Rauta on hyvin tunnettu kemiallinen alkuaine. Se kuuluu metalleihin, joilla on keskimääräinen reaktiivisuus. Käsittelemme raudan ominaisuuksia ja käyttöä tässä artikkelissa.
Eleisyys luonnossa
On olemassa melko suuri määrä mineraaleja, jotka sisältävät ferrumin. Ensinnäkin se on magnetiitti. Se on seitsemänkymmentäkaksi prosenttia rautaa. Sen kemiallinen kaava on Fe3O4. Tätä mineraalia kutsutaan myös magneettiseksi rautamalmiksi. Sillä on vaaleanharmaa väri, joskus tummanharmaata, mustaan asti, metallinen kiilto. Sen suurin IVY-maiden esiintymä sijaitsee Uralilla.
Seuraava mineraali, jolla on korkea rautapitoisuus, on hematiitti – se koostuu 70 prosenttia tästä alkuaineesta. Sen kemiallinen kaava on Fe2O3. Sitä kutsutaan myös punaiseksi rautamalmiksi. Sen väri on punaruskeasta punaharmaaseen. IVY-maiden alueen suurin talletus sijaitsee Krivoy Rogissa.
Kolmas mineraali ferrumipitoisuudella mitattuna on limoniitti. Täällä rautaa on kuusikymmentä prosenttia kokonaismassasta. Se on kiteinen hydraatti, eli sen kidehilaan on kudottu vesimolekyylejä,sen kemiallinen kaava on Fe2O3•H2O. Kuten nimestä voi päätellä, tällä mineraalilla on kelta-ruskehtava väri, joskus ruskea. Se on yksi luonnollisen okran pääkomponenteista ja sitä käytetään pigmenttinä. Sitä kutsutaan myös ruskeaksi rautakiveksi. Suurimmat esiintymät ovat Krimillä, Uralilla.
Sideriitissä, niin kutsutussa rautamalmissa, 48 prosenttia ferrumista. Sen kemiallinen kaava on FeCO3. Sen rakenne on heterogeeninen ja koostuu erivärisistä kiteistä, jotka on yhdistetty toisiinsa: harmaa, vaaleanvihreä, harmaankeltainen, ruskeankeltainen jne.
Viimeinen luonnossa esiintyvä mineraali, jolla on korkea ferrumipitoisuus, on rikkikiisu. Sillä on seuraava kemiallinen kaava: FeS2. Sen sisältämä rauta on neljäkymmentäkuusi prosenttia kokonaismassasta. Rikkiatomien ansiosta tällä mineraalilla on kullankeltainen väri.
Monet huomioiduista mineraaleista käytetään puhtaan raudan saamiseksi. Lisäksi hematiittia käytetään korujen valmistuksessa luonnonkivistä. Pyriittisulkeumat löytyvät lapis lazuli -koruista. Lisäksi rautaa löytyy luonnosta elävien organismien koostumuksesta - se on yksi solun tärkeimmistä komponenteista. Tämä hivenaine on toimitettava ihmiskehoon riittävinä määrinä. Raudan parantavat ominaisuudet johtuvat suurelta osin siitä, että tämä kemiallinen alkuaine on hemoglobiinin perusta. Siksi ferrumin käytöllä on hyvä vaikutus veren tilaan ja siten koko elimistöön kokonaisuutena.
Rauta: fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet
Ajatellaanpa näitä kahta suurta osaa järjestyksessä. Raudan fysikaalisia ominaisuuksia ovat sen ulkonäkö, tiheys, sulamispiste jne. Eli kaikki aineen erottavat piirteet, jotka liittyvät fysiikkaan. Raudan kemialliset ominaisuudet ovat sen kyky reagoida muiden yhdisteiden kanssa. Aloitetaan ensimmäisestä.
raudan fysikaaliset ominaisuudet
Puhtaassa muodossaan normaaleissa olosuhteissa se on kiinteä aine. Siinä on hopeanharmaa väri ja voimakas metallinen kiilto. Raudan mekaanisiin ominaisuuksiin kuuluu Mohsin asteikon kovuus. Se on yhtä suuri kuin neljä (keskikokoinen). Raudalla on hyvä sähkön- ja lämmönjohtavuus. Viimeisen piirteen voi tuntea koskettamalla rautaesinettä kylmässä huoneessa. Koska tämä materiaali johtaa lämpöä nopeasti, se imee suurimman osan lämmöstä iholtasi lyhyessä ajassa, jolloin tunnet kylmän.
Koskettamalla esimerkiksi puuta voidaan huomata, että sen lämmönjohtavuus on paljon pienempi. Raudan fysikaaliset ominaisuudet ovat sen sulamis- ja kiehumispisteet. Ensimmäinen on 1539 celsiusastetta, toinen on 2860 celsiusastetta. Voidaan päätellä, että raudan tunnusomaisia ominaisuuksia ovat hyvä sitkeys ja sulavuus. Mutta siinä ei vielä kaikki.
Raudan fysikaalisiin ominaisuuksiin kuuluu myös sen ferromagnetismi. Mikä se on? Rauta, jonka magneettisia ominaisuuksia voimme havaita käytännön esimerkeissä päivittäin, on ainoa metalli, jolla on sellaistaainutlaatuinen erottuva ominaisuus. Tämä johtuu siitä, että tämä materiaali pystyy magnetoitumaan magneettikentän vaikutuksesta. Ja jälkimmäisen toiminnan päätyttyä rauta, jonka magneettiset ominaisuudet ovat juuri muodostuneet, pysyy magneettina pitkään. Tämä ilmiö voidaan selittää sillä, että tämän metallin rakenteessa on monia vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua.
Kemian näkökulmasta
Tämä alkuaine kuuluu keskiaktiivisiin metalleihin. Mutta raudan kemialliset ominaisuudet ovat tyypillisiä kaikille muille metalleille (paitsi niille, jotka ovat vedyn oikealla puolella sähkökemiallisessa sarjassa). Se pystyy reagoimaan monien aineluokkien kanssa.
Aloita yksinkertaisesta
Ferrum vuorovaikuttaa hapen, typen, halogeenien (jodi, bromi, kloori, fluori), fosforin ja hiilen kanssa. Ensimmäinen huomioitava asia on reaktiot hapen kanssa. Kun ferrumia poltetaan, muodostuu sen oksideja. Reaktion olosuhteista ja kahden osallistujan välisistä suhteista riippuen niitä voidaan vaihdella. Esimerkkinä tällaisista vuorovaikutuksista voidaan antaa seuraavat reaktioyhtälöt: 2Fe + O2=2FeO; 4Fe + 3O2=2Fe2O3; 3Fe + 2O2=Fe3O4. Ja rautaoksidin ominaisuudet (sekä fysikaaliset että kemialliset) voivat vaihdella sen lajikkeesta riippuen. Tällaisia reaktioita tapahtuu korkeissa lämpötiloissa.
Seuraava - vuorovaikutus typen kanssa. Se voi myös tapahtua vain altis lämmitykselle. Jos otamme kuusi moolia rautaa ja yksi mooli typpeä, saamme kaksi moolia rautanitridiä. Reaktioyhtälö näyttää tältä: 6Fe + N2=2Fe3N.
Fosforin kanssa vuorovaikutuksessa muodostuu fosfidia. Reaktion suorittamiseksi tarvitaan seuraavat komponentit: kolme moolia ferrumia - yksi mooli fosforia, seurauksena muodostuu yksi mooli fosfidia. Yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti: 3Fe + P=Fe3P.
Lisäksi reaktioista yksinkertaisten aineiden kanssa voidaan erottaa myös vuorovaikutus rikin kanssa. Tässä tapauksessa voidaan saada sulfidia. Periaate, jolla tämän aineen muodostumisprosessi tapahtuu, on samanlainen kuin edellä kuvatut. Nimittäin tapahtuu additioreaktio. Kaikki tämänk altaiset kemialliset vuorovaikutukset vaativat erityisolosuhteita, pääasiassa korkeita lämpötiloja, harvemmin katalyyttejä.
Raudan ja halogeenien väliset reaktiot ovat yleisiä myös kemianteollisuudessa. Näitä ovat klooraus, bromaus, jodaus, fluoraus. Kuten itse reaktioiden nimistä käy ilmi, tämä on prosessi, jossa kloori-/bromi-/jodi-/fluoriatomeja lisätään ferrum-atomeihin, jolloin muodostuu vastaavasti kloridi / bromi / jodidi / fluori. Näitä aineita käytetään laajasti eri teollisuudenaloilla. Lisäksi ferrum pystyy yhdistymään piin kanssa korkeissa lämpötiloissa. Monipuolisten kemiallisten ominaisuuksiensa vuoksi rautaa käytetään usein kemianteollisuudessa.
Rauta ja monimutkaiset aineet
Yksinkertaisista aineista siirrytään niihin, joiden molekyylit koostuvat kahdesta tai useammastaerilaisia kemiallisia alkuaineita. Ensimmäisenä mainittava asia on ferrumin reaktio veden kanssa. Tässä ovat raudan tärkeimmät ominaisuudet. Kun vettä lämmitetään yhdessä raudan kanssa, muodostuu emäksistä oksidia (niin sitä kutsutaan, koska se muodostaa vuorovaikutuksessa saman veden kanssa hydroksidin, toisin sanoen emäksen). Joten jos otat yhden moolin molempia komponentteja, aineita, kuten ferrumoksidia ja vetyä, muodostuu pistävän hajuisen kaasun muodossa - myös moolisuhteissa 1:1. Tämän k altaisen reaktion yhtälö voidaan kirjoittaa seuraavasti: Fe + H2O=FeO + H2. Riippuen suhteista, joissa nämä kaksi komponenttia sekoitetaan, voidaan saada rautadi- tai -trioksidia. Molemmat aineet ovat hyvin yleisiä kemianteollisuudessa, ja niitä käytetään myös monilla muilla teollisuudenaloilla.
Hapoilla ja suoloilla
Koska ferrum sijaitsee vedyn vasemmalla puolella metallien sähkökemiallisessa aktiivisuussarjassa, se pystyy syrjäyttämään tämän alkuaineen yhdisteistä. Esimerkki tästä on substituutioreaktio, joka voidaan havaita, kun rautaa lisätään happoon. Jos esimerkiksi sekoitat rautaa ja sulfaattihappoa (alias rikkihappoa) keskikonsentraationa samoissa moolisuhteissa, tuloksena on rautasulfaattia (II) ja vetyä samoissa moolisuhteissa. Tällaisen reaktion yhtälö näyttäisi tältä: Fe + H2SO4=FeSO4 + H 2.
Vuorovaikutuksessa suolojen kanssa raudan pelkistävät ominaisuudet ilmenevät. Eli sen avulla voidaan eristää suolasta vähemmän aktiivinen metalli. Esimerkiksi josota yksi mooli kuparisulfaattia ja sama määrä ferrumia, niin saat rautasulfaattia (II) ja puhdasta kuparia samoissa moolisuhteissa.
Vastaa keholle
Yksi maankuoren yleisimmistä kemiallisista alkuaineista on rauta. Olemme jo pohtineet aineen ominaisuuksia, nyt lähestymme sitä biologisesta näkökulmasta. Ferrum suorittaa erittäin tärkeitä tehtäviä sekä solutasolla että koko organismin tasolla. Ensinnäkin rauta on sellaisen proteiinin kuin hemoglobiinin perusta. Se on välttämätön hapen kuljettamiseksi veren kautta keuhkoista kaikkiin kudoksiin, elimiin, jokaiseen kehon soluun, ensisijaisesti aivojen hermosoluihin. Siksi raudan hyödyllisiä ominaisuuksia ei voi yliarvioida.
Sen lisäksi, että ferrum vaikuttaa verenmuodostukseen, se on myös tärkeä kilpirauhasen täydelliselle toiminnalle (tämä ei vaadi vain jodia, kuten jotkut uskovat). Rauta osallistuu myös solunsisäiseen aineenvaihduntaan, säätelee immuniteettia. Ferrumia on erityisen suuria määriä myös maksasoluissa, koska se auttaa neutraloimaan haitallisia aineita. Se on myös yksi monien kehomme entsyymien pääkomponenteista. Ihmisen päivittäisen ruokavalion tulisi sisältää 10–20 milligrammaa tätä hivenaine.
Ruuaa sisältävät ruoat
Niitä on monia. Ne ovat sekä kasvi- että eläinperäisiä. Ensimmäiset ovat viljat, palkokasvit, viljat (erityisesti tattari), omenat, sienet (porcini), kuivatut hedelmät, ruusunmarjat, päärynät, persikat,avokado, kurpitsa, mantelit, taatelit, tomaatit, parsakaali, kaali, mustikat, karhunvatukat, selleri jne. Toinen - maksa, liha. Runsaasti rautaa sisältävien elintarvikkeiden käyttö on erityisen tärkeää raskauden aikana, sillä kehittyvän sikiön keho tarvitsee suuren määrän tätä hivenainepitoisuutta oikeaan kasvuun ja kehitykseen.
Raudanpuutteen merkkejä
Oireita siitä, että kehoon pääsee liian vähän rautaa, ovat väsymys, käsien ja jalkojen jatkuva jäätyminen, masennus, hauraat hiukset ja kynnet, älyllisen toiminnan heikkeneminen, ruoansulatushäiriöt, heikko suorituskyky ja kilpirauhasen toimintahäiriöt. Jos huomaat useamman kuin yhden näistä oireista, saatat haluta lisätä rautapitoisten ruokien määrää ruokavaliossasi tai ostaa ferrumia sisältäviä vitamiineja tai lisäravinteita. Muista myös käydä lääkärissä, jos sinulla on jokin näistä oireista liian voimakas.
ferrumin käyttö teollisuudessa
Raudan käyttötarkoitukset ja ominaisuudet liittyvät läheisesti toisiinsa. Ferromagneettisuutensa ansiosta siitä valmistetaan magneetteja - sekä heikompia kotikäyttöön (matkamuistojääkaappimagneetit jne.) että vahvempia - teollisiin tarkoituksiin. Koska kyseessä olevalla metallilla on korkea lujuus ja kovuus, sitä on muinaisista ajoista lähtien käytetty aseiden, panssarien ja muiden sotilaallisten ja kotitaloustyökalujen valmistukseen. Muuten, jopa muinaisessa Egyptissä meteoriitin raudan ominaisuudet tunnettiinjotka ovat parempia kuin tavalliset metallit. Myös muinaisessa Roomassa käytettiin tällaista erityistä rautaa. He tekivät siitä eliittiaseita. Vain hyvin rikkaalla ja jalolla ihmisellä voi olla meteoriittimetallista valmistettu kilpi tai miekka.
Yleisesti ottaen tässä artikkelissa tarkastelemamme metalli on monipuolisin käytetty kaikista tämän ryhmän aineista. Ensinnäkin siitä valmistetaan terästä ja valurautaa, joista valmistetaan kaikenlaisia sekä teollisuudessa että arjessa tarvittavia tuotteita.
Valurauta on raudan ja hiilen seos, jossa toista on 1,7–4,5 prosenttia. Jos toinen on alle 1,7 prosenttia, tällaista metalliseosta kutsutaan teräkseksi. Jos koostumuksessa on noin 0,02 prosenttia hiiltä, tämä on jo tavallista teknistä rautaa. Hiilen läsnäolo lejeeringissä on välttämätöntä sen lujuuden, lämmönkestävyyden ja ruosteenkestävyyden lisäämiseksi.
Lisäksi teräs voi sisältää monia muita kemiallisia alkuaineita epäpuhtauksina. Tämä on mangaania, fosforia ja piitä. Myös kromia, nikkeliä, molybdeeniä, volframia ja monia muita kemiallisia alkuaineita voidaan lisätä tällaiseen seokseen antamaan sille tiettyjä ominaisuuksia. Muuntajateräksinä käytetään terästyyppejä, joissa on suuri määrä piitä (noin neljä prosenttia). Paljon mangaania sisältävät (jopa kaksitoista tai neljätoista prosenttia) sopivat osien valmistukseen.rautatiet, myllyt, murskaimet ja muut työkalut, jotka kuluttavat osia nopeasti.
Molybdeenia lisätään lejeeringin koostumukseen, jotta se olisi lämpöstabiilimpi - tällaisia teräksiä käytetään työkaluteräksinä. Lisäksi tunnettujen ja yleisesti käytettyjen ruostumattomien terästen saamiseksi veitsien ja muiden kotitaloustyökalujen muodossa on tarpeen lisätä seokseen kromia, nikkeliä ja titaania. Ja iskunkestävän, erittäin lujan, sitkeän teräksen saamiseksi riittää, että siihen lisätään vanadiinia. Niobiumin koostumukseen lisättynä on mahdollista saavuttaa korkea korroosionkestävyys ja kemiallisesti aggressiivisten aineiden vaikutus.
Artikkelin alussa mainittua mineraalimagnetiittia tarvitaan kiintolevyjen, muistikorttien ja muiden tämäntyyppisten laitteiden valmistukseen. Magneettisten ominaisuuksiensa ansiosta rautaa voidaan löytää muuntajien, moottoreiden, elektroniikkatuotteiden jne. rakentamisessa. Lisäksi ferrumia voidaan lisätä muihin metalliseoksiin lujuuden ja mekaanisen stabiilisuuden lisäämiseksi. Tämän alkuaineen sulfaattia käytetään puutarhataloudessa tuholaisten torjuntaan (kuparisulfaatin ohella).
Rautakloridit ovat välttämättömiä vedenpuhdistuksessa. Lisäksi magnetiittijauhetta käytetään mustavalkotulostimissa. Pyriitin pääasiallinen käyttötarkoitus on saada siitä rikkihappoa. Tämä prosessi tapahtuu laboratoriossa kolmessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa ferrumpyriittiä poltetaan rautaoksidin ja rikkidioksidin tuottamiseksi. Toinen vaihe on dioksidin muuntaminenrikki trioksidikseen hapen mukana. Ja loppuvaiheessa saatu aine johdetaan vesihöyryn läpi katalyyttien läsnä ollessa, jolloin saadaan rikkihappoa.
Hanki rautaa
Tämä metalli louhitaan pääasiassa sen kahdesta päämineraalista: magnetiitista ja hematiitista. Tämä tehdään pelkistämällä rautaa sen yhdisteistä hiilellä koksin muodossa. Tämä tehdään masuuneissa, joiden lämpötila saavuttaa kaksi tuhatta celsiusastetta. Lisäksi on olemassa tapa pelkistää ferrum vedyllä. Tämä ei vaadi masuunia. Tämän menetelmän toteuttamiseksi otetaan erikoissavi, sekoitetaan murskattuun malmiin ja käsitellään vedyllä kuiluuunissa.
Johtopäätös
Raudan ominaisuudet ja käyttötavat ovat erilaisia. Tämä on ehkä tärkein metalli elämässämme. Tultuaan ihmiskunnalle tunnetuksi hän otti pronssin paikan, joka tuolloin oli tärkein materiaali kaikkien työkalujen ja aseiden valmistuksessa. Teräs ja valurauta ovat monin tavoin parempia kuin kupari-tinaseos fysikaalisten ominaisuuksiensa ja mekaanisen rasituksen kestävyyden suhteen.
Lisäksi rauta on yleisempää planeetallamme kuin monet muut metallit. Sen massaosuus maankuoressa on lähes viisi prosenttia. Se on neljänneksi yleisin kemiallinen alkuaine luonnossa. Tämä kemiallinen alkuaine on myös erittäin tärkeä eläinten ja kasvien organismin normaalille toiminnalle, pääasiassa siksi, että hemoglobiini rakentuu sen pohjalle. Rauta on välttämätön mikroravinnemikä on tärkeää terveyden ylläpitämisen ja elinten normaalin toiminnan kann alta. Edellä mainittujen lisäksi se on ainoa metalli, jolla on ainutlaatuisia magneettisia ominaisuuksia. On mahdotonta kuvitella elämäämme ilman rautaa.
