Sắt- ứng dụng, đặc điểm và tính chất hóa học của Sắt trong cuộc sống hiện đại
Sắt là nguyên tố hóa học với biểu tượng Fe (tiếngLatin : ferrum ) và số nguyên tử 26. Kimloại Sắt thuộc nhóm 8 của bảng tuần hoàn.Xuất hiện lớn ở vỏ và lõi Trái Đất.Phổ biến thứ 4 tong lớp vỏ Trái Đất.
Ở trạng thái kim loại, sắt rất hiếm trongvỏ Trái đất , bị giới hạn bởi sự lắng đọng của thiên thạch . Ngược lại, Quặng sắtlà một trong những khoáng sản phổ biến nhất trong lớp vỏ của trái đất. Để chiếtxuất kim loại cần sử dụng nhiệt độ đạt 1500 ° C hoặc cao hơn. Con người bắt đầusử dụng các công cụ và vũ khí bằng sắt thay thế các hợp kim đồng, ở một sốvùng, chỉ khoảng 1200 BCE. Sự kiện đó được coi là sự chuyển đổi từ Thời đại đồđồng sang Thời đại đồ sắt . Trong thế giới hiện đại , các hợp kim sắt, như thép, inox , gang và thép đặc biệt là những kim loại công nghiệp phổ biến nhất, bởivì tính chất cơ học cao và chi phí thấp.
Bề mặt sắt mịn màng và có màu xám. Tuynhiên, sắt dễ bị oxy hóa và gỉ sét.
Một người trưởng thành chứa khoảng 4 gramsắt (0,005% trọng lượng cơ thể), chủ yếu là trong huyết sắc tố và myoglobin. Sắtcũng là kim loại cũng góp phần hoạt động của nhiều enzyme oxi hóa khử quan trọngliên quan đến hô hấp tế bào và oxy hóa và khử ở thực vật và động vật.
Về mặt hóa học, các trạng thái oxy hóa phổbiến nhất của sắt là sắt (II) và sắt (III) . Sắt chia sẻ nhiều tính chất củacác kim loại chuyển tiếp khác , bao gồm các nguyên tố nhóm 8 khác , rutheniumvà osmium . Sắt tạo thành các hợp chất trong một loạt các trạng thái oxy hóa ,−2 đến +7. Sắt cũng tạo thành nhiều hợp chất phối hợp ; một số trong số họ, chẳnghạn như ferrocene , ferrioxalate và Prussian blue , có các ứng dụng công nghiệp,y tế...
Đặc điểm Sắt
Có ít nhất 4 đồng vị của sắt là α, γ, δ, và ε được biết đến, ở áp suất cao cũng cho thấy sựtồn tại của β.
Khi nóng cháy, sắt kết tinh ở 1538 °C ở dạng thù hình δ(dạngcó cấu trúc lập phươngtâm khối).
Khi nguội nhiều nó sẽ có dạng sắt γ(dạng lập phương tâm mặt)hay còn gọi austenit(Sắt gamma).
Ở 912 °C cấu trúc tinh thể lại chuyển sang dạng sắt α, hayferrit(Sắt alpha).
Ở 770 °C sẽ ở dạng sắt từ.
Ứng dụng của sắt
Sắt là kim loại được sử dụng nhiều nhất, chiếm khoảng 95% tổngkhối lượng kim loại sản xuất trên toàn thế giới. Sự kết hợp của giá thành thấpvà các đặc tính tốt về chịu lực, độ dẻo, độ cứng làm cho nó trở thành không thểthay 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 cácchất khác như lưu huỳnh, silic, phốt pho. Đặc trưng duy nhất của nó: nó là bướctrung gian từ quặng sắt sang thép cũng như các loại gang đúc (gang trắng vàgang xám).
Gang đúc chứa 2% – 3.5% cacbon và một lượng nhỏ mangan. Cácchất có trong gang thô có ảnh hưởng xấu đến các thuộc tính của vật liệu, nhưlưu huỳnh và phốt pho chẳng hạn sẽ bị khử đến mức chấp nhận được. Nó có điểmnóng chảy trong khoảng 1420–1470 K, thấp hơn so với cả hai thành phần chính củanó, làm cho nó là sản phẩm đầu tiên bị nóng chảy khi cacbon và sắt được nung nóngcùng nhau. Nó rất rắn, cứng và dễ vỡ. Làm việc với đồ vật bằng gang, thậm chíkhi 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 nhỏmangan, 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 cacboncũng 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 tínhtrong máy tính. Chúng thường được trộn lẫn với các hợp chất khác, và bảo tồnthuộc tính từ trong hỗn hợp này.
Trong sản xuất xi măng người ta trộn thêm Sunfat Sắt vào để hạnchế tác hại của Crom hóa trị 6-nguyên nhân chính gây nên bệnh dị ứng xi măng vớinhững người thường xuyên tiếp xúc với nó.
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 dạngôxít sắt khác nhau, chẳng hạn như khoáng chất hematit, magnetit, taconit. Khoảng5% các thiên thạch chứa hỗn hợp sắt-niken. Mặc dù hiếm, chúng là các dạng chínhcủa sắt kim loại tự nhiên trên bề mặt Trái Đất.
Trong công nghiệp, sắt được trích xuất ra từ các quặng củanó, chủ yếu là từ hêmatit (Fe2O3) và magnêtit (Fe3O4) bằng cách khử với cacbontrong 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 chấtnhư đá vôi được xếp ở phía trên của lò, luồng không khí nóng được đưa vào lò từphía dưới.
Than cốc phản ứng với ôxy trong luồng không khí tạo ramônôxít cacbon:
2 C + O2 → 2 CO
Cacbon mônôxít khử quặng sắt (trong phương trình dưới đây làhêmatit) 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 trongquặng (chủ yếu là điôxít silic cát và các silicat khác). Các chất khử tạp chấtchính là đá vôi (cacbonat canxi) và đôlômit (cacbonat magiê). Các chất khử tạpchất khác có thể cho vào tùy theo các tạp chất có trong quặng. Trong sức nóng củalò 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 phầndưới 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, tạora gang thô, còn xỉ có thể được sử dụng để làm đường hay để cải thiện các loạiđất nông nghiệp nghèo khoáng chất.
Khoảng 1,1 tỷ tấn quặng sắt được sản xuất trên thế giới vàonăm 2000, với tổng trị giá trên thị trường vào khoảng 25 tỷ đôla Mỹ. Việc khaithác quặng sắt diễn ra trên 48 quốc gia, nhưng 5 nhà sản xuất lớn nhất là TrungQuốc, 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 sắtthô.
Tính chất hóa học
1. Tác dụng với phi kim:
Sắt tác dụng với hầu hết tất cả các phi kim khi đun nóng. Vớicác phi kim có tính oxi hóa mạnh như Clo thì sẽ tạo thành những hợp chất trongđó sắt có số oxi hóa là +3.Còn khi tác dụng với ôxy sẽ tạo ra sắt(II;III)oxit-Sắttừ oxit
Fe 3O4 là một hợp chất ion, tinh thể được tạo nên bởi các ionO2-, ion Fe3+ và ion Fe2+. Trong quá trình phản ứng, một phần sắt bị oxi hóathành Fe2+, một phần bị oxi hóa thành Fe3+.Trong chất rắn trung bình cứ có 1ion Fe2+ thì có 2 ion Fe3+ và 4 ion O2-.
Trong không khí ẩm sắt dễ bị rỉ theo phản ứng:
4Fe + O2 + nH2O → 2Fe2O3.nH2O
Đối với các phi kim yếu hơn như lưu huỳnh,..tạo thành hợp chấttrong đó sắt có số oxi hóa +2 Fe + S → FeS
2.Tác dụng với các hợp chất:
Thế điện cực chuẩn của sắt là: Fe2+(dd) + 2e → Fe Eo= -0.44V
Qua đó ta thấy sắt có tính khử trung bình.
Sắt dễ tan trong dung dịch axit HCl và H2SO4 loãng
Fe + 2HCl → FeCl2 + H2
Fe + H2SO4 → FeSO4 + H2
Hay FeO + 2H+(dd) → Fe+(dd) + H2
Đối với các axít có tính oxi hóa mạnh như HNO3 hay H2SO4 đặcnóng thì sản phẩm phản ứng sẽ là muối sắt với sắt có số oxi hóa +3 và các sảnphẩm khử của N:N2O, NO, NO2 hoặc của S: SO2. Ở nhiệt độ thường, trong axitnitric đặc và axit sulfuric đặc, sắt tạo ra lớp oxit bảo vệ kim loại trở nên"thụ động", không bị hòa tan. Sắt đẩy các kim loại yếu hơn ra khỏidung dịch muối của chúng.
Fe + Cu(NO3)2 → Fe(NO3)2 + Cu
Hợp chất sắt
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 dụtrong 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 ferratkali.
Cacbua sắt Fe3C được biết đến như là cementit.
Sắt cũng tồn tại dưới dạng sắt (VIII) nhưng rất hiếm.
Nguồn tham khảo
· https://vi.wikipedia.org/wiki/S%E1%BA%AFt
· https://en.wikipedia.org/wiki/Iron
· ^ “Iron”. Micronutrient Information Center,Linus Pauling Institute, Oregon State University, Corvallis, Oregon. Tháng 4năm 2016. Truy cập ngày 6 tháng 3 năm 2018.
· ^ a ă 潘悟云,《越南语中的上古汉语借词层》, 第三期, 温州师范学院学报（社会科学版）,năm 1987, trang 44 và 45.
· ^ a ă Kuhn, Howard and Medlin, Dana (preparedunder the direction of the ASM International Handbook Committee) biên tập(2000). ASM Handbook – Mechanical Testing and Evaluation (PDF) 8. ASMInternational. tr. 275. ISBN 0-87170-389-0.
· ^ “Hardness Conversion Chart”. Maryland Metrics.Truy cập ngày 23 tháng 5 năm 2010.
· ^ a ă Kohl, Walter H. (1995). Handbook ofmaterials and techniques for vacuum devices. Springer. tr. 164–167. ISBN1-56396-387-6.
· ^ Takaji, Kusakawa; Toshikatsu, Otani (1964).“Properties of Various Pure Irons: Study on pure iron I”. Tetsu-to-Hagane 50(1): 42–47.
· ^ Raghavan, V. (2004). Materials Science andEngineering. PHI Learning Pvt. Ltd. tr. 218. ISBN 81-203-2455-2.
· ^ a ă Boehler, Reinhard (2000). “High-pressureexperiments and the phase diagram of lower mantle and core materials”. Reviewof Geophysics (American Geophysical Union) 38 (2): 221–245.Bibcode:2000RvGeo..38..221B. doi:10.1029/1998RG000053.
· ^ Bramfitt, B. L.; Benscoter, Arlan O. (2002).“The Iron Carbon Phase Diagram”. Metallographer's guide: practice andprocedures for irons and steels. ASM International. tr. 24–28. ISBN978-0-87170-748-2.
· ^ a ă Weeks 1968, tr. 29.
· ^ a ă Weeks 1968, tr. 31.
· ^ Bryce, Trevor (2007). Hittite Warrior. OspreyPublishing. tr. 22–23. ISBN 978-1-84603-081-9.
· ^ “Foods & Nutrition Encyclopedia, TwoVolume Set”. Google Books. Truy cập 23 tháng 9 năm 2015.
^ G. Rugel, T. Faestermann, K. Knie, G.Korschinek, M. Poutivtsev, D. Schumann, N. Kivel, I. Günther-Leopold, R.Weinreich, M. Wohlmuther: New Measurement of the 60 Half-Life. In: PhysicalReview Letters. 103, 2009, S., doi:10.1103/PhysRevLett.103.072502.
· ^ Mostefaoui, S.; Lugmair, G.W.; Hoppe, P.; ElGoresy, A. (2004). “Evidence for live 60Fe in meteorites”. N