Sắt- đặc điểm và ứng dụng

Chia sẻ: Hoang Thuy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

107
lượt xem 31
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'sắt- đặc điểm và ứng dụng', tài liệu phổ thông, hóa học phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Sắt- đặc điểm và ứng dụng

St S t là tên m t nguyên t hóa h c trong b ng tu n hoàn nguyên t có ký hi u Fe và s hi u nguyên t b ng 26. N m phân nhóm VIIIB chu kỳ 4. S t và Niken (Ni) đư c bi t là 2 nguyên t cu i cùng có th t o thành qua t ng h p nhân sao (hình thành qua ph n ng h t nhân tâm các vì sao) mà không c n ph i qua m t v n siêu tân tinh hay các bi n đ ng l n khác. Do đó s t và Niken khá d i dào trong các thiên th ch kim lo i và các hành tinh lõi đá (như Trái Đ t, Sao Ho ) Thu c tính M t nguyên t s t đi n hình có kh i lư ng g p 56 l n kh i lư ng m t nguyên t hiđrô đi n hình. S t là kim lo i ph bi n nh t, và ngư i ta cho r ng nó là nguyên t ph bi n th 10 trong vũ tr . S t cũng là nguyên t ph bi n nh t (theo kh i lư ng, 34.6%) t o ra Trái Đ t; s t p trung c a s t trong các l p khác nhau c a Trái Đ t dao đ ng t r t cao lõi bên trong t i kho ng 5% l p v bên ngoài; có th ph n lõi c a Trái Đ t ch a các tinh th s t m c dù nhi u kh năng là h n h p c a s t và niken; m t kh i lư ng l n c a s t trong Trái Đ t đư c coi là t o ra t trư ng c a nó. Ký hi u c a s t Felà t vi t t t c a ferrum, t Latinh c a s t. S t là kim lo i đư c tách ra t các m qu ng s t, và r t khó tìm th y nó d ng t do. Đ thu đư c s t t do, các t p ch t ph i đư c lo i b b ng phương pháp kh hóa h c. S t đư c s d ng trong s n xu t gang và thép, đây là các h p kim, là s hòa tan c a các kim lo i khác (và m t s á kim hay phi kim, đ c bi t là cacbon). H t nhân c a s t có năng lư ng liên k t cao nh t, vì th nó là nguyên t n ng nh t đư c s n xu t trong các ph n ng nhi t h ch và là nh nh t trong ph n ng phân rã h t nhân. Các ngôi sao có kh i lư ng l n khi g n cháy h t nhiên li u hiđrô, s b t đ u các chu i ph n ng h t nhân t o ra các ch t có kh i lư ng nguyên t tăng d n, bao g m c s t, trư c khi bùng n thành các siêu tân tinh. Các mô hình vũ tr trong vũ tr m d đoán r ng có m t giai đo n đó do k t qu c a các ph n ng nhi t h ch và phân h ch ch m l i, m i th s tr thành s t. L ch s Nh ng d u hi u đ u tiên v vi c s d ng s t là nh ng ngư i Sumeria và ngư i Ai C p vào kho ng 4000 năm TCN, các đ v t n như mũi giáo và đ trang trí, đã đư c làm t s t l y t các thiên th ch. Vì các thiên th ch rơi t trên tr i xu ng nên m t s nhà ngôn ng h c ph ng đoán r ng t ti ng Anh iron, là t có cùng ngu n g c v i nhi u ngôn ng phía b c và tây châu Âu, có xu t x t ti ng Etruria aisar có nghĩa là "tr i". Vào kho ng nh ng năm 3000 đ n 2000 Trư c Công Nguyên (TCN), đã xu t hi n hàng lo t các đ v t làm t s t nóng ch y (phân bi t rõ v i s t t thiên th ch do thi u niken trong s n ph m) Lư ng Hà, Anatolia và Ai C p. Tuy nhiên, vi c s d ng chúng có l là thu c v hình th c trong t l , và s t đã là kim lo i r t đ t, hơn c vàng. Trong Illiad, các vũ khí ch y u làm t đ ng thau, nhưng các th i s t đã đư c s d ng trong buôn bán. M t s ngu n (xem ph n tham kh o Cái gì t o ra th i đ i đ s t? dư i đây) cho
r ng s t đư c t o ra khi đó như s n ph m đi kèm c a vi c tinh ch đ ng, như là nh ng b t s t, và không đư c tái s n xu t b i ngành luy n kim khi đó. Vào kho ng năm 1600 đ n 1200 TCN, s t đã đư c s d ng nhi u hơn Trung C n Đông, nhưng v n chưa thay th đư c s th ng tr c a đ ng thau. Trong th i kỳ t th k 12 đ n th k 10 TCN, đã có s chuy n đ i nhanh chóng t công c , vũ khí đ ng thau sang s t Trung C n Đông. Y u t quy t đ nh c a chuy n đ i này không ph i là s xu t hi n c a các công ngh luy n s t cao c p hơn mà là s c n ki t c a các ngu n cung c p thi c. Th i kỳ chuy n đ i này di n ra không đ ng th i trên th gi i, là d u hi u cho th i kỳ văn minh m i đư c g i là Th i đ i đ s t. Cùng v i vi c chuy n đ i t đ ng thau sang s t là vi c phát hi n ra quy trình cacbua hóa, là quy trình b sung thêm cacbon vào s t. S t đư c thu l i như b t s t, là h n h p c a s t v i x v i m t ít cacbon và/ho c cacbua, sau đó nó đư c rèn và tán ph ng đ gi i phóng s t kh i x cũng như ôxi hóa b t cacbon, đ t o ra s t non. S t non ch a r t ít cacbon và không d làm c ng b ng cách làm ngu i nhanh. Ngư i Trung Đông đã phát hi n ra là m t s s n ph m c ng hơn có th đư c t o ra b ng cách đ t nóng lâu s t non v i than c i trong lò, sau đó làm ngu i nhanh b ng cách nhúng vào nư c hay d u. S n ph m t o thành có b m t c a thép, là c ng hơn và ít gãy hơn đ ng thau, là th đang b thay th d n. Trung Qu c, nh ng đ v t b ng s t đ u tiên đư c s d ng cũng là s t l y t thiên th ch, các ch ng c kh o c h c v các đ v t làm t s t non xu t hi n mi n tây b c, g n Xinjiang trong th k 8 TCN. Các đ v t làm t s t non có cùng quy trình như s t đư c làm Trung Đông và châu Âu, và vì th ngư i ta cho r ng chúg đư c nh p kh u b i nh ng ngư i không ph i là ngư i Trung Qu c. Trong nh ng năm mu n hơn c a nhà Chu (kho ng năm 550 TCN), kh năng s n xu t s t m i đã b t đ u vì phát tri n cao c a công ngh lò nung. S n xu t theo phương pháp lò nung không khí nóng có th t o ra nhi t đ trên 1300 K, ngư i Trung Qu c b t đ u s n xu t gang thô và gang đúc. N u qu ng s t đư c nung v i cacbon t i 1420–1470 K, m t ch t l ng nóng ch y đư c t o ra, là h p kim c a kho ng 96,5% s t và 3,5% cacbon. S n ph m này c ng, có th đúc thành các đ ph c t p, nhưng d gãy, tr khi nó đư c phi-cacbua hóa đ lo i b t cacbon. Ph n ch y u c a s n xu t s t t th i nhà Chu tr đi là gang đúc. S t, tuy v y v n là s n ph m thông thư ng, đư c s d ng b i nh ng ngư i nông dân trong hàng trăm năm, và không có nh hư ng đáng k đ n di n m o c a Trung Qu c cho đ n t n th i kỳ nhà T n (kho ng năm 221 TCN). Vi c s n xu t gang đúc châu Âu b ch m tr do các lò nung ch có th t o ra nhi t đ kho ng 1000 K. Trong th i Trung c , Tây Âu s t b t đ u đư c làm t b t s t đ tr thành s t non. Gang đúc s m nh t châu Âu tìm th y Th y Đi n, trong hai khu v c là Lapphyttan và Vinarhyttan, kho ng t năm 1150 đ n 1350. Có gi thuy t cho r ng vi c s n xu t gang đúc là do ngư i Mông C thông qua nư c Nga truy n đ n các khu v c này, nhưng không có ch ng c v ng ch c cho gi thuy t này. Trong b t kỳ trư ng h p nào, vào cu i th k 14 thì th trư ng cho gang đúc b t đ u đư c hình thành do nhu c u cao v gang đúc cho các súng th n công.
Vi c nung ch y s t th i kỳ đ u tiên b ng than c i như là ngu n nhi t và ch t kh . Trong th k 18, Anh vi c cung c p g b gi m xu ng và than c c, m t nhiên li u hóa th ch, đã đư c s d ng đ thay th . C i ti n c a Abraham Darby đã cung c p năng lư ng cho cu c cách m ng công nghi p. ng d ng S t là kim lo i đư c s d ng nhi u nh t, chi m kho ng 95% t ng kh i lư ng kim lo i s n xu t trên toàn th gi i. S k t h p c a giá thành th p và các đ c tính t t v ch u l c, đ d o, đ c ng làm cho nó tr thành không th thay th đư c, đ c bi t trong các ng d ng như s n xu t ô tô, thân tàu th y l n, các b khung cho các công trình xây d ng. Thép là h p kim n i ti ng nh t c a s t, ngoài ra còn có m t s hình th c t n t i khác c a s t như: Gang thô (gang l n) ch a 4% – 5% cacbon và ch a m t lo t các ch t khác như lưu huỳnh, silic, ph t pho. Đ c trưng duy nh t c a nó: nó là bư c trung gian t qu ng s t sang thép cũng như các lo i gang đúc (gang tr ng và gang xám). Gang đúc ch a 2% – 3.5% cacbon và m t lư ng nh mangan. Các ch t có trong gang thô có nh hư ng x u đ n các thu c tính c a v t li u, như lưu huỳnh và ph t pho ch ng h n s b kh đ n m c ch p nh n đư c. Nó có đi m nóng ch y trong kho ng 1420–1470 K, th p hơn so v i c hai thành ph n chính c a nó, làm cho nó là s n ph m đ u tiên b nóng ch y khi cacbon và s t đư c nung nóng cùng nhau. Nó r t r n, c ng và d v . Làm vi c v i đ v t b ng gang, th m chí khi nóng tr ng, nó có xu hư ng phá v hình d ng c a v t. Thép carbon ch a t 0,5% đ n 1,5% cacbon, v i m t lư ng nh mangan, lưu huỳnh, ph t pho và silic. S t non ch a ít hơn 0,5% cacbon. Nó là s n ph m dai, d u n, không d nóng ch y như gang thô. Nó có r t ít cacbon. N u mài nó thành lư i s c, nó đánh m t tính ch t này r t nhanh. Các lo i thép h p kim ch a các lư ng khác nhau c a cacbon cũng như các kim lo i khác, như crôm, vanađi, môlipđen, niken, vonfram, v.v. Ôxít s t (III) đư c s d ng đ s n xu t các b lưu t tính trong máy tính. Chúng thư ng đư c tr n l n v i các h p ch t khác, và b o t n thu c tính t trong h n h p này. S n xu t S t là m t trong nh ng nguyên t ph bi n nh t trên Trái Đ t, chi m kho ng 5% kh i lư ng v Trái Đ t. Ph n l n s t đư c tìm th y trong các d ng ôxít s t khác nhau, ch ng h n như khoáng ch t hematit, magnetit, taconit. Kho ng 5% các thiên th ch ch a h n h p s t-niken. M c dù hi m, chúng là các d ng chính c a s t kim lo i t nhiên trên b m t Trái Đ t. Trong công nghi p, s t đư c trích xu t ra t các qu ng c a nó, ch y u là t hêmatit (Fe2O3) và magnêtit (Fe3O4) b ng cách kh v i cacbon trong lò luy n kim s d ng lu ng không khí nóng nhi t đ kho ng 2000 ° Trong lò luy n, qu ng s t, cacbon C.
trong d ng than c c, và các ch t t y t p ch t như đá vôi đư c x p phía trên c a lò, lu ng không khí nóng đư c đưa vào lò t phía dư i. Than c c ph n ng v i ôxy trong lu ng không khí t o ra mônôxít cacbon: 2 C + O2 → 2 CO Cacbon mônôxít kh qu ng s t (trong phương trình dư i đây là hêmatit) thành s t nóng ch y, và nó tr thành điôxít cacbon: 3 CO + Fe2O3 → 2 Fe + 3 CO2 Ch t kh t p ch t đư c thêm vào đ kh các t p ch t có trong qu ng (ch y u là điôxít silic cát và các silicat khác). Các ch t kh t p ch t chính là đá vôi (cacbonat canxi) và đôlômit (cacbonat magiê). Các ch t kh t p ch t khác có th cho vào tùy theo các t p ch t có trong qu ng. Trong s c nóng c a lò luy n đá vôi b chuy n thành vôi s ng (CaO): CaCO3 → CaO + CO2 Sau đó ôxít canxi k t h p v i điôxít silic t o ra x . CaO + SiO2 → CaSiO3 X nóng ch y trong lò luy n (điôxít silic thì không). ph n dư i c a lò luy n, x nóng ch y do nh hơn nên n i lên phía trên s t nóng ch y. Các c a lò có th đư c m đ tháo x hay s t nóng ch y. S t khi ngu i đi, t o ra gang thô, còn x có th đư c s d ng đ làm đư ng hay đ c i thi n các lo i đ t nông nghi p nghèo khoáng ch t. Kho ng 1,1 t t n qu ng s t đư c s n xu t trên th gi i vào năm 2000, v i t ng tr giá trên th trư ng vào kho ng 25 t đôla M . Vi c khai thác qu ng s t di n ra trên 48 qu c gia, nhưng 5 nhà s n xu t l n nh t là Trung Qu c, Brasil, Úc, Nga và n Đ , chi m t i 70% lư ng qu ng khai thác trên th gi i. 1,1 t t n qu ng s t này đư c s d ng đ s n xu t ra kho ng 572 tri u t n s t thô. Vai trò sinh h c S t có vai trò r t c n thi t đ i v i m i cơ th s ng, ngo i tr m t s vi khu n. Nó ch y u liên k t n đ nh bên trong các prôtêin kim lo i, vì trong d ng t do nó sinh ra các g c t do nói chung là đ c v i các t bào. Nói r ng s t t do không có nghĩa là nó t do di chuy n trong các ch t l ng trong cơ th . S t liên k t ch t ch v i m i phân t sinh h c vì th nó s g n v i các màng t bào, axít nucleic, prôtêin v.v. Trong cơ th đ ng v t s t liên k t trong các t h p heme (là thành ph n thi t y u c a cytochromes), là nh ng prôtêin tham gia vào các ph n ng ôxi hóa-kh (bao g m nhưng không gi i h n ch là quá trình hô h p) và c a các prôtêin chuyên ch ôxy như hêmôglôbin và myôglôbin.
S t vô cơ tham gia trong các ph n ng ôxi hóa-kh cũng đư c tìm th y trong các c m s t-lưu huỳnh c a nhi u enzym, ch ng h n như các enzym nitrogenase (tham gia vào quá trình t ng h pamôni c t nitơ và hiđrô) và hydrogenase. T p h p các prôtêin s t phi-heme có trách nhi m cho m t dãy các ch c năng trong m t s lo i hình cơ th s ng, ch ng h n như các enzym mêtan mônôôxygenase (ôxi hóa mêtan thành mêtanol), ribonucleotide reductase (kh ribose thành deoxyribose; t ng h p sinh h c DNA), hemerythrins (v n chuy n ôxy và ngưng k t trong các đ ng v t không xương s ng bi n) và axít phosphatase tía (th y phân các este ph t phát). Khi cơ th ch ng l i s nhi m khu n, nó đ riêng s t trong prôtêin v n chuy n transferrin vì th vi khu n không th s d ng đư c s t. S phân ph i s t trong cơ th đư c đi u ch nh trong cơ th đ ng v t có vú. S t đư c h p th t duodenum liên k t v i transferrin, và v n chuy n b i máu đ n các t bào khác nhau. V n chưa rõ cơ ch liên k t c a s t v i các prôtêin. [1] Các ngu n th c ăn giàu s t bao g m: th t, cá, th t gia c m, đ u lăng, các lo i đ u, rau bina, tào ph , đ u Th Nhĩ Kỳ, dâu tây và m m ngũ c c. S t đư c b sung cho nh ng ngư i c n tăng cư ng ch t này trong d ng fumarat s t (II). Tiêu chu n c a RDA v s t dao đ ng d a trên tu i tác, gi i tính, và ngu n s t ăn kiêng (s t trên cơ s heme có kh năng sinh h c cao hơn) [2]. C n lưu ý t i ph n c nh báo dư i đây. [s a]Tính ch t hóa h c 1.Tác d ng v i phi kim: S t tác d ng v i h u h t t t c các phi kim khi đun nóng. V i các phi kim có tính oxi hóa m nh như Oxi và Clo thì s t o thành nh ng h p ch t trong đó s t có s oxi hóa là +3. Ví d : 2Fe +3Cl2 (k) > 2FeCl3(r) (to) 3Fe® + 2O2 ◊ Fe3O4 ®¬ Ph n ng phát nhi t m nh Fe3O4 là m t h p ch t ion, tinh th đư c t o nên b i các ion O2- , ion Fe3+ và ion Fe2+. Trong quá trình ph n ng , m t ph n s t b oxi hóa thành Fe2+ , m t ph n b oxi hóa thành Fe3+ .Trong ch t r n , trung bình c có 1 ion Fe2+ thì có 2 ion Fe3+ và 4 ion O2-. Trong không khí m s t d b r theo ph n ng: 4Fe + O2 +nH2O ◊ 2Fe2O3.nH2O Đ i v i các phi kim y u hơn như lưu hùynh,..t o thành h p ch t trong đó s t có s oxi hóa +2 Fe + S ◊ FeS (to)2.Tác d ng v i các h p ch t: Th đi n c c chu n c a s t là : Fe2+(aq) +2e > Fe Eo=-0.44V Qua đó ta th y s t có tính kh trung bình. S t d tan trong dung d ch acid HCl và H2SO4 loãng Fe + 2HCl ◊ FeCl2 + H2 Fe + H2SO4 ◊ FeSO4 + H2 Hay Fe® + 2H+(aq) ◊ Fe+(aq) +H2 Đ i v i các acid có tính oxi hóa m nh như HNO3 hay H2SO4 đ c nóng thì s n ph m ph n ng s là mu i s t v i s t có s oxi hóa +3 và các s n ph m kh c a N :N2O , NO , NO2 ho c c a S : SO2 . nhi t đ thư ng , trong acid nitric đ c và acid sulfuaric đ c , s t t o ra l p oxid b o v kim l ai tr nên “th
đ ng” , không b hòa tan. S t đ y các kim l ai y u hơn ra kh i dung d ch mu i c a chúng. Fe® + Cu(NO3)2 (aq) ◊ Fe(NO3)2 (aq) + Cu® [s a]H p ch t Các tr ng thái ôxi hóa chung c a s t bao g m: Tr ng thái s t(II), Fe2+, ferrous r t ph bi n. Tr ng thái s t(III), Fe3+, ferric, cũng r t ph bi n, ví d trong g s t. Tr ng thái s t(IV), Fe4+, ferryl, n đ nh trong các enzym (ví d perôxidas). S t(VI) cũng đư c bi t t i, nó hi m hơn, có trong ferrat kali. cacbua s t Fe3C đư c bi t đ n như là cementit. Xem thêm: Ôxít s t [s a]Đ ng v S t có b n đ ng v t nhiên n đ nh là Fe54, Fe56, Fe57 và Fe58. S ph bi n tương đ i c a các đ ng v s t trong t nhiên là: Fe54 (5,8%), Fe56 (91,7%), Fe57 (2,2%) và Fe58 (0,3%). Fe60 là đ ng v phóng x đã bi n m t, nó có chu kỳ bán rã dài (1,5 tri u năm). Ph n l n các công vi c trong quá kh đ đo thành ph n đ ng v c a s t t p trung vào vi c xác đ nh các bi n th c a Fe60 vì các quá trình kèm theo s t ng h p h t nhân (ví d nghiên c u thiên th ch) và s hình thành khoáng s n. Đ ng v Fe56 cũng gây ra s đ c bi t chú ý c a các nhà khoa h c vì nó có th là h t nhân n đ nh nh t. Không th th c hi n các ph n ng phân h ch hay nhi t h ch trên Fe56 mà có th gi i phóng năng lư ng. Đi u này thì l i không đúng v i các nguyên t khác. Trong s các đ ng v n đ nh, ch có Fe57 có spin −1/2. Vì lý do này, Fe57 có ng d ng như là đ ng v spin trong hóa h c và hóa sinh h c. Trong các pha c a các thiên th ch Semarkona và Chervony Kut m i tương quan gi a m t đ c a Ni60 (s n ph m sinh ra c a Fe60) và s ph bi n c a các đ ng v n đ nh c a s t có th đư c tìm th y, nó ch ng t s t n t i c a Fe60 trong th i gian hình thành c a h M t Tr i. Có kh năng là năng lư ng gi i phóng b i s phân rã c a Fe60 góp ph n cùng v i năng lư ng gi i phóng b i s phân rã c a h t nhân phóng x Al26, đ nung ch y l i và làm phân bi t các ti u hành tinh sau s hình thành c a chúng trư c đây 4,6 t năm. S ph bi n c a Ni60 hi n di n trong các v t ch t ngoài Trái Đ t có th cung c p thông tin đ nhìn sâu hơn n a vào ngu n g c c a h M t Tr i cũng như l ch s sơ kỳ c a nó. [s a]C nh báo Vi c h p th quá nhi u s t gây ng đ c, vì các s t II dư th a s ph n ng v i các perôxít trong cơ th đ s n xu t ra các g c t do. Khi s t trong s lư ng bình thư ng thì cơ th có m t cơ ch ch ng ôxi hóa đ có th ki m soát quá trình này. Khi dư th a s t thì nh ng lư ng dư th a không th ki m soát c a các g c t do đư c sinh ra.
M t lư ng gây ch t ngư i c a s t đ i v i tr 2 tu i là ba gam s t. M t gam có th sinh ra s ng đ c nguy hi m. Danh m c c a DRI v m c ch p nh n cao nh t v s t đ i v i ngư i l n là 45 mg/ngày. Đ i v i tr em dư i 14 tu i m c cao nh t là 40 mg/ngày. N u s t quá nhi u trong cơ th (chưa đ n m c gây ch t ngư i) thì m t lo t các h i ch ng r i lo n quá t i s t có th phát sinh, ch ng h n như hemochromatosis. Vì lý do này, m i ngư i không nên s d ng các lo i hình s t b sung tr trư ng h p thi u s t và ph i có ch đ nh c a bác sĩ chuyên khoa. Vi c hi n máu là đ c bi t nguy hi m do có th sinh ra ch ng thi u s t và thông thư ng đư c ch đ nh b sung thêm các bi t dư c ch a s t.