnijs, nerūsē. Dzelzs var tikt sakausēta ar hromu, lai iegūtu nerūsējošo tēraudu, kas vairumā apstākļu nerūsē.

Dzelzs pulveris var reaģēt ar sēru, veidojot dzelzs(II) sulfīdu - cietu melnu cietu vielu. Dzelzs reaģē arī ar halogēniem, veidojot dzelzs(III) halogenīdus, piemēram, dzelzs(III) hlorīdu. Dzelzs reaģē ar hidrohalogenskābēm, veidojot dzelzs(II) halogenīdus, piemēram, dzelzs(II) hlorīdu.

Ķīmiskie savienojumi

Dzelzs veido ķīmiskus savienojumus ar citiem elementiem. Parasti cits elements oksidē dzelzi. Dažreiz tiek atņemti divi elektroni, bet dažreiz trīs. Savienojumus, kuros dzelzij ir atņemti divi elektroni, sauc par dzelzs savienojumiem. Savienojumus, kuros dzelzij ir atņemti trīs elektroni, sauc par dzelzs savienojumiem. Dzelzs savienojumos dzelzs ir +2 oksidācijas stāvoklī. Dzelzs savienojumos dzelzs ir +3 oksidācijas stāvoklī. Dzelzs savienojumi var būt melni, brūni, dzelteni, dzelteni, zaļi vai violeti.

Dzelzs savienojumi ir vāji reducējošas vielas. Daudzi no tiem ir zaļi vai zili. Visbiežāk sastopamais dzelzs savienojums ir dzelzs sulfāts.

Dzelzs savienojumi ir oksidētāji. Daudzi no tiem ir brūni. Visbiežāk sastopamais dzelzs savienojums ir dzelzs oksīds, kas ir tas pats, kas rūsas. Viens no iemesliem, kāpēc dzelzs rūsē, ir tas, ka dzelzs oksīds ir oksidētājs. Tas oksidē dzelzi, radot rūsas pat zem krāsas. Tāpēc, ja krāsā ir neliels skrāpējums, visa lieta var sarūsēt.

Dzelzs(II) savienojumi

Savienojumi +2 oksidācijas stāvoklī ir vāji reducējoši aģenti. Parasti tie ir gaišas krāsas. Tie reaģē ar skābekli gaisā. Tos sauc arī par dzelzs savienojumiem.

• Dzelzs(II) sulfīds, spīdīga ķīmiska viela, kas reaģē ar skābēm, izdalot sērūdeņradi, atrodams zemē.
• Dzelzs(II) sulfāts, zilganzaļa kristāliska ķīmiska viela, ko iegūst, reaģējot sērskābei ar tēraudu, un ko izmanto, lai reducētu indes, piemēram, hromātu betonā.
• Dzelzs(II) hlorīds, gaiši zaļa kristāliska ķīmiska viela, ko iegūst, reaģējot sālsskābei ar tēraudu.
• Dzelzs(II) hidroksīds, tumši zaļš pulveris, ko iegūst, elektrolīzējot ūdeni ar dzelzs anodu, reaģē ar skābekli un kļūst brūns.
• Dzelzs(II) oksīds, melns, viegli uzliesmojošs, rets

Jaukts oksidācijas stāvoklis

Šie savienojumi ir reti sastopami; tikai viens ir izplatīts. Tie ir atrodami zemē.

• Dzelzs(II,III) oksīds, melns minerāls, ko izmanto kā dzelzs rūdu, satur dzelzi +2 un +3 oksidācijas stāvoklī.

Dzelzs(III) savienojumi

Savienojumi +3 oksidācijas stāvoklī parasti ir brūni. Tie ir oksidētāji. Tie ir kodīgi. Tos sauc arī par dzelzs savienojumiem.

• Dzelzs(III) oksīds, rūsas, sarkanbrūns, šķīst skābē
• Dzelzs(III) hlorīds, indīgs un kodīgs, ūdenī izšķīst, veidojot tumši brūnu skābu šķīdumu. Izgatavots, dzelzij reaģējot ar sālsskābi un oksidētāju.
• Dzelzs(III) nitrāts, gaiši violets, kodīgs, izmanto kodināšanai
• Dzelzs(III) sulfāts, rets, gaiši brūns, šķīst ūdenī. Izgatavots, dzelzij reaģējot ar sērskābi un oksidētāju.

Visumā ir daudz dzelzs, jo tā ir kodolreakciju beigu punkts lielās zvaigznēs. Tas ir pēdējais elements, kas rodas, pirms supernovas straujā sabrukuma rezultātā dzelzs izkliedējas kosmosā.

Šis metāls ir galvenā Zemes kodola sastāvdaļa. Virsmas tuvumā tas sastopams kā dzelzs vai dzelzs savienojums. Daži meteorīti satur dzelzi retu minerālu veidā. Parasti dzelzs ir sastopama zemes virskārtā hematīta rūdas veidā, kuras liela daļa radās Lielā oksigenācijas notikuma laikā. No rūdas dzelzi var iegūt domnu krāsnī. Daļa dzelzs ir atrodama magnetīta veidā.

Gaļā ir dzelzs savienojumi. Dzelzs ir būtiska sarkano asinsķermenīšu hemoglobīna sastāvdaļa.

Dzelzs tiek ražota lielās rūpnīcās, ko sauc par dzelzs rūpnīcām, reducējot hematītu ar oglekli (koksu). Tas notiek lielās tvertnēs, ko sauc par domnām. Domnu krāsni piepilda ar dzelzs rūdu, koksu un kaļķakmeni. Tajā iepūš ļoti karstu gaisu, kas izraisa koksa sadegšanu. Lielā karstuma ietekmē ogleklis reaģē ar dzelzs rūdu, atdalot no dzelzs oksīdiem skābekli un veidojot oglekļa dioksīdu. Oglekļa dioksīds ir gāze, un tas izplūst no maisījuma. Kopā ar dzelzi ir arī nedaudz smilšu. Kaļķakmens, kas sastāv no kalcija karbonāta, ļoti karstumā pārvēršas par kalcija oksīdu un oglekļa dioksīdu. Kalcija oksīds reaģē ar smiltīm, veidojot šķidrumu, ko sauc par izdedžiem. Izdedži tiek izvadīti, atstājot tikai dzelzi. Reakcijas rezultātā domnu krāsnī paliek tīra šķidra dzelzs, kuru pēc atdzesēšanas var veidot un sacietināt. Gandrīz visi dzelzs cehi mūsdienās ir tērauda rūpnīcu daļa, un gandrīz no visas dzelzs tiek izgatavots tērauds.

Ir daudz veidu, kā apstrādāt dzelzi. Dzelzi var sacietināt, uzkarsējot metāla gabalu un iešļakstot to aukstā ūdenī. To var mīkstināt, uzkarsējot un ļaujot tam lēnām atdzist. To var arī štancēt, izmantojot smagu presi. To var savilkt stieplēs. To var velmēt, lai izgatavotu lokšņu metālu.

Amerikas Savienotajās Valstīs lielu daļu dzelzs ieguva no zemes Minesotā un pēc tam ar kuģiem nosūtīja uz Indiānu un Mičiganu, kur no tās izgatavoja tēraudu.

Kā metāls

Dzelzs tiek izmantota vairāk nekā jebkurš cits metāls. Tas ir izturīgs un lēts. No tā izgatavo ēkas, tiltus, naglas, skrūves, caurules, sijas un torņus.

Dzelzs nav ļoti reaktīva, tāpēc to ir viegli un lēti iegūt no rūdas. Kad no tā ir izgatavots tērauds, tas ir ļoti izturīgs, un to izmanto betona pastiprināšanai.

Ir dažādi dzelzs veidi. Čuguns ir čuguns, kas izgatavots iepriekš rakstā aprakstītajā veidā. Tas ir ciets un trausls. To izmanto, lai izgatavotu, piemēram, lietus kanalizācijas vākus, lūku vākus un dzinēju blokus (dzinēja galveno daļu).

Tērauds ir visizplatītākā dzelzs forma. Tēraudam ir vairāki veidi. Vieglais tērauds ir tērauds ar zemu oglekļa saturu. Tas ir mīksts un viegli lokāms, taču tas viegli nelaužas. To izmanto naglu un stiepļu ražošanā. Oglekļa tērauds ir cietāks, bet trauslāks. To izmanto darbarīkos.

Ir arī citi tērauda veidi. Nerūsējošais tērauds hroma satura dēļ ir izturīgs pret rūsu, un niķeļa un dzelzs sakausējumi var saglabāt izturību augstā temperatūrā. Citi tēraudi var būt ļoti cieti atkarībā no pievienotajiem sakausējumiem.

Kalto dzelzi ir viegli veidot un izmantot žogu un ķēžu izgatavošanai.

Ļoti tīra dzelzs ir mīksta un var viegli rūsēt (oksidēties). Tas ir arī diezgan reaktīvs.

Kā savienojumi

Dzelzs savienojumus izmanto vairākām vajadzībām. Dzelzs(II) hlorīdu izmanto, lai padarītu ūdeni tīru. Izmanto arī dzelzs(III) hlorīdu. Dzelzs(II) sulfātu izmanto hromātu reducēšanai cementā. Dažus dzelzs savienojumus izmanto vitamīnu sastāvā.

Dzelzs trūkums ir visizplatītākais uztura deficīts pasaulē.

Mūsu organismam ir nepieciešama dzelzs, lai palīdzētu skābeklim nokļūt muskuļos, jo tā ir dažu svarīgu ķermeņa makromolekulu, piemēram, hemoglobīna, pamatā, kas nodrošina labāku organisma darbību. Daudziem graudaugu produktiem ir pievienots dzelzs (metāla elements dzelzs). To pievieno graudaugiem sīku metāla skaidiņu veidā. Dažkārt šīs šķembas pat ir iespējams saskatīt, paņemot ļoti spēcīgu magnētu un iebāžot to kastītē. Magnēts pievilks šos dzelzs gabaliņus. Šo sīko metāla skaidiņu lietošana uzturā nav kaitīga mūsu organismam.

Dzelzs organismam ir vislabāk pieejama, ja to pievieno aminoskābēm - šādā veidā dzelzs ir desmit līdz piecpadsmit reizes vieglāk sagremojama nekā kā atsevišķs elements. Dzelzs ir atrodama arī gaļā, piemēram, steikā. Dzelzs, ko nodrošina uztura bagātinātāji, ir ķīmiskā formā, piemēram, dzelzs(II) sulfāta veidā, kas ir lēts un labi uzsūcas. Ķermenis neuzņem vairāk dzelzs, nekā tam nepieciešams, un parasti tam nepieciešams ļoti maz. Sarkano asinsķermenīšu sastāvā esošo dzelzi pārstrādā sistēma, kas noārda vecās šūnas. Asins zudums traumas vai parazītu infekcijas dēļ var būt nopietnāks.

Dzelzs ir toksiska, ja organismā tiek uzņemta lielā daudzumā. Lietojot pārāk daudz dzelzs tablešu, cilvēki (īpaši bērni) saslimst. Pastāv arī ģenētiska slimība, kas bojā dzelzs līmeņa regulāciju organismā.

Ir ķimikālijas, kas saistās ar dzelzi, ko ārsti var izrakstīt.

• Dzelzs alotropi
• Dzelzs savienojumi
• Dzelzs laikmets